自卸砂船的穩性缺陷及改進方法探析

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、穩性以及船體縱向強度等方面作綜合考慮，較好解決內河自卸砂船穩性裕度不足的問題。

關鍵詞：自卸砂船；艙容；貨物；重心高度；穩性；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

自卸砂船是目前國內珠江水系、長江水系中應用比較普及的一種散裝貨物運輸船，它是廣大的建造者、使用者通過實踐總結而形成的船舶種類，主要用于運載砂、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，且該類型船舶具有快速裝、卸載貨物的優點，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，這些特點和優點，使其在內河運輸大宗低價值散貨方面具備明顯的性價比優勢。

2 自卸砂船V型艙底的優缺點

自卸砂船之所以具有快速自卸的優點，關鍵在于其貨艙底部的形狀。自卸砂船的貨艙開口呈長大形狀，其下部沿縱向設置的全通斜壁（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型斜壁自動滑移到貨艙底部，通過貨艙底部正中間的卸貨口，滑落到沿縱向循環運轉的卸貨皮帶上來完成卸載。

要使其所載運的散裝（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到一定的斜度。廣大使用者的實踐經驗證明，貨艙斜壁板與水平面的夾角在≥37°時，貨艙中的散裝貨物才會暢順地自動滑落，特別是對于顆粒比較細小的貨物，如細沙、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，達不到自卸的目的。因此，要具有良好自卸的優點，貨艙斜壁的全部傾角應不小于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點，卻會導致另一個缺點：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方體，為達到設計的艙容，只能以升高貨艙圍板高度來實現。

由于船體結構應力的特性，貨艙圍板高度越高，越容易在圍板上緣產生損壞。因此，船檢部門作出規定：主甲板以上的艙口圍板高度一般不應大于1.10m，如確需大于1.10m，則應采取經驗船師認可的方式處理；同時規范明確規定：圍板高度應不大于公式計算值，且不大于1.50m。這使得貨艙圍板內的艙容受到限制，要達到設計的載貨量，貨物經常需要堆裝在貨艙圍板之上。

根據內河檢驗法規規定，堆裝于貨艙圍板之上的貨物，其穩定的自然底錐角應取不大于37°，重量應作為可滑移部分計為“散貨滑移附加傾側力臂”，在穩性計算程序中，該部分貨物相當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，導致貨物的重心高高在上，加上自卸沙船的空船重心相對較高（一般在型深D的0.70～0.78倍之間），直接導致載貨時船舶的總重心很高（常高出甲板面不少）。而為提高經濟效益，船方都會要求盡量減少穩性余量，這樣常使得穩性衡準數略大于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，從而獲得相對較低的貨物重心，在通過穩性核算及載重線核準后，再以載重線為基準來裝載容重較小的貨物，致使裝載超出《貨物裝載手冊》規定的安全高度，容易形成超過最大許用重心高度的不良裝載狀況，此時，船舶在某些微小因素影響下，極容易出現傾覆的危險；在海事部門的從嚴監管后，不良裝載的運作形式已不具備可操作性。

3 貨艙底V型改為W型

近年來，隨著船員薪酬水平的大幅提高，還有燃油價格的飆升，以及部分貨物需長距離的運輸，船舶只有往大型化方向發展，增大單航次的載貨量，才有可能保持成本優勢；但由于內河航道水深和裝卸作業地點的限制，大型化往加大型深與吃水方向發展已無可能，只能往船寬和船長的方向發展。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；貨艙圍板由于受結構應力的影響而高度受到限制，因此有時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°。

我們經過研究及計算論證，將V型貨艙底（見圖1）改變為W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V型貨艙底部升高不少，但由于貨艙可延伸至內舷側邊，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，貨物重心和船舶的總重心依然相對較低，可以獲得良好的穩性性能。

圖1 V型貨艙底 圖2 型貨艙底

通過對多艘不同尺度實船的計算驗證，在相同的法規（穩性核算）要求下，改型船舶的重心均有不同程度的降低，而同時載貨量則明顯增加，貨艙數據對比見表1（貨物容重全部為1.45t/m3）：

表1 貨艙數據對比表

4 改進后的優點

通過實船穩性計算分析，船舶貨艙由V型貨艙底改為W型貨艙底，并同時采用雙層底的形式后，船舶的穩性性能普遍得到提高，更具有不少優點：

1）經測算，改V型艙底為W型貨艙底，相同主尺度的船舶，所增加的建造費用不超過總費用的10％，但除了能取得增加載貨量超過15％的效果外，還獲得更低的重心和更好的穩性性能，對于載貨4 000～6 000 m3、造價達到2 000～2 500萬元的中型內河自卸沙船來說，涉及穩性方面的營運安全顯得尤為重要；同時，在相似的運營成本下，多出來15％的運量，就有是切切實實的利潤。

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力裝置及主輸送帶裝置，在運輸途中，大部分主輸送帶甚至可以做到后撤至艙內，既有利于保護輸送帶，也有利于減少對駕駛了望的妨礙。

3）在貨艙范圍設置縱骨架式雙層底時（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，其余兩邊設類似浮力艙的形式），雙層底內適當的水密分隔布置，在船殼底板意外破損時，能有效的延緩進水速度和數量，防止船舶短時間內發生失穩而傾覆，增強其抗沉性，有利于船舶在惡劣的環境中航行作業。

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

5）將貨艙底改型后，卸貨口由一列變為兩列，需多設一條艙底卸貨皮帶，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根全程連續的形式，改為3段獨立運作形式，有利于維護保養及延長使用壽命。

6）通過應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強度，節省人力成本。