自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響及安全行駛對(duì)策

李 鋒

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

船舶在航行過(guò)程中，由于海洋天氣狀況不可控、船上人員業(yè)務(wù)能力參差不齊，極易發(fā)生各種影響船舶人員及貨物安全的問(wèn)題，在這些問(wèn)題中當(dāng)屬火災(zāi)最為嚴(yán)重，船舶一旦發(fā)生火災(zāi)事故便會(huì)造成各種不可挽回的影響[1-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外所發(fā)生的船舶事故中，由于火災(zāi)而引起的事故占比不斷提升，在船舶發(fā)生火災(zāi)時(shí)，無(wú)論采取何種方式，最為有效且常用的滅火方式是用水滅火，一旦船舶采取水為滅火劑進(jìn)行火災(zāi)撲救時(shí)，船內(nèi)各艙室將會(huì)逐漸產(chǎn)生積水，進(jìn)而造成船舶傾斜，加劇積液的流動(dòng)，如此便形成惡性循環(huán)。因此加強(qiáng)船舶的穩(wěn)性研究，尤為重要。

自由液面是指船舶中液體可能會(huì)存在的各個(gè)艙室，常見(jiàn)的如淡水艙、壓載水艙、儲(chǔ)油柜等，當(dāng)艙內(nèi)未充滿液體或者完全沒(méi)有液體時(shí)，存在液體表面與空氣接觸的情況，當(dāng)船發(fā)生橫搖等晃動(dòng)時(shí)，液面也會(huì)隨之產(chǎn)生移動(dòng)。目前，集裝箱船在破艙條件下所產(chǎn)生的自由液面與常規(guī)自由液面有所不同，主要包含液面位置低于集裝箱以及液面位置高于集裝箱2 種。因此從自由液面視角入手，對(duì)船舶在航行過(guò)程中的安全性展開(kāi)探討，并結(jié)合實(shí)際，提出相關(guān)的安全行駛對(duì)策[4-5]。

1 自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響

如圖1 所示，當(dāng)一個(gè)液艙內(nèi)裝有液體未達(dá)到滿艙，此時(shí)船舶橫傾角為θ，液體在重力作用下發(fā)生移動(dòng)，得出轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為：

圖1 艙內(nèi)自由液面Fig.1 Free surface in tank

液體移動(dòng)相當(dāng)于增加了力矩，與船舶傾斜方向相同，大小為：

綜合式（1）～ 式（3）可看出，當(dāng)船舶發(fā)生橫傾時(shí)，其實(shí)際復(fù)原力矩為：

通過(guò)查取艙名所對(duì)應(yīng)自由液面面積慣性矩表。在船舶不同位置所出現(xiàn)的自由液面形狀也有差別。其中，當(dāng)自由液面所在容器形狀為矩形、等腰三角形和等腰梯形時(shí)，如圖2 所示。

圖2 梯形自由液面Fig.2 Trapezium free surface

其自由液面面積慣性矩ix可寫(xiě)為：

式中：l為液面長(zhǎng)度，m；b1和b2分別為液面前端、后端寬度，m。

當(dāng)自由液面形狀為圓形或者橢圓形時(shí)，如圖3 所示。

圖3 橢圓形自由液面Fig.3 Ellipse free surface

其自由液面面積慣性矩為：

式中：a為橢圓短軸長(zhǎng)，m；b為橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)，m。

當(dāng)自由液面形狀為直角梯形時(shí)，如圖4 所示。

圖4 直角梯形自由液面Fig.4 Right trapezoid free surface

其自由液面面積慣性矩為：

式中：l為液面長(zhǎng)度，m；b1和b2分別為液面前端、后端寬度，m。

1.1 其他形狀自由液面

自由液面形狀不規(guī)則是自由液面的形狀所決定的，通常情況下是由于艙壁形狀為一不規(guī)則曲線或者艙壁的特殊結(jié)構(gòu)等所導(dǎo)致。圖5 為某船艙壁曲線。

圖5 任意形狀自由液面Fig.5 Free surface of arbitrary shape

對(duì)x軸進(jìn)行積分，可得曲線在區(qū)間（a，b）圍成的面積為：

由平移軸公式可得長(zhǎng)為y，寬為 dx的小矩形面積慣性矩為：

曲線在區(qū)間（a，b）所圍面積的面積慣性矩為：

因貨艙形狀是對(duì)稱的，所以此形狀下貨艙中自由液面所產(chǎn)生的慣性矩為：

式中：a為貨艙一端橫艙壁與ox軸的交點(diǎn)；b為橫艙壁與水平艙壁的交點(diǎn)。

1.2 艙內(nèi)液體接近空艙

當(dāng)船舶處于較大橫傾時(shí)，其近空艙自由液面如圖6所示。

圖6 近空艙自由液面Fig.6 Free surface at near empty tank

假設(shè)艙室寬度為b，液面深度為h0，當(dāng)船舶發(fā)生橫傾，橫傾角為α，液面DE在重力的作用下變?yōu)镈′E′。根據(jù)以上假設(shè)可得出：

1.3 艙內(nèi)液體接近滿倉(cāng)

一般而言，不同船舶艙室的裝載率以及橫傾存在差別，本文著重圍繞液體接近滿艙加以探討，其橫剖面圖如圖7 所示。

圖7 近滿艙時(shí)矩形液艙上部橫剖面圖Fig.7 The upper cross section of the rectangular tank of the near full tank

可知：

式中，結(jié)合初始討論情況為液體接近滿艙，故自由液面高度應(yīng)至少為艙室深度的一半，即0 ≤h≤tanθ。

分析可知，船舶橫傾力矩與船舶橫傾角高度呈正相關(guān)。

2 船舶在安全行駛中的有效對(duì)策

2.1 航行前的船舶檢查

對(duì)運(yùn)輸船而言，通過(guò)設(shè)置縱向水密艙壁，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以特殊設(shè)置，可使自然液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響大大降低。此外，如果在航運(yùn)中也需要使新裝入的自然液體艙段保持空艙狀況，又或者是都裝滿，則可以降低艙柜內(nèi)自然液體表面的數(shù)量，從而降低自然液體表面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響。此外，在對(duì)當(dāng)前船舶的研究分析中能夠看出，對(duì)于一般超大型的散裝船來(lái)說(shuō)，在保持空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下行駛，必須采用1～2 個(gè)貨柜段壓艙。由于該類船舶貨柜的寬度和長(zhǎng)度都較大，而且船上貨柜的長(zhǎng)度和寬度都與船上自然液面有很大的關(guān)聯(lián)，若不做好相應(yīng)的保護(hù)措施，對(duì)船上自然液面的危害也相當(dāng)大。所以在實(shí)際操作過(guò)程中，該類船艙不能出現(xiàn)負(fù)壓狀況，而是按照船上的規(guī)定，否則容易受到自由液面的影響而出現(xiàn)事故。在檢驗(yàn)過(guò)程中，重視對(duì)縱向艙的檢查，看其艙壁能否全部分離，是否仍具有相通的情況，看不同隔間內(nèi)有無(wú)產(chǎn)生不必要的積水，一旦出現(xiàn)這些情況，一定要及時(shí)加以解決，減少船舶所產(chǎn)生的自由水平液面的規(guī)模，增強(qiáng)船舶在行駛過(guò)程中的安全與可靠性，盡可能減少交通事故的發(fā)生率。

2.2 船舶裝載物的處理

對(duì)船中所裝運(yùn)的干散貨物進(jìn)行處理，以提高船舶航行的安全性。主要是對(duì)物品有條理的擺放，或者對(duì)物品進(jìn)行定位，并保證貨物不要在航行凸點(diǎn)處發(fā)生移動(dòng)，船舶一旦在行駛途中由于晃動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)，將對(duì)船舶行駛的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，容易造成船舶的安全事故。另外貨物如果高低不齊，也會(huì)影響船舶行駛的穩(wěn)定性，因而船內(nèi)貨物要擺放平齊，從而增加船舶行駛的穩(wěn)定性。除此之外，一旦必須裝載液體貨物時(shí)，也一定要對(duì)貨物加以嚴(yán)密的管理與監(jiān)測(cè)，這樣在整個(gè)行駛過(guò)程中，船舶就不會(huì)出現(xiàn)自由液面，從而提高行駛中船舶的穩(wěn)定性。

2.3 對(duì)于船舶發(fā)生橫傾時(shí)的處理措施

如果船舶在航行過(guò)程中遭遇意外情況，導(dǎo)致嚴(yán)重的橫傾問(wèn)題，進(jìn)而會(huì)延遲搶險(xiǎn)救援的時(shí)間。采用高壓水流來(lái)調(diào)節(jié)，則可以有效地解決嚴(yán)峻的傾斜問(wèn)題。比如在進(jìn)行操作時(shí)，特別注意自由液面的影響，如果需要利用壓艙水來(lái)解決橫傾情況，可考慮使用長(zhǎng)度更窄的船艙。而假如該船已配置好了壓艙水，則可以在進(jìn)行橫傾的過(guò)程中使用放置于橫傾一側(cè)的壓艙水。這樣的處理方法，能夠有效防止其他壓艙水艙出現(xiàn)自然液面，有效降低自然液面給船舶造成的危害，有效增強(qiáng)船舶的穩(wěn)定性。

2.4 處理船舶進(jìn)水的方法

通常船舶在行駛過(guò)程中，受到行駛水域環(huán)境，甚至氣候的限制，極易發(fā)生撞擊、觸礁、擱淺的情況，而如果出現(xiàn)上述情況，船舶艙室也不可避免會(huì)出現(xiàn)進(jìn)水。建議及時(shí)用排水泵把船內(nèi)進(jìn)的污水全部去除，或者將船舶漏水的地方補(bǔ)上。在此基礎(chǔ)上，把靠近艙段的水密門(mén)全部封閉，有效降低危害區(qū)域，保證船舶的安全行駛。

2.5 控制浪引起的自由液面

自由液面是影響艦艇行駛安全的關(guān)鍵因素，為了有效地抑制這一問(wèn)題，建議通過(guò)改變航向，或者提前減速等相關(guān)措施，以抵抗海浪帶來(lái)的沖擊力，降低船舶的橫搖幅度。為了確保船舶的安全，排水口必須保持暢通，以便將隨風(fēng)浪涌入甲板的海水有效地排出，從而有效地阻止海水進(jìn)入船艙內(nèi)部。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響，在研究中發(fā)現(xiàn)，自由液面對(duì)船體的作用巨大，嚴(yán)重者甚至可以直接造成沉船事故。用而通過(guò)計(jì)算公式加以分析，提出了通過(guò)對(duì)船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，來(lái)減小船艙出現(xiàn)自由液面的可能性。