船舶在大风浪中航行的安全稳性浅析_图文

1、船舶在大风浪中航行的安全稳性浅析(福州航标处陈红齐【摘要】稳性是船舶最重要的性能之一,是船舶安伞航行的基本保障,也是船舶检验的主要内容之一。国内外大最的船舶 倾覆事故表明,静水中稳性好的船舶在波浪中稳性未必好。所以对船舶在波浪中的稳性进行研究有着重要的实际意义,可以 为设计者、驾驶者提供一定的参考。本文由已掌握的船舶稳性知识入手分析稳性事故的原因,提出大风浪中操船的合理方法, 以便有助于消除误解以减少事故的出现,保证船舶航行安全。【关键词】大风浪 船舶稳性 稳性事故 大风浪操船一、船舶稳性特点及其影响因素L 1船舶稳性概述船舶稳性,指在外力作用下,向侧倾斜,当外力消失后,船舶能平稳地恢复到原来

2、漂浮状态的能力。 按倾角大小可分为初稳性和大倾角稳性;按倾斜作用力矩的性质可分为横稳性和纵稳性;按作用力矩的性 质可分为静稳性与动稳性。船舶漂浮在水面上,当船上的各种重量是均匀分布时,那么船体的前后左右的吃水也都相同。船舶处 于这样的漂浮状态称为“正浮”。正浮时船舶重力和浮力必定是大小相等,方向相反并且作用在同一条直 线上。,当船舶在倾斜力矩”1厂的作用下倾斜一个角度0时。船舶的入水体积发生了变化(如图卜1所示, L图I-I船舶受倾斜力矩图wL为船舶倾斜前的水线,入水体积左右对称,所以浮心B在中纵剖面上。WILl是倾斜后的水线,入 水体积左右不对称,左边减少了W10W的出水楔形体积,右边增加了

3、LIOL的入水楔形休积,因此右舷的入 水体积大于左舷的入水体积,以致使得右舷的浮力也大于左舷的浮力,浮心的位置便由B点移至B点。 由于浮心位置的移动,使浮力作用线和重力作用线不再在同一直线上,这便构成了复原力矩R,此力矩 的方向与倾侧力矩”1,的方向相反,所以在外力消失后,船舶在复原力矩的作用下恢复正浮状态,凡在外 力消失后能回复到正浮状态的船,称为有稳性的船。图卜1中的M点是船舶正浮时浮力作用线与横倾后的 浮力作用线的交点,这个交点称为稳心,稳心M至重心G之间的距离GM称为稳性高度,稳性高度是衡量 船舶稳性好坏的重要标准。如果船舶的重心过高,当船舶倾斜一个角度0时,稳性力矩g的方向和横倾力矩

4、,的方向相同, 这时的”1暑不仅不能使船舶恢复正浮状态,反而加速了船舶倾覆(如图卜2所示,75图1-2船舶倾覆图这样的船我们便称为没有稳性的船舶。出现这种情况是由于重心G的高度高于稳心M的高度,这样的 船是十分危险的,不能航行作业。可见,船舶的重心位置与船舶稳性有十分密切的关系。船舶重心在稳心之下时,一般称为有稳性的船 舶,重心在稳心之上时,称为无稳性的船舶。同时,船舶的稳性是船舶倾斜后浮心的移动,浮力的作用点 在浮心上,船舶重力的作用点在重心上,它们的作用不在同一条直线上,产生一个恢复力矩的结果。 1.2船舶稳性要求及其影响因素1.2.1船舶稳性的要求国际海事组织和我凼船舶检验局均对船舶稳性

5、有基本的要求。国际海事组织对无限航区的船舶的规 定:a。初稳性高度GM应小于0.15m;b。复原力臂曲线在横倾角0-一30度之间所围面积应小于0.055mradc。复原力臂曲线在横倾角3040度或进水角中较小者之间所围面积应小于0.030mrad;d。横倾角30度处的复原力臂应小于0.20m; ,e。最大复原力臂对应角最好大于30度,至少不小于25发一I.2.2影响船舶稳性因素(1重心高度对稳性的影响船舶的重心高度与船舶稳性密切相关,直接影响着船舶稳性,稳性公式或多或少都与船舶重心位置有 关联,如稳性力矩M.=9.8IAGMsinp (卜1该式也称为初稳性方程式。当G点位于M点之下时,GM取正

6、值,船舶具有稳性力矩,当G点位于M点 之上时,GM取负值,船舶具有横倾力矩。当G点和M点重合时,GM:O,船舶位于随遇.甲衡。(2排水量对船舶稳性的影响:稳性的好坏是由船舶复原力矩M决定的,复原力矩越大稳性越好。从公式(卜1中看出,复原力矩 不仅由GM的大小决定,一时还受到排水量的影响,在同样的GM和0情况下,满载时的船舶复原力矩要 比空载时大许多。如果要产生同样的稳性,船舶卒载状态时必须相应提高GM值才能保证达到满载时的稳 性水平。但有的驾驶员认为只有GM才对稳性起作用,误以为某一GM值在本船满载时能产生一定的稳性, 而在轻载、空载时也会产生等量的稳性,因而在实际工作中就会对轻载时的GM要求

7、过低。比如在杏阅资 料中发现空船压载时的GM远较满载时大,就以为可以随意将压载水舱少打些压载水,从而造成险情或事 故。(3货物横向移动的影响将船舶重量为P的货物自91点沿横向水平方向移至92点,移动的距离为Y(如图I-3所示:图1-3重物横向移动船舶重心自原来的G点横向移动至G1点,根据重心移动原理可得GG.:堡1A(1-2这时,重心的作用线通过G1,不再与原来的浮心B在同一铅垂线上,因此,船舶将发生横倾,浮心自 B点向横倾侧移动。当倾斜到某一角度0时,新的浮心B1与G1在同一铅垂线上,船舶就保持新的平衡状 态,并浮于新的水线W2L2,重量的横向移动相当于形成一个横倾力矩M,=9.8l尸】,C

8、OS0(13 由于船舶横倾角至0角时已处于平衡状态,固鸭2吩又根据公式(卜1畋29.8IAGM sin ,可得以下公式:9.81AGMsin0=9.81PYcos0(卜4 根据上式,可以求得重量P横向移动后船舶的横倾角正切t卸秒:!LAGM (15 (4重量垂向移动的影响:将船上某一重量为P的货物自gl点沿垂直方向移至92点,移动的距离为Z,如图卜4所示。由于船 的排水量和浸水部分的形状都没有发生变化,故浮心B及稳心M的位置保持小变。至于船的重心,则由原 来的G点垂向移动至G1点,根据重心移动原理可得:.。Pz (1-6图1-4重物垂直移动图从图卜4中可以看出,由于重心的移动,引起了初稳性高度

9、的改变。设原来的初稳性GM,新的初稳性 高度为G1M,则有:77即G1M=GMGGlGIM=GM百PZ(I-7 (I-8式中P为货物的重量,同理,新的纵稳性高度G-M1.=-鳓-一罢(1_9通常纵稳性高度的数值很大,GGI相对GMI来说是一个小量,在实用上常认为G1M1GMl,从式(1-6 可见如果重物垂直向上移动,则将提高船的霞心,其结果使初稳性高度减少,由此可见,提高船舶最心对 稳性不利。反之,如果把重量向F移动,则将降低船舶重心,其结果使初稳性增高,因此降低船舶重心是 提高船舶稳性的有效措施。二、大风浪条件对船舶稳性的影响1、波浪对船舶稳性产生的影响(1波面形状对船舶稳性的影响波面形状决

10、定船的水线形状。由于波浪存在,使得船舶纵向吃水不是平均分布。尽管船的排水体积没 有改变,船的重心没有改变,但排水体积的形状改变,因I浮心位置改变了,船舶稳性曲线也就小同于平 均吃水的稳性曲线。计算指出,当船顺浪或顶浪航行及波长九=船长L时,船舯在波峰、波谷以及船在平 均吃水3种情况下所具有的稳性曲线是不同的,如图2-1所示。船舯在波峰卜时稳性最差,船舯在波谷上 时稳性最好。由此可见,如果用平均吃水的稳性曲线来代表船的稳性,则当船舯在波峰上时船的稳性就有 不够的可能性。图2-1船舶在波浪上的稳性曲线波面形状影响船舶稳性变化的规律,可以由水线形状随波浪和船的相对运动而变化的规律来表示。设 13代表

11、水线上任意点处水面与水平面的交角,则=%伽sfP.(等.f (2.1式中:最大波面角伊航向与波传播方向的交角1一横摇周期t时间由上式可见,波面形状的影响将使船舶稳性曲线产生周期性变化,其周期为L,稳性变化的幅度在伊=0度,即顺流航行或妒=180度即项浪航行时为最大。(2纵摇对船舶稳性的影响船舶纵摇,同样会使沿船长方向的吃水分布产生变化,因而稳性曲线也随着变化。纵摇影响船舶稳性变化的规律可以由纵摇规律来表示。设。为纵倾角,则红¨w南.cos够.cosc和 泣2, 式中:强一计及船长影响的系数”2一计及吃水影响的系数711纵船舶在静水中自Fh纵摇周期上述公式不能作为精确计算纵摇之用,但由

12、此可以方便地看出,在纵摇的影响下,船舶稳性产生周期 性的变化,其周期为乃,稳性变化幅度以缈:o度或缈:180度及7反:乃时为最大。(3垂荡对船舶稳性的影响垂荡对船舶稳性的影响可分为两个方面。一方而是垂荡中船舶的吃水改变,这当然会引起稳性曲线的 变化,其变化规律可以由吃水改变值z的变化规律来表示。厶一岛譬一B (2.3 乞叫幔.等.高雨伽s(等 (2.4 g硼l删2了丽08i 乞=等一c式中:乞船舶的垂向位移磊水平面的垂向位移”ll计及船舶水平尺度影响的系数”2计及吃水影响的系数卜波高礓船舶在静水中自由垂荡的周期(2.5上述同样是简化导出的公式,不能作为精确计算垂荡之用。垂荡对船舶稳性的另一方面

13、影响是惯性力 A(1±竺,的作用,它将使稳性力矩由原来的,变为 g 其中A为排水量,z为稳性力臂。Z=幺一乞(2.6:一等. (2.7 10乞=等乞 (2.8由上述公式不难看出,在垂荡的影响下,船舶稳性曲线产生周期性变化,其变化周期为,稳性变化的 幅度则以横浪航行及1垂=10时为最大。2、波浪对船舶作用综合分析以上分析说明,船舶在波浪中航行,其稳性是不断变化的。在规律波浪的作用下,稳性曲线呈现周期 性的变化。船舶在10周期内,一部分时间将具有比平均吃水大的稳性,而另一部分时间则具有比平均吃 水小的稳性。按照目前规范以平均吃水稳性曲线为依据计算出来的船舶稳性,在没有充分富裕时,则在每

14、一个10周期中,有可能部分时间处于稳性不足状态,这种情况称为丧失稳性。显然,稳性变化幅度愈大,则丧失稳性程度愈严重，对于船舶安全威胁愈大。同时，口愈大，则丧失稳性的持续时间愈久，对于船 舶安全威胁也愈大。从横倾力矩的不利因素来看，最大横倾力矩产生在船舶横浪航行的时候。但是，从船 舶稳性变化的不利因素来看，则以顺顶浪航行时可能丧失稳性程度为最严重。波面形状和纵摇都是以顺顶 浪时使稳性变化幅度最大。至于垂荡的影响，如果单独看，以横浪航行是稳性变化幅度最大。但应注意到， 影响稳性变化的另一因素是共振情况。由于。垂纵，顺顶浪航行时，纵摇共振可同时伴随垂荡共振。 而横浪航行时，船在静水中自由横摇周期一般

15、横与垂相差较大，因此横摇共振时就不会有垂荡共振。 当全面考虑横倾力矩及稳性变化的不利因素时，最不利情况是否一定在横浪航行时值得研究。风和浪的方 向不一定一样，但在风暴中则常趋于一致。从船舶操纵观点来看，横浪航行还是比较危险的，所以在大风 浪中驾驶员大都采取顺顶浪航行方法。在这种情况下，谨慎处理船舶稳性就显得更有必要。处理方法是首 先应注意避免产生纵摇及垂荡共振，在此基础上再尽量选择最小的 值。 根据以下方程式： 万：；一 （） （） 万：一 式中： 万：警一 ， （） （） 卜船舶平均吃水 九波长 船舶航速 万：二警一 ， 可以制出和九的关系曲线、，如图所示。这些曲线是通用的，不受船舶类型和

16、吃水的限制。在已知名和的情况下，可以在曲线上求出相应的速度值，屿，。 顺浪航行时，应使或屹 顶浪航行时，应使屹或 尉以 一 图 一五曲线图 因此，从船舶稳性来看，在大风浪中船舶操纵应作如下选择，即名或时，宜采取顶浪 航行，吃兄吃宜顺浪航行。在同样可以采取顺浪航行和顶浪航行的情况下，宜采取项浪航行，以 争取较小的稳性丧失持续时间。 另外，船舶在大风浪中顺浪航行、斜顺浪航行、顺浪航行时的尾淹和打横、风浪中船舶的横谐摇等情 况对船舶初稳性高度、航向稳定性及复原力矩都会产生重要影响，其对船舶稳性的影响也是十分复杂的， 这里就不一一论述了。 三、大风浪中的合理操船理论及应用 、大风浪中操船的理论 在通常

17、情况下，压载状态下航行的大型船舶，当遇到级风时，满载船级风时，即可认为属于大 风浪操船。理论上大风浪中操船的方法有：为了避免船艏受过大的冲击和减轻横摇与纵摇，而且又不致使船 偏离航线过多，可采取偏顶浪形航法，以保持舵效的较低航速以船艏左或右舷个罗经点斜迎浪的滞航， 对经不起波浪冲击的大犁船可以船尾斜向顺浪航行，以及停止主机随风浪漂流的飘滞航法。 、大风浪中操船理论的应用 举例说明假如某船舶从美国的 港到非洲的港（如图航线示意图），若按恒 向线或大网航线直驶，途中将不得不穿过数个强低压，但欲想完全避开大风浪区，就得大幅度绕航，这客观 上是不允许的，因此，势必利用合理安全的航法穿行于大风浪区才是上

18、策。 图航线示意图 从出航后，利用高压天气的风平浪静加速行驶。以弥补日后遇上大风浪天气船速降低而导致 船期的损失。当遇上第一个低压时，在系统分析的摹础上，如确认随后的低压移速甚缓，不致风浪叠加形成 巨浪区就续航，且由于低压风圈呈逆时针方向，船舶处于顺风状态，这样即可使船尾斜迎浪处于顺航状态： 如随后的低压强度大，移速快，有风浪叠加形成巨浪区的可能，应果断地决定从高纬转向于低纬，此时宜采 取船艏左或右个罗经点迎浪，同时为减少拍底或甲板上浪，还应降低船速：如风浪在增大，航行困难，不 得已可采取滞航的方法，但此时一定要加强主、副机及舵机等的监护管理，万不可停车处于漂滞状态。 同时，要注意以下几点：

19、越往高纬气象“复杂区”行驶，越要注意气象的变化。并及时作出相应的航速、航向调整。 避免船舶进入巨浪区，保持船在低压中心（尤其是强低压公罩以外通过）。 夜间，能见度小良时忌随意性“探索”改向，这样非但不能确切地找到一个摇荡少的航向，相反有时 会使自己处于一个危险的尴尬境地。正确的做法是：尽一切可能仔细观察海浪的规律，可借助气象风速仪， 正确地求取真风，从而确定浪向，用手操舵作尝试性改向，一次不行，可重复进行。 、大风浪中的合理避让 在海上船舶间的避让均依据国际海上避碰规则或地方规则。但在一些特定的情况下，我们要合理 地运用规则，小能生搬硬套，这也是良好船艺的要求，大风浪中的合理避让正是如此。 八

20、 日 图避让示意图 避让经过 如图避让示意图所示，假如我船航速节，航向。，他船航速节，航向。：夜间，宽阔 的洋面上，西北风，风力级，能见度仅海里左右。在两船相距 时，在雷达二发现他船，且雷达显 示为，为，有碰撞危险。随后保持连续观察，他船方位不变，距离缩小，且从雷达上可见 他船有左、右。的摆荡，断定对方首摇得厉害。按规则我船应右转向以避让他船，但一旦右转，我船即有 被打横的危险，且当时情况我船单边已摇至。左右，右转是非常不利的，对他船来说也是同样。当两船接 近至时，我船先定好船位，然后用相对定位法，定出他船舶位，接着我船用呼叫他船，叫通后，我 船告诉他船，由于恶劣天气，右转避让对双方都不利，待

21、接近至时，我船将左转以避让，请他船保速保向， 必要时也请其左转以配合我船。最后两船安全地在 距离上通过。 规则的正确理解和合理应用 避碰规则要求在采取避碰行动时要早、大、宽、清，尤其忌讳用一连串的小改向来避让，但在大风 浪中避让，由于操船的局限性，却时常采用这一方法。因为避免大角度操舵横倾与风浪强迫横倾角叠加，同 时也为避免对舵叶的损坏以及增加主机的瞬间负荷，只能使用小舵角，一般以。为好，同时为避免船舶产 生较大的旋回角速度，在风浪中不易控制，通常用左或右。，待形成一定的旋回角速度后，正舵，待船转至 接近所需航向，用反舵压一下，就可使船稳定下来，但采取这一行动时，应尽早通知对方，让对方不致于误解 而导致避碰行动的不协调。在大风浪中用共高频协助避碰是