董恩春，賈 蕊

（金海重工股份有限公司，上海 200120）

開體泥駁的船型特點及其穩(wěn)性計算與研究

董恩春，賈 蕊

（金海重工股份有限公司，上海 200120）

結(jié)合開體泥駁的船型特點，對動穩(wěn)性力臂（GZ）和排水量變化的數(shù)據(jù)進行對比，詳細分析開體泥駁的穩(wěn)性與其他普通貨船穩(wěn)性的區(qū)別。針對開體泥駁穩(wěn)性的特點給出相應(yīng)的理論計算方法，為開體泥駁的安全運營提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

開體泥駁；船型特點；穩(wěn)性計算；泥漿；泥砂

0 引 言

隨著港口和航道建設(shè)（特別是長江口深水航道整治擴展工程和洋山深水港工程等類似工程）蓬勃發(fā)展，各地沿海工程船船隊不斷壯大，其中開體泥駁承擔(dān)著駁運和拋放泥漿、泥沙、沙袋及石塊等貨物的任務(wù)。法國船級社規(guī)范[1]給出開體泥駁的定義和不同的穩(wěn)性校核依據(jù)及校核方法，根據(jù)貨物是否易于流動將開體泥駁所裝載的貨物分為泥漿和泥砂2大類。該規(guī)范規(guī)定：當將貨物視為泥漿時，按密度1.0t/m3，1.2t/m3， 1.4t/m3，1.6t/m3，1.8t/m3，2.0t/m3進行校核；當將貨物視為泥砂時，按密度 1.4t/m3，1.6t/m3，1.8t/m3， 2.0t/m3，2.2t/m3進行校核。基于此，根據(jù)法國船級社的規(guī)定，結(jié)合開體泥駁的船型特點提出一些看法，并結(jié)合靜水力的基礎(chǔ)理論進行穩(wěn)性分析。

1 船型特點

開體泥駁又稱對開泥駁，是當前一種較為先進的運載、拋卸駁船，由橫向?qū)ΨQ的2個半體組成，這2個半體均能繞前后2個鉸鏈軸轉(zhuǎn)動，使船體繞著重心成對開。當開體泥駁承載泥沙后，其總質(zhì)量為2個半邊空船體的質(zhì)量與泥艙所裝載泥沙的質(zhì)量之和，此時其半側(cè)泥沙的重心處于半側(cè)船體浮心的內(nèi)側(cè)，比浮心更靠近駁船的縱舯剖面，從而對船體產(chǎn)生具有張開作用的力矩。于是，在船體啟閉液壓油缸和張開力矩的作用下，駁船的船體便張開拋泥。拋泥完畢之后，駁船失去所載泥沙的質(zhì)量，兩半船體的重心也成為其總重心。該重心在浮心的外側(cè)，使其比浮心遠離駁船的縱舯剖面，產(chǎn)生閉合船體的力矩，從而使船體在啟閉液壓缸和該閉合力矩的作用下自動閉合。開體泥駁的泥艙頂部始終敞開；泥艙底部在閉合狀態(tài)下閉合，在打開狀態(tài)下敞開。

根據(jù)貨物是否易于流動將開體泥駁所裝載的貨物分為泥漿和泥砂2大類，其中，泥漿可像液體一樣流動，而泥砂類似于塊狀物體。這導(dǎo)致開體泥駁載運不同性質(zhì)的貨物在海上航行時，實際采用的穩(wěn)性分析方法完全不同。開體泥駁的基本工作原理見圖1。

2 穩(wěn)性初始條件

這里主要針對海上航行工況進行研究，以保證在海上航行時的安全。開體泥駁打開狀態(tài)僅在裝卸貨時才會出現(xiàn)，不屬于分析和論證的內(nèi)容。針對不同的貨物種類，將開體泥駁的特點描述如下：

1) 當開體泥駁所裝載貨物為泥漿時，在某橫傾狀態(tài)下，若泥艙上緣低于水面、泥漿低于泥艙上緣，則海水流入泥艙（見圖2a）；若泥漿高于泥艙上緣，則泥漿流出泥艙（見圖2b）。由于泥漿與海水是2種不同性質(zhì)的液體，因此可假定貨物與海水不能融合。當泥艙上緣與水面齊平時為臨界狀態(tài)，此時既無泥漿流出也無海水流入，泥艙艙容為臨界艙容，裝貨量為臨界裝貨量。

2) 當開體泥駁所裝載貨物為泥砂時，在某橫傾狀態(tài)下，外界海水超過泥艙上緣時會流入艙內(nèi)（見圖3a），泥砂即使有超過泥艙上緣的部分也不會流出艙外（見圖3b）。由于泥砂的滲透率很小，因此可假定其與海水不能融合。

3) 為與普通貨船的穩(wěn)性相對比，假定第3種貨物為普通貨物。在這種情況下，泥艙內(nèi)的貨物不會出現(xiàn)貨損現(xiàn)象，外界海水也不會由泥艙上緣流入艙內(nèi)。

由于判定各類船舶在特定工況下的穩(wěn)性的最基本參數(shù)是穩(wěn)性力臂GZ[2]，因此相關(guān)分析主要以比較動穩(wěn)

性力臂曲線為標準。為更加清晰地表述事實，以已交付使用的1000m3開體泥駁為研究對象，選取相同的貨物密度和泥艙裝載率進行分析，從而便于對該類船舶的屬性進行說明。詳細參數(shù)見表1。

表1 詳細參數(shù)

根據(jù)表1中所列參數(shù)并結(jié)合法國船級社規(guī)范及穩(wěn)性公約[3]的規(guī)定，適用該開體泥駁的穩(wěn)性衡準如下。

1) 當最大復(fù)原力臂(GZ)在15°位置處時，至15°角的復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)≥0.07m·rad；當最大復(fù)原力臂(GZ)在30°或30°以上位置處時，至30°角的復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)≥0.055m·rad；當最大復(fù)原力臂(GZ)在15°~30°位置處時，復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)為

式(1)中：qmax為復(fù)原力臂曲線達到其最大值的橫傾角，(°)；s為復(fù)原力臂曲線下的面積，m·rad。

2) 當橫傾角在30°~40°或30°~fq（fq為進水點的進水角，fq<40°）時，復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)≥0.03m·rad。

3) 當橫傾角≥30°時，復(fù)原力臂（GZ）最小應(yīng)為0.2m。

4) 最大復(fù)原力臂對應(yīng)角應(yīng)≥15°。

5) 初穩(wěn)性高度(GM0)應(yīng)≥0.15m。

6) 氣象衡準數(shù)應(yīng)≥1.0。

該開體泥駁校核了前述所有貨物的密度并滿足衡準要求。

3 裝載泥漿時的穩(wěn)性分析

當該開體泥駁泥漿裝載率達到90.1%時，不會出現(xiàn)海水流入泥艙的情況。泥艙內(nèi)泥漿的流出量隨橫傾角度的增大而增大，導(dǎo)致泥艙內(nèi)的裝載率隨橫傾角度的增大而減小。因此，該開體泥駁裝載泥漿時的穩(wěn)性力臂(GZ)曲線偏離普通貨船固定裝載量的GZ曲線（見表2）。

表2 裝載泥漿時的GZ曲線

由表1、表2和圖2可知，該開體泥駁在裝載泥漿和普通貨物時穩(wěn)性力臂的差值、泥漿及泥艙進水量與貨物質(zhì)量的差值為

由式（2）可知，與普通貨船相比，當泥艙裝貨量超過臨界裝貨量時，開體泥駁的穩(wěn)性力臂隨著橫傾角度的增加而增大，排水量隨著橫傾角度的增加而減小，進而使儲備浮力增大、穩(wěn)性變好；當泥艙裝貨量不超過臨界值時，開體泥駁的穩(wěn)性力臂隨著橫傾角度的增加先減小后增大，排水量隨著橫傾角度的增加先增加后減小，進而使儲備浮力先減小后增大，穩(wěn)性先變差后變好。

4 裝載泥砂時的穩(wěn)性

當該開體泥駁泥砂裝載率為90.1%時，僅會發(fā)生外界海水超過泥艙上緣流入艙內(nèi)的情況。因此，開體泥駁裝載泥砂時的穩(wěn)性力臂GZ曲線偏離普通貨船固定裝載量的GZ曲線（見表3）。

表3 裝載泥砂時的GZ曲線

由式（3）可知，與普通貨船相比，當泥艙未裝滿時，開體泥駁的穩(wěn)性力臂隨著橫傾角度的增加先不變后減小，排水量隨著橫傾角度的增加先不變后增大，進而使儲備浮力先不變后減小，穩(wěn)性變差；當泥艙裝滿時，隨著橫傾角度的增加，開體泥駁的穩(wěn)性力臂、排水量、儲備浮力和穩(wěn)性均不變。

5 結(jié) 語

本文借鑒國際相關(guān)法規(guī)的規(guī)定對開體泥駁的船型特點進行定義，按照其所裝載貨物的特征進行分類，結(jié)合靜水力基礎(chǔ)理論論證其在海上航行時的完整穩(wěn)性計算方法及在裝載不同類型貨物時的穩(wěn)性特點，可為我國開體泥駁、開體船的開發(fā)及相關(guān)法定條文的制定提供參考。本文以典型貨物密度對1000m3開體泥駁的穩(wěn)性進行分析論證，在建造和運營該類船舶時需注意所有貨物密度對船舶穩(wěn)性的影響。開體泥駁及開體船的裝卸貨、拋起錨[4]等極端情況需根據(jù)船型特點和貨物特征作進一步的論證及檢驗。

[1] Bureau Veritas. Rules for the classification of steel ships: BV NR 467—2014 [S]. 2014.

[2] 盛正邦. 船舶靜力學(xué)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[3] IMO. International code on intact stability[S]. 2008.

[4] 沈威. 拋起錨穩(wěn)性計算分析[J]. 船舶與海洋工程，2014 (2): 24-26.

Study on the Hull Form of Hopper Splitter Barge and Calculation of Its Stability

DONG En-chun，JIA Rui
（Jinhai Heavy Industry Co., Ltd., Shanghai 200120, China）

This paper analyzes in detail the stability difference between the hopper splitter barge and conventional cargo vessels based on the comparison of the dynamic righting lever (GZ) and displacement variations, where the hull form characteristics of the hopper splitter barge is also taken into account. A theoretical calculation method is specifically proposed according to the characteristics of the hopper splitter barge, which provides theoretical basis and technical reference for the safe operation of hopper splitter barges.

hopper splitter barge; hull form characteristics; stability calculation; slurry; loam

U674.31；U661.22

A

2095-4069 (2017) 03-0031-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.007

2016-11-28

董恩春，男，工程師，1978年生。2007年畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)輪機工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶總體開發(fā)與設(shè)計工作。