自卸砂船设计稳性缺陷分析及解决方法

(武汉船舶职业技术学院， 湖北武汉 430050)

自卸砂船装卸效率高、经济效益好、对码头及岸线适应性强，近年来得到了广泛的应用和大力的发展。但此类船舶发生翻沉事故的报道也屡见报端，究其原因除操作不当、恶劣天气影响、超载超限等原因外，设计稳性缺陷和货物装载状态不合理也是主要原因。本文结合实船查找稳性设计缺陷，找出翻沉事故的真实原因，并提出改善船舶稳性的具体方法。

1 稳性设计缺陷分析

1.1 货物重心高度计算不准确

传统货物重心计算方法是将货舱截面简单等效为一个等腰梯形，梯形的形心高度即为货物的重心高度。这种算法一是忽视了散装货物自然堆积会形成自然堆积角，不可能与货舱形状完全契合；二是忽略了货舱底部及首尾端的非梯形形状。这种算法将货舱的形状简单等效为一个截面为等腰梯形的柱体，认为梯形截面的形心高度就是整个货舱的形心高度，进而确定货物的重心高度也在此位置上，这存在很大的不合理性，必然导致货物的计算重心高度与实际重心高度存在很大的偏差。

从货舱的实际形状来看，单纯将货舱视为一个梯形是不科学的。考虑实际装载状况，可以将整体货舱分解为三部分，一是货舱底部的拟柱体部分，二是梯形部分，三是自然堆积部分。见图1及图2。

图1 货舱实际形状

图2 货舱载货形状示意图

1.2 货舱侧受风面积计算不准确

传统的设计方法认为货围板的侧投影面积即为货舱侧受风面积，而从实际装载情况来看，货物自然堆积部分往往会超过围板，见图3。传统算法忽视了货物超过围板部分的侧受风面积，埋下了安全隐患。

图3 货物实际装载情况

2 改进稳性设计缺陷的方法

2.1 准确计算货物重心位置

将所载货物分解成底部的拟柱体部分、中部梯形部分、顶部自然堆积部分分别计算体积和形心位置，三部分综合可以得到整体体积和形心位置。

图4 底部拟柱体

底部拟柱体部分可以采用几何方法计算体积和形心高度。假定拟柱体个数为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，航区B级，设计载货量W=550.0t，货物密度ρ=1.5t/m3。

货舱主要要素：L上口=31.80m，B上口=6.70m，货斗总高度H=3.05m，斗门距基线Hdm=1.20m，斗门宽B下口=0.40m，斗门间距Δ斗门=1.68m，斗门数n=18个，货斗倾斜角度α=44.1°，货斗首端倾斜角度β=63°，货斗尾端倾斜角度γ=72°。

可见，采用传统算法计算货物重心高度存在很大偏差，导致重心计算高度严重偏低，为船舶稳性安全埋下严重隐患(见表1)。

表1 不同算法货物重心高度结果对比

2.2 准确计算货物超过围板侧受风面积

货物自然堆积超过围板高度的部分的侧投影面积可以通过垂向积分进行计算，经计算上述51.80m自卸砂船货物超过围板侧受风面积为30.62m2，面积形心距基线高度为4.945m。可见，忽略此受风面积也埋下了稳性安全隐患。

采用传统算法会导致稳性计算结果“偏好”，误以为船舶稳性裕度充足(见表2)。

3 改善稳性的方法

在不改变船舶尺度、货舱形状尺寸、载货种类重量的前提下，要改善船舶稳性，可以通过平舱改变货物堆积形状来实现。

表2 不同算法稳性衡准指标结果对比

在货舱顶缘补加高度hw的围板，确保平舱后不至于货物外泄。平舱后货物堆装情况如图5。

图5 平舱货物堆装示意图

通过平舱可以消减散货滑移附加倾侧力矩影响，可以减少侧受风面积，可以有效降低货物重心高度。

可见，通过平舱散货滑移附加影响，货物重心高度，侧受风面积等均有一定程度的降低，势必对船舶稳性带来很大的利好影响(见表3)。

平舱后船舶稳性各项指标均有明显好转，尤其对稳性面积衡准数和风压稳性衡准数的好转有重要影响。在众多稳性衡准指标中，稳性面积衡准数最为敏感，通过平舱可以使本指标有10%以上的提升，足以证明平舱对稳性的重大影响(见表4)。

表3 平舱前后各项指标对比

表4 平舱前后稳性衡准指标变化情况对比

4 结 论

多起自卸砂船翻沉事故的原因均归咎为超载或操作不当，殊不知设计缺陷才是罪魁祸首。通过平舱可以有效改善影响稳性的各项指标，对提高船舶稳性具有重要意义。