沿海自吸自卸砂船主尺度參數及線型設計特點分析

■陳茂仙

（福建省港設船舶檢驗有限公司，福州 350001）

隨著市場對砂子需求增加， 與之配套的運砂船舶大批涌現，主要以自吸自卸砂船為主。2020 年初，《國內航行海船法定檢驗技術規則（2020）》[1]第11 篇第4 章，對自吸自卸砂船提出相關要求，以保證自吸自卸砂船在提高經濟性、 時效性的同時又能保證安全性。

自吸自卸砂船作為運輸貨物的一種特殊貨船，還具備工程船的功能，自帶吸砂管、砂泵、吸砂輔機、卸砂輔機和輸送砂帶等設備進行自吸自卸砂子作業。 基于自吸自卸砂船的特點，從船舶的安全性、便捷的操作性及相關法規條款的要求綜合考慮，確定主要尺度和線型，通過設計優良的線型，能降低耗油量，提升貨物裝載量。

1 船舶主尺度的相關概念介紹

船舶主尺度是反映船舶外型大小的尺度，單位用米（m）表示。 體現船舶長度的船長一般是總長、滿載水線長及垂線間長（具體在相關技術規則中有相應的定義）。 總長指船體（包括首、尾升高甲板）及上層建筑的船首最前端到船尾最后端之間的水平距離（金屬材料外板的船舶計至內表面，纖維增強塑料等非金屬材料外板的船舶計至外表面），不包括船首尾兩端的突出物（如舷伸甲板、護舷材、舷墻、頂推裝置、舷外掛機及其安裝支架、假首、假尾、活動突出物等）[1]。 對自吸自卸砂船總長，《國內航行海船法定檢驗技術規則（2020）》中有專指包含貨物的輸送裝置[1]。 下面分析船舶主尺度的定義包括，兩柱船長：沿夏季載重水線，由首柱前緣量到舵柱后緣的長度；對無舵柱的船舶， 由首柱前緣量到舵桿中心線的長度。 船寬：在船舶的最寬處，由一舷的肋骨外緣量至另一舷的肋骨外緣之間的水平距離。型深:船長中點處，沿船舷由平板龍骨上緣量至干舷甲板下表面的垂直距離[2]。

2 沿海自吸自卸砂船的主尺度參數分析

自吸自卸砂船作為貨船的一種， 提高載貨量、降低耗油量是投資者從提升經濟性指標的角度應考慮的方向，在操作便捷方面還需具備進行自吸自卸貨物等工程船的功能，因此在選擇主尺度時要綜合考慮各方面性能的需求。

從近兩年（2020-2021 年）某省主要投入運營的沿海自吸自卸砂船 （含自卸砂船改為自吸自卸砂船）的主尺度可知：兩柱間長Lpp 為86～130 m，型寬B 為19～26 m，型深D 為5.8～8.8 m，設計吃水d為3.55～6.0 m，方型系數Cb 為0.865～0.93。 在相關的資料中顯示L/B 為4.39 ～5.00，B/D 為3.354 ～2.955，B/d 為5.4～4.4，干舷2.25～2.8。

從表1 及以上數據可知，自吸自卸砂船的設計與普通貨船的設計有較大區別：（1）船長選擇范圍較大，主機總功率與船長成正比關系，航速普遍在10～11 kn。 主要是自吸自卸砂船航區是沿海，航程都不遠，船東從經濟上考慮選取。 （2）從型深和吃水分析，干舷比普通貨船要大許多。 自吸自卸砂船一般不加設艙口蓋，考慮滿足穩性要求，從而要提高干舷保證其安全性能。 （3）寬深比一般都超過3.0，目前達到3.35 的，規范規定可以達到3.5，還是有潛力可以考慮的。 （4）自吸自卸砂船方形系數比普通貨船更大些，浮心縱坐標也是相對的船舯后，在裝貨過程中的不同裝載狀態下，發生變化，但在空載及滿載情況下基本變化不大， 更能保證船舶的安全性。

表1 某省自吸自卸砂船船長、占比及設計參數

3 沿海自吸自卸砂船線型設計的特點分析

3.1 橫剖面線型

當船舶主尺度如船長×型寬×型深×吃水×方型系數等相關要素確定之后，就可以設計出滿足這些要素的船體型線。 船舶性能良好、線型光順是船舶設計者追求的目標，船型阻力的降低，安全性系數提高是自吸自卸砂船的集中要求和要素優化的重點。 船型一般有U 型、V 型及介于兩者之間的中U型，對船型的選擇，自吸自卸砂船選用U 型，在同等吃水的情況下U 型船的排水量比其他兩種 （V 型/中U 型）大，排水量增大，裝貨量就提升，U 型這類船型也是貨船的較多選擇。 首先自吸自卸砂船基本上都在平靜的海上行駛 （蒲氏風級不超過6 級、有義波高不超過2 m），遇到大風大浪氣象惡劣的情況下，必須避港停止作業，受由風浪、波浪造成失速、耐波性能降低的因素影響變化較小；其次，從經濟性上分析，U 型比中V 型船型更用利于載貨量提升，船中線型豐滿提高裝貨空間。 因為這些特點，自吸自卸砂船的船型全部都選取U 型，舭部圓弧半徑比較小。 圖1 是選用典型主尺度的一種自吸自卸砂船的橫剖面、線、點[3]。

圖1 自吸自卸砂船的橫剖面、線、點

3.2 艏部線型

船舶在海上行駛根據不同類型船舶的特點需要采取多種多樣的措施防止海水沖擊，考慮到自吸自卸砂船艏部設有輸送帶出口，為了防止海水從船首濺入，除國家法規的相關要求外，需要將甲板的船艏線型抬高， 見圖2 （典型砂船）， 計算吃水為5.15 m， 基線到艏樓甲板邊線高點處為11.559 m，比計算要求的最小船艏高度要高許多，相比其他貨船預留量比較大；艏部基本采用球鼻來減少興波阻力，但常規球鼻艏會導致濕面積增大，自吸自卸砂船由于比其他貨船（主尺度相近的）干舷取值較大，首部吃水小，球鼻艏的線型緊湊顯得嬌小，從而減少濕面積，克服了常規球鼻艏的缺點。

圖2 自吸自卸砂船的艏部剖線型

3.3 艉部線型

艉部的線型設計對船舶推進、 阻力大小有較大影響。 雙機雙槳船常規艉線型去流段比較短，收縮比較緊驟很容易引起水流分開， 螺旋槳伴流出現空洞增大旋渦阻力，同時使槳轉矩過大，加劇艉部振動[4]。

由于自吸自卸砂船的B/d 比較大，因此水流方向更接近于沿縱剖線方向，對此應重視縱剖線水平面的夾角。 圖3 為自吸自卸砂船的尾部線型，該船船員艙室、駕駛室均集中設置在船艉，尾部線型變化較小，有足夠的寬度和吃水，達到螺旋槳的來流充分，提高螺旋槳在各種裝載下的敞水效率。 自吸自卸砂船一般運程較短， 砂子運輸到別的貨船，在與其他船過駁的過程中需要不停回轉、橫移或倒車等操作， 而雙機雙槳雙舵具備良好的操縱性能，能在短時間內快速倒車、橫移或回轉。 因此，自吸自卸砂船選取雙機雙槳船型能充分發揮其優點。

圖3 自吸自卸砂船的尾部線型

4 結論

隨著砂子需求的增加，沿海省份涌現大批自吸自卸砂船，從內河到沿海出現航區上的變更，對沿海自吸自卸砂船的操縱性、快速性能等相關的航行性能是重要的研究對象，與其息息相關的船舶主尺度和線型是研究的重中之重。 在未來的使用中將不斷發現問題、解決問題，同時不斷地進行更深入的分析研究，選取適合船型，來保證船舶的安全性和經濟性。