操舵试验风险分析

1分析

以上要求可以总结为以下几个试验条件：（1）最深航海吃水；（2）最大营运航速；（3）转舵平均速率要求。但是某些船舶（如散货船、大型集装箱船和LNG运输船等）试航条件无法满足最大航海吃水的要求，甚至舵叶可能处于部分浸没状态。为此，IACS（国际船级社协会）给出了变通的试验方案，但前提是须令主管机关或认可机构满意。事实上在最新的IACS统一解释和统一要求出台之前，部分船旗国对于船舶操舵试验就有特殊的要求，比如香港旗，就要求船舶在操舵试验中尽可能保证舵叶全浸没。因此，IACS统一要求和统一解释的出台，为船舶操舵试验的进行提供了有利的、合理的技术指导，同时一定程度上统一了操作要求，便于现场检验工作。

2IACS有关操舵试验的替代实施办法

IACS在2011年6月出台UISC246，专门就操舵试验的替代实施方案做出统一解释，相关内容被纳入URM42（Rev.4June2011）之中。IACSUISC246和IACSURM42的适用范围：2012年7月1日及以后签订建造合同的船舶。主要要求归纳为，如船舶不能在最大航海吃水条件下进行试验，可接受以下任一试验装载条件，但须征得主管机关或认可机构的同意：（1）舵在零航速水线下完全浸没且船舶处在一个可接受的纵倾状态；或（2）试验装载条件下的舵载荷和扭矩，已能通过可靠预测和推断得出满载条件下的舵载荷和扭矩。在上述任一条件下进行主操舵装置试验时，船舶的航速都应为主机所能提供的最大持续转速下的对应航速；同时，如采用可调螺距螺旋桨，则其螺距应为最大设计螺距。这时需考虑如下几个问题：（1）为保证舵叶全浸没，使风暴压载舱压满，是否合适？（2）如果舵叶可以全浸没，如何选择压载状态，保证操舵横倾角最小？（3）如果舵叶无法全浸没，须通过有效的手段建立起试验压载状态和满载状态下的舵效换算关系。舵效的主要因素是浸水面积和舵设计航速。值得说明的是：在舵叶未全浸没的状态下，舵所承受的载荷相对较小，操舵阻力较小，船舶回转半径增大，风险相对较小；相反，在舵叶全浸没的情况下，船舶外载荷相对满载状态较小，而舵效不变，船舶回转半径减小，风险相对增大，此种工况需要特别注意。但IACS对于舵叶全浸没的状态下，无舵效换算要求；因此，在操舵时间一定的情况下，舵效换算关系同风险控制无关，本文对此不作深入探讨。（4）主机额定功率对应不同装载状态下的转速应该也不同？明确装载状态-主机额定功率-最大持续转速-航速之间的对应关系。（5）操舵试验航速估算。当主机转速一定的情况下，建立航速和船舶装载状态的对应关系，以便于估算操舵回转横倾角。

3风险分析

本文以船舶定常回转理论为基础，对船舶操舵试验运动进行分析。船舶定常回转示意图见图1。

3.1操舵回转时的降速

船舶在操舵过程中，漂角增大，因而使船舶前进阻力增大，离心力的前进方向分量部分消耗了螺旋桨的推力，另一方面螺旋桨的工作条件改变，转速会略有下降，效率也会降低，造成船舶前进速度显著减小,其减小量可达初速的40%左右,称为操舵回转速降。

3.2操舵回转横倾角

船舶在操舵运动中，由于舵力和惯性力等不在一条直线上，形成绕x轴的力偶，因此会出现绕x轴的横倾，受力情况见图2所示，回转中的横倾角甚至可能引起翻船。我国海船稳性规范规定,在计算客船稳性时应考虑全速回转时的稳定横倾角。

3.3船舶操舵初速估算

对于不能在最大航海吃水条件下进行试验的船舶，在试验时需要核定船舶操舵时的初速。按IACS的要求，操舵初速应为主机所能提供的最大持续转速下的对应航速，即船舶主机处于额定功率状态。当主机额定输出功率一定的情况下，不同压载状态下的航速也会相应的发生变化，同时同环境载荷、纵倾状态及船舶航向等都有关系，航速同装载状态并不呈一一对应关系。

3.4操舵回转横倾角实例分析

以上述4.3节中57000DWT散货船为例，选择几种典型工况：试航压载，进出港压载，进出港风暴压载，轻均质货压载，重均质货隔舱压载，重均质货满载。以上几种压载状态基本上能反映船舶的几个典型压载状态，利用公式（1），可得出不同装载状态下的船舶全速操舵回转横倾角（表2）。其中风暴压载状态共两组，分别在三种初速下进行操舵，以评估横倾角对于初速的响应关系。从表2中可以得出以下几个结论：（1）操舵回转横倾角同船舶吃水之间不成反比关系。不是吃水越少，操舵风险越大；（2）在主机额定功率范围内，不同装载状态下对应的初速变化区间有限，相应的船舶横倾角响应范围不大（5°左右）；（3）相对而言，对船舶操舵回转横倾角影响最大的因素是船舶重心高度和初稳心高。从表2中可以发现，部分装载工况严禁满载全速操舵，有翻船危险。如轻均质货满载，其重心偏高，稳心低，操舵回转风险相对最大。而同样是满载的重货装载，由于重心低，稳心高，全速操舵风险较小，甚至出现内倾状态；（4）最大横倾角考量的是船舶所处的环境因素最不利的情况，包括风浪流等外载荷和舵力的耦合叠加作用。本文参照《船舶原理》取2倍定常回转横倾角，假设船舶进水角为60°（注：不同装载状态下进水角不同），如若操舵时机选择不利，表2前10个工况均有翻船风险。

险控制措施

根据操舵回转横倾角经验公式及实例分析结果，以下因素可能出现船舶倾覆风险：（1）大舵角回转时，突然回正舵或操反舵；（2）自由液面；（3）船上重物移动；（4）风载荷、波浪载荷和流载荷的横倾力矩同舵力矩叠加。预防措施和建议：（1）减少自由液面，防止重物移动；（2）选择合理的配载，尽可能降低重心高度KG，提高GM值；（3）在操舵试验要求允许范围内，全方位核定操舵初速，尽可能选择船速较低的方案。方案须有严格的模型试验数据支撑；（4）当风暴压载能保证舵叶全浸没时，除非主管机关有特殊要求，不建议在风暴压载舱满载状态下进行操舵试验。（5）正确选择操舵时机，避免外力和舵产生的横倾力矩叠加。避免顺风顺浪进行操舵试验；（6）合理分配公约要求的操舵时间、操舵速率。原则上舵角越大、横倾角越大，相应的操舵速率要求应该变缓。

5结语

一方面，本文基于IACS的统一要求和统一解释的相关内容，确定了等效全速操舵试验的原则和基本步骤。另一方面，本文基于理论分析，经操舵试验验证，对等效全速实船操舵试验进行了风险分析和评估。明确了压载状态的选取原则和初速的判定方法，并提出了若干降低操舵风险的措施。本文为等效全速操舵试验提供了一定的理论依据和试验基础。

作者：杨世知 张晓荃 郭凯 中国船级社江苏分社