大型集装箱船舶操纵与坠箱原因分析

李亚荣

摘要：随着万箱船舶日益增多，万箱船舶的操纵技术也在不断摸索中进步和累积经验。本文依据了航海实践经验，陈述了5 600箱位大型集装箱船舶在大风浪中航行环境，并分析在大风浪中各种受力影响船体、物体的原始位置和状态，特别是甲板上集装箱受到大风浪剧烈冲击后坠箱的受力分析。同时，为了求证坠箱原因，本文还简单陈述了大风浪形成的过程和船舶在大风浪中状态。因为存在船尾发生坠箱的情况，本文简单论述了手操舵和自动舵在大风浪操纵的不同结果。

关键词：大风浪 顺浪航行 绑扎属具 手操舵 自动舵

1 概况

某轮是5 600箱位的集装箱船舶，在大西洋比斯开湾北部风浪中飘摇航行，再过7～8小时候就会离开比斯开湾是非之地，进入英吉利海峡抵达欧洲第一目的港。

此值北大西洋的冬季，进入比斯开湾之后，一股强冷空气裹挟了风雪飘然而下，海面风力8级以，风向西南风，海面风浪汹涌澎湃，乌云笼罩，似乎要将航船吞没。

大型集装箱船舶的抗风能力足以抵挡大风浪的侵袭，在风雨飘摇中驶向目的港。船长、驾驶员把操舵的繁重任务交给了自动驾驶仪（Pilot）。

船舶左舷正横后受风，根据船舶装载状况以及船舶在大风浪航行的特征，船舶会在左右15°左右摇摆，极端情况下会产生超过25°的左右横摇。

餐厅里，服务员把湿布放在了餐桌上以防碗筷被大幅度摇摆而坠落地上。同样，甲板上集装箱在进入大风浪区前已经作了加固，船长和甲板部人员都认为高枕无忧了。

正当全船毫无畏惧比斯开湾中部地区大风浪时，一个深深的涌浪从左后部冲击船舶尾部，船舶先微微向左舷倾斜，船首大幅度转向左舷，甲板上的集装箱绑扎属具以及扭锁在倾斜状态下受到了额外的拉力和张力，发出可怕的金属摩擦声。

巨大的涌浪将船舶压向下风，偏离了航线。而自动舵依照设定的程序，顽强挽回偏移航线的“过错”。它毫不迟疑，大幅度地来了一个右舵20。当船舶尾部的涌浪过后，在恢复力矩作用下，右舷尾部马上向左边压去，同时发生大幅度的右倾，超过了左倾的幅度，达到了25°以上，前部船首巨浪开花，覆盖了驾驶台全部，瞭望玻璃完全浸湿。剧烈摇晃产生了瞬间巨大的缩张力。右后的边沿集装箱绑扎杆和扭锁发生了超负荷的拉力而发生了断裂，在倾斜力矩的作用下坠箱发生， 30多个自然箱“跳海游泳”了。

船长和驾驶员怎么也弄不明白船尾后会坠箱。在大风浪货损案例中，船长和驾驶员的概念总以为坠箱发生在易遭风浪直击的船首部位，船体严重浪损部位也在防浪板前后。

2 比斯开湾风浪产生的原因

每一位船员都会经历大风浪和涌浪海况。风浪的形成是由空气流动直接造成的，当风达到一定强度后，风的能量就传给了海洋引起了软体的水面波动。

风浪离开风区传至远处或风区里的风停息后所存在的波浪称为涌浪。海上风浪和风的关系是：风速越大，产生的风浪越大，风持续时间越长，海水获得的动能越大，风浪也就越大。风区越大，浪在风区内移动越远。当大洋中海水深度越大，海面的风浪、涌浪越大。

无论冬季和夏季，地球上大气环流一般发展和生存期基本上在5～7天之间。由于地球自西向东绕地轴由西向东移动的规律，大气环流也是从西到东位移和发展。区别在于季节性变化。夏季无论高压和低压，中低纬度大气环流强盛，冬季高纬度因其下垫面温差梯度悬殊，其能量聚集都让高压和低压犹如咆哮的西伯利亚丛林中的老虎和雪豹，东进南下时脾气很大。到了北大西洋更是如虎添翼，所向披靡，洋中航行的船舶就可能处于灭顶之灾了。由于地理位置，冬季，北美高纬度极地高压凝聚力量后，在前呼后拥的深度低压前开道后顶推下，开始向东部位移，并向南方扩散。由于下垫面的崎岖地形，移动中会大风呼啸，一夜之中急剧降温8℃～10℃。当寒潮推进到了北大西洋上后，下垫面发生了变化，加上海水流体特性，前部的低压引起的大风吹向海水，在延时数小时后，海（洋）面开始波涛汹涌起来并以辐射的形式绵延数百海里，甚至数千海里，低压圆周外围都是扩散的深度涌浪。当风力作用停止后风所引起的波浪受到地球重力和和摩擦力的影响才逐渐衰弱。

高强度低压在移动过程中导致海面惊天骇浪外，初始移动速度比较缓慢，并在下垫面洋面上还将吸收能量发展，中心气压持续下降。其较深的气旋内部中心气压可以到950帕巴以下，近中心风力到达10级以上，极端可以到达12级以上，风力范围广泛，可以覆盖整个30°N至60°N范围，在1 000海里之外的外围风力也可能达到8级以上，大风浪几乎覆盖了中高纬度的北大西洋。

北大西洋的温带气旋在它自西向东移动过程中越过北大西洋的会给北欧地区各国带来非常剧烈的大风寒冷天气。多数情况下在洋面上和北欧沿岸形成波浪形移动，或偏下，或偏上移动，导致北欧、西欧各国的深度寒冷。

因为比斯开湾面向大西洋西部，开敞的特殊地理位置，面对寒潮的行进方向，具备了半永久性的滞留。当寒潮扩充到此时，突然受到地理阻挡，能量释放、舒缓条件受到障碍，所以在冬季比斯开湾的风浪更盛于其他海区，其盛行强大的西风、西南风。另外，比斯开湾水深，大部分离海岸半海里就是数百米深水区，由此，风大浪更高，过后的大涌浪如绵延山峰，几乎终年占据了比斯开湾地区，变成了世界著名的风浪区。

西欧班轮航线，从地中海出去到欧洲的航线选择是唯一的。避开比斯开湾大风的机会几乎没有。因此，防范大西洋气旋和寒潮，在风浪中谨慎操纵是横渡比斯开湾船舶船长首要关心的问题和操控技艺，尤其是在冬季北大西洋比斯开湾北上，船长将面临非常痛苦的安全操纵抉择来对抗气旋。船舶遭遇大风浪是很可怕的，船舶发生前后颠簸不说，船员的情绪都处于非常低迷的状态，精神萎靡不振。

3 船舶集装箱受风浪影响时的受力分析

当船舶受到风浪产生横摇时，一切物体都随着横摇。当巨浪和船体相撞时，船舶发生前后震动，物体也会随着震动，当船舶前后颠簸时，物体也处于颠簸状态之中。人员晕船是参与船舶运动的结果，货物、物体移动也是参与船舶运动的结果。复杂、无规律的风浪中的运动在一定的条件下就会对船舶乃至船上的物体产生破坏作用。endprint

船舶在大风浪中航行时是复杂的三维运动状态。船舶运动分为沿三个坐标轴的运动和绕三个坐标轴的转动。船舶在大风浪中的运动直观表现为“上下运动，前后颠簸，左右摇动”。横摇，纵摇、垂荡和艏摇都会影响船舶操纵特性。

船舶横摇存在物理摆幅和横摇周期，当横摇与波浪周期一致，会有谐摇。谐摇造成船舶急剧横摇，船上物体即使固定也会挣脱“枷锁”而产生物体位移，位移的物体会改变船舶稳性。稳性失去将最终导致船舶倾覆。

海员可以通过改变船舶操纵方式来预防谐摇。最常规的做法是改变船速和航向来减小或消除、破坏谐摇条件。

横浪会使船舶产生急剧大幅度倾斜；顶浪会使船舶产生纵摇并。

当船艏在风口浪尖上时被高高抬起发生垂荡，发生严重的前后颠簸，船舶形成自由落体，风浪就会和船底发生拍击，船舶结构就会发生应力变化，进一步会发生变形、裂开等后果。

风浪与船艏正面撞击，在强大阻尼下就会产生船速突然急剧下降，船艏钢板受到正面挤压，钢板内部存在压力，释放压力船舶就发生像筛子样的前后运动——震动。

船舶在大风浪中发生船体短时间刚性变形但不会影响结构。船舶上物体参与运动，运动中会与原始状态不符合而错位，错位发生就会导致甲板上的物体位移，位移会发生物体倾斜，严重的会发生倒坍。因此船长必须想尽办法避免这些在大风浪中产生的有害运动。

在实践观察中大型集装箱船舶在大风浪中的现象，基本与上述情况相吻合。由于大型集装箱船舶的结构和长度，船舶在大风浪中的这些运动更为明显。

我们从船舶在大风浪运动现状中了解发现船舶发生颠簸、左右扭动时，集装箱也在扭动，集装箱和船体连接的绑扎杆、连接花篮螺丝的绑扎材料内部应力也随之发生了左右拉伸和收缩变化；当船舶发生上下剧烈震动时，绑扎杆和连接花篮螺丝内部应力又受到了上下拉伸和收缩变化，两种拉伸和收缩变化受力方向不一致。

我们可以将此状况想象为一根手中的铁丝，不断地在一个点受到扭曲，过后不久，发热、变软，随之断裂了。同样，大风浪中扭动和震动交替变化中，绑扎杆和花篮螺丝内部应力产生了材料疲劳，外部现象就是绑扎杆和花篮螺丝出现了松动而脱落，材料疲劳过度后绑扎杆和花篮螺丝断裂。绑扎断裂了，集装箱的系固平衡破坏了，坠箱在一定的摇摆幅度下发生了。根据该轮的系固手册，一般绑扎属具在22.5°时是破断极端数值。但并不一定在这个状态就一定产生绑扎属具的破坏，而是概率增大了。所以船长在大风浪中操纵应该尽量避开这个摇摆幅度，船长操纵船舶还得避开甲板前部严重上浪。

再议论一下船舶震动，当船舶顶浪阻尼后，船体纵向前后会抖动，船速迅速减到10～11节。因为船体钢板的弹性造成拍击力的改向，船艏开始左右扭动，上下颠簸。扭动点大概在第二货舱后部，船体变成了一根巨大的弹簧了。可见风浪对船体作用的力量绝对是未见者不信。可以想象如果船舶在大风浪中高速前进，作用力和反作用力的能量将足以损坏坚实的船体钢板。如果没有弹性钢板的特性，扭动会伤害船体。

一般情况下，当船舶受到大风浪后就会出现自然减速，像5 600箱位集装箱船舶的主机都有负荷设定，因此，自然减速保护了主机和船体。如果船体在主机负荷下还能发出强大的功率对抗大风浪，结果是船体损坏，而海水落入大海后自然愈合了，毫发无损，我们不能跟大自然强行抗衡，只能借力而发，避其锋芒而保安全。

那怎么办才能减少拍浪频率？

在船舶质量固定不变的情况下，只能改变船速，这样才能大幅度减少因为作用力和反作用力产生的有害动能对船体的破坏。所以，建议在遇到正面大风浪、船舶上下颠簸幅度较大、拍浪严重的情况下，以维持把定航向的速度即可，以达到减少风浪对船体结构的冲击。船长们切记减速、改向！是唯一对抗强大风浪的良策。其他没有办法！减速应该掌握能够维持船舶航向的最低速度，不能停车，否则打横，更加危险。

某船长大风浪操纵极有参考价值：集装箱和船舶连接件扭锁在船舶发生扭动和震动时也会发生变化，当一个巨浪打到甲板冲击集装箱外，大量的海水还有浮力，把集装箱微微提升，最下层的底锁失去重力后，开锁手柄又在强大海水力量下变换了方向，自动开锁，失去了底锁的作用，将船体和集装箱固定作用彻底消除了。由此，在大风浪中扭动、震动和摇动的共同作用下，绑扎杆和花篮螺丝就被破坏了。这样，堆装在甲板上的集装箱完全自由了。如果此时船舶没有发生左右摇摆，这些集装箱就像堆装在码头堆场上一样还能维持着平衡，集装箱绝不可能坠入大海。

而恰恰是综合因素同时具备了造成集装箱坠海的坠落条件：

扭动，使得甲板上集装箱前后变形，致使上下堆装的集装箱错位；

震动，使得正在发生错位集装箱跳出了原来锁定的位置；

上浪，使得正在发生位置变化的集装箱被海水浮力托起；

摇摆，使得正在浮起的集装箱向舷外倾斜。

当底锁失去了拉力后，又造成了绑扎杆内部应力变化；集装箱倾斜的重量使的绑扎杆和花篮螺丝不堪重负，达到了最大破断应力；绑扎杆或者花篮螺丝断裂，当坠箱条件都具备了，集装箱下海的事故自然发生了。

4 尾部集装箱坠海的分析

本文开头描述的比斯开湾尾部坠箱的案例，不排除比斯开湾恶劣的天气情况导致船舶三维运动后的物体位置变异的结果。然而集装箱最易受大风浪侵袭还是艏部位置，而且直接是自然灾害和船舶操纵引起的后果。

为了避免船艏货损，船长应该立即减速并以维持航向的速度航行已成为大型集装箱船舶船长的共识，船长都会按照操作规程操纵船舶。有经验的船长在大风浪操作中对船舶发生偏差后的用舵都十分谨慎。用舵太小，大风浪中的水动力作用在舵叶上不够，其转舵能力十分微弱，不易及时纠正偏差。

风浪中船舶侧面积受风压太大，会向下风向压去，由此用舵应该有窍门。逆风向转舵可以谨慎使用大舵角，以增加转舵水动力克服风压，且转舵可以适可而止到达纠偏的效果。endprint

而顺风向转舵纠偏就必须根据现场情况“量力而行”，舵角过大，加上风力助推，船舶会产生强大的转船力矩，在短时间“舵效明显”，迅速向下风转过去，以致船舶产生了大幅度横倾。横倾符合船舶正常用舵规律，先向用舵反向倾斜，然后向用舵侧恒定横倾，直至用舵力矩消失。转向横倾持续时间与稳性高度有关，但因为有舵作用力的影响持续时间较长。

5 600箱位的集装箱船舶在顺风顺浪航行时感觉稍好，没有剧烈振动、没有颠簸的筛沙子的痛苦。但大风浪中该船型很容易引起左右横摇，横摇幅度与稳性高度有关。稳性小摇摆周期长、幅度大，对满载甲板集装箱的船舶威胁很大。毕竟22.5°是绑扎属具的破断极限。船长一旦觉得大幅度摇摆而担惊受怕甲板集装箱而用大舵角遏制。这种遏制的后果却导致了驾驶台尾部的坠箱。作为船长不得不去认识各种大风浪环境下的操纵技艺。

顺浪，尤其是艉部四分之一舿部受顺涌浪冲击的情况下，船舶会产生滚动般的横摇，严重的话会产生谐摇。船长应该以调整船速和航向来竭力避免谐摇。

当艉部受浪侵袭是，一般船头在涌浪前部深谷内，船艉骑在涌浪顶部波峰上，形成了前低后高的态势，船艉向下风舷漂移离开既定航线。如此，慢慢用舵归位航线可以分散涌浪的力量，减少撞击船体让其恢复航向并横倾另一船舷。这样当船艉在波谷时不至于船艉上浪了，保护驾驶台后的集装箱。

如果船舶操纵使用大舵角情况就不一样了。

同样状态下，当船舶偏移航向了，为了急于回到航向，使用大舵角恢复。

当船向回摆动船艏时，船艏又在下一个波谷中艰难回旋，而艉部却被又一个涌浪前部狠狠拍击船艉舿部，由于海水涌上甲板，集装箱被轻轻浮起而产生位移，位移加上大幅度横倾，绑扎属具不堪负荷而断裂了。集装箱底部的扭锁也会在外界因素的作用下部分或许会解锁，集装箱变得不堪一击而发生联动，相互挤压，向倾侧向倒坍，最后坠海。

大风浪准确操纵才能避免坠箱事故的发生。“逆风舵角稍大，顺风舵角亦小。小浪过来及时转，大涌压来慢慢转，适当动舵可以遏制横摇幅度。”

所以根据集装箱船舶的操纵特性拟定的操作规程指导船长、驾驶员在大风浪的天气情况下使用手操舵来替代自动舵。

自动舵作为舵工的辅助设备而设，可以替代舵工的操舵工作。自动舵上有许多调节旋钮，标注了大风浪中的灵敏度调节和舵角设定的微分电路。但自动舵不会像人一样有模糊的工作特性，它只能听从驾驶员的设置程序工作。在顺浪航行时，船舶使用自动舵情况就不同了。

如果自动舵设置不准确，那么大风浪的操纵就可能出现程序性失误导致事故。

本文开端的案例就是因为船长、驾驶员过度信赖自动舵的功能而在大风浪中继续以自动舵方式航行。而且在使用自动舵时设置船舶大风浪航行的舵角限制的微分旋钮无论在逆风和顶风状态一直以大舵角纠正偏差，从而导致尾部的涌浪冲击驾驶台后的集装箱，产生了尾部集装箱倒塌的结果。而船长、驾驶员在集装箱倒塌后也没有追溯到自动舵的原因，未意识到自动舵并没有具备人脑的模糊思维有见机行事的能力。认为比斯开湾恶劣天气造成坠箱事故，以人力不可抗力的原因了断了索赔。

显然，人力不可抗力的确是主要原因，但船长、驾驶员过度信赖自动舵并不恰当的使用却是航海人员不规范操纵船舶的根本原因。

5 结束语

小船时代，船速比较慢，船舶抗风能力弱，为了避免船舶在大风浪过度的振动、摇摆、谐摇等需要改变一定的航向。而大型船舶，特别是大型集装箱船船速快，在大风浪船舶操纵中应该减速慢行，减少海水对船体的冲击。不要轻易改变航向，维持航向即行。

大型集装箱船舶在缓速的情况下顶浪航行为宜。顺浪航行时，船长、驾驶员应该以手操舵为主，即使要用自动舵也得事先调节微分电路，设置大风浪操作模式的“最佳”操作。但无论如何，在超过风力8级后应用海员良好的船艺以及船长、驾驶员的经验来判断当时的环境是否用手操舵还是自动舵。endprint