氣脹式附加浮體抑制自卸砂船翻沉的應(yīng)用

宋志鵬,戴武會,邊 疆,覃麗瓊

(1.岳陽市地方海事局,湖南 岳陽 414000；2.湖北華舟重工應(yīng)急裝備股份有限公司 武漢 430200)

氣脹式附加浮體抑制自卸砂船翻沉的應(yīng)用

宋志鵬1,戴武會1,邊 疆1,覃麗瓊2

(1.岳陽市地方海事局,湖南 岳陽 414000；2.湖北華舟重工應(yīng)急裝備股份有限公司 武漢 430200)

為減少翻沉事故的發(fā)生，保障水上生命財產(chǎn)安全，以岳陽“11·20”事故為研究對象，提出通過加裝氣脹式附加浮體，在翻沉臨界點附近及時施加額外的復(fù)原力矩，以抑制船舶翻沉的方法,經(jīng)穩(wěn)性分析證明該方法有效可行。

自卸運砂船；翻沉事故；氣脹式附加浮體

自卸砂船屬于特種運輸船，用于從采砂船處接載砂、礫石，運往目的地碼頭自行卸載，或者直接過駁給其他船舶。因其自帶的自卸裝置能方便靈活地快速輸出貨艙內(nèi)的顆粒狀沙石，對碼頭及接駁船舶條件不挑剔，因此，近年來自卸砂船作為主力運砂船在水運交通發(fā)達(dá)的洞庭湖區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，安裝自主卸載裝置的運砂船，船舶重心提高，導(dǎo)致載貨航行穩(wěn)性富余量變小，若超載航行或違規(guī)駕駛，極易發(fā)生翻沉事故。穩(wěn)性的富余量緊張促使事故船翻沉速度極快、時間極短，船員反應(yīng)、逃生機會渺茫，所以一旦發(fā)生事故，生命財產(chǎn)損失慘重。

1 自卸砂船的結(jié)構(gòu)特點

洞庭湖區(qū)自卸砂船多為單層底結(jié)構(gòu)，貨艙區(qū)域主甲板大開口，艏艉設(shè)置防撞艙，兩舷各設(shè)置兩道水密縱艙壁，與水密橫艙壁構(gòu)成多個水密艙室。與甲板貨船和半艙貨船不同的是，自卸砂船的貨艙橫剖面呈“V”形[1]。

為保證砂、礫石能依靠自重滑落，斜壁板與貨艙圍板夾角一般為30°～45°，其典型舯部橫剖面結(jié)構(gòu)見圖1[2]。自卸皮帶系統(tǒng)裝設(shè)在貨艙整體的正下方，起于艏防撞艙壁，止于機艙前壁。船底不采用中內(nèi)龍骨，使用兩根中桁材組成箱型中底桁結(jié)構(gòu)替代；兩根中底桁之間安放皮帶架并作為積水槽；機艙前壁處設(shè)置較大的與積水槽相通的矩形積水池，集中安設(shè)泥沙泵排水。

圖1 自卸砂船典型舯部橫剖面結(jié)構(gòu)示意

2 一起自卸砂船翻沉的事故分析

事故過程：2013年11月20日19:40許，洞庭湖虞公廟水域，滿載礫石逆水上行駛往長沙的自卸砂船湘岳陽貨1516(簡稱船A)，與滿載黃砂順流下行駛往岳陽的自卸砂船湘平江貨0521(簡稱船B)相遇。會船過程中發(fā)生碰撞，B船船艏撞擊A船右舷船中部位。A船瞬間翻沉，船員2人受傷，5人喪生；B船亦于稍后沉沒，船員得隙全數(shù)逃生。

經(jīng)調(diào)查，事故船舶的基本數(shù)據(jù)如下。

船A：總長118.80 m；垂線間長77.80 m；型寬13.00 m；型深3.70 m；滿載吃水3.00 m；滿載排水量2 695.578 t；總噸位1 333；設(shè)計干舷700 mm；適航證書為B級航區(qū)。

船B：總長126.60 m；垂線間長80.40 m；型寬13.80 m；型深3.20 m；滿載吃水2.35 m；滿載排水量2 261.164 t；總噸位1 491 t；設(shè)計干舷862 mm；適航證書為B級航區(qū)。

結(jié)合船舶資料數(shù)據(jù)，計算事故船舶在典型載況下的穩(wěn)性數(shù)據(jù)[3-4]見表1。

表1 事故船舶的穩(wěn)性數(shù)據(jù)

事故船在額定裝載的情況下，穩(wěn)性是符合規(guī)范要求的。但由表1穩(wěn)性數(shù)據(jù)可知，隨著裝載的增加，其穩(wěn)性下降急劇，A船在滿載狀態(tài)時下降到了2.845 m的程度。如若超載，干舷的減少、砂石的滑移將使傾覆力矩更大、復(fù)原力矩更小，穩(wěn)性會更差，更容易發(fā)生翻船[5]。

事發(fā)當(dāng)日湖面風(fēng)力較小，天氣為多云。兩船均平穩(wěn)中速行船，信號燈與高頻均在正常工作。A船之迅速翻沉是因為右舷遭碰撞，瞬間沖擊力、B船船艏壓迫聯(lián)合產(chǎn)生的巨大力矩，使得本就對穩(wěn)性高度敏感的A船快速超過平衡臨界點，發(fā)生翻沉。B船隨后翻沉是因為碰撞導(dǎo)致所載運砂石滑移，沙堆重心偏移后傾覆力矩超過復(fù)原力矩。

3 氣脹式附加浮體系統(tǒng)抗翻沉方案

3.1 氣脹式附加浮體的抗翻沉設(shè)想

船舶發(fā)生翻沉，是傾覆力矩與復(fù)原力矩共同作用的結(jié)果。隨著橫傾角的增加，傾覆力矩在達(dá)到、超過復(fù)原力矩時，船舶浮態(tài)急劇改變[6]。故為避免翻沉，需在橫傾角達(dá)到極限臨界點之前，及時施加一個足夠大的復(fù)原力矩，抑制船舶進一步橫傾，使船舶向0°橫傾角回歸。

基于以上分析，加裝氣脹式附加浮體(下文簡稱氣脹浮體)裝置是一種能有效提供及時、足夠復(fù)原力矩抑制傾覆的方案。

氣脹浮體裝置由一組受控制的安全氣囊構(gòu)成，兩兩對稱安裝于船舶兩舷靠近舷側(cè)外板的主甲板上。平時折疊儲存于氣囊收納箱內(nèi)；當(dāng)船舶面臨翻沉危險時，控制系統(tǒng)自動擊發(fā)、釋放出某一舷側(cè)的數(shù)個氣囊，氣囊展開后產(chǎn)生足夠大的浮力，阻止船舶進一步橫傾。氣脹浮體裝置的釋放過程模擬見圖2。全部氣囊釋放后的效果見圖3。

圖2 自卸砂船氣脹浮體釋放過程示意

圖3 自卸砂船氣脹浮體釋放效果示意

3.2 氣脹浮體控制系統(tǒng)組成

氣脹浮體裝置可以劃分為5大模塊：保險模塊、傳感器模塊、電子控制器(electronic control unit,ECU)控制模塊、顯示與告警模塊、氣囊模塊，其控制系統(tǒng)原理見圖4。

圖4 氣脹浮體控制系統(tǒng)原理

氣脹浮體裝置的核心部件是傳感器組、中央控制器和氣囊組，其全部物理組成部件見圖5。

圖5 氣脹浮體裝置物理組件示意

組件①是傾角傳感器，用以測取船舶的橫傾角，安裝于船體內(nèi)部(如貨艙底)。該類設(shè)備目前已廣泛應(yīng)用于船舶航行姿態(tài)的測量工作，其刷新率為50～1 000 Hz；橫軸誤差±0.5%；精度±0.07°～±0.05°；可水平、垂直、倒立安裝，安裝誤差自動修正。由于船舶翻沉事故主要致因是橫傾，所以傾角傳感器獨立測量船舶的橫傾角，并將信號傳輸給ECU。

為保證判斷的精準(zhǔn)性，需在船舶的不同位置布置多個傾角傳感器，如圖3所示,分別在船舶的艏、舯、艉3個區(qū)域各安裝1個傾角傳感器。多個傳感器協(xié)同工作可有效防止安裝位置松動、船體碰撞或擠壓后骨材或板材變形導(dǎo)致安裝部位扭曲、貨物或人員碰觸等情況下船舶未發(fā)生橫傾而某個傳感器能測取到橫傾角的發(fā)生。

組件②安裝于駕駛室中控臺內(nèi)，它是整個系統(tǒng)的邏輯判斷、控制核心部件，由微處理器、存儲器、輸入/輸出接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及整形、驅(qū)動等電路組成。ECU模塊根據(jù)其內(nèi)存的程序和數(shù)據(jù)對傳感器輸入的信號進行運算、處理、判斷，然后向執(zhí)行機構(gòu)輸出指令。

組件③安裝于駕駛室操作臺上，主要用于人機交互。它們接收并顯示來自ECU的信號，向操作人員展示系統(tǒng)的工作狀態(tài)并在緊急情況下發(fā)出聲光信號示警，操作人員根據(jù)提示信息可作出判斷和選擇。

組件④是常開型旋轉(zhuǎn)按鈕式緊急開關(guān)，決定人工控制是否干預(yù)整個系統(tǒng)。若船舶處于可預(yù)見無危險、易誤判的情況下，可人工切斷氣脹浮體系統(tǒng)。當(dāng)突發(fā)緊急情況時，按下旋鈕開關(guān)即可使系統(tǒng)立刻介入。

組件⑤屬于整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分。它包括氣囊收納箱、氣囊、擊發(fā)機構(gòu)、藥劑/壓縮空氣瓶。當(dāng)氣囊機構(gòu)接收到ECU信號時，將依次解鎖氣囊收納箱蓋板，激活擊發(fā)機構(gòu)，釋放氣囊。

當(dāng)所用充氣方式為藥劑式時，擊發(fā)機構(gòu)為電子點火器，引爆點火劑，產(chǎn)生熱量從而進一步使充氣劑分解，充氣劑產(chǎn)生氣體向氣囊充氣，使氣囊爆開。

當(dāng)所用充氣方式為壓縮空氣式時，擊發(fā)機構(gòu)為截止/流通閥，通過控制壓縮空氣瓶與氣囊間的管道達(dá)到控制充氣的目的[7]。

氣囊采用無涂層全成型織物氣囊或縫制型無涂層織物氣囊，由聚酰胺纖維和聚酯纖維制成，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天器著陸、汽車安全等領(lǐng)域。在保證良好物理機械性能(強度高，質(zhì)量輕，彈性好，有良好的摩擦性能)的同時，也具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、抗老化性，同時折疊后體積可以盡可能地小。

氣囊收納箱用于氣囊本體的貯存收納。需盡量不妨礙船舶的使用效能，平時能有效保護氣囊的貯存，氣囊擊發(fā)時能迅速有效地開啟而不傷害到附近人員。

3.3 氣脹浮體抗翻沉作用原理

ECU在保險模塊不介入的情況下，不斷接收來自傳感器組傳遞的實時數(shù)據(jù)流，并通過預(yù)設(shè)程序與內(nèi)部各種特征閾值作比對。當(dāng)船舶發(fā)生較大角度的橫傾，ECU判斷船舶面臨即將翻沉的危險時，將同時發(fā)出指令到顯示告警模塊和氣囊模塊，有序、有度地控制氣囊依次觸發(fā)并向當(dāng)班駕駛員發(fā)出聲、光信號告警，達(dá)到抑制船舶翻沉的目的。

當(dāng)船舶發(fā)生碰撞或行駛于河汊口突遇湍流、突遭橫風(fēng)吹襲時，最易發(fā)生翻沉事故。所以需根據(jù)多種應(yīng)用場景，綜合分析船舶橫傾角特征，在盡量減少誤觸的情況下，盡可能全面地設(shè)置最佳的觸發(fā)機制，完善其控制系統(tǒng)。

3.4 氣脹浮體抗翻沉工況下的力學(xué)分析

基于岳陽“11·20”事故，選擇發(fā)生嚴(yán)重人員財產(chǎn)損失的湘岳陽貨1516為研究對象。通過查詢其檔案圖紙資料和計算書，使用SolidWorks軟件對船舶典型分段3D建模并簡化分析，考察其在不同典型工況下的傾覆力矩和復(fù)原力矩(包括/不包括氣囊浮力)特征，以研究氣脹浮體方案的可行性。

取船舯部載貨區(qū)域8 m長的分段為簡化研究目標(biāo)，假定該分段只受船體結(jié)構(gòu)的自重、裝載砂石的重量、船體排水體積浮力這3個力的影響

當(dāng)核定載重線為700 mm時，該分段在正浮狀態(tài)下的裝載情況如圖6所示，此時的重量重心特征見圖7。

圖6 正浮狀態(tài)下的裝載情況

圖7 載重線為700 mm時的重量重心特征

當(dāng)船舶發(fā)生橫傾時，船舶浮態(tài)發(fā)生變化，浮心位置移動。同時，由于砂石的物理特性，沙堆將發(fā)生滑移，導(dǎo)致沙堆的重心向舷側(cè)移動[9]，這也是絕大多數(shù)自卸砂船發(fā)生翻沉的主因。

在實際運營中，當(dāng)船舶發(fā)生小角度傾斜時，沙堆的滑移并不明顯，故一般±2°以內(nèi)的橫傾對自卸砂船的穩(wěn)性并無太大影響，都能自行往0°橫搖回歸。但是當(dāng)船舶傾斜超過3°甚至4°時，沙堆將發(fā)生顯著滑移并誘發(fā)角度更大、角速度更快的橫傾，這種情況極其危險。文中選擇左傾4°時的工況作為船舶翻沉的臨界點，利用軟件進行浮態(tài)模擬與分析。

該分段在左傾4°時的裝載情況見圖8，此時的重量重心特征見圖9。

圖8 左傾4°狀態(tài)下的裝載情況

圖9 左傾4°時的重量重心特征

船舶正浮時的水平面WL0與左傾4°后的水平面WL1相交于一點，即S點。此時的船體分段浮心從B0移動到B1，重心位置G0不變，沙堆滑移后重心移動到G2。采取與圖7相同方法在O點建立直角坐標(biāo)系，測量得到沙堆重心G2距離基線面4 002mm，距離中線面591mm；浮心B1距離基線面1 520mm，距離中線面330mm；空船結(jié)構(gòu)重量的重心位置G0不變。

結(jié)合圖7和圖9中各重量重心位置，過S點作垂線CL，可得到傾斜后各力相對于S點的力臂值見圖10。假設(shè)此時左舷抗翻沉氣囊已釋放并全部浸沒于水下，氣囊直徑2 m，浮心F。計算該情況下的復(fù)原力矩和傾覆力矩，可得所需的最小浮力，從而得到氣囊具體尺寸。

圖10 左傾4°時的力臂特征

沙堆質(zhì)量270.53 t，力臂658 mm，作用于G2點產(chǎn)生傾覆力矩；船體分段自重40.1 t，力臂104 mm，作用于G0點產(chǎn)生復(fù)原力矩；船體分段排水量310.63t，力臂432mm，作用于G2點產(chǎn)生復(fù)原力矩。氣囊排水量△，力臂7 500mm，作用于F點產(chǎn)生復(fù)原力矩。

力矩平衡方程： 270.53×658=40.1×104+310.63×432+7 500Δ。

計算可得氣囊排水量Δ=5.28 t ，該Δ為8 m載貨區(qū)域所需提供的浮力。湘岳陽貨1516船長為77.8 m，載貨區(qū)域長52 m，則對應(yīng)所需氣囊總排水量為5.28 t×(52÷8)=34.32 t。當(dāng)左舷的2個氣囊全部使用時，單個氣囊排水量17.16 t。因氣囊近似為直徑2 m的圓柱體，故可得單個氣囊長度為5.46 m。

由此可知，對于船長77.8 m的自卸砂船，只需在兩舷各布置2個釋放后體積達(dá)17.16 m3的氣囊即可基本滿足抗翻沉要求。考慮到實船船艏和船艉非載貨處所均能提供較大的浮力抵抗傾覆力矩，故實際情況較該計算結(jié)果更為寬裕。滿足計算結(jié)果的單個氣囊?guī)缀纬叽鏡=1 m，L=5.46 m，表面積40.57 m2，厚度約2 mm。當(dāng)氣囊材料為聚酰胺纖維(1.15 g/cm3)和聚酯纖維(1.37 g/cm3)時，其質(zhì)量和折疊后體積極小，完全滿足安裝布置要求。

綜上可知，船長77.80 m，滿載排水量約2 695.578 t的自卸船只需4個釋放后體積為17.16 m3的氣囊就能達(dá)到抗翻沉效果。投入實際使用時，可在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增大氣囊體積以對抗橫傾力矩，獲得更顯著效果。

4 結(jié)束語

氣脹式附加浮體系統(tǒng)可在船舶出現(xiàn)翻沉趨勢時及時提供一個額外的復(fù)原力矩，以阻止船體進一步橫傾誘發(fā)事故，對于內(nèi)河排水型低速肥大船舶基本都能適用[10]。文中從理論方面對該裝置的可行性進行了論證，為進一步完善細(xì)節(jié)、優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)和借鑒。該裝置的難點在于氣囊的擊發(fā)系統(tǒng)控制方案，如何設(shè)置不同工況下的擊發(fā)條件，在防止誤報、誤觸傷人或引發(fā)事故的前提下，盡可能準(zhǔn)確地判斷船舶所處的工況，決定擊發(fā)氣囊的個數(shù)、位置、充氣量及擊發(fā)的先后順序、時間間隔，以最高效率地抑制翻沉事故的發(fā)生。

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Application of Additional Inflatable Floating Body in Self-discharging Sand Carrier against Capsizing

SONG Zhi-peng1, DAI Wu-hui1, BIAN Jiang1, QIN Li-qiong2

(1.Yueyang Maritime Safety Administration, Yueyang Hunan 414000, China; 2.China Harzone Industry Co., Ltd., Wuhan 430200, China)

To reduce the capsizing accident of ship, ensure life and property safety of water transportation, the Yueyang 11.20 disaster is studied to present a method to prevent capsizing accident by equipping the additional inflatable floating body, which can provide a timely extra righting moment near the critical capsizing point. The stability analysis proved that it is effective and feasible.

self-discharging sand carrier; ship capsizing accident; additional inflatable floating body

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.020

2014-07-01

宋志鵬(1987-)男，碩士

U674.13

A

1671-7953(2015)01-0078-05

修回日期：2014-07-11

研究方向:船舶建造工藝

E-mail:jianzaogongyi@163.com