自由液面对船舶稳性的影响及安全行驶对策

2023-05-05李锋

舰船科学技术 2023年6期

李锋

(江苏航运职业技术学院航海技术学院，江苏南通 226010)

0 引言

船舶在航行过程中，由于海洋天气状况不可控、船上人员业务能力参差不齐，极易发生各种影响船舶人员及货物安全的问题，在这些问题中当属火灾最为严重，船舶一旦发生火灾事故便会造成各种不可挽回的影响[1-3]。近年来，国内外所发生的船舶事故中，由于火灾而引起的事故占比不断提升，在船舶发生火灾时，无论采取何种方式，最为有效且常用的灭火方式是用水灭火，一旦船舶采取水为灭火剂进行火灾扑救时，船内各舱室将会逐渐产生积水，进而造成船舶倾斜，加剧积液的流动，如此便形成恶性循环。因此加强船舶的稳性研究，尤为重要。

自由液面是指船舶中液体可能会存在的各个舱室，常见的如淡水舱、压载水舱、储油柜等，当舱内未充满液体或者完全没有液体时，存在液体表面与空气接触的情况，当船发生横摇等晃动时，液面也会随之产生移动。目前，集装箱船在破舱条件下所产生的自由液面与常规自由液面有所不同，主要包含液面位置低于集装箱以及液面位置高于集装箱2 种。因此从自由液面视角入手，对船舶在航行过程中的安全性展开探讨，并结合实际，提出相关的安全行驶对策[4-5]。

1 自由液面对船舶稳性的影响

如图1 所示，当一个液舱内装有液体未达到满舱，此时船舶横倾角为θ，液体在重力作用下发生移动，得出转动半径为：

图1 舱内自由液面Fig.1 Free surface in tank

液体移动相当于增加了力矩，与船舶倾斜方向相同，大小为：

综合式（1）～式（3）可看出，当船舶发生横倾时，其实际复原力矩为：

通过查取舱名所对应自由液面面积惯性矩表。在船舶不同位置所出现的自由液面形状也有差别。其中，当自由液面所在容器形状为矩形、等腰三角形和等腰梯形时，如图2 所示。

图2 梯形自由液面Fig.2 Trapezium free surface

其自由液面面积惯性矩ix可写为：

式中：l为液面长度，m；b1和b2分别为液面前端、后端宽度，m。

当自由液面形状为圆形或者椭圆形时，如图3 所示。

图3 椭圆形自由液面Fig.3 Ellipse free surface

其自由液面面积惯性矩为：

式中：a为椭圆短轴长，m；b为椭圆长轴长，m。

当自由液面形状为直角梯形时，如图4 所示。

图4 直角梯形自由液面Fig.4 Right trapezoid free surface

其自由液面面积惯性矩为：

式中：l为液面长度，m；b1和b2分别为液面前端、后端宽度，m。

1.1 其他形状自由液面

自由液面形状不规则是自由液面的形状所决定的，通常情况下是由于舱壁形状为一不规则曲线或者舱壁的特殊结构等所导致。图5 为某船舱壁曲线。

图5 任意形状自由液面Fig.5 Free surface of arbitrary shape

对x轴进行积分，可得曲线在区间（a，b）围成的面积为：

由平移轴公式可得长为y，宽为 dx的小矩形面积惯性矩为：

曲线在区间（a，b）所围面积的面积惯性矩为：

因货舱形状是对称的，所以此形状下货舱中自由液面所产生的惯性矩为：

式中：a为货舱一端横舱壁与ox轴的交点；b为横舱壁与水平舱壁的交点。

1.2 舱内液体接近空舱

当船舶处于较大横倾时，其近空舱自由液面如图6所示。

图6 近空舱自由液面Fig.6 Free surface at near empty tank

假设舱室宽度为b，液面深度为h0，当船舶发生横倾，横倾角为α，液面DE在重力的作用下变为D′E′。根据以上假设可得出：

1.3 舱内液体接近满仓

一般而言，不同船舶舱室的装载率以及横倾存在差别，本文着重围绕液体接近满舱加以探讨，其横剖面图如图7 所示。

图7 近满舱时矩形液舱上部横剖面图Fig.7 The upper cross section of the rectangular tank of the near full tank

可知：

式中，结合初始讨论情况为液体接近满舱，故自由液面高度应至少为舱室深度的一半，即0 ≤h≤tanθ。

分析可知，船舶横倾力矩与船舶横倾角高度呈正相关。

2 船舶在安全行驶中的有效对策

2.1 航行前的船舶检查

对运输船而言，通过设置纵向水密舱壁，对其内部结构加以特殊设置，可使自然液面对船舶稳性的影响大大降低。此外，如果在航运中也需要使新装入的自然液体舱段保持空舱状况，又或者是都装满，则可以降低舱柜内自然液体表面的数量，从而降低自然液体表面对船舶稳性的影响。此外，在对当前船舶的研究分析中能够看出，对于一般超大型的散装船来说，在保持空载运转状况下行驶，必须采用1～2 个货柜段压舱。由于该类船舶货柜的宽度和长度都较大，而且船上货柜的长度和宽度都与船上自然液面有很大的关联，若不做好相应的保护措施，对船上自然液面的危害也相当大。所以在实际操作过程中，该类船舱不能出现负压状况，而是按照船上的规定，否则容易受到自由液面的影响而出现事故。在检验过程中，重视对纵向舱的检查，看其舱壁能否全部分离，是否仍具有相通的情况，看不同隔间内有无产生不必要的积水，一旦出现这些情况，一定要及时加以解决，减少船舶所产生的自由水平液面的规模，增强船舶在行驶过程中的安全与可靠性，尽可能减少交通事故的发生率。

2.2 船舶装载物的处理

对船中所装运的干散货物进行处理，以提高船舶航行的安全性。主要是对物品有条理的摆放，或者对物品进行定位，并保证货物不要在航行凸点处发生移动，船舶一旦在行驶途中由于晃动而发生移动，将对船舶行驶的稳定性产生较大的影响，容易造成船舶的安全事故。另外货物如果高低不齐，也会影响船舶行驶的稳定性，因而船内货物要摆放平齐，从而增加船舶行驶的稳定性。除此之外，一旦必须装载液体货物时，也一定要对货物加以严密的管理与监测，这样在整个行驶过程中，船舶就不会出现自由液面，从而提高行驶中船舶的稳定性。

2.3 对于船舶发生横倾时的处理措施

如果船舶在航行过程中遭遇意外情况，导致严重的横倾问题，进而会延迟抢险救援的时间。采用高压水流来调节，则可以有效地解决严峻的倾斜问题。比如在进行操作时，特别注意自由液面的影响，如果需要利用压舱水来解决横倾情况，可考虑使用长度更窄的船舱。而假如该船已配置好了压舱水，则可以在进行横倾的过程中使用放置于横倾一侧的压舱水。这样的处理方法，能够有效防止其他压舱水舱出现自然液面，有效降低自然液面给船舶造成的危害，有效增强船舶的稳定性。