减少船只倾覆或沉没方法专利技术综述

夏俞扬

摘  要：减少船只倾覆与沉没的研究对海上船舶航行安全可靠具有重要意义，文章从改进船体稳定性和改进船体浮力两大方面对减少船只倾覆或沉没方法专利技术的发展状况进行了分析。从专利文献的视角对减少船只倾覆或沉没的技术发展路线进行了统计分析。

关键词：安全;翻;沉;浮力;稳定;气;压载

中图分类号：T-18         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）13-0024-03

Abstract： The research on reducing the capsizing and sinking of ships is of great significance to the safety and reliability of navigation of ships at sea. In this paper， the development of patented technology for reducing ship capsizing or sinking is analyzed from two aspects： improving hull stability and improving hull buoyancy. From the perspective of patent literature， this paper makes a statistical analysis of the technical development routes to reduce the capsizing or sinking of ships.

Keywords： safety; overturning; sinking; buoyancy; stability; air; ballast

1 概述

船的发展具有悠久的历史，从最初的独木舟演变成现在的帆船、渔船、游/货轮、军舰等等，各式各样，用途不一。回顾历史，船只倾覆、漏水、沉没事件时有发生，比较著名的海难有英国“泰坦尼克号”、韩国“岁月号”、中国“东方之星”号游轮等，每一次的船只倾覆沉没事故都给人们的生命和财产造成了重大的损失。现实中多次沉船事故发生时，救援人员对于船体的下沉，大多数情况下只能束手无策，任由其沉没。因此，研究减少船只倾覆或沉没的方法是十分必要的。

目前，常用的减少船只倾覆或沉没的方法主要通过改变船体负载的设置位置、大小，提高船只自身的稳定性，或者通过改变船体自身浮力，增强其抗风浪性两种方式。

2 国内外相关专利申请状况分析

减少船只倾覆或沉没的方法有很多，在实际使用过程中，会根据船体的大小、船只的应用领域、载重的多少以及船体上可用于设置减少船只倾覆或沉没装置的空间大小来选择不同种类的装置。

图1显示了五种常用的减少船只倾覆或沉没方法的专利申请量之间的占比关系。使用弦外浮动构件和压载水柜减少船只倾覆或沉没的方法是目前世界各国的主要研究方向与常用手段。使用弦外浮动构件方法常用于体积较小的船只，该船只的舱内可以用于设置减少船只倾覆或沉没装置的空间较小，只能通过在船体外设置弦外浮动构件，在不占用较多船舱体积的基础上，达到减小船只倾覆或沉没的技术效果。而使用压载水柜则常用于大型货船、运输船，该类船只处于空载和满载时，船体载重量不一致的问题，常用的方法就是在船舱内设置压载水柜，根据船体载重量，调节压载水舱内的储水量，使船体保持平衡。

2.1 世界相关专利申请状况分析

如图2所示，显示了一百多年来，全世界在减少船只倾覆或沉没方法方面的专利申请量发展情况。

由图2可知，1900年起，世界各国开始致力于有关减少船只倾覆或沉没方法的专利申请，并在此后的30年内呈增加趋势，这说明这一时间段内，海上货船、游轮、水上项目等处于快速发展阶段，人们开始重视航海安全。在1930年至1960年这段时间里，申请量处于下降状态，此时，整个世界经济由于战乱等因素，处于停滞不前的状态，专利申请量也开始逐步下降。在1960年之后，随着世界经济开始复苏，在船舶领域方面的研究也逐步加深，相应的专利申请量也进入了一个井喷爆发的时代。21世纪以来，全世界处于知识爆炸的状态，人们对于应用科学技术、进一步提高海上航行的安全性和可靠性，有了更加深入的认识。

图3显示了世界上几个主要进行有关减少船只倾覆或沉没方法的专利申请的国家，主要集中在日本、韩国、美国、中国、德国、英国等国家。由于地域、经济实力等原因，英国、德国、美国等国家很早就开始了海上航行，相应的对于海上航行安全方面的研究也较为突出。韩国具有三星重工业株式会社、大宇造船海洋株式会社两家全世界主要的造船厂，日本具有三菱重工业株式会社一家全世界主要的造船厂，因此两个国家占据该领域申请量的主导位置，在该方面具有较强大的研究基础和积累。

下面将从改进稳定性和改进浮力两方面分析减少船只倾覆或沉没方法专利申请量。

3 减少船只倾覆或沉没方法发展路线

下面，将从改变船体负载的设置位置、大小，提高船只自身的稳定性，以及改变船体自身浮力，增强其抗风浪性两个主要方面入手，对减少船只傾覆或沉没的方法的技术发展状况进行分析。

3.1 改进稳定性

为了保证船只的稳定性，通常会通过改变船体载重方式实现。特别是对于货船，其在空载与满载时，载重量会有很大差别，通常会在船体上设置压载水舱，通过调节压载水舱内的储水量，使船只可以可靠、稳定地在海上航行。或者，由于船体在航行过程中无法使船体的船首、船尾之间、左舷、右舷之间始终处于载重相等，需要设置固体压载物进行动态调节。

改进系统稳定性的方法，具体可以通过使用压载水柜和移动固体压载物的方法来实现。

（1）使用压载水柜

压载水柜又可称为压载舱，大型游船、散货船、散装船、集装箱船等都具有压载仓。压载水柜分布在双层底舱、首尖舱、尾尖舱、舷侧边舱或深水舱内。用泵吸入或排出舱内的水，使船舶保持压载正常和纵倾度正常。例如，因左舷货舱卸货过多，左舷失去压载，船只可能发生右倾，这时只需要向左舷侧边舱注水，就恢复了原来的压载，使船只保持平稳运行。压载舱的大小依据船的大小和舱的类型而不同。如图4所示，船舶装载、排放压载水的过程。

20世纪初期（1910年），在船只上安装压载水柜GB191026572A来增加船舶稳定性的方法就已经出现，该方法主要是在船体的外侧增加一层结构，从而与船体表面形成一个空腔，放入海水后形成压载水柜。为了装载货物，在目的港，船只需要将压载舱内的水排出。随着人们对海洋资源的开发利用，海上平台开始大面积使用，1968年挪威公开了NO135056C一种应用于海上平台的压载水舱，例如钻井平台等，由于海上平台上安装钻井设备等，会降低平台的稳定性，故设置压载水舱。2009 年中国船舶重工集团公司第七零四研究所发明了一种压载水舱降噪声装置CN101362507A，可有效降低溅水和舱板之间的撞击噪声。主要通过在两舷之间加入了一个水泵，根据船舶的横摇情况把一个水舱内的水转移到另一个水舱，一般通过两水舱之间的节流阀来实现。

（2）通过移动固体压载物

移动固体压载物的方法主要是解决船只的运行过程中，船只两侧的载重不一致，导致船只容易出现翻沉的情况。最初的做法是在船只的甲板上放置一些重物，其可以在船只甲板上滚动，从而使船只保持平衡状态，或者在船体的两侧提供两个压载水舱，两侧的水舱中的水分别可以通过泵抽送至另一侧的水舱中，用以保持船只平衡。以上方法都需要耗费大量的人力资源来完成，自动化程度不高。

在20世纪初期（1916年），US1339628A提供了一种可以由甲板上的小车带动重物在甲板上运动，从而使船只保持平衡的方法。在该技术方案的基础上，人们开始采用电机、液压缸等装置带动压载物移动。现有技术还有通过在压载物上设置齿轮，实现齿轮与齿条相互配合运动。而对于测量船体倾斜状态的装置，随着科学技术的发展，目前，常用感知设备有倾角仪、惯性导航传感器等设备。

3.2 改进浮力

为了保证船只的稳定性，通常还会通过改变船体浮力的方式实现。具体可以通过使用船内空气容器、使用弦外浮动构件和使用应急堵漏装置的方法来实现。

（1）使用船内空气容器

在船内使用空气容器主要是通过在船内设置可充气的装置，当需要增大船体浮力时，可对充气装置充气。如图5所示，船舱内设置可充气的装置a、b，当需要增加船体浮力时，可通过对船舱内的可充气装置a、b充气实现。

该技术方案属于较为成熟的技术方案，主要对充气方式及充气装置的设置位置等进行改进。如1900年，US655993A公开了一种使用船内空气容器减少船只倾覆或沉没的方法，在船只部分舱体内放置部分浮体，当船只在满载时，将其中充满气体放出，可以防止船只倾覆或沉没。1965年FR1393433A公开了一种安装在桅杆顶端的可充气的浮体以改进船体稳定性的方法。1997年，EP19752499A公开了一种具有应急堵漏功能的，设置于船体内的空气容器。该充气装置安装于船舱内和船舱外，当船舱破损时，可通过向装置充气，使装置在增加船体浮力的同时，还可以堵住漏洞，具有较好的技术效果。

（2）使用弦外浮动构件

在船体弦外设置浮动构架是较为平常的方法，通常在船舷上设置可充气装置，以调节船体浮力。

图6中为1898年申请的US18980693350A，该方案中A、M为设置在船體上的中空浮体，位于船舱内的中空浮体A，在船体倾斜时，可通过将浮体A设置于船舷外，或将其收于船舱实现。浮体的体积不可调，存在占用船舱空间的问题。因此，后期人们开始大量的研究如何使弦外安装的浮动构件在不使用时收回，达到既不增加船体体积，也不占用船舱空间的技术效果。于是在1913年GB191222271A公开了一种可以在使用时充气，用以增加船体浮力的方法，该装置在不使用时，船体外壳处设置了多个孔，该空内放置有充气袋，当需要增加船体浮力时，向充气袋内充气，由于充气袋体积增加，其会自动伸出船体外壳的孔，增加船只体积，改进船体浮力。2015年，CN104986303A公开了一种隐蔽性船用安全气囊系统，该系统在之前专利申请的基础上，增加锁扣和支撑架等装置，将船体与系统整体牢固锁定成一体，在极端恶劣气候条件下，极大提高了安全气囊的牢固性和安全性。

（3）使用应急堵漏装置

当船只的航行过程中遇到船体破裂等问题时，使用应急堵漏装置、防止船体进水是有效的应急解决方案。目前，根据船体大小、类型、航区不同，配备有一定数量的各种堵漏器材、工具和材料，它们存放于水线上便于到达的舱室内。

图7中为1902年申请的US19020094969A，当船体发生破裂时，可通过在船舷外运送维修人员至船体破裂处，使用金属对船体破损处进行堵漏。但该方案仅适用于船体裂缝位于水线上，对于位于水线以下的船体裂缝，无法维修。于是，在1916年，GB101479A使用了在船舷两侧设置气囊袋的方法。当船体破裂时，气囊带落下，贴合在船体外壳破裂处，并向气囊袋充气，使之将船体的破裂位置补齐，防止船体继续进水，从而翻沉。对于船体破裂较小的情况，可以使用堵漏螺杆堵中型洞或裂缝。如1930年DE343495公开了一种应用于堵住船体裂缝的螺钉。1993年，US5735227A公开了一种应急堵漏的方法，从船体内侧，使用弹性物质或带有磁性的物质将船体与补漏的壳体固定连接来完成。2016年，JP2016196284A公开了一种应用机器人在船体外侧补漏的装置，该机器人上安装有摄像机，通过对摄像机确定船体破裂位置，从而有针对性的补漏。随着科技的进步，船体应急堵漏装置开始向智能化方向发展。

4 结束语

目前，减少船只倾覆或沉没的方法在不断向自动化、精细化、智能化方向发展。我国在减少船只倾覆或沉没方法方面虽然起步较晚，减少船只倾覆或沉没方法的研究水平有待提高，但结合目前国内该领域专利申请的发展态势与国际发展趋势，中国在船舶领域的专利发展日新月异，在减少船只倾覆或沉没方法方面的专利发展前景十分广阔。

参考文献：

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