基于SOLAS 公约体系的国际船舶破舱稳性发展综述

张 伟 乔薛峰 高晓磊 孙明宇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引 言

随着经济全球化和国际贸易的不断发展，国际海运也蓬勃发展起来。目前，国际海运已占到全球贸易的90%以上，对全球经济发展起着至关重要的作用。船舶在航行中可能会发生船体破损事故，从而导致船上人员生命安全受到威胁，并造成财产损失以及环境污染等问题。由于船体破损事故往往会造成严重后果，所以引起了国际社会对船舶航行安全意识的不断增强，相关规范也随之不断发展和完善。

1 近年海损事故统计数据

船舶在海上航行时会发生各种海损事故。英国劳氏船级社对2000—2010 年间发生的船舶海损事故进行了统计[1]，如图1 和图2 所示。

图1 2000—2010 年间发生的船舶海损事故（按船型）

图2 2000—2010 年间发生的船舶海损事故（按原因）

由统计结果可知，接近一半的海损事故是船舶沉没（约占49%，通常是船体破损后进水导致），而通常船舶沉没造成的危害十分严重。为应对该问题，国际海上人命安全公约（international convention for safety of life at sea, SOLAS）于1914 年首次被提出。破损事故同时推动了相关规范的产生和发展，而规范的不断发展和完善也对破损事故的预防起到了决定性作用。自SOLAS 公约被提出后，破损事故已明显减少。据英国劳氏船级社海损事故统计，在1910 年，平均每100 艘船中就有1 艘发生海损，而2010 年则降低到平均每670 艘船才有1 艘发生海损。由于破损事故占了海损事故的大部分，因此也可认为破损事故的发生概率大幅降低了。

2 基于SOLAS 公约体系的破舱稳性规范发展

船舶破舱稳性已经历超1 个世纪的发展。1889年，在美国华盛顿举办的国际海运会议[2]对船舶破舱稳性进行了首次尝试。其规定客船需要设置足够数量的舱壁，以确保当任意2 个相邻舱室进水时，船舶依然能够保持足够的稳性。其本质是要求客船可以保证具有两舱不沉的分舱标准。

2.1 泰坦尼克号和SOLAS 1914

2.1.1 泰坦尼克号

泰坦尼克号是隶属于英国白星航运公司的1 艘奥林匹克级邮轮，全长约269 m，是当时世界上体积最庞大、内部设施最豪华的邮轮。泰坦尼克号是按照两舱不沉的分舱标准来设计的，可以在任意2个相邻水密舱室破损进水的情况下仍然具有足够的稳性。因为当时没有人能够想象有比2 个相邻主舱室舱壁处破损更严重的情况，所以泰坦尼克号在当时也被认为理论上是“不可沉没”的。

然而就在泰坦尼克号从英国南安普敦出发驶往美国纽约的处女航中，让所有人都意想不到的事发生了。1912 年4 月14 日，泰坦尼克号在全速航行状态下与冰山相撞，造成右舷艏部至船舯部分船体破裂，导致海水迅速涌入艏部6 个水密舱室，并最终于次日凌晨在船体断裂成两截后沉入大西洋海底。泰坦尼克号的沉没最终导致船上搭载的2 224 人中，1 514 人不幸罹难。

2.1.2 SOLAS 1914

为应对泰坦尼克号沉没带来的挑战，以英国为首的13 个主要航运国召开会议，并于1914 年1 月20 日签署了《1914 年国际海上人命安全公约》（SOLAS 1914）。该公约本应于1915 年7 月1 日生效，但因第一次世界大战爆发，导致该公约并未生效。

SOLAS 1914 关于破舱稳性的规定适用于国际航行且载客超过12 人的机械推进商船[3]。其关于破舱稳性的要求主要是规定船舶的分舱标准，并通过可浸长度和分舱因数来确定单舱最大长度。其中分舱因数取决于船长和船舶类型，其值在0.34 ~ 1之间变化。分舱因数和分舱标准之间的对应关系为：分舱因数F≤ 0.5，两舱不沉；分舱因数F＞ 0.5，一舱不沉。

除此之外，考虑到船舶首部撞击和触底的破损情况，SOLAS 1914 分别额外对船舶首部区域和船底部区域给出了相应的特殊要求。对于船舶首部区域，要求对于不同的分舱因数和船长的船舶进行适当的区域分舱；对于船底部区域，则要求船舶在合适的位置设置适当的双层底。此外，SOLAS 1914还要求船舶在合适的位置设置防撞舱壁、尾尖舱壁以及机舱前后舱壁。

SOLAS 1914虽然对船舶分舱设置了一些规定，但是其在衡准破损时只考虑破损后的浮态，而没有对破损后的剩余稳性进行衡准。在某些特殊的情况下，船舶可能会出现限界线并没有浸没但稳性并不富裕的情况，所以仍然需要对船舶破损后的剩余稳性进一步研究和修订。

2.1.3 泰坦尼克号可浸长度曲线

结合SOLAS 1914 的规定，分析泰坦尼克号的破损情况。其由15 个横向水密舱壁分割成16 个主要舱室，如图3 所示。

图3 泰坦尼克号舱室划分

由图4 所示泰坦尼克号可浸长度曲线[4]可知,虽然其为两舱不沉船舶，但实际上大部分区域更接近三舱不沉，艏部区域更是满足四舱不沉。

图4 泰坦尼克号可浸长度曲线

然而由于与冰山猛烈碰撞，导致泰坦尼克号艏部6 个舱室进水，超出了其承受破损的能力，最终导致沉没。

2.2 SOLAS 1929、SOLAS 1948 和SOLAS 1960

2.2.1 SOLAS 1929

相较于SOLAS 1914，于1929 年通过的SOLAS 1929 在第1 版的基础上进行了相应的修订。对于分舱标准，其规定分舱因数F可以小于0.34，此时船舶应具有三舱不沉的能力[5]。对于艏部分舱以及防撞舱壁等的特殊要求，SOLAS 1929 也进行了相应调整。此外，SOLAS 1929 还引入了内部结构对破舱稳性影响的规定。对于凡拟装设足够密性的甲板、内壳板或纵舱壁以严格限制水流动的船, 在计算中对涉及此类结构的有利或不利影响均应考虑并使主管机关满意，这主要是为了避免类似爱尔兰皇后号远洋客轮沉没的事故再次发生。该船于1914 年5 月29 日与1 艘船舶相撞后，在圣劳伦斯河沉没。尽管其内部设置了一定数量的水密舱壁,也携带了足够的救生艇，但其仅在14 min 内就倾覆沉没，最终导致船上1 477 人中的1 012 人丧生。调查结果显示该船内部纵向舱壁的存在加速了横倾，从而导致船舶快速倾覆沉没。

2.2.2 SOLAS 1948

SOLAS 1914 和SOLAS 1929 虽然提出了相关的破舱稳性要求，但并没有对破损后的剩余稳性提出要求。为应对这种缺陷，SOLAS 1948 除了对船舶的分舱提出相应要求以外，也首次对船舶在规定的破损后剩余稳性提出了具体要求。

首先，SOLAS 1948 规定对于分舱因数F＜0.5的船舶，需要考虑相邻的2 个主舱室破损，而对于分舱因数F ＞0.5 的船舶，只需要考虑1 个主舱室破损。相应的舷侧破损范围规定如下：

纵向： min（3%L+3.05, 10.67）（L为计算船长，m）；

横向：B/5（B为船宽，m）；

垂向：从双层底向上至限界线。

对于船舶破损后的剩余稳性要求[6]则为：对于对称破损，要求剩余稳性高度大于0；而对于不对称进水，则要求横倾角一般不大于7°（特殊情况下不大于15°），而且限界线不允许被浸没。此外，在SOLAS 1948 中，横贯进水装置以及进水中间状态的概念也首次被提出。

2.2.3 SOLAS 1960

SOLAS 1960 对船舶破损情况及破损后剩余稳性的衡准[7]进行了一些调整。首先，对于分舱因数F≤0.33 的船舶，要求考虑相邻的3 个主舱室破损；对于分舱因数0.33 ＜F≤0.5 的船舶，要求考虑相邻的2 个主舱室破损；而对于分舱因数F＞0.5 的船舶，只需考虑1 个主舱室破损。另外，SOLAS 1960对舷侧破损范围的垂向范围进行了重新规定，要求从基线以上向上无限制；而对于破损后的残存稳性，则要求对称破损的剩余稳性高度大于0.05。

2.3 A.265（VIII）

德国的WENDEL 教授于1960 年在其所发表的论文中首次提出“船舶破舱稳性的概率性方法”这一概念。他描述了基于破损事故统计数据的破舱稳性替代方法。在WENDEL 教授和其他一些学者的研究工作基础上，IMO 于1973 年通过了A.265（VIII）。这是IMO 对概率性破舱稳性的首次尝试，新规范的制定原则是保证其安全水平基本上与SOLAS 1960 的要求相当。

2.3.1 概率性方法

新的概率性方法之所以被引入是因SOLAS 1960存在一些问题。首先，SOLAS 1960 中关于客船分舱和破舱稳性的规定是基于1913—1914 年召开的第1 次国际安全会议期间的研究结果制定的。这些研究主要发生在1912—1924 年，而且研究也是基于当时存在的船型开展的。所以SOLAS 1960 并没有考虑过去50 年在船型设计方面的显著改变， 一些既有的确定性方法已失去了实用意义。此外，随着关于船舶破舱稳性研究工作的广泛开展，也逐渐发现既有的确定性方法存在一些缺陷。

此概率性方法的原理[8]是基于概率性的原理规定船舶要求达到的分舱指数R和分舱指数A的计算方法，并要求A≥R。为确定R和A的计算方法，在规范制定的过程中主要利用了包括破损位置、破损尺寸、海况和其他信息的船舶碰撞海损报告，包含航行吃水和渗透率等信息的航行报告、2 艘破损船舶在波浪中的模型试验，以及为了分析船宽型深比影响而进行的若干补充模型试验。

2.3.2 要求达到的分舱指数R

考虑到提升船舶安全级别的同时，又要保证规范能够在避免过度牺牲经济或服务代价的前提下实施。R的公式是由对新船整个分析样本中得到的A值取中间值所得，由此基本可以保证一半的现有船舶仍能满足新规范的要求。根据统计发现其与载重线船长和船上人员数量相关，具体公式见式（1）：

式中：Ls为分舱长度，m；N为船上人员数，N=N1+2N2（其中：N1为救生艇可供使用的人数；N2为船舶在N1以外允许载运的人数）。

2.3.3 达到的分舱指数A

基于概率性的思想，达到的分舱指数A是由将所有对分舱指数有贡献的破损组合的破损概率乘以破损后的残存概率所得到的值相加得到，参见式（2）：

式中：a为计入舱室在船长方向位置的破损概率；p为评估纵向破损范围的变化对破损概率的影响；s为评估进水最终平衡阶段的干舷、稳性和纵倾的影响，即破损后的残存概率。

破损概率需要同时考虑a和p的影响，即等于ap。其是在基于一些简单化假定并结合一定破损统计数据的基础上得到的。破损统计数据[9]为向政府间海事协商组织（intergovernmental maritime consltative organization, IMCO）上报的811 组破损信息，其中包含296 组被撞船的船长、船宽、破损位置、破损长度和破损深度等数据。根据破损统计数据分析，分别得到了破损位置分布和破损长度分布密度，如图5 和图6 所示。

图5 破损位置分布密度

图6 破损长度分布密度

破损后的残存概率取决于吃水、初稳性高GM、破损舱室渗透率以及环境条件等因素。为确定船舶倾覆时波高和相关因素之间的关系，英国和美国分别进行了相应的模型试验研究工作，最终的模型试验结果显示了临界有义波高与GM以及干舷之间的关系，如下页图7 所示。

图7 临界有义波高与GM 以及干舷的关系

实际上，临界有义波高可以由GM和干舷的关系式表示。

此外，根据统计的被撞船舶的海况报告，得到了有义波高分布曲线，如图8 所示。

图8 有义波高分布曲线

船舶在一定GM和干舷条件下破损后残存的概率实际上就等于有义波高分布曲线上有义波高不超过临界有义波高（与GM和干舷相对应的值）的概率。所以船舶破损后的残存概率可以由有义波高分布曲线得到。在具体计算时，考虑到船舶运营的各种情况，破损后的残存概率s是由规范规定的3 个中间状态吃水加权得到的。

除了要求A≥R以外，考虑到纯粹的概率性方法在某些情况下可能会导致船舶设计出现一些不可接受的缺陷，新规范中也包含额外的关于分舱和破舱稳性的确定性要求，以求达到和SOLAS 1960近似相同的安全标准。

1975 年通过的SOLAS 1974 正式将A.265（VIII）引入，并将其作为确定性破舱稳性的替代方法。虽然全新的概率性破舱稳性方法被引入，但是由于当时概率性破舱理论研究和船舶破损统计数据的相对匮乏，人们对概率性破舱稳性方法仍缺乏足够的信心，因此在具体应用时，确定性方法仍然优先于概率性方法。

2.4 MSC.19（58）

直至SOLAS 1974，关于破舱稳性的规定仍然只限于客船，对于货船并没有相应的要求。IMO 在1990 年通过了MSC.19（58），其在之前SOLAS 公约的基础上增加了B-1 部分，首次对货船的破舱稳性提出了相应的要求[10]。该部分适用于船长超过100 m 的货船（在MARPOL、IBC、IGC、SPS、ICLL 及其他规范中有特殊规定的货船除外），并规定了货船破舱稳性的概率性方法。

货船的概率性方法仍然采用和A.265（VIII）相同的破损统计数据。不过考虑到货船与客船不同，MSC.19（58）相对于A.265（VIII）有一些改动。比如采用两吃水（即最深分舱吃水和部分吃水）作为初始工况，并且要求达到的分舱指数R的计算公式也与客船不同，且只与分舱长度有关，见式（3）：

除此以外，在破舱稳性计算过程中还考虑了水线以上水平分隔的影响，而且破损后的残存概率主要采用平衡净倾角、最大正复原力臂和正复原力臂范围这3 个参数来衡量。相比于A.265（VIII），货船概率性方法并没有额外的确定性破舱稳性要求。

之后，IMO 在1996 年通过MSC.47（66），并将MSC.19（58）关于货船概率性破舱的适用范围扩展到80 m 及以上的货船。对于船长大于100 m的货船仍采用式（3）计算R，而对于船长为80 ~100 m 的货船，则另外规定了R的计算式：

式中：Ro为由式（3）计算得到的相应R值。

3 客船和货船破舱稳性的统一

3.1 统一的原因

在货船的概率性破舱稳性规定MSC.19（58）被提出后，IMO 开始讨论再次修改客船确定性破舱稳性的必要性。因为当时关于货船的破舱稳性基于概率性方法，而关于客船的破舱稳性则基于确定性方法。虽然关于客船也提出了基于概率性的方法，但其只作为替代方法，而且在应用时确定性方法优先于概率性方法。经过研究和讨论，IMO 最终的结论是对客船和货船应该采用统一的基于概率性方法的破舱稳性，而不是再次修改已有的客船确定性方法。

3.2 欧盟委员会HARDER项目

欧盟委员会于2000—2003 年开展的HARDER项目，旨在统一规范和设计原理，开发对客船和货船都适用的概率性破舱稳性方法。在实施过程中，HARDER 主要采用破损统计数据、数值模拟及模型试验等方法对船舶破舱稳性进行了系统研究。

相对于A.265（VIII），HARDER 包含了一些由各船级社及组织统计的截至2000 年的最新海损事故。当时最终的数据库总共包含各类海损事故2 946 起，其中930 起事故与船舶碰撞相关，具体数据如表1 所示[11]。

表1 所有类型海损事故数据来源

3.3 综合安全评估

新的统一的概率性破舱稳性方法基于风险分析，其符合IMO 的基于风险分析的评估方法，尤其是综合安全评估。一般来说，船舶破损可能会危及船上人员安全，造成船舶自身及其货物等财产的损失，同时危害到海洋环境。船舶破损后可能造成的后果主要取决于船舶的类型以及尺度，而其影响的相对权重需要采用综合安全评估的方法进行。[12]

图9 显示了基于不同破舱稳性要求而对船舶和法规进行的分类。

图9 基于破舱稳性要求的船舶和法规分类

在第1 个层级，首先根据船上人员危害的风险控制将商船进行分类。因为对船上人员危害的程度不同，货船和客船首先被区分开来。然后，再根据破损后可能造成的不同后果将货船分为干货船和液货船。干货船可能会导致船舶自身及其货物等财产的损失；而液货船则还可能会对海洋环境造成严重的影响，而且该影响所造成的后果甚至会超过船舶自身及其货物等财产的损失。

为了得到统一的客船和货船破舱稳性，需要对不同类型船舶破损后可能造成的各种后果（如船上人员危害、财产危害和海洋环境危害等）都采用统一的定量经济损失的形式来衡量。由此，不同类型船舶破损后造成的后果就可以直接按照综合安全评估程序进行相互比较。尽管此评估方法颇受争议，但它使统一客船和货船（在MARPOL、IBC、IGC、SPS、ICLL 及其他规范中有特殊规定的货船除外）的破舱稳性工作得以实行。

3.4 统一的客船和货船破舱稳性

在HARDER 项目及其他研究结果的基础上，IMO 于2005 年通过了MSC.194（80）[13-14]，其中对客船和货船的破舱稳性进行了统一修订，规定了统一的基于概率性方法的客船和货船破舱稳性要求。

对于要求达到的分舱指数R，新规定对客船以及分舱长度100 m以上的货船与80 ~ 100 m的货船，分别给出了以下计算公式。

对于分舱长度大于100 m 的货船：

对于分舱长度为80 ~ 100 m 的货船，仍采用公式（4），但Ro应采用式（5）计算得到。

对于客船：

对于达到要求的分舱指数A，客船和货船在计算中都是采用三吃水（即最深分舱吃水、部分分舱吃水以及轻载航行吃水）作为初始工况，并且破损后的残存概率都采用平衡净倾角、最大正复原力臂以及正复原力臂范围这3个参数来衡量。但是对于残存概率的计算，客船和货船还是有些不同：比如对于货船，只需要考虑进水平衡后的最终状态；而对于客船，则还需考虑进水中间状态的衡准情况。

此外，类似于A.265（VIII），统一的破舱稳性方法仍对客船增加了额外的确定性破舱稳性要求。

4 统一后的概率性破舱稳性发展

统一的概率性破舱稳性方法自提出后就备受争议：有人怀疑统一的概率性破舱在某些方面并没有提供与确定性破舱相同的安全等级；有人认为对于客滚船车辆甲板进水的特殊情况在SOLAS 新规范的破舱稳性中并没有特别考虑；还有人认为需要提高要求达到的分舱指数R，以保证更安全的设计。为了更深入分析和理解船舶破舱稳性问题，欧盟委员会随后在这方面组织并开展了相关研究。

于2005—2009 年开展的SAFEDOR 项目主要研究采用基于风险分析的船舶设计理念以降低风险。SAFEDOR 的研究结果显示：对于邮轮和客滚船，那些可以被采用确定性破舱设计的船所保护的危险破损情况，却可能在采用概率性破舱设计的船中遭受危险。因此为了完全应用概率性破舱，应该显著提高邮轮和客滚船的破舱稳性要求。

另一个于2009—2012 年开展的GOALDS[15]项目则旨在解决2 个主要问题：一是对于将破损后残存概率的计算公式应用于那些对稳性要求很敏感的船（如大型邮轮和客滚船）时，存在严重的担忧；二是当前破舱稳性只考虑了船舶的碰撞破损，但根据统计结果显示，触底破损也很重要，尤其对于客船。通过开展GOALDS 项目，更新了碰撞和触底事故数据库，发展了1 个改进的破损后残存概率的计算公式，并建议要求达到的分舱指数R应该在现有的SOLAS 2009 要求的基础上显著提高。另外，也发展了1 套全新的触底破损进水的残存模型。

上述欧盟委员领导研究工作的一些成果目前已经体现于最新规范对破舱稳性的要求中。2017年通过的最新破舱稳性要求MSC.421（98）[16]，在此前规范的基础上主要进行了2 个修订：一个是对进水最终阶段的残存概率公式进行调整；另一个是对客船要求达到的分舱指数R的公式进行调整，而且其值只与船上人员数N（与之前规范规定计算得到的N不同）相关，如表2 所示。

表2 客船要求达到的分舱指数R

5 结 语

基于SOLAS 体系的国际船舶破舱稳性规范发展至今已有100 多年，不仅积累了很多破损统计数据，而且破舱稳性的理论研究也取得了长足进步。但是，当前的破舱稳性规范仍存在很多需要研究和解决的问题，比如：随着破损统计数据更新而导致的破损概率分布的进一步更新和发展；内河以及沿海航运的发展也会给当前并非基于概率性的船舶触底破损衡准带来一些问题；未来是否会像第2 代完整稳性衡准对第1 代完整稳性衡准的颠覆那样产生全新的破舱稳性评估体系也未可知。

此外，随着科学技术的进步，国际航运市场可能会迎来一些全新的挑战。比如当前比较热门的无人智能船舶的发展，必然会对船舶破舱稳性的要求以及破损后的船舶响应提出新的挑战。

由此可见，船舶破舱稳性规范必然会随着时代的发展不断更新进化，最终满足不同时代人们对船舶航行安全的需求。