内河船舶干舷对稳性的影响

许文杰，杨亚东，b，张　兢，b

(武汉理工大学 a.航院学院; b.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)



内河船舶干舷对稳性的影响

许文杰a，杨亚东a，b，张兢a，b

(武汉理工大学 a.航院学院; b.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)

针对内河干散货船倾覆事故时有发生的现象，从分析典型船舶事故原因入手，根据典型船舶资料定量计算船舶干舷与稳性的关系，分析货物积载对船舶航行安全的影响。结果表明，船舶超载会使船舶稳性大幅度降低，并且积载不当可能增加船舶倾翻概率。

干货船；船舶超载；船舶积载；稳性；干舷

《长江海事局2014年安全形势通报》刊载，2014年，长江海事局辖区共发生水上交通事故125件。其中，船舶自沉事故12件，占事故总数9.6%。船舶超载、货物积载不当、装卸作业不当是导致自沉事故多发的要因。2012年2月2日，某自卸运砂船在某水域发生倾覆，10人死亡，1人失踪。2014年3月17日，某船下行至长江干线沙沱水域发生翻覆，3 人死亡，1人失踪。船舶翻沉事故的后果不仅仅造成经济损失，更严重的是夺取生命，对航行安全造成威胁[1]。

目前，我国内河船舶运输存在超载、积载不当等现象。内河船舶载重线勘划不规范，部分船舶存在没有勘划载重线及勘划载重线不清晰。内河驾驶员对船舶稳性知之甚少，对风、流及其他因素对船舶影响认识不足，船舶事故经常发生，对我国内河运输经济发展造成一定影响。国内外学者的研究主要集中于船舶超载原因及治理方法、波浪中船舶稳性、破舱稳性等方面，对于定量计算分析船舶超载及积载方式对船舶稳性影响的研究鲜有报道。为此，对内河船舶不同装载状态下船舶干舷及稳性进行计算，分析船舶超载及船舶积载方式对船舶安全造成的影响，使内河船舶驾驶员、船东都能够清楚认识到船舶超载及配载不当的危害。

1　船舶不同载重量装载状态

以长江干散货船船舶资料为基础，按照《内河船舶法定检验技术规则》(以下简称《规则》)要求，进行船舶不同装载状况下船舶干舷、初稳性、大倾角稳性等稳性指标进行定量计算及趋势变化分析，判断其能否满足《规则》要求并进行船舶不同装载状态下干舷及稳性各个指标的比较对比分析[2-3]。

该船舶为B级航区某半舱干货船，船舶总长53.52 m，型宽9 m，满载排水量717.6 t，空载排水量为141.6 t，B级航区载货量为550 t。本文主要以船舶未超载、船舶满载、船舶超载等不同装载状态进行研究分析，船舶装载量取500～700 t，间隔50 t对船舶载重状态进行稳性计算分析。根据《规则》要求，内河船舶运输严禁超载运输，船舶应进行平舱作业。但内河船舶货物运输通常所装货物高出货舱围壁，未经平舱，且货物堆装状态已达到其自然倾斜角。内河船舶运输卵石密度通常为1.4～2.0 t/m3，卵石堆积的自然倾斜角为38°～42°，取卵石密度平均值约为1.74 t/m3，卵石堆积的自然倾斜角40°。以船舶到港状态进行计算分析，根据货舱尺度及装载情况，假设该船下层货物为矩形立方体，上层为近似三棱柱体，装载情况见示意见图1、2。

图2　干散货船货物堆装横剖面示意

图1干散货船货物堆装侧视示意

为了便于比较，在货物装载量为500～700 t范围内假设了5种装载状态，见表1。

表1　货物装载状态　t

2　船舶干舷与稳性分析

2.1船舶不同装载状态的干舷分析

根据船舶静水力曲线图可知船舶不同装载状态下船舶吃水，计算求得船舶不同装载状态下船舶干舷，见图3。

图3　载重量与干舷的关系

由图3可见，船舶干舷与船舶载重量近似成线性反比例关系，随着船舶载重量的增加而减少。其中，船舶状态5的干舷仅为船舶状态2的1/3；船舶状态4为船舶状态2的54%，大大降低了船舶储备浮力，降低了船舶抵抗外力矩能力。

2.2船舶不同装载状态的初稳性分析

稳性高度为

(1)

式中：KG——重心距基线高，m；

KM——初稳心基线高，m。

船舶重心距基线高度为：

(2)

式中：Pi——船上某一重物重量，t；

zi——Pi的重心坐标，m。

根据船舶装载状态可计算出对应的初稳性高度，初稳性高度与船舶装货量的关系见图4。

图4　装货量与初稳性高度的关系

根据《规则》要求，船舶初稳性高度不应小于0.2 m，该船舶不同装载状态初稳性高度能满足要求。该船舶初稳性高度随着船舶货物量的增加而降低，但降低的幅度相对比较小。船舶状态2的初稳性高度为1.784 m，船舶状态5的初稳性高度为1.429 m，均远远超过《规则》的要求值。与船舶状态2相对比，船舶状态5的初稳性高度下降了0.355 m，下降幅度为19.9%。

2.3船舶不同装载状态的大倾角稳性分析

船舶大倾角稳性与船舶初稳性不相同，大倾角稳性一般采用曲线表示。

(3)

式中：D——船舶排水量，t；

g——重力加速度，m/s2；

根据船舶资料，计算出船舶不同装载状况下大倾角稳性复原力臂、极限静倾力臂及稳性范围，船舶不同装载状况下的复原力臂见图5。

图5　船舶不同装载状况下的复原力臂

根据船舶完整稳性计算书可知船舶进水点(z=3.2 m,x=3.9 m)，进而求得船舶不同装载状态下船舶的进水角、与之对应的复原力臂见图6。

图6　船舶不同装载状态下进水角

通过对该事故船舶初稳性、大倾角稳性、进水角的计算得到表2。

根据表2中该船舶不同装载状况下稳性计算结果可知，船舶的干舷、初稳性高度、最大复原力臂及对应角度、进水角及进水角对应的复原力臂、稳性消失角等稳性指标不同程度的下降。该船航行于B级航区，其稳性曲线面积值在船舶状态3～5均不能满足《规则》要求。船舶状态2的最大复原力臂及对应角度均为船舶状态5的2倍以上，减少了船舶抵抗外力矩的能力。状态2的进水角为状态5的1.3倍，进水角对应的复原力臂为状态5的4.6倍，增加了船舶翻沉的风险。虽然船舶不同装载状态初稳性高度满足《规则》要求及超载运输具有一定的储备浮力，但是该船的其他稳性指标随着因船舶超载大为下降，抵抗外力矩能力减弱，增加了船舶翻沉的可能性[4-6]。

表2　稳性计算结果

3　不同装载状况对航行安全的影响

3.1货物移动

当船舶在航行过程中或停泊中，船舶受风、流、及其他外力矩影响，会产生横倾。根据船舶的装载情况进行计算，只要存在一个不大的横倾角，如2°～3°左右，货物就可能发生移动，由于船舶货舱围板的阻挡，移动的货物不会落入江中使得船舶产生货物移动横倾力矩。根据船舶产生不同横摇角，货物移动对船舶产生横倾力矩进行计算分析。假设货物移动前的船舶状态见图7，货物移动后，船舶状态则见图8。下雨，摩擦系数下降，容易移动[7-8]。

图7　正浮时货物状态

图8　单次货物移动后状态

经计算，对应船舶不同装载状态下相同的横倾角，货物的移动量、船舶产生的横倾力矩是相同的。对应船舶不同横倾角θ产生的船舶横倾力矩M见表3。

表3　船舶不同横摇角度对应横倾力矩

由表3可见，船舶因货物移动产生的横倾力矩随着船舶横摇角度增加而增大。同时，假设船舶装载同量货物进行平舱，与船舶装载货物不平舱相比，船舶只会因船舶横摇角达到货物的自然倾斜角度时，货物才会发生货物移动，所以船舶不会因船舶发生小角度横摇而发生货物移动。由于船舶稳性复原力矩的作用，当外力矩消失时，船舶又会回到初始平衡状态。船舶货物运输不进行平舱作业，因船舶产生横摇角而发生货物移动，造成船舶产生横倾角，降低了船舶稳性，减少了船舶抵抗外力矩的能力，增大了船舶翻沉事故的风险。

3.2船舶抵抗横倾力矩能力

当船舶不考虑货物移动及其他自身因素影响，一个较大外力矩作用于船舶时，将使船舶会发生倾斜。如果船舶突然受到一个较大的外力矩，由于船舶复原力矩小于外力矩，则船舶就会直接倾覆。根据表2船舶稳性计算结果可知，船舶正浮时，船舶不同装载状况下突然受到最小外力矩就会发生船舶倾覆事故，见图9。

图9　船舶不同装载状态下对应最小倾覆力矩

根据图9可知，船舶突然受到最小倾覆力矩随着船舶装载货物重量增加而下降，大大降低了船舶抵抗外力矩的能力，状态5的最小倾覆力矩相当于船舶状态2最小倾覆力矩的1/2，船舶发生倾覆事故风险增加。假设船舶不同装载状态存在一定的船舶横倾角度，船舶不同装载状态的最小倾覆力矩则可能会下降，降低了船舶抵抗外力矩的能力，增加了船舶发生倾覆事故的风险。

3.3船舶航行安全

船舶发生倾覆事故往往不是因为单个横倾力矩的作用，而是多个外力矩及船舶本身产生的横倾力矩共同作用的结果。船舶发生碰撞或搁浅事故，导致船体进水，船舶产生横倾角，丧失部分浮力。当船舶货物积载不当、超载运输时，船舶各稳性指标下降，船舶储备浮力不够，将导致船舶发生倾覆。船舶使用大舵角改变航行过程中，船舶遇不正常水流、风倾力矩作于船舶时，致使船舶产生较大的横倾角，货物积载不当产生移动从而致使船舶发生倾覆事故。根据该船舶资料计算，不同装载状况下船舶发生横倾时，船舶剩余复原力矩及货物移动产生的横倾力矩见图10。

图10　船舶横倾角与剩余复原力矩、货物移动产生横倾力矩变化关系

当船舶受外力矩产生船舶横倾时，船舶装载状态5、4及船舶装载状态3在船舶因外力矩导致产生横倾角度10°左右时，船舶剩余复原力矩几乎为零，相对于状态1、2增加了船舶倾覆风险。当船舶横倾角度为5°时，船舶装载状态4、5的复原力矩数值仅为船舶满载状态1/3；船舶装态3复原力矩数值比船舶满载状态减少了满载状态剩余复原力矩的41%。由此可知，船舶因超载运输减少了船舶储备浮力及抵抗外力矩的能力。

如果船舶货物积载方式不当，船舶由于横倾导致货物移动，船舶将会产生货物移动横倾力矩，这横倾力矩将减少船舶剩余复原力矩，易因大量货物移动船舶直接发生倾覆事故。由图10可见，船舶不同装载状态因受外倾力矩及货物移动产生的横倾力矩作用，船舶极限横倾角θ随着船舶装载量增加而减少，见图11。

图11　船舶不同装载量极限横倾角曲线

由图11可见，船舶状态5受外力矩及货物移动产生横倾力矩在船舶横倾角达到4.2°时，船舶会直接因船舶剩余浮力不够导致发生倾覆事故。同理，船舶状态4横倾角达到5.6°时船舶就会直接倾覆。船舶状态4、5极限横倾角为船舶满载状态1/2左右，降低了船舶抵抗外力矩能力，造成船舶储备浮力不足导致船舶倾覆。

综上所述，在船舶满载状态，即使受到较大的外力矩作用也很难发生倾覆。但当船舶超载运输，减少了船舶复原力矩，抵抗外力矩的能力减少，易造成船舶倾覆。当船舶超载运输及积载方式不恰当，船舶在外力矩及货物移动产生的横倾力矩作用下即使发生很小的横倾角，船舶也会发生倾覆。

4　结论

1)通过计算分析船舶不同装载状态的干舷及稳性，虽然船舶初稳性高度能够满足《规则》要求，但是稳性曲线面积均随着船舶载重量的增加而下降幅度较大，该船舶货物装载量超载5.5%及以上时，不能满足《规则》的要求。

2)虽然船舶超载运输具有一定储备浮力，但船舶超载运输及货物积载方式不当对船舶大倾角稳性、进水角、极限横倾角影响较大。其中，船舶极限横倾角随着船舶装载量的增加而降低，船舶横倾达到几度时，船舶就可能发生倾翻事故。船舶超载运输及货物积载方式不恰当大大降低了船舶抵抗外力的能力，减少了船舶储备浮力，致使船舶更易发生翻沉事故。

3)建议相关海事部门对内河驾驶员进行船舶超载运输对船舶安全影响的教育及宣传，能够使船舶驾驶员、船东能够清楚了解船舶超载运输、货物积载方式对船舶安全性的影响及危害。

4)建立了船舶不同装载状态稳性计算模型，通过船舶干舷、初稳性、大倾角稳性等稳性指标进行计算分析，对船舶超载及货物积载方式对船舶航行安全进行研究分析。其中，内河干货船一般分为深舱货船、半舱货船、甲板货船等，本文只是利用半舱货船船舶资料进行研究。对于船舶装载不同品种货物及不同积载方式，其稳性有待进一步深入研究。

[1] 海法规[2011]391.《内河船舶法定检验技术规则》.2011[S].

[2] 殷毅.夫妻船需转换航道[J].中国船检，2008(7)：56-58.

[3] 王玉平.基于政府规制的长江干线船舶超载综合治理研究[D].大连：大连海事大学公共管理，2011.

[4] 章文俊.散装谷物船舶稳性计算及计算机实现的研究[D].大连：大连海事大学，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] 王宁.世界海难事故现状分析及应对措施[J].世界海运，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

国家自然科学基金项目(5147957)

许文杰(1990—)，男，硕士生

U661.2

A

1671-7953(2016)04-0157-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.037

研究方向:交通运输工程

E-mail:1175187006@qq.com