余 瑋

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

船舶氣象衡準(zhǔn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)研討

余 瑋

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

通過對我國在船舶完整穩(wěn)性方面針對國際航行船舶和國內(nèi)航行船舶執(zhí)行的2種氣象衡準(zhǔn)的臨界抗風(fēng)能力進(jìn)行計算與分析對比，對國內(nèi)航行船舶的實際航線范圍及穩(wěn)性事故多發(fā)船舶的航區(qū)穩(wěn)性進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究氣象預(yù)報與船舶氣象衡準(zhǔn)風(fēng)力之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出國內(nèi)航行船舶的穩(wěn)性衡準(zhǔn)可直接采用國際航行船舶適用的《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》，這既能降低對遠(yuǎn)海航區(qū)船舶抗風(fēng)等級的過高要求，又能減少沿海航區(qū)氣象衡準(zhǔn)要求偏低的安全隱患，使得船舶氣象衡準(zhǔn)法規(guī)的應(yīng)用更加簡便、合理，且有利于降低遠(yuǎn)海航區(qū)船舶的建造和運營成本，可取得良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

船舶；完整穩(wěn)性；氣象衡準(zhǔn)；臨界抗風(fēng)能力；航區(qū)

對于我國船舶完整穩(wěn)性的要求，目前執(zhí)行的是國際航行船舶的完整穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)[1]和國內(nèi)航行船舶的完整穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)[2]。這2種衡準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)性衡準(zhǔn)參數(shù)均不相同，但對抗風(fēng)能力的要求均通過氣象衡準(zhǔn)數(shù)K的大小判定。國內(nèi)氣象衡準(zhǔn)(以下簡稱《國內(nèi)衡準(zhǔn)》)將航區(qū)分為遠(yuǎn)海、近海和沿海(含遮蔽)等3類，國際氣象衡準(zhǔn)(以下簡稱《國際衡準(zhǔn)》)因只有1個標(biāo)準(zhǔn)而沒有劃分航區(qū)。這里針對氣象衡準(zhǔn)K=1時的臨界抗風(fēng)能力，通過解析來闡述《國內(nèi)衡準(zhǔn)》與《國際衡準(zhǔn)》協(xié)調(diào)統(tǒng)一的必要性。

1 氣象衡準(zhǔn)中風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系

船舶氣象衡準(zhǔn)中風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系同樣是通過引用空氣動力學(xué)的基礎(chǔ)理論得到的，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]中給出的計算式為

P=1/2Cmρv2

(1)

式(1)中：P為風(fēng)壓，kg/m2；Cm為船舶形狀修正系數(shù)，一般取Cm=1.2[4]；ρ為空氣的質(zhì)量密度，取15 ℃時的ρ=0.125 1 kg·s2/m4；v為風(fēng)速，m/s。

將確定的參數(shù)值代入到式(1)中并變換風(fēng)壓單位，可將風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系簡化為

(2)

式(2)中：P為風(fēng)壓，Pa；v為風(fēng)速，m/s。

2 氣象衡準(zhǔn)中設(shè)定的風(fēng)壓

《國內(nèi)衡準(zhǔn)》設(shè)定的風(fēng)壓[2]由航區(qū)及風(fēng)壓中心距離海平面的高度確定?！秶H衡準(zhǔn)》設(shè)定的風(fēng)壓[1]不分航區(qū)：對于商船和船長≥45 m的漁船，風(fēng)壓取值是唯一的；對于船長<45 m的漁船，風(fēng)壓同樣由風(fēng)壓中心距離海平面的高度確定。2種衡準(zhǔn)設(shè)定的風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)對比見表1。

表1 2種衡準(zhǔn)設(shè)定的風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)對比

3 風(fēng)速梯度的影響

表1中的風(fēng)壓是根據(jù)風(fēng)壓中心高度的變化取值的。考慮到空氣也是黏性流體，在同一時刻，不同高度處的風(fēng)速(即空氣流動的速度)不同，沿高度方向呈梯度分布，各高度處的風(fēng)速vi與距離海平面6 m高處的風(fēng)速v6的比值稱為該高度處的風(fēng)速梯度系數(shù)ki，即

ki=vi/v6

(3)

《國內(nèi)衡準(zhǔn)》對所有船舶都考慮風(fēng)速梯度的影響，且各類航區(qū)的風(fēng)速梯度均相同。《國際衡準(zhǔn)》僅對部分小型漁船考慮風(fēng)速梯度的影響，對商船和船長≥45 m的漁船均不考慮風(fēng)速梯度的影響。2種衡準(zhǔn)選取的風(fēng)壓、風(fēng)速和風(fēng)速梯度系數(shù)對比見表2。

由于2種衡準(zhǔn)與天氣預(yù)報對風(fēng)力取值的標(biāo)準(zhǔn)高度不同，因此在轉(zhuǎn)換時必須考慮風(fēng)速梯度的影響。

表2 2種衡準(zhǔn)的風(fēng)壓、風(fēng)速及風(fēng)速梯度系數(shù)對比

4 氣象預(yù)報與2種衡準(zhǔn)設(shè)定風(fēng)力的關(guān)系

天氣預(yù)報的風(fēng)力將海面以上10 m高處的風(fēng)力作為測量的標(biāo)準(zhǔn)[5],其風(fēng)速與風(fēng)級的關(guān)系[6]為

(4)

式(4)中：v為氣象預(yù)報B級風(fēng)的平均風(fēng)速，m/s；B為氣象預(yù)報的風(fēng)級。我國天氣預(yù)報的風(fēng)級和風(fēng)速[7]見表3。

表3 我國天氣預(yù)報的風(fēng)級和風(fēng)速

由表3可知，各級風(fēng)的風(fēng)速都有一定的范圍。當(dāng)要預(yù)報的船舶可抵抗某級風(fēng)時，須采用該級風(fēng)最大風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)壓進(jìn)行校核。

若以式(4)的形式進(jìn)行反推，可得到表4中各級風(fēng)的最小風(fēng)速與最大風(fēng)速的計算式為

vmin=0.836(B-0.49)3/2

(5)

vmax=0.836(B+0.49)3/2

(6)

式(5)和式(6)中：B為天氣預(yù)報的風(fēng)級；vmin為B風(fēng)級時可出現(xiàn)的最小風(fēng)速，m/s；vmax為B風(fēng)級時可達(dá)到的最大風(fēng)速。由式(5)和式(6)可知，某級風(fēng)上下0.5級處的風(fēng)速為該級風(fēng)風(fēng)速的區(qū)間。

在《國內(nèi)衡準(zhǔn)》中，以距離海平面6 m高處的風(fēng)力作為氣象衡準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，不同高度處的風(fēng)力用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力經(jīng)過梯度系數(shù)的修正來換算。氣象衡準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力與天氣預(yù)報風(fēng)力之間的風(fēng)速梯度系數(shù)k10=1.017(如表2所示)。

在《國際衡準(zhǔn)》中，小型漁船也以距離海平面6 m高處的風(fēng)力作為標(biāo)準(zhǔn)，距離海平面≥6 m處的風(fēng)速梯度系數(shù)k=1。商船和船長≥45 m的漁船在所有高度處的風(fēng)速梯度系數(shù)k均為1。即《國際衡準(zhǔn)》對船舶的風(fēng)力標(biāo)準(zhǔn)與天氣預(yù)報的風(fēng)力標(biāo)準(zhǔn)是相同的，無需換算。

5 氣象衡準(zhǔn)的臨界抗風(fēng)能力

5.1臨界抗風(fēng)能力

臨界抗風(fēng)能力系指氣象衡準(zhǔn)數(shù)K=1的臨界工況所對應(yīng)天氣預(yù)報的風(fēng)力。此時可首先反推2種衡準(zhǔn)距離海平面10 m高處的風(fēng)壓P，利用式(2)求出平均風(fēng)速v，利用式(4)求出風(fēng)級，將其減少0.5級后即為對抗天氣預(yù)報臨界抗風(fēng)能力的風(fēng)級。該臨界抗風(fēng)能力的級別對應(yīng)于天氣預(yù)報應(yīng)是最大的陣風(fēng)級別，而不是常規(guī)風(fēng)級。[8]

5.2《國際衡準(zhǔn)》的臨界抗風(fēng)能力

《國際衡準(zhǔn)》規(guī)定的氣象衡準(zhǔn)數(shù)為K≥1，其數(shù)學(xué)模型見圖1。依照圖1校核K≥1的步驟如下：

1) 船舶受到一個垂直于中線面的定常風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生定常風(fēng)傾力臂lw1。

2) 假定在波浪的作用下，船舶由lw1的平衡角φ0向上風(fēng)側(cè)最大諧搖至橫搖角φ1。

3) 船舶受到一個陣風(fēng)風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生一個陣風(fēng)傾側(cè)力臂lw2，且lw2=1.5lw1。

4) 面積“b”應(yīng)等于或大于面積“a”，即b/a≥1，K=b/a。

在《國際衡準(zhǔn)》的數(shù)學(xué)模型中，lw2與lw1的關(guān)系為lw2=1.5lw1，即陣風(fēng)的風(fēng)壓P2與定常風(fēng)的風(fēng)壓P1之間同樣存在P2=1.5P1的關(guān)系。利用式(2)推出P2的平均風(fēng)速v2，利用式(4)推出v2對應(yīng)的風(fēng)級B2，則N=B2-0.5即為可抗天氣預(yù)報的臨界陣風(fēng)的風(fēng)級。

圖1 《國際衡準(zhǔn)》數(shù)學(xué)模型

5.3《國內(nèi)衡準(zhǔn)》的臨界抗風(fēng)能力

按照前述的步驟，同樣可求出《國內(nèi)衡準(zhǔn)》的臨界抗風(fēng)能力，其數(shù)學(xué)模型及推導(dǎo)過程這里不再闡述。

5.42種衡準(zhǔn)的臨界抗風(fēng)能力對比

2種衡準(zhǔn)的臨界抗風(fēng)能力對比見表4。

表4 2種衡準(zhǔn)的臨界抗風(fēng)能力對比

6 氣象衡準(zhǔn)的臨界抗風(fēng)能力討論

由表4可知，《國際衡準(zhǔn)》的臨界抗風(fēng)能力為10.9級，與《國內(nèi)衡準(zhǔn)》中3個航區(qū)的臨界抗風(fēng)能力相比，其相比遠(yuǎn)海航區(qū)要求的13.3級低2.4級，相比沿海航區(qū)要求的8.4級高2.5級，相比近海航區(qū)要求的10.8級持平?！秶鴥?nèi)衡準(zhǔn)》臨界抗風(fēng)能力高于或低于《國際衡準(zhǔn)》的航區(qū)是否有必要繼續(xù)設(shè)置是值得討論的，其理由：

1)《國際衡準(zhǔn)》適用航行于全球海域的所有船舶，包括我國船舶及《國內(nèi)衡準(zhǔn)》所劃分的各類航區(qū)內(nèi)的船舶。

2)《國內(nèi)衡準(zhǔn)》規(guī)定的遠(yuǎn)海航區(qū)可能是考慮距岸海況比較惡劣設(shè)定的。海況是指風(fēng)和浪的大小，船舶要考慮風(fēng)浪載荷的影響，其中，風(fēng)載荷主要影響船舶穩(wěn)性，而波浪載荷主要影響船舶結(jié)構(gòu)強度。[9]由于我國周邊海域海況的惡劣程度低于南非的好望角[10]和冬季的北大西洋，因此國內(nèi)航行船舶的臨界抗風(fēng)等級要求高于國際航行船舶的臨界抗風(fēng)等級要求，無論是從技術(shù)層面還是經(jīng)濟(jì)層面看，都缺乏有力的論據(jù)支撐。

3)國內(nèi)法規(guī)[2]規(guī)定：“對遠(yuǎn)海航區(qū)船舶，除雙體客船、拖船、起重船和挖泥船外，如全部引用《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》第4篇附則3的規(guī)定，則可等效代替本章2和3的所有要求?！痹撘?guī)定表明遠(yuǎn)海航區(qū)絕大多數(shù)船舶采用《國際衡準(zhǔn)》是沒有問題的。若要提高作業(yè)于遠(yuǎn)海航區(qū)的少數(shù)國內(nèi)船舶的臨界抗風(fēng)能力，只要提高其風(fēng)壓等級即可，無需對其他船舶進(jìn)行改變，這對節(jié)約能源具有重要的現(xiàn)實意義。

由表4可知，《國內(nèi)衡準(zhǔn)》規(guī)定沿海航區(qū)的臨界抗風(fēng)能力為8.4級，較《國際衡準(zhǔn)》的臨界抗風(fēng)能力10.9級低2.5級。從歷年的統(tǒng)計資料來看，穩(wěn)性事故多發(fā)的船舶大多是滿足沿海航區(qū)氣象衡準(zhǔn)要求的中小型船舶，特別是小型漁船。例如，在1999—2008年，全損的海洋漁船達(dá)1 245艘，其中因風(fēng)災(zāi)而全損的685艘船舶的主機(jī)功率在45～146 kW[11]，皆為小型漁船，其氣象衡準(zhǔn)偏低是全損不可忽視的重要因素之一。因此，從降低小型船舶穩(wěn)性事故發(fā)生概率考慮，采用《國際衡準(zhǔn)》替代國內(nèi)沿海航區(qū)的氣象衡準(zhǔn)也是很有必要的。

航區(qū)是指船舶營運作業(yè)的海域。國內(nèi)船舶往返于國內(nèi)各個港口，其航線均不會經(jīng)過遠(yuǎn)海航區(qū)。因此，當(dāng)年設(shè)定的遠(yuǎn)海航區(qū)(此時沒有三沙航線)對國內(nèi)航行的船舶并不具有普遍意義。

7 結(jié)束語

綜上所述，與不限航區(qū)的《國際衡準(zhǔn)》相比，分航區(qū)的《國內(nèi)衡準(zhǔn)》的要求是需要改進(jìn)的，其中最實際的改進(jìn)舉措是將國內(nèi)航行船舶的完整穩(wěn)性直接與《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》接軌。直接接軌的好處有：

1)可降低對遠(yuǎn)海航區(qū)船舶抗風(fēng)等級的過高要求。國內(nèi)船舶數(shù)量龐大，僅該項節(jié)能就可取得很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2)對沿海航區(qū)大量的中小型船舶適當(dāng)提高抗風(fēng)等級的要求，可對減少中小船舶的穩(wěn)性事故提供更可靠的技術(shù)保障。

3)直接采用《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》，具有去粗取精、刪繁就簡的特點。至于對少數(shù)船舶的特別要求，只要在風(fēng)壓等個別參數(shù)上予以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整即可。

[1] 中華人民共和國海事局.國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2] 中華人民共和國海事局.國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3] 全國船舶標(biāo)準(zhǔn)化委員會.船舶風(fēng)壓計算：CB*/Z 301—1980[S].1980.

[4] 胡威.船舶穩(wěn)性[M].北京：人民交通出版社,1998:17-18.

[5] 周執(zhí)平.船舶的抗風(fēng)等級[J].中外船舶科技,2002(4):16-18.

[6] 施國良，李建新.淺議海上船舶的抗風(fēng)等級[J].船海工程，2002(6):5-6.

[7] 楊葆和.船舶設(shè)計實用手冊(總體分冊)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2013：34-35.

[8] 李家興.限制船舶氣象衡準(zhǔn)與節(jié)能減排的關(guān)系[C]//北京：國家漁業(yè)船舶檢驗局.中國漁船裝備技術(shù)發(fā)展論壇論文集，2012:159-164.

[9] 朱永娥，王方園，張高峰.中國海域計算有義波高的核定[C]//上海：中國船級社上海規(guī)范所優(yōu)秀論文集，2006： 179-180.

[10] 董守禮.好望角及其鄰近海域氣象海況淺議[J].航海技術(shù),2001(4):18-19.

[11] 孫穎士,李冬霄.中國漁船安全分析報告[R].北京：農(nóng)業(yè)出版社,2009:1-47.

OnCoordinationofWeatherCriteriaofShips

YUWei

(Shanghai Branch,China Classification Society,Shanghai 200135,China)

Two different weather criteria are implemented in checking the intact stability of ships,one for ships of international voyages and the other for domestic ones.The anti-wind capacity corresponding to the critical withstanding wind is calculated from the two weather criteria,the statistics about the actual voyage coverage of domestic ships and the stability situation are analyzed in the areas where the stability-accident-prone ships navigate,and the relationship between the weather data and the wind power of the weather criterion is investigated.On the basis of the above work,it is proposed that the International Code on Intact Stability (2008) applied to ships for international voyages be used directly as the stability criterion for domestic voyage ships.This will not only decrease too high requirements for wind resistance of ships in the area beyond Greater Coastal,but also reduce the safety risks the existing weather criterion for domestic ships may cause.It also rationalizes and simplifies the application of the weather criterion and reduces construction and operation costs of ships for areas beyond greater coastal.

ship; intact stability; weather criterion; ability of critical withstanding wind; coastal area

U675.12

A

2017-02-25

工信部高技術(shù)船舶科研項目(工信部聯(lián)裝[2014]502號)

余 瑋(1961—)，男，浙江寧波人，高級工程師，從事船舶結(jié)構(gòu)建造檢驗和船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。E-mail：812098320@qq.com

1000-4653(2017)02-0104-04