內河船舶干舷對穩性的影響

許文杰，楊亞東，b，張　兢，b

(武漢理工大學 a.航院學院; b.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063)

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內河船舶干舷對穩性的影響

許文杰a，楊亞東a，b，張兢a，b

(武漢理工大學 a.航院學院; b.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063)

針對內河干散貨船傾覆事故時有發生的現象，從分析典型船舶事故原因入手，根據典型船舶資料定量計算船舶干舷與穩性的關系，分析貨物積載對船舶航行安全的影響。結果表明，船舶超載會使船舶穩性大幅度降低，并且積載不當可能增加船舶傾翻概率。

干貨船；船舶超載；船舶積載；穩性；干舷

《長江海事局2014年安全形勢通報》刊載，2014年，長江海事局轄區共發生水上交通事故125件。其中，船舶自沉事故12件，占事故總數9.6%。船舶超載、貨物積載不當、裝卸作業不當是導致自沉事故多發的要因。2012年2月2日，某自卸運砂船在某水域發生傾覆，10人死亡，1人失蹤。2014年3月17日，某船下行至長江干線沙沱水域發生翻覆，3 人死亡，1人失蹤。船舶翻沉事故的后果不僅僅造成經濟損失，更嚴重的是奪取生命，對航行安全造成威脅[1]。

目前，我國內河船舶運輸存在超載、積載不當等現象。內河船舶載重線勘劃不規范，部分船舶存在沒有勘劃載重線及勘劃載重線不清晰。內河駕駛員對船舶穩性知之甚少，對風、流及其他因素對船舶影響認識不足，船舶事故經常發生，對我國內河運輸經濟發展造成一定影響。國內外學者的研究主要集中于船舶超載原因及治理方法、波浪中船舶穩性、破艙穩性等方面，對于定量計算分析船舶超載及積載方式對船舶穩性影響的研究鮮有報道。為此，對內河船舶不同裝載狀態下船舶干舷及穩性進行計算，分析船舶超載及船舶積載方式對船舶安全造成的影響，使內河船舶駕駛員、船東都能夠清楚認識到船舶超載及配載不當的危害。

1　船舶不同載重量裝載狀態

以長江干散貨船船舶資料為基礎，按照《內河船舶法定檢驗技術規則》(以下簡稱《規則》)要求，進行船舶不同裝載狀況下船舶干舷、初穩性、大傾角穩性等穩性指標進行定量計算及趨勢變化分析，判斷其能否滿足《規則》要求并進行船舶不同裝載狀態下干舷及穩性各個指標的比較對比分析[2-3]。

該船舶為B級航區某半艙干貨船，船舶總長53.52 m，型寬9 m，滿載排水量717.6 t，空載排水量為141.6 t，B級航區載貨量為550 t。本文主要以船舶未超載、船舶滿載、船舶超載等不同裝載狀態進行研究分析，船舶裝載量取500～700 t，間隔50 t對船舶載重狀態進行穩性計算分析。根據《規則》要求，內河船舶運輸嚴禁超載運輸，船舶應進行平艙作業。但內河船舶貨物運輸通常所裝貨物高出貨艙圍壁，未經平艙，且貨物堆裝狀態已達到其自然傾斜角。內河船舶運輸卵石密度通常為1.4～2.0 t/m3，卵石堆積的自然傾斜角為38°～42°，取卵石密度平均值約為1.74 t/m3，卵石堆積的自然傾斜角40°。以船舶到港狀態進行計算分析，根據貨艙尺度及裝載情況，假設該船下層貨物為矩形立方體，上層為近似三棱柱體，裝載情況見示意見圖1、2。

圖2　干散貨船貨物堆裝橫剖面示意

圖1干散貨船貨物堆裝側視示意

為了便于比較，在貨物裝載量為500～700 t范圍內假設了5種裝載狀態，見表1。

表1　貨物裝載狀態　t

2　船舶干舷與穩性分析

2.1船舶不同裝載狀態的干舷分析

根據船舶靜水力曲線圖可知船舶不同裝載狀態下船舶吃水，計算求得船舶不同裝載狀態下船舶干舷，見圖3。

圖3　載重量與干舷的關系

由圖3可見，船舶干舷與船舶載重量近似成線性反比例關系，隨著船舶載重量的增加而減少。其中，船舶狀態5的干舷僅為船舶狀態2的1/3；船舶狀態4為船舶狀態2的54%，大大降低了船舶儲備浮力，降低了船舶抵抗外力矩能力。

2.2船舶不同裝載狀態的初穩性分析

穩性高度為

(1)

式中：KG——重心距基線高，m；

KM——初穩心基線高，m。

船舶重心距基線高度為：

(2)

式中：Pi——船上某一重物重量，t；

zi——Pi的重心坐標，m。

根據船舶裝載狀態可計算出對應的初穩性高度，初穩性高度與船舶裝貨量的關系見圖4。

圖4　裝貨量與初穩性高度的關系

根據《規則》要求，船舶初穩性高度不應小于0.2 m，該船舶不同裝載狀態初穩性高度能滿足要求。該船舶初穩性高度隨著船舶貨物量的增加而降低，但降低的幅度相對比較小。船舶狀態2的初穩性高度為1.784 m，船舶狀態5的初穩性高度為1.429 m，均遠遠超過《規則》的要求值。與船舶狀態2相對比，船舶狀態5的初穩性高度下降了0.355 m，下降幅度為19.9%。

2.3船舶不同裝載狀態的大傾角穩性分析

船舶大傾角穩性與船舶初穩性不相同，大傾角穩性一般采用曲線表示。

(3)

式中：D——船舶排水量，t；

g——重力加速度，m/s2；

根據船舶資料，計算出船舶不同裝載狀況下大傾角穩性復原力臂、極限靜傾力臂及穩性范圍，船舶不同裝載狀況下的復原力臂見圖5。

圖5　船舶不同裝載狀況下的復原力臂

根據船舶完整穩性計算書可知船舶進水點(z=3.2 m,x=3.9 m)，進而求得船舶不同裝載狀態下船舶的進水角、與之對應的復原力臂見圖6。

圖6　船舶不同裝載狀態下進水角

通過對該事故船舶初穩性、大傾角穩性、進水角的計算得到表2。

根據表2中該船舶不同裝載狀況下穩性計算結果可知，船舶的干舷、初穩性高度、最大復原力臂及對應角度、進水角及進水角對應的復原力臂、穩性消失角等穩性指標不同程度的下降。該船航行于B級航區，其穩性曲線面積值在船舶狀態3～5均不能滿足《規則》要求。船舶狀態2的最大復原力臂及對應角度均為船舶狀態5的2倍以上，減少了船舶抵抗外力矩的能力。狀態2的進水角為狀態5的1.3倍，進水角對應的復原力臂為狀態5的4.6倍，增加了船舶翻沉的風險。雖然船舶不同裝載狀態初穩性高度滿足《規則》要求及超載運輸具有一定的儲備浮力，但是該船的其他穩性指標隨著因船舶超載大為下降，抵抗外力矩能力減弱，增加了船舶翻沉的可能性[4-6]。

表2　穩性計算結果

3　不同裝載狀況對航行安全的影響

3.1貨物移動

當船舶在航行過程中或停泊中，船舶受風、流、及其他外力矩影響，會產生橫傾。根據船舶的裝載情況進行計算，只要存在一個不大的橫傾角，如2°～3°左右，貨物就可能發生移動，由于船舶貨艙圍板的阻擋，移動的貨物不會落入江中使得船舶產生貨物移動橫傾力矩。根據船舶產生不同橫搖角，貨物移動對船舶產生橫傾力矩進行計算分析。假設貨物移動前的船舶狀態見圖7，貨物移動后，船舶狀態則見圖8。下雨，摩擦系數下降，容易移動[7-8]。

圖7　正浮時貨物狀態

圖8　單次貨物移動后狀態

經計算，對應船舶不同裝載狀態下相同的橫傾角，貨物的移動量、船舶產生的橫傾力矩是相同的。對應船舶不同橫傾角θ產生的船舶橫傾力矩M見表3。

表3　船舶不同橫搖角度對應橫傾力矩

由表3可見，船舶因貨物移動產生的橫傾力矩隨著船舶橫搖角度增加而增大。同時，假設船舶裝載同量貨物進行平艙，與船舶裝載貨物不平艙相比，船舶只會因船舶橫搖角達到貨物的自然傾斜角度時，貨物才會發生貨物移動，所以船舶不會因船舶發生小角度橫搖而發生貨物移動。由于船舶穩性復原力矩的作用，當外力矩消失時，船舶又會回到初始平衡狀態。船舶貨物運輸不進行平艙作業，因船舶產生橫搖角而發生貨物移動，造成船舶產生橫傾角，降低了船舶穩性，減少了船舶抵抗外力矩的能力，增大了船舶翻沉事故的風險。

3.2船舶抵抗橫傾力矩能力

當船舶不考慮貨物移動及其他自身因素影響，一個較大外力矩作用于船舶時，將使船舶會發生傾斜。如果船舶突然受到一個較大的外力矩，由于船舶復原力矩小于外力矩，則船舶就會直接傾覆。根據表2船舶穩性計算結果可知，船舶正浮時，船舶不同裝載狀況下突然受到最小外力矩就會發生船舶傾覆事故，見圖9。

圖9　船舶不同裝載狀態下對應最小傾覆力矩

根據圖9可知，船舶突然受到最小傾覆力矩隨著船舶裝載貨物重量增加而下降，大大降低了船舶抵抗外力矩的能力，狀態5的最小傾覆力矩相當于船舶狀態2最小傾覆力矩的1/2，船舶發生傾覆事故風險增加。假設船舶不同裝載狀態存在一定的船舶橫傾角度，船舶不同裝載狀態的最小傾覆力矩則可能會下降，降低了船舶抵抗外力矩的能力，增加了船舶發生傾覆事故的風險。

3.3船舶航行安全

船舶發生傾覆事故往往不是因為單個橫傾力矩的作用，而是多個外力矩及船舶本身產生的橫傾力矩共同作用的結果。船舶發生碰撞或擱淺事故，導致船體進水，船舶產生橫傾角，喪失部分浮力。當船舶貨物積載不當、超載運輸時，船舶各穩性指標下降，船舶儲備浮力不夠，將導致船舶發生傾覆。船舶使用大舵角改變航行過程中，船舶遇不正常水流、風傾力矩作于船舶時，致使船舶產生較大的橫傾角，貨物積載不當產生移動從而致使船舶發生傾覆事故。根據該船舶資料計算，不同裝載狀況下船舶發生橫傾時，船舶剩余復原力矩及貨物移動產生的橫傾力矩見圖10。

圖10　船舶橫傾角與剩余復原力矩、貨物移動產生橫傾力矩變化關系

當船舶受外力矩產生船舶橫傾時，船舶裝載狀態5、4及船舶裝載狀態3在船舶因外力矩導致產生橫傾角度10°左右時，船舶剩余復原力矩幾乎為零，相對于狀態1、2增加了船舶傾覆風險。當船舶橫傾角度為5°時，船舶裝載狀態4、5的復原力矩數值僅為船舶滿載狀態1/3；船舶裝態3復原力矩數值比船舶滿載狀態減少了滿載狀態剩余復原力矩的41%。由此可知，船舶因超載運輸減少了船舶儲備浮力及抵抗外力矩的能力。

如果船舶貨物積載方式不當，船舶由于橫傾導致貨物移動，船舶將會產生貨物移動橫傾力矩，這橫傾力矩將減少船舶剩余復原力矩，易因大量貨物移動船舶直接發生傾覆事故。由圖10可見，船舶不同裝載狀態因受外傾力矩及貨物移動產生的橫傾力矩作用，船舶極限橫傾角θ隨著船舶裝載量增加而減少，見圖11。

圖11　船舶不同裝載量極限橫傾角曲線

由圖11可見，船舶狀態5受外力矩及貨物移動產生橫傾力矩在船舶橫傾角達到4.2°時，船舶會直接因船舶剩余浮力不夠導致發生傾覆事故。同理，船舶狀態4橫傾角達到5.6°時船舶就會直接傾覆。船舶狀態4、5極限橫傾角為船舶滿載狀態1/2左右，降低了船舶抵抗外力矩能力，造成船舶儲備浮力不足導致船舶傾覆。

綜上所述，在船舶滿載狀態，即使受到較大的外力矩作用也很難發生傾覆。但當船舶超載運輸，減少了船舶復原力矩，抵抗外力矩的能力減少，易造成船舶傾覆。當船舶超載運輸及積載方式不恰當，船舶在外力矩及貨物移動產生的橫傾力矩作用下即使發生很小的橫傾角，船舶也會發生傾覆。

4　結論

1)通過計算分析船舶不同裝載狀態的干舷及穩性，雖然船舶初穩性高度能夠滿足《規則》要求，但是穩性曲線面積均隨著船舶載重量的增加而下降幅度較大，該船舶貨物裝載量超載5.5%及以上時，不能滿足《規則》的要求。

2)雖然船舶超載運輸具有一定儲備浮力，但船舶超載運輸及貨物積載方式不當對船舶大傾角穩性、進水角、極限橫傾角影響較大。其中，船舶極限橫傾角隨著船舶裝載量的增加而降低，船舶橫傾達到幾度時，船舶就可能發生傾翻事故。船舶超載運輸及貨物積載方式不恰當大大降低了船舶抵抗外力的能力，減少了船舶儲備浮力，致使船舶更易發生翻沉事故。

3)建議相關海事部門對內河駕駛員進行船舶超載運輸對船舶安全影響的教育及宣傳，能夠使船舶駕駛員、船東能夠清楚了解船舶超載運輸、貨物積載方式對船舶安全性的影響及危害。

4)建立了船舶不同裝載狀態穩性計算模型，通過船舶干舷、初穩性、大傾角穩性等穩性指標進行計算分析，對船舶超載及貨物積載方式對船舶航行安全進行研究分析。其中，內河干貨船一般分為深艙貨船、半艙貨船、甲板貨船等，本文只是利用半艙貨船船舶資料進行研究。對于船舶裝載不同品種貨物及不同積載方式，其穩性有待進一步深入研究。

[1] 海法規[2011]391.《內河船舶法定檢驗技術規則》.2011[S].

[2] 殷毅.夫妻船需轉換航道[J].中國船檢，2008(7)：56-58.

[3] 王玉平.基于政府規制的長江干線船舶超載綜合治理研究[D].大連：大連海事大學公共管理，2011.

[4] 章文俊.散裝谷物船舶穩性計算及計算機實現的研究[D].大連：大連海事大學，2007.

[5] MARCOS Miguez Gonzalez. Fishing vessel stability assessment system[J]. Ocean Engineering,2012,41:67-78.

[6] IGOR Backalov. Impact of contemporary ship stability regulations on safety of shallow-draught inland container vessels[J]. Safety Science,2015,72:105-115.

[7] YAO Zhenghua. New level sensor system for ship stability analysis and monitor[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1999,48(6)：1014-1017.

[8] 王寧.世界海難事故現狀分析及應對措施[J].世界海運，2010(2):70-71.

The Influence of Freeboard upon Stability of the Inland Ships

XU Wen-jiea, YANG Ya-donga,b, ZHANG Jinga,b

(a.School of Navigation; b.Hubei Key Laboratory of Inland River Shipping Technology,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The causes of the typical overturning accidents of the inland dry bulk carriers are analyzed. According to the relationship between ship's freeboard and stability, the influence of storage upon navigation safety is investigated. The results show that the ship overloading will significantly reduce the stability of the ship, and stowage improperly can greatly increase the probability of tipping the ship.

dry cargo ship; ship overload; ship stowage; stability; freeboard

2015-11-29

2016-09-22

國家自然科學基金項目(5147957)

許文杰(1990—)，男，碩士生

U661.2

A

1671-7953(2016)04-0157-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.037

研究方向:交通運輸工程

E-mail:1175187006@qq.com