自由液面對船舶穩性的影響及安全行駛對策

李 鋒

(江蘇航運職業技術學院 航海技術學院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

船舶在航行過程中，由于海洋天氣狀況不可控、船上人員業務能力參差不齊，極易發生各種影響船舶人員及貨物安全的問題，在這些問題中當屬火災最為嚴重，船舶一旦發生火災事故便會造成各種不可挽回的影響[1-3]。近年來，國內外所發生的船舶事故中，由于火災而引起的事故占比不斷提升，在船舶發生火災時，無論采取何種方式，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行火災撲救時，船內各艙室將會逐漸產生積水，進而造成船舶傾斜，加劇積液的流動，如此便形成惡性循環。因此加強船舶的穩性研究，尤為重要。

自由液面是指船舶中液體可能會存在的各個艙室，常見的如淡水艙、壓載水艙、儲油柜等，當艙內未充滿液體或者完全沒有液體時，存在液體表面與空氣接觸的情況，當船發生橫搖等晃動時，液面也會隨之產生移動。目前，集裝箱船在破艙條件下所產生的自由液面與常規自由液面有所不同，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，對船舶在航行過程中的安全性展開探討，并結合實際，提出相關的安全行駛對策[4-5]。

1 自由液面對船舶穩性的影響

如圖1 所示，當一個液艙內裝有液體未達到滿艙，此時船舶橫傾角為θ，液體在重力作用下發生移動，得出轉動半徑為：

圖1 艙內自由液面Fig.1 Free surface in tank

液體移動相當于增加了力矩，與船舶傾斜方向相同，大小為：

綜合式（1）～ 式（3）可看出，當船舶發生橫傾時，其實際復原力矩為：

通過查取艙名所對應自由液面面積慣性矩表。在船舶不同位置所出現的自由液面形狀也有差別。其中，當自由液面所在容器形狀為矩形、等腰三角形和等腰梯形時，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可寫為：

式中：l為液面長度，m；b1和b2分別為液面前端、后端寬度，m。

當自由液面形狀為圓形或者橢圓形時，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，m；b為橢圓長軸長，m。

當自由液面形狀為直角梯形時，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則曲線或者艙壁的特殊結構等所導致。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x軸進行積分，可得曲線在區間（a，b）圍成的面積為：

由平移軸公式可得長為y，寬為 dx的小矩形面積慣性矩為：

曲線在區間（a，b）所圍面積的面積慣性矩為：

因貨艙形狀是對稱的，所以此形狀下貨艙中自由液面所產生的慣性矩為：

式中：a為貨艙一端橫艙壁與ox軸的交點；b為橫艙壁與水平艙壁的交點。

1.2 艙內液體接近空艙

當船舶處于較大橫傾時，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

假設艙室寬度為b，液面深度為h0，當船舶發生橫傾，橫傾角為α，液面DE在重力的作用下變為D′E′。根據以上假設可得出：

1.3 艙內液體接近滿倉

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，結合初始討論情況為液體接近滿艙，故自由液面高度應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。

2 船舶在安全行駛中的有效對策

2.1 航行前的船舶檢查

對運輸船而言，通過設置縱向水密艙壁，對其內部結構加以特殊設置，可使自然液面對船舶穩性的影響大大降低。此外，如果在航運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，則可以降低艙柜內自然液體表面的數量，從而降低自然液體表面對船舶穩性的影響。此外，在對當前船舶的研究分析中能夠看出，對于一般超大型的散裝船來說，在保持空載運轉狀況下行駛，必須采用1～2 個貨柜段壓艙。由于該類船舶貨柜的寬度和長度都較大，而且船上貨柜的長度和寬度都與船上自然液面有很大的關聯，若不做好相應的保護措施，對船上自然液面的危害也相當大。所以在實際操作過程中，該類船艙不能出現負壓狀況，而是按照船上的規定，否則容易受到自由液面的影響而出現事故。在檢驗過程中，重視對縱向艙的檢查，看其艙壁能否全部分離，是否仍具有相通的情況，看不同隔間內有無產生不必要的積水，一旦出現這些情況，一定要及時加以解決，減少船舶所產生的自由水平液面的規模，增強船舶在行駛過程中的安全與可靠性，盡可能減少交通事故的發生率。

2.2 船舶裝載物的處理

對船中所裝運的干散貨物進行處理，以提高船舶航行的安全性。主要是對物品有條理的擺放，或者對物品進行定位，并保證貨物不要在航行凸點處發生移動，船舶一旦在行駛途中由于晃動而發生移動，將對船舶行駛的穩定性產生較大的影響，容易造成船舶的安全事故。另外貨物如果高低不齊，也會影響船舶行駛的穩定性，因而船內貨物要擺放平齊，從而增加船舶行駛的穩定性。除此之外，一旦必須裝載液體貨物時，也一定要對貨物加以嚴密的管理與監測，這樣在整個行駛過程中，船舶就不會出現自由液面，從而提高行駛中船舶的穩定性。

2.3 對于船舶發生橫傾時的處理措施

如果船舶在航行過程中遭遇意外情況，導致嚴重的橫傾問題，進而會延遲搶險救援的時間。采用高壓水流來調節，則可以有效地解決嚴峻的傾斜問題。比如在進行操作時，特別注意自由液面的影響，如果需要利用壓艙水來解決橫傾情況，可考慮使用長度更窄的船艙。而假如該船已配置好了壓艙水，則可以在進行橫傾的過程中使用放置于橫傾一側的壓艙水。這樣的處理方法，能夠有效防止其他壓艙水艙出現自然液面，有效降低自然液面給船舶造成的危害，有效增強船舶的穩定性。

2.4 處理船舶進水的方法

通常船舶在行駛過程中，受到行駛水域環境，甚至氣候的限制，極易發生撞擊、觸礁、擱淺的情況，而如果出現上述情況，船舶艙室也不可避免會出現進水。建議及時用排水泵把船內進的污水全部去除，或者將船舶漏水的地方補上。在此基礎上，把靠近艙段的水密門全部封閉，有效降低危害區域，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鍵因素，為了有效地抑制這一問題，建議通過改變航向，或者提前減速等相關措施，以抵抗海浪帶來的沖擊力，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，以便將隨風浪涌入甲板的海水有效地排出，從而有效地阻止海水進入船艙內部。

3 結 語

本文研究自由液面對船舶穩性的影響，在研究中發現，自由液面對船體的作用巨大，嚴重者甚至可以直接造成沉船事故。用而通過計算公式加以分析，提出了通過對船舶內部結構的改變，來減小船艙出現自由液面的可能性。