青海省黄河通航水域旅游船的完整稳性评估与改进

孙艳兵， 李俊敏， 李铃杰

(武汉理工大学 a.交通学院 船舶与海洋工程系; b.高性能船舶技术教育部重点实验室， 湖北 武汉 430063)

0 引 言

青海省黄河通航水域“一河一湖”和高原湖泊航运工程建设，推动了青海省旅游业和交通运输业的发展，青海内河旅游市场需求旺盛。现有内河旅游船在遭遇突风或恶劣气象时，灾难事故时有发生[1]，如：2015年6月1日，“东方之星”号旅游观光船在长江大马洲水道因突发罕见的强对流天气翻沉，造成442人死亡的特大灾难性事件[2]；2016年6月4日，四川广元白龙湖景区“双龙”号旅游观光船因突遇强烈阵风翻沉，造成15人遇难的重大灾难性事件[3]。因此，国家在2016年重新对《内河船舶法定检验技术规则》中有关船舶完整稳性的内容进行修订。随着内河船舶规范开展新的稳性法规实施，很有必要对现有青海省旅游船型开展稳性评估并有针对性地提出改进方案。

1 船舶稳性概述

1.1 完整稳性定义

完整稳性是指船舶未破损时受外力作用发生倾斜而不至倾覆，当外力作用消失后，船舶仍能回复到原平衡位置的能力[4]。

1.2 稳性衡准要求

我国内河船舶法规针对船舶完整稳性的重要修订是：(1)风压稳性衡准计算中单位风压增加30%；(2)对客船增加突风衡准。修订后的稳性计算公式如下。

1.2.1 新规范(2016)修订的稳性计算公式

(1) 风压倾侧力矩Mf或力臂lf为

Mf=Cp·p·Af·(Zf-a0·d)×10-3

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Cp为风压修正因数，取Cp=1.3；p为单位计算风压，Pa；Af为所核算装载情况下船舶的受风面积，m2；Zf为所核算装载情况下船舶受风面积中心至基线的垂向高度,m；a0为修正因数；d为所核算装载情况下船舶的型吃水,m; Δ为所核算装载情况下船舶的排水量,t。

(2) 客船突风风压倾侧力矩Mf0或力臂lf0为

Mf0=p0·Af·(Zf-d)×10-3

(3)

(4)

式(3)和式(4)中:p0为单位计算突风风压， Pa，

1.2.2 新规范(2016)修订的稳性衡准数计算公式

稳性衡准数K[5]是对船舶稳性重要的基本要求之一。

(1) 航行于A级或B级航区的船舶，其风压稳性衡准数Kf应符合

(5)

式中：Mq为计入横摇影响的最小倾覆力矩， kN·m；lq为计入横摇影响的最小倾覆力臂， m。

(2) 客船应满足遇突风袭击时的稳性衡准要求，突风稳性衡准数Kf0应符合

(6)

式中：Mq0为不计横摇影响的最小倾覆力矩， kN·m；lq0为不计横摇影响的最小倾覆力臂,m 。

2 现有典型旅游船稳性分析

2.1 典型船舶船型要素

根据青海省黄河通航水域航运条件及未来水运市场发展趋势，综合考虑航运限制条件、船型技术经济性和航行安全性，选取SX600观光艇、HD-760观光艇、17.0 m游览船(58客位)、17.0 m游览船(21客位)、23.6 m游览船等5艘具有代表性的客船作为研究对象。船舶主要船型要素如表1所示。

表1 AJ 1航区典型旅游船主要船型要素

2.2 船舶建模

基于Compass建模软件进行船舶建模，然后利用建模软件进行船舶完整稳性计算。以SX600观光艇为例，模型如图1所示。

图1 SX600观光艇模型

在船舶建模完成后，需根据船舶现有资料在满载出港、满载到港、空载出港和空载到港等4种工况下进行稳性计算和分析，得到船舶完整稳性计算结果。

2.3 新规范下的船舶完整稳性计算与分析

SX600观光艇、HD-760观光艇、17.0 m游览船(58客位)、17.0 m游览船(21客位)、23.6 m游览船等5艘船舶通过建模后计算得到的船舶在满载出港、满载到港、空载出港和空载到港等4种工况下的完整稳性计算结果如表2所示。

表2 典型旅游船4种工况下的完整稳性

由表2可知：

(1) 17.0 m游览船(58客位)、17.0 m游览船(21客位)、23.6 m游览船等3艘船舶的完整稳性符合《内河船舶法定检验规则(2016)》的要求。

(2) 在满载出港工况下，HD-760观光艇的集舷静倾角衡准数为0.419，距最小集舷静倾角衡准数的差距较大，建议禁航，停止营运。

(3) 在满载出港工况下，SX600观光艇的急流稳性衡准数、回航静倾角衡准数和集舷静倾角衡准数略小于1，不满足新规范对稳性的要求，故探讨采取何种合适的改进措施，使其符合新规范下的完整稳性。

3 SX600观光艇稳性改进方案

3.1 单因素下SX600观光艇稳性改进方案

为使SX600观光艇继续营运，在探讨稳性改进方案[6]时不改变船舶主尺度。除船舶主尺度之外，船舶航速、乘客人数和船舶自重是计算船舶稳性衡准数的重要影响因素[7]，可作为探讨船舶稳性改进方案[8]的主要研究因素。由于在空载工况下船舶稳性已满足新规范的要求，分别讨论在满载工况下改变船舶航速、乘客人数和船舶自重是否可以改进船舶的完整稳性。

(1) 在不改变船舶主尺度、船舶航速、船舶自重的情况下，仅减少乘客人数，计算旅游船在满载工况下的完整稳性，如表3所示。

表3 满载工况下减少乘客人数时船舶稳性衡准数

由表3可知：随着旅游船乘客人数的减少，满载工况下的急流稳性衡准数、回航静倾角衡准数和集舷静倾角衡准数逐渐增加；当乘客减少3人时，船舶稳性衡准数都大于1。因此，当乘客减少3人时，旅游船的完整稳性满足新规范的要求。

(2) 在不改变船舶主尺度、乘客人数、船舶自重的情况下，仅降低船舶航速，计算旅游船在满载工况下的完整稳性，如表4所示。

表4 满载工况下降低航速时船舶稳性衡准数

由表4可知：随着船舶航速降低，回航静倾角衡准数逐渐增大；在航速为17.3 km/h时，回航静倾角衡准数大于1，但是其他稳性衡准数并未变化。因此，仅降低航速不能改进船舶完整稳性。

(3) 在不改变船舶主尺度、乘客人数、船舶航速的情况下，仅增加船舶自重，计算旅游船在满载工况下的完整稳性，如表5所示。

表5 满载工况下增加船舶自重时船舶稳性衡准数

由表5可知：随着船舶自重增加，急流稳性衡准数和回航静倾角衡准数逐渐增加，复原力臂面积曲线衡准数逐渐减小；当船舶自重增加至1.29 t时，急流稳性衡准数为0.878(小于1)，复原力臂面积曲线衡准数为1；当船舶自重增加至1.70 t时，急流稳性衡准数为0.907(小于1)，复原力臂面积曲线衡准数为0.750(小于1)，不能同时满足急流稳性衡准数和复原力臂面积曲线衡准数都大于等于1的要求，船舶的完整稳性不满足新规范的要求。因此，仅增加船舶自重不能改进船舶完整稳性。

综上所述，基于船舶完整稳性衡准数的计算，在不改变船舶主尺度的前提下，改变船舶航速、乘客人数和船舶自重的任意单个因素方案中：减少3名乘客可使例船的完整稳性满足新规范的要求；增加船舶自重提升回航静倾角衡准数和集舷静倾角衡准数效果显著，降低航速仅能提升回航静倾角衡准数。总体而言，船舶稳性改进影响程度的效果依次是：减少乘客人数>增加船舶自重>降低航速。

3.2 多因素下SX600观光艇稳性改进方案

由于降低航速只能提升回航静倾角稳性，因此讨论在船舶航速不变情况下，同时减少乘客人数、增加船舶自重是否可以改进船舶稳性。

在不改变船舶主尺度、船舶航速的情况下，采用减少乘客人数、增加船舶自重的组合改进方案，计算典型船舶在满载工况下的完整稳性，如表6所示。

表6 满载工况下减少2名乘客、增加船舶自重时船舶稳性衡准数

SX600观光艇在减少2名乘客并增加船舶自重时，船舶急流稳性衡准数、回航静倾角衡准数和集舷静倾角衡准数逐渐增加；当船舶自重增加至1.15 t时，重量增加为0.17 t，比船舶原始自重(0.98 t)增加17%，船舶自重增加比例较小，增加的载荷重量在允许范围内，并且船舶急流稳性衡准数、回航静倾角衡准数和集舷静倾角衡准数都大于1，满足新规范对旅游船完整稳性的要求。

综上所述：基于船舶完整稳性衡准数的计算，由于改变航速只能提升回航静倾角衡准数，不能完全改进船舶完整稳性，因此在不改变船舶主尺度的前提下，减少2名乘客、增加船舶自重至1.15 t可使船舶完整稳性满足新规范的要求。

3.3 SX600观光艇稳性改进方案

从第3.1节和第3.2节的分析可知：在不改变船舶主尺度的基础上，减少3名乘客或减少2名乘客并增加船舶自重至1.15 t的两种改进方案均可使其满足新规范的完整稳性要求。

在尽可能不引起船舶重心变化的前提下，使船舶完整稳性满足新规范要求，能够继续营运，可采取如下措施：(1)将SX600观光艇座椅船撤掉左右两舷对称的2个客位，在撤掉的座椅旁边增加2个85 kg的铁块用以增加自重。(2)在尽可能不引起船舶重心变化的情况下，根据船舶实际布置情况撤掉3个乘客座椅。

4 结 语

SX600观光艇、HD-760观光艇、17.0 m游览船(58客位)、17.0 m游览船(21客位)、23.6 m游览船是青海省黄河通海水域典型旅游船，其中：通过对SX600观光艇的完整稳性在最新内河规范的要求下提出的技术改进方案可为同类船型的改进提供借鉴和指导。