散装水泥船水泥滑移附加倾侧力臂分析

张净宙，王 娜

（中国船级社武汉规范研究所，武汉 430022）

散装水泥船水泥滑移附加倾侧力臂分析

张净宙，王 娜

（中国船级社武汉规范研究所，武汉 430022）

散装水泥的颗粒大小、堆装形式和休止角等与普通大宗散货（如煤、黄砂、砂石等）不同，其滑移特性对稳性存在不利影响。对散装水泥船的水泥滑移进行了研究，提出了滑移附加倾侧力臂计算方法，为保障内河散装水泥船的稳性安全提供了确实可行的方法。

散装水泥船；水泥滑移；附加倾侧力臂

0 引言

我国是世界水泥生产第一大国，水泥运输中船舶以其运量大、运输成本低等特点，成为中、长距离水泥运输的最佳工具[1]。散装水泥船虽然已营运多年，但在现行的规范法规中均未提及该特殊船型，各地对散装水泥船的检验要求不统一，鉴于散装水泥自身特性以及散装水泥船的特征，在运输途中水泥滑移产生附加倾侧力臂，使得散装水泥船的稳性安全仍存在安全隐患。本文在分析散装水泥物理特性、分析散装水泥运输中因水泥滑移产生的对稳性不利的附加倾侧力臂的基础上，提出合理的计算水泥滑移产生附加倾侧力臂的方法。

目前船运散装水泥有罐式散装水泥船运输、舱式散装水泥船运输和普通散货船装运水泥三种，罐式散装水泥船、舱式散装水泥船属于专业的散装水泥船，即只装载散装水泥的船舶。罐式散装水泥船主要由敞口货船和货舱内安装的散装水泥罐体两部分组成。舱式散装水泥船就是以封闭的船舱代替水泥罐盛装水泥。罐式、舱式散装水泥船、普通散货船的横剖面图如图1所示。

图1 罐式、舱式散装水泥船和普通散货船的横剖面图

1 现有内河散装水泥船存在的问题

在三种运输水泥船中，均存在水泥滑移问题而产生附加倾侧力臂问题。考虑散装水泥的颗粒大小、堆装形式和休止角等物理特性与普通大宗散货（煤、黄砂、砂石等）不同（表1），加上水泥流动性好，运输途中的船舶发生摇晃，从而产生滑移力矩进而对稳性产生影响，故需要对其水泥的滑移进一步研究。

表1 散装水泥的颗粒特性

2 对专业散装水泥船采用不同计算方法的对比分析

为分析散装水泥滑移对稳性的不利影响，本文对专业的散装水泥船采用了四种计算方法分析水泥滑移产生的附加倾侧力臂。

2.1 水泥滑移附加倾侧力臂计算方法

1）详细计算方法计算附加力臂：滑动角略大于休止角[4]，本文假定水泥的滑动角等于休止角，船装水泥的自然堆装底堆角为15°，船舶在横摇到水泥堆码形状的其中一边达到水泥的滑动角25°时，水泥开始发生滑动，其滑移产生的角度变化等于船舶横摇变化的角度滑移后货物的质量未发生变化，但形状改变。即船舶在横摇10°后，水泥开始随船舶发生滑移，且其滑移的角度变化等于船舶横摇变化的角度，从而产生一个附加滑移力矩。由货物滑移造成的附加倾侧力臂为：

式中：p为发生滑移的水泥重量，t；Δ为船舶排水量，m3；x为水泥移动的距离，m。

2）普通散货滑移公式计算附加力臂：假定船舶横倾时，只有底堆角为 15°的楔形部分发生滑移，其他的水泥不发生滑移。参照《内河船舶法定检验技术规则》[5]（2011）第5篇第8章对散货的散货滑移附加倾侧力臂lsd公式计算水泥附加倾侧力臂。

当lsd<0时，取lsd=0。

3）修正重心高度方法计算附加力臂：由于罐体内或舱式体内的水泥都会含有一定的空气，运输途中，空气析出，水泥压实，水泥由含空气状态到不含空气状态体积缩小约12%，即罐体内空出12%的水泥发生货物滑移，同时水泥重心下降。修正重心高度方法假定在整个过程中船舶重心不变，始终为罐体（舱体）形心，水泥也未发生滑移，水泥最终排出空气后与实际的重心计算相比，得到修正重心高度产生的附加倾侧复原力臂。

4）自由液面方法计算附加力臂：假定罐内（舱内）水泥的流动性极好，其程度可以与水流的流动性相当，按自由液面计算附加倾侧力臂。

2.2 水泥滑移附加倾侧力臂计算分析

本文选取了当前4种最典型的罐式散装水泥船和1艘舱室散装水泥船实船，工况则选取了满载工况和满载工况，选取满载工况主要是根据市场上船舶运输水泥的现状，船舶装货时，水泥装料直至进料口，装载的水泥基本填满整个罐体或舱体。选取半载工况主要考虑由于罐体或舱体形状的影响，在不同的装载位置堆装形成的楔形部分不同，其中以半载工况时最大。对上述四种计算方法分别分析计算了散装水泥横倾产生的附加倾侧力臂，如图2和图3所示。

从图2和图3可以看出，罐式散装水泥船和舱式散装水泥船采用详细计算方法、修正重心高度方法和自由液面方法计算得到的附加滑移力臂总体上呈现上升趋势。采用普通散货的滑移力臂公式计算，其滑移力臂在25°左右时出现峰值，之后随着角度的增大而减小，采用修正重心高度的方式得到的附加倾侧力臂接近采用自由液面方法计算的附加倾侧力臂，水泥的流动性差于水的流动性，故采用修正重心高度方法计算得到的计算结果是较为安全的。又因为水泥在满载初始装载时，水泥还含有空气，排出空气需要一定的时间，此段时间内水泥的重心即为罐体的形心，故采用修正重心高度得到的值最符合船舶的实际重心情况。

图2 专业散装水泥船满载工况下附加倾侧力臂

图3 专业散装水泥船半载工况下附加倾侧力臂

3 普通散货船装运水泥

根据市场上常见的船型，本文选取8艘典型的普通散货船为例，船长覆盖从39m~110m，分别选取了详细计算方法和普通散货滑移公式计算附加力臂，计算结果如图4所示。

图4 普通散货船装运水泥时满载工况下附加倾侧力臂

从图4可以看出，兼运水泥的散货船采用散货滑移附加力臂计算的值在船舶进水以前大于采用详细计算方法计算的附加力臂，故采用散货滑移计算的附加力臂仍然适用于散装水泥。

4 结束语

由于船型不同，对专业的散装水泥船和普通的散货船装运水泥选用的计算方法也不完全相同，从上述计算分析看：

1）对专业的散装水泥船，采用修正重心高度方法计算得到的计算结果是较为安全的，也是最符合船舶的实际重心情况。考虑到空气排出后水泥滑移产生的附加倾侧力臂不及修正重心高度的影响大，建议对专业散装水泥船即对罐式散装水泥船和舱式散装水泥船的货物重心位置取其罐体内载货空间的形心，可不考虑水泥附加倾侧力臂的影响。

2）对普通散货船运输水泥，根据水泥的堆装特性，采用普通散货的滑移附加倾侧力臂仍然可以是安全的，建议普通散货船装运水泥时散货滑移附加倾侧力臂要求仍然采用《内河船舶法定检验技术规则》“稳性”篇章对散货船的要求。

[1] 张剑锋. 对我国散装水泥船发展的分析与思考[J]. 机电设备, 2001(3): 10, 11.

[2] 黄家林. 散装水泥的装运及注意事项[J]. 航海技术, 2007(S1): 24, 25.

[3] 中国船级社. 钢质海船入级规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

[4] 地球科学辞典[S]. 北京: 地质出版社, 2007.

[5] 中华人民共和国海事局. 内河船舶法定检验技术规则[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

张净宙（1982-），女，硕士，研究方向：船舶性能。