開體泥駁的船型特點(diǎn)及其穩(wěn)性計(jì)算與研究

董恩春，賈 蕊

（金海重工股份有限公司，上海 200120）

開體泥駁的船型特點(diǎn)及其穩(wěn)性計(jì)算與研究

董恩春，賈 蕊

（金海重工股份有限公司，上海 200120）

結(jié)合開體泥駁的船型特點(diǎn)，對(duì)動(dòng)穩(wěn)性力臂（GZ）和排水量變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)分析開體泥駁的穩(wěn)性與其他普通貨船穩(wěn)性的區(qū)別。針對(duì)開體泥駁穩(wěn)性的特點(diǎn)給出相應(yīng)的理論計(jì)算方法，為開體泥駁的安全運(yùn)營(yíng)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

開體泥駁；船型特點(diǎn)；穩(wěn)性計(jì)算；泥漿；泥砂

0 引 言

隨著港口和航道建設(shè)（特別是長(zhǎng)江口深水航道整治擴(kuò)展工程和洋山深水港工程等類似工程）蓬勃發(fā)展，各地沿海工程船船隊(duì)不斷壯大，其中開體泥駁承擔(dān)著駁運(yùn)和拋放泥漿、泥沙、沙袋及石塊等貨物的任務(wù)。法國(guó)船級(jí)社規(guī)范[1]給出開體泥駁的定義和不同的穩(wěn)性校核依據(jù)及校核方法，根據(jù)貨物是否易于流動(dòng)將開體泥駁所裝載的貨物分為泥漿和泥砂2大類。該規(guī)范規(guī)定：當(dāng)將貨物視為泥漿時(shí)，按密度1.0t/m3，1.2t/m3， 1.4t/m3，1.6t/m3，1.8t/m3，2.0t/m3進(jìn)行校核；當(dāng)將貨物視為泥砂時(shí)，按密度 1.4t/m3，1.6t/m3，1.8t/m3， 2.0t/m3，2.2t/m3進(jìn)行校核?；诖?，根據(jù)法國(guó)船級(jí)社的規(guī)定，結(jié)合開體泥駁的船型特點(diǎn)提出一些看法，并結(jié)合靜水力的基礎(chǔ)理論進(jìn)行穩(wěn)性分析。

1 船型特點(diǎn)

開體泥駁又稱對(duì)開泥駁，是當(dāng)前一種較為先進(jìn)的運(yùn)載、拋卸駁船，由橫向?qū)ΨQ的2個(gè)半體組成，這2個(gè)半體均能繞前后2個(gè)鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使船體繞著重心成對(duì)開。當(dāng)開體泥駁承載泥沙后，其總質(zhì)量為2個(gè)半邊空船體的質(zhì)量與泥艙所裝載泥沙的質(zhì)量之和，此時(shí)其半側(cè)泥沙的重心處于半側(cè)船體浮心的內(nèi)側(cè)，比浮心更靠近駁船的縱舯剖面，從而對(duì)船體產(chǎn)生具有張開作用的力矩。于是，在船體啟閉液壓油缸和張開力矩的作用下，駁船的船體便張開拋泥。拋泥完畢之后，駁船失去所載泥沙的質(zhì)量，兩半船體的重心也成為其總重心。該重心在浮心的外側(cè)，使其比浮心遠(yuǎn)離駁船的縱舯剖面，產(chǎn)生閉合船體的力矩，從而使船體在啟閉液壓缸和該閉合力矩的作用下自動(dòng)閉合。開體泥駁的泥艙頂部始終敞開；泥艙底部在閉合狀態(tài)下閉合，在打開狀態(tài)下敞開。

根據(jù)貨物是否易于流動(dòng)將開體泥駁所裝載的貨物分為泥漿和泥砂2大類，其中，泥漿可像液體一樣流動(dòng)，而泥砂類似于塊狀物體。這導(dǎo)致開體泥駁載運(yùn)不同性質(zhì)的貨物在海上航行時(shí)，實(shí)際采用的穩(wěn)性分析方法完全不同。開體泥駁的基本工作原理見圖1。

2 穩(wěn)性初始條件

這里主要針對(duì)海上航行工況進(jìn)行研究，以保證在海上航行時(shí)的安全。開體泥駁打開狀態(tài)僅在裝卸貨時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，不屬于分析和論證的內(nèi)容。針對(duì)不同的貨物種類，將開體泥駁的特點(diǎn)描述如下：

1) 當(dāng)開體泥駁所裝載貨物為泥漿時(shí)，在某橫傾狀態(tài)下，若泥艙上緣低于水面、泥漿低于泥艙上緣，則海水流入泥艙（見圖2a）；若泥漿高于泥艙上緣，則泥漿流出泥艙（見圖2b）。由于泥漿與海水是2種不同性質(zhì)的液體，因此可假定貨物與海水不能融合。當(dāng)泥艙上緣與水面齊平時(shí)為臨界狀態(tài)，此時(shí)既無泥漿流出也無海水流入，泥艙艙容為臨界艙容，裝貨量為臨界裝貨量。

2) 當(dāng)開體泥駁所裝載貨物為泥砂時(shí)，在某橫傾狀態(tài)下，外界海水超過泥艙上緣時(shí)會(huì)流入艙內(nèi)（見圖3a），泥砂即使有超過泥艙上緣的部分也不會(huì)流出艙外（見圖3b）。由于泥砂的滲透率很小，因此可假定其與海水不能融合。

3) 為與普通貨船的穩(wěn)性相對(duì)比，假定第3種貨物為普通貨物。在這種情況下，泥艙內(nèi)的貨物不會(huì)出現(xiàn)貨損現(xiàn)象，外界海水也不會(huì)由泥艙上緣流入艙內(nèi)。

由于判定各類船舶在特定工況下的穩(wěn)性的最基本參數(shù)是穩(wěn)性力臂GZ[2]，因此相關(guān)分析主要以比較動(dòng)穩(wěn)

性力臂曲線為標(biāo)準(zhǔn)。為更加清晰地表述事實(shí)，以已交付使用的1000m3開體泥駁為研究對(duì)象，選取相同的貨物密度和泥艙裝載率進(jìn)行分析，從而便于對(duì)該類船舶的屬性進(jìn)行說明。詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 詳細(xì)參數(shù)

根據(jù)表1中所列參數(shù)并結(jié)合法國(guó)船級(jí)社規(guī)范及穩(wěn)性公約[3]的規(guī)定，適用該開體泥駁的穩(wěn)性衡準(zhǔn)如下。

1) 當(dāng)最大復(fù)原力臂(GZ)在15°位置處時(shí)，至15°角的復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)≥0.07m·rad；當(dāng)最大復(fù)原力臂(GZ)在30°或30°以上位置處時(shí)，至30°角的復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)≥0.055m·rad；當(dāng)最大復(fù)原力臂(GZ)在15°~30°位置處時(shí)，復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)為

式(1)中：qmax為復(fù)原力臂曲線達(dá)到其最大值的橫傾角，(°)；s為復(fù)原力臂曲線下的面積，m·rad。

2) 當(dāng)橫傾角在30°~40°或30°~fq（fq為進(jìn)水點(diǎn)的進(jìn)水角，fq<40°）時(shí)，復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)≥0.03m·rad。

3) 當(dāng)橫傾角≥30°時(shí)，復(fù)原力臂（GZ）最小應(yīng)為0.2m。

4) 最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)角應(yīng)≥15°。

5) 初穩(wěn)性高度(GM0)應(yīng)≥0.15m。

6) 氣象衡準(zhǔn)數(shù)應(yīng)≥1.0。

該開體泥駁校核了前述所有貨物的密度并滿足衡準(zhǔn)要求。

3 裝載泥漿時(shí)的穩(wěn)性分析

當(dāng)該開體泥駁泥漿裝載率達(dá)到90.1%時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)海水流入泥艙的情況。泥艙內(nèi)泥漿的流出量隨橫傾角度的增大而增大，導(dǎo)致泥艙內(nèi)的裝載率隨橫傾角度的增大而減小。因此，該開體泥駁裝載泥漿時(shí)的穩(wěn)性力臂(GZ)曲線偏離普通貨船固定裝載量的GZ曲線（見表2）。

表2 裝載泥漿時(shí)的GZ曲線

由表1、表2和圖2可知，該開體泥駁在裝載泥漿和普通貨物時(shí)穩(wěn)性力臂的差值、泥漿及泥艙進(jìn)水量與貨物質(zhì)量的差值為

由式（2）可知，與普通貨船相比，當(dāng)泥艙裝貨量超過臨界裝貨量時(shí)，開體泥駁的穩(wěn)性力臂隨著橫傾角度的增加而增大，排水量隨著橫傾角度的增加而減小，進(jìn)而使儲(chǔ)備浮力增大、穩(wěn)性變好；當(dāng)泥艙裝貨量不超過臨界值時(shí)，開體泥駁的穩(wěn)性力臂隨著橫傾角度的增加先減小后增大，排水量隨著橫傾角度的增加先增加后減小，進(jìn)而使儲(chǔ)備浮力先減小后增大，穩(wěn)性先變差后變好。

4 裝載泥砂時(shí)的穩(wěn)性

當(dāng)該開體泥駁泥砂裝載率為90.1%時(shí)，僅會(huì)發(fā)生外界海水超過泥艙上緣流入艙內(nèi)的情況。因此，開體泥駁裝載泥砂時(shí)的穩(wěn)性力臂GZ曲線偏離普通貨船固定裝載量的GZ曲線（見表3）。

表3 裝載泥砂時(shí)的GZ曲線

由式（3）可知，與普通貨船相比，當(dāng)泥艙未裝滿時(shí)，開體泥駁的穩(wěn)性力臂隨著橫傾角度的增加先不變后減小，排水量隨著橫傾角度的增加先不變后增大，進(jìn)而使儲(chǔ)備浮力先不變后減小，穩(wěn)性變差；當(dāng)泥艙裝滿時(shí)，隨著橫傾角度的增加，開體泥駁的穩(wěn)性力臂、排水量、儲(chǔ)備浮力和穩(wěn)性均不變。

5 結(jié) 語

本文借鑒國(guó)際相關(guān)法規(guī)的規(guī)定對(duì)開體泥駁的船型特點(diǎn)進(jìn)行定義，按照其所裝載貨物的特征進(jìn)行分類，結(jié)合靜水力基礎(chǔ)理論論證其在海上航行時(shí)的完整穩(wěn)性計(jì)算方法及在裝載不同類型貨物時(shí)的穩(wěn)性特點(diǎn)，可為我國(guó)開體泥駁、開體船的開發(fā)及相關(guān)法定條文的制定提供參考。本文以典型貨物密度對(duì)1000m3開體泥駁的穩(wěn)性進(jìn)行分析論證，在建造和運(yùn)營(yíng)該類船舶時(shí)需注意所有貨物密度對(duì)船舶穩(wěn)性的影響。開體泥駁及開體船的裝卸貨、拋起錨[4]等極端情況需根據(jù)船型特點(diǎn)和貨物特征作進(jìn)一步的論證及檢驗(yàn)。

[1] Bureau Veritas. Rules for the classification of steel ships: BV NR 467—2014 [S]. 2014.

[2] 盛正邦. 船舶靜力學(xué)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[3] IMO. International code on intact stability[S]. 2008.

[4] 沈威. 拋起錨穩(wěn)性計(jì)算分析[J]. 船舶與海洋工程，2014 (2): 24-26.

Study on the Hull Form of Hopper Splitter Barge and Calculation of Its Stability

DONG En-chun，JIA Rui
（Jinhai Heavy Industry Co., Ltd., Shanghai 200120, China）

This paper analyzes in detail the stability difference between the hopper splitter barge and conventional cargo vessels based on the comparison of the dynamic righting lever (GZ) and displacement variations, where the hull form characteristics of the hopper splitter barge is also taken into account. A theoretical calculation method is specifically proposed according to the characteristics of the hopper splitter barge, which provides theoretical basis and technical reference for the safe operation of hopper splitter barges.

hopper splitter barge; hull form characteristics; stability calculation; slurry; loam

U674.31；U661.22

A

2095-4069 (2017) 03-0031-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.007

2016-11-28

董恩春，男，工程師，1978年生。2007年畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶總體開發(fā)與設(shè)計(jì)工作。