散裝水泥船水泥滑移附加傾側(cè)力臂分析

張凈宙，王 娜

（中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022）

散裝水泥船水泥滑移附加傾側(cè)力臂分析

張凈宙，王 娜

（中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022）

散裝水泥的顆粒大小、堆裝形式和休止角等與普通大宗散貨（如煤、黃砂、砂石等）不同，其滑移特性對(duì)穩(wěn)性存在不利影響。對(duì)散裝水泥船的水泥滑移進(jìn)行了研究，提出了滑移附加傾側(cè)力臂計(jì)算方法，為保障內(nèi)河散裝水泥船的穩(wěn)性安全提供了確實(shí)可行的方法。

散裝水泥船；水泥滑移；附加傾側(cè)力臂

0 引言

我國是世界水泥生產(chǎn)第一大國，水泥運(yùn)輸中船舶以其運(yùn)量大、運(yùn)輸成本低等特點(diǎn)，成為中、長(zhǎng)距離水泥運(yùn)輸?shù)淖罴压ぞ遊1]。散裝水泥船雖然已營運(yùn)多年，但在現(xiàn)行的規(guī)范法規(guī)中均未提及該特殊船型，各地對(duì)散裝水泥船的檢驗(yàn)要求不統(tǒng)一，鑒于散裝水泥自身特性以及散裝水泥船的特征，在運(yùn)輸途中水泥滑移產(chǎn)生附加傾側(cè)力臂，使得散裝水泥船的穩(wěn)性安全仍存在安全隱患。本文在分析散裝水泥物理特性、分析散裝水泥運(yùn)輸中因水泥滑移產(chǎn)生的對(duì)穩(wěn)性不利的附加傾側(cè)力臂的基礎(chǔ)上，提出合理的計(jì)算水泥滑移產(chǎn)生附加傾側(cè)力臂的方法。

目前船運(yùn)散裝水泥有罐式散裝水泥船運(yùn)輸、艙式散裝水泥船運(yùn)輸和普通散貨船裝運(yùn)水泥三種，罐式散裝水泥船、艙式散裝水泥船屬于專業(yè)的散裝水泥船，即只裝載散裝水泥的船舶。罐式散裝水泥船主要由敞口貨船和貨艙內(nèi)安裝的散裝水泥罐體兩部分組成。艙式散裝水泥船就是以封閉的船艙代替水泥罐盛裝水泥。罐式、艙式散裝水泥船、普通散貨船的橫剖面圖如圖1所示。

圖1 罐式、艙式散裝水泥船和普通散貨船的橫剖面圖

1 現(xiàn)有內(nèi)河散裝水泥船存在的問題

在三種運(yùn)輸水泥船中，均存在水泥滑移問題而產(chǎn)生附加傾側(cè)力臂問題?？紤]散裝水泥的顆粒大小、堆裝形式和休止角等物理特性與普通大宗散貨（煤、黃砂、砂石等）不同（表1），加上水泥流動(dòng)性好，運(yùn)輸途中的船舶發(fā)生搖晃，從而產(chǎn)生滑移力矩進(jìn)而對(duì)穩(wěn)性產(chǎn)生影響，故需要對(duì)其水泥的滑移進(jìn)一步研究。

表1 散裝水泥的顆粒特性

2 對(duì)專業(yè)散裝水泥船采用不同計(jì)算方法的對(duì)比分析

為分析散裝水泥滑移對(duì)穩(wěn)性的不利影響，本文對(duì)專業(yè)的散裝水泥船采用了四種計(jì)算方法分析水泥滑移產(chǎn)生的附加傾側(cè)力臂。

2.1 水泥滑移附加傾側(cè)力臂計(jì)算方法

1）詳細(xì)計(jì)算方法計(jì)算附加力臂：滑動(dòng)角略大于休止角[4]，本文假定水泥的滑動(dòng)角等于休止角，船裝水泥的自然堆裝底堆角為15°，船舶在橫搖到水泥堆碼形狀的其中一邊達(dá)到水泥的滑動(dòng)角25°時(shí)，水泥開始發(fā)生滑動(dòng)，其滑移產(chǎn)生的角度變化等于船舶橫搖變化的角度滑移后貨物的質(zhì)量未發(fā)生變化，但形狀改變。即船舶在橫搖10°后，水泥開始隨船舶發(fā)生滑移，且其滑移的角度變化等于船舶橫搖變化的角度，從而產(chǎn)生一個(gè)附加滑移力矩。由貨物滑移造成的附加傾側(cè)力臂為：

式中：p為發(fā)生滑移的水泥重量，t；Δ為船舶排水量，m3；x為水泥移動(dòng)的距離，m。

2）普通散貨滑移公式計(jì)算附加力臂：假定船舶橫傾時(shí)，只有底堆角為 15°的楔形部分發(fā)生滑移，其他的水泥不發(fā)生滑移。參照《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[5]（2011）第5篇第8章對(duì)散貨的散貨滑移附加傾側(cè)力臂lsd公式計(jì)算水泥附加傾側(cè)力臂。

當(dāng)lsd<0時(shí)，取lsd=0。

3）修正重心高度方法計(jì)算附加力臂：由于罐體內(nèi)或艙式體內(nèi)的水泥都會(huì)含有一定的空氣，運(yùn)輸途中，空氣析出，水泥壓實(shí)，水泥由含空氣狀態(tài)到不含空氣狀態(tài)體積縮小約12%，即罐體內(nèi)空出12%的水泥發(fā)生貨物滑移，同時(shí)水泥重心下降。修正重心高度方法假定在整個(gè)過程中船舶重心不變，始終為罐體（艙體）形心，水泥也未發(fā)生滑移，水泥最終排出空氣后與實(shí)際的重心計(jì)算相比，得到修正重心高度產(chǎn)生的附加傾側(cè)復(fù)原力臂。

4）自由液面方法計(jì)算附加力臂：假定罐內(nèi)（艙內(nèi)）水泥的流動(dòng)性極好，其程度可以與水流的流動(dòng)性相當(dāng)，按自由液面計(jì)算附加傾側(cè)力臂。

2.2 水泥滑移附加傾側(cè)力臂計(jì)算分析

本文選取了當(dāng)前4種最典型的罐式散裝水泥船和1艘艙室散裝水泥船實(shí)船，工況則選取了滿載工況和滿載工況，選取滿載工況主要是根據(jù)市場(chǎng)上船舶運(yùn)輸水泥的現(xiàn)狀，船舶裝貨時(shí)，水泥裝料直至進(jìn)料口，裝載的水泥基本填滿整個(gè)罐體或艙體。選取半載工況主要考慮由于罐體或艙體形狀的影響，在不同的裝載位置堆裝形成的楔形部分不同，其中以半載工況時(shí)最大。對(duì)上述四種計(jì)算方法分別分析計(jì)算了散裝水泥橫傾產(chǎn)生的附加傾側(cè)力臂，如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，罐式散裝水泥船和艙式散裝水泥船采用詳細(xì)計(jì)算方法、修正重心高度方法和自由液面方法計(jì)算得到的附加滑移力臂總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。采用普通散貨的滑移力臂公式計(jì)算，其滑移力臂在25°左右時(shí)出現(xiàn)峰值，之后隨著角度的增大而減小，采用修正重心高度的方式得到的附加傾側(cè)力臂接近采用自由液面方法計(jì)算的附加傾側(cè)力臂，水泥的流動(dòng)性差于水的流動(dòng)性，故采用修正重心高度方法計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果是較為安全的。又因?yàn)樗嘣跐M載初始裝載時(shí)，水泥還含有空氣，排出空氣需要一定的時(shí)間，此段時(shí)間內(nèi)水泥的重心即為罐體的形心，故采用修正重心高度得到的值最符合船舶的實(shí)際重心情況。

圖2 專業(yè)散裝水泥船滿載工況下附加傾側(cè)力臂

圖3 專業(yè)散裝水泥船半載工況下附加傾側(cè)力臂

3 普通散貨船裝運(yùn)水泥

根據(jù)市場(chǎng)上常見的船型，本文選取8艘典型的普通散貨船為例，船長(zhǎng)覆蓋從39m~110m，分別選取了詳細(xì)計(jì)算方法和普通散貨滑移公式計(jì)算附加力臂，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 普通散貨船裝運(yùn)水泥時(shí)滿載工況下附加傾側(cè)力臂

從圖4可以看出，兼運(yùn)水泥的散貨船采用散貨滑移附加力臂計(jì)算的值在船舶進(jìn)水以前大于采用詳細(xì)計(jì)算方法計(jì)算的附加力臂，故采用散貨滑移計(jì)算的附加力臂仍然適用于散裝水泥。

4 結(jié)束語

由于船型不同，對(duì)專業(yè)的散裝水泥船和普通的散貨船裝運(yùn)水泥選用的計(jì)算方法也不完全相同，從上述計(jì)算分析看：

1）對(duì)專業(yè)的散裝水泥船，采用修正重心高度方法計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果是較為安全的，也是最符合船舶的實(shí)際重心情況?？紤]到空氣排出后水泥滑移產(chǎn)生的附加傾側(cè)力臂不及修正重心高度的影響大，建議對(duì)專業(yè)散裝水泥船即對(duì)罐式散裝水泥船和艙式散裝水泥船的貨物重心位置取其罐體內(nèi)載貨空間的形心，可不考慮水泥附加傾側(cè)力臂的影響。

2）對(duì)普通散貨船運(yùn)輸水泥，根據(jù)水泥的堆裝特性，采用普通散貨的滑移附加傾側(cè)力臂仍然可以是安全的，建議普通散貨船裝運(yùn)水泥時(shí)散貨滑移附加傾側(cè)力臂要求仍然采用《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》“穩(wěn)性”篇章對(duì)散貨船的要求。

[1] 張劍鋒. 對(duì)我國散裝水泥船發(fā)展的分析與思考[J]. 機(jī)電設(shè)備, 2001(3): 10, 11.

[2] 黃家林. 散裝水泥的裝運(yùn)及注意事項(xiàng)[J]. 航海技術(shù), 2007(S1): 24, 25.

[3] 中國船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

[4] 地球科學(xué)辭典[S]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2007.

[5] 中華人民共和國海事局. 內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

Analysis of Additional Heeling Arm Generated by Cement Slipping on Bulk Cement Carrier

Zhang Jing-zhou, Wang Na

(Wuhan Rule and Regulation Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China)

bulk cement’s particle, stacking and angle of repose is different from ordinary bulk cargo, such as coal, sand and so on. The slipping characteristics would produce adversely effects on ship’s stability. This paper is aim to study the slipping on bulk cement ship and propose the method of the additional heeling arm generated by cement, to ensure the security of stability of inland river bulk cement carrier.

bulk cement carrier; cement slipping; additional heeling arm

U674.33

A

1005-7560 (2014) 06-0051-03

張凈宙（1982-），女，碩士，研究方向：船舶性能。