彎道航行時集裝箱側翻落水事故防范

陳志飚，朱顯玲，張帆，侯超

(1.中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022;2.武漢船舶職業技術學院，武漢 430050;3.中國船級社重慶分社，重慶 401121)

2017年8月28日，某集裝箱船下行至長江干線長壽水域，在彎道航行時發生集裝箱落水事故[1]。根據調查結果，本次事故主要原因[2]是船員操作失誤，在彎道航行時引航操作不當致使船舶駛入泡漩，之后又未能及時減速和正確操舵，最終造成船體傾斜、綁繩(綁扎鋼絲繩)崩斷，船上載運的24個集裝箱落水。為了預防再次發生類似事故，收集該事故的數據資料，分析事故的力學機理和影響因素，提出改進和防范措施。

1 事故過程

事發時船舶處于夜航下行狀態，航速較快(24 km/h)，集裝箱落水過程可簡化為3個階段。

1)船舶左轉，舷外水漫上甲板，見圖1a)。

2)漫上甲板的舷外水持續增多，淹至貨艙艙口圍板根部，集裝箱相對船體右傾，集裝箱綁繩繃緊，見圖1b)。

3)集裝箱右傾加劇，最終側翻落水(見圖1c))，從落水后的綁繩狀態(見圖1d))可推知，綁繩在落水前已經崩斷。

圖1 右舷集裝箱落水過程截圖及示意(截圖來自右舷看向尾的監控視頻，示意圖為尾視圖)

此外，根據貨艙內未進水這一事后檢查結果可知，事故中舷外水并未淹沒貨艙艙口圍板。

2 力學分析

2.1 事故時的力學模型

該船為典型的內河集裝箱船，集裝箱系固采取整垛八字綁扎[3](見圖1b)和圖2)，左右舷綁繩緊貼最外側延伸至頂部，即規范[4]中規定的頂部交叉綁扎。以最先側翻的集裝箱行(即BAY，圖1a)和1b)中綁繩所在位置)作為研究對象，所有集裝箱為40 FEU，積載情況見圖2，圖中數字為單箱質量，t。

圖2 落水集裝箱堆垛的積載與綁扎

不同于碼頭堆裝時集裝箱側翻落水[5]，針對船舶彎道航行中集裝箱相對于船體開始側傾的瞬間，建立力學分析模型，見圖3。

圖3 落水集裝箱堆垛的力學模型

1)集裝箱與船舶一起右傾，對地的傾角與船舶傾角θ0相同。

2)船舶急速左轉，集裝箱承受離心慣性力，離心加速度ar。

3)集裝箱承受重力，重力加速度g。

4)據船首監控錄像，事發時風平浪靜，因此忽略風浪等引起的船舶運動影響。

5)各列集裝箱之間頂層有橋鎖連接，列間存在相互作用力，整行視為一體，由綁繩提供拉力T抵抗集裝箱堆垛右傾，綁繩從右側頂層集裝箱橫穿左側頂層集裝箱最后連接至左舷艙口，左舷側部分的綁繩與船舶基平面夾角α。

2.2 側翻堆垛的受力分析

為防止集裝箱側翻落水，需要防止綁繩崩斷，而綁繩崩斷意味著其承受的負荷(拉力)大于本身的許用負荷。因此，需要分析確定集裝箱側翻時綁繩承受的拉力。

如圖3所示，假定綁繩不會崩斷，則該行集裝箱堆垛首尾兩端的綁繩拉力T產生的抵抗力矩等于集裝箱堆垛的側傾力矩，即：

2TH0cosα=∑Mi

(1)

式中：H0、α見圖3，按實船作圖測量得13.095 m和87.5°；Mi為堆垛中單個集裝箱的側傾力矩。

Mi=Gi(gsinθ0+arcosθ0)hi-

(2)

集裝箱層間未使用扭鎖，下層箱不會給上層箱提供拉力以幫助上層抵抗側傾，因此取Mi≥0；Gi為單個集裝箱箱重(質量)；hi為集裝箱中心至艙底的垂直距離，從積載圖上測量；b為集裝箱寬度，取2.438 m；θ0為圖3所示橫傾角，具體數值未知；g為重力加速度，取9.81 m/s2；ar為離心加速度。

(3)

其中：Vm為轉彎航速，按事故資料取24 km/h；R為轉彎半徑，按該船試航資料取127.6 m。

依據式(1)，T為

(4)

分析式(4)(2)(3)可知，為計算確定綁繩拉力T，尚需確定橫傾角θ0的具體數值。

2.3 側傾時橫傾角的確定

該事故船型深5.2 m，型寬17.2 m，貨艙寬12.7 m，甲板梁拱0.2 m，圍板頂緣距基線6.2 m，事發時船舶吃水為3.9 m，舷外水漫過了主甲板，超過了艙口圍板根部，但貨艙尚未進水(未超過艙口圍板頂緣)，據此可測算得船舶橫傾角處于12.3°～19.9°之間，見圖4。

圖4 橫傾角測算圖(單位:m)

因為無法觀測到舷外水的具體位置，所以無法測算船舶橫傾角的準確值，本文分析計算時取θ0=12.3°，此時計算所得的綁索拉力為最小值。

2.4 綁繩拉力計算與崩斷判定

將集裝箱箱重(見圖2)和測算所得橫傾角θ0等參數代入式(2)，可得單個集裝箱的側傾力矩，見表1，與圖2對應。表1中正值表示如無綁繩拉力約束則會發生側傾，負值則相反。

表1 單個集裝箱側傾力矩Mi kN·m

根據式(4)計算得T≥4 484 kN。在實際計算過程中按前述Mi的取值規則取為0。

該船采用的綁扎鋼絲繩直徑為15 mm，其破斷負荷為127～160 kN(具體取決于鋼絲繩結構和抗拉強度，這些參數現已無法確定)，遠小于實際承受的拉力4 484 kN，因此必然會崩斷。

3 改進措施

為防止綁繩崩斷導致集裝箱落水，總體上可以從兩方面著手：①降低綁繩承受的負荷(拉力)；②提高綁繩本身的許用負荷。具體可采取如下4種措施。

3.1 綁扎方式優化

分析圖3所示的力學模型和式(4)可見，綁繩拉力T與綁繩夾角α關系非常大，當α=90°時T為無窮大，而當α=0°時T達到極小值。因此，可以通過優化綁扎方式，盡可能降低綁繩夾角α，從而降低綁繩拉力T。具體做法為：將綁繩的八字形綁扎方式修改為端面交叉綁扎，見圖5a)。對于存在空缺箱位的情況，需特別對待，見圖5b)和圖5c)。

圖5 改進后的綁扎系固方式

此外，考慮到內河集裝箱船積載時集裝箱行與行的間距非常小，由于操作空間不足等原因，手動扭鎖通常難以實施鎖閉操作，集裝箱列的層與層之間垂向連接有效性難以保證。因此，在最外側布置額外的垂向綁繩(見圖5)，主要用于確保最外側集裝箱列的層與層之間不會分離。

假設本船采用了改進后的綁扎方式，則對于前面分析的集裝箱堆垛，綁繩夾角α將從87.5°降低到31.6°，綁繩拉力T將從4 484 kN降低到230 kN，降低幅度超過94.8%。

3.2 駕駛行為優化

再次分析式(4)、(2)和(3)可知：當減少船舶橫傾角θ0、降低航速Vm、增大轉彎半徑R，也能降低綁繩拉力T。3個參數中，控制轉彎時的船舶橫傾角θ0最為有效。以前面分析的集裝箱堆垛為例，若能將橫傾角θ0從12.3°降至8°(根據前文橫傾角測算方法，船舶主甲板入水時對應橫傾角為8.6°)，則T將從4 484 kN降低到1 716 kN，若同時采用改進后的交叉綁扎，則T將能降低到88 kN，降低幅度超過98%。

因此，可以考慮在船舶出港前，針對當時的積載狀態和綁扎方式，先計算確定一個轉彎時的最大允許橫傾角θ0max，具體做法為：以全速回航為假想狀態(航速和回轉半徑R已知)，將綁繩(鋼絲繩)的許用負荷作為其最大允許拉力Tmax，然后通過取不同的橫傾角θ0代入式(2)、(3)和(4)進行迭代計算，使得綁繩計算拉力T盡可能接近但不大于Tmax，此時所得橫傾角即為轉彎時的最大允許橫傾角θ0max，若該值大于主甲板入水時的橫傾角則取甲板入水橫傾角。

船舶航行過程中，駕駛人員需將計算確定的最大允許橫傾角θ0max作為彎道航行時船舶橫傾角的最大限值，并實時優化駕駛行為(如調整舵角和主機轉速等)，使船舶實際橫傾角不超過該限值，以此確保綁繩不致于承受過大的拉力而崩斷。

3.3 積載布置優化

進一步分析式(4)和(2)可知，同樣質量的集裝箱，當其位于上層時hi較大，傾側力矩Mi較大，這意味著需要綁繩提供的拉力更大。因此，集裝箱在積載布置時，應盡可能將重箱放在下層，即應符合“下重上輕”的基本原則，此舉也是降低綁繩拉力的重要措施。

分析圖2中各集裝箱的質量分布，發現重箱大多分布在上層，這也是導致綁繩崩斷的一個重要因素。若依次采取上述降低綁繩拉力的改進措施，即先將八字綁扎改為端面交叉綁扎，再限制轉彎時船舶橫傾角不大于8°，最后按“下重上輕”的原則調整集裝箱積載布置，則綁繩拉力T可從4 484 kN降至34 kN，降幅超過99.2%。

3.4 綁繩強化

即選用直徑更大和強度更高的綁繩，此舉旨在提高綁繩的許用負荷。許用負荷一般以安全工作負荷表達，取值等于最小破斷負荷除以安全系數(船舶規范中一般取3)。因此，所選用的綁扎鋼絲繩，其最小破斷負荷應至少大于3倍的綁繩拉力T。

對于前面分析的集裝箱堆垛，在綜合采取綁扎方式優化、駕駛行為優化和積載布置優化措施之后，其綁繩拉力降至34 kN，則選取的鋼絲繩的最小破斷負荷應不小于108 kN。

根據鋼絲繩標準[6-7]選用直徑18 mm、抗拉強度1 870 MPa、結構6×7+FC的纖維芯鋼絲繩(因其柔韌性優于鋼芯鋼絲繩而更受歡迎)，其最小破斷負荷為201 kN(鋼芯鋼絲繩為218 kN)，是需求的最小破斷負荷的1.86倍，是綁繩拉力的5.58倍，足以避免在彎道航行時崩斷。

4 結論

1)改進綁扎方式，將八字形綁扎修改為端面交叉綁扎，并在最外側布置額外的垂向綁繩以防層間分離，以此降低綁繩所需承受的拉力；對于最外側和中間列存在空缺箱位的特殊情況，也給出了對應的解決方案；

2)優化駕駛行為，出港前根據積載狀態和綁扎方式，計算確定船舶轉彎允許的最大橫傾角，并通過調整舵角和主機轉速確保轉彎時實船橫傾角不超過該限值，以此降低綁繩所需承受的拉力；

3)優化積載布置，確保其符合“下重上輕”的基本原則，以此降低綁繩所需承受的拉力；

4)強化綁繩，選用直徑更大和強度更高的鋼絲繩，以提高綁繩的許用負荷。

綜合采取上述4項改進措施，將可使綁繩所需承受的拉力小于其許用負荷，從而有效防止綁繩崩斷所導致的集裝箱落水。

更智能的解決方案是：船舶積載前獲取準確箱重，利用船載裝載儀計算確定配載與綁扎系固方案，以及彎道航行等各種狀態下的船舶限制橫傾角；實船航行時實時比對船載數字化傾角儀對應的橫傾角，并在分析研判船舶運動狀態后向駕駛人員告警；甚至可以通過智能技術應用為駕駛人員推薦最佳的舵角、主機轉速等，最終實現在限制船舶橫傾角條件下的船舶自主航行。

由于事發時風平浪靜，所以沒有計及風浪造成的船舶運動影響，在實船設計與營運中尚應對這一因素進行考量。