大開口型散貨船運木功能設計要點分析

(南洋船舶工程有限公司，廣東 江門 529145)

配備運輸木材(指最常見的散裝圓木和鋸木)功能的小靈便型散貨船是散貨船中比較有優勢的一類船型，這類船型較普通的散貨船增加了木材綁扎系統及配套設施。

由于木材本身密度小及存在大量裝載間隙等原因，如果僅僅在貨艙內裝載木材，即使將貨艙裝滿，一般其運貨載重總量也遠小于船舶的允許載重噸，如運營中長期這樣裝載，船舶的經濟性就會大幅降低。所以為了提高運營經濟性并結合木材不怕水浸的特點，通常考慮在甲板面及貨艙艙口蓋以上的露天區域也裝載木材。

1 散貨船運木功能的特點與布置

無論是普通型還是大開口型散貨船，在實現上述運木功能時為了保證露天區域木材運輸過程中的安全，都需要配備可靠的木材綁扎系統和配套設施。木材綁扎系統一般包括：固定立柱與支架、可倒(活動)立柱與底座轉動裝置、綁扎眼環(或稱眼板)、綁扎索與收緊裝置等幾個重要組成部分，見圖1。

圖1 布置了木材綁扎系統的船舶側視圖

1.1 固定立柱與支架

為保證整個木材綁扎系統具備足夠的強度，一般在上甲板上相鄰的兩個貨艙之間區域設置固定立柱與支架，固定立柱與支架的底部及內側與船體結構牢固焊接，在受力計算時，固定立柱的強度需要進行嚴格的校核。

1.2 可倒立柱與底座轉動裝置

考慮到不能影響平時普通貨物的裝卸，在船長方向的固定立柱之間即貨艙開口范圍內安裝可以放倒的可倒立柱，其通過轉動裝置與焊接在甲板上的底座相連接。在露天區域不裝載木材的情況下，使用船上配備的克令吊，通過鋼絲繩與可倒立柱上的眼環來將可倒立柱縱向依次放倒靠在固定立柱上，此狀態下不會影響普通貨物的裝卸。當需要在露天區域裝載木材時，反向操作將可倒立柱豎起來，這樣通過整個立柱系統從側面來支撐露天區域裝載的木材。

1.3 綁扎眼環

綁扎眼環一般布置在固定立柱與可倒立柱朝向船中心線一側和相鄰立柱之間的甲板上。目的是為綁扎索提供端部固定，眼環應有與綁扎索匹配的強度。

1.4 綁扎索與收緊裝置

為了防止貨物在運輸過程中可能出現的由于倒塌、滑動或傾斜而引起的移動，除了固定立柱與可倒立柱的配合能夠將裝載在露天區域一定高度的木材貨進行橫向支撐外，還需要配備綁扎索并使其每一根均從木材甲板貨上繞過，末端連接于舷邊立柱或眼環等固點上。一般綁扎索的設置方式應盡可能使其沿露天區域木材的全高與木材接觸。

圖2為固定立柱與支架、可倒立柱與底座轉動裝置、綁扎眼環等在船上的三維虛擬布置圖，船舶在裝載木材時，木材綁扎系統的各個組成部分需配合使用，見圖3。

圖2 綁扎系統局部虛擬布置

圖3 綁扎系統配合使用示意

2 綁扎系統設計重點

大開口型散貨船較傳統普通散貨船減少了頂邊艙的布置，其貨艙開口寬度與左右舷內縱壁之間的寬度相同，在船舶型寬相同的情況下，這類船型的貨艙開口較后者寬了很多，見圖4與圖5。

圖4 普通散貨船橫剖面示意

圖5 大開口散貨船橫剖面示意

大開口型散貨船這種獨特的設計就為貨艙內貨物的裝卸提供了極大的便利，但也帶來了由于甲板有效寬度不足而引起的一系列問題。

對大開口型散貨船與普通散貨船進行比較，認為在大開口型散貨船木材綁扎系統設計上需要特別注意綁扎系統的強度、安全通道與操作空間以及甲板面的綜合布置與舾裝件的保護。

2.1 綁扎系統的強度

IMO在2011年通過的《2011年木材甲板貨運輸船舶安全操作規則》(以下簡稱《2011年TDC規則》)[1]中明確了綁扎立柱與系固裝置的強度計算要求。

目前，《2011年TDC規則》在IMO層面是非強制實施[2]，不同船級社在審圖時是否按此規則執行也不盡相同，但鑒于運木船的安全問題越來越引起行業內的重視，全面強制實施的時間應該不會太遠。這就要求船廠、船東及設計單位應盡早做好應對準備。

在《2011年TDC規則》中，對于立柱的設計彎矩要求如下式。

CMbending≥ (0.88×)1.35×

max(CMbending1,CMbending2)

(1)

式中：0.88為可選項。根據規則，如采用了頂部覆蓋式綁索(top-over lashings)，彎曲強度要求可減少12%。

(2)

(3)

相應的立柱剖面模數按下列公式計算。

(4)

式中：

Mbending——立柱設計彎矩，kN·m；

H——甲板貨高度，m；

B——甲板貨寬度，m；

k——系數，k=1.8，如不用倒鉤鋼絲綁索，則k=1，如用倒鉤鋼絲綁索，則k=1.8;

N——各舷所計及貨段的支撐立柱數量；

g0——重力加速度9.81 m/s2；

m——系固甲板貨或甲板貨段的質量，t，包括吸收水分和可能結冰；

at——貨堆前端或后端的甲板貨重心處最大橫向加速度，m/s2；

有研究指出單獨使用丙泊酚麻醉是無痛人流術出現性幻覺的誘發因素[3-5]，有較高的性幻覺發生率，有報道其發生率高達10.6%[4，5]。舒芬太尼作為強效阿片類鎮痛藥，鎮痛效果強、呼吸抑制輕，正好彌補丙泊酚鎮痛不足，加強麻醉效果。

μstatic——木材甲板貨和船舶甲板/艙口蓋靜態摩擦系數;

pw——風壓，kN，基于每m2受風面積1 kN，見CSS規則附件13；

ps——無法避免的海浪晃動壓力，kN，見CSS規則附件13；

σb= 所選用鋼材的極限強度，MPa。

以上多個公式的計算最終目的是為了得到合適立柱剖面模數W，然后能夠結合所選立柱材質的材料力學性能來確定立柱的數量、規格和外形尺寸等，而立柱數量的多少及外形尺寸的大小對甲板面空間非常緊張的大開口船型的布置(引起的船舶自重的變動暫且不計)尤為重要。

為了找到合適的平衡點，對上述公式進行反復取值計算并與《2011年TDC規則》中的計算樣例進行了比較，結果發現：

在目前絕大多數的運營船舶實際裝載及船東實際意向裝載狀態下，式(3)的計算結果遠遠大于式(2)的計算結果。

如果在甲板貨高度H及甲板貨重量m一定的情況下，at、k、pw與ps可以根據CSS規則結合船舶資料來確定。在式(3)各項參數中，對結果影響最大的就剩N和μstatic，增加參數N和(或)μstatic的值均可使對立柱彎矩的要求下降，其中增加N值意味著增加立柱數量，但這種方法對船廠與船東來講均不愿意接受；而參數μstatic的取值方法在《2011年TDC規則》中并未明確給出，所以如果能夠通過合理方法使參數μstatic的取值增加，將會對降低立柱彎矩要求起到較好的作用。例如在中國船級社“(2012 年)通函第110 號總第272 號”附件中文譯稿的示例B.5.1中，參數μstatic的取值就由《2011年TDC規則》英文原稿對應示例中的0.35修正為0.50，從而使在滿足規則的前提下對立柱彎矩的要求有明顯降低。

另外選取合適極限抗拉強度的材質也是滿足規則要求及減小立柱尺寸與自重可行的方法。根據式(4)，極限抗拉強度越大，則立柱剖面模數的要求就越小。按此原理，綜合考慮強度與韌性的情況下，建議立柱材質可選取極限抗拉強度σb為470～630 MPa的優質碳素鋼Q345，其較普通碳素鋼Q235的極限抗拉強度高約20%，這樣在相同的立柱彎矩要求的前提下，立柱剖面模數的要求也將下降約20%，立柱的尺寸與自重也會相應減小。

用以上計算公式對多型運木散貨船實船上的立柱強度的進行復核比較，發現《2011年TDC規則》在對立柱強度的要求較以往更加明確和嚴格，目前絕大多數實船均不能滿足該規則的要求(注：IMO規定按原規則審批的現有《貨物系固手冊》可保持有效)，所以部分實船使用者反饋的木材立柱出現變形等多種缺陷的情況也是在所難免的[3]。

2.2 安全通道與操作空間

由于甲板面裝載木材及甲板面寬度限制的特殊性，相應的安全通道與各類設備的操作維修空間也是大開口木材船較難以滿足各項要求的重要難點問題，根據實際設計經驗總結，有以下幾點。

1)在航行期間船員到達可能進入需要工作的其它處所所需安全通道的設置。

2)貨艙艙口蓋的液壓開關及壓緊器等操作空間。

3)中部引水員舷梯的安全通道及工作空間等。

4)到達上甲板首部纜樁及導纜孔通道的布置及足夠的操作空間。

5)滿足可以安放碼頭梯的預留空間。

2.3 甲板面的綜合布置及舾裝件的保護

由于貨艙大開口造成上甲板寬度的減小，同時還要預留足夠的通道，甲板面上的縱向艙口圍支撐肘板、舷墻、木材立柱與眼環、各類管路、人孔蓋與小艙蓋、透氣管頭、消防救生設備等各類舾裝件均需要進行有效的綜合協調布置，同時如何避免在裝卸木材過程中可能對各類舾裝件造成損壞也是在設計初期就應該充分考慮的問題。歸納設計中容易出現失誤的重點問題如下。

1)CO2管、電纜管、消防管及液壓管等均布置在縱向艙口圍橫向支撐肘板下口的減輕孔通道中，同時不能超出支撐肘板的邊界而影響通道，這就要求在詳細設計時就必須考慮該減輕孔的布置與大小問題。

2)人孔蓋與小艙蓋、透氣管頭、消防救生設備等常規必備的舾裝件需要布置在非裝載木材區域且注意對這些設備提供適當的保護措施。

3)貨艙機械通風(如有)進風口與出風口的布置及可移動木材綁扎系固設備的存放與保管。

4)舷墻與木材立柱及甲板面綁扎眼環的合理協調布置。

5)艏部救生筏與繩梯需布置在艏樓甲板上并提供足夠的保護防止首部上浪的破壞。

6)艏樓后部需有足夠強度的保護欄桿保護艏樓甲板上的舾裝件。

3 結論

1)關于綁扎系統的強度問題，《2011年TDC規則》雖然未進入完全強制實施的階段，但設計者在設計時仍需要考慮對綁扎立柱進行合理的布置并選取合適的規格參數并建議為滿足該規則而預留一定的強度裕度，避免在日后的使用中出現立柱變形等問題；

2)甲板面裝載木材后的安全通道及操作空間是在布置上較難于滿足的一項重點，需要設計者全面考慮規范及使用者的具體要求；

3)各類常規舾裝件在甲板面上的綜合協調布置及如何避免裝卸木材貨過程中可能對其造成的損壞也是設計者需要著重考慮的問題。

[1] 國際海事組織(IMO).2011年木材甲板貨運輸船的安全實用規則(2011 TDC CODE)[S].IMO,2011.

[2] 中國船級社.國內航運海船法定檢驗技術規則(2012年修改通報)[S].北京：中華人民共和國海事局，2012.

[3] 孫華偉.運木船木材綁扎系統的設計[J].船舶設計通訊,2012(2):14-17.