散裝水泥船水泥滑移附加傾側力臂分析

張凈宙，王 娜

（中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022）

散裝水泥船水泥滑移附加傾側力臂分析

張凈宙，王 娜

（中國船級社武漢規范研究所，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，其滑移特性對穩性存在不利影響。對散裝水泥船的水泥滑移進行了研究，提出了滑移附加傾側力臂計算方法，為保障內河散裝水泥船的穩性安全提供了確實可行的方法。

散裝水泥船；水泥滑移；附加傾側力臂

0 引言

我國是世界水泥生產第一大國，水泥運輸中船舶以其運量大、運輸成本低等特點，成為中、長距離水泥運輸的最佳工具[1]。散裝水泥船雖然已營運多年，但在現行的規范法規中均未提及該特殊船型，各地對散裝水泥船的檢驗要求不統一，鑒于散裝水泥自身特性以及散裝水泥船的特征，在運輸途中水泥滑移產生附加傾側力臂，使得散裝水泥船的穩性安全仍存在安全隱患。本文在分析散裝水泥物理特性、分析散裝水泥運輸中因水泥滑移產生的對穩性不利的附加傾側力臂的基礎上，提出合理的計算水泥滑移產生附加傾側力臂的方法。

目前船運散裝水泥有罐式散裝水泥船運輸、艙式散裝水泥船運輸和普通散貨船裝運水泥三種，罐式散裝水泥船、艙式散裝水泥船屬于專業的散裝水泥船，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 現有內河散裝水泥船存在的問題

在三種運輸水泥船中，均存在水泥滑移問題而產生附加傾側力臂問題。考慮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），加上水泥流動性好，運輸途中的船舶發生搖晃，從而產生滑移力矩進而對穩性產生影響，故需要對其水泥的滑移進一步研究。

表1 散裝水泥的顆粒特性

2 對專業散裝水泥船采用不同計算方法的對比分析

為分析散裝水泥滑移對穩性的不利影響，本文對專業的散裝水泥船采用了四種計算方法分析水泥滑移產生的附加傾側力臂。

2.1 水泥滑移附加傾側力臂計算方法

1）詳細計算方法計算附加力臂：滑動角略大于休止角[4]，本文假定水泥的滑動角等于休止角，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到水泥的滑動角25°時，水泥開始發生滑動，其滑移產生的角度變化等于船舶橫搖變化的角度滑移后貨物的質量未發生變化，但形狀改變。即船舶在橫搖10°后，水泥開始隨船舶發生滑移，且其滑移的角度變化等于船舶橫搖變化的角度，從而產生一個附加滑移力矩。由貨物滑移造成的附加傾側力臂為：

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

2）普通散貨滑移公式計算附加力臂：假定船舶橫傾時，只有底堆角為 15°的楔形部分發生滑移，其他的水泥不發生滑移。參照《內河船舶法定檢驗技術規則》[5]（2011）第5篇第8章對散貨的散貨滑移附加傾側力臂lsd公式計算水泥附加傾側力臂。

當lsd<0時，取lsd=0。

3）修正重心高度方法計算附加力臂：由于罐體內或艙式體內的水泥都會含有一定的空氣，運輸途中，空氣析出，水泥壓實，水泥由含空氣狀態到不含空氣狀態體積縮小約12%，即罐體內空出12%的水泥發生貨物滑移，同時水泥重心下降。修正重心高度方法假定在整個過程中船舶重心不變，始終為罐體（艙體）形心，水泥也未發生滑移，水泥最終排出空氣后與實際的重心計算相比，得到修正重心高度產生的附加傾側復原力臂。

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

2.2 水泥滑移附加傾側力臂計算分析

本文選取了當前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市場上船舶運輸水泥的現狀，船舶裝貨時，水泥裝料直至進料口，裝載的水泥基本填滿整個罐體或艙體。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，其中以半載工況時最大。對上述四種計算方法分別分析計算了散裝水泥橫傾產生的附加傾側力臂，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計算方法、修正重心高度方法和自由液面方法計算得到的附加滑移力臂總體上呈現上升趨勢。采用普通散貨的滑移力臂公式計算，其滑移力臂在25°左右時出現峰值，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力臂接近采用自由液面方法計算的附加傾側力臂，水泥的流動性差于水的流動性，故采用修正重心高度方法計算得到的計算結果是較為安全的。又因為水泥在滿載初始裝載時，水泥還含有空氣，排出空氣需要一定的時間，此段時間內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際重心情況。

圖2 專業散裝水泥船滿載工況下附加傾側力臂

圖3 專業散裝水泥船半載工況下附加傾側力臂

3 普通散貨船裝運水泥

根據市場上常見的船型，本文選取8艘典型的普通散貨船為例，船長覆蓋從39m~110m，分別選取了詳細計算方法和普通散貨滑移公式計算附加力臂，計算結果如圖4所示。

圖4 普通散貨船裝運水泥時滿載工況下附加傾側力臂

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

4 結束語

由于船型不同，對專業的散裝水泥船和普通的散貨船裝運水泥選用的計算方法也不完全相同，從上述計算分析看：

1）對專業的散裝水泥船，采用修正重心高度方法計算得到的計算結果是較為安全的，也是最符合船舶的實際重心情況。考慮到空氣排出后水泥滑移產生的附加傾側力臂不及修正重心高度的影響大，建議對專業散裝水泥船即對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載貨空間的形心，可不考慮水泥附加傾側力臂的影響。

2）對普通散貨船運輸水泥，根據水泥的堆裝特性，采用普通散貨的滑移附加傾側力臂仍然可以是安全的，建議普通散貨船裝運水泥時散貨滑移附加傾側力臂要求仍然采用《內河船舶法定檢驗技術規則》“穩性”篇章對散貨船的要求。

[1] 張劍鋒. 對我國散裝水泥船發展的分析與思考[J]. 機電設備, 2001(3): 10, 11.

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

[3] 中國船級社. 鋼質海船入級規范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

[4] 地球科學辭典[S]. 北京: 地質出版社, 2007.

[5] 中華人民共和國海事局. 內河船舶法定檢驗技術規則[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。