散貨船貨艙墩布置對浮態的影響

陳雨哲，周妍，高斌

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

散貨船作為一種載重量型船，用于大規模運輸無包裝的貨物，例如礦石、谷物、化肥等，圖1 為某散貨船實船圖片。 散貨船的經濟性在很大程度上由其載重量和貨艙艙容決定。 為獲取更高的經濟效益，在設計方面，散貨船通常會盡可能縮減機艙和首尖艙區域，增加貨艙區域長度，并通過優化貨艙 區域的布置，達到典型裝載工況下的最佳浮態。

圖1 散貨船實船圖片

協調結構共同規范（Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers，CSR-H）將散貨船分為BC-A 型、BC-B 型和BC-C 型等3 類［1］，并對各類型船舶的裝載進行了嚴格的限定，具體如下：

1）BC-C 型指該船用于裝載密度小于1 t/m3的干散貨；

2） BC-B 型指該船在BC-C 型基礎上，能在所有貨艙中同時裝載密度不小于1 t/m3的干散貨；

3） BC-A 型指該船在BC-B 型基礎上，能在最大吃水且部分貨艙空艙的情況下， 裝載密度不小于1 t/m3的干散貨。

對于BC-C 型船，CSR-H 給出了均質輕貨滿載工況的要求，即所有貨艙裝載低密度的輕質貨物至滿艙，無壓載水，調節貨物密度直至船體吃水達到結構吃水；對于BC-B 和BC-A 型船，規范還額外給出了均質重貨滿載工況的要求，即所有貨艙裝載密度為3.0 t/m3的均質貨物，無壓載水，裝至船體吃水達到結構吃水。

由于機艙和首尖艙區域的縮短，在貨艙區域均質裝載時，全船重量分布靠前，容易出現首傾。 首傾對于船舶航行的危害有如下幾點：

1） 容易產生甲板上浪現象，嚴重情況下可能導致甲板變形和甲板設備的損壞。

2） 螺旋槳浸沒率降低，從而導致螺旋槳推進效率降低，同時影響散貨船的操縱性。

3） 可能會導致螺旋槳飛車情況，產生嚴重的振動和噪聲。

4） 目前散貨船線型通常按照尾傾設計，航行中出現首傾不利于船舶的快速性和耐波性。

5）降低船首高度，造成船首儲備浮力損失。

按照CSR-H 對均質滿載工況的要求， 總布置和分艙確定之后，船舶浮態也隨之基本確定，可調整的幅度很小。 貨艙墩的朝向會對浮態帶來不同的影響，需要分析均質重貨滿載工況和均質輕貨滿載工況下，貨艙墩不同朝向布置對船舶的浮態影響。

1 貨艙墩布置與貨物重心計算模型

1.1 計算模型及裝載工況定義

散貨船的貨艙墩分為頂墩和低墩，設置貨艙墩能夠有效減少槽型艙壁的跨距，改善貨艙角隅處的應力分布，減小艙壁的構件尺寸。 貨艙墩朝向與槽形艙壁朝向相關，但槽形艙壁的朝向對貨物總重和總重心影響極小。 為簡化起見，此處僅考慮兩個相鄰的貨艙區域，并假定貨艙區域和貨艙墩形狀均為長方體，槽形艙壁視為直壁，如圖2 所示。

圖2 貨艙區域示意圖（側視圖）

不考慮貨艙墩時，A、B 貨艙的完整容積分別記為VA、VB，長度分別為LA、LB，寬度均為B，高度均為H。 貨艙內均質裝載貨物，貨物總重恒定不變，記為M。 貨艙頂墩和底墩的體積分別記為V1、V2，長度分別為l1、l2，高度分別為h1、h2，寬度均為B。 計算重心縱向坐標時，以A 貨艙左下角角點為原點，船首方向為正向。

均質輕貨滿載工況要求貨物裝滿貨艙，而均質重貨滿載工況下，貨物通常只能填滿貨艙一部分。 在CSR-H 中，均質滿載工況下，重貨的密度為3.0 t/m3，通常為輕貨密度的4～5 倍，裝載重貨時貨物高度通常為貨艙高度的1/4～1/5，與底墩高度相近。 為簡化計算起見，假定裝載重貨時重貨不高于底墩。 貨艙均質滿載工況分為如圖3 所示的4 種情況。

圖3 貨艙均質滿載工況示意圖

1.2 均質輕貨滿載工況計算分析

分析均質輕貨滿載（工況1 和工況2）。 對于工況1，A 貨艙內貨物重量M1A和重心縱向位置L1A分別為

B貨艙內貨物重量M1B和重心縱向位置L1B分別為

工況1 貨物重心縱向位置L1為

分析工況2，貨物總重不變，但重心縱向位置L2變為

工況1 和工況2 之間貨物重心變化量ΔLlight為

通過以上推導，可以發現：

1） 對均質輕貨滿載工況而言，工況1 和工況2中貨物密度、總體積其實并未發生變化，可以將工況2 視為在工況1 的基礎上將B 貨艙內頂墩和底墩處的貨物由B 貨艙移動至A 貨艙，因此產生的重心變化與上述推論是等價的。

2） 相較于工況1，工況2 的貨物重心更靠近船尾，因此，從盡可能使船體尾傾的角度出發，貨艙墩朝船首布置有利于均質輕貨滿載工況下的船體浮態。

3）由于貨艙墩的體積和長度相較于整個貨艙而言較小，從式（7）可以看出，貨艙墩的朝向對輕貨滿載工況的重心調節能力較弱。

1.3 均質重貨滿載工況計算分析

分析均質重貨滿載（工況3 和工況4）時，直觀判斷上容易產生誤區，認為工況3 和工況4 之間的差異在于將B 貨艙內底墩處的貨物移動至A 貨艙，從而推導出工況4 的貨物重心更接近船尾的結論。但這個直觀印象并不準確， 因為由工況3 至工況4的過程中， 不僅底墩范圍內的貨物進行了移動，兩個貨艙內貨物的高度也發生了變化，相當于底墩范圍外，A、B 貨艙貨物高度差之間的貨物也發生了移動。 首先計算工況3 中A 艙貨物總重M3A和重心縱向位置L3A分別為

B貨艙內貨物總重M3B和重心縱向位置L3B分別為

工況3 中，貨物重心縱向位置L3為

分析工況4，A 貨艙貨物總重M4A和重心縱向位置L4A分別為

B貨艙內貨物總重M4B和重心縱向位置L4B分別為

工況4 中貨物重心縱向位置L4變為

工況3 和工況4 之間貨物重心變化量ΔLheavy為

進一步化簡，可得：

通過以上推導，可得出如下結論：

1） 對均質重貨滿載工況而言，由于貨艙的尺度遠大于貨艙墩的尺度，通過式（19）可得，貨艙底墩朝船首布置會導致貨物重心前移，引起船體尾傾程度減小。 這與均質輕貨滿載工況中得到的結論是恰好相反的，其原因在于，均質輕貨滿載工況中，貨艙均為滿艙狀態， 移動的貨物僅限于貨艙墩范圍內，但對于均質重貨滿載工況，底墩的朝向會影響貨物的高度，移動的貨物不僅局限于貨艙墩范圍。

2） 從式（19）還可看出，當h2?H 時，ΔLheavy≈，此結論只在“貨物始終低于底墩”這一假設下成立。

3）相較于均質輕貨滿載，均質重貨滿載工況下，調節底墩朝向對貨物重心位置影響效果更為顯著。

2 算例驗證

以某超靈便型散貨船為例， 該船為BC-A 型散貨船，總長199.90 m，型寬32.26 m，型深18.90 m，結構吃水13.50 m，共設置5 個貨艙、4 組貨艙墩。 該散貨船分艙如圖4 所示。

圖4 某超靈便型散貨船分艙示意圖

采用NAPA 軟件對該散貨船進行建模，分別計算當貨艙墩均朝向船首和朝向船尾時，船體在均質滿載工況下的浮態。 裝載情況如圖5 和圖6 所示（以貨艙墩均朝向船首為例），可以看出，均質重貨滿載工況下，貨物高度略高于底墩高度。

圖5 均質輕貨滿載工況（吃水13.5 m，貨物密度0.78 t/m3）

圖6 均質重貨滿載工況（吃水13.5 m，貨物密度3 t/m3）

計算結果如表1 所示，縱傾值以首傾為正尾傾為負。 空船重量重心和貨物重量均未變化。

表1 貨艙墩朝向對船體縱傾影響計算結果

可以看出，均質輕貨滿載工況下，貨艙墩朝向影響縱傾程度較小， 兩種朝向之間縱傾差值為0.014 m，重心縱坐標差值為0.016 m，朝向船首時，船體尾傾更明顯；均質重貨滿載工況下，貨艙墩朝向影響縱傾程度很大， 兩種朝向之間縱傾差值為0.247 m，重心縱坐標差值為0.303 m，朝向船尾時，船體尾傾更明顯。 可以看出，即便均質重貨滿載工況下，貨物高度略高于底墩高度，數學模型分析中結論依然成立。

由于貨艙墩的朝向和內底板、上甲板和貨艙墩交點處的疲勞相關，需要優先布置在風暴艙（該船為No.3 貨艙）和重貨艙（該船為No.1、No.3、No.5 貨艙）中，最后考慮輕貨艙；綜合考量總體和結構兩方面的需求后，本船貨艙墩的布置如圖4 所示，在No.1、No.3、No.4 貨艙內布置貨艙墩。 此種布置下，均質滿載工況中船體縱傾計算結果如表2 所示。 可以看出，實船均質滿載工況下，與表1 中兩種朝向進行對比，同樣符合數學模型分析中的結論。

表2 實船均質滿載工況縱傾計算結果

3 結 語

通過數學建模推導和實際案例驗證，貨艙墩朝向對船體浮態的影響：

1）貨艙墩朝向對均質輕貨滿載工況下船體縱傾值影響較小，朝向船首時，船體尾傾增大；

2）貨艙墩朝向對均質重貨滿載工況下船體縱傾值影響顯著，朝向船尾時，船體尾傾增大。

由此看出，貨艙墩的布置對散貨船的浮態具有一定調節效果，在散貨船設計過程中，若出現裝載均質輕、重貨不能同時滿足浮態（尾傾）要求或同時滿足有困難時，改變貨艙墩的朝向，對改善船舶浮態具有一定的調節作用。