散貨船分類及結構典型破壞方式

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(中國船級社審圖中心,上海 200135)

散貨船是散裝貨船的簡稱，散裝運輸谷物、煤、礦砂、鹽、水泥等大宗干散貨物的船舶，都可以稱為散貨船。因為干散貨船的貨種單一，不需要包裝成捆、成包、成箱的裝載運輸，不怕擠壓，便于裝卸，所以都是單甲板船?？傒d重量在5萬t以上的，一般不裝起貨設備。由于谷物、煤和礦砂等的貨物積載因數(shù)(每t貨物所占的體積)相差很大，所要求的貨艙容積大小、船體結構、布置和設備等許多方面都有所不同，因此，一般習慣上僅把裝載糧食、煤等貨物積載因數(shù)相近的船舶稱為散裝貨船，而裝載積載因數(shù)較小的礦砂等貨物的船舶，稱為礦砂船。

煤、谷物、礦石等干散貨，早先是由雜貨船承運的。隨著船舶專用化的發(fā)展，在20世紀初出現(xiàn)了鐵礦石專用運輸船，1912年又出現(xiàn)了自卸礦石船，直至第二次世界大戰(zhàn)，散貨船都是以礦石運輸船和運煤船為主。第二次世界大戰(zhàn)之后，水泥、化肥、木片、糖等逐漸開始采用散裝運輸方式，散貨船應用范圍和船隊規(guī)模快速擴大。世界散貨船保有量由1954年的61艘、116.7萬DWT(其中礦砂船占70%)增至1960年的471艘、8 711萬DWT(其中礦砂船占57%)。此后，散貨船數(shù)量以更快的速度增長，在1960～1990年的30年間，散貨船艘數(shù)增長了9.8倍，載重噸數(shù)增長了27倍，1990年散貨船保有量達5 087艘、242 555萬DWT。目前全世界有超過7 000艘散裝貨船正在服役，干散貨海運總量超過25億t/年，這些干散貨包括鐵礦石、煤炭、谷物、鋁土礦、磷酸鹽、鋼產(chǎn)品、水泥、煤炭、木材、肥料、硫磺等。

1 散貨船的定義

1954年由Ole Skaarup設計的“M/S Cassiopeia(仙后座)”，標志著世界上第一艘現(xiàn)代散裝貨船的誕生，典型的散貨船其主要外形特點為：單層甲板，單舷側或雙舷側，雙層底，具有頂邊艙和底邊艙，鋼質艙口蓋，艉機型機艙。散貨船各組成部分術語見圖1。

SOLAS中對散貨船的定義[1]：“散貨船系指在貨物處所中通常建有單層甲板、頂邊艙和底邊艙，且主要用于運輸散裝干貨的船舶，包括諸如礦砂船和兼裝船等船型?！?且SOLAS中有關散貨船幾何外形的要求集中體現(xiàn)如下。

1)符合檢驗通道的要求(SOLAS第II-1章第3-6條“進入油船和散貨船貨物區(qū)域處所的通道和該區(qū)域處所內(nèi)的通道”)；

2)需配備艉拋式(Free Fall)救生艇(SOLAS第III章第31條“救生艇筏與救助艇”)；

3)符合國際安全管理規(guī)則(ISM)的要求(SOLAS第IX章“船舶安全營運管理”)；

4)符合散貨船加強檢驗程序(ESP)的要求(SOLAS第XI-1章“加強海上安全的特別措施”)；

5)符合國際船舶和港口設施保安規(guī)則(ISPS)的要求(SOLAS 第XI-2章“加強海上保安的特別要求”)；

SOLAS中有關散貨船的貨物裝載要求集中體現(xiàn)如下。

6)結構要求(SOLAS第II-1章“構造——結構、分艙與穩(wěn)性、機電設備”)；

圖1 散貨船各組成部分術語

7)安全要求(SOLAS第XII章“散貨船的附加安全措施”)。

2 散貨船的發(fā)展和分類

散貨船的發(fā)展經(jīng)歷了噸位和排水體積上由小到大的過程。例如，為了裝載更多的貨物，貨艙區(qū)越來越大，艏部和機艙區(qū)越來越小，型深和吃水不斷加大，貨艙的數(shù)量越來越多，艏艉線型變化越來越大，見圖2。

圖2 散貨船的類型

1)靈便型散貨船。載重量在2萬～3.5萬t左右的散貨船。適合沿海短途運輸，通常所裝貨物類型比較雜，也用于甲板載貨(木材)，通常有4～5個配備折疊式艙口蓋的貨艙，且配有3～4個帶抓斗的吊機用于貨物裝卸。

2)大湖型散貨船。經(jīng)由圣勞倫斯水道航行于美國、加拿大交界處五大湖區(qū)的散貨船，以承運煤炭、鐵礦石和糧食為主，載重一般在3.7萬t左右，大多配有吊機等起卸貨設備。

3)大靈便型散貨船。適于不同航道、運河及港口，營運方便靈活。載重量在3.5萬～5.8萬t之間，適合國際中短途運輸，所裝貨物類型比較繁雜，通常有5個配備折疊式艙口蓋的貨艙，且有4個帶抓斗的吊機用于貨物裝卸。

4)巴拿馬型散貨船。在滿載情況下可以通過巴拿馬運河，載重量一般在6萬～8.5萬t之間。本船型適合國際中長途運輸，其主要運輸?shù)呢浳镉校汗任?、煤炭、鐵礦砂等。通常有7個配備側移式艙口蓋的貨艙，且甲板上一般不設吊機等起貨設備。

5)好望角型散貨船。載重量在15萬t左右，以運輸鐵礦石為主，由于尺度限制不可能通過巴拿馬運河和蘇伊士運河，需繞行好望角和合恩角。適合國際長途運輸，主要運輸?shù)呢浳镉校好禾俊㈣F礦砂等。通常有9個貨艙配備側移式艙口蓋，且甲板上一般不設吊機等起貨設備。

此外還有礦砂船，運煤船，大開口船，運木船，自卸貨船，水泥船，等。

3 散貨船的典型結構破壞方式

3.1 舷側破壞(單舷側散貨船)

1)現(xiàn)象。單舷側散貨船舷側為橫骨架式，在舷側肋骨上肘板和下肘板處易開裂，見圖3。

2)原因。海水動載荷由舷側板傳遞給舷側肋骨，再由舷側肋骨傳遞給上肘板和下肘板，在下肘板處彎矩和剪力達到最大值。

圖4為單殼散貨船舷側肋骨下端示意。圖中1a.表示下肘板面板處會產(chǎn)生很高的應力集中，因此在肋骨下肘板趾端處容易開裂。

圖3 單舷側散貨船舷側肋骨破壞

圖4中1b.表示在舷側肋骨與下肘板連接的折角處也會產(chǎn)生應力集中，因為此處面板中的彎矩值達到最大，易發(fā)生疲勞斷裂。

圖4 單殼散貨船舷側肋骨下端

3)補強方法。肋骨的翼板在端肘板連接處應以圓弧過渡；肘板的面板兩端應削斜，肘板端部應設有軟趾，且上下端肘板與舷側外板和頂邊艙斜板的焊接類型應為F1[2]。

3.2 底部破壞

1)現(xiàn)象。在底邊艙斜板與雙層底內(nèi)底板相連接的折角處，內(nèi)底板、實肋板以及邊縱桁易開裂，見圖5。

圖5 雙層底受力示意

2)原因。貨物載荷或重壓載工況下壓載水的載荷作用在內(nèi)底和底邊艙斜板，如圖5所示，通常有限元結果顯示在折角處會有很大的應力集中。

3)補強方法。貼復板將扇形開孔封閉；或在底邊艙斜板與內(nèi)底板相交處設肘板。見圖6。

圖6 雙層底內(nèi)底與底邊艙斜板處的加強方式

3.3 實肋板上的開裂

1)現(xiàn)象。在縱骨與主要構件(肋板、邊艙強框架)相連接處，易發(fā)生開裂，見圖7。

圖7 縱骨貫穿處的開裂

2)原因。海水載荷由外板傳遞至骨材，再由骨材傳遞至主要構件，這時骨材與主要構件之間的焊縫成為載荷的載體，因此，焊縫連接面積達不到規(guī)范要求則往往會開裂。

3)補強方法。在骨材穿過主要構件處增加補板(增加連接面積)。

3.4 雙層底內(nèi)底上的凹陷

1)現(xiàn)象及原因。由于裝卸貨而產(chǎn)生的內(nèi)底凹陷會使貨物殘留在艙底，嚴重的凹陷還會導致內(nèi)底開裂，從而造成進水，削弱板材的抗屈曲能力。

2)補強方法。①合理地設置桁材和肋板的相鄰間距：相鄰桁材的間距，一般應不小于4.6 m或船底或內(nèi)底扶強材間距的5倍，取較小者；相鄰肋板的間距一般應不大于3.5 m或按設計者指定的肋距，取較小者。②應合理地裝卸貨，避免貨物或抓斗對內(nèi)底產(chǎn)生沖(撞)擊。

3.5 甲板破壞(開裂&屈曲)

1)開裂

①現(xiàn)象。艙口圍板端肘板處甲板開裂，見圖8。

圖8 艙口圍板端肘板處甲板開裂

②原因。艙口圍板中含有總縱彎曲應力以及艙口圍端肘板趾端處有很高的應力集中。甲板開裂會導致貨艙進水，或造成整船的橫向斷裂。

③補強方法。艙口圍板端肘板下必須要有與之對其的甲板加強，端肘板腹板與甲板連接應采用雙面連續(xù)角焊縫，焊喉厚度不小于0.44 tw(tw為腹板總厚度)；端肘板趾端處與甲板的焊接應采用雙面開坡口深熔焊，且延伸的距離應不小于圍板支撐寬度的15%。

2)曲屈

①現(xiàn)象。艙口間甲板的屈曲。

②原因。艙口間甲板的橫向應力過大。

③補強方法。增大艙口間甲板的板厚或增設局部防屈曲加強筋。

3.6 艙口角隅處的甲板開裂

1)現(xiàn)象。船上開口角隅處常見開裂。大多數(shù)散貨船海損事故就是因為船上開口角隅處的應力集中引起的，見圖9。

圖9 艙口角隅缷貨板

2)原因。貨艙甲板開口使船體梁的總縱強度削弱，此外甲板幾何形狀的突變，會在角隅處產(chǎn)生很大的應力集中，從而產(chǎn)生疲勞裂縫，裂紋可蔓延到甲板及舷側，嚴重的甚至可以導致整艘船舶折斷，對船體結構造成嚴重危害。船東為方便卸貨，在艙口角隅處往往設有一塊卸貨板，此卸貨板不應與角隅焊接，因為角隅應力集中處的焊縫會嚴重削弱此處鋼材的疲勞壽命，見圖10。

圖10 焊接對鋼材疲勞的影響

3)補強方法。一般應在開口成圓形的角隅處設置確定厚度的嵌接板。當連續(xù)甲板縱桁設置在艙口圍板下面時，圓形角隅的半徑應不小于艙口寬度5%。角隅處卸貨板采用澆環(huán)氧的方式與艙口圍和甲板相膠結。

3.7 頂邊艙中的結構破壞

1)現(xiàn)象。頂邊艙外板最下一根縱骨與強框架加強筋的焊縫處易開裂，見圖11。

圖11 頂邊艙外板縱骨

2)原因。舷側外板受海水壓力，載荷由板傳至舷側肋骨，肋骨上端彎矩剪力都比較大，見圖12。

3)補強方法。①加大縱骨的剖面模數(shù)；②加大縱骨與外板及連接肘板焊縫的焊喉。

3.8 艙口圍板的破壞

1)現(xiàn)象。艙口圍板面板易開裂；這是很嚴重的結構破壞，這不僅會導致貨艙進水，還會導致開裂傳播至主甲板，從而嚴重削弱船體梁的總縱強度。

圖12 頂邊艙外板縱骨受力示意

2)原因。由載貨工況和波浪載荷而產(chǎn)生的總縱彎曲應力會像水流般“流進”縱向艙口圍板。在船中部的艙口圍板受總縱彎曲影響尤其顯著，見圖13。

3)補強方法。艙口圍面板上盡可能減少液壓起動裝置開孔，還因避免開孔為長方形而產(chǎn)生局部應力集中。

圖13 艙口圍受總縱彎曲影響示意

[1] 國際海事組織.國際海上人命安全公約SOLAS[S].北京:人民交通出版社,2009.

[2] 中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范[S].7分冊.北京:人民交通出版社,2009.