集装箱船舶货物积载和系固
——从几起集装箱落水事故说起
近年来，集装箱船货物落水事故频发，大家比较熟知的有“YM EFFICIENCY”(2018年5月31日)，APL ENGLAND(2020年5月24日)在澳大利亚海域遭遇恶劣天气，导致箱子掉落入水，而被澳大利亚AMSA扣船起诉，而近期北太平洋上发生的几起集装箱掉落入海事故更是刷新了掉落箱量之最，失事船舶装载量之最，分别有2020年11月30日“ONE APUS(14052TEU)”掉落1816个，2021年1月16日“MAERSK ESSEN(13100TEU)”掉落750余个。
事故发生后的调查中，总能发现一条清晰的事故链（error chain），而梳理上述事故之时，不难发现他们都有一个共同点——遭遇恶劣天气。因为天气的原因，船舶在风浪中颠簸，导致箱子落水，此谓“天灾”。而看的见的“天灾”是不是罪魁祸首？“天灾”背后是不是有“人祸”？还待进一步的调查论证。
本人才疏学浅，借在集装箱船舶上工作十年的经验（大副4年）浅淡一下我对集装箱落水事故的看法。
集装箱落水事故，除却天气原因之外其他可以追溯的还有：
一】甲板货物的积载和系固
由于集装箱船舶的结构特点，货舱内基本都设有导轨（cell guide）来约束集装箱的运动范围，所以基本上不做考虑，而甲板上的货物是一层一层堆叠上去的，其随船前进时，受力种类和方向更加广泛，而甲板货物的固定式的绑扎点一般只有舱盖（hatch cover）绑扎桥（lashing bridge），而其余的绑扎只能靠便携式的绑扎属具（portable lashing fittings）。
船上集装箱的积载应当遵照集装箱的设计标准（参照CSC《international convention for safe container》的要求）或者更高标准来执行。
甲板货物（仅指普通货物，危险品，重大件等有特殊积载要求的不做详述）的积载与受力方面主要考虑以下几个因素：
- total stack mass（堆装重量）：此要素关乎到，1.绑扎用具的物理强度是不是足以支持把货物牢固的固定在其原始堆装位置，如果堆装重量超出了其绑扎用具的安全工作强度，船舶在水上运动中时产生的各种分力将会作用在集装箱上，进而拉断绑扎用具，造成货物落水。2.考虑到甲板的强度，如果超过允许的最大堆装重量，也会对舱盖构造造成损坏，货舱中，考虑到舱底板的强度，超出允许的最大重量也会对舱底板造成损害;3.如果总重量超出底层集装箱可承受的受压重量，会造成下层集装箱的损坏，造成塌箱，倒箱，如果是舷侧的就会造成集装箱落海。
- Vertical sequence of masses in stack（垂向堆装的重量排序）：用通俗的话讲就是甲板上的集装箱在垂向上堆装的原则是“重不压轻”。此要素影响到船舶的GM值，和货物所在列的重心高度值，不倒翁相信大家都玩过，它之所以不倒，是因为它重心高度较低，当你把重心高度提高时，它就变的易倒了，也就是说如果重箱高高的堆装在轻的箱子上时，重心高度提高，上面的箱子容易在船舶摇摆中失去重心而坠落，由于甲板上层与层之间的集装箱是用自动扭锁（auto twist-lock）连接的，所以很可能在剧烈的摇摆中，上层重量大的集装箱直接拉倒一整列的货物。还有一个问题是集装箱本身的强度问题，如果上层集装箱过重，那么底层的集装箱就会因为受到各种分力与合力的影响造成推压变形（racking），或者支柱过载承受不住（post load）等（见图1）。
图1.集装箱堆装时受到的力和负荷
- exposure to wind attack（暴露风压）：由于集装箱船甲板上堆装层数较高（8000TEU 船大约6~7层，13000 TEU 船8~9层，20000+TEU 船10层以上）所以相较其他船型有巨大的受风面积，其包括舷侧和集装箱，其对绑扎强度的影响也是很大的，受风和不受风的受力变化见图3），所以，通常舷侧的绑扎是需要额外加强的。
图2.船舶垂向重量倒置对各种受力产生的影响
图3.风在同等条件下对集装箱各种受力产生的影响
图4.绑扎缺失对集装箱受力产生的影响
- application of securing devices（系固装置的应用）考虑到不同的堆装高度和堆装位置，船上的《货物系固手册》给出了详尽的系固安排。
- value of GM（初稳性高度值）：这个数值对于船舶的安全航行非常的重要，它关乎船舶的安全，不论在港还是航行中。当然它对绑扎的影响也是巨大的，主要体现在它对船舶固有横摇周期上的影响上（Natural rolling period, TR）的影响。
根据公式TR=CR.B/√GM （CR:横摇周期系数，B：船宽，GM:初稳性高度值）
GM越大，TR就越小，摇摆周期就越短，船舶摇的快，对绑扎强度（lashing force）不利；反之GM越小，TR越大，摇摆周期就越长，船舶摇的慢，对绑扎强度有利。
《货物系固手册》里详细给出了不同的GM值时，各层集装箱的重量分布，如图5.
图5.各种GM条件下，甲板各层集装箱的重量布置
超过积载计划最大允许GM值会加剧横向加速度，给积载设备，系固设备过大的力，进而损坏船舶，集装箱，同样也会造成集装箱落海。
关于便携式集装箱绑扎用具的使用和保养，请看链接，原载于《中远海运安全》杂志。
二】船舶航行中的动稳性与操纵
因为船是在水中航行的，势必会受到波浪的影响，船舶在波浪的作用下，沿着和围绕着通过船重心的X,Y,Z轴做直线运动和回转运动。各摇荡运动的名称为：
X轴——纵荡（surging）和横摇（rolling）
Y轴——横荡（swaying）和纵摇（pitching）
Z轴——垂荡（heaving）和首摇（yawing）
而对集装箱落水产生较大影响的有这两个原因：
1.Synchronous rolling of ships（船舶的谐摇）
谐摇是由于船舶的固有横摇周期与波浪周期同步或产生共振，说人话，就是谐摇产生于船舶固有横摇周期和波浪周期近乎一致时。当谐摇发生时，船舶将会摇摆加剧，在特殊环境下，将会在波浪的作用下，船持续朝一个方向横摇，还未等到船舶摇回正浮位置，波浪就把它带到下一个摇摆周期，加上船本身固有的横摇周期，会造成船舶摇超过倾覆角（angle of heel,船舶无法再回到正浮状态的临界角度），船舶最终将会失去稳性，导致倾覆。
减少谐摇的方式有：
1.用压载水调节船舶的重心高度，改变初稳性高度，进而改变船舶固有横摇周期；2. 改变船舶的航向，因为改变航向会改变船舶迎击波浪的频率，换句话说就是引入首摇效果；
3. 改变船舶的速度直到谐摇、共振不再与波浪周期同频。
2.Parametric rolling of ships（参数横摇）
参数横摇是由同时拥有细长的船首线型和肥大的船尾线型的船舶的纵摇运动产生的，集装箱船就是其中一种船型代表。
这个运动的产生非常仰仗于船舶的特征参数，因此被称作参数横摇。
当船舶的纵摇周期等于船舶固有横摇周期或者其一半的时候，这个运动最为显著。
当船尾浸入波浪中时会产生横摇行动，而这个行动还未被抑制的时候，船头又因为纵摇的产生而浸入波浪中，当TP=TR 或者当TP = TR/2 时最为糟糕。
实际上，船舶和船尾处的摇摆特性是不一样的。这也会生成船长方向的扭矩力，会导致额外的摇摆动作。
如果TP=TR, 或者 TP=TR /2 则会存在二者的相互作用，就会加剧船舶的摇摆。由于纵摇和横摇之间的相互影响和相互作用则将会发展为更危险的局面。
船舶在恶劣海况中减速操纵时参数横摇更为糟糕，这种糟糕情况会导致甲板绑扎损坏进而导致集装箱落水。
IMO表示参数横摇在波长（波浪的波峰到波谷的距离）是船长的1到1.5倍的时候极其的危险。
参数横摇的问题在箱型（box-shaped）船型中很少出现，因为他们的首尾线型没有明显不同，横向和纵向的相互影响作用很少会发生。
减少参数横摇的方式有：
1. 调整压载水，进而改变GM值，进而使船舶固有横摇周期产生变化。
2. 利用船上的减摇系统
3. 液压减摇鳍（一般客船上装备）也对减少参数横摇有帮助
4. 改变船舶的前进速度
5. 改变船舶的航向
上述两种船舶的运动方式在先进的船舶气象导航系统里可以使用，用时只需要输入自己本航次的船舶参数，例如计划航线、GM、航速、吃水等，气导公司就会根据船舶的实际需要进行跟踪和建议。
以上为可能产生单船集装箱落水事故（碰撞事故不算）的几个原因。
以下为近期各方的争执和个人见解：
1.在先进的气象导航的指导下，船舶依然会受到恶劣天气的影响，进而产生船损货损，那么气导方面是不是应该去相信，去遵循？业内人士都知道，气导只是提供一种服务，就像是船进出港口，引航员提供的也是一种服务一样，他们对船上的任何船损货损是不负责任的，所以他们的服务只是建议性质的，不构成法律责任，所以作为船长在对待建议方面要有自己的意见和见解，不要随风倒，当然打铁还需自身硬，在掌握了良好的航海技能，有航海气象方面的知识储备，加上现代的预报系统，以及各种可获得的信息资源，相信在决策方面，船长会变得更加游刃有余。很多人会谈到船长权力的问题，会说实际中船长的权力被船东，租家削减了很多。其实我想说的是，在职权范围内的权力不应该受到任何方面的侵犯。有些船长前怕狼，后怕虎，其实应该是怕得罪船东被炒鱿鱼吧？如果你有良好的专业素养和管理水平，船东那么多，哪里不能吃饭呢？
2.频发的箱子落水事故也引发了集装箱业界的担忧和讨论：集装箱堆装过高，绑扎不能满足要求；在恶劣天气中船速太快赶半期导致船舶进入到谐摇，参数横摇周期造成集装箱落水也成了航运界各大亨抨击的对象。是不是应当削减船舶装载量，降低船舶速度（少装，慢跑）慢慢的成为了一种主流声音。诚然，如上文所述，堆装高度，绑扎，船速等确实是集装箱落水的影响因素，但是不是充分条件还为未可知。根据现有的造船和入级规范，既然船舶可以投入运营，那么它各方面的状态（初始物理状态）在目前知识架构下（尚不得知的不算）应该都是适航适货的，那么如果可以严格按照《稳性计算书》，《货物系固手册》的条件和要求来进行货物的积载和系固，且在航行中适时地增减航速，改变航向，以此来抵消恶劣天气以及各种不利的运动状态的影响，那么船舶会不会安全地把集装箱运到目的地呢？根据上文，船速确实在减少船舶谐摇，参数横摇运动中起到重要作用，不同的船型，GM，航速，对船舶的运动状态都有不同的影响，所以降低船速也并不见得就安全，据AIS数据，Maersk Essen在出事时的航速是10~12节，跟集装箱全速23节左右比，算快吗？具体问题要具体分析。
3.APL ENGLAND 事故的调查结果是船舶积载不当，绑扎设备保养不当，甲板上集装箱底座锈蚀缺陷等造成的，这么大的“人祸”，需要警醒，船上各种固定式和便携式绑扎属具都要始终处于良好状态。
图6.船员在航行中检查和紧固绑扎
4.我有几个方面的担忧：
1）现在港口的作业效率越来越高，码头在集装箱船的装卸方面一味的追求速度，如何保证每个集装箱都能按照事先的积载计划（大副和planner共同批准的）进行堆装？据不完全统计，有些人工码头，箱子装上船的位置与批准的积载计划有70%是不符的，甲板值班人员不可能拿着积载图对照着箱号一个一个去核实，这在操作中也不现实，码头理货也不会要求港方按照积载计划去装，等装完，船开了，理货就直接发一个实际装船EDI给船上，当发现有些位置不符合要求的时候，船都已经开出去了，如果离下一个港口近，可以到下一个码头进行翻倒，那么谁负责倒箱的费用？如果离下一个码头远，比如中国开出去，直接奔美国洛杉矶，途中货物因为港方不按约定的积载造成的损失，又该找谁去负责？谁去约束港方乱装的行为？
2）谁来约束货方胡乱申报集装箱货物性质和箱重的问题？虽然VGM已经写入SOLAS公约好几年了，但是各地依然存在货物重量不按要求如实申报的问题，如果在积载的过程中，因为箱重的问题造成垂向重量的倒置产生集装箱的损坏或者落水，涉事集装箱由于落水而无法查证核实，那么这个责任应该怎么划分？
3）无论如何，要重新审视大型集装箱的积载布置；绑扎设计和强度是不是符合规范，在不在合理的数值范围，这还将有赖于物理学家，造船学家，各大船级社的专家和学者的科学数据计算和分析。
三】结语
集装箱落水事故往往是由很多原因造成的，除却天灾，我们应从“人祸”角度入手，进行事前干预，例如进行货物积载方面的培训，各种天气条件下的船舶操纵，航海气象知识的巩固和加深等，应该可以不同程度上减少类似事故的发生。
参考文献：
1.《Ship Stability for Masters and Mates》Revised by Dr C.B. Barrass M.Sc C.Eng FRINA CNI By Captain D.R. Derrett
2.《航海气象与海洋学》
3.《海上货物运输》
4. Shipboard《Cargo securing manual》
