自卸砂船的穩(wěn)性缺陷及改進(jìn)方法探析

摘 要：主要探討自卸砂船改V型艙底為W型底，從船舶的艙底形狀、艙容、貨物重心、船舶總重心高、穩(wěn)性以及船體縱向強(qiáng)度等方面作綜合考慮，較好解決內(nèi)河自卸砂船穩(wěn)性裕度不足的問題。

關(guān)鍵詞：自卸砂船；艙容；貨物；重心高度；穩(wěn)性；V型艙底；W型艙底

Method for Improving Stability of Self-Unloading Sand Ship

LI Shuhui

( Jiangmen Maritime Safety Administration of the People’s Republic of China Jiangmen， 529100 )

Abstract: This paper discusses the method for improving stability of self-unloading sand ship that substitute w-type hold bottom for v-type hold bottom. By integrated consideration on the shape of hold bottom， tank capacity， center of gravity of cargo， height of gravity center of vessel， stability and longitudinal strength of hull and other aspects， it solves the problem of shortfall in stability margin of the Ship.

Key words: Self-unloading sand ship; Tank capacity; Cargo; Height of Gravity center; Stability; V-type hold bottom; W-type hold bottom

1 前言

自卸砂船是目前國(guó)內(nèi)珠江水系、長(zhǎng)江水系中應(yīng)用比較普及的一種散裝貨物運(yùn)輸船，它是廣大的建造者、使用者通過(guò)實(shí)踐總結(jié)而形成的船舶種類，主要用于運(yùn)載砂、碎石、散裝水泥和煤炭等顆粒狀散裝貨物。其首配備帶輸送帶的可伸縮卸貨吊臂，使其具有不受碼頭限制而靈活卸載的特點(diǎn)，且該類型船舶具有快速裝、卸載貨物的優(yōu)點(diǎn)，只要航道的河岸邊具備合適水深，船舶就能自己快速將貨卸到岸上，這些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，使其在內(nèi)河運(yùn)輸大宗低價(jià)值散貨方面具備明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。

2 自卸砂船V型艙底的優(yōu)缺點(diǎn)

自卸砂船之所以具有快速自卸的優(yōu)點(diǎn)，關(guān)鍵在于其貨艙底部的形狀。自卸砂船的貨艙開口呈長(zhǎng)大形狀，其下部沿縱向設(shè)置的全通斜壁（貨艙傾斜底板），使其橫剖面呈V字型，貨物由于重力作用，沿著V型斜壁自動(dòng)滑移到貨艙底部，通過(guò)貨艙底部正中間的卸貨口，滑落到沿縱向循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的卸貨皮帶上來(lái)完成卸載。

要使其所載運(yùn)的散裝（如砂、石、煤及水泥熟料等）貨物自行向下滑移至卸貨皮帶上，需要其貨艙斜壁必須達(dá)到一定的斜度。廣大使用者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，貨艙斜壁板與水平面的夾角在≥37°時(shí)，貨艙中的散裝貨物才會(huì)暢順地自動(dòng)滑落，特別是對(duì)于顆粒比較細(xì)小的貨物，如細(xì)沙、粉煤等，貨艙斜壁夾角如果太小（≤30°），貼近貨艙斜壁的貨物需要用人工頂推才能滑落，達(dá)不到自卸的目的。因此，要具有良好自卸的優(yōu)點(diǎn)，貨艙斜壁的全部?jī)A角應(yīng)不小于37°。

然而，事情總是具有兩面性，V型貨艙斜底板雖然具有散貨自行滑移的優(yōu)點(diǎn)，卻會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)缺點(diǎn)：貨物的重心以及船舶的總重心高高在上。V型貨艙底的橫剖面近似一個(gè)倒立的三角形，使得貨艙的艙容幾乎減少一半，只有在高于斜底板以上，貨艙的形狀才近似長(zhǎng)方體，為達(dá)到設(shè)計(jì)的艙容，只能以升高貨艙圍板高度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的特性，貨艙圍板高度越高，越容易在圍板上緣產(chǎn)生損壞。因此，船檢部門作出規(guī)定：主甲板以上的艙口圍板高度一般不應(yīng)大于1.10m，如確需大于1.10m，則應(yīng)采取經(jīng)驗(yàn)船師認(rèn)可的方式處理；同時(shí)規(guī)范明確規(guī)定：圍板高度應(yīng)不大于公式計(jì)算值，且不大于1.50m。這使得貨艙圍板內(nèi)的艙容受到限制，要達(dá)到設(shè)計(jì)的載貨量，貨物經(jīng)常需要堆裝在貨艙圍板之上。

根據(jù)內(nèi)河檢驗(yàn)法規(guī)規(guī)定，堆裝于貨艙圍板之上的貨物，其穩(wěn)定的自然底錐角應(yīng)取不大于37°，重量應(yīng)作為可滑移部分計(jì)為“散貨滑移附加傾側(cè)力臂”，在穩(wěn)性計(jì)算程序中，該部分貨物相當(dāng)于堆積于貨艙邊甲板上。

貨物積載于貨艙上部甚至貨艙圍板之上的裝載方式，導(dǎo)致貨物的重心高高在上，加上自卸沙船的空船重心相對(duì)較高（一般在型深D的0.70～0.78倍之間），直接導(dǎo)致載貨時(shí)船舶的總重心很高（常高出甲板面不少）。而為提高經(jīng)濟(jì)效益，船方都會(huì)要求盡量減少穩(wěn)性余量，這樣常使得穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)略大于1，余量不大；另外，部分船舶采用加大容重的方法，人為減少載貨容積，從而獲得相對(duì)較低的貨物重心，在通過(guò)穩(wěn)性核算及載重線核準(zhǔn)后，再以載重線為基準(zhǔn)來(lái)裝載容重較小的貨物，致使裝載超出《貨物裝載手冊(cè)》規(guī)定的安全高度，容易形成超過(guò)最大許用重心高度的不良裝載狀況，此時(shí)，船舶在某些微小因素影響下，極容易出現(xiàn)傾覆的危險(xiǎn)；在海事部門的從嚴(yán)監(jiān)管后，不良裝載的運(yùn)作形式已不具備可操作性。

3 貨艙底V型改為W型

近年來(lái)，隨著船員薪酬水平的大幅提高，還有燃油價(jià)格的飆升，以及部分貨物需長(zhǎng)距離的運(yùn)輸，船舶只有往大型化方向發(fā)展，增大單航次的載貨量，才有可能保持成本優(yōu)勢(shì)；但由于內(nèi)河航道水深和裝卸作業(yè)地點(diǎn)的限制，大型化往加大型深與吃水方向發(fā)展已無(wú)可能，只能往船寬和船長(zhǎng)的方向發(fā)展。而隨著船寬度的增大，要保持貨艙斜底板具備一定的傾斜角度（≥37°）變得更加困難，常常需將貨艙斜底板的上端升高至與貨艙圍板頂端平齊；貨艙圍板由于受結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響而高度受到限制，因此有時(shí)即使貨艙斜底板的上端升高至與貨艙圍板頂端平齊，也不可能使得艙斜底板的夾角得保持≥37°。

我們經(jīng)過(guò)研究及計(jì)算論證，將V型貨艙底（見圖1）改變?yōu)閃型貨艙底（見圖2），可以有效解決這一難題。改變艙底型式后，即使船底全部采用雙層底的形式，使得W型貨艙底部相對(duì)V型貨艙底部升高不少，但由于貨艙可延伸至內(nèi)舷側(cè)邊，貨艙容積明顯增加，且大部分依然位于甲板下，還是得到較大的艙容和較低的貨物重心，在船舶滿載時(shí)，貨物重心和船舶的總重心依然相對(duì)較低，可以獲得良好的穩(wěn)性性能。

圖1 V型貨艙底 圖2 型貨艙底

通過(guò)對(duì)多艘不同尺度實(shí)船的計(jì)算驗(yàn)證，在相同的法規(guī)（穩(wěn)性核算）要求下，改型船舶的重心均有不同程度的降低，而同時(shí)載貨量則明顯增加，貨艙數(shù)據(jù)對(duì)比見表1（貨物容重全部為1.45t/m3）：

表1 貨艙數(shù)據(jù)對(duì)比表

4 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)實(shí)船穩(wěn)性計(jì)算分析，船舶貨艙由V型貨艙底改為W型貨艙底，并同時(shí)采用雙層底的形式后，船舶的穩(wěn)性性能普遍得到提高，更具有不少優(yōu)點(diǎn)：

1）經(jīng)測(cè)算，改V型艙底為W型貨艙底，相同主尺度的船舶，所增加的建造費(fèi)用不超過(guò)總費(fèi)用的10％，但除了能取得增加載貨量超過(guò)15％的效果外，還獲得更低的重心和更好的穩(wěn)性性能，對(duì)于載貨4 000～6 000 m3、造價(jià)達(dá)到2 000～2 500萬(wàn)元的中型內(nèi)河自卸沙船來(lái)說(shuō)，涉及穩(wěn)性方面的營(yíng)運(yùn)安全顯得尤為重要；同時(shí)，在相似的運(yùn)營(yíng)成本下，多出來(lái)15％的運(yùn)量，就有是切切實(shí)實(shí)的利潤(rùn)。

2）采用W型艙底的形式，貨艙中間隆起的部分空間，便于布置艏部的卸貨動(dòng)力裝置及主輸送帶裝置，在運(yùn)輸途中，大部分主輸送帶甚至可以做到后撤至艙內(nèi)，既有利于保護(hù)輸送帶，也有利于減少對(duì)駕駛了望的妨礙。

3）在貨艙范圍設(shè)置縱骨架式雙層底時(shí)（V型艙底多采用中間卸貨帶槽兼作積水艙，此部分為單底形式，其余兩邊設(shè)類似浮力艙的形式），雙層底內(nèi)適當(dāng)?shù)乃芊指舨贾茫诖瑲さ装逡馔馄茡p時(shí)，能有效的延緩進(jìn)水速度和數(shù)量，防止船舶短時(shí)間內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)而傾覆，增強(qiáng)其抗沉性，有利于船舶在惡劣的環(huán)境中航行作業(yè)。

4）雙層底內(nèi)采用縱骨架式，配合W型艙底板下的支撐和縱向桁架，在減少縱向構(gòu)件尺寸的同時(shí)，也有利于增強(qiáng)船舶的總縱向強(qiáng)度和縱向剛度，可有效解決船舶偏“軟”的問題。

5）將貨艙底改型后，卸貨口由一列變?yōu)閮闪校瓒嘣O(shè)一條艙底卸貨皮帶，在相同的卸載速度下，皮帶的寬度可減小一半；但卸貨皮帶由之前的1根全程連續(xù)的形式，改為3段獨(dú)立運(yùn)作形式，有利于維護(hù)保養(yǎng)及延長(zhǎng)使用壽命。

6）通過(guò)應(yīng)用液壓裝置控制艙底卸貨門的啟閉，可靈活、有效地控制左右卸貨皮帶上的貨物下落速度，不但消除卸貨左右不均而引起的船舶橫向傾斜，還能減輕人力啟閉卸貨門的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力成本。