青海省黃河通航水域旅游船的完整穩(wěn)性評估與改進(jìn)

孫艷兵， 李俊敏， 李鈴杰

(武漢理工大學(xué) a.交通學(xué)院 船舶與海洋工程系; b.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

青海省黃河通航水域“一河一湖”和高原湖泊航運(yùn)工程建設(shè)，推動了青海省旅游業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，青海內(nèi)河旅游市場需求旺盛?，F(xiàn)有內(nèi)河旅游船在遭遇突風(fēng)或惡劣氣象時，災(zāi)難事故時有發(fā)生[1]，如：2015年6月1日，“東方之星”號旅游觀光船在長江大馬洲水道因突發(fā)罕見的強(qiáng)對流天氣翻沉，造成442人死亡的特大災(zāi)難性事件[2]；2016年6月4日，四川廣元白龍湖景區(qū)“雙龍”號旅游觀光船因突遇強(qiáng)烈陣風(fēng)翻沉，造成15人遇難的重大災(zāi)難性事件[3]。因此，國家在2016年重新對《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》中有關(guān)船舶完整穩(wěn)性的內(nèi)容進(jìn)行修訂。隨著內(nèi)河船舶規(guī)范開展新的穩(wěn)性法規(guī)實施，很有必要對現(xiàn)有青海省旅游船型開展穩(wěn)性評估并有針對性地提出改進(jìn)方案。

1 船舶穩(wěn)性概述

1.1 完整穩(wěn)性定義

完整穩(wěn)性是指船舶未破損時受外力作用發(fā)生傾斜而不至傾覆，當(dāng)外力作用消失后，船舶仍能回復(fù)到原平衡位置的能力[4]。

1.2 穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求

我國內(nèi)河船舶法規(guī)針對船舶完整穩(wěn)性的重要修訂是：(1)風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)計算中單位風(fēng)壓增加30%；(2)對客船增加突風(fēng)衡準(zhǔn)。修訂后的穩(wěn)性計算公式如下。

1.2.1 新規(guī)范(2016)修訂的穩(wěn)性計算公式

(1) 風(fēng)壓傾側(cè)力矩Mf或力臂lf為

Mf=Cp·p·Af·(Zf-a0·d)×10-3

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Cp為風(fēng)壓修正因數(shù)，取Cp=1.3；p為單位計算風(fēng)壓，Pa；Af為所核算裝載情況下船舶的受風(fēng)面積，m2；Zf為所核算裝載情況下船舶受風(fēng)面積中心至基線的垂向高度,m；a0為修正因數(shù)；d為所核算裝載情況下船舶的型吃水,m; Δ為所核算裝載情況下船舶的排水量,t。

(2) 客船突風(fēng)風(fēng)壓傾側(cè)力矩Mf0或力臂lf0為

Mf0=p0·Af·(Zf-d)×10-3

(3)

(4)

式(3)和式(4)中:p0為單位計算突風(fēng)風(fēng)壓， Pa，

1.2.2 新規(guī)范(2016)修訂的穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)計算公式

穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K[5]是對船舶穩(wěn)性重要的基本要求之一。

(1) 航行于A級或B級航區(qū)的船舶，其風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kf應(yīng)符合

(5)

式中：Mq為計入橫搖影響的最小傾覆力矩， kN·m；lq為計入橫搖影響的最小傾覆力臂， m。

(2) 客船應(yīng)滿足遇突風(fēng)襲擊時的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求，突風(fēng)穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kf0應(yīng)符合

(6)

式中：Mq0為不計橫搖影響的最小傾覆力矩， kN·m；lq0為不計橫搖影響的最小傾覆力臂,m 。

2 現(xiàn)有典型旅游船穩(wěn)性分析

2.1 典型船舶船型要素

根據(jù)青海省黃河通航水域航運(yùn)條件及未來水運(yùn)市場發(fā)展趨勢，綜合考慮航運(yùn)限制條件、船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和航行安全性，選取SX600觀光艇、HD-760觀光艇、17.0 m游覽船(58客位)、17.0 m游覽船(21客位)、23.6 m游覽船等5艘具有代表性的客船作為研究對象。船舶主要船型要素如表1所示。

表1 AJ 1航區(qū)典型旅游船主要船型要素

2.2 船舶建模

基于Compass建模軟件進(jìn)行船舶建模，然后利用建模軟件進(jìn)行船舶完整穩(wěn)性計算。以SX600觀光艇為例，模型如圖1所示。

圖1 SX600觀光艇模型

在船舶建模完成后，需根據(jù)船舶現(xiàn)有資料在滿載出港、滿載到港、空載出港和空載到港等4種工況下進(jìn)行穩(wěn)性計算和分析，得到船舶完整穩(wěn)性計算結(jié)果。

2.3 新規(guī)范下的船舶完整穩(wěn)性計算與分析

SX600觀光艇、HD-760觀光艇、17.0 m游覽船(58客位)、17.0 m游覽船(21客位)、23.6 m游覽船等5艘船舶通過建模后計算得到的船舶在滿載出港、滿載到港、空載出港和空載到港等4種工況下的完整穩(wěn)性計算結(jié)果如表2所示。

表2 典型旅游船4種工況下的完整穩(wěn)性

由表2可知：

(1) 17.0 m游覽船(58客位)、17.0 m游覽船(21客位)、23.6 m游覽船等3艘船舶的完整穩(wěn)性符合《內(nèi)河船舶法定檢驗規(guī)則(2016)》的要求。

(2) 在滿載出港工況下，HD-760觀光艇的集舷靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)為0.419，距最小集舷靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)的差距較大，建議禁航，停止?fàn)I運(yùn)。

(3) 在滿載出港工況下，SX600觀光艇的急流穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)、回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)和集舷靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)略小于1，不滿足新規(guī)范對穩(wěn)性的要求，故探討采取何種合適的改進(jìn)措施，使其符合新規(guī)范下的完整穩(wěn)性。

3 SX600觀光艇穩(wěn)性改進(jìn)方案

3.1 單因素下SX600觀光艇穩(wěn)性改進(jìn)方案

為使SX600觀光艇繼續(xù)營運(yùn)，在探討穩(wěn)性改進(jìn)方案[6]時不改變船舶主尺度。除船舶主尺度之外，船舶航速、乘客人數(shù)和船舶自重是計算船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)的重要影響因素[7]，可作為探討船舶穩(wěn)性改進(jìn)方案[8]的主要研究因素。由于在空載工況下船舶穩(wěn)性已滿足新規(guī)范的要求，分別討論在滿載工況下改變船舶航速、乘客人數(shù)和船舶自重是否可以改進(jìn)船舶的完整穩(wěn)性。

(1) 在不改變船舶主尺度、船舶航速、船舶自重的情況下，僅減少乘客人數(shù)，計算旅游船在滿載工況下的完整穩(wěn)性，如表3所示。

表3 滿載工況下減少乘客人數(shù)時船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)

由表3可知：隨著旅游船乘客人數(shù)的減少，滿載工況下的急流穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)、回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)和集舷靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)逐漸增加；當(dāng)乘客減少3人時，船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)都大于1。因此，當(dāng)乘客減少3人時，旅游船的完整穩(wěn)性滿足新規(guī)范的要求。

(2) 在不改變船舶主尺度、乘客人數(shù)、船舶自重的情況下，僅降低船舶航速，計算旅游船在滿載工況下的完整穩(wěn)性，如表4所示。

表4 滿載工況下降低航速時船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)

由表4可知：隨著船舶航速降低，回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)逐漸增大；在航速為17.3 km/h時，回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)大于1，但是其他穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)并未變化。因此，僅降低航速不能改進(jìn)船舶完整穩(wěn)性。

(3) 在不改變船舶主尺度、乘客人數(shù)、船舶航速的情況下，僅增加船舶自重，計算旅游船在滿載工況下的完整穩(wěn)性，如表5所示。

表5 滿載工況下增加船舶自重時船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)

由表5可知：隨著船舶自重增加，急流穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)和回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)逐漸增加，復(fù)原力臂面積曲線衡準(zhǔn)數(shù)逐漸減小；當(dāng)船舶自重增加至1.29 t時，急流穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)為0.878(小于1)，復(fù)原力臂面積曲線衡準(zhǔn)數(shù)為1；當(dāng)船舶自重增加至1.70 t時，急流穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)為0.907(小于1)，復(fù)原力臂面積曲線衡準(zhǔn)數(shù)為0.750(小于1)，不能同時滿足急流穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)和復(fù)原力臂面積曲線衡準(zhǔn)數(shù)都大于等于1的要求，船舶的完整穩(wěn)性不滿足新規(guī)范的要求。因此，僅增加船舶自重不能改進(jìn)船舶完整穩(wěn)性。

綜上所述，基于船舶完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)的計算，在不改變船舶主尺度的前提下，改變船舶航速、乘客人數(shù)和船舶自重的任意單個因素方案中：減少3名乘客可使例船的完整穩(wěn)性滿足新規(guī)范的要求；增加船舶自重提升回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)和集舷靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)效果顯著，降低航速僅能提升回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)。總體而言，船舶穩(wěn)性改進(jìn)影響程度的效果依次是：減少乘客人數(shù)>增加船舶自重>降低航速。

3.2 多因素下SX600觀光艇穩(wěn)性改進(jìn)方案

由于降低航速只能提升回航靜傾角穩(wěn)性，因此討論在船舶航速不變情況下，同時減少乘客人數(shù)、增加船舶自重是否可以改進(jìn)船舶穩(wěn)性。

在不改變船舶主尺度、船舶航速的情況下，采用減少乘客人數(shù)、增加船舶自重的組合改進(jìn)方案，計算典型船舶在滿載工況下的完整穩(wěn)性，如表6所示。

表6 滿載工況下減少2名乘客、增加船舶自重時船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)

SX600觀光艇在減少2名乘客并增加船舶自重時，船舶急流穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)、回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)和集舷靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)逐漸增加；當(dāng)船舶自重增加至1.15 t時，重量增加為0.17 t，比船舶原始自重(0.98 t)增加17%，船舶自重增加比例較小，增加的載荷重量在允許范圍內(nèi)，并且船舶急流穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)、回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)和集舷靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)都大于1，滿足新規(guī)范對旅游船完整穩(wěn)性的要求。

綜上所述：基于船舶完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)的計算，由于改變航速只能提升回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)，不能完全改進(jìn)船舶完整穩(wěn)性，因此在不改變船舶主尺度的前提下，減少2名乘客、增加船舶自重至1.15 t可使船舶完整穩(wěn)性滿足新規(guī)范的要求。

3.3 SX600觀光艇穩(wěn)性改進(jìn)方案

從第3.1節(jié)和第3.2節(jié)的分析可知：在不改變船舶主尺度的基礎(chǔ)上，減少3名乘客或減少2名乘客并增加船舶自重至1.15 t的兩種改進(jìn)方案均可使其滿足新規(guī)范的完整穩(wěn)性要求。

在盡可能不引起船舶重心變化的前提下，使船舶完整穩(wěn)性滿足新規(guī)范要求，能夠繼續(xù)營運(yùn)，可采取如下措施：(1)將SX600觀光艇座椅船撤掉左右兩舷對稱的2個客位，在撤掉的座椅旁邊增加2個85 kg的鐵塊用以增加自重。(2)在盡可能不引起船舶重心變化的情況下，根據(jù)船舶實際布置情況撤掉3個乘客座椅。

4 結(jié) 語

SX600觀光艇、HD-760觀光艇、17.0 m游覽船(58客位)、17.0 m游覽船(21客位)、23.6 m游覽船是青海省黃河通海水域典型旅游船，其中：通過對SX600觀光艇的完整穩(wěn)性在最新內(nèi)河規(guī)范的要求下提出的技術(shù)改進(jìn)方案可為同類船型的改進(jìn)提供借鑒和指導(dǎo)。