船舶氣象衡準統一協調研討

余 瑋

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

船舶氣象衡準統一協調研討

余 瑋

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

通過對我國在船舶完整穩性方面針對國際航行船舶和國內航行船舶執行的2種氣象衡準的臨界抗風能力進行計算與分析對比，對國內航行船舶的實際航線范圍及穩性事故多發船舶的航區穩性進行統計分析，研究氣象預報與船舶氣象衡準風力之間的關系。在此基礎上，提出國內航行船舶的穩性衡準可直接采用國際航行船舶適用的《2008年國際完整穩性規則》，這既能降低對遠海航區船舶抗風等級的過高要求，又能減少沿海航區氣象衡準要求偏低的安全隱患，使得船舶氣象衡準法規的應用更加簡便、合理，且有利于降低遠海航區船舶的建造和運營成本，可取得良好的社會和經濟效益。

船舶；完整穩性；氣象衡準；臨界抗風能力；航區

對于我國船舶完整穩性的要求，目前執行的是國際航行船舶的完整穩性標準[1]和國內航行船舶的完整穩性標準[2]。這2種衡準的數學模型和穩性衡準參數均不相同，但對抗風能力的要求均通過氣象衡準數K的大小判定。國內氣象衡準(以下簡稱《國內衡準》)將航區分為遠海、近海和沿海(含遮蔽)等3類，國際氣象衡準(以下簡稱《國際衡準》)因只有1個標準而沒有劃分航區。這里針對氣象衡準K=1時的臨界抗風能力，通過解析來闡述《國內衡準》與《國際衡準》協調統一的必要性。

1 氣象衡準中風壓與風速的關系

船舶氣象衡準中風壓與風速的關系同樣是通過引用空氣動力學的基礎理論得到的，相關標準[3]中給出的計算式為

P=1/2Cmρv2

(1)

式(1)中：P為風壓，kg/m2；Cm為船舶形狀修正系數，一般取Cm=1.2[4]；ρ為空氣的質量密度，取15 ℃時的ρ=0.125 1 kg·s2/m4；v為風速，m/s。

將確定的參數值代入到式(1)中并變換風壓單位，可將風壓與風速的關系簡化為

(2)

式(2)中：P為風壓，Pa；v為風速，m/s。

2 氣象衡準中設定的風壓

《國內衡準》設定的風壓[2]由航區及風壓中心距離海平面的高度確定。《國際衡準》設定的風壓[1]不分航區：對于商船和船長≥45 m的漁船，風壓取值是唯一的；對于船長<45 m的漁船，風壓同樣由風壓中心距離海平面的高度確定。2種衡準設定的風壓標準對比見表1。

表1 2種衡準設定的風壓標準對比

3 風速梯度的影響

表1中的風壓是根據風壓中心高度的變化取值的。考慮到空氣也是黏性流體，在同一時刻，不同高度處的風速(即空氣流動的速度)不同，沿高度方向呈梯度分布，各高度處的風速vi與距離海平面6 m高處的風速v6的比值稱為該高度處的風速梯度系數ki，即

ki=vi/v6

(3)

《國內衡準》對所有船舶都考慮風速梯度的影響，且各類航區的風速梯度均相同。《國際衡準》僅對部分小型漁船考慮風速梯度的影響，對商船和船長≥45 m的漁船均不考慮風速梯度的影響。2種衡準選取的風壓、風速和風速梯度系數對比見表2。

由于2種衡準與天氣預報對風力取值的標準高度不同，因此在轉換時必須考慮風速梯度的影響。

表2 2種衡準的風壓、風速及風速梯度系數對比

4 氣象預報與2種衡準設定風力的關系

天氣預報的風力將海面以上10 m高處的風力作為測量的標準[5],其風速與風級的關系[6]為

(4)

式(4)中：v為氣象預報B級風的平均風速，m/s；B為氣象預報的風級。我國天氣預報的風級和風速[7]見表3。

表3 我國天氣預報的風級和風速

由表3可知，各級風的風速都有一定的范圍。當要預報的船舶可抵抗某級風時，須采用該級風最大風速對應的風壓進行校核。

若以式(4)的形式進行反推，可得到表4中各級風的最小風速與最大風速的計算式為

vmin=0.836(B-0.49)3/2

(5)

vmax=0.836(B+0.49)3/2

(6)

式(5)和式(6)中：B為天氣預報的風級；vmin為B風級時可出現的最小風速，m/s；vmax為B風級時可達到的最大風速。由式(5)和式(6)可知，某級風上下0.5級處的風速為該級風風速的區間。

在《國內衡準》中，以距離海平面6 m高處的風力作為氣象衡準的標準，不同高度處的風力用標準風力經過梯度系數的修正來換算。氣象衡準的標準風力與天氣預報風力之間的風速梯度系數k10=1.017(如表2所示)。

在《國際衡準》中，小型漁船也以距離海平面6 m高處的風力作為標準，距離海平面≥6 m處的風速梯度系數k=1。商船和船長≥45 m的漁船在所有高度處的風速梯度系數k均為1。即《國際衡準》對船舶的風力標準與天氣預報的風力標準是相同的，無需換算。

5 氣象衡準的臨界抗風能力

5.1臨界抗風能力

臨界抗風能力系指氣象衡準數K=1的臨界工況所對應天氣預報的風力。此時可首先反推2種衡準距離海平面10 m高處的風壓P，利用式(2)求出平均風速v，利用式(4)求出風級，將其減少0.5級后即為對抗天氣預報臨界抗風能力的風級。該臨界抗風能力的級別對應于天氣預報應是最大的陣風級別，而不是常規風級。[8]

5.2《國際衡準》的臨界抗風能力

《國際衡準》規定的氣象衡準數為K≥1，其數學模型見圖1。依照圖1校核K≥1的步驟如下：

1) 船舶受到一個垂直于中線面的定常風壓的作用，產生定常風傾力臂lw1。

2) 假定在波浪的作用下，船舶由lw1的平衡角φ0向上風側最大諧搖至橫搖角φ1。

3) 船舶受到一個陣風風壓的作用，產生一個陣風傾側力臂lw2，且lw2=1.5lw1。

4) 面積“b”應等于或大于面積“a”，即b/a≥1，K=b/a。

在《國際衡準》的數學模型中，lw2與lw1的關系為lw2=1.5lw1，即陣風的風壓P2與定常風的風壓P1之間同樣存在P2=1.5P1的關系。利用式(2)推出P2的平均風速v2，利用式(4)推出v2對應的風級B2，則N=B2-0.5即為可抗天氣預報的臨界陣風的風級。

圖1 《國際衡準》數學模型

5.3《國內衡準》的臨界抗風能力

按照前述的步驟，同樣可求出《國內衡準》的臨界抗風能力，其數學模型及推導過程這里不再闡述。

5.42種衡準的臨界抗風能力對比

2種衡準的臨界抗風能力對比見表4。

表4 2種衡準的臨界抗風能力對比

6 氣象衡準的臨界抗風能力討論

由表4可知，《國際衡準》的臨界抗風能力為10.9級，與《國內衡準》中3個航區的臨界抗風能力相比，其相比遠海航區要求的13.3級低2.4級，相比沿海航區要求的8.4級高2.5級，相比近海航區要求的10.8級持平。《國內衡準》臨界抗風能力高于或低于《國際衡準》的航區是否有必要繼續設置是值得討論的，其理由：

1)《國際衡準》適用航行于全球海域的所有船舶，包括我國船舶及《國內衡準》所劃分的各類航區內的船舶。

2)《國內衡準》規定的遠海航區可能是考慮距岸海況比較惡劣設定的。海況是指風和浪的大小，船舶要考慮風浪載荷的影響，其中，風載荷主要影響船舶穩性，而波浪載荷主要影響船舶結構強度。[9]由于我國周邊海域海況的惡劣程度低于南非的好望角[10]和冬季的北大西洋，因此國內航行船舶的臨界抗風等級要求高于國際航行船舶的臨界抗風等級要求，無論是從技術層面還是經濟層面看，都缺乏有力的論據支撐。

3)國內法規[2]規定：“對遠海航區船舶，除雙體客船、拖船、起重船和挖泥船外，如全部引用《國際航行海船法定檢驗技術規則》第4篇附則3的規定，則可等效代替本章2和3的所有要求。”該規定表明遠海航區絕大多數船舶采用《國際衡準》是沒有問題的。若要提高作業于遠海航區的少數國內船舶的臨界抗風能力，只要提高其風壓等級即可，無需對其他船舶進行改變，這對節約能源具有重要的現實意義。

由表4可知，《國內衡準》規定沿海航區的臨界抗風能力為8.4級，較《國際衡準》的臨界抗風能力10.9級低2.5級。從歷年的統計資料來看，穩性事故多發的船舶大多是滿足沿海航區氣象衡準要求的中小型船舶，特別是小型漁船。例如，在1999—2008年，全損的海洋漁船達1 245艘，其中因風災而全損的685艘船舶的主機功率在45～146 kW[11]，皆為小型漁船，其氣象衡準偏低是全損不可忽視的重要因素之一。因此，從降低小型船舶穩性事故發生概率考慮，采用《國際衡準》替代國內沿海航區的氣象衡準也是很有必要的。

航區是指船舶營運作業的海域。國內船舶往返于國內各個港口，其航線均不會經過遠海航區。因此，當年設定的遠海航區(此時沒有三沙航線)對國內航行的船舶并不具有普遍意義。

7 結束語

綜上所述，與不限航區的《國際衡準》相比，分航區的《國內衡準》的要求是需要改進的，其中最實際的改進舉措是將國內航行船舶的完整穩性直接與《2008年國際完整穩性規則》接軌。直接接軌的好處有：

1)可降低對遠海航區船舶抗風等級的過高要求。國內船舶數量龐大，僅該項節能就可取得很好的社會效益和經濟效益。

2)對沿海航區大量的中小型船舶適當提高抗風等級的要求，可對減少中小船舶的穩性事故提供更可靠的技術保障。

3)直接采用《2008年國際完整穩性規則》，具有去粗取精、刪繁就簡的特點。至于對少數船舶的特別要求，只要在風壓等個別參數上予以適當的調整即可。

[1] 中華人民共和國海事局.國際航行海船法定檢驗技術規則[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2] 中華人民共和國海事局.國內航行海船法定檢驗技術規則[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3] 全國船舶標準化委員會.船舶風壓計算：CB*/Z 301—1980[S].1980.

[4] 胡威.船舶穩性[M].北京：人民交通出版社,1998:17-18.

[5] 周執平.船舶的抗風等級[J].中外船舶科技,2002(4):16-18.

[6] 施國良，李建新.淺議海上船舶的抗風等級[J].船海工程，2002(6):5-6.

[7] 楊葆和.船舶設計實用手冊(總體分冊)[M]．北京：國防工業出版社，2013：34-35.

[8] 李家興.限制船舶氣象衡準與節能減排的關系[C]//北京：國家漁業船舶檢驗局.中國漁船裝備技術發展論壇論文集，2012:159-164.

[9] 朱永娥，王方園，張高峰.中國海域計算有義波高的核定[C]//上海：中國船級社上海規范所優秀論文集，2006： 179-180.

[10] 董守禮.好望角及其鄰近海域氣象海況淺議[J].航海技術,2001(4):18-19.

[11] 孫穎士,李冬霄.中國漁船安全分析報告[R].北京：農業出版社,2009:1-47.

OnCoordinationofWeatherCriteriaofShips

YUWei

(Shanghai Branch,China Classification Society,Shanghai 200135,China)

Two different weather criteria are implemented in checking the intact stability of ships,one for ships of international voyages and the other for domestic ones.The anti-wind capacity corresponding to the critical withstanding wind is calculated from the two weather criteria,the statistics about the actual voyage coverage of domestic ships and the stability situation are analyzed in the areas where the stability-accident-prone ships navigate,and the relationship between the weather data and the wind power of the weather criterion is investigated.On the basis of the above work,it is proposed that the International Code on Intact Stability (2008) applied to ships for international voyages be used directly as the stability criterion for domestic voyage ships.This will not only decrease too high requirements for wind resistance of ships in the area beyond Greater Coastal,but also reduce the safety risks the existing weather criterion for domestic ships may cause.It also rationalizes and simplifies the application of the weather criterion and reduces construction and operation costs of ships for areas beyond greater coastal.

ship; intact stability; weather criterion; ability of critical withstanding wind; coastal area

U675.12

A

2017-02-25

工信部高技術船舶科研項目(工信部聯裝[2014]502號)

余 瑋(1961—)，男，浙江寧波人，高級工程師，從事船舶結構建造檢驗和船舶結構設計研究。E-mail：812098320@qq.com

1000-4653(2017)02-0104-04