李曉松,李笑晨,孔憲衛(wèi)

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心,天津 300456)

漁船作為施工“交通船”,在工程施工過程中發(fā)揮著不可替代的作用,而漁船事故的發(fā)生嚴(yán)重威脅船舶、船員的生命財(cái)產(chǎn)安全,因此,研究漁船事故發(fā)生的原因,并提出科學(xué)的防范措施,顯得尤為重要[1-2]。

截至2019年底,中國(guó)漁業(yè)船舶數(shù)量已達(dá)到73.12萬艘,其中機(jī)動(dòng)漁船占比較大,約46.83萬艘,非機(jī)動(dòng)漁船26.29萬艘,漁業(yè)人口和漁業(yè)從業(yè)人員達(dá)1 828.2萬人。但由于海上交通條件、船舶硬件設(shè)施等因素的影響,漁業(yè)船舶在海上因突發(fā)狀況造成財(cái)產(chǎn)和人身?yè)p害的事故不斷發(fā)生。通過對(duì)某省2015年—2020年180起漁業(yè)船舶水上事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知,漁船事故類型主要包括碰撞、火災(zāi)、傾覆、觸損、機(jī)損、風(fēng)災(zāi)、其他等7類,其中傾覆事故造成船毀人亡的重大損失相對(duì)較多。將漁業(yè)船舶海上事故成因分別總結(jié)為4個(gè)方面,分別是不良的作業(yè)環(huán)境、漁業(yè)船舶管理制度的缺陷、船東和船員的不安全操作及船舶本身存在風(fēng)險(xiǎn),其中不良的作業(yè)環(huán)境對(duì)漁船的安全影響最大[3-4]。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)運(yùn)輸船沉船事故研究較多,祝元?jiǎng)賉5]分析了水泥船發(fā)生傾覆的原因,提出散裝水泥船建造及管理的改進(jìn)措施。王建軍等[6]通過對(duì)貨輪沉船事故原因的調(diào)查研究,分析了船舶管理不當(dāng)可能是導(dǎo)致潛在缺陷的原因;李中鵬等[7]對(duì)韓國(guó)“世越”號(hào)客輪沉船事故進(jìn)行調(diào)查,分析了船舶潛在隱患,推測(cè)了人為因素、舵設(shè)備故障、觸礁是事故發(fā)生幾種可能原因;張寶剛等[8]通過對(duì)運(yùn)砂船傾覆事故進(jìn)行深入分析,從船舶、船公司、管理部門3個(gè)層面提出相應(yīng)的預(yù)防措施。本文通過對(duì)某漁船傾覆事故的調(diào)查研究,對(duì)事故發(fā)生時(shí)的船舶載重、船舶穩(wěn)性、風(fēng)壓力進(jìn)行了理論計(jì)算,利用船舶操縱模擬器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,并針對(duì)事故原因提出了科學(xué)的防范措施和建議。

1 事故概述

1.1 事故發(fā)生過程

2019年8月16日18時(shí)左右,某漁船載運(yùn)食物和施工人員,從焦炭碼頭駛往施工船,途中遭遇強(qiáng)對(duì)流突風(fēng)天氣,船舶發(fā)生傾覆,事故造成9人死亡。船舶基本資料見表1,船舶傾覆過程見圖1,AIS軌跡見圖2。

表1 船舶基本資料Tab.1 Basic information of ship

圖1 船舶傾覆過程示意圖Fig.1 Diagram of capsizing process

圖2 船舶AIS軌跡圖Fig.2 AIS trajectory of the ship

1.2 事發(fā)水文氣象條件

(1)事發(fā)前后氣象情況。在港區(qū)氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)、地面自動(dòng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合事故周邊“通旭”輪風(fēng)力記錄數(shù)據(jù)(見圖3),對(duì)事發(fā)水域天氣系統(tǒng)進(jìn)行了分析還原,17：21時(shí)至17：37時(shí),某漁船輪從焦炭碼頭出發(fā),風(fēng)力總體不大,瞬時(shí)極大風(fēng)速最大為9.9 m/s(風(fēng)力5級(jí));17：37時(shí),船舶從北側(cè)西岸出發(fā),此時(shí)風(fēng)力維持在5級(jí)及以下;17：53時(shí),受到超級(jí)單體風(fēng)暴影響,風(fēng)力開始急劇增大,風(fēng)力達(dá)到10級(jí),同時(shí)伴有暴雨和冰雹;17：53時(shí)至18：03時(shí),風(fēng)力持續(xù)增大,瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá)48.1 m/s(風(fēng)力15級(jí))。

圖3 “通旭”輪測(cè)風(fēng)儀風(fēng)力數(shù)據(jù)走勢(shì)圖Fig.3 Chart of wind trend from Tongxu vessel

(2)事發(fā)前后波浪情況。經(jīng)向事發(fā)水域周圍船舶調(diào)查,某漁船輪開航時(shí)(17：37時(shí))海面風(fēng)力較弱,且港池水域有一定的遮蔽條件,海面浪高在0.5 m以下,屬于正常海況;傾覆事件發(fā)生時(shí)(18：03時(shí))海面有強(qiáng)風(fēng)并伴有暴雨和冰雹,能見度極低,周圍船舶無法準(zhǔn)確判斷波浪情況,但事發(fā)地海圖水深在10 m以上,推測(cè)在短時(shí)的強(qiáng)風(fēng)作用下也會(huì)造成波浪加劇,強(qiáng)風(fēng)伴隨著加劇的波浪,對(duì)船舶航行安全造成疊加影響。

(3)事發(fā)前后水文情況。根據(jù)《2019年潮汐表》(東海海區(qū))資料(見圖4),2019年8月16日港區(qū)12：53時(shí)的低潮高為159 cm,18：05時(shí)的高潮高為453 cm,事發(fā)時(shí)段為當(dāng)日最高潮,處于高平潮時(shí)段,無漲落潮流。

圖4 事故位置潮汐曲線圖Fig.4 Tidal curve of Shijiu Port area from Rizhao Port

1.3 事發(fā)港區(qū)通航環(huán)境

(1)事發(fā)水域情況。根據(jù)事故位置實(shí)測(cè)海圖,事發(fā)海域海圖水深在10.3 m以上,附近未發(fā)現(xiàn)淺點(diǎn)、礙航物等。

(2)港區(qū)通航情況。事故發(fā)生時(shí)附近的船舶位置如圖5所示,事發(fā)時(shí)南作業(yè)港區(qū)附近共有9艘船舶。① “津航浚 405”船在南二突堤堤頭港池錨泊,“通旭”船在焦炭碼頭北側(cè)停泊維修;②“長(zhǎng)安門”、“鑫華泰”、“中建半潛駁6”在焦炭碼頭停泊;③ “瑞鵬”輪在焦炭碼頭南8泊位進(jìn)行裝卸作業(yè);④“中交通運(yùn)1”、“日港拖26”2艘拖輪在協(xié)助“億通”輪靠泊南5#泊位。

圖5 事件發(fā)生前后周邊船舶位置Fig.5 Location of surrounding vessels in the incident

2 事故原因分析

2.1 船舶載重量情況分析

(1)載運(yùn)人員、物資情況。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料分析可知,船舶共載員9人(人均體重按85 kg計(jì),總重約765 kg),載運(yùn)物資包括伙食補(bǔ)給和其他物品約620 kg、船員行李物品約10 kg,此外還有該船自帶的燃油約2 500 kg、淡水約1 000 kg。船上燃油、淡水、載運(yùn)物品和船上人員的總重量約為4.9 t。

(2)船舶載重情況分析。根據(jù)船舶證書上相關(guān)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)船舶尺度的測(cè)量數(shù)據(jù),同時(shí)參考了港區(qū)2艘相似船舶的參數(shù)(見表2),推算出某漁船的空船重量約為32 t。用NAPA軟件建立了某漁船的模型[9](見圖6),在設(shè)計(jì)吃水(d=1.3 m)時(shí)的排水量為65.7 t,可得出船舶載重量約為65.7-32=33.7 t。事發(fā)時(shí)船舶載重量約為4.9 t,遠(yuǎn)小于某漁船的載重能力,不存在超載現(xiàn)象。

表2 參考船舶相關(guān)資料Tab.2 Related information of refer ship

圖6 “某漁船”輪建模模型Fig.6 Modeling mode of accident ship

2.2 船舶穩(wěn)性分析

(1)船舶穩(wěn)性要求。

根據(jù)《國(guó)內(nèi)海洋漁船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則2019》中船舶完整穩(wěn)性的要求[10],①V.GM0.35：經(jīng)自由液面修正后的初重穩(wěn)距GM0應(yīng)不小于0.35 m;②V.GZ0.15：當(dāng)橫傾角等于或大于30°時(shí),復(fù)原力臂GZ應(yīng)至少為0.15 m;③V.MAXGZ25：最大復(fù)原力臂(GZ)對(duì)應(yīng)的橫傾角應(yīng)大于或等于25°。

上述穩(wěn)定要求中：GM0為初重穩(wěn)距,是指船舶正浮或小角度傾斜時(shí)橫穩(wěn)心與重心之間的垂向距離;GZ為復(fù)原力臂,也稱穩(wěn)性力臂,即重力和浮力作用線之間的距離。

(2)船舶穩(wěn)性分析。根據(jù)漁船模型計(jì)算分析,在載重4.9 t的情況下,計(jì)算所得的初重穩(wěn)距與復(fù)原力臂曲線特性衡準(zhǔn)值都滿足規(guī)范要求。具體如表3和圖7、圖8所示。

表3 某漁船輪穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果Tab.3 Stability calculation results of accident ship

圖7 某漁船輪性能模型Fig.7 Performance model of accident ship

圖8 船舶復(fù)原力臂曲線Fig.8 Recovery arm curve of the ship

2.3 船舶風(fēng)壓力計(jì)算

(1)相關(guān)要求。

依據(jù)《漁業(yè)船舶法定檢驗(yàn)規(guī)則》(船長(zhǎng)大于或等于12 m國(guó)內(nèi)海洋漁業(yè)船舶2017)及航海其他相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[11-13],當(dāng)船舶的最小傾覆力矩(或傾覆力臂)>風(fēng)壓力矩(或風(fēng)壓力臂)時(shí),船舶處于穩(wěn)定平衡狀況,反之則處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)或隨機(jī)平衡狀態(tài)。

(2)風(fēng)壓計(jì)算。

①風(fēng)力計(jì)算。作用在船舶水線以上部分的風(fēng)力,計(jì)算公式如下

(1)

式中：Fw為風(fēng)力,N;Cs為形狀系數(shù),取值1;Ch為高度系數(shù),取值1;Ai為受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積,m2,取值52.2 m2;Vw為風(fēng)速,m/s。

②風(fēng)壓力矩計(jì)算。作用在船舶水線以上部分的風(fēng)壓力矩,計(jì)算公式如下

Mf=Fw×If

(2)

式中：Mf為風(fēng)壓傾覆力矩,Nm;Fw為風(fēng)力,N;If為風(fēng)壓力臂,m,取值2 m。

③船舶傾覆力矩。船舶傾覆力矩的計(jì)算公式如下

Mq=△×Iq

(3)

式中：Mq為船舶傾覆力矩,Nm;△為船舶浮力,N,與船舶最小傾覆力一致,取值249 100 N;Iq為傾覆力臂,m,取值0.21 m。

表4對(duì)不同風(fēng)力情況下風(fēng)壓力及力矩進(jìn)行了計(jì)算,按事發(fā)水域附近船舶實(shí)測(cè)最大風(fēng)力48.1 m/s計(jì)算,風(fēng)可能對(duì)船舶作用的最大風(fēng)壓傾覆力矩為148 064 N·m,而船舶自身抵抗外力矩的傾覆力矩為52 311 N·m,當(dāng)時(shí)的風(fēng)壓傾覆力矩遠(yuǎn)大于船舶的傾覆力矩,因而可能會(huì)因風(fēng)壓作用直接造成船舶傾覆。

表4 某漁船風(fēng)壓力計(jì)算Tab.4 Wind pressure of accident ship

2.4 船舶仿真模擬驗(yàn)證

(1)試驗(yàn)船型建模。本文采用MMG分離型數(shù)學(xué)模型方法建立船舶操縱運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型[14-15],船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程如下

(4)

式中：m為船舶質(zhì)量,可由m=ρs得到,ρs為海水密度,取1 025 kg/m3;為船舶的排水體積;u為x方向的絕對(duì)速度,v為y方向的絕對(duì)速度,r為垂直水平面的角速度;P和R分別為動(dòng)力定位船舶所裝備的推進(jìn)器和舵產(chǎn)生的主動(dòng)力及力矩;xG、yG、zG分別為船舶重心在隨船坐標(biāo)系的位置;Ixx、Iyy、Izz、Ixy、Iyx、Ixz、Izx、Iyz、Izy為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;XΣ、YΣ、ZΣ、KΣ、MΣ、NΣ為作用于船體上的所有力和力矩。試驗(yàn)中建立了漁船三維模型(見圖9)。

圖9 漁船三維模型Fig.9 Three dimensional model of fishing boat modeling

(2)試驗(yàn)船型測(cè)試。本試驗(yàn)對(duì)不同風(fēng)力情況下漁船的橫傾角進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖10所示。試驗(yàn)中風(fēng)力等級(jí)由6級(jí)逐級(jí)遞增,風(fēng)力在8級(jí)及以下時(shí),橫傾角基本在5°以內(nèi);風(fēng)力達(dá)到9級(jí)時(shí),最大橫傾角達(dá)到16°,此時(shí)船舶自身抵抗外力矩勉強(qiáng)可以克服;在出現(xiàn)10級(jí)風(fēng)力時(shí),橫傾角達(dá)到20°,船舶橫傾角接近船舶如水角度22.5°;出現(xiàn)12級(jí)風(fēng)力時(shí),短時(shí)間內(nèi)橫傾角超過25°,船舶傾覆,在遭遇15級(jí)風(fēng)時(shí),船舶瞬間傾覆。

圖10 不同風(fēng)力情況下漁船橫傾角變化過程Fig.10 Analysis on the heeling angle of fishing boat under different wind conditions

3 對(duì)策及相關(guān)建議

(1)加強(qiáng)對(duì)施工水域自然環(huán)境的掌握,對(duì)施工期內(nèi)的風(fēng)、流、浪、流、潮位加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)報(bào),根據(jù)環(huán)境條件,進(jìn)一步完善突發(fā)氣象條件下的應(yīng)對(duì)措施。

(2)加強(qiáng)與氣象部門的合作,施工水域可增設(shè)氣象監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備,提高施工水域氣象監(jiān)測(cè)精度,提升突發(fā)極端惡劣天氣預(yù)警的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。

(3)本次船舶傾覆事件,暴露出部分交通船存在抵抗風(fēng)浪能力不足的安全風(fēng)險(xiǎn),建議研究制定交通船作為施工輔助船舶的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。

(4)目前,對(duì)于涉水施工企業(yè)工程船舶所必須的通勤、補(bǔ)給用交通船舶尚未有專門的規(guī)定,施工單位很難準(zhǔn)確把握交通船舶的選用原則,建議研究制定行業(yè)認(rèn)可的交通船選用標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程。

(5)加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān),從提升船舶穩(wěn)性、抗沉性、儲(chǔ)備浮力角度推進(jìn)新型交通船的設(shè)計(jì)、改造技術(shù)。

(6)工程施工中各單位、各船舶要進(jìn)一步提高有關(guān)人員安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)能力,加強(qiáng)各單位、各施工船舶間的溝通協(xié)調(diào),保障施工及人員安全。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)某漁船傾覆事故的調(diào)查研究,還原了事故發(fā)生的過程,提出了科學(xué)的防范措施和建議。

(1)目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)運(yùn)輸船沉船事故研究較多,對(duì)漁船研究相對(duì)較小,原因分析主要采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法進(jìn)行,本文利用理論計(jì)算的方法分析了漁船沉沒時(shí)的載態(tài)、穩(wěn)性和風(fēng)壓力矩,并用船舶模擬器進(jìn)行仿真驗(yàn)證,表明該漁船在出現(xiàn)12級(jí)及以上大風(fēng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)傾覆的事故。

(2)通過研究可知,某漁船未超載,穩(wěn)性符合航行安全要求,發(fā)生事故的主要原因?yàn)樵摯辉鈽O端大風(fēng),因風(fēng)壓產(chǎn)生的傾覆力矩遠(yuǎn)超船舶的抗傾覆力矩,造成船舶傾覆。