探讨参数横摇对集装箱船坠箱事故的影响

陆丹

摘要：当船舶在纵浪中以一定速度航行，使遭遇波浪的频率约两倍于横摇频率时，船舶稳性发生变化，即导致参数横摇现象。迎浪或随浪条件下的参数横摇谐振会大大加剧船舶的横摇运动，在几次摇摆周期中，横倾角可以毫无预期地从几度发展到三十度以上。这种剧烈的运动会对舱面集装箱及系固系统造成过多的压力，进而导致舱面集装箱坠箱事故的发生。本文从现象出发，分析了参数横摇对舱面集装箱系固稳定性的影响，提出了船舶遭遇参数横摇的应对方法。

关键词：集装箱 坠箱 参数横摇 系固

1 参数横摇现象分析

在船模实验中发现：如果遭遇频率等于两倍的船舶固有横摇频率时，则船舶在接近5m波高（λ=LBP）的迎浪和顺浪中有可能发生倾覆，与这个频率条件相应的横摇运动即为参数横摇[1]。

为了在甲板上能装载更多的集装箱，当今的超巴拿马型集装箱船在设计建造时，往往拥有更大的货舱开口以及首外飘。这种结构特点也使得集装箱船舶在一定风浪影响下，更易发生大角度的摇摆。巴拿马船型的基本特点是：大宽度甲板，大外飘型首；在迎浪中随着波峰的向后移动，这类船型的初稳性高（GM）将发生显著的变化。只要是有中等幅度的纵摇伴随与小幅度的横摇相耦合，当大外飘型船首开始下落并猛然沉入到波峰中时，会使船体浮力骤然增大。增大的浮力所产生的回复力（矩）与遭遇波浪的激励力叠加一起会把船体推向一边。当下一个纵摇周期船首再度向下时会把船体推向另外一边。在一般的海况下，耦合发生的这种同步运动也只在短短的几个周期后，就能达到相当大的横摇角度。

2 集装箱船舶坠箱的不良影响

（1）影响其他船舶的安全航行。从集装箱船上掉出舷外的集装箱由于箱内货物性质与货载的不同，或者漂浮于水中数月，或者下沉搁至浅滩。据统计，一个20英尺的集装箱可在海上漂浮57天，而一个40英尺的集装箱漂浮的时间将有3倍之长。这样长的时间中很有可能与其他物体产生碰撞。一个满载的集装箱在海水中漂浮时只露出水面约18英尺，雷达很难捕捉到它；夜间也很难被发现。这无疑将对海上航行的其他船舶造成安全隐患。

（2）破坏环境。1992年，长荣Ever Laurelin上掉下的一个集装箱装满了橡胶的黄色鸭子玩具，箱子入海后，大量的小玩具散入海中，随着海浪漂流。无论是太平洋还是大西洋，都曾发现它们的踪迹。时至今日，依然能发现它们的踪迹。集装箱所载货物在海浪冲击下散落在海水中，无疑会造成环境恶化，影响海洋生态系统。另外，为防止接触海水引起的腐蚀，集装箱表面往往会涂上一层砷。一旦这类集装箱入海，将对海洋环境造成深远的化学污染。

（3）带来巨大损失。集装箱本身的灭失无疑是一大损失，然而除此之外，在时间上也会带来许多潜在的损失。货物的运输时间会因为大风浪而延长；港口作业与清关亦会受到影响。如果这些问题没有得到妥善解决的话，不仅增加了时间与商业成本，同时声誉也会受损，相当于间接增加了损失。

3.参数横摇敏感性判断标准

本部分对船舶是否会遭遇参数共振的评判标准作了描述。

遭遇频率：

迎浪： ， rad/s

随浪： ， rad/s

式中，：波的频率；Vs：船速；

参数共振敏感性指标：

式中：：对应平均稳心高度的横摇频率；为静水中船舶横摇频率，如果在计算过程中缺乏该数值，可用如下公式来计算：

，rad/s

横摇阻尼系数来自经由船级社所认定的机构进行的横摇衰减测试。作为一种选择，下式中的横摇阻尼数据也可作为一指标来使用[2]：

μ=0.03

如果满足下面的不等式，则可认为船舶将易于遭遇参数横摇：

如果不满足该不等式，则船舶将不会遭遇参数横摇；

如果满足该不等式，阻尼判据则还需作如下核算：

...........................（2）

式中、、计算公式如下：

如果>1，不满足阻尼判据条件；

如果<1，且不满足式2条件，则船舶不会产生参数横摇；

如果同时满足式1和式2的条件，则还需评估迎浪参数谐振的严重性标准，确定参数横摇运动中船舶横倾角的度值。

4 参数横摇对集装箱系固稳定性影响

作用于集装箱上的力受到船舶运动模式以及箱侧受风的影响。无论是集装箱的受力还是船舶的运动模式，不同的船级社对此往往有不同的描述与计算方法[3]。由于船舶摇摆而产生的集装箱的加速度估算也可通过数值模拟或船模试验来实现[4]。在计算集装箱绑扎系统受力时，仅考虑垂直于甲板（垂向）和平行于甲板（横向）的受力。当船舶发生横摇时，由于船舶横倾引起的负载主要作用于集装箱的系固系统，部分力又被集装箱所消化。系固系统越牢固，它能吸收的力就会越大；同样，集装箱本身越牢固，它所能消化的力也会越大。

通常，集装箱门端受到的绑扎力最大，而集装箱前端由于结构更为坚固，受到的横向扭变力R往往更大。舱面集装箱受力分析见图4-1。第一层集装箱必须有足够的强度以抵御箱顶所受到的横向扭变力R。

同样，绑扎杆上的拉力L不能超过绑扎杆件上最弱部分的安全工作负荷。

作用于集装箱堆的横向作用力将产生一个倾覆力矩。其中，一部分力矩作用于绑扎件，一部分作用于扭锁与底座。上一层的集装箱将负荷传递到下一层集装箱上。当船舶发生横摇时，向下一侧的角件会受到一个压力CT；而向上一侧的角件往往会受到一个拉力TT。同样的，舱面首层集装箱的底端会受到一个压力CB，这个力会将负荷分散到底座及支撑件上，另一侧的拉力TB则作用于扭锁上。

当集装箱堆系固在绑扎桥上时，绑扎件将直接延伸到第三层集装箱的底部（图4-2），角件处的拉力会随之减小，这将有效防止集装箱的倾覆。因此，由绑扎桥系固下的集装箱堆可以允许堆装更重的集装箱。绑扎桥的有效性会因为它与集装箱之间的远近而有所差异。如果绑扎桥与集装箱之间纵向距离远，绑扎效果就相对较差；反之则较好。如将一个40英尺的集装箱装于设计为45英尺集装箱的那一排时，绑扎效果即会削弱。endprint

当船舶在共振状态下横摇时，一个横摇周期中遭遇一个浪的影响；而当遭遇参数横摇时，船舶在一个横摇周期中遭遇两个浪的影响。当一个波峰位于船中时，船舶正好横摇至一边；当波谷位于船中时，船舶处于正直状态；当第二个波峰到达船中时，船舶横摇至另一侧。因此，不同于横浪情况下的船舶横摇，迎浪情况下船舶发生参数横摇往往伴随着很大的纵摇运动。每当船舶达到最大横摇时，船首会同时作向下运动。此时，作用于船首处集装箱的指向甲板的力FN将会增加。CT也会随之增加。反之，作用于船尾处集装箱的FN将会减小，CT也会随之而增加。

5 船舶遭遇参数横摇的应对方法

集装箱船舶具有的首外飘结构，易使集装箱本身遭遇参数横摇，影响舱面集装箱的系固系统。集装箱船舶的外形结构是多年优化的结果，暂时不会发生太大的变化。因此，为减少或避免参数横摇对舱面集装箱的坠箱风险，作为主体的驾驶员及船舶相关工作人员应该发挥更积极的作用：

（1）为保证船舶在波浪中安全、经济地航行，一定要对参数横摇现象作一定的了解，并慎重地选择操纵方案。有必要对船东、雇主、航海人员进行相关知识的普及。如，船舶在何种装载条件下易引起参数横摇、何种海况条件下的参数横摇会带来较大危害等。可以通过出版物、学习视频等途径加强对迎浪船舶参数横摇的关注与了解。对于船长，尤其要了解不同海况及负载条件下，采取不同航向与航速可能会引起的安全风险；如果船舶遭遇共振，发生参数横摇，船上应有可提供给船长的应对指导即操作指南。

（2）适当调整航向航速。当船舶在波浪中航行时，选择适当航向角对船舶稳性的影响是非常明显的。船舶装载情况不同，具有的稳性也不一样。船舶的横摇周期受到稳性高度的影响。对于稳性较高的那些船舶，其横摇周期往往较短，一般在10s上下。当波浪频率约为5s时，易遭遇参数横摇。事实上，这种频率下的波浪浪高一般都比较小，不至于使船舶在迎浪或随浪时诱发参数横摇现象。因此，减小横摇的有效方法是尽可能地让船舶顶浪航行；而稳性较低的船舶，横摇周期一般较长。在浪高较高的情况下，船舶易在迎浪或随浪时产生参数横摇现象。当驾驶员发现船舶有发生参数横摇的迹象时，应快速将本船航向转向正横方向。如有必要，也可将航向缓慢地转回原来的航向上。这可使船舶在短时间内摆脱参数横摇。参数横摇的激励需要航速达到一定的条件，如果初始航速不满足条件，则船舶不会遭遇参数横摇。所以，应改变航速以使遭遇波浪的周期与船舶横摇的周期不满足参数横摇的激励条件。

（3）保持冷静。保持冷静可以使我们在恰当的时间对局面作出恰当的判断，及时采取恰当的措施应对突发情况。无论在什么情况下，保持冷静的头脑都可有效减少紧张情绪带来的负面影响，这在船舶遭遇突发情况时显得尤为重要。

参考文献

[1]赵连恩，谢永和. 高性能船舶原理与设计. 北京. 国防工业出版社，2008.

[2]American Bureau of Shipping.GUIDE FOR THE ASSESSMENT OF PARAMETRIC ROLL RESONANCE IN THE DESIGN OF CONTAINER CARRIERS.2004

[3] William N. France， Marc Levadou，Thomas W. Treakle.An Investigation of Head-Sea Parametric Rolling and its Influence on Container Lashing Systems.SNAME Annual Meeting， 2001

[4] 常永全. 迎浪船舶参数横摇的理论研究：[学位论文].上海：上海交通大学. 2008endprint

当船舶在共振状态下横摇时，一个横摇周期中遭遇一个浪的影响；而当遭遇参数横摇时，船舶在一个横摇周期中遭遇两个浪的影响。当一个波峰位于船中时，船舶正好横摇至一边；当波谷位于船中时，船舶处于正直状态；当第二个波峰到达船中时，船舶横摇至另一侧。因此，不同于横浪情况下的船舶横摇，迎浪情况下船舶发生参数横摇往往伴随着很大的纵摇运动。每当船舶达到最大横摇时，船首会同时作向下运动。此时，作用于船首处集装箱的指向甲板的力FN将会增加。CT也会随之增加。反之，作用于船尾处集装箱的FN将会减小，CT也会随之而增加。

5 船舶遭遇参数横摇的应对方法

集装箱船舶具有的首外飘结构，易使集装箱本身遭遇参数横摇，影响舱面集装箱的系固系统。集装箱船舶的外形结构是多年优化的结果，暂时不会发生太大的变化。因此，为减少或避免参数横摇对舱面集装箱的坠箱风险，作为主体的驾驶员及船舶相关工作人员应该发挥更积极的作用：

（1）为保证船舶在波浪中安全、经济地航行，一定要对参数横摇现象作一定的了解，并慎重地选择操纵方案。有必要对船东、雇主、航海人员进行相关知识的普及。如，船舶在何种装载条件下易引起参数横摇、何种海况条件下的参数横摇会带来较大危害等。可以通过出版物、学习视频等途径加强对迎浪船舶参数横摇的关注与了解。对于船长，尤其要了解不同海况及负载条件下，采取不同航向与航速可能会引起的安全风险；如果船舶遭遇共振，发生参数横摇，船上应有可提供给船长的应对指导即操作指南。

（2）适当调整航向航速。当船舶在波浪中航行时，选择适当航向角对船舶稳性的影响是非常明显的。船舶装载情况不同，具有的稳性也不一样。船舶的横摇周期受到稳性高度的影响。对于稳性较高的那些船舶，其横摇周期往往较短，一般在10s上下。当波浪频率约为5s时，易遭遇参数横摇。事实上，这种频率下的波浪浪高一般都比较小，不至于使船舶在迎浪或随浪时诱发参数横摇现象。因此，减小横摇的有效方法是尽可能地让船舶顶浪航行；而稳性较低的船舶，横摇周期一般较长。在浪高较高的情况下，船舶易在迎浪或随浪时产生参数横摇现象。当驾驶员发现船舶有发生参数横摇的迹象时，应快速将本船航向转向正横方向。如有必要，也可将航向缓慢地转回原来的航向上。这可使船舶在短时间内摆脱参数横摇。参数横摇的激励需要航速达到一定的条件，如果初始航速不满足条件，则船舶不会遭遇参数横摇。所以，应改变航速以使遭遇波浪的周期与船舶横摇的周期不满足参数横摇的激励条件。

（3）保持冷静。保持冷静可以使我们在恰当的时间对局面作出恰当的判断，及时采取恰当的措施应对突发情况。无论在什么情况下，保持冷静的头脑都可有效减少紧张情绪带来的负面影响，这在船舶遭遇突发情况时显得尤为重要。

参考文献

[1]赵连恩，谢永和. 高性能船舶原理与设计. 北京. 国防工业出版社，2008.

[2]American Bureau of Shipping.GUIDE FOR THE ASSESSMENT OF PARAMETRIC ROLL RESONANCE IN THE DESIGN OF CONTAINER CARRIERS.2004

[3] William N. France， Marc Levadou，Thomas W. Treakle.An Investigation of Head-Sea Parametric Rolling and its Influence on Container Lashing Systems.SNAME Annual Meeting， 2001

[4] 常永全. 迎浪船舶参数横摇的理论研究：[学位论文].上海：上海交通大学. 2008endprint

当船舶在共振状态下横摇时，一个横摇周期中遭遇一个浪的影响；而当遭遇参数横摇时，船舶在一个横摇周期中遭遇两个浪的影响。当一个波峰位于船中时，船舶正好横摇至一边；当波谷位于船中时，船舶处于正直状态；当第二个波峰到达船中时，船舶横摇至另一侧。因此，不同于横浪情况下的船舶横摇，迎浪情况下船舶发生参数横摇往往伴随着很大的纵摇运动。每当船舶达到最大横摇时，船首会同时作向下运动。此时，作用于船首处集装箱的指向甲板的力FN将会增加。CT也会随之增加。反之，作用于船尾处集装箱的FN将会减小，CT也会随之而增加。

5 船舶遭遇参数横摇的应对方法

集装箱船舶具有的首外飘结构，易使集装箱本身遭遇参数横摇，影响舱面集装箱的系固系统。集装箱船舶的外形结构是多年优化的结果，暂时不会发生太大的变化。因此，为减少或避免参数横摇对舱面集装箱的坠箱风险，作为主体的驾驶员及船舶相关工作人员应该发挥更积极的作用：

（1）为保证船舶在波浪中安全、经济地航行，一定要对参数横摇现象作一定的了解，并慎重地选择操纵方案。有必要对船东、雇主、航海人员进行相关知识的普及。如，船舶在何种装载条件下易引起参数横摇、何种海况条件下的参数横摇会带来较大危害等。可以通过出版物、学习视频等途径加强对迎浪船舶参数横摇的关注与了解。对于船长，尤其要了解不同海况及负载条件下，采取不同航向与航速可能会引起的安全风险；如果船舶遭遇共振，发生参数横摇，船上应有可提供给船长的应对指导即操作指南。

（2）适当调整航向航速。当船舶在波浪中航行时，选择适当航向角对船舶稳性的影响是非常明显的。船舶装载情况不同，具有的稳性也不一样。船舶的横摇周期受到稳性高度的影响。对于稳性较高的那些船舶，其横摇周期往往较短，一般在10s上下。当波浪频率约为5s时，易遭遇参数横摇。事实上，这种频率下的波浪浪高一般都比较小，不至于使船舶在迎浪或随浪时诱发参数横摇现象。因此，减小横摇的有效方法是尽可能地让船舶顶浪航行；而稳性较低的船舶，横摇周期一般较长。在浪高较高的情况下，船舶易在迎浪或随浪时产生参数横摇现象。当驾驶员发现船舶有发生参数横摇的迹象时，应快速将本船航向转向正横方向。如有必要，也可将航向缓慢地转回原来的航向上。这可使船舶在短时间内摆脱参数横摇。参数横摇的激励需要航速达到一定的条件，如果初始航速不满足条件，则船舶不会遭遇参数横摇。所以，应改变航速以使遭遇波浪的周期与船舶横摇的周期不满足参数横摇的激励条件。

（3）保持冷静。保持冷静可以使我们在恰当的时间对局面作出恰当的判断，及时采取恰当的措施应对突发情况。无论在什么情况下，保持冷静的头脑都可有效减少紧张情绪带来的负面影响，这在船舶遭遇突发情况时显得尤为重要。

参考文献

[1]赵连恩，谢永和. 高性能船舶原理与设计. 北京. 国防工业出版社，2008.

[2]American Bureau of Shipping.GUIDE FOR THE ASSESSMENT OF PARAMETRIC ROLL RESONANCE IN THE DESIGN OF CONTAINER CARRIERS.2004

[3] William N. France， Marc Levadou，Thomas W. Treakle.An Investigation of Head-Sea Parametric Rolling and its Influence on Container Lashing Systems.SNAME Annual Meeting， 2001

[4] 常永全. 迎浪船舶参数横摇的理论研究：[学位论文].上海：上海交通大学. 2008endprint