船舶穩性影響因素分析*

張 棘

（浙江交通職業技術學院 海運學院，浙江 杭州311112）

船舶穩性是指船舶受到傾斜力矩的作用會偏離其初始的平衡位置，當傾斜力矩消除之后，船舶具有能恢復到初始平衡位置的能力，這種能力就是船舶的穩性。船舶穩性是船舶抵御外力作用，達到安全航行目的的重要保障。影響船舶穩性的因素很多，除了船體主尺度設計的自身因素外，還有貨物裝載和移動時產生的傾斜力矩和風浪作用在船舶上所產生的外力作用，另外，旅客集中于某一舷側、拖船的急牽、自由液面、懸掛重物、火炮的發射以及船舶回轉等因素對穩性也有不利的影響，但其中貨物裝載方式不當是造成船舶穩性降低的主要因素。

1 船舶穩性的概述及分類

1.1 船舶穩性的概述

其中：KB為浮心高度[1]（或以浮心垂向坐標zB表示）為初穩心半徑（或稱橫穩心半徑）；KG為重心高度（或以重心垂線坐標zG表示）。

對于船舶穩性來說，穩性高也不是越大越好。穩性高過大時，船舶的復原周期會很小，船舶橫搖會比較厲害，船上的人員舒適度較差，容易引起暈船。貨物也會由于晃動或移位而產生毀壞，同時由于貨物的移位也會對船舶穩性有不利的影響。所以針對不同的船型，船舶的初穩性高都會有一個合理的范圍值。表1是不同類型船舶的參考橫穩性高。

表1 不同船型初穩性高參考表

1.2 船舶穩性按不同的研究方向分類

（1）按傾角大小分：當傾角小于10°～15°時為小傾角穩性或初穩性。當傾角大于10°～15°時成為大傾角穩性。

（2）按傾斜方向分：當船舶單純繞縱向軸x傾斜時的穩性稱為橫穩性[2]。當船舶單純繞橫向軸y傾斜時的穩性稱為縱穩性。

（3）按作用力矩的性質[3]分：當不計及作用力矩引發的船舶傾斜時產生的角加速度和慣性矩的穩性稱為靜穩性。相反，計及作用力矩引發的船舶傾斜時產生的角加速度和慣性矩的穩性稱為動穩性。

（4）按船艙狀態完整性分：船艙為完整狀態時的穩性稱為完整穩性。船艙破艙進水時的穩性稱為破艙穩性。

2 船舶穩性影響因素分析

2.1 貨物裝載對船舶穩性分析

船舶穩性與許多因素有關，除了船舶主尺度、空船重心高度位置、甲板上浪、船舶水下線型以及船舶甲板以上受風面積大小等因素以外，船舶裝載方式與船舶穩性也有緊密聯系。船造好了以后，船舶主尺度就是定值了，基本不會改變了，但船舶裝載卻是個變量，會隨船舶營運情況的不同而不同，因而導致船舶穩性也在發生變化。也可以說裝載情況是否得當直接影響到船舶穩性和船舶的安全。近年來，我國發生的幾起船舶翻沉重大事故除了天氣惡劣和人員操作不當等原因以外，船舶裝載不當導致的船舶失穩或船舶穩性不足也是造成事故的重要原因。

船舶裝載不當引起船舶穩性變差主要有三種情況。第一種情況是超載。船舶超載之后，吃水加大，儲備浮力變小，艙室進水角減小。第二種情況是貨物裝載位置偏高或在甲板上裝貨，同時又未做適當的壓載，因而造成船舶重心提高，船舶受風面積增大。第三種情況是貨物出港前未進行必要的綁扎而造成滑動或滾動，使船舶在航行過程中受外力傾斜進而又引起貨物的移位，再次增大了船舶的傾斜，形成惡性循環。

2.2 裝卸貨實船計算初穩性比較分析

2.2.1 船舶穩性計算步驟

在船上（x，y，z）位置裝載W貨物，船舶穩性計算如下：（1）先假定重量為W的貨物裝在A（坐標xF，0，z）處，則

（2）再將重量W的貨物自A（坐標xF，0，z）移至A1坐標x，y，z）處，則

船舶的橫傾角φ為：

船舶的縱傾角θ為：

2.2.2 實船計算穩性比較分析

某海船參數如下：船長L＝100m，船寬B＝16.0m，艏吃水dF＝3.75m，艉吃水dA＝4.45m，平均吃水dm=4.1m，排水Δ＝3400t，橫穩性高GM=0.76m，縱穩性高GML=101m，水線面面積AW=940m2，xF=-3.66m，現假設有一重量為W噸的貨物，要裝在重心坐標均在x＝3.5m，y＝3.5m，z＝7m的位置。

（1）通過計算比較隨W的改變船舶初穩性高和橫傾角的變化程度，詳見表2。

從表2可以看出，當貨物位置不變時，初穩性高GM隨貨物重量的增加呈近似線性遞減的趨勢。當貨物橫向位置y比較大時，橫傾角φ隨貨物重量的增加呈顯著增加的趨勢，因此裝貨時應十分重視貨物的位置是否得當，不應離船舶中心線過遠。

表2 船舶初穩性高和橫傾角隨W的變化值

（2）當W（設W=100t）為固定值時，通過計算比較隨橫坐標y的改變，船舶橫傾角的變化趨勢，詳見表3。

表3 橫傾角隨y的變化值

（3）通過計算比較當W（設W=100t）為固定值時，隨貨物重心垂向坐標z的改變，船舶初穩性高的改變程度，詳見表4。

表4 橫傾角隨GM的變化值

2.3 橫浪作用甲板水對船舶穩性影響分析

船舶在航行過程中會遇到風浪的作用，部分海水打到甲板上，這種現象稱為甲板上浪。甲板上浪的危害是很大的，比如淹濕或毀壞甲板上的貨物、損壞甲板上的設備等等。如果浪比較大，打到甲板上的速度比較快時還會引起船體的震動效應。甲板上浪根據方向不同，可以分為迎浪和橫浪，迎浪甲板水可視為左右舷水量對稱，所以不會對船舶橫穩性產生影響。當橫浪發生時，由于上浪水左右舷不對稱，會對船舶橫穩性產生一定的影響。

2.3.1 橫浪作用甲板水重量計算

當上浪速度不大時，可假設船體一側上浪以后上浪水為靜態，應用切片理論計算上浪水的重量和重心位置。在計算甲板上浪水對船舶穩性的影響時，可以靜態化處理的甲板上浪水，根據船舶少量裝卸貨時的穩性計算方法來計算甲板上浪水對船舶穩性的影響。

設每站距長為ΔL，第n站上浪水寬度為bn，第n+1站上浪水寬度值為bn+1，甲板上浪水平均高度為Δh，則可得出每站距甲板上浪水的總重量為:

其重心坐標為（xn，yn，zn）。

甲板總上浪水的重量W可疊加生成為：

其中：n+j為船舶的最大站號；j最小值為0，ω為海水的密度。

2.3.2 橫浪作用甲板水重心位置計算

設甲板水重心坐標為（x，y，z），則根據靜力學原理可知：

2.4 大貨量裝載對船舶穩性的影響分析

當船上裝卸的貨物重量超過排水量Δ的10%時，在計算船舶初穩性和浮態時就不能用前述有關公式來進行了。這是因為小貨量裝卸時，初穩性的計算公式推導過程中運用了很多近似假設，比如第一，船舶左右舷出水、入水等體積橫傾假設。第二，浮心移動時是假設以穩心為圓心，以穩心半徑為半徑[4]畫弧移動的。第三，在推導復原力矩時，把浮心移動曲線按直線處理，并做了直角三角形假設。而所有這些假設都是源于裝卸少量的貨物時，船舶橫傾角很小，吃水的改變量較小，新水線與原來水線面的面積、漂心位置改變不大，可以假設兩個水線面面積近似重疊。

但當裝卸貨物量較大，大于排水量的10%時，船舶吃水的改變量也比較大，上述所作的三個假設就都不成立了。新水線面和原水線面的面積及漂心位置都發生了較大的改變，所以再用小貨量裝卸時的穩性及浮態計算公式就不準確了。

因此，當裝卸貨量大于排水量的10%時，可以根據船舶靜水力曲線圖中有關資料進行計算，大體有三步：

第一步確定裝載后船舶重心位置

第二步計算新的初穩性高

第三步計算橫傾角

3 其他影響因素分析

3.1 自由液面對船舶穩性的影響

自由液面指的是可以自由流動的液面，船上的很多液體，如淡水艙、燃油艙、壓載水艙等艙柜，如果艙柜里的液體沒有裝滿就會形成自由液面。淡水和燃油都是易耗品，隨著船舶航行的時間推移，原來裝滿的淡水艙和燃油艙在消耗一段時間后就會形成自由液面。自由液面會隨著船舶的傾斜而流動，最終液面保持與水面平行。液體的流動會使液體形狀發生改變，液體的重心移向船舶傾斜的一側，從而產生與復原力矩反向的傾斜力矩，其最終結果就是降低船舶的穩性。

自由液面的存在降低了船舶的初穩性。如果自由液面的面積很大，也可能使船失掉初穩性。為了減小自由液面對初穩性的不利影響，最有效的辦法是在船內設置縱向艙壁。雖然設置縱向艙壁是減小自由液面非常有效的辦法，但縱向艙壁設置不當也會給船舶性能帶來不利影響。比如縱向艙壁設置過多會加大船舶重量、帶來作業操作的不便、船體內有效空間利用率低等問題。

3.2 懸掛重物對船舶穩性的影響

船舶的懸掛重物包括懸掛未固定的救生艇、用吊桿起貨，以及未加固定的懸掛重量等。在船舶發生傾斜時，它們對穩性均會產生不利影響，因此船舶在航行過程中要盡量收回吊桿以及吊桿上的懸掛物，減少懸掛重物對船舶穩性的影響。

3.3 船寬對船舶穩性的影響

在船舶主尺度中，船寬是影響船舶穩性的量值之一，從穩性要求看，船寬增大對提高船舶的穩性有顯著的效果[5]。船寬增大以后，橫穩心半徑BM增大，而船舶重心垂向位置到基線的距離KG沒改變的情況下，橫穩心高GM就增加。由于船寬對船舶穩性的影響相對較大，所以在造船規范中會有航海界根據經驗，并以橫搖周期不小于9s為限所提出的初穩性高與船寬的比值GM/B值參考數據，具體如表5。

表5 GM/B值參考數據

4 結論

船舶穩性影響因素很多，但其中船舶裝載不當引起的船舶穩性不足或失穩現象帶來的危險性是很大的，多次事故分析表明，船舶從發生險情到沉沒時間間距很小，可能只有短短幾分鐘的時間，船上人員來不及自救，船上救生設備來不及啟用船就沉沒了。因此船舶的裝載與穩性，特別是中小型船舶，因其抗沉性較小，更應該引起重視。建議在船舶的運營過程中應注意以下幾點：

（1）嚴格按船舶檢驗證書上核定的參考載重量或核定乘客定額進行裝貨或載客，以確保船舶有足夠的儲備浮力、穩性和抗沉性。

（2）對易滑動的貨物在開航前要進行牢固的綁扎，防止船舶航行過程中因貨物滑動或移位造成船舶傾斜，對船舶穩性和浮態產生不利的影響。

（3）裝載貨物時應注意盡量降低船舶重心的高度，或適當壓載。同時，貨物不要過遠地離開船舶中心線位置，以避免產生過大的傾斜力矩，要確保船舶穩性能達到規范要求。