(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津 300350)

一、前言

穩(wěn)性是船舶最重要的性能之一，它直接影響到船舶的航行安全。穩(wěn)性不足會(huì)導(dǎo)致船舶傾覆；穩(wěn)性過大，又會(huì)使船舶在風(fēng)浪中劇烈搖蕩，影響船上儀器設(shè)備正常工作、船體強(qiáng)度和船員的舒適性、引起船上貨物移位和損壞，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)導(dǎo)致船舶傾覆。所以，任何時(shí)候都應(yīng)當(dāng)保證船舶具有適度的穩(wěn)性。因此，關(guān)于船舶穩(wěn)性的探討已成為一個(gè)備受關(guān)注的課題。

(一)船舶穩(wěn)性的定義及分類

船舶穩(wěn)性是指船舶受給定的外力作用后發(fā)生傾側(cè)而不致傾覆，當(dāng)外力消失后仍能回復(fù)到原來的平衡位置的能力。船舶穩(wěn)性根據(jù)不同的分類方法有不同的命名，如：按船舶傾斜方向分類，可分為橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性，橫穩(wěn)性指船舶繞縱向軸(x軸)橫傾時(shí)的穩(wěn)性，縱穩(wěn)性指船舶繞橫向軸(y軸)縱傾時(shí)的穩(wěn)性。由于縱穩(wěn)性力矩遠(yuǎn)大于橫穩(wěn)性力矩，故實(shí)際營運(yùn)中不可能因縱穩(wěn)性不足而導(dǎo)致船舶傾覆；按傾角大小分類，可分為初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性，初穩(wěn)性(小傾角穩(wěn)性)指船舶微傾時(shí)所具有的穩(wěn)性，微傾在實(shí)際營運(yùn)中將傾斜角擴(kuò)大至10°～15°；大傾角穩(wěn)性指當(dāng)傾角大于10°～15°時(shí)的穩(wěn)性；按作用力矩的性質(zhì)分類，可分為靜穩(wěn)性和動(dòng)穩(wěn)性，靜穩(wěn)性指船舶在傾斜過程中不計(jì)及角加速度和慣性矩時(shí)的穩(wěn)性，動(dòng)穩(wěn)性指船舶在傾斜過程中計(jì)及角加速度和慣性矩時(shí)的穩(wěn)性；按船艙是否進(jìn)水分類，可分成完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，船體在完整狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)性稱為完整穩(wěn)性，而船體破艙進(jìn)水后所具有的穩(wěn)性則稱為破艙穩(wěn)性。

(二)船舶穩(wěn)性影響因素

船舶穩(wěn)性的影響因素有很多，主要包括貨物垂移、貨物懸掛、自由液面等,如：當(dāng)貨物上移時(shí)，重心也上移，初穩(wěn)性高度減小；在船舶傾斜的過程中會(huì)對(duì)船的穩(wěn)性產(chǎn)生不利的影響，使船的穩(wěn)性降低；自由液面流動(dòng)變形使液體體積的形狀發(fā)生變化，引起重心向傾斜的一側(cè)移動(dòng)，因而產(chǎn)生一傾斜力矩，使船的穩(wěn)性降低。

二、船舶穩(wěn)性的校核與檢驗(yàn)

(一)船舶穩(wěn)性的校核

穩(wěn)性過大或過小都對(duì)船舶安全生產(chǎn)帶來危險(xiǎn)，因此在營運(yùn)過程中，船舶應(yīng)具有適度的穩(wěn)性范圍。在確定穩(wěn)性高度時(shí)，船舶最小初穩(wěn)性高度GMmin應(yīng)根據(jù)穩(wěn)性規(guī)則要求來確定，通常取最小許用初穩(wěn)性高度GMC為最小初穩(wěn)性高度；而船舶最大初穩(wěn)性高度GMmax應(yīng)根據(jù)船舶橫搖周期要求來確定，通常認(rèn)為船舶自由橫搖周期不應(yīng)小于9 s，因此可取船舶自由橫搖周期為9 s時(shí)的初穩(wěn)性高度為最大初穩(wěn)性高度。有觀點(diǎn)認(rèn)為，橫搖周期為15 s左右對(duì)應(yīng)的初穩(wěn)性高度是比較理想的。因此，船舶穩(wěn)性校核包括對(duì)穩(wěn)性最低要求的校核和對(duì)船舶橫搖周期的校核兩方面。

1. 對(duì)穩(wěn)性最低要求的校核

穩(wěn)性最低要求是指船舶剛好滿足穩(wěn)性規(guī)則的全部要求。校核時(shí)應(yīng)先仔細(xì)評(píng)價(jià)整個(gè)航次中包括在港裝卸、離港、航行中、到港裝卸等所有裝載狀態(tài)，從中找出穩(wěn)性最不利的裝載狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)性校核。校核方法通常有以下三種：

(1)利用基本裝載狀態(tài)穩(wěn)性計(jì)算資料進(jìn)行比較

為了便于駕駛?cè)藛T掌握船舶穩(wěn)性狀況，船舶設(shè)計(jì)或建造部門交船時(shí)必須提供一本符合《法定規(guī)則》要求并經(jīng)船級(jí)社核準(zhǔn)的船舶《穩(wěn)性報(bào)告書》。報(bào)告書中提供了本船各種穩(wěn)性計(jì)算資料，包括“基本裝載狀態(tài)下穩(wěn)性總結(jié)表”。如果須校核的裝載狀態(tài)與“基本裝載狀態(tài)下穩(wěn)性總結(jié)表”中給出的某一種基本狀態(tài)相同或更好，則可不必再做該裝載狀態(tài)的穩(wěn)性校核。

(2)利用許用重心高度曲線或最小許用初穩(wěn)性高度曲線核算

如船舶資料中提供有“許用重心高度KGC曲線或最小許用初穩(wěn)性高度GMC曲線”，則校核方法如下：首先，根據(jù)船舶裝載狀態(tài)計(jì)算出經(jīng)自由液面影響修正的船舶重心高度KG或初穩(wěn)性高度GM；再次，在許用重心高度曲線或最小許用初穩(wěn)性高度曲線上查取與當(dāng)時(shí)排水量相應(yīng)的許用重心高度KGC或最小許用初穩(wěn)性高度GMC；最后判斷：如果KG ≤KGC或GM ≥GMC，則船舶穩(wěn)性符合《法定規(guī)則》各項(xiàng)穩(wěn)性要求，否則，穩(wěn)性不符合要求。

2.對(duì)船舶橫搖周期的校核

在校核船舶橫搖周期時(shí),我們應(yīng)首先對(duì)船舶最大初穩(wěn)性高度GMmax進(jìn)行計(jì)算，由IMO穩(wěn)性規(guī)則提供的船舶自由橫搖周期與初穩(wěn)性高度的關(guān)系式可以推出船舶最大初穩(wěn)性高度計(jì)算式(未經(jīng)自由液面影響修正)：

對(duì)于船長小于70 m的船舶：

對(duì)于其他船舶：

兩式中，f —— 橫搖周期系數(shù)，對(duì)于一般貨船，f = 0.7 ～ 0.8；

B —— 船舶型寬，m

Tθ—— 船舶自由橫搖周期，可取 9 s

C —— 系數(shù)，C = 0.3725 +0.0227(B/d)-0.0043(L/10)

通過上面的計(jì)算，我們可以進(jìn)行最終校核，如果船舶初穩(wěn)性高度GM小于最大初穩(wěn)性高度GMmax，則校核完成。

(二)船舶初穩(wěn)性高度的檢驗(yàn)

在穩(wěn)性校核中，可能因所引用的船舶資料的可靠性問題、計(jì)算過程的誤差問題等，使校核結(jié)果與船舶實(shí)際的穩(wěn)性狀況不一致。因此，駕駛?cè)藛T應(yīng)當(dāng)經(jīng)常對(duì)船舶初穩(wěn)性高度進(jìn)行實(shí)船檢驗(yàn)。具體的方法可采用：

1.自搖周期測(cè)量法

根據(jù)《法定規(guī)則》提供的船舶自由橫搖周期計(jì)算式：

式中，f —— 系數(shù)，由船寬吃水比B/d查有關(guān)資料；

B —— 船寬，m

KG —— 船舶重心高度，m

GM0—— 未經(jīng)自由液面影響修正的初穩(wěn)性高度，m

根據(jù)上式，將穩(wěn)性核算得到的KG、GM0等數(shù)據(jù)代入上式，可得Tθ計(jì)算值。

船舶停泊在平靜水中自由橫搖周期最接近船舶的自由橫搖周期。因此，可以讓若干水手左右舷來回跑幾次后停在中心線處，船舶開始做自由橫搖，用秒表連續(xù)測(cè)量橫搖5 ～10個(gè)周期的時(shí)間，其平均值即為實(shí)船的Tθ測(cè)量值。最后，我們進(jìn)行比較：若Tθ計(jì)算值與計(jì)算值相近，說明初穩(wěn)性高度計(jì)算可靠。要注意的是船舶在航行中，特別是在波浪中航行時(shí)測(cè)量的Tθ值的誤差較大，不宜采用。

2.傾斜試驗(yàn)法

傾斜試驗(yàn)是確定空船重心高度的法定方法，當(dāng)然也可以用來確定任一裝載狀態(tài)下船舶的重心高度。因?yàn)?，初穩(wěn)性高度GM的計(jì)算的可靠性取決于船舶重心高度的計(jì)算可靠性。

船舶正浮在平靜無風(fēng)的水域中，由吃水查靜水力曲線得排水量Δ，然后將少量載荷P(t)橫移Y (m)，在駕駛臺(tái)的傾斜儀上讀出船舶的橫傾角θ(°)，則船舶的初穩(wěn)性高度GM測(cè)量值由下式確定：

在確定了GM值后，我們要對(duì)其進(jìn)行比較，如果GM計(jì)算值與測(cè)量值相近，說明初穩(wěn)性高度計(jì)算可靠。

三、船舶穩(wěn)性的調(diào)整

(一)船舶穩(wěn)性調(diào)整的內(nèi)容

船舶穩(wěn)性合格的含義是指：首先，無初始橫傾角；再次，滿足穩(wěn)性規(guī)則對(duì)完整穩(wěn)性的最低要求，其中包括基本要求和特殊要求；最后，需滿足相應(yīng)各項(xiàng)要求，如自由橫搖周期大于9 s；后兩項(xiàng)要求都與初穩(wěn)性高度GM直接相關(guān)；船舶在港內(nèi)靠泊或錨泊時(shí)穩(wěn)性要求可適當(dāng)降低，但初始橫傾角通常應(yīng)限制在3°以內(nèi)；初穩(wěn)性高度GM應(yīng)大于0.15 m ；穩(wěn)性不合格的主要原因是配載不當(dāng)、油水不對(duì)稱消耗、貨物移動(dòng)等。

(二)船舶穩(wěn)性調(diào)整方法

1.船舶橫傾角的調(diào)整

假想船舶本來是正浮的，因配載不當(dāng)?shù)仍?，使少量載荷P“橫移”了距離Y，因而出現(xiàn)橫傾角θ。因此，將船舶調(diào)整回正浮狀態(tài)有以下二種方法：一種是橫移船內(nèi)載荷，將傾斜一側(cè)的少量載荷P橫向回移距離Y；另一種是裝卸少量載荷，而裝卸少量載荷最常見的方法是在邊壓載艙打排壓載水，即將傾斜一側(cè)橫向距中縱剖面距離Y處的少量載荷P卸載或在對(duì)稱一側(cè)橫向距中縱剖面距離Y處加裝少量載荷P。(參考圖如下，僅為示意圖)：

圖1

設(shè)調(diào)整前船舶排水量為Δ，初穩(wěn)性高度為GM 。無論是橫移船內(nèi)載荷還是裝卸載荷，其中少量載荷P均由下式計(jì)算：

我們要注意的是不論橫移或裝卸，只與橫移或裝卸的方向及P*Y乘積有關(guān)，而與起始位置、終了位置無關(guān)。另外，通過裝卸少量載荷調(diào)整橫傾至正浮，計(jì)算時(shí)不受排水量和初穩(wěn)性高度變化的影響，只與裝卸前的排水量和初穩(wěn)性高度有關(guān)；但如果是將橫傾從θ1調(diào)整為θ2，則計(jì)算時(shí)與裝卸后的排水量和初穩(wěn)性高度有關(guān)。最后要注意上式適用于小傾角范圍。

2.船舶初穩(wěn)性高度的調(diào)整

調(diào)整初穩(wěn)性高度GM主要是調(diào)整船舶重心高度KG，方法有垂向移動(dòng)船內(nèi)載荷和裝卸少量載荷兩種。

1.垂向移動(dòng)船內(nèi)載荷

在垂向移動(dòng)船內(nèi)載荷時(shí)，載荷上移，穩(wěn)性下降，反之，載荷下移，穩(wěn)性上升?？梢圆捎靡欢ǖ墓角笕?，設(shè)船舶排水量為Δ，移動(dòng)載荷前、后的初穩(wěn)性高度分別為GM和GM1，其變化量為δGM?，F(xiàn)將少量載荷P垂移，移距為Z 。則載荷與移距的乘積P*Z由下式計(jì)算：

P*Z = Δ*(GM1 -GM)= Δ*δGM

2.裝卸少量載荷

若少量載荷P裝卸前后，船舶初穩(wěn)性高度保持不變，則d +P/200TPC -ZP -GM = 0。換言之，若載荷P的裝卸高度ZP為：

ZP = d + P/200TPC -GM

則船舶初穩(wěn)性高度在裝卸前后將保持不變。因此，高度ZP所在平面稱為初穩(wěn)性高度界限面。由此可知：若在界限面之上裝載，初穩(wěn)性高度GM下降，之下裝載，GM上升；若在界限面之上卸載，初穩(wěn)性高度GM上升，之下卸載，GM下降。

初穩(wěn)性高度界限面一般在吃水線下方附近。采用裝卸少量載荷來調(diào)整初穩(wěn)性，通常是通過打排壓載水來實(shí)現(xiàn)。底壓載艙都在界限面之下，所以，打壓載水初穩(wěn)性上升，排壓載水初穩(wěn)性下降。應(yīng)注意作自由液面影響修正。

綜上所述，要想保持船舶有適度穩(wěn)性，在貨物裝配時(shí)，應(yīng)該合理配載。只有使配載后的船舶穩(wěn)性校核及檢驗(yàn)滿足有關(guān)法規(guī)的規(guī)定，才能確保船舶的安全生產(chǎn)運(yùn)輸。

參考文獻(xiàn)：

[1]田佰軍，薛滿福．船舶結(jié)構(gòu)與貨運(yùn)[M]．大連：大連海事大學(xué)出版社，2012．

[2]蔣維清．船舶原理[M]．大連：大連海事大學(xué)出版社，1998．