多用途船艙內集裝箱系固方式選型研究

黎 峰，周 亮

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引 言

貨艙內可裝載集裝箱的多用途船目前常用橫向拉壓支撐作為艙內集裝箱的系固方式。這種系固方式由橫向拉壓元件、橫向連接件（如雙錐、橋接器）和嵌入安裝在縱艙壁上的拉壓元件底座等裝置組成。其基本原理是，使用橫向連接件將艙內的集裝箱左右相連，形成一個或兩個箱垛，再通過橫向拉壓元件使一層或多層集裝箱支撐在縱艙壁上，以此實現對箱垛的橫向限位。當船舶發生橫搖時，箱垛所承受的橫向力經拉壓元件傳遞到縱艙壁，縱艙壁則通過拉壓元件為箱垛提供支撐力（拉力或壓力），減小集裝箱的橫向扭變力和箱角處的垂向力[1]，安全系固集裝箱。

對多用途船而言，艙內采用這種方式可以保證較大的集裝箱堆重，還可以使貨艙空間在長度方向上不受其他固定式系固設施（如導軌）的限制，貨艙縱、橫艙壁表面無多余突出物，便于船舶裝載特種大長件、工程車輛、包裝雜貨、散貨等類型多樣的貨物，因而應用十分廣泛。隨著國內航線上大中型多用途船的貨物類型越來越多地向單一集裝箱收窄，這一系固方式表現出不適合國內集裝箱航運的一些問題。

1 國內航行船舶的集裝箱裝載特點

集裝箱裝卸頻繁和集裝箱重量偏重決定了國內航行船舶在裝載集裝箱時，既要保證大堆重裝載集裝箱的安全，又必須具備高的裝卸貨效率。就國內航行多用途船而言，如果該船的貨物類型以集裝箱為主，但艙內集裝箱的系固方式仍采用橫向拉壓支撐的型式，那么很難兼顧安全性和高的裝卸貨效率。因此有必要對國內航行多用途船艙內集裝箱的系固方式選型作深入探討。

2 可供選擇的系固方式對比分析

在采用現有成熟的且經船級社認可的集裝箱系固產品（包括固定件和活動件）的前提下，下述系固方案可供探究：

方案一：橫向拉壓支撐。

方案二：橫向壓力支撐?？v艙壁和箱垛之間僅使用壓力元件支撐，縱艙壁對箱垛的支撐力僅為壓力，同一堆集裝箱僅可形成一個箱垛。

方案三：橫向端部壓力堆錐支撐[2]?；顒蛹鶠槎瞬繅毫Χ彦F，且最頂層箱頂部橫向不連接。

方案四：全自動扭鎖系固。同一列集裝箱垂向由全自動扭鎖連接，以承受集裝箱層間的分離力，左右方向的箱列互不相連，無其他系固措施。

方案五：固定式40英尺箱格導軌。40英尺箱位前后設置固定式箱格導軌，TEU（20英尺集裝箱）縱向間隙處的縱艙壁設置邊壓力導軌。

現采用6個指標分別評估上述5種系固方式。

2.1 TEU最大堆重

TEU最大堆重是衡量船舶的集裝箱裝載能力和系固方式性能的核心指標。其實質是某種系固方式在確保任一集裝箱的各項受力指標不超過規范或標準限定的許用值的情況下，允許1列TEU達到的最大總重及最合理箱重分布。以某型國內航行多用途船為例，其垂線間長Lpp=170m，型寬B=27.6m，型深D=14.2m，結構吃水T=10.2m，結構吃水狀態下船舶的橫向初穩性高GM=0.51m。選取其船中附近的1個貨艙，該貨艙可橫向裝箱9列，垂向裝箱5層。TEU的額定重量按ISO 668：1995/Amd1：2005的規定，取為30.5t，空箱重量為2.5t。

方案一至方案四的最大堆重根據CCS（中國船級社）規范進行計算[3]。由于CCS規范沒有針對額定重量符合ISO 668：1995/Amd1：2005的集裝箱給出40英尺箱格導軌內的TEU堆裝以及TEU、40英尺箱混合堆裝受力情況的處理方法；方案五最大堆重的確定參照 GL（德國勞氏船級社）規范[4]。各方式得出的TEU最大堆重及箱重分布的計算結果如表1所示。

表1 TEU最大堆重及箱重分布 單位：t

從表1可知，“方案一”可達到的TEU堆重最大，“方案四”最小。但值得注意的是，“方案一”因為有支撐力的存在，使得作用在集裝箱頂角件、底角件上的水平力較大，從而限制了單個集裝箱達到額定箱重。由于船東通常更看重額定箱重集裝箱的裝箱數，由表 1知，“方案五”的箱重分布較“方案一”更符合實際情況。

取GM值為 0.51m，不同GM值的取值得出堆重計算的結果是不同的。通常實船堆重計算必須考慮GM值較大的裝載工況，并提供足夠多的不同GM值狀態下的計算結果[5]。但由于貨艙內的裝箱位置較低，集裝箱受力對GM值并不敏感。經計算，在上述主尺度下，當GM值增大到3.0m時，“方案一”、“方案二”、“方案三”的堆重在表1基礎上降低約2t（只降最頂層箱重），“方案四”的堆重較表1略有上升，“方案五”則基本持平。

2.2 集裝箱裝卸效率

“方案五”（40英尺箱格導軌）是目前集裝箱船最普遍采用的艙內集裝箱系固方式，也是公認的最安全高效的集裝箱系固方式，可輕而易舉地實現吊架導向、吊-箱對接和多箱聯吊，最大限度地提升港口機械的作業效率。目前國內大型集裝箱碼頭的橋吊普遍使用雙 TEU吊具，其對全集裝箱船的理論裝卸效率可達 80TEU/橋吊/h[6]。

采用“方案四”時，所有全自動扭鎖的安放均可在碼頭完成，且均為同一規格，無需在艙內人工安放其他活動件，因此也可獲得較高的效率。但是由于艙內缺乏導向裝置，有可能導致吊-箱、箱-箱對接時需多次對準，將額外耗時。

“方案三”的活動件操作與“方案四”類似，也可全部在碼頭完成安放，但也同樣有著“方案四”缺乏導向的問題。同時，“方案三”通常存在不同規格的活動件，安放時需根據箱位進行甄別，因此效率要略低于“方案四”。

“方案一”和“方案二”的活動件需要工人在艙內進行安放，活動件數量眾多，規格不一，重量較大，勞動強度高，艙內無任何導向裝置，因而裝卸貨效率極低。“方案一”還需手工向縱艙壁內的拉壓元件底座插入沉重的拉壓元件，效率更在“方案二”之下。

2.3 活動件成本

目前全自動扭鎖的專利仍被少數幾家系固設備公司掌握，價格昂貴，如采用“方案四”，那么將意味著極高的活動件成本。

“方案三”所采用的端部壓力堆錐成本略低于全自動扭鎖，但需根據集裝箱橫向間隙進行定制，較之標準系固件，成本仍然是略高的。

“方案一”、“方案二”的主要活動件是單錐、雙錐、拉壓元件或壓力元件，可選用標準產品，成本相對較低?！胺桨敢弧辈捎玫睦瓑涸^“方案二”采用的壓力元件的成本高。

與“方案五”配套的活動件通常為單錐或鎖型錐。如選用在零間隙的鎖型錐，那么裝載 TEU時僅需在箱間間隙處的箱角安放活動件，裝載 40英尺集裝箱時無需安放任何活動件，最大限度地降低了活動件數量，因此“方案五”的活動件成本是最低的。

假定一個裝5層9列的集裝箱40英尺箱bay位，艙底采用埋入式箱角底座，則其裝載TEU時，各個系固方式的活動件配置數量見表2?！胺桨肝濉钡幕顒蛹渲梅N類和數量均是最少的。

表2 不同系固方式的活動件配置量 單位：件

2.4 固定件及船體結構成本

5種系固方案均需在內底和艙內平臺表面設置箱角固定件（如埋入式箱角底座）。除此以外，“方案五”的箱格導軌亦屬固定設施，“方案一”需在縱艙壁上設置拉壓元件底座。據估算，一艘1800TEU級的集裝箱船箱格導軌重量加上用于支撐箱格導軌的船體結構重量約 200t；若改用“方案一”，縱艙壁拉壓元件底座及船體結構加強的重量約10t。因此“方案五”的固定件及船體結構成本要大大高于其他方式；“方案一”次之；“方案二”和“方案三”在縱艙壁受壓處有可能需要船體結構局部加強，成本較“方案一”略低；“方案四”在艙內無其他支撐點，引起的固定件及船體結構成本是最低的。

2.5 對集裝箱布置的要求

“方案一”、“方案二”要求同一層集裝箱前后、左右必須完全水平；且為了減少活動件規格，要求集裝箱橫向間隙盡可能保持一致；總體設計時，需準確確定艙內集裝箱平臺的高度，亦需嚴格明確可裝載高箱的箱位?！胺桨溉睂ν瑢蛹b箱橫向水平度的要求可略微放寬。“方案四”、“方案五”對同層集裝箱橫向是否水平無要求，僅出于TEU、40英尺箱混裝的考慮，要求同一列位的兩個TEU前后相平。但采用“方案五”時需注意規范對集裝箱與導軌之間橫向間隙的許可范圍，由此來確定集裝箱間的最小橫向間隙；“方案四”對集裝箱橫向間隙無要求，從方便集裝箱吊放的角度考慮即可。

2.6 對其他類型貨物的兼容性

“方案一”、“方案四”均可保證貨艙縱、橫艙壁無多余突出結構，便于裝運其他貨物和安裝二甲板。但“方案一”所使用的嵌入式拉壓元件底座容易造成散貨在其內部積貯，不便于清理?！胺桨肝濉庇捎谠?0英尺箱位設置了箱格導軌及支撐結構，相當于隔斷了貨艙，降低了裝運特種大長件、工程車輛、普通包裝雜貨等貨物時貨艙的利用率，加大了裝載散貨時的掃艙難度，可以認為其對其他類型貨物的兼容度是五個方案中最低的。

上述對比分析結果匯總見表3。表3可為國內航行多用途船艙內集裝箱系固方式選型提供參考。具體選型取決于船舶的運營策略和貨物類型。如一艘國內航行多用途船絕大部分時間被用于裝運大箱重集裝箱，航行國內大型港口之間，那么“方案五”無疑是最佳的選擇。若在裝運大箱重集裝箱的同時，仍需兼顧其他類型貨物，航行于對裝卸作業時間要求不高的中小港口之間，則仍建議采用“方案一”或“方案二”。而對以靈活多樣獲取市場競爭力，無需突出集裝箱裝載能力的多用途船來說，“方案三”和“方案四”均屬靈便之選。

表3 對比分析結果匯總

3 實 例

28400t多用途船是一型專用于國內沿海貨物運輸的多用途船。設計之初，船東提出貨物類型為集裝箱、谷物及其他干散貨，要求艙內盡可能多地裝載額定重量為30.5t的TEU。為了兼顧集、散兩種貨物的運輸便利，選用了橫向拉壓支撐作為艙內集裝箱的系固方式。但是在該船建造過程中，由于市場變化和經營策略的調整，船東又提出該船將主要用于裝運集裝箱，要求進一步挖掘該船的集裝箱運輸潛力?；谶@個原則，為在建船舶提出了將系固方式改為固定式40英尺箱格導軌的方案。主要改動為：

1) 貨艙橫艙壁增加箱格導軌，導軌加強盡可能利用橫艙壁內已有的結構；

2) 貨艙橫艙壁以外的40英尺箱位增加導軌及其支撐結構，支撐結構的設計以集裝箱受力為依據，利用有限元法進行優化，盡可能減少新增結構的重量以及因新增結構對底邊艙造成油漆損壞；

3) 貨艙縱艙壁上的每個40英尺箱位中間位置增加壓力導軌，壓力導軌的加強盡可能利用原拉壓元件底座的加強。

這一改動充分發揮了該船的重箱裝載能力，可使該船滿載狀態時，雙層底以上的三層 TEU箱位均能裝載30t以上的重箱TEU，第四層TEU單箱重量也可超過28t。TEU堆重仍保持在130t以上，與原設計接近。裝卸貨效率方面，根據船東的估算，改裝 40英尺箱格導軌之后，該船在其主要停靠港口的集裝箱裝卸時間將較原設計縮短25%～30%，運營經濟性可獲得顯著提升。艙內系固活動件的種類由4類11種規格統一為2類2種規格，大大降低了船舶裝卸貨過程中的管理難度。但是作為代價，空船重量將增加約200t，其中箱格導軌重約120t，支撐結構重約80t；貨艙被隔斷，艙容利用率降低；將加大裝運谷物等散貨時卸貨和掃艙的工作量。

4 結 語

集裝箱系固方式的選型直接關系到一艘集裝箱運輸船舶的經濟性和安全性，同時也影響到船舶的總布置，是一個需要在設計初期特別關注的問題。在為國內航行多用途船進行艙內集裝箱系固方式選型時，建議先明確船舶本身的定位，綜合考慮船東的經營策略、主要貨物類型、航線、港口等因素，然后再結合備選系固方式各方面性能的優缺點，做出最適合于目標船的選擇。

[1] 陳小劍. 船舶貨物布置與系固[M]. 上海：上海交通大學出版社，2011.

[2] MacGREGOR. Cargo Lashing Systems Product Catalogue [Z]. 2009.

[3] 中國船級社. 鋼質海船入級規范[S]. 北京：人民交通出版社，2009.

[4] GL. Rules & Guidelines [S]. 2012.

[5] 徐 勇. 集裝箱系固技術與發展建議[J]. 上海造船，2007，(3): 31-33.

[6] 許振超. 淺談集裝箱船裝卸效率[J]. 港口科技動態，2005，(6): 1-2.

[7] 秦 固. 集裝箱碼頭裝卸效率計算及參數取值分析[J]. 港口裝卸，2007，(2): 36-38.