船舶破艙安全性及抗沉能力分析

廉天翔

摘 要： 本文對船舶破損的安全性進行分析，利用流體力學和積分相關知識，確定浸水速度和時間的關系。在浸水的過程中，分析穩性和浮態的變化情況，確定船舶的強度和安全性。通過排水設備的能力與浸水速度之間的關系，判斷施救的可行性，為船員迅速做出判斷并采取正確的措施提供理論依據。

關鍵詞： 安全性評估；船舶破損；排水能力；抗沉能力

引言

統計數據表明，船舶碰撞、觸礁、擱淺、船體腐蝕、船體結構損壞是船舶沉沒的主要原因。大量的浸水使船舶的儲備浮力損失或完全喪失導致船舶沉沒，或因穩性不足而傾覆。由于國際船舶的平均船齡高，船體的腐蝕使得船體強度降低，船體在惡劣環境下容易出現裂紋破艙等損傷。當船艙破損浸水后，要根據浸水速度、排水設備的能力、載重線的高低、滲透率等因素判斷船舶的抗沉能力，采取正確的應急施救措施，減少生命財產的損失，避免引起海洋污染。

一、船舶浸水速度和浸水量

考慮船舶抗沉性時需要對船舶的浸水速度和浸水時間進行考慮。在船舶破艙浸水后，我們需要分析船舶任意時刻的安全狀態，根據任意時刻的浸水速度和排水能力、載重線和滲透率的大小，分析出船舶抗沉能力。

1、求取船舶浸水速度和進水量

滲透率μ決定船舶的最終進水量，在船舶破損浸水后，通常采用重量增加法或浮力損失法計算船舶的穩性和浮態。浸水口中心距舷外水面的距離H和距離艙內水面的距離h隨時間發生變化，浸水速度也隨之發生變化。船舶的浸水速度可表示為：

將壓力、流體粘性等因素考慮進去，建立船舶破損浸水速度的模型，確定任意時刻實際浸水速度，。破口位于艙內水面上時，浸水速度可表示為：

破口位于艙內水面下時，浸水速度可表示為：

用A表示破損面積，求得船舶單位時間的進水量為：

2估算船舶達到平衡時所需的時間

由上述公式可知，船舶破損的浸水速度隨時間發生變化。在初始階段，艙內液面低于破口時，其速度不斷增大。當艙內液面高度高于破口中心后，其速度逐漸變小。因此，通過累加流入單位浸水量所需的時間可以估算出船舶到達平衡或限界限時的時間。

破口位于艙內水面上：

破口位于艙內水面下：

因此，船舶達到限定界限或者最終平衡水線時所需的時間為：

二、安全性評估

船舶破艙進水后，駕駛員及時計算船舶的殘存能力至關重要。通過計算船舶的穩性、強度等要素，與船舶的破損穩性的要求進行對比，對船舶的安全性進行合理評估。避免船員在海難事故發生時做出對船舶安全不利的決策，將損失降至最低。

1、船舶破艙進水的穩性分析

船舶破損穩性的計算方法主要分為概率法和確定性方法。概率法是在對船舶碰撞、擱淺等大量海損事故統計分析基礎上建立的一種計算方法；確定性方法是指確定了船舶破損浸水的艙室、破損范圍和浸水情況等的一種計算方法。

當船舶的浸水重量小于船舶排水量的10%時，可視為船舶少量裝載貨物。由于船舶的吃水變化較小，所以在計算精度允許的范圍內做一些合理的簡化和假設，假設船舶破艙浸水的重心位于原水線面漂心的橫剖面內，將船舶視為無縱傾變化。初穩性高度的計算通常采用直壁假設和初穩心不變假設。

直壁假設是將船舶水線面附近視為直舷壁，使得浸水前后水線面的形狀不變，則水線面的面積慣性矩也不變。船舶原始的排水量為△，吃水為d。浸水時 ，船舶浸水量的重心距基線的高度為zp，浸水引起船舶穩性的變化量為：

初穩心不變假設是指當船舶在某一吃水處，由靜水力參數表觀察到穩心高度隨吃水的變化不太明顯，所以可將穩心高度視為一固定值，其重心的變化會導致初穩性高度變化為：

2、船舶破艙進水的浮態分析

采用重量增加法逐步逼近求取船舶破艙進水后的縱向浮態，當船舶少量進水時，假設船舶的首尾吃水分別為dF和dA，每厘米吃水噸數為TPC，每厘米縱傾力矩為MTC，漂心坐標為xf，進水量重心到船中的距離為xp，則有

吃水差的該變量為：

首尾吃水該變量為：

變化后的浮態及吃水差：

漂心修正后的平均吃水：

根據上面公式，首先計算出變化后的平均吃水dM 1，然后根據dM 1求出變化后的TPC1、MTC1以及xf 1等參數，然后逐步逼近計算，直到船舶進水速度趨近于0，從而求出船舶最終的浮態。

3、船舶強度分析

船舶破艙進水后，船舶的浸水情況和破損位置影響著載荷的變化。在各個變量中，船舶的總縱強度對船舶的結構安全有決定性作用，而重力和浮力是導致船舶彎曲的主要外力。采用許用應力法，判斷船體最大應力處的的船體強度是否滿足要求，總縱彎曲強度和總縱剪切強度都應該不大于許用強度，保證船舶具有足夠的儲備強度。

三、確定施救方法

船舶破損后，船舶的穩性、浮態、剪力、彎矩會隨著進水量的增加發生變化。只要一個參數不滿足要求，船舶就會處于危險狀態。因此，對船舶的施救能力進行分析，采取合適的施救方案是保證船舶安全的重要保障。

1.比較浸水速度和排水能力

排水設備在施救抗沉中有相當重要的作用，它為堵漏或其他救助爭取時間，同時可以比較浸水速度與排水設備能力的大小關系確定排水施救的可行性。當單位時間的浸水量小于排水量時，船舶在危險狀態之前足以抵抗船舶的進水，僅通過排水系統就可以保證船舶的安全。相反，則由于船舶排水能力的不足而處于危險狀態，船舶會因強度不足斷裂、或因穩性不足傾覆、或因儲備浮力不足沉沒。

2.使用壓載艙

壓載艙在船舶施救過程中也具有重要作用，它不僅可以改善船舶的穩性和浮態，還可以改善船舶的強度。當船舶的浮態發生變化時，可以對首或尾艙打壓載水調整船舶的浮態。同時也可以調整左右壓載艙的水量來改善船舶的穩性。船舶浸水使船體強度發生變化，中垂時，可以在首尾艙壓載來減小中垂彎矩；中拱時，可以在船中壓載減小中拱彎矩。

3.壓載艙和排水泵的結合

將壓載艙和排水泵結合使用，既可以減少船舶的進水量，也可以改善船舶的浮態、穩性和強度，避免船舶發生傾覆、斷裂或沉沒。為船舶的堵漏或搶灘爭取更多的時間，最大程度上保證人員和船舶的安全。

四、結語

本文主要對船舶破損時的安全性進行研究分析，通過對船舶進水速度、穩性、浮性和強度四個方面的研究，對船舶的安全性進行評估分析，及時了解本船的狀態。破口距水線的高度及其大小影響著船舶達到平衡的時間，在船舶破損后，應及時估算船舶達到危險的時刻，根據情況確定最佳的施救措施。

參考文獻

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