船舶气象衡准统一协调研讨

余 玮

(中国船级社 上海分社，上海 200135)

船舶气象衡准统一协调研讨

余 玮

(中国船级社 上海分社，上海 200135)

通过对我国在船舶完整稳性方面针对国际航行船舶和国内航行船舶执行的2种气象衡准的临界抗风能力进行计算与分析对比，对国内航行船舶的实际航线范围及稳性事故多发船舶的航区稳性进行统计分析，研究气象预报与船舶气象衡准风力之间的关系。在此基础上，提出国内航行船舶的稳性衡准可直接采用国际航行船舶适用的《2008年国际完整稳性规则》，这既能降低对远海航区船舶抗风等级的过高要求，又能减少沿海航区气象衡准要求偏低的安全隐患，使得船舶气象衡准法规的应用更加简便、合理，且有利于降低远海航区船舶的建造和运营成本，可取得良好的社会和经济效益。

船舶；完整稳性；气象衡准；临界抗风能力；航区

对于我国船舶完整稳性的要求，目前执行的是国际航行船舶的完整稳性标准[1]和国内航行船舶的完整稳性标准[2]。这2种衡准的数学模型和稳性衡准参数均不相同，但对抗风能力的要求均通过气象衡准数K的大小判定。国内气象衡准(以下简称《国内衡准》)将航区分为远海、近海和沿海(含遮蔽)等3类，国际气象衡准(以下简称《国际衡准》)因只有1个标准而没有划分航区。这里针对气象衡准K=1时的临界抗风能力，通过解析来阐述《国内衡准》与《国际衡准》协调统一的必要性。

1 气象衡准中风压与风速的关系

船舶气象衡准中风压与风速的关系同样是通过引用空气动力学的基础理论得到的，相关标准[3]中给出的计算式为

P=1/2Cmρv2

(1)

式(1)中：P为风压，kg/m2；Cm为船舶形状修正系数，一般取Cm=1.2[4]；ρ为空气的质量密度，取15 ℃时的ρ=0.125 1 kg·s2/m4；v为风速，m/s。

将确定的参数值代入到式(1)中并变换风压单位，可将风压与风速的关系简化为

(2)

式(2)中：P为风压，Pa；v为风速，m/s。

2 气象衡准中设定的风压

《国内衡准》设定的风压[2]由航区及风压中心距离海平面的高度确定。《国际衡准》设定的风压[1]不分航区：对于商船和船长≥45 m的渔船，风压取值是唯一的；对于船长<45 m的渔船，风压同样由风压中心距离海平面的高度确定。2种衡准设定的风压标准对比见表1。

表1 2种衡准设定的风压标准对比

3 风速梯度的影响

表1中的风压是根据风压中心高度的变化取值的。考虑到空气也是黏性流体，在同一时刻，不同高度处的风速(即空气流动的速度)不同，沿高度方向呈梯度分布，各高度处的风速vi与距离海平面6 m高处的风速v6的比值称为该高度处的风速梯度系数ki，即

ki=vi/v6

(3)

《国内衡准》对所有船舶都考虑风速梯度的影响，且各类航区的风速梯度均相同。《国际衡准》仅对部分小型渔船考虑风速梯度的影响，对商船和船长≥45 m的渔船均不考虑风速梯度的影响。2种衡准选取的风压、风速和风速梯度系数对比见表2。

由于2种衡准与天气预报对风力取值的标准高度不同，因此在转换时必须考虑风速梯度的影响。

表2 2种衡准的风压、风速及风速梯度系数对比

4 气象预报与2种衡准设定风力的关系

天气预报的风力将海面以上10 m高处的风力作为测量的标准[5],其风速与风级的关系[6]为

(4)

式(4)中：v为气象预报B级风的平均风速，m/s；B为气象预报的风级。我国天气预报的风级和风速[7]见表3。

表3 我国天气预报的风级和风速

由表3可知，各级风的风速都有一定的范围。当要预报的船舶可抵抗某级风时，须采用该级风最大风速对应的风压进行校核。

若以式(4)的形式进行反推，可得到表4中各级风的最小风速与最大风速的计算式为

vmin=0.836(B-0.49)3/2

(5)

vmax=0.836(B+0.49)3/2

(6)

式(5)和式(6)中：B为天气预报的风级；vmin为B风级时可出现的最小风速，m/s；vmax为B风级时可达到的最大风速。由式(5)和式(6)可知，某级风上下0.5级处的风速为该级风风速的区间。

在《国内衡准》中，以距离海平面6 m高处的风力作为气象衡准的标准，不同高度处的风力用标准风力经过梯度系数的修正来换算。气象衡准的标准风力与天气预报风力之间的风速梯度系数k10=1.017(如表2所示)。

在《国际衡准》中，小型渔船也以距离海平面6 m高处的风力作为标准，距离海平面≥6 m处的风速梯度系数k=1。商船和船长≥45 m的渔船在所有高度处的风速梯度系数k均为1。即《国际衡准》对船舶的风力标准与天气预报的风力标准是相同的，无需换算。

5 气象衡准的临界抗风能力

5.1临界抗风能力

临界抗风能力系指气象衡准数K=1的临界工况所对应天气预报的风力。此时可首先反推2种衡准距离海平面10 m高处的风压P，利用式(2)求出平均风速v，利用式(4)求出风级，将其减少0.5级后即为对抗天气预报临界抗风能力的风级。该临界抗风能力的级别对应于天气预报应是最大的阵风级别，而不是常规风级。[8]

5.2《国际衡准》的临界抗风能力

《国际衡准》规定的气象衡准数为K≥1，其数学模型见图1。依照图1校核K≥1的步骤如下：

1) 船舶受到一个垂直于中线面的定常风压的作用，产生定常风倾力臂lw1。

2) 假定在波浪的作用下，船舶由lw1的平衡角φ0向上风侧最大谐摇至横摇角φ1。

3) 船舶受到一个阵风风压的作用，产生一个阵风倾侧力臂lw2，且lw2=1.5lw1。

4) 面积“b”应等于或大于面积“a”，即b/a≥1，K=b/a。

在《国际衡准》的数学模型中，lw2与lw1的关系为lw2=1.5lw1，即阵风的风压P2与定常风的风压P1之间同样存在P2=1.5P1的关系。利用式(2)推出P2的平均风速v2，利用式(4)推出v2对应的风级B2，则N=B2-0.5即为可抗天气预报的临界阵风的风级。

图1 《国际衡准》数学模型

5.3《国内衡准》的临界抗风能力

按照前述的步骤，同样可求出《国内衡准》的临界抗风能力，其数学模型及推导过程这里不再阐述。

5.42种衡准的临界抗风能力对比

2种衡准的临界抗风能力对比见表4。

表4 2种衡准的临界抗风能力对比

6 气象衡准的临界抗风能力讨论

由表4可知，《国际衡准》的临界抗风能力为10.9级，与《国内衡准》中3个航区的临界抗风能力相比，其相比远海航区要求的13.3级低2.4级，相比沿海航区要求的8.4级高2.5级，相比近海航区要求的10.8级持平。《国内衡准》临界抗风能力高于或低于《国际衡准》的航区是否有必要继续设置是值得讨论的，其理由：

1)《国际衡准》适用航行于全球海域的所有船舶，包括我国船舶及《国内衡准》所划分的各类航区内的船舶。

2)《国内衡准》规定的远海航区可能是考虑距岸海况比较恶劣设定的。海况是指风和浪的大小，船舶要考虑风浪载荷的影响，其中，风载荷主要影响船舶稳性，而波浪载荷主要影响船舶结构强度。[9]由于我国周边海域海况的恶劣程度低于南非的好望角[10]和冬季的北大西洋，因此国内航行船舶的临界抗风等级要求高于国际航行船舶的临界抗风等级要求，无论是从技术层面还是经济层面看，都缺乏有力的论据支撑。

3)国内法规[2]规定：“对远海航区船舶，除双体客船、拖船、起重船和挖泥船外，如全部引用《国际航行海船法定检验技术规则》第4篇附则3的规定，则可等效代替本章2和3的所有要求。”该规定表明远海航区绝大多数船舶采用《国际衡准》是没有问题的。若要提高作业于远海航区的少数国内船舶的临界抗风能力，只要提高其风压等级即可，无需对其他船舶进行改变，这对节约能源具有重要的现实意义。

由表4可知，《国内衡准》规定沿海航区的临界抗风能力为8.4级，较《国际衡准》的临界抗风能力10.9级低2.5级。从历年的统计资料来看，稳性事故多发的船舶大多是满足沿海航区气象衡准要求的中小型船舶，特别是小型渔船。例如，在1999—2008年，全损的海洋渔船达1 245艘，其中因风灾而全损的685艘船舶的主机功率在45～146 kW[11]，皆为小型渔船，其气象衡准偏低是全损不可忽视的重要因素之一。因此，从降低小型船舶稳性事故发生概率考虑，采用《国际衡准》替代国内沿海航区的气象衡准也是很有必要的。

航区是指船舶营运作业的海域。国内船舶往返于国内各个港口，其航线均不会经过远海航区。因此，当年设定的远海航区(此时没有三沙航线)对国内航行的船舶并不具有普遍意义。

7 结束语

综上所述，与不限航区的《国际衡准》相比，分航区的《国内衡准》的要求是需要改进的，其中最实际的改进举措是将国内航行船舶的完整稳性直接与《2008年国际完整稳性规则》接轨。直接接轨的好处有：

1)可降低对远海航区船舶抗风等级的过高要求。国内船舶数量庞大，仅该项节能就可取得很好的社会效益和经济效益。

2)对沿海航区大量的中小型船舶适当提高抗风等级的要求，可对减少中小船舶的稳性事故提供更可靠的技术保障。

3)直接采用《2008年国际完整稳性规则》，具有去粗取精、删繁就简的特点。至于对少数船舶的特别要求，只要在风压等个别参数上予以适当的调整即可。

[1] 中华人民共和国海事局.国际航行海船法定检验技术规则[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2] 中华人民共和国海事局.国内航行海船法定检验技术规则[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3] 全国船舶标准化委员会.船舶风压计算：CB*/Z 301—1980[S].1980.

[4] 胡威.船舶稳性[M].北京：人民交通出版社,1998:17-18.

[5] 周执平.船舶的抗风等级[J].中外船舶科技,2002(4):16-18.

[6] 施国良，李建新.浅议海上船舶的抗风等级[J].船海工程，2002(6):5-6.

[7] 杨葆和.船舶设计实用手册(总体分册)[M]．北京：国防工业出版社，2013：34-35.

[8] 李家兴.限制船舶气象衡准与节能减排的关系[C]//北京：国家渔业船舶检验局.中国渔船装备技术发展论坛论文集，2012:159-164.

[9] 朱永娥，王方园，张高峰.中国海域计算有义波高的核定[C]//上海：中国船级社上海规范所优秀论文集，2006： 179-180.

[10] 董守礼.好望角及其邻近海域气象海况浅议[J].航海技术,2001(4):18-19.

[11] 孙颖士,李冬霄.中国渔船安全分析报告[R].北京：农业出版社,2009:1-47.

OnCoordinationofWeatherCriteriaofShips

YUWei

(Shanghai Branch,China Classification Society,Shanghai 200135,China)

Two different weather criteria are implemented in checking the intact stability of ships,one for ships of international voyages and the other for domestic ones.The anti-wind capacity corresponding to the critical withstanding wind is calculated from the two weather criteria,the statistics about the actual voyage coverage of domestic ships and the stability situation are analyzed in the areas where the stability-accident-prone ships navigate,and the relationship between the weather data and the wind power of the weather criterion is investigated.On the basis of the above work,it is proposed that the International Code on Intact Stability (2008) applied to ships for international voyages be used directly as the stability criterion for domestic voyage ships.This will not only decrease too high requirements for wind resistance of ships in the area beyond Greater Coastal,but also reduce the safety risks the existing weather criterion for domestic ships may cause.It also rationalizes and simplifies the application of the weather criterion and reduces construction and operation costs of ships for areas beyond greater coastal.

ship; intact stability; weather criterion; ability of critical withstanding wind; coastal area

U675.12

A

2017-02-25

工信部高技术船舶科研项目(工信部联装[2014]502号)

余 玮(1961—)，男，浙江宁波人，高级工程师，从事船舶结构建造检验和船舶结构设计研究。E-mail：812098320@qq.com

1000-4653(2017)02-0104-04