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冯振玉:遮蔽水域船舶的抗风级别(Z.2015.9)

新闻来源:中国船检    浏览量:345 冯振玉 2017-07-17
        上期谈了“国际国内气象衡准的抗风等级”,本期谈谈国内遮蔽水域船舶满足气象衡准的抗风级别。以舟山遮蔽水域为例,该地区的经济异常繁荣,加之有佛教圣地普陀山和金庸笔下桃花岛等景区的魅力,商人、游客纷至沓来,使岛屿之间的交通异常繁忙,航班需求的数量迅速增多。该地区的另一个特点是刮风天很多,六级风几乎是海上气象的常态。由于以前各类船舶没有人给出具体的抗风能力,致使港航责令停航的风力偏于保守,给人们的出行带来若干不便。2011年出台了“舟山水域客船抗风等级核定的原则和方法”(以下简称“原则和方法”),虽然禁航条件略有放宽,但依法规要求与所对应气象预报的实况进行分析,该“原则和方法”中某些规定还是值得探讨。
        气象预报风级风速与法规限定风级风速的关系
        我国是按世界气象组织(WMO)推荐的蒲福风标进行风级预报的,风力以海平面以上10m高处的风力为准。风速V(平均风速)与风级N的关系是:V=0.836N1.5(m/s);N=10(logV+0.0778)/1.5。海上风级、风速与波高的关系见表1.1。
表1.1  气象预报海上的风级对应的风速及波高
蒲福风级 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
风名 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
风速m/s
 
最小 0.3 1.6 3.4 5.5 8.0 10.8 13.9 17.2 20.8 24.5 28.5 32.7
最大 1.5 3.3 5.4 7.9 10.7 13.8 17.1 20.7 24.4 28.4 32.6 36.9
平均 0.9 2.5 4.4 6.7 9.4 12.3 15.5 19.0 22.6 26.5 30.6 34.8
波高 一般m 0.1 0.2 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 5.5 7.0 9.0 11.5 /
最大m 0.1 0.3 1.0 1.5 2.5 4.0 5.5 7.5 10.0 12.5 16.0 /
        在《国内航行海船法定检验技术规则》(以下简称法规)规定的完整稳性中,各航区的基准风压是以距离海平面6m高处的风压P6为准。考虑到空气为粘性流体,在同一时间内,不同高度h处的风速Vh沿垂向呈现梯度性分布。风速梯度系数Kh用Vh与6m高度处的基准风速V6之比来表达,即Kh=Vh/V6
        法规规定的各航区风压标准见表1.2,其中个别风压值已按曲线光顺的原则进行了修正。不同高度h处的风压Ph 与基准风压P6及风速Vh的关系为:
        Ph= kh2P6=0.7356Vh2(Pa);
        Vh=(Ph/0.7356)0.5(m/s);
表1.2  各航区规定的标准风压与风速汇总表
项目 距海平面高度h(m)、风压Pi(Pa)及风速梯度系数kh 基准风压对应的风速m/s
风压中心高 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0  6.0 ≥7.0 法规值V6 气象预报值V10
远海航区P1 829 976 1099 1185 1249 1302 1347 42.1 42.8
近海航区P2 453 534 601 648 683 712 736 31.1 31.6
沿海航区P3 227 267 301 324 342 356 368 22.0 22.3
风速系数kh 0.798 0.866 0.919 0.954 0.980 1.000 1.017 V10=k10V6
        若将各航区的基准风压换算成气象预报的风级,可以用表1.2中各航区对应的平均风速V10在表1.1中进行插值, 其结果分别为13.8级、11.3级和8.9级。但抗风需要覆盖风级的全部风速,故最终预报应按表1.1各级风的最大风速进行插值,最大风速的插值结果分别为13.3级、10.8级和8.4级。另根据气象预报的风级全是整数,故K=1时可抗气象预报阵风的级别分别是:远海航区13级,近海航区10级,沿海航区8级。当K>1时,抗风级别有可能会提高,但具体要按下述3.2进行计算后才能预报。
       “原则和方法”存在的问题
        在“原则和方法”中,有如下的规定:
       “对客船和客滚船的完整稳性、系固均符合远海航区标准,如其横摇角按遮蔽航区进行计算,突风风压按照9级对应的平均风速上限的1.5倍计算的K值不小于1.0,则可按以下确定航区风级:
        1) 对国内法规已经明确的舟山地区的遮蔽航区内,如结构强度满足近海航区标准,则可核定船舶的抗风等级为9级,但限制航行浪高不超过2.5m。
        2) 对国内法规已经明确的舟山地区的沿海航区内,如结构强度满足远海航区标准,则可核定载客不载车时的抗风等级为9级,但限制航行浪高不超过2.5m。如果客滚船同时也载运车辆,开航时的风级不得超过蒲氏8级。
        显然,“规定”存在一些问题。
        一是再行校核的基准点有错。对于“完整稳性符合远海航区标准”的船舶,其抵抗的极限风压的能力至少也为P=1302Pa。而9级平均风速是22.6m/s(见表1.1),其1.5倍风速是33.9m/s,换算风压为P=845Pa,小于远海航区1302Pa的基准风压。随着风压的降低,其风压倾侧力臂ℓf也会减小,按照气象衡准数K=ℓq/ℓf的公式,在ℓq不变而ℓf减小时,其K值将会增大。也就是说,满足远海航区气象衡准数的船舶,肯定会满足“9级对应的平均风速上限的1.5倍计算”的气象衡准,故该项核算是毫无意义的。
        二是没有明确K值的大小与抗风等级的关系。法规规定的气象衡准数是K≥ 1。 K=1与K>1的船舶都满足了法规要求,但它们的极限抗风能力是不同的。如此一刀切地限定9级风,肯定要制约某些船舶运力的发挥,往往会造成资源的浪费和旅客出行的不便。例如:满足远海航区完整稳性时,即使K=1,按最大风速换算其极限抗风能力也不低于13.3级,现限令其营运的风力仅仅是9级,降低抗风能力超过4级,未免过于保守。对于K>1的船舶,该限令会显得更加保守。
        三是将结构强度提高一个航区标准来限制浪高是难以操作的。因船舶建造规范并没有明确其结构标准所对应的浪高。对于营运船舶,在大修之前还允许有结构腐蚀极限,新船用到腐蚀极限前夕的各个时间段,几乎无法找出其结构状态与浪高的对应关系。如果结构强度提高一个航区标准的船舶才允许按文件限定浪高出航,那么,符合原航区结构标准的船舶,又应怎样去限定其营运的浪高呢?结构规范对航区的修正,贯彻着绿色节能的精神。现人为地再去提高标准,既否定了规范原规定的条款,也扼杀了规范的绿色精神,实不相宜。
        满足气象衡准数K可以预报的抗风能力
        按K=1进行大致的预报。抗风级别的预报,要针对气象预报阵风级别的最大风速来插值,因气象预报风级都是整数,故插值出的风级只能取整,舍去小数。所谓大致的预报,就是不考虑K>1时抗风能力的提高,而只是按K=1预报航区船舶的可抗风级(具体方法见前述1.2.3)。
        按K>1进行实况预报。当K>1时,表明船舶可抗的风级可能会高于法规所设定的风级。但因各航区设定的基准风级不同、计算参数不同,若想预报超出原航区设定的风级限制,则必须按法规规定的计算程序进行插值校核之后才能决定。该项校核可以分为详细计算和简单计算两种形式:
        1) 详细计算
        ①在上表1.1 中插值出想要抵抗阵风风级的最大风速Vm
        ②在法规“完整稳性”的系数C1图2.1.8上,查出现有航区和高一档航区的横摇角计算系数C11和C12
        ③在上表1.2中找出船舶现有航区和高一档航区设定基准风速V61和V62
        ④将③找出的2个风速V61和V62与②查出的C11和C12相对应,再用Vm从中插值出新的横摇角计算系数C1m
        ⑤用此C1m按规定的后续步骤求出最小倾覆力臂ℓq
        ⑥ 将该级最大风速Vm换算成法规6m高处的基准风速V6=Vm/1.017
        ⑦按表1.2插值出船舶风压中心处的风速梯度系数Kh,求出该中心处的风速Vh=KhV6
        ⑧求出该船重新校核的计算风压Ph=0.7356(KhV62
        ⑨按此新的风压Ph计算风压倾侧力臂ℓf
        ⑩计算K=ℓq/ℓf,只要K值不小于1,就满足了想要抵抗阵风的风级要求。
        2) 简单计算
        ①如需要将航区可抗阵风的标准提高2级校核,可以简单地直接按高一级航区的标准进行校核,只要K≥1,就满足了可抗阵风提高2级的预报要求。
        ②如需要将船舶航区的可抗阵风的标准提高1级校核,可按法规的图2.1.8及表2.1.5插出两航区的中间值CX及PX,再进行后续的计算,最终只要K≥1,就满足了可抗阵风提高1级的预报要求。
        由于在相临航区之间所设定的基准风级相差均不小于2级,故按上述的简单计算,其结论都是偏于安全的。
        3) 简易判断
        作为提高抗风级别的简易判断,只有各种装载工况的气象衡准数均满足K>1.4时,才有提高一级抗风能力的可能性;只有当所有工况都满足K>2.0时,才有提高两级抗风能力的可能性。
        进行极限风级预报的可行性
        按3.2进行K>1的预报,实质是按新的风级再行逼近K=1的预报,K=1的抗风级别系理论上的极限风级。因气象衡准数计算的本身就是应用“确定性力学分析法”,既然法规规定允许K=1,按此值解析出的确定性答案进行预报应是无可非议的。况且,安全本身就没有底限,过多保守的考虑缺乏可信的依据。那些纯属人为因素的隐患,即使限令再行保守,也是不可能杜绝的。
        众所周知,气象衡准数只与风力有关,结构强度只与波浪力有关。对于船舶的抗风能力,应依据气象衡准数的大小去判定,不宜随意地追加限令。对于遮蔽航区,其风浪的威力要比外海减弱很多,过度保守的限令,相当于强制取消航班,既浪费了社会资源,也给交通带来某种程度的不便。实际上,很多渔船8、9级风时还在外海坚持作业呢。
        SOLAS公约Ⅱ-1章有“主管机关如考虑到航程的遮蔽性及其条件,认为实施本章的某些要求为不合理或不必要时,对悬挂该国国旗,并在其航程中距最近陆地不超过20n mile的个别船舶或某些类型的船舶,可免除这些要求”的规定,舟山地区航行的船舶,完全符合公约指出的该项特点,应认真地给予考虑放宽,至少不应再额外地提高门槛。另《2008年国际完整稳性规则》没有航区的限制,满足该衡准时,最低也可抗无限航区的10级风。对于远海航区的船舶,《国内法规》规定可以直接引用《2008年国际完整稳性规则》,若是在遮蔽航区引用,当然更有安全裕度,且不会有什么担当责任的风险。
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