漁船安裝球鼻艏的影響與安全風險分析

文/趙中榜

作者單位：中國漁業(yè)互保協(xié)會

球鼻艏是船舶設計水線以下艏前部近似呈球狀的凸出結構，20世紀初被用于軍艦。20世紀50年代，船舶行業(yè)開始對大型商船的減阻進行研究，經(jīng)過一系列模型實驗和理論研究發(fā)現(xiàn)，球鼻艏在一定航速和吃水范圍內能減少5%的燃油損耗，球鼻艏的應用也因此逐步拓展到了中小型船舶中。

近年來，隨著老舊漁船更新改造，新建鋼質漁船越來越多。據(jù)統(tǒng)計，自2013年起，浙江省、福建省等漁業(yè)大省新建鋼質漁船安裝球鼻艏的現(xiàn)象越來越普遍。伴隨著球鼻艏的普及，與之相關的漁船事故也逐漸增多。

一、球鼻艏的作用

球鼻艏設計的初衷是減小船舶阻力，但球鼻艏對船舶的阻力、操縱性、推進性、耐波性以及穩(wěn)性都會產(chǎn)生一定影響（見圖1）。

圖1 典型帶球鼻艏漁船側視圖

（一）對船舶阻力的影響

船舶在航行過程中，周圍流體會產(chǎn)生與船體運動相反的作用力，即船的阻力，阻止其前進。

1.減小興波阻力

船舶航行過程中在船艏和船艉各產(chǎn)生一組波系，每組波系包括橫波和散波。橫波大致垂直于航向，散波同航向斜交，船體供給船波起伏的能量占用了一部分推進船舶的功率，對船來說相當于在克服一定阻力，這種阻力就叫興波阻力。

如果球鼻艏大小和位置選擇恰當，在一定速度范圍內，球鼻艏產(chǎn)生的波系與船體波系可產(chǎn)生有利干擾，合成波的波高將降低，興波阻力將下降，船舶航行速度將提高。球鼻艏是否能減小興波阻力與傅汝德數(shù)有關，傅汝德數(shù)是流體力學中表征流體慣性力和重力相對大小的一個無量綱參數(shù)。

2.減小舭渦阻力

肥大型船舶在航行時常常會發(fā)生埋首現(xiàn)象，這是由于船艏底部產(chǎn)生了大量舭部旋渦，此間損耗的能量所形成的阻力叫舭渦阻力，影響船舶前行速度。當肥大型船舶安裝球鼻艏后可使水流近于徑向對稱流動，船艏底部不產(chǎn)生旋渦運動，從而減少埋首現(xiàn)象、降低阻力。

3.減小破波阻力

加裝球鼻艏的船艏前傾，該處橫剖面面積曲線的坡度和艏部水線進角減少，改善了船艏柱附近的壓力分布，緩和了船艏破波情況，降低破波阻力。

4.增加形狀阻力和摩擦阻力

由于球鼻艏本身以及球鼻艏與船體連接不光順，會造成船舶航行時形狀阻力增加，船體濕表面積增加，也造成摩擦阻力的增加。因此，安裝球鼻艏的總體減阻效果取決于興波阻力、破波阻力減少的程度以及形狀阻力和摩擦阻力增加的程度。

對于散貨船和油船等船體較寬的船舶，球鼻艏主要用來減少破波阻力；對于集裝箱船舶等較瘦削型船舶，球鼻艏主要偏向于減少興波阻力。根據(jù)相關文獻，球鼻艏對傅汝德數(shù)在0.25～0.38速域的船舶具有明顯減阻節(jié)能作用，英國船舶研究協(xié)會（BSRA）系列拖網(wǎng)漁船在較高速度范圍內阻力減少11%，總功率降低約13%。

（二）對船舶操縱性的影響

操縱性是指船舶按照駕駛者意圖保持或改變其運動狀態(tài)的性能，即船舶能保持或改變航速、航向和位置的性能，包括航向穩(wěn)定性、回轉性、轉首性等。安裝球鼻艏后，其消波效果使得船艏壓力降低，回轉中心后移，回轉力矩減少，船舶回轉半徑增大，回轉阻力增加。日本曾對紅蒼丸號客船進行實船試驗，安裝球鼻艏前回轉直徑為312m，安裝球鼻艏后的回轉直徑增加為336m。

另外，有球鼻艏的船舶水下浸水面較無球鼻艏船舶的水下浸水面長，在相同條件下，船舶作旋回運動時，船體本身所產(chǎn)生的船舶虛慣性矩值較旋回阻矩系數(shù)有大幅增加，追隨性指數(shù)的值也隨之增大。追隨性指數(shù)越小，操舵之后船體能快速改變艏向并進入定?；剞D，表示船舶的航向穩(wěn)定性和跟從性好。反之，則對航向穩(wěn)定性和跟從性不利。因此，有球鼻艏船舶的航向穩(wěn)定性必然劣于無球鼻艏船舶的航向穩(wěn)定性。在實際操縱船舶時，駕駛人員最直接感覺就是把定無球鼻艏船舶比把定有球鼻艏船舶容易。

船舶安裝球鼻艏后，雖然對操縱性能有不利影響，但安裝球鼻艏的初衷并非要改變操縱性能。也有相關研究表明，艏部形狀對操縱性的影響并不顯著。

（三）對船舶推進的影響

船舶推進主要是指螺旋槳為船舶提供動力，使船舶克服阻力向前航行。根據(jù)某船舶自航試驗，安裝球鼻艏以后，船舶螺旋槳的推進效率在靜水中會得到一些提高。一是由于艏部壓力降低，使推力減額降低；二是由于高速時伴流系數(shù)有所提高；三是尾部流場變得比較均勻，降低了伴流不均勻對螺旋槳的影響。

若船舶在波浪中航行，球鼻艏對推進性能反而不利，一般反映為推力與扭矩有所增加，螺旋槳效率有所下降。究其原因，一是波浪下阻力增大；二是安裝球鼻艏后，船體的縱搖中心軸前移，船舶整個縱搖幅度可能減小，但艉部運動幅值有時反而會增加，導致螺旋槳效率下降；三是安裝球鼻艏前后，波浪對它的相位角是不相同的，這種差異往往導致推進效率下降。

此外，有的漁船球鼻艏底部會安裝艏側推裝置。漁船在進出港口、?？看a頭時，艏側推裝置可大大減少調整船體角度所需的時間和空間。但漁船球鼻艏并不是安裝艏側推裝置的必要條件，合理設計艏部型線，也可在不安裝球鼻艏的前提下安裝艏側推裝置。

（四）對船舶耐波性的影響

耐波性是指船舶在波浪中運動特性的統(tǒng)稱，包括船舶在波浪中所產(chǎn)生的各種搖蕩運動以及由這些運動引起的砰擊、上浪、失速、螺旋槳飛車和波浪彎矩變化等特性。

安裝球鼻艏后，增加了船體縱向慣量和縱搖阻尼，前者對船體縱搖不利，后者卻能改善船體縱向運動。由于縱搖阻尼增加，在一定范圍內，安裝球鼻艏能減小縱搖幅度。日本造船學會會長、橫濱國立大學教授竹澤誠二曾做過某船型的模型試驗，結果表明，四級～五級風浪下安裝球鼻艏能減小縱搖幅度，當海況風浪達到七級以上時，球鼻艏對于減小縱搖幅度沒有效果。

不同船型的球鼻艏對縱搖的影響不完全相同，但對于增大橫搖周期、減緩橫搖頻率有一定積極影響。根據(jù)上海交通大學船舶流體力學研究室對安裝球鼻艏漁船模試驗結果，球鼻艏可以使橫搖無因次衰減系數(shù)增加3%左右，也能增加橫搖運動附連水質量，增大橫搖周期，在四級風浪時球鼻艏船舶的橫搖幅值較普通艏船舶減小9%左右。

（五）對船舶穩(wěn)性的影響

船舶因外力作用偏離其平衡位置而傾斜，當外力消失后，能自行恢復到原來平衡位置的能力，稱為船舶穩(wěn)性。初穩(wěn)性是指船舶傾角小于10°～15°或上甲板邊緣開始進水前的穩(wěn)性，初穩(wěn)性高（橫穩(wěn)性高）越大，抵抗傾斜力矩能力越大，船舶穩(wěn)性更好。在船體下部安裝球鼻艏，會使船體浮心位置下降，排水體積增加，橫穩(wěn)心半徑減少，初穩(wěn)性高降低（見圖2）。由此可見，安裝球鼻艏對于船舶的穩(wěn)性并無明顯的積極作用，甚至會對其穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響。

圖2 某漁船總布置圖

二、漁船安裝球鼻艏實際存在的問題

由于沒有統(tǒng)一的安裝與建造標準，各船廠安裝建造球鼻艏缺乏規(guī)范性，往往無法達到減阻節(jié)能的效果，反而提高了船舶建造成本，加重了碰撞事故中船舶損失程度，還可能間接造成越來越多的碰撞事故和觸損事故發(fā)生。

（一）安裝建造不規(guī)范

《鋼質海船入級規(guī)范》《鋼質海洋漁船建造規(guī)范》中均提到了球鼻艏，但僅僅提出了球鼻艏結構的加強方式，并未對球鼻艏的建造和安裝標準提出更為具體的要求。因此，船廠在設計漁船球鼻艏時具有較大自主性和隨意性。如圖3所示，在浙江省某船廠即將下水的漁船安裝的“刀片”狀球鼻艏，并不能減小阻力，更像是一把水下匕首，在發(fā)生船舶碰撞事故或糾紛時，會給對方船舶造成嚴重破壞。

圖3 浙江省舟山市某船廠“刀片”狀球鼻艏

從船廠角度看，在圖紙設計時，球鼻艏屬于默認的船體結構，一般一個船廠的球鼻艏形狀相對固定、工藝成熟，在建造新船時可以直接套用既有圖紙，還可以展現(xiàn)船廠良好的技術和工藝，為船廠帶來更多的經(jīng)濟效益。

從船東角度看，船東普遍認為安裝球鼻艏的船艏較為美觀，還增加了船艏的強度，在觸碰碼頭、與他船發(fā)生糾紛或碰撞時，可有效保護船體。而且，目前的鋼質漁船普遍安裝球鼻艏，其中也有盲目從眾的因素。

（二）達不到減阻節(jié)能的效果

球鼻艏的主要作用是減小興波阻力，減阻效果與航速有關，只有航速大于某一值時，球鼻艏才會發(fā)揮其減阻作用，該航速稱為球鼻艏的界限速度。界限速度對應的傅汝德數(shù)即為臨界傅汝德數(shù)，一般要先判定船舶設計航速時的傅汝德數(shù)是否大于臨界傅汝德數(shù)，然后才能決定其是否安裝球鼻艏。對于不同方形系數(shù)的船舶，只有對應肥瘦、對應船長的船舶達到對應航速之后，安裝球鼻艏才能達到減小阻力、節(jié)約燃耗的效果，否則只會增加阻力和耗能。

以浙江省沿海為例，近幾年更新改造的主機功率147kW以上的漁船，絕大多數(shù)安裝了球鼻艏，但未能取得節(jié)能效果，究其原因，一是漁船的設計航速達不到發(fā)揮球鼻艏作用的界限航速；二是漁船作業(yè)方式不宜安裝球鼻艏；三是球鼻艏形狀與漁船船型不配套。

1.航速

除圍網(wǎng)船航速略高外，一般漁船不會超過12kn。以數(shù)量最多的船長20m以下小型漁船為例，其方形系數(shù)在0.55～0.65，航速多在7kn左右，適合安裝球鼻艏的船型十分有限。大型漁船方形系數(shù)多在0.65～0.75，航速一般為10kn～12kn，適合裝設球鼻艏的船型也較為有限，隨意裝設起不到預期效果。

2.作業(yè)方式

交通運輸船多數(shù)時間能在設計航速下連續(xù)航行，球鼻艏發(fā)揮的效益具有持續(xù)性，節(jié)能效果明顯。有些漁船的航速視作業(yè)工況需求而變化，時快時慢，以拖網(wǎng)漁船為例，若安裝球鼻艏，30%的自由航行時間里，球鼻艏具有節(jié)能效果，保持在7kn以下進行拖網(wǎng)作業(yè)的時間占70%，期間球鼻艏卻會增阻耗能。參考節(jié)能、耗能的時間比例，拖網(wǎng)漁船不應安裝球鼻艏，但此類漁船在我國漁船數(shù)量中所占比例最大。類似的還有金槍魚延繩釣船，也不適宜安裝球鼻艏。

3.形狀

按球鼻艏的形狀進行分類，有撞角形、水滴形、梨形、圓筒形和S-V形等多種，不同形狀的球鼻艏適合于不同船型。實踐證明，球鼻艏的設計具有很大經(jīng)驗性，一艘船上的優(yōu)良球鼻艏，改裝在不同船型的另一艘船上，并不一定有降阻性能。只有通過船模試驗才能確定其降阻效果。用船模試驗去校正漁船球鼻艏的形狀及尺度，需要專門科研項目才能實現(xiàn)，一般的設計或復制粘貼，很難取得節(jié)能效益。

（三）碰撞事故增多

很多漁船由于盲目安裝球鼻艏，大大增加了其航行時的安全隱患。根據(jù)中國漁業(yè)互保協(xié)會有關統(tǒng)計，近年來，涉及漁船球鼻艏的碰撞事故不斷增多，有的甚至因此造成重大損失。

2014年9月27日，“閩恒69”集裝箱輪與“浙普漁68985”船在舟山海域交叉相遇發(fā)生碰撞，“浙普漁68985”船的球鼻艏致使“閩恒69”輪右舷貨艙外板破裂，船艙迅速大量進水，最終導致該輪沉沒，事故造成直接經(jīng)濟損失約1億元左右。2015年3月27日，“魯榮遠漁896”船與“順行8”船在西南大西洋海域航行時對遇，緊急避讓過程中發(fā)生碰撞，“順行8”漁船的球鼻艏將“魯榮遠896”船側外板大面積劃裂，船艙大量進水，導致“魯榮遠漁896”船沉沒，事故造成直接經(jīng)濟損失3000多萬元。

三、結語

球鼻艏在滿足一定傅汝德數(shù)的條件下可以達到減小船舶興波阻力的效果，但也會對船舶的操縱性、推進性、耐波性以及穩(wěn)性產(chǎn)生一定影響，這些有利影響或是不利影響尚不完全明確。目前，對于漁船安裝球鼻艏沒有任何規(guī)范要求，在漁船球鼻艏實際設計與建造中，往往存在著較大的自主性、隨意性、經(jīng)驗性、盲從性，導致球鼻艏安裝建造不規(guī)范，達不到減阻節(jié)能效果，反而增加漁船安全隱患。

建議船舶檢驗部門進一步完善漁船建造規(guī)范，明確漁船安裝球鼻艏的條件，嚴格相關的檢驗規(guī)則和標準。漁船設計和建造部門要做好相應宣傳工作，不能盲目滿足船東要求，對于不合理的安裝需求應當予以拒絕。漁業(yè)管理部門要加強安全管理和船員培訓，提高船舶駕駛人員的安全意識和技能，防止和避免重特大事故發(fā)生。