自卸砂船設(shè)計(jì)穩(wěn)性缺陷分析及解決方法

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北武漢 430050)

自卸砂船裝卸效率高、經(jīng)濟(jì)效益好、對(duì)碼頭及岸線適應(yīng)性強(qiáng)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用和大力的發(fā)展。但此類船舶發(fā)生翻沉事故的報(bào)道也屢見報(bào)端，究其原因除操作不當(dāng)、惡劣天氣影響、超載超限等原因外，設(shè)計(jì)穩(wěn)性缺陷和貨物裝載狀態(tài)不合理也是主要原因。本文結(jié)合實(shí)船查找穩(wěn)性設(shè)計(jì)缺陷，找出翻沉事故的真實(shí)原因，并提出改善船舶穩(wěn)性的具體方法。

1 穩(wěn)性設(shè)計(jì)缺陷分析

1.1 貨物重心高度計(jì)算不準(zhǔn)確

傳統(tǒng)貨物重心計(jì)算方法是將貨艙截面簡(jiǎn)單等效為一個(gè)等腰梯形，梯形的形心高度即為貨物的重心高度。這種算法一是忽視了散裝貨物自然堆積會(huì)形成自然堆積角，不可能與貨艙形狀完全契合；二是忽略了貨艙底部及首尾端的非梯形形狀。這種算法將貨艙的形狀簡(jiǎn)單等效為一個(gè)截面為等腰梯形的柱體，認(rèn)為梯形截面的形心高度就是整個(gè)貨艙的形心高度，進(jìn)而確定貨物的重心高度也在此位置上，這存在很大的不合理性，必然導(dǎo)致貨物的計(jì)算重心高度與實(shí)際重心高度存在很大的偏差。

從貨艙的實(shí)際形狀來看，單純將貨艙視為一個(gè)梯形是不科學(xué)的?？紤]實(shí)際裝載狀況，可以將整體貨艙分解為三部分，一是貨艙底部的擬柱體部分，二是梯形部分，三是自然堆積部分。見圖1及圖2。

圖1 貨艙實(shí)際形狀

圖2 貨艙載貨形狀示意圖

1.2 貨艙側(cè)受風(fēng)面積計(jì)算不準(zhǔn)確

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法認(rèn)為貨圍板的側(cè)投影面積即為貨艙側(cè)受風(fēng)面積，而從實(shí)際裝載情況來看，貨物自然堆積部分往往會(huì)超過圍板，見圖3。傳統(tǒng)算法忽視了貨物超過圍板部分的側(cè)受風(fēng)面積，埋下了安全隱患。

圖3 貨物實(shí)際裝載情況

2 改進(jìn)穩(wěn)性設(shè)計(jì)缺陷的方法

2.1 準(zhǔn)確計(jì)算貨物重心位置

將所載貨物分解成底部的擬柱體部分、中部梯形部分、頂部自然堆積部分分別計(jì)算體積和形心位置，三部分綜合可以得到整體體積和形心位置。

圖4 底部擬柱體

底部擬柱體部分可以采用幾何方法計(jì)算體積和形心高度。假定擬柱體個(gè)數(shù)為n。

某51.8m自卸砂船，主要尺度：Loa=51.80m，Lpp=49.30m，B=9.80m，D=2.30m，T=1.75m，航區(qū)B級(jí)，設(shè)計(jì)載貨量W=550.0t，貨物密度ρ=1.5t/m3。

貨艙主要要素：L上口=31.80m，B上口=6.70m，貨斗總高度H=3.05m，斗門距基線Hdm=1.20m，斗門寬B下口=0.40m，斗門間距Δ斗門=1.68m，斗門數(shù)n=18個(gè)，貨斗傾斜角度α=44.1°，貨斗首端傾斜角度β=63°，貨斗尾端傾斜角度γ=72°。

可見，采用傳統(tǒng)算法計(jì)算貨物重心高度存在很大偏差，導(dǎo)致重心計(jì)算高度嚴(yán)重偏低，為船舶穩(wěn)性安全埋下嚴(yán)重隱患(見表1)。

表1 不同算法貨物重心高度結(jié)果對(duì)比

2.2 準(zhǔn)確計(jì)算貨物超過圍板側(cè)受風(fēng)面積

貨物自然堆積超過圍板高度的部分的側(cè)投影面積可以通過垂向積分進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算上述51.80m自卸砂船貨物超過圍板側(cè)受風(fēng)面積為30.62m2，面積形心距基線高度為4.945m?？梢?，忽略此受風(fēng)面積也埋下了穩(wěn)性安全隱患。

采用傳統(tǒng)算法會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果“偏好”，誤以為船舶穩(wěn)性裕度充足(見表2)。

3 改善穩(wěn)性的方法

在不改變船舶尺度、貨艙形狀尺寸、載貨種類重量的前提下，要改善船舶穩(wěn)性，可以通過平艙改變貨物堆積形狀來實(shí)現(xiàn)。

表2 不同算法穩(wěn)性衡準(zhǔn)指標(biāo)結(jié)果對(duì)比

在貨艙頂緣補(bǔ)加高度hw的圍板，確保平艙后不至于貨物外泄。平艙后貨物堆裝情況如圖5。

圖5 平艙貨物堆裝示意圖

通過平艙可以消減散貨滑移附加傾側(cè)力矩影響，可以減少側(cè)受風(fēng)面積，可以有效降低貨物重心高度。

可見，通過平艙散貨滑移附加影響，貨物重心高度，側(cè)受風(fēng)面積等均有一定程度的降低，勢(shì)必對(duì)船舶穩(wěn)性帶來很大的利好影響(見表3)。

平艙后船舶穩(wěn)性各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯好轉(zhuǎn)，尤其對(duì)穩(wěn)性面積衡準(zhǔn)數(shù)和風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)的好轉(zhuǎn)有重要影響。在眾多穩(wěn)性衡準(zhǔn)指標(biāo)中，穩(wěn)性面積衡準(zhǔn)數(shù)最為敏感，通過平艙可以使本指標(biāo)有10%以上的提升，足以證明平艙對(duì)穩(wěn)性的重大影響(見表4)。

表3 平艙前后各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

表4 平艙前后穩(wěn)性衡準(zhǔn)指標(biāo)變化情況對(duì)比

4 結(jié) 論

多起自卸砂船翻沉事故的原因均歸咎為超載或操作不當(dāng)，殊不知設(shè)計(jì)缺陷才是罪魁禍?zhǔn)?。通過平艙可以有效改善影響穩(wěn)性的各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)提高船舶穩(wěn)性具有重要意義。