船舶倾斜试验中吃水读数的影响因素

宋峰 林慰

摘要：船舶设计时稳性计算所采用的船舶重心位置只是理论计算的结果。为了确保船舶使用时的稳性，在船舶接近完工状态时须进行倾斜试验，以测得船舶的真正重心位置，用于进行各种工况的稳性核算。倾斜试验结果正确与否直接关系到船舶稳性校核的正确与否,而倾斜试验中船舶吃水读数的准确性，直接影响试验的准确性。而通过采用一定的技术方法降低甚至消除波浪对水尺读数的影响是一种有效的方法。

关键词：倾斜试验；船舶吃水；读数；因素

中图分类号：U661.78文献标识码：A

The Influence Factors of Draft of Ship Inclining Test

SONG Feng1，LIN Wei2

（1.China Classification Society Guangzhou Branch，Guangzhou 510235；

2.South China University of Technology, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering，Guangzhou 510640）

Abstract： In ship design's period, the preliminary position of the center of gravity is the only theoretical calculation results, in order to determine the stability of the ship when it sails, the clinging test should be carried out when ship's building is almost completed. The result is used for calculating various process conditions. The result of inclining test is very important to the calculation of stability. There are many factors influence the accuracy of the test. But the accuracy of the draft affects the result a lot. Using certain technical methods to reduce or eliminate the wave effect on the draft data is a kind of effective method.

keyword：Inclining test; Draft; Measure; Factor

1引言

船舶设计时稳性计算所采用的船舶重心位置只是理论计算的结果，为了确保船舶使用时的稳性，船舶接近完工状态时须进行倾斜试验，以测得船舶的真正重心位置，从而进行各种工况的稳性核算。由于船舶存在着建造过程中尺寸、位置的改变、结构和设备的增减等，都可能使实际稳性与理论计算有较大差别，但通过倾斜试验后所计算出来的稳性即可知道实际稳性如何，若稳性不能满足规范要求，则可以采取补救措施使稳性达到要求。因此,倾斜试验结果直接关系到船舶稳性的校核。本文根据有关标准和实践经验，提出了采取一定的技术方法，降低甚至消除风浪对水尺读数的影响，从而提高倾斜试验时水尺读数的精准性。

在倾斜试验过程中，要求风力不超过2级, 特殊情况不超过3级。但即便如此，水面上也会有几十厘米波高的波浪，在这种条件下，如何准确地读出船舶吃水是试验前需要考虑的问题。

一般钢质船舶都会在首、中、尾共勘划三对六组水尺。在船舶下水前，该水尺被永久勘划在船舷两侧。水尺最小间距一般都是0.2 m，在船舶静止状态且无风无浪的条件下，目测的精度也只能到0.2 m，即200 mm。如果将该读数用作测量空船试验的数据，试验结果的误差将较大，所以要想办法准确读数，一是提高读数精度，二是如何降低风浪对读数的影响。

2影响水尺读数精度的因素

大型船舶倾斜试验过程中，试验人员一般会驾驶小艇，在水尺附近以某个水尺刻度为基准，用卷尺近距离进行读数，这样可以提高读数的精度。一般卷尺的精度可以达到1 mm。但如何准确读取水尺的数值，相关的要求并不明确。

参考JT/T227－1996《驳船水尺计重技术规程》中的要求，常用测量工具有:钢卷尺一把，铅锤密度计一支，1 000 ml玻璃量筒一只，水银温度计一支。为了保证吃水测量准确性和降低波浪及其他随机因素的影响，每一吃水值应根据测量环境具体情况，测量数次后取其平均值。如果条件允许，建议用长玻璃管插人水中，以玻璃管中的水平面为基准测量吃水值。

这种方法，实际上也是用卷尺直接进行测量，理论精度能达到1 mm。但是通过长玻璃管的方法进行消波，多长才能达到效果，标准并没有说明。

3 波浪的影响因素

实际上，读吃水值面临的最大问题是如何消除波浪对读数的影响。通过反复读取最高、最低吃水取其平均值的做法，在读数足够多的情况还是比较准确的。彻底解决办法是平息波浪，营造静止水面，从而得到唯一确定的吃水值。在室外，令水面波浪整个平息下来是无法实现的，但可以使用技术手段，在某个时间段内令测量局部水域的波浪平息，以该相对静止水面作为测量吃水的基准，从而取得和船舶在静止水域测量的相当效果。

正如《驳船水尺计重技术规程》中提到的，用玻璃管进行消波是一种常用的方法，而另外一种微管连通器消波的方法，也经常被用到。

3.1玻璃管水尺计消波的原理和方法

水尺计消波主要和水尺计的外型有关，而最重要的两个参数就是管径和管长。

一般情况，如果玻璃管水尺计的管径与波浪的波长相同或者近似相同，水尺加上止回阀后，水尺读数即为实际水平面水位。由于波浪的波长较长且非固定值，一般达到几米或者更大，而试验用的玻璃管管径难以达到这样的大小。

无限的增大玻璃管直径显然无法满足实际使用的需要，那么再考虑增加管的长度进行消波。如果管径与波浪波长不同，管外液面明显高于管内液面，这时向管内进水，一旦有波浪传入水尺管，必定影响精度。有人实验过，当800 t级机动驳船急驰而过时，掀起的波浪浪高在10~20 cm，1.4 m长的透明塑料管中水面上下波动的波幅达20~30 mm[1]。

根据波浪的相关知识，将波浪分为浅水波、中度水深波和深水波：

（1）浅水波（，h为水深，L为波长）时如图1所示，由于沿水深方向都有波浪的较大影响，只有在接近水底时波浪的影响才消失，所以此时通过加长管段来消波效果不大。

此时，理想的管长在h+d左右（d为出水高度），一般为了观测方便，至少应露出水面200 mm左右。

图1 浅水中测量的消波原理示意图

（2）中等水深 时，如图2所示，由于沿水深方向波浪的影响逐渐变小，在接近水底一段距离时波浪的影响就已消失。

此时，理想的管长为左右（H为波高）。

图2 中等水深中测量的消波原理示意图

（3）深水情况时

如图3所示，由于沿水深方向波浪的影响逐渐变小，在接近Z=L/2（Z为管长）时波浪的影响就已消失。

此时，理想的管长为约 。

图3 深水中测量的消波原理示意图

在倾斜试验前，考虑到较好的状态，即在港池内，基本忽略外来的海浪波的干扰。在2级风(风速为1.6-3.3 m/s)情况下进行试验. 参考龙造基地港池的参数（D为1 000 m，水深约10 m，风速取2 m/s），根据《内河航道与港口水文规范》中风浪要素的计算公式。

（1）

（2）

（3）

式中： ——平均波高；

——平均周期；

——平均波长；

W——计算水域设计水位以上10 m处,10 min平均风速(m/s)；

d ——计算水域平均水深(m)；

D ——风区长度(m)；

g ——重力加速度(m)；

可以得到，港池内因为风浪引起的波浪的参数：

当风速为2 m/s时，=0.05 m，=0.99 s，=1.58 m

当风速为3 m/s时，=0.12 m，=1.60 s，=3.99 m

根据上述计算结果可以发现，风速对波浪要素的影响起着决定性作用，风速越大，波高就越大，周期也越长，波长也随之增大。

在试验条件下，水深一般都会大于2倍的海浪波长，属于深水波。因此仅考虑第三种情况。

当风速为2m/s时，玻璃管的长度至少为Zmin=1.58/2+0.05/2+0=0.82 m；

当风速为3m/s时，玻璃管的长度至少为Zmin=3.94/2+0.12/2+0=2.06 m。

显然，风速对水尺读数的干扰非常之大。在实际操作过程中，只有当风平浪静的时候, 使用长度适中的玻璃管读数能够保证读数的准确性。一般来说，2级风况状态下，2 m长的玻璃管基本能够满足要求。如果风大一些，即达到3级的时候，此时由于风引起的海浪波长过大，上述加长管段消波的能力将大大减弱，甚至无明显效果。

3.2 微管连通器消波的方法

另外一种消波的方式即微管消波，其主要原理就是普通的连通器原理。将一玻璃管固定在船体舷侧水线处，玻璃管的上口与大气相通，而下口仅留细微通道，插入水中，供水进出。原先空的玻璃管中将会有水缓慢上升，待上升到一定高度，即自行停止。此时尽管管外的水面存在波浪，但管中水面却处于相对静止状态。只在偶遇一阵相当持久的高波时，即当玻璃管所在处的波峰明显偏高一段时间时，管中水面才会跟着缓慢上升，直到高波消失后，管内水面又仍逐渐下降至原来静止位置。徜若向玻璃管里注水，则玻璃管里水面会逐渐上升，停止注水，则玻璃管里水面又逐渐回落到原来的静止位置。当上方玻璃管管径和微管管径相比尽可能大的时候，这种波浪对管中水面的影响会随之减小，直至忽略不计[2]。

经过试验，这种微管消波的办法确实不错。因其制造简单，携带方便，精度也能够保证, 因此一些船厂都在使用这种原理的水尺测量仪。

4 小结

在倾斜试验中，水尺读数是一个非常重要的数据。提高水尺读数精度和避免外界因素干扰，对试验数据有着非常重要的影响。通过水尺计测量管或者微管连通器的方法来消波读数，不但减少工作量，降低工作强度，更重要的是提高测量的精度和准确性。

参考文献

[1].郭顺福.特殊连通器实验[J].物理实验,2005(5):33-38.

[2].郭顺福.一项驳船水尺计重技术原理[J]. 造船技术, 2003(6):23-25.

作者简介：宋峰（1983-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶设计和建造工艺。

林慰（1980-），男，硕士，讲师。研究方向：船舶结构。

收稿日期：2014-01-14