減少船只傾覆或沉沒方法專利技術綜述

夏俞揚

摘 ?要：減少船只傾覆與沉沒的研究對海上船舶航行安全可靠具有重要意義，文章從改進船體穩定性和改進船體浮力兩大方面對減少船只傾覆或沉沒方法專利技術的發展狀況進行了分析。從專利文獻的視角對減少船只傾覆或沉沒的技術發展路線進行了統計分析。

關鍵詞：安全;翻;沉;浮力;穩定;氣;壓載

中圖分類號：T-18 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）13-0024-03

Abstract： The research on reducing the capsizing and sinking of ships is of great significance to the safety and reliability of navigation of ships at sea. In this paper， the development of patented technology for reducing ship capsizing or sinking is analyzed from two aspects： improving hull stability and improving hull buoyancy. From the perspective of patent literature， this paper makes a statistical analysis of the technical development routes to reduce the capsizing or sinking of ships.

Keywords： safety; overturning; sinking; buoyancy; stability; air; ballast

1 概述

船的發展具有悠久的歷史，從最初的獨木舟演變成現在的帆船、漁船、游/貨輪、軍艦等等，各式各樣，用途不一。回顧歷史，船只傾覆、漏水、沉沒事件時有發生，比較著名的海難有英國“泰坦尼克號”、韓國“歲月號”、中國“東方之星”號游輪等，每一次的船只傾覆沉沒事故都給人們的生命和財產造成了重大的損失。現實中多次沉船事故發生時，救援人員對于船體的下沉，大多數情況下只能束手無策，任由其沉沒。因此，研究減少船只傾覆或沉沒的方法是十分必要的。

目前，常用的減少船只傾覆或沉沒的方法主要通過改變船體負載的設置位置、大小，提高船只自身的穩定性，或者通過改變船體自身浮力，增強其抗風浪性兩種方式。

2 國內外相關專利申請狀況分析

減少船只傾覆或沉沒的方法有很多，在實際使用過程中，會根據船體的大小、船只的應用領域、載重的多少以及船體上可用于設置減少船只傾覆或沉沒裝置的空間大小來選擇不同種類的裝置。

圖1顯示了五種常用的減少船只傾覆或沉沒方法的專利申請量之間的占比關系。使用弦外浮動構件和壓載水柜減少船只傾覆或沉沒的方法是目前世界各國的主要研究方向與常用手段。使用弦外浮動構件方法常用于體積較小的船只，該船只的艙內可以用于設置減少船只傾覆或沉沒裝置的空間較小，只能通過在船體外設置弦外浮動構件，在不占用較多船艙體積的基礎上，達到減小船只傾覆或沉沒的技術效果。而使用壓載水柜則常用于大型貨船、運輸船，該類船只處于空載和滿載時，船體載重量不一致的問題，常用的方法就是在船艙內設置壓載水柜，根據船體載重量，調節壓載水艙內的儲水量，使船體保持平衡。

2.1 世界相關專利申請狀況分析

如圖2所示，顯示了一百多年來，全世界在減少船只傾覆或沉沒方法方面的專利申請量發展情況。

由圖2可知，1900年起，世界各國開始致力于有關減少船只傾覆或沉沒方法的專利申請，并在此后的30年內呈增加趨勢，這說明這一時間段內，海上貨船、游輪、水上項目等處于快速發展階段，人們開始重視航海安全。在1930年至1960年這段時間里，申請量處于下降狀態，此時，整個世界經濟由于戰亂等因素，處于停滯不前的狀態，專利申請量也開始逐步下降。在1960年之后，隨著世界經濟開始復蘇，在船舶領域方面的研究也逐步加深，相應的專利申請量也進入了一個井噴爆發的時代。21世紀以來，全世界處于知識爆炸的狀態，人們對于應用科學技術、進一步提高海上航行的安全性和可靠性，有了更加深入的認識。

圖3顯示了世界上幾個主要進行有關減少船只傾覆或沉沒方法的專利申請的國家，主要集中在日本、韓國、美國、中國、德國、英國等國家。由于地域、經濟實力等原因，英國、德國、美國等國家很早就開始了海上航行，相應的對于海上航行安全方面的研究也較為突出。韓國具有三星重工業株式會社、大宇造船海洋株式會社兩家全世界主要的造船廠，日本具有三菱重工業株式會社一家全世界主要的造船廠，因此兩個國家占據該領域申請量的主導位置，在該方面具有較強大的研究基礎和積累。

下面將從改進穩定性和改進浮力兩方面分析減少船只傾覆或沉沒方法專利申請量。

3 減少船只傾覆或沉沒方法發展路線

下面，將從改變船體負載的設置位置、大小，提高船只自身的穩定性，以及改變船體自身浮力，增強其抗風浪性兩個主要方面入手，對減少船只傾覆或沉沒的方法的技術發展狀況進行分析。

3.1 改進穩定性

為了保證船只的穩定性，通常會通過改變船體載重方式實現。特別是對于貨船，其在空載與滿載時，載重量會有很大差別，通常會在船體上設置壓載水艙，通過調節壓載水艙內的儲水量，使船只可以可靠、穩定地在海上航行。或者，由于船體在航行過程中無法使船體的船首、船尾之間、左舷、右舷之間始終處于載重相等，需要設置固體壓載物進行動態調節。

改進系統穩定性的方法，具體可以通過使用壓載水柜和移動固體壓載物的方法來實現。

（1）使用壓載水柜

壓載水柜又可稱為壓載艙，大型游船、散貨船、散裝船、集裝箱船等都具有壓載倉。壓載水柜分布在雙層底艙、首尖艙、尾尖艙、舷側邊艙或深水艙內。用泵吸入或排出艙內的水，使船舶保持壓載正常和縱傾度正常。例如，因左舷貨艙卸貨過多，左舷失去壓載，船只可能發生右傾，這時只需要向左舷側邊艙注水，就恢復了原來的壓載，使船只保持平穩運行。壓載艙的大小依據船的大小和艙的類型而不同。如圖4所示，船舶裝載、排放壓載水的過程。

20世紀初期（1910年），在船只上安裝壓載水柜GB191026572A來增加船舶穩定性的方法就已經出現，該方法主要是在船體的外側增加一層結構，從而與船體表面形成一個空腔，放入海水后形成壓載水柜。為了裝載貨物，在目的港，船只需要將壓載艙內的水排出。隨著人們對海洋資源的開發利用，海上平臺開始大面積使用，1968年挪威公開了NO135056C一種應用于海上平臺的壓載水艙，例如鉆井平臺等，由于海上平臺上安裝鉆井設備等，會降低平臺的穩定性，故設置壓載水艙。2009 年中國船舶重工集團公司第七零四研究所發明了一種壓載水艙降噪聲裝置CN101362507A，可有效降低濺水和艙板之間的撞擊噪聲。主要通過在兩舷之間加入了一個水泵，根據船舶的橫搖情況把一個水艙內的水轉移到另一個水艙，一般通過兩水艙之間的節流閥來實現。

（2）通過移動固體壓載物

移動固體壓載物的方法主要是解決船只的運行過程中，船只兩側的載重不一致，導致船只容易出現翻沉的情況。最初的做法是在船只的甲板上放置一些重物，其可以在船只甲板上滾動，從而使船只保持平衡狀態，或者在船體的兩側提供兩個壓載水艙，兩側的水艙中的水分別可以通過泵抽送至另一側的水艙中，用以保持船只平衡。以上方法都需要耗費大量的人力資源來完成，自動化程度不高。

在20世紀初期（1916年），US1339628A提供了一種可以由甲板上的小車帶動重物在甲板上運動，從而使船只保持平衡的方法。在該技術方案的基礎上，人們開始采用電機、液壓缸等裝置帶動壓載物移動。現有技術還有通過在壓載物上設置齒輪，實現齒輪與齒條相互配合運動。而對于測量船體傾斜狀態的裝置，隨著科學技術的發展，目前，常用感知設備有傾角儀、慣性導航傳感器等設備。

3.2 改進浮力

為了保證船只的穩定性，通常還會通過改變船體浮力的方式實現。具體可以通過使用船內空氣容器、使用弦外浮動構件和使用應急堵漏裝置的方法來實現。

（1）使用船內空氣容器

在船內使用空氣容器主要是通過在船內設置可充氣的裝置，當需要增大船體浮力時，可對充氣裝置充氣。如圖5所示，船艙內設置可充氣的裝置a、b，當需要增加船體浮力時，可通過對船艙內的可充氣裝置a、b充氣實現。

該技術方案屬于較為成熟的技術方案，主要對充氣方式及充氣裝置的設置位置等進行改進。如1900年，US655993A公開了一種使用船內空氣容器減少船只傾覆或沉沒的方法，在船只部分艙體內放置部分浮體，當船只在滿載時，將其中充滿氣體放出，可以防止船只傾覆或沉沒。1965年FR1393433A公開了一種安裝在桅桿頂端的可充氣的浮體以改進船體穩定性的方法。1997年，EP19752499A公開了一種具有應急堵漏功能的，設置于船體內的空氣容器。該充氣裝置安裝于船艙內和船艙外，當船艙破損時，可通過向裝置充氣，使裝置在增加船體浮力的同時，還可以堵住漏洞，具有較好的技術效果。

（2）使用弦外浮動構件

在船體弦外設置浮動構架是較為平常的方法，通常在船舷上設置可充氣裝置，以調節船體浮力。

圖6中為1898年申請的US18980693350A，該方案中A、M為設置在船體上的中空浮體，位于船艙內的中空浮體A，在船體傾斜時，可通過將浮體A設置于船舷外，或將其收于船艙實現。浮體的體積不可調，存在占用船艙空間的問題。因此，后期人們開始大量的研究如何使弦外安裝的浮動構件在不使用時收回，達到既不增加船體體積，也不占用船艙空間的技術效果。于是在1913年GB191222271A公開了一種可以在使用時充氣，用以增加船體浮力的方法，該裝置在不使用時，船體外殼處設置了多個孔，該空內放置有充氣袋，當需要增加船體浮力時，向充氣袋內充氣，由于充氣袋體積增加，其會自動伸出船體外殼的孔，增加船只體積，改進船體浮力。2015年，CN104986303A公開了一種隱蔽性船用安全氣囊系統，該系統在之前專利申請的基礎上，增加鎖扣和支撐架等裝置，將船體與系統整體牢固鎖定成一體，在極端惡劣氣候條件下，極大提高了安全氣囊的牢固性和安全性。

（3）使用應急堵漏裝置

當船只的航行過程中遇到船體破裂等問題時，使用應急堵漏裝置、防止船體進水是有效的應急解決方案。目前，根據船體大小、類型、航區不同，配備有一定數量的各種堵漏器材、工具和材料，它們存放于水線上便于到達的艙室內。

圖7中為1902年申請的US19020094969A，當船體發生破裂時，可通過在船舷外運送維修人員至船體破裂處，使用金屬對船體破損處進行堵漏。但該方案僅適用于船體裂縫位于水線上，對于位于水線以下的船體裂縫，無法維修。于是，在1916年，GB101479A使用了在船舷兩側設置氣囊袋的方法。當船體破裂時，氣囊帶落下，貼合在船體外殼破裂處，并向氣囊袋充氣，使之將船體的破裂位置補齊，防止船體繼續進水，從而翻沉。對于船體破裂較小的情況，可以使用堵漏螺桿堵中型洞或裂縫。如1930年DE343495公開了一種應用于堵住船體裂縫的螺釘。1993年，US5735227A公開了一種應急堵漏的方法，從船體內側，使用彈性物質或帶有磁性的物質將船體與補漏的殼體固定連接來完成。2016年，JP2016196284A公開了一種應用機器人在船體外側補漏的裝置，該機器人上安裝有攝像機，通過對攝像機確定船體破裂位置，從而有針對性的補漏。隨著科技的進步，船體應急堵漏裝置開始向智能化方向發展。

4 結束語

目前，減少船只傾覆或沉沒的方法在不斷向自動化、精細化、智能化方向發展。我國在減少船只傾覆或沉沒方法方面雖然起步較晚，減少船只傾覆或沉沒方法的研究水平有待提高，但結合目前國內該領域專利申請的發展態勢與國際發展趨勢，中國在船舶領域的專利發展日新月異，在減少船只傾覆或沉沒方法方面的專利發展前景十分廣闊。

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