船舶破舱稳性计算方法分类分析

张 棘，张海伟，常青丽

（浙江交通职业技术学院 海运学院，浙江 杭州 311112）

船舶在航行过程中可能会遇到恶劣海况或发生碰撞而造成船体破损，使海水进入船体的海损事故。海损事故虽然不是经常发生，但一旦发生，其后果可能会很严重，有可能会造成船员或旅客的生命财产及货物的重大损失，因此提升船舶的抗沉性能，以保证船舶能够安全航行是极其重要的。

船舶抗沉性能是船舶破舱之后的稳性，是指船舶在一舱进水或几个舱同时进水之后还能具有一定的浮力和稳性，具有不沉不翻的能力。各类船舶对抗沉性的要求不同，通常军用船舶的抗沉性要比民用船舶高，民用船中客船抗沉性要比货船高[1]。为了保障船舶的安全航行，《国际海上人命安全公约》对海船的抗沉性提出了明确的要求，中华人民共和国船舶检验局也颁布的《海船抗沉性规范》。

影响船舶抗沉性的因素很多，除了船舶主尺度、船型设计的自身因素外，还可以应用其他的有效保证措施，比如适当布置水密隔舱及采用双壳双底，使船舶破舱进水下沉之后，在新的平衡位置干舷仍不低于规定的极限值，船舶还能具有一定的稳性和浮力，给补救赢得时间。

1 船舶破舱进水类型分类

舱室进水后船舶的稳性计算一般称为破舱稳性计算，为了便于计算，船舶破舱进水可分成三大类。

第一类：进水舱的顶部处于水线以下，船体破损后海水灌满整个舱室，同时舱顶没有破损，舱内也没有自由液面[2]。通常位置比较低的舱柜，其顶盖处于水线以下的，以及双层底都属于这种情况。

第二类：舱室只部分进水，没有灌满，有自由液面。舱内的水与船外的水不相通。通常进水舱已被堵漏但水尚未抽干净，或者为调整船舶的浮态而灌水的舱都属于这种情况。

第三类：进水舱的舱顶在水线以上，并且舱内的水与船外的水相同，可以自由出入，进水舱内的水面与船外水的水面为同一水平面。

2 渗透率概述

船舶舱室结构因用途和位置不同而不同，舱室里的设备占据空间的状况也不同，因而引入渗透率的概念。渗透率是指船舱破损后，进水舱室能被水浸占的容积与该舱室总容积的百分比，也称为体积渗透率。

我国《国内航行海船法定检验技术规则》规定普通舱室或某舱室的一部分渗透率见表1、表2。

表1 非货物处所渗透率

每个货舱或某舱室的一部分的渗透率见表2。其中ds表示最深分舱吃水，dp表示部分分舱吃水，dl表示轻载航行吃水。

表2 货物处所渗透率

3 船舶破舱稳性计算方法分类

根据船舶破舱进水的类型不同，在计算船舶破舱稳性的时候也采用了不同的计算方法。船舶破损进水后，如进水量小于船舶排水量△的10%~15%，则可以用初稳性公式来计算船舶破舱进水后的浮态和稳性，其结果误差甚小。计算船舶破舱进水后稳性的基本方法有三种[3]。

3.1 增加重量法（没有自由液面）

把破舱后进入舱内的水看成是在该位置处放置了一个液体重物，假设船舶在破舱进水之前平均吃水为d，艏艉吃水分别为dF和dA，排水量为△，横稳性高为GM，纵稳性高为GML，水线面面积为AW[4]，漂心纵向坐标为xF，进水舱体积为v，重心为c，其坐标为（x，y，z）。现把进入该舱的水看成是在c处增加了重量为p=ωv的重物（ω为水的密度），由于舱室灌满了水而没有自由液面。

在此前提下，船舶的抗沉性计算步骤如下。

平均吃水增加量：

新的横稳性高：

新的纵稳性高：

横倾角正切值：

纵倾角正切值：

最终求出新的艏艉吃水即可。

3.2 增加重量法（有自由液面）

把破舱后进入舱内的水看成是增加的液体重量，在这种情况下计算船舶的抗沉性时只需在第一种计算的基础上计及自由液面对船舶稳性高的影响即可。

计及自由液面新的横稳性高：

计及自由液面新的纵稳性高：

3.3 损失浮力法（固定排水量法）

当舱室破损进水后，舱内的水与船外海水相同且可以自由出入，舱内水平面与船外海水平面为同一个水平面，这时可以把破舱后的进水区域看成是大海的一部分，原来这部分舱室所产生的浮力全部为零，通过船体下沉，吃水增加来补偿损失的这部分浮力。所以对于整个船舶来说，其排水量并没有改变，因此这种方法也被称为固定排水量法[5]。当船舶到达新的平衡位置后，水线位置改变了，但船舶的排水量和重心位置可认为不变。

在使用损失浮力法计算的时候可以采用倒推法，破舱内水面算作大海的一部分以后，原有的水线面面积和漂心位置都发生了变化，因此要计算出船舶新的横稳性高，可以先求船舶横稳性高的变化量是多少又与水线面的惯性矩有关，而惯性矩又与水线面的面积、漂心位置有关。所以，损失浮力法的第一步就要确定新水线面的面积及漂心坐标。

4 船舶抗沉性影响因素分析

某海船排水量△=35 000 t，船长L=210 m，吃水d=8.1 m，初稳性高=2.02 m，每厘米吃水吨数为TPC=47 t/cm，体积渗透率μV=0.8，进水舱长14 m，该舱两道舱壁距船体中线面距离分别是4.5 m和12 m，舱顶在基线以上9.6 m，双层底高1.5 m。舱内部分进水，进水量为舱室体积一半，有自由液面，此时船舶横稳性参数见表3。

表3 船舶横稳性参数

4.1 改变进水舱长度

当改变进水舱长度时，船舶横稳性高和横倾角的变化见表4。计算表明，当进水舱长增大时，横稳性高、横倾角都会增大，这是因为在其他参数不变的情况下，舱长增加，进水量也随之增加，导致横倾角增大。但由于进水体积重心低于船舶重心，进水量增大以后，船舶的重心也随之降低，所以暂时性地横稳性高升高。计算表明，自由液面对船舶稳性有一定的不利影响。

表4 船舶横稳性高和横倾角随进水舱长的变化

4.2 改变进水舱与船体中线面距离

当进水舱位置距离船体中线面增大或减小，在其他条件不变的情况下，船舶稳性高不发生改变，但横倾角会发生变化，进水舱离船体中线面越远，横倾角将会越大，见表5。

表5 进水舱与船体中线面距离改变引起船舶抗沉性的变化

4.3 改变进水舱垂向高度

进水舱垂向高度增大，如果按进水一半的量来计算，仍然相当于增加重物的重量增大，横倾角会增加。另外由于船舶重心垂向坐标被降低，所以稳性高稍有提升，见表6。

表6 进水舱垂向高度变化对船舶抗沉性的影响

4.4 改变双层底高度

双层底高度提升，舱顶高度不变时，相当于进水量降低，对船舶破舱稳性的影响呈递减状态，见表7。

表7 改变双层底高度对船舶抗沉性的影响

以上计算方法均在进水量不超过船舶排水量的10%~15%的情况下，如果进水量比较大，则需要采用逐步近似法才能求得比较正确的结果。

5 改善船舶抗沉性的主要措施

船舶遭受破损的原因很多，诸如碰撞、触礁及军船遭受敌方鱼雷、水雷的攻击等，因此在碰到此类意外事故时，要求船舶不致沉没而继续保持生命力，就需要采取一定的措施。

第一，船舶要具有一定的储备浮力，也就是储备的水密空间，使由于舱室进水而损失的浮力可由储备浮力来补偿。一般船舶的储备浮力可用干舷高度表示，非满载时干舷高度大于满载时的干舷高度。船舶进水后达到新的平衡状态时，其平衡水线以上的水密船体容积所具有的浮力，称为剩余储备浮力。

干舷大的船舶，储备浮力也大。但干舷值过大，船舶其他性能就会受到影响，比如船舶的载货量会减少。为了增大载货量而减小干舷值也是不允许的，所以在我国《国内航行海船法定检验技术规则》中明确规定：民用船舶的下沉极限是舱壁甲板上表面边线以下76 mm处。也就是说，船舶在破损后至少应有76 mm的干舷。

第二，设置必要且足够的水密舱壁。水密隔舱在我国宋朝时期就被发明了，水密舱壁将船体分隔成若干水密舱室，这样可使船舶在一舱或数舱进水后不至殃及全船都进水。但是水密舱壁设置的越多，相应的舱室容积就会减小和受限制，对于货物的装载、旅客和船员的居住条件及机械设备和装置的安置，都会带来困难和不便。另外，舱壁过密，相邻舱室同时破损进水的可能性就增大，抗沉性就恶化，因此要全面考虑，合理地设置水密舱壁。

水密舱壁的长度要根据实际需要来确定的，许用舱长曲线仅作为保证船舶满足抗沉性的要求而对舱长加以一定的限制。若实际舱长小于或等于许用舱长，则船舶的抗沉性满足要求。

但许用舱长计算中，没有考虑破舱后的稳性问题，故需对稳性进行进一步校核。比如对单体客船破舱稳性就有如下的要求。

（1）用损失浮力法求得的初稳性高应不小于0.05 m。

（2）不对称进水情况下，一舱进水的横倾角不得超过7°。两个相邻舱室进水后的横倾角不得超过12°。

（3）任何情况下，船舶进水终了的破舱水线的最高位置不得超过限界线。

第三，设置双底双壳结构。双底双壳的设置为船舶抗沉性的提高又多了一层保障，也为抢修堵漏赢得了一定的时间。

第四，船舶一旦发生破舱进水以后是否会倾覆或沉没，在一定程度上要看船长和船员的应对措施是否得当。船舶破舱进水后能否及时有效地补救，如采取抽水、调驳压载水、堵漏、加固、弃货和移动载荷等措施，及时有效地保证船舶具有一定的浮力和稳性也是至关重要的。

第五，在船型设计上也可以提升船舶抗沉性，比如：

（1）增大舷弧以及使横剖面外倾，均可增大储备浮力。

（2）增加船长可以有效增加可浸长度，既能提高船舱的利用效果又能提升船舶的抗沉性。

（3）吃水d一定时，型深D大，则干舷F大，船舶储备浮力就大。当船舱破损进水时，型深D大的船下沉后，还可保留一定量的干舷（剩余干舷），而且具有足够的生存力和安全性，因此型深是提高抗沉性极为重要的因素。