大型集装箱船舶大风浪航行浅析海上集装箱运输开始于20世纪50年代，与普通货船相比，具有船速高，货运质量高，船舶周转快，装卸效率高等优点，在海运中发挥着重要作用。

然而由于集装箱船舶特殊的管理经营方式，船舶结构及载货系统，在大风浪中航行时难免会遭遇到特殊的风险。

本文从现代大型集装箱船舶的货物安全运输出发，结合船舶特点就其在风浪中各种航行状态进行分析并提出相应措施。

1 集装箱船舶概述1.1 大型集装箱船舶结构特点（1）由于集装箱可以承受一定的堆积负荷，船舶货舱内没有多层甲板设计。

上甲板设计为无弧度的平直形，以积载更多集装箱。

（2）为满足直上直下的快速装卸要求，舱口设计几乎与货舱同宽，为弥补这种结构对船体强度的不利影响，通常船体采用双船壳设计。

（3）为达到最大限度的积载要求，船首和船尾设计成外飘型，且多为中后或尾机型。

（4）集装箱船具有较大的压载能力（约占总载重量的30%—40%），以改善船舶稳性及各种装载状态下的中拱现象。

（5）由于班轮运输严格的交货时间，船舶设计营运速度快，且船舶整体设计为上宽下窄的流线型。

（6）为防止运输过程发生集装箱移位或倾覆事故，舱内采用格栅结构；甲板上集装箱、重量由舱盖和与舱盖同高的支柱支撑，且设计有绑扎系统将箱体与甲板连为一体。

1.2 集装箱简述集装箱为一种经专门设计的，具有适当尺寸，满足一定强度要求的可以重复使用的运输单元。

集装箱由框架结构，端壁，端门和侧门，侧壁，箱底和箱顶以及角件组成。

其中角件和角柱是承受集装箱堆码的主要构件，它们具有足够的强度，至少可以堆积8层满载集装箱的负荷，且以任何标准方法吊升时，可以承受箱内额定重量产生的重力。

1.3集装箱绑扎系统集装箱船舶建造时，根据各国船级社认可的建造规范并结合船舶的结构性能来设计集装箱船上的集装箱绑扎系统。

根据集装箱重量，层次，位置及船舶初稳性及所使用的绑扎设备的安全负荷等计算出船舶在运动中集装箱所受力及力矩值，从而确定应使用的绑紥设备的数量，最终设计出集装箱的绑扎系统。

集装箱的绑紥系统一般包括下列内容：（1）集装箱扎图，具体规定了各BAY的绑扎方法及绑扎用具，还规定了各箱位上积载不同尺度集装箱的绑扎要求；（2）集装箱堆积要求，在满足了IMO规定的航行瞭望时船首方向盲区不超过两倍船长的要求的情况下，考虑具体船舶的系固结构以及集装箱在船舶不同运动状态下的最大承受能力；（3）绑扎设备的规格及数量，規定了各种绑扎索具的尺寸，強度要求以及允許承受的最大应力；（4）初稳性高度的设定值，集裝箱的受力与初稳性高度直接相关，从而影响到集裝箱的綁扎方式，綁扎设备的数量和安全负荷的确定。

GM值大，船舶橫搖周期短，集裝箱运动加速度大，绑扎拉杆受突力比较大。

GM值小，船舶搖摆周期長。

2 大型集装箱船舶大风浪中航行的弊端随着造船技术和航海技术的不断发展，为了便于管理，减少单位箱量的运输成本及分摊的船员工资，集装箱船舶的大型化被越来越多的船公司接受，此类船舶尺度大，船速快，甲板上集装箱积载量大，且长期处于负荷满载状态，又多航行于远洋深海，所以难免会受到恶劣天气的袭击。

縂的来説，大型集装箱船舶大风浪中航行的弊端有以下几方面：(1)甲板上集装箱积载层数高，水线以上受风面积大，船舶在涌和浪的作用下产生横摇运动，风动压力形成的横倾力矩会增大船舶向某一舷的横倾角度，这对集装箱的绑紥系统产生负面影响，绑紥索具承受的应力会大幅度增大，尤其在遭遇瞬时大风时，绑紥索具所受突来外力可能超过其自身所能承受的极限应力，从而导致绑扎杆的断裂而发生集装箱坠海事故。

此外，风动压力会引起船舶自然失速及保向困难的现象。

(2)由于现代集装箱船舶多为尾机型或中后机型，船舶尺度大，为满足最大装货量的需求，船首过度外飘，而船尾又过度悬垂，所以在一般装载状态下，弯矩往往偏大，多处于中拱状态，在实际生産过程中，由于港序，配载，申报箱重不准，很难做到在水平方向上重量的合理分配，因而往往超出船体局部的许用应力。

航行在大风浪中，若船中处于波峰位置，中拱状态会进一步加剧，严重时会使船体断裂。

(3)甲板上箱位占总箱位的1/3—1/2，重心高度较一般船舶高，因此初稳性高度值较低，复原力矩小，大风浪中摇摆周期长，对船舶货物安全产生不利影响。

(4)由于集装箱船舶的配载工作多由岸上集装箱配载中心完成，他们在对配载图进行审核时，往往只考虑到水尺是否满载，稳性及强度是否达到IMO规定，而忽略了船舶的实际情况，其中包括船况，抗风浪能力，船员技术水平，绑紥系统，航次计划及海上多变的天气概况，而去盲目地去加载，堆积层数的增高加大了底层集装箱角柱的受力，船舶在风浪中摇摆时改变绑紥系统的受力状况，横摇角度变大时，大部分绑紥索具因所受应力远远超过其额定值而断裂，失去对集装箱的系固作用。

同时，底部集装箱角柱会因爲受力不平衡而断裂，进而发生海事。

(5)集装箱船舶多从事班轮运输，遭遇大风浪时往往不允许躲避而耽误船期，因此会经常受到恶劣天气袭击，进而对船体及货物造成损坏。

3 充分了解影响大风浪中操纵决策的因素大风浪中航行，必须对周围环境，本船状况，货载情况等因素有正确充分的了解和认识，据此才能做出正确决策，采取适当措施来保证船舶与货物安全。

3.1天气，海况：将当时实际天气海况，与预报结合起来，了解风浪的发展趋势，区域，持续时间长短，从而结合本船实际决定是否有必要区躲避。

根据下面两经验公式可大致估计浪和涌的高度：1）.浪高计算，大洋中对于充分成长的风浪，浪高可用下面公式计算得出：H = 0.0124Vo2 (1) 公式（1）中H为波高，单位为m. Vo为风速,单位为m/s.2）.涌高计算，涌浪在传播过程中，随传播距离的增加，周期增大，波高降低，在大洋中距离涌浪生成区300 n miles之内，涌高衰减不明显，在300 n miles之外，涌高Hs的变化规律可用下式表示： Hs= Hso(300/L)½ (2) 公式（2）中Hso为生成区涌高，单位m ，L为船舶与涌浪生成区的距离,单位n miles. 其中(300/L)½称为衰减系数。

3.2本船状况：本船主机，辅机，舵机运转情况，保向性，水密性，稳性情况（包括风浪造成的稳性损失），本船结构强度，排水能力等，考虑到货物安全，还应审核绑扎系统失效的最小横摇角度。

3.3货载情况：主要是甲板上集装箱的载运情况，包括总装载量，堆积高度，绑扎情况，集装箱的水密性，集装箱箱体强度等。

所以要求大副对本船集装箱装载状况是否符合大风浪航行要求做到心中有数。

此外，船舶所处地理环境，航次储备，船员技术水平及船期的要求也应考虑在内。

4 大型集装箱船舶在大风浪中的运动从船舶操纵角度看，一般认为风力在8级或8级以上，浪高6m以上的海况，相对于大型船舶属于大风浪航海环境。

大风浪海域航行时，船舶在波浪中的运动通常可以简化为六个自由度的运动，而与船舶安全密切相关且运动显着的是横摇，纵摇，垂荡和首摇。

它们共同作用在船体的结果是剧烈的摇荡运动，拍底，甲板上浪，尾淹，降速及航向不稳定等现象，不仅影响船舶的运营效率，甚至会造成船体结构损坏或倾覆事件。

下面将着重从上述四个运动的角度对大型集装箱船舶风浪中航行进行分析。

4.1横摇横摇的幅度是六个运动中最大的。

一般船舶在规则波浪中的强制横摇摆幅可以近似用下式表示：θ=αo÷1-(T R÷T E)½ (3) 式中：θ为强制摇摆周期幅度，单位为°，αo为最大波面角，单位为°，αo=180×H÷λ，（λ为波长，单位 m）。

T R为船舶固有横摇周期，单位 s ,T R=C×B/√GM。

C为横摇周期系数，货船一般取0.6 —0.8。

B为船宽。

T E为波浪周期,单位 s 。

由上式可知，船舶在波浪中横摇摆幅的大小除与最大波面角成正比关系外，主要取决于船舶自身的横摇周期与波浪周期的比值。

而船舶自身摇摆周期主要取决于船宽及初稳性高度GM。

GM值较大时，复原力矩大，船舶摇摆较快，甲板与波面时常保持平行，很少上浪，但船体所受惯性力比较大。

GM值较小时，复原力矩小，船舶横摇较慢，船舶易与波浪撞击，甲板上浪较多。

当GM在一定范围之内时，船舶固定横摇周期与波浪遭遇周期近似相等时，船舶摇摆最剧烈，横摇角度越来越大。

集装箱船舶由于严格的交货时间，即使在恶劣的海况条件下也必须高速行驶，为了提高船舶的航行速度，水线以下船体被设计成很窄的流线型，而为了装载更多的集装箱，水线以上船体却很宽，这样的设计很容易引起船体的进一步横摇。

这对集装箱的绑扎系统是一个挑战，当船舶摇摆角度加大时，所有甲板上装载的集装箱都会压向低舷一侧，集装箱角柱将承受更大的重量，绑扎索具（包括绑扎杆，花篮镙丝，扭索等）所受应力往往也会超过其许用应力。

（图1）集装箱船舶横摇工程模拟分析通过使用集装箱配载软件模拟各种航行环境时绑扎索具及集装箱角柱的受力情况，我们大致可以对绑扎系统在不同风浪状态下的有效性作出初步判断。

例如在对本船某航次绑扎系统的一次模拟测试中，使用配载软件，当输入9级风，横摇角度25度时，系统显示，绑紥拉杆承受的最大应力为其额定值的380%,甲板上底层集装箱角柱最大受力达到其额定值的368%，底层扭锁受力也超过极限值的241%。

另外，当船舶在波浪中左右对称横摇时，由于受到突变的倾斜力矩的作用，会发生船舶向一舷大幅度倾斜的现象（称突然倾斜），产生过大的横摇角，对绑扎系统造成严重的损坏，从而失去对箱体的系留力，发生集装箱坠海事件，进而改变船舶稳性，严重时会导致船舶倾覆。

引起突然横倾的主要原因为复原力矩的不足（各种原因造成的GM值的减小）或倾斜力矩的突然增大，强风大浪的突袭也会造成突然横倾。

4.2纵摇船舶固有纵摇周期可用下式估算：Tp=Cp×√L (4) 式中L为船长，单位 m ,Cp为纵摇周期系数（货船取0.54 — 0.72）纵向受浪时，由于船舶的纵摇质量惯矩和水的阻尼力矩相对较大，加上纵向力矩也较大的原因，所以船舶在风浪中的纵摇幅度较小。

影响纵摇摆幅的因素主要有船长与波长的关系，船速，以及船舶相对于波浪的航行角度。

一般来説，船舶长度越大，波浪长度越短则越不容易产生大幅度的纵摇，研究表明，对于大洋中航行的大型船舶而言，波长与船长之比值处于1﹤λ/L﹤2.5范围之内时，纵摇比较剧烈。

在一定范围之内，船速的增加也会增大纵摇幅度。

当船舶顺浪航行时，相对速度减小，遭遇周期变长，纵摇摆幅也小；相反，顶浪航行时，波浪遭遇周期减小，相对纵摇摆幅也大，而且容易发生谐摇。

大型集装箱船由于船长都较长，一般3000TEU以上集装箱船舶，长度大多在250m以上，5000TEU的船舶，长度在280m以上，2007年马士基第一艘11000TEU集装箱船下水，长度达397m.而大洋中最常见的波浪长度大约为80m—140m。