散装谷物船自动配载方案分析

2022-10-28饶本顺郑云峰周校彬于俊迪

船海工程 2022年5期

饶本顺，郑云峰，周校彬，于俊迪

(大连海事大学航海学院，辽宁大连 116085)

散装谷物是占有世界散货运输10%以上货运量的货种，在海运市场中占有很重要的地位。散装谷物船的配载通过计算船舶在全航程中对稳性最不利状态时的稳性、强度、吃水、吃水差等指标，并判断其是否满足规范要求，以确保散装谷物船安全营运。对于目前开发的散装谷物船配载软件在输入窗口上还需要人工输入各货舱的装载重量，计算船舶的实时稳性、强度、吃水、吃水差等指标，当其中某项指标不符合要求后，则需重新配载，直至各项指标符合要求。此过程对经验不足的配载人员来说，对各具体航次任务的配载需在对各配载方案的输入与选取的过程中花费大量时间。

1 配载时的稳性、浮态要求

1.1 谷物的特性

谷物散装运输比包装运输更能提高装载量，利于机械化装卸，缩短装卸作业时间，节省装卸和包装费用。由于谷物的下沉性和散落性，对装载散装谷物的船舶而言，在航行时受船舶摇摆的影响，当摇摆后谷物表面的倾侧角超过其固有休止角，各货舱内的谷面会出现下沉及向一侧倾斜，使船舶重心下移及横向移动，对船舶的稳性产生不利影响。当在恶劣海况下，当船舶各舱内谷物移动产生的倾侧力矩超过一定限度时，就会导致船舶发生倾覆。

常运谷物的积载因数SF见表1。

表1 常运谷物及相应的积载因数SF m3·t-1

1.2 稳性要求

1.3 浮态要求

《1966年国际载重线公约》对除两种情况外，船舶两舷相对于该船所在季节及其所在地带或区域的载重线不论船舶在出海、航行中或到达时都不应被水浸没。散装谷物船的配载，需保证船中吃水小于载重线公约所要求的载重线下的吃水。

吃水差对于船舶的操纵、快速性、适航性,以及抗风浪性能都有关系。当船舶满载航行时，若存在艏倾，则由于船在波浪中运动致使艏部容易上浪，严重者会破坏船体结构；若艉倾过大时，将使某些船的进水角较平浮时为小，且艉部干舷减少,不利于动稳性。因此，船舶航行时一般都要求有一定的艉倾。

1.4 谷物积载因数与舱容系数的关系

船舶满舱不满载时，装运谷物舱容近似等于船舶货舱容积，装运谷物重量小于净载重量，使得谷物积载因数大于船舶舱容系数；船舶满载不满舱时，装运谷物重量近似等于净载重量，谷物所占舱容小于货舱容积，使得谷物积载因数小于船舶舱容系数。

2 散装谷物船配载方案建模

以3.6万t级散装谷物专运船“S”为对象进行程序编写。“S”共有5个舱，散装舱容分别为7 895.3、10 382.1、10 284.2、10 427.9、9 658.5 m，总计为48 648 m。航次任务为，油水在始发港全部装满，船舶常数183 t，船员、行李、备品及供应品等重量44 t，采用夏季载重线。在该航次情况下的舱容系数为1.351 2 m/t。

船舶主要参数见表2。

表2 “S”主要参数表

根据船舶的静水力参数表、货舱容积表、油水舱(满舱)及其他重量重心计算表、到港油水状态表、压载水重量分布表、满载舱谷物移动横向倾侧体积矩表、部分装载舱谷物移动横向倾侧体积矩表、谷物许用倾侧体积矩表等船舶资料，建立散装谷物船稳性计算表格，只需输入船舶的油水等数据、每个货舱的谷物装载重量，就能生成船舶的吃水、吃水差、计算倾侧力矩、许用倾侧力矩等船舶的浮态、稳性数据。

满舱不满载和一舱部分装载方案下的每个货舱谷物装载重量，由装载谷物的积载因数、所选定的载重线等因素下确定。基于满舱不满载和一舱部分装载方案下稳性计算表格所得到的数据，通过设定所需的吃水差差范围、目标吃水差，即可确定其他配载方案各货舱的谷物装载重量。

3 散装谷物船配载方案分析

3.1 满舱不满载方案

当装载谷物的积载因数大于舱容系数时，即大于1.351 2 m/t时，船舶达到满舱不满载，散装谷物船的每个货舱都达到满载舱，船舶的吃水差是固定的。若船舶的吃水满足要达到要求，再按此方案判断稳性是否符合要求，若符合则直接生成配载图。取不同谷物积载因数下的满舱不满载配载方案，经程序计算得与吃水差、许用倾侧力矩与计算倾侧力矩之间的关系见图1。

图1 满舱不满载时积载因数与浮态、稳性之间的关系

图1a)中，船舶吃水差随积载因数增大而减小。由于达到满舱，随着积载因数增大，船舶载货量不断减少，使得船舶排水量减少，船舶静水力参数改变，以致吃水差发生变化。若设定吃水差范围在-1～0 m之间，从图中可以看出，积载因数在1.36～1.56 m/t之间，船舶吃水差是符合要求的；当积载因数大与1.56后，则需通过调整船舶的压载水使船舶吃水差达到规定的值。

图1b)中，满舱不满载方案，5个货舱均装满，按满载不平舱计算谷物总倾侧力矩恒为39 490 kN·m，计算倾侧力矩始终小于许用倾侧力矩，船舶稳性满足《国际散装谷物安全装运规则》要求。

3.2 一舱部分装载方案

当装载谷物的积载因数小于于舱容系数，即小于1.351 2 m/t时，船舶达到满载不满舱，此时散装谷物船在夏季载重线下达到满载而船舶货舱舱容没有充分装满，为了减少谷物倾侧力矩和获得最大的装载量，一般根据具体情况留1～2个分舱。若选定一舱部分装载，此时每种方案船舶所达到的吃水差是固定的。若船舶的吃水差满足要达到要求，再按此方案判断稳性、强度是否符合要求，若符合则直接生成配载图。取不同谷物积载因数下的一舱部分装载方案与吃水差、许用倾侧力矩与计算倾侧力矩之间的关系，见图2。

图2a)中，当积载因数大于1.07 m/t时，NO.2、NO.3、NO.4部分装载方案，出现一舱部分装载舱；当积载因数大于1.09 m/t时，NO.5部分装载方案，出现一舱部分装载舱；当积载因数大于1.14 m/t时，NO.1部分装载方案，出现一舱部分装载。若设定吃水差范围在-1～0 m之间，从图中可以看出，选取NO.3舱作为部分装载方案满足吃水差要求；若设定目标吃水差范围在-0.6～-0.4 m之间，当积载因数在1.07～1.31 m/t范围内时，一舱部分装载方案均达不到配载要求，则可以通过选两舱部分装载以调节吃水差。据平行力移动原理，船舶两舱部分装载方案所能调节达到的吃水差，在所选定的货舱以一舱部分装载的两种方案所达到的吃水差范围之内。当积载因数接近1.35 m/t时，一舱部分装载方案船舶吃水差逐渐趋于满载满舱时的吃水差-0.23 m，若达不到说设定的吃水差范围，此时两舱部分装载方案也无法调节吃水差，此时可通过选择一舱部分装载方案的部分装载舱作为减载舱减载和加压载水使船舶吃水差达到配载要求。

图2b)中，在一舱部分装载方案下，5个一舱部分装载方案的计算倾侧力矩曲线始终在许用倾侧力矩曲线之下，船舶稳性均满足《国际散装谷物安全装运规则》要求。

图2 一舱部分装载时积载因数与浮态、稳性之间的关系

3.3 两舱部分装载方案

船舶一舱部分装载时，若吃水差达不到所设定的吃水差取值范围，可通过选定两舱部分装载，通过调节两舱的装载量，使船舶吃水以达到预设的吃水差。根据设定的吃水差和装载量以及预先输入的空船重量，船舶常数，油水等重量，并根据该排水量下的浮心纵向坐标()和每厘米纵倾力矩()，反求出货物的重心纵向坐标，并可以求出货物的分布方案。

设定的吃水差为

(1)

即

∑=100··+Δ·

(2)

所以有

(3)

式中：为各满载舱的装货量，其值为各满载舱舱容积载因数；为各满载舱的纵向坐标；、为部分装载舱的装货量；、为部分装载舱的纵向坐标；0为空船、油水、船舶常数的重量；0为空船、油水、船舶常数的重心；为货舱装货量，按选选取的载重线下所能装载的最大货量计算。式(3)中，除了未知舱的装货量、是未知的，在选定好两部分装载舱的位置后，其余参数都是已知的，即解一个二元一次方程组。

通过列举所有能达到预设的吃水差两舱部分装载的配载方案，通过解方程组(3)可得两部分装载舱的载货量，小于其舱容限制的方案即为达到目标吃水差的配载方案。

以积载因数1.25 m/t，目标吃水差-0.5 m为例，得出两部分装载舱确定的载货量，见表3。对于5货舱船，对两部分装载方案的选取共有10种2部分装载方案，经计算得能达到该条件下目标吃水差-0.5 m的两舱部分装载方案共有6种。再将6种配载方案，输入稳性计算表内，船舶稳性均满足《国际散装谷物安全装运规则》要求。经程序依次判断配载方案能否达到配载的要求，若符合要求，则直接采用该配载方案并填制散装谷物运输稳性计算专用表格。

表3 两舱部分装载方案下部分装载舱重量

图3为选取NO.1、NO.3两舱部分装载方案，经EXCEL VBA编程自动生成的配载图。对配载图表格标绘出船舶侧视图的大致框架后，对5个货舱分别导入其各舱装载重量的数据。利用单元格IF函数判断货舱的是否满载及平舱形式(PF部分装载、F-UT满载不平舱)，两部分装载舱的位置、重量和所占舱容比例确定后，利用VBA中单元格的Offset属性，找到部分装舱顶部位置的单元格，并给其标注上框虚线，并对从部分装载舱底部单元格至部分装载舱顶部单元格插入双箭头形状，即可对部分装载舱进行标注。部分装载舱谷物装舱深度由谷物装舱重量查部分装载舱的谷物移动横向倾侧体积矩表内插得到。通过VBA编辑代码，将生成的配载图再复制、粘贴至美国稳性计算表内，基于Excel实时更新的数据，即可自动生成打印对于散装谷物运输稳性计算专用表格。