渔船安装球鼻艏的影响与安全风险分析

文/赵中榜

作者单位：中国渔业互保协会

球鼻艏是船舶设计水线以下艏前部近似呈球状的凸出结构，20世纪初被用于军舰。20世纪50年代，船舶行业开始对大型商船的减阻进行研究，经过一系列模型实验和理论研究发现，球鼻艏在一定航速和吃水范围内能减少5%的燃油损耗，球鼻艏的应用也因此逐步拓展到了中小型船舶中。

近年来，随着老旧渔船更新改造，新建钢质渔船越来越多。据统计，自2013年起，浙江省、福建省等渔业大省新建钢质渔船安装球鼻艏的现象越来越普遍。伴随着球鼻艏的普及，与之相关的渔船事故也逐渐增多。

一、球鼻艏的作用

球鼻艏设计的初衷是减小船舶阻力，但球鼻艏对船舶的阻力、操纵性、推进性、耐波性以及稳性都会产生一定影响（见图1）。

图1 典型带球鼻艏渔船侧视图

（一）对船舶阻力的影响

船舶在航行过程中，周围流体会产生与船体运动相反的作用力，即船的阻力，阻止其前进。

1.减小兴波阻力

船舶航行过程中在船艏和船艉各产生一组波系，每组波系包括横波和散波。横波大致垂直于航向，散波同航向斜交，船体供给船波起伏的能量占用了一部分推进船舶的功率，对船来说相当于在克服一定阻力，这种阻力就叫兴波阻力。

如果球鼻艏大小和位置选择恰当，在一定速度范围内，球鼻艏产生的波系与船体波系可产生有利干扰，合成波的波高将降低，兴波阻力将下降，船舶航行速度将提高。球鼻艏是否能减小兴波阻力与傅汝德数有关，傅汝德数是流体力学中表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参数。

2.减小舭涡阻力

肥大型船舶在航行时常常会发生埋首现象，这是由于船艏底部产生了大量舭部旋涡，此间损耗的能量所形成的阻力叫舭涡阻力，影响船舶前行速度。当肥大型船舶安装球鼻艏后可使水流近于径向对称流动，船艏底部不产生旋涡运动，从而减少埋首现象、降低阻力。

3.减小破波阻力

加装球鼻艏的船艏前倾，该处横剖面面积曲线的坡度和艏部水线进角减少，改善了船艏柱附近的压力分布，缓和了船艏破波情况，降低破波阻力。

4.增加形状阻力和摩擦阻力

由于球鼻艏本身以及球鼻艏与船体连接不光顺，会造成船舶航行时形状阻力增加，船体湿表面积增加，也造成摩擦阻力的增加。因此，安装球鼻艏的总体减阻效果取决于兴波阻力、破波阻力减少的程度以及形状阻力和摩擦阻力增加的程度。

对于散货船和油船等船体较宽的船舶，球鼻艏主要用来减少破波阻力；对于集装箱船舶等较瘦削型船舶，球鼻艏主要偏向于减少兴波阻力。根据相关文献，球鼻艏对傅汝德数在0.25～0.38速域的船舶具有明显减阻节能作用，英国船舶研究协会（BSRA）系列拖网渔船在较高速度范围内阻力减少11%，总功率降低约13%。

（二）对船舶操纵性的影响

操纵性是指船舶按照驾驶者意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变航速、航向和位置的性能，包括航向稳定性、回转性、转首性等。安装球鼻艏后，其消波效果使得船艏压力降低，回转中心后移，回转力矩减少，船舶回转半径增大，回转阻力增加。日本曾对红苍丸号客船进行实船试验，安装球鼻艏前回转直径为312m，安装球鼻艏后的回转直径增加为336m。

另外，有球鼻艏的船舶水下浸水面较无球鼻艏船舶的水下浸水面长，在相同条件下，船舶作旋回运动时，船体本身所产生的船舶虚惯性矩值较旋回阻矩系数有大幅增加，追随性指数的值也随之增大。追随性指数越小，操舵之后船体能快速改变艏向并进入定常回转，表示船舶的航向稳定性和跟从性好。反之，则对航向稳定性和跟从性不利。因此，有球鼻艏船舶的航向稳定性必然劣于无球鼻艏船舶的航向稳定性。在实际操纵船舶时，驾驶人员最直接感觉就是把定无球鼻艏船舶比把定有球鼻艏船舶容易。

船舶安装球鼻艏后，虽然对操纵性能有不利影响，但安装球鼻艏的初衷并非要改变操纵性能。也有相关研究表明，艏部形状对操纵性的影响并不显著。

（三）对船舶推进的影响

船舶推进主要是指螺旋桨为船舶提供动力，使船舶克服阻力向前航行。根据某船舶自航试验，安装球鼻艏以后，船舶螺旋桨的推进效率在静水中会得到一些提高。一是由于艏部压力降低，使推力减额降低；二是由于高速时伴流系数有所提高；三是尾部流场变得比较均匀，降低了伴流不均匀对螺旋桨的影响。

若船舶在波浪中航行，球鼻艏对推进性能反而不利，一般反映为推力与扭矩有所增加，螺旋桨效率有所下降。究其原因，一是波浪下阻力增大；二是安装球鼻艏后，船体的纵摇中心轴前移，船舶整个纵摇幅度可能减小，但艉部运动幅值有时反而会增加，导致螺旋桨效率下降；三是安装球鼻艏前后，波浪对它的相位角是不相同的，这种差异往往导致推进效率下降。

此外，有的渔船球鼻艏底部会安装艏侧推装置。渔船在进出港口、停靠码头时，艏侧推装置可大大减少调整船体角度所需的时间和空间。但渔船球鼻艏并不是安装艏侧推装置的必要条件，合理设计艏部型线，也可在不安装球鼻艏的前提下安装艏侧推装置。

（四）对船舶耐波性的影响

耐波性是指船舶在波浪中运动特性的统称，包括船舶在波浪中所产生的各种摇荡运动以及由这些运动引起的砰击、上浪、失速、螺旋桨飞车和波浪弯矩变化等特性。

安装球鼻艏后，增加了船体纵向惯量和纵摇阻尼，前者对船体纵摇不利，后者却能改善船体纵向运动。由于纵摇阻尼增加，在一定范围内，安装球鼻艏能减小纵摇幅度。日本造船学会会长、横滨国立大学教授竹泽诚二曾做过某船型的模型试验，结果表明，四级～五级风浪下安装球鼻艏能减小纵摇幅度，当海况风浪达到七级以上时，球鼻艏对于减小纵摇幅度没有效果。

不同船型的球鼻艏对纵摇的影响不完全相同，但对于增大横摇周期、减缓横摇频率有一定积极影响。根据上海交通大学船舶流体力学研究室对安装球鼻艏渔船模试验结果，球鼻艏可以使横摇无因次衰减系数增加3%左右，也能增加横摇运动附连水质量，增大横摇周期，在四级风浪时球鼻艏船舶的横摇幅值较普通艏船舶减小9%左右。

（五）对船舶稳性的影响

船舶因外力作用偏离其平衡位置而倾斜，当外力消失后，能自行恢复到原来平衡位置的能力，称为船舶稳性。初稳性是指船舶倾角小于10°～15°或上甲板边缘开始进水前的稳性，初稳性高（横稳性高）越大，抵抗倾斜力矩能力越大，船舶稳性更好。在船体下部安装球鼻艏，会使船体浮心位置下降，排水体积增加，横稳心半径减少，初稳性高降低（见图2）。由此可见，安装球鼻艏对于船舶的稳性并无明显的积极作用，甚至会对其稳性产生不利影响。

图2 某渔船总布置图

二、渔船安装球鼻艏实际存在的问题

由于没有统一的安装与建造标准，各船厂安装建造球鼻艏缺乏规范性，往往无法达到减阻节能的效果，反而提高了船舶建造成本，加重了碰撞事故中船舶损失程度，还可能间接造成越来越多的碰撞事故和触损事故发生。

（一）安装建造不规范

《钢质海船入级规范》《钢质海洋渔船建造规范》中均提到了球鼻艏，但仅仅提出了球鼻艏结构的加强方式，并未对球鼻艏的建造和安装标准提出更为具体的要求。因此，船厂在设计渔船球鼻艏时具有较大自主性和随意性。如图3所示，在浙江省某船厂即将下水的渔船安装的“刀片”状球鼻艏，并不能减小阻力，更像是一把水下匕首，在发生船舶碰撞事故或纠纷时，会给对方船舶造成严重破坏。

图3 浙江省舟山市某船厂“刀片”状球鼻艏

从船厂角度看，在图纸设计时，球鼻艏属于默认的船体结构，一般一个船厂的球鼻艏形状相对固定、工艺成熟，在建造新船时可以直接套用既有图纸，还可以展现船厂良好的技术和工艺，为船厂带来更多的经济效益。

从船东角度看，船东普遍认为安装球鼻艏的船艏较为美观，还增加了船艏的强度，在触碰码头、与他船发生纠纷或碰撞时，可有效保护船体。而且，目前的钢质渔船普遍安装球鼻艏，其中也有盲目从众的因素。

（二）达不到减阻节能的效果

球鼻艏的主要作用是减小兴波阻力，减阻效果与航速有关，只有航速大于某一值时，球鼻艏才会发挥其减阻作用，该航速称为球鼻艏的界限速度。界限速度对应的傅汝德数即为临界傅汝德数，一般要先判定船舶设计航速时的傅汝德数是否大于临界傅汝德数，然后才能决定其是否安装球鼻艏。对于不同方形系数的船舶，只有对应肥瘦、对应船长的船舶达到对应航速之后，安装球鼻艏才能达到减小阻力、节约燃耗的效果，否则只会增加阻力和耗能。

以浙江省沿海为例，近几年更新改造的主机功率147kW以上的渔船，绝大多数安装了球鼻艏，但未能取得节能效果，究其原因，一是渔船的设计航速达不到发挥球鼻艏作用的界限航速；二是渔船作业方式不宜安装球鼻艏；三是球鼻艏形状与渔船船型不配套。

1.航速

除围网船航速略高外，一般渔船不会超过12kn。以数量最多的船长20m以下小型渔船为例，其方形系数在0.55～0.65，航速多在7kn左右，适合安装球鼻艏的船型十分有限。大型渔船方形系数多在0.65～0.75，航速一般为10kn～12kn，适合装设球鼻艏的船型也较为有限，随意装设起不到预期效果。

2.作业方式

交通运输船多数时间能在设计航速下连续航行，球鼻艏发挥的效益具有持续性，节能效果明显。有些渔船的航速视作业工况需求而变化，时快时慢，以拖网渔船为例，若安装球鼻艏，30%的自由航行时间里，球鼻艏具有节能效果，保持在7kn以下进行拖网作业的时间占70%，期间球鼻艏却会增阻耗能。参考节能、耗能的时间比例，拖网渔船不应安装球鼻艏，但此类渔船在我国渔船数量中所占比例最大。类似的还有金枪鱼延绳钓船，也不适宜安装球鼻艏。

3.形状

按球鼻艏的形状进行分类，有撞角形、水滴形、梨形、圆筒形和S-V形等多种，不同形状的球鼻艏适合于不同船型。实践证明，球鼻艏的设计具有很大经验性，一艘船上的优良球鼻艏，改装在不同船型的另一艘船上，并不一定有降阻性能。只有通过船模试验才能确定其降阻效果。用船模试验去校正渔船球鼻艏的形状及尺度，需要专门科研项目才能实现，一般的设计或复制粘贴，很难取得节能效益。

（三）碰撞事故增多

很多渔船由于盲目安装球鼻艏，大大增加了其航行时的安全隐患。根据中国渔业互保协会有关统计，近年来，涉及渔船球鼻艏的碰撞事故不断增多，有的甚至因此造成重大损失。

2014年9月27日，“闽恒69”集装箱轮与“浙普渔68985”船在舟山海域交叉相遇发生碰撞，“浙普渔68985”船的球鼻艏致使“闽恒69”轮右舷货舱外板破裂，船舱迅速大量进水，最终导致该轮沉没，事故造成直接经济损失约1亿元左右。2015年3月27日，“鲁荣远渔896”船与“顺行8”船在西南大西洋海域航行时对遇，紧急避让过程中发生碰撞，“顺行8”渔船的球鼻艏将“鲁荣远896”船侧外板大面积划裂，船舱大量进水，导致“鲁荣远渔896”船沉没，事故造成直接经济损失3000多万元。

三、结语

球鼻艏在满足一定傅汝德数的条件下可以达到减小船舶兴波阻力的效果，但也会对船舶的操纵性、推进性、耐波性以及稳性产生一定影响，这些有利影响或是不利影响尚不完全明确。目前，对于渔船安装球鼻艏没有任何规范要求，在渔船球鼻艏实际设计与建造中，往往存在着较大的自主性、随意性、经验性、盲从性，导致球鼻艏安装建造不规范，达不到减阻节能效果，反而增加渔船安全隐患。

建议船舶检验部门进一步完善渔船建造规范，明确渔船安装球鼻艏的条件，严格相关的检验规则和标准。渔船设计和建造部门要做好相应宣传工作，不能盲目满足船东要求，对于不合理的安装需求应当予以拒绝。渔业管理部门要加强安全管理和船员培训，提高船舶驾驶人员的安全意识和技能，防止和避免重特大事故发生。