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冯振玉:国内航区气象衡准探讨(Z.2015.12)

新闻来源:中国船检    浏览量:1251 冯振玉 2017-08-02
        对于船舶完整稳性的计算,在《国内航行海船法定检验技术规则》(以下简称《国内规则》)中有稳性衡准数K的校核,在《2008年国际完整稳性规则》(以下简称《IS规则》)中有气象衡准数K的校核。两部规则对K值的命名不同,正确地说,应叫气象衡准数。因为稳性衡准的参数诸多,它只是其中之一,且与气象条件密切相关。K值大小的决定因素是风压,风压的大小取决于风速,而决定风速大小的又是风级。故气象衡准数的大小,实质上就是反映船舶抵抗自然风级的能力。一般称K=1时为临界气象衡准,此时的抗风能力为气象衡准的最低要求。
        两部规则对气象衡准要求的形式不同,对船舶抗风能力的标准也不同。相对而言,在切合实际方面,《IS规则》的标准要优于《国内规则》的标准。现具体分析如下:
        气象预报中风级与风速的关系
        船舶的抗风能力,应针对气象预报的风级。气象预报是以海平面之上10m高处的平均风速为准,按蒲氏风级进行预报。其风级N、风速V和风压P之间存在着下述关系:
        N级风时的平均风速:V=0.836 N1.5(m/s) ……(1)
        风压与风速的关系:P=0.7356 V2(Pa) ……(2)
        或V=(P/0.7356)0.5(m/s)……(3)
        气象预报的风级与风速的关系见表1。
表1  气象预报的风级与风速的关系
蒲氏风级 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
风名 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
风速
m/s
最小 0.3 1.6 3.4 5.5 8.0 10.8 13.9 17.2 20.8 24.5 28.5 32.7
最大 1.5 3.3 5.4 7.9 10.7 13.8 17.1 20.7 24.4 28.4 32.6 36.9
平均 0.9 2.5 4.4 6.7 9.4 12.3 15.5 19.0 22.6 26.5 30.6 34.8
        从表1可以看出,每级风的风速大小都有一定的范围,故在预报船舶的可抗风级时,应以可抗某级风的最大风速为准,以便覆盖该级风速的全部范围。例如,对于满足K=1临界衡准时的风速V=28.1m/s,则按28.1m/s在表1的最大风速栏反向插值,求出对应的风级为N=9.9(也可以按公式N=10(lgV+0.0778)/1.5-0.49进行计算)。但预报船舶的抗风等级时,应按气象预报都是整级风的形式,只取N的整数部分。
        核算气象衡准时的风压取值
      《国内规则》将航区划分为远海、近海、沿海和遮蔽四个航区分别进行风压取值。对于渔船,因为遮蔽航区都在禁渔线之内,不允许渔船作业,故只保留了前三个航区。但不管是交通船还是渔船,其航区风压的取值都是相同的。
      《IS规则》对风压的取值不分航区,但对于不同的船类取值略有不同。对于商船和船长不小于45m的渔船,其风压取值一律为504Pa。对于船长为24m和45m之间的渔船,其风压依船舶水上侧投影面积中心到水面的高度h不同而变化,也就是考虑了风速梯度系数c的影响。
      《IS规则》与《国内规则》计算气象衡准值时,都以距离水面6m高度处的风压为基准,其他高度处的风压系按风速梯度系数c进行修正。对低于6m高度的风压,《国内规则》适用于船长不小于20m的所有船舶;《IS规则》只适用于船长为24m和45m之间的渔船,相当于放宽了校核的标准。两者计算风压取值的对比见表2。
表2 《国内规则》与《IS规则》计算风压的对比
项目 风压中心距离水面不同高度处的风压
风压中心距离水面高度h(m) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 ≥7.0
《国内规则》
(取值业经光顺修正)
远海航区风压P(Pa) 829 976 1099 1185 1249 1302 1347
近海航区风压P(Pa) 453 534 601 648 683 712 736
沿海航区风压P(Pa) 227 267 301 324 342 356 368
风速梯度系数c 0.798 0.866 0.919 0.954 0.980 1.000 1.017
《IS规则》 无限航区风压P(Pa) 316 386 429 460 485 504 504
风速梯度系数c 0.792 0.875 0.923 0.955 0.980 1.000 1.000
        表2中的风速梯度系数c,系指距离水面不同高度处的风速,与距离水面6m高度处的风速之比。这是考虑空气具有粘性,同一时间内在不同高度处的风速不同。从表2所列数据看,《IS规则》与《国内规则》风速梯度系数的取值基本一致。
      《IS规则》气象衡准的内容及最低抗风等级
      《IS规则》气象衡准的规定是:假定船舶失去动力且处于横风横浪之中,在定常风的作用下,船舶向下风舷横倾了一定的角度,然后在此角度下受波浪的作用共振谐摇。当船舶摇至上风舷最大角度时,刚好受到突然加大的阵风,将船吹向下风舷产生横倾。用船舶自身抗倾覆能量与这种风浪联合作用倾覆能量的比值K,作为气象衡准数,并规定K≥1。其数学模型见图1,校核的步骤如下:

图1《IS规则》气象衡准
        (1) 船舶受到垂直于其中心线的一个定常风压的作用,产生一个定常风倾力臂(lw1);
        (2) 假定在波浪作用下,船舶由lw1的平衡角(φ0)向上风一侧最大谐摇至横摇角(φ1);
        (3) 然后船舶受到一个阵风风压,产生一个阵风倾侧力臂(lw2),且lw2=1.5 lw1;
        (4) 在此情况下,面积“b”应等于或大于面积“a”,即K=b/a≥1
        在《IS规则》的数学模型中,设定阵风风压力臂w2与定常风风压力臂w1之间有w2=1.5w1的关系。由于风压力臂与风压成正比,故阵风的风压P2与定常风的风压P1之间同样存在P2=1.5P1的关系。利用公式(3)V=(P/0.7356)0.5(m/s),可以反推出P2所对应的风速V2,再以V2作为最大风速,反推出可抗的阵风风级。它们之间的对应关系见表3。
表3 《IS规则》规定的风压及其对应阵风的风速与风级
项目 船长小于45m的渔船 其他船舶
受风面积中心距海平面高度h(m) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 ≥6.0
规则设定的定常风压P1(Pa) 316 386 429 460 485 504 504
阵风的风压P2=1.5P1(Pa) 474 579 644 690 728 756 756
按公式(3)P2对应风速V2(m/s) 25.4 28.1 29.6 30.6 31.5 32.1 32.1
V2对应表1最大风速的风级N2 9.3 9.9 10.3 10.5 10.7 10.9 10.9
由表2查风速梯度系数c 0.792 0.875 0.923 0.955 0.980 1.000 1.000
换算成h=10m高的风速V10=V2/c 32.1 32.1 32.1 32.1 32.1 32.1 32.1
V10对应表1中最大风速的风级N10 10.9 10.9 10.9 10.9 10.9 10.9 10.9
    注:N2为不同高度处的计算风压换算出的理论风级,其并非对应天气预报的风级;N10为考虑风速梯度系数修正后,对应于气象预报的风级;
        上述风级,是K=1临界气象衡准时的最低风级,当K>1时,抗风能力还会提高。
        由表3可见,《IS规则》满足临界气象衡准的最小抗风等级为10.9级。若联想发挥一下,当初规则的设定应该是11.0级,有可能是上述公式推导过程中累计的误差所致。
      《国内规则》气象衡准的内容及最低抗风等级
      《国内规则》气象衡准的规定是:假定船舶失去动力处在横浪之中共振谐摇,当摇到某一舷最大角度时,受到突然吹向另一舷的横向阵风而发生横倾,用船舶自身抗倾覆能量与这种风浪联合作用倾覆能量的比值K,作为气象衡准数,并规定K≥1(其数学模型略)。
        按照前述的步骤,同样可以求出《国内规则》临界气象衡准时的最低抗风级别,具体见表4。
表4 《国内规则》临界气象衡准时可抗阵风的风级
项 目 国内规则
远海航区 近海航区 沿海航区
规则设定6m高度处的风压P6(Pa) 1302 712 356
天气预报10m高度处的风速梯度系数c 1.017 1.017 1.017
P6对应10m高度处的风压P10=c2 P6(Pa) 1347 736 368
按公式(3)P10对应的风速V10(m/s) 42.8 31.6 22.3
在表1最大风速栏插值V10对应的风级N 13.3 10.8 8.5
        由表4可见,《国内规则》满足临界气象衡准的最小抗风等级分别为:远海航区13.3级;近海航区10.8级;沿海航区8.5级。
        国内航区气象衡准的讨论
        从表3和表4的对比可以看出,就临界气象衡准的最低抗风能力而言,《IS规则》10.9级的标准与《国内规则》三个航区的标准相比,是一低、一高、一持平。即其较远海航区要求的13.3级低了2.4级;较沿海航区要求的8.5级高了2.4级;较近海航区要求的10.8级高0.1级(持平)。根据国内船舶的航线及营运的实际需求,现对国内航区的衡准提出几点意见供讨论:
        (1)《IS规则》适用于全球海域的船舶,应该说中国的海域也不属于例外。即使《国内规则》规定的“南海距岸120n mile( 台湾岛东海岸、海南岛东海岸及南海岸距岸超越50n mile)”以外的远海航区,其通常海况的恶劣程度总不会超越“好望角”海域和北大西洋冬季的海况。故将国内航行船舶的抗风等级提高并超越了国际航行的船舶,缺乏令人信服的依据。
        (2) 航区应是指船舶营运作业的海域。船舶往返于各个港口之间,其最佳航线基本上是固定的,在正常情况下,国际营运船舶偏离航线的距离都有一定的范围。对于国内航行的船舶,偏离航线更会有限。即使按现行的航区划分,除去三沙航线极少数的船舶之外,其他船舶的航线都不经过远海航区,即使航向偏离也不会偏到远海航区。故对国内船舶设定的远海航区,实在没有什么意义。如果仅为南沙航线而设,未免过于偏颇。
        (3) 现在船舶科技如此发达,无线电通信系统如此先进,通过接受气象传真,船舶或停航或绕道或借港避风,完全可以避开暴风的袭击(我国远洋作业的渔船,一直使用《IS规则》的衡准,而从没有遭遇暴风袭击的事故就是例证)。对于国内航行的船舶,更不可能遭遇12级飓风的袭击,将最低抗风级别定到13级以上,显得过分保守,保守会对社会资源造成巨大的浪费。
        (4) 满足沿海航区气象衡准的绝大部分都是中小型船。从历年统计来看,该类船发生稳性事故的数量最多,特别是小型渔船。为减少中小型船舶的事故概率,提高该类船的稳性标准是很有必要的。
        (5) 我国船舶现行的航区稳性,应是当年引进前“苏联船舶登记局”的标准而沿用至今。随着半个多世纪船舶科技的进步,对航区衡准的修订同样也是与时俱进的要求。
        综上所述,建议修改我国航区稳性的规定,最务实的举措是直接与《IS规则》接轨。务实接轨的好处有三:一是降低了国内船舶抗风等级的拔高要求,能取得巨大的节能效益;二是对沿海航区大量的中小型船舶提高了抗风级别的标准,对减少事故多发提供了更可靠的技术保障;三是与国际衡准接轨统一,具有去粗取精、删繁就简的功效。何乐而不为呢。
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