青海省黃河通航水域旅游船的完整穩性評估與改進

孫艷兵， 李俊敏， 李鈴杰

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

0 引 言

青海省黃河通航水域“一河一湖”和高原湖泊航運工程建設，推動了青海省旅游業和交通運輸業的發展，青海內河旅游市場需求旺盛?，F有內河旅游船在遭遇突風或惡劣氣象時，災難事故時有發生[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罕見的強對流天氣翻沉，造成442人死亡的特大災難性事件[2]；2016年6月4日，四川廣元白龍湖景區“雙龍”號旅游觀光船因突遇強烈陣風翻沉，造成15人遇難的重大災難性事件[3]。因此，國家在2016年重新對《內河船舶法定檢驗技術規則》中有關船舶完整穩性的內容進行修訂。隨著內河船舶規范開展新的穩性法規實施，很有必要對現有青海省旅游船型開展穩性評估并有針對性地提出改進方案。

1 船舶穩性概述

1.1 完整穩性定義

完整穩性是指船舶未破損時受外力作用發生傾斜而不至傾覆，當外力作用消失后，船舶仍能回復到原平衡位置的能力[4]。

1.2 穩性衡準要求

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

1.2.1 新規范(2016)修訂的穩性計算公式

(1) 風壓傾側力矩Mf或力臂lf為

Mf=Cp·p·Af·(Zf-a0·d)×10-3

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Cp為風壓修正因數，取Cp=1.3；p為單位計算風壓，Pa；Af為所核算裝載情況下船舶的受風面積，m2；Zf為所核算裝載情況下船舶受風面積中心至基線的垂向高度,m；a0為修正因數；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) 客船突風風壓傾側力矩Mf0或力臂lf0為

Mf0=p0·Af·(Zf-d)×10-3

(3)

(4)

式(3)和式(4)中:p0為單位計算突風風壓， Pa，

1.2.2 新規范(2016)修訂的穩性衡準數計算公式

穩性衡準數K[5]是對船舶穩性重要的基本要求之一。

(1) 航行于A級或B級航區的船舶，其風壓穩性衡準數Kf應符合

(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) 客船應滿足遇突風襲擊時的穩性衡準要求，突風穩性衡準數Kf0應符合

(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 現有典型旅游船穩性分析

2.1 典型船舶船型要素

根據青海省黃河通航水域航運條件及未來水運市場發展趨勢，綜合考慮航運限制條件、船型技術經濟性和航行安全性，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建模軟件進行船舶建模，然后利用建模軟件進行船舶完整穩性計算。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，需根據船舶現有資料在滿載出港、滿載到港、空載出港和空載到港等4種工況下進行穩性計算和分析，得到船舶完整穩性計算結果。

2.3 新規范下的船舶完整穩性計算與分析

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種工況下的完整穩性計算結果如表2所示。

表2 典型旅游船4種工況下的完整穩性

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艘船舶的完整穩性符合《內河船舶法定檢驗規則(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數為0.419，距最小集舷靜傾角衡準數的差距較大，建議禁航，停止營運。

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

3 SX600觀光艇穩性改進方案

3.1 單因素下SX600觀光艇穩性改進方案

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

(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，計算旅游船在滿載工況下的完整穩性，如表3所示。

表3 滿載工況下減少乘客人數時船舶穩性衡準數

由表3可知：隨著旅游船乘客人數的減少，滿載工況下的急流穩性衡準數、回航靜傾角衡準數和集舷靜傾角衡準數逐漸增加；當乘客減少3人時，船舶穩性衡準數都大于1。因此，當乘客減少3人時，旅游船的完整穩性滿足新規范的要求。

(2) 在不改變船舶主尺度、乘客人數、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性，如表4所示。

表4 滿載工況下降低航速時船舶穩性衡準數

由表4可知：隨著船舶航速降低，回航靜傾角衡準數逐漸增大；在航速為17.3 km/h時，回航靜傾角衡準數大于1，但是其他穩性衡準數并未變化。因此，僅降低航速不能改進船舶完整穩性。

(3) 在不改變船舶主尺度、乘客人數、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性，如表5所示。

表5 滿載工況下增加船舶自重時船舶穩性衡準數

由表5可知：隨著船舶自重增加，急流穩性衡準數和回航靜傾角衡準數逐漸增加，復原力臂面積曲線衡準數逐漸減?。划敶白灾卦黾又?.29 t時，急流穩性衡準數為0.878(小于1)，復原力臂面積曲線衡準數為1；當船舶自重增加至1.70 t時，急流穩性衡準數為0.907(小于1)，復原力臂面積曲線衡準數為0.750(小于1)，不能同時滿足急流穩性衡準數和復原力臂面積曲線衡準數都大于等于1的要求，船舶的完整穩性不滿足新規范的要求。因此，僅增加船舶自重不能改進船舶完整穩性。

綜上所述，基于船舶完整穩性衡準數的計算，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性滿足新規范的要求；增加船舶自重提升回航靜傾角衡準數和集舷靜傾角衡準數效果顯著，降低航速僅能提升回航靜傾角衡準數?？傮w而言，船舶穩性改進影響程度的效果依次是：減少乘客人數>增加船舶自重>降低航速。

3.2 多因素下SX600觀光艇穩性改進方案

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

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、增加船舶自重的組合改進方案，計算典型船舶在滿載工況下的完整穩性，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性衡準數

SX600觀光艇在減少2名乘客并增加船舶自重時，船舶急流穩性衡準數、回航靜傾角衡準數和集舷靜傾角衡準數逐漸增加；當船舶自重增加至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，并且船舶急流穩性衡準數、回航靜傾角衡準數和集舷靜傾角衡準數都大于1，滿足新規范對旅游船完整穩性的要求。

綜上所述：基于船舶完整穩性衡準數的計算，由于改變航速只能提升回航靜傾角衡準數，不能完全改進船舶完整穩性，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可使船舶完整穩性滿足新規范的要求。

3.3 SX600觀光艇穩性改進方案

從第3.1節和第3.2節的分析可知：在不改變船舶主尺度的基礎上，減少3名乘客或減少2名乘客并增加船舶自重至1.15 t的兩種改進方案均可使其滿足新規范的完整穩性要求。

在盡可能不引起船舶重心變化的前提下，使船舶完整穩性滿足新規范要求，能夠繼續營運，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，根據船舶實際布置情況撤掉3個乘客座椅。

4 結 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觀光艇的完整穩性在最新內河規范的要求下提出的技術改進方案可為同類船型的改進提供借鑒和指導。