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从“东方之星”倾覆浅谈船舶的稳定性
    时间:2015-6-10     点击率:21190

从“东方之星”倾覆浅谈船舶的稳定性 

丁雁生 

201561日“东方之星”倾覆,把船舶稳定性问题严峻地摆在我们面前。船舶的稳定性是船舶在可预见的作用下不会倾覆,倾侧力消失后能恢复到正常状态的能力。

人们通常称船舶的质量中心为重心(这里用符号P表示)。漂在水里时,船舶有一个浮力中心,人们则称之为浮心(这里用符号Q表示)。重力作用于重心,沿铅垂线向下;浮力作用于浮心,沿铅垂线向上;两者大小相等。

力学知识告诉我们,如果重心P位于浮心Q的下方,船体倾侧后,浮力对重心的力矩一定会使船体回复到平衡状态。因此,重心低于浮力的船舶是稳定平衡的。对于重心P在浮心Q上方的船舶,在规定条件下可以实现相对稳定的平衡,背离该规定条件就会失稳。

据笔者近几日了解的情况,江轮“东方之星”的重心在浮心上面,业内人士形容它“上重下轻”,所以它的稳定是有附带条件的。

下面结合“东方之星”来讨论船舶的重心P位置高于浮心Q位置时的平衡问题。

先要明确几个概念。(1)漂浮在水面的船舶,由于风和浪的作用,通常处于摇摆状态。摇摆的幅度与浪的波长和波幅正相关。对于长度远大于波长的船,主要是左右摇摆¾¾横摇。当波长远小于船宽时,船舶基本不摇摆。(2)船舶的抗风能力与船舶承受的风力有关,风力与风速的平方、船体迎风面积成正比。抗风能力还与船体顺风方向的尺度相关:迎风或背风时,船舶的迎风面积最小,顺风向的尺度最大,抗风能力最强;侧风时,船舶迎风面积最大,顺风向的尺度最小,抗风能力最弱。(3)船舶横摇时,其排水量不变,但是浮力中心的位置在不断改变,而重心是否变化则取决于船上物体是否移动。如果物体固定在船体上不动,那重心便不会改变;若船上的物体可能移动,那重心便可能改变。当重心和浮心不在一条垂线时,浮力对重心的力矩,使船体发生与横摇反向或同向的旋转。如果发生同向旋转,可能导致船体倾覆。(4)船底是不透水的,船舶甲板以上部分不一定对水密封,通常内河船舶甲板以上的舱室只档风雨,不水密。正常条件下不允许船体摇摆到船舱进水,进水意味着船舶遭遇沉没的威胁。

东方之星船长76.5米,型宽(即设计水线面的宽度)11米,型深(即船底到甲板的尺度)3.1米,吃水深度2.5米左右,排水量可达2200吨(76.5m´11 m´2.5 m =2104m3)。甲板上有四层舱室。从照片估计,甲板以上的船体高约12米,加上型深,船主体的高度约15米(不计顶棚上面的结构物);甲板以上船体宽度约12米,略大于型宽。据此,将船体横截面简化如下图所示,a为高度,b为船体总宽,c为型深,d为吃水深。图中h为重心P到船底的距离,q为船体倾角(船体中心线相对于铅垂线的夹角)。正常航行时船舶处于平衡状态(参见下图情况1)。在航行中受到风浪作用发生横摇,假定在某一时刻船体向右倾斜。如果船上的物体不移动,重心P的位置就不会有变化。由于左侧一部分船体露出水面,右侧同样体积的船体浸入水中,因此浮心Q向右移动(参见下图情况234)。现具体说明如下。

 

情况1重心P(红色圆点)与浮心Q(绿色圆点)在同一条铅垂线时,船体正直,处于平衡态。梯形ABCD表示被淹没部分的船体。

情况2船体右倾,淹没部分ABCD的面积与情况1相等。如果重心比较低,或者船身比较宽,浮心向右移动就相对比较大,浮力作用线就会移到重力作用线的右侧。这时候,浮力对重心的力矩会使船体回复到正常状态。由于型深c与吃水深d仅差0.6米,型宽11米而船宽约12米,可以估算出允许的最大摆角qcr6度上下。

情况3浮心类似于情况2,但是向右吹的风使船向右倒,摆角q大于qcr,右舷开始进水,淹没部分ABCD的面积可能比情况1大。若浮力矩不能抵御风力矩,这时船体继续右倾。持续的右倾将导致船体倾覆。

情况4右舷开始大量进水,淹没部分ABCD的面积比情况1大。浮力向右移动相对较小,浮力作用线在重力作用线的左侧。这时候,浮力对重心的力矩会继续使船体向右倾斜,船体也将发生倾覆。

后面三种情况中,前一种是稳定的,后两种是不稳定的。如果船上物体未固定,顺势滑移,将使后两种情况更容易发生。“东方之星”遭遇的正是情况3,在狂风中急转掉头导致侧倾并且侧面迎风,要害是它的重心P过高,只能抗8~10级风。

说到急转掉头,还需要补充说明船舶在行进中转弯的现象。通常,船舶沿纵轴前行,转弯时船体底部受水阻滞而船体上部因惯性继续向前,造成船体向前进方向侧倾。因此,上部高大的轮船不宜在高速前进中急转弯。东方之星在狂风大雨中右舷潲雨,船体向左倾斜,左转弯可以纠正这一倾斜,不料矫枉过正,反而发生右倾,而转向180度的船体在狂风之中更加右倾,浮力矩加风力矩使船体加速倾覆。

因此,为了使船舶具有良好的稳定性,要设法增加船体的型宽,并且尽可能降低船舶的重心位置。值得注意的是,类似“东方之星”的游轮还有多少?为了提高这类船舶的抗风能力和误操作时的安全裕度,是否应当把高层的客舱拆除?