船舶破艙穩(wěn)性計(jì)算方法分類分析

張 棘，張海偉，常青麗

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，浙江 杭州 311112）

船舶在航行過程中可能會(huì)遇到惡劣海況或發(fā)生碰撞而造成船體破損，使海水進(jìn)入船體的海損事故。海損事故雖然不是經(jīng)常發(fā)生，但一旦發(fā)生，其后果可能會(huì)很嚴(yán)重，有可能會(huì)造成船員或旅客的生命財(cái)產(chǎn)及貨物的重大損失，因此提升船舶的抗沉性能，以保證船舶能夠安全航行是極其重要的。

船舶抗沉性能是船舶破艙之后的穩(wěn)性，是指船舶在一艙進(jìn)水或幾個(gè)艙同時(shí)進(jìn)水之后還能具有一定的浮力和穩(wěn)性，具有不沉不翻的能力。各類船舶對抗沉性的要求不同，通常軍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貨船高[1]。為了保障船舶的安全航行，《國際海上人命安全公約》對海船的抗沉性提出了明確的要求，中華人民共和國船舶檢驗(yàn)局也頒布的《海船抗沉性規(guī)范》。

影響船舶抗沉性的因素很多，除了船舶主尺度、船型設(shè)計(jì)的自身因素外，還可以應(yīng)用其他的有效保證措施，比如適當(dāng)布置水密隔艙及采用雙殼雙底，使船舶破艙進(jìn)水下沉之后，在新的平衡位置干舷仍不低于規(guī)定的極限值，船舶還能具有一定的穩(wěn)性和浮力，給補(bǔ)救贏得時(shí)間。

1 船舶破艙進(jìn)水類型分類

艙室進(jìn)水后船舶的穩(wěn)性計(jì)算一般稱為破艙穩(wěn)性計(jì)算，為了便于計(jì)算，船舶破艙進(jìn)水可分成三大類。

第一類：進(jìn)水艙的頂部處于水線以下，船體破損后海水灌滿整個(gè)艙室，同時(shí)艙頂沒有破損，艙內(nèi)也沒有自由液面[2]。通常位置比較低的艙柜，其頂蓋處于水線以下的，以及雙層底都屬于這種情況。

第二類：艙室只部分進(jìn)水，沒有灌滿，有自由液面。艙內(nèi)的水與船外的水不相通。通常進(jìn)水艙已被堵漏但水尚未抽干凈，或者為調(diào)整船舶的浮態(tài)而灌水的艙都屬于這種情況。

第三類：進(jìn)水艙的艙頂在水線以上，并且艙內(nèi)的水與船外的水相同，可以自由出入，進(jìn)水艙內(nèi)的水面與船外水的水面為同一水平面。

2 滲透率概述

船舶艙室結(jié)構(gòu)因用途和位置不同而不同，艙室里的設(shè)備占據(jù)空間的狀況也不同，因而引入滲透率的概念。滲透率是指船艙破損后，進(jìn)水艙室能被水浸占的容積與該艙室總?cè)莘e的百分比，也稱為體積滲透率。

我國《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》規(guī)定普通艙室或某艙室的一部分滲透率見表1、表2。

表1 非貨物處所滲透率

每個(gè)貨艙或某艙室的一部分的滲透率見表2。其中ds表示最深分艙吃水，dp表示部分分艙吃水，dl表示輕載航行吃水。

表2 貨物處所滲透率

3 船舶破艙穩(wěn)性計(jì)算方法分類

根據(jù)船舶破艙進(jìn)水的類型不同，在計(jì)算船舶破艙穩(wěn)性的時(shí)候也采用了不同的計(jì)算方法。船舶破損進(jìn)水后，如進(jìn)水量小于船舶排水量△的10%~15%，則可以用初穩(wěn)性公式來計(jì)算船舶破艙進(jìn)水后的浮態(tài)和穩(wěn)性，其結(jié)果誤差甚小。計(jì)算船舶破艙進(jìn)水后穩(wěn)性的基本方法有三種[3]。

3.1 增加重量法（沒有自由液面）

把破艙后進(jìn)入艙內(nèi)的水看成是在該位置處放置了一個(gè)液體重物，假設(shè)船舶在破艙進(jìn)水之前平均吃水為d，艏艉吃水分別為dF和dA，排水量為△，橫穩(wěn)性高為GM，縱穩(wěn)性高為GML，水線面面積為AW[4]，漂心縱向坐標(biāo)為xF，進(jìn)水艙體積為v，重心為c，其坐標(biāo)為（x，y，z）。現(xiàn)把進(jìn)入該艙的水看成是在c處增加了重量為p=ωv的重物（ω為水的密度），由于艙室灌滿了水而沒有自由液面。

在此前提下，船舶的抗沉性計(jì)算步驟如下。

平均吃水增加量：

新的橫穩(wěn)性高：

新的縱穩(wěn)性高：

橫傾角正切值：

縱傾角正切值：

最終求出新的艏艉吃水即可。

3.2 增加重量法（有自由液面）

把破艙后進(jìn)入艙內(nèi)的水看成是增加的液體重量，在這種情況下計(jì)算船舶的抗沉性時(shí)只需在第一種計(jì)算的基礎(chǔ)上計(jì)及自由液面對船舶穩(wěn)性高的影響即可。

計(jì)及自由液面新的橫穩(wěn)性高：

計(jì)及自由液面新的縱穩(wěn)性高：

3.3 損失浮力法（固定排水量法）

當(dāng)艙室破損進(jìn)水后，艙內(nèi)的水與船外海水相同且可以自由出入，艙內(nèi)水平面與船外海水平面為同一個(gè)水平面，這時(shí)可以把破艙后的進(jìn)水區(qū)域看成是大海的一部分，原來這部分艙室所產(chǎn)生的浮力全部為零，通過船體下沉，吃水增加來補(bǔ)償損失的這部分浮力。所以對于整個(gè)船舶來說，其排水量并沒有改變，因此這種方法也被稱為固定排水量法[5]。當(dāng)船舶到達(dá)新的平衡位置后，水線位置改變了，但船舶的排水量和重心位置可認(rèn)為不變。

在使用損失浮力法計(jì)算的時(shí)候可以采用倒推法，破艙內(nèi)水面算作大海的一部分以后，原有的水線面面積和漂心位置都發(fā)生了變化，因此要計(jì)算出船舶新的橫穩(wěn)性高，可以先求船舶橫穩(wěn)性高的變化量是多少又與水線面的慣性矩有關(guān)，而慣性矩又與水線面的面積、漂心位置有關(guān)。所以，損失浮力法的第一步就要確定新水線面的面積及漂心坐標(biāo)。

4 船舶抗沉性影響因素分析

某海船排水量△=35 000 t，船長L=210 m，吃水d=8.1 m，初穩(wěn)性高=2.02 m，每厘米吃水噸數(shù)為TPC=47 t/cm，體積滲透率μV=0.8，進(jìn)水艙長14 m，該艙兩道艙壁距船體中線面距離分別是4.5 m和12 m，艙頂在基線以上9.6 m，雙層底高1.5 m。艙內(nèi)部分進(jìn)水，進(jìn)水量為艙室體積一半，有自由液面，此時(shí)船舶橫穩(wěn)性參數(shù)見表3。

表3 船舶橫穩(wěn)性參數(shù)

4.1 改變進(jìn)水艙長度

當(dāng)改變進(jìn)水艙長度時(shí)，船舶橫穩(wěn)性高和橫傾角的變化見表4。計(jì)算表明，當(dāng)進(jìn)水艙長增大時(shí)，橫穩(wěn)性高、橫傾角都會(huì)增大，這是因?yàn)樵谄渌麉?shù)不變的情況下，艙長增加，進(jìn)水量也隨之增加，導(dǎo)致橫傾角增大。但由于進(jìn)水體積重心低于船舶重心，進(jìn)水量增大以后，船舶的重心也隨之降低，所以暫時(shí)性地橫穩(wěn)性高升高。計(jì)算表明，自由液面對船舶穩(wěn)性有一定的不利影響。

表4 船舶橫穩(wěn)性高和橫傾角隨進(jìn)水艙長的變化

4.2 改變進(jìn)水艙與船體中線面距離

當(dāng)進(jìn)水艙位置距離船體中線面增大或減小，在其他條件不變的情況下，船舶穩(wěn)性高不發(fā)生改變，但橫傾角會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)水艙離船體中線面越遠(yuǎn)，橫傾角將會(huì)越大，見表5。

表5 進(jìn)水艙與船體中線面距離改變引起船舶抗沉性的變化

4.3 改變進(jìn)水艙垂向高度

進(jìn)水艙垂向高度增大，如果按進(jìn)水一半的量來計(jì)算，仍然相當(dāng)于增加重物的重量增大，橫傾角會(huì)增加。另外由于船舶重心垂向坐標(biāo)被降低，所以穩(wěn)性高稍有提升，見表6。

表6 進(jìn)水艙垂向高度變化對船舶抗沉性的影響

4.4 改變雙層底高度

雙層底高度提升，艙頂高度不變時(shí)，相當(dāng)于進(jìn)水量降低，對船舶破艙穩(wěn)性的影響呈遞減狀態(tài)，見表7。

表7 改變雙層底高度對船舶抗沉性的影響

以上計(jì)算方法均在進(jìn)水量不超過船舶排水量的10%~15%的情況下，如果進(jìn)水量比較大，則需要采用逐步近似法才能求得比較正確的結(jié)果。

5 改善船舶抗沉性的主要措施

船舶遭受破損的原因很多，諸如碰撞、觸礁及軍船遭受敵方魚雷、水雷的攻擊等，因此在碰到此類意外事故時(shí)，要求船舶不致沉沒而繼續(xù)保持生命力，就需要采取一定的措施。

第一，船舶要具有一定的儲(chǔ)備浮力，也就是儲(chǔ)備的水密空間，使由于艙室進(jìn)水而損失的浮力可由儲(chǔ)備浮力來補(bǔ)償。一般船舶的儲(chǔ)備浮力可用干舷高度表示，非滿載時(shí)干舷高度大于滿載時(shí)的干舷高度。船舶進(jìn)水后達(dá)到新的平衡狀態(tài)時(shí)，其平衡水線以上的水密船體容積所具有的浮力，稱為剩余儲(chǔ)備浮力。

干舷大的船舶，儲(chǔ)備浮力也大。但干舷值過大，船舶其他性能就會(huì)受到影響，比如船舶的載貨量會(huì)減少。為了增大載貨量而減小干舷值也是不允許的，所以在我國《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》中明確規(guī)定：民用船舶的下沉極限是艙壁甲板上表面邊線以下76 mm處。也就是說，船舶在破損后至少應(yīng)有76 mm的干舷。

第二，設(shè)置必要且足夠的水密艙壁。水密隔艙在我國宋朝時(shí)期就被發(fā)明了，水密艙壁將船體分隔成若干水密艙室，這樣可使船舶在一艙或數(shù)艙進(jìn)水后不至殃及全船都進(jìn)水。但是水密艙壁設(shè)置的越多，相應(yīng)的艙室容積就會(huì)減小和受限制，對于貨物的裝載、旅客和船員的居住條件及機(jī)械設(shè)備和裝置的安置，都會(huì)帶來困難和不便。另外，艙壁過密，相鄰艙室同時(shí)破損進(jìn)水的可能性就增大，抗沉性就惡化，因此要全面考慮，合理地設(shè)置水密艙壁。

水密艙壁的長度要根據(jù)實(shí)際需要來確定的，許用艙長曲線僅作為保證船舶滿足抗沉性的要求而對艙長加以一定的限制。若實(shí)際艙長小于或等于許用艙長，則船舶的抗沉性滿足要求。

但許用艙長計(jì)算中，沒有考慮破艙后的穩(wěn)性問題，故需對穩(wěn)性進(jìn)行進(jìn)一步校核。比如對單體客船破艙穩(wěn)性就有如下的要求。

（1）用損失浮力法求得的初穩(wěn)性高應(yīng)不小于0.05 m。

（2）不對稱進(jìn)水情況下，一艙進(jìn)水的橫傾角不得超過7°。兩個(gè)相鄰艙室進(jìn)水后的橫傾角不得超過12°。

（3）任何情況下，船舶進(jìn)水終了的破艙水線的最高位置不得超過限界線。

第三，設(shè)置雙底雙殼結(jié)構(gòu)。雙底雙殼的設(shè)置為船舶抗沉性的提高又多了一層保障，也為搶修堵漏贏得了一定的時(shí)間。

第四，船舶一旦發(fā)生破艙進(jìn)水以后是否會(huì)傾覆或沉沒，在一定程度上要看船長和船員的應(yīng)對措施是否得當(dāng)。船舶破艙進(jìn)水后能否及時(shí)有效地補(bǔ)救，如采取抽水、調(diào)駁壓載水、堵漏、加固、棄貨和移動(dòng)載荷等措施，及時(shí)有效地保證船舶具有一定的浮力和穩(wěn)性也是至關(guān)重要的。

第五，在船型設(shè)計(jì)上也可以提升船舶抗沉性，比如：

（1）增大舷弧以及使橫剖面外傾，均可增大儲(chǔ)備浮力。

（2）增加船長可以有效增加可浸長度，既能提高船艙的利用效果又能提升船舶的抗沉性。

（3）吃水d一定時(shí)，型深D大，則干舷F大，船舶儲(chǔ)備浮力就大。當(dāng)船艙破損進(jìn)水時(shí)，型深D大的船下沉后，還可保留一定量的干舷（剩余干舷），而且具有足夠的生存力和安全性，因此型深是提高抗沉性極為重要的因素。