4 000車位汽車運輸船甲板布置的設(shè)計優(yōu)化

秦建國，劉燦波，曾繁強

(南通中遠(yuǎn)海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

汽車運輸船(PCTC)是指專門用于以運輸成品轎車為主、兼運商務(wù)車或大型車輛的滾裝船，有時也可運輸一些滾裝的包裝貨物。該船型通常設(shè)有多層連續(xù)汽車甲板以及跳板、坡道、坡道蓋和水/氣密門等復(fù)雜的滾裝通道設(shè)備，甲板層數(shù)可達(dá)10～14層，同時船舷設(shè)有可供車輛在船岸之間上下的大型跳板，汽車在甲板之間轉(zhuǎn)移是通過斜坡道或升降機來完成的，船和碼頭不需設(shè)置起重設(shè)備等，是大規(guī)模海上汽車專用運輸船。汽車滾裝船運輸具有運量大、效率高、破損率低等優(yōu)點，已經(jīng)成為汽車運輸?shù)淖罴逊绞?，是?dāng)今世界汽車運輸?shù)闹髁鞣绞健?/p>

汽車的積載因數(shù)大，自身重量不大，且不能堆裝，因此對汽車運輸船來說，車位數(shù)是其主要的性能指標(biāo)之一。由于經(jīng)濟(jì)型車輛和大型轎車等尺寸不同，其裝載量也不同，因而汽車甲板的有效裝載面積同樣重要，而且該數(shù)值與車位數(shù)直接相關(guān)。汽車甲板裝載面積和車位數(shù)通常作為保證項目在船舶建造合同和規(guī)格書中予以規(guī)定，是船東確認(rèn)的重要性能指標(biāo)，直接影響汽車運輸船營運的經(jīng)濟(jì)性。本文以某4 000車位汽車運輸船為研究對象，在分析汽車甲板裝載面積和車位數(shù)確定方法基礎(chǔ)上，通過對汽車甲板的合理布置，盡量增大汽車甲板的裝載面積，從而提高汽車運輸船的車位數(shù)和船舶的有效利用率，增強船舶的經(jīng)濟(jì)性和市場競爭力。

1 汽車甲板裝載面積和車位數(shù)的確定

1.1 汽車甲板的裝載面積

汽車甲板的裝載面積是指各層汽車甲板上能夠裝載車輛部分的有效面積。汽車甲板裝載面積的具體規(guī)定雖然與船東的要求有關(guān)，但原則上一般從外板肋骨、橫艙壁及側(cè)壁的內(nèi)側(cè)量起，同時需扣除汽車甲板上被船體主結(jié)構(gòu)件、舾裝品如管路、電纜及其護(hù)欄等遮擋區(qū)域，以及凈空高度過小無法裝載車輛的區(qū)域。典型處所的汽車甲板裝載面積如圖1～圖3中陰影部分所示。

圖1 外板強框架以內(nèi)

1.2 車位數(shù)

汽車運輸船的車位數(shù)一般是用日本首次向北美出口的“CORONA RT43L”為標(biāo)準(zhǔn)車型來核算的。RT43L車型的長為4 125 mm，寬1 550 mm，L表示左手側(cè)方向盤。核算時車與車之間的間距縱向為300 mm，橫向為100 mm，車與艙壁、支柱等船體構(gòu)件之間間距為300 mm。車位數(shù)是貨主與船東公司互相確認(rèn)的重要性能指標(biāo)之一，船型、主尺度及總布置等設(shè)計工作均是在車位數(shù)的基礎(chǔ)上展開的。

圖2 扣除管路、電纜及其護(hù)欄

圖3 坡道表面及坡道以下凈空高度超過1.4 m的區(qū)域

車位數(shù)的核算不能根據(jù)“甲板裝載面積/單位車輛所占面積”進(jìn)行，因為在甲板邊緣或不規(guī)則區(qū)域，雖然面積滿足，但形狀上卻無法完整地安放一輛車，從而不能作為有效的裝載面積。因此，要確定船舶的車位數(shù)，首先需要在裝載面積范圍內(nèi)，使用要求的車型進(jìn)行車輛布置；其次按照布置圖統(tǒng)計實際放置車輛的數(shù)量，即得到船舶的車位數(shù)。

2 汽車裝載限制因素及對策

汽車運輸船通常設(shè)置多層甲板。由于汽車運輸船的特殊性，從船舶的使用方便性考慮，為了使車輛在上下船時能快速行駛，因而希望各甲板間的貨艙是相通無阻礙的，水(氣)密甲板、水(氣)密艙壁設(shè)置得越少、單一的貨艙區(qū)劃越大越好。但是越大的貨艙將導(dǎo)致船舶破損后更多的進(jìn)水量，從而無法滿足SOLAS(國際海上人命安全公約)中破損穩(wěn)性的相關(guān)要求。同時更大的貨艙區(qū)劃意味著需要配備更高等級和規(guī)格的固定消防系統(tǒng)等，這些都會導(dǎo)致設(shè)計難度的增加及建造成本的提高。因此，如何合理設(shè)置貨艙區(qū)劃，使之既能滿足使用要求，又能滿足破艙穩(wěn)性及消防等要求，需要在船舶進(jìn)行全面的設(shè)計評估后再確定。

2.1 限制因素

汽車運輸船的貨艙通常為單殼結(jié)構(gòu)，向內(nèi)的舷側(cè)肋骨等突出結(jié)構(gòu)會影響裝載車輛的數(shù)量；同時為滿足破損穩(wěn)性的要求，貨艙區(qū)域被劃分為若干區(qū)劃，橫向或縱向布置的水密艙壁會妨礙汽車通行。此外，貨艙內(nèi)各層甲板之間還設(shè)置一排或兩排立柱，以便為甲板提供足夠強度，但立柱的設(shè)置同樣會影響車輛的布置及通行。

汽車運輸船如采用特殊設(shè)計，特定用途的艙室也會影響汽車裝載。雙燃料汽車運輸船采用液化天然氣(LNG)為動力，布置有安裝LNG燃料罐的艙室，占據(jù)了部分車輛裝載的空間，減少了車輛裝載。

為了能夠載運重型車，兼顧各類型號的車輛，汽車運輸船在艙內(nèi)設(shè)計了可提升式甲板。可提升式甲板的工作支座通常位于立柱、強肋骨、艙壁等船體構(gòu)件上，立柱旁安裝電纜鏈、提升鋼絲繩、高位支撐塊等舾裝品，艙壁處安裝電氣控制屏操縱甲板運動，這些舾裝品都會對車輛裝載產(chǎn)生影響。

同時，為滿足規(guī)范對貨艙通風(fēng)及滅火的要求，需要設(shè)置大量的通風(fēng)井及便攜式滅火器等，其布置的合理與否也會直接影響到車輛裝載。

2.2 布置原則及對策

考慮到車輛通行及停放的使用特點，在進(jìn)行汽車甲板設(shè)計時的一項重要原則就是在安全前提下保證貨艙區(qū)域即汽車甲板處所線路通暢，形狀規(guī)整，盡量減少結(jié)構(gòu)及舾裝品的障礙對車輛裝載的影響。

按照上述原則，汽車甲板設(shè)計時提高裝載量的對策如下：

(1)貨艙與其他區(qū)劃分隔艙壁上的扶強材等盡量布置在貨艙背面，以免影響汽車甲板裝載面積。

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(2)布置在貨艙區(qū)域的管路、電纜舾裝品及護(hù)欄會減小汽車甲板裝載面積，因此盡量將其布置在外板的強骨架之間。如因條件限制，必須布置在汽車甲板裝載面積以內(nèi)，其占用的面積相應(yīng)扣除。

(3)車輛布置時通常將車輛沿船長方向縱向布置，但在某些形狀不規(guī)則區(qū)域如艏艉部，縱向難以布置時則可橫向布置，其布置示意圖如圖4所示。車輛進(jìn)行橫向布置時必須考慮汽車甲板的強度是否滿足規(guī)范要求。因為汽車的縱向布置及橫向布置，甲板所承受的軸載荷是不同的，通常甲板能夠承受縱向的軸載荷要高于橫向的軸載荷，因此橫向布置的區(qū)域需進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度的校核。如經(jīng)校核甲板強度不滿足規(guī)范要求，則權(quán)衡增加甲板強度與增加車位數(shù)的利弊后綜合決定。

(4)根據(jù)汽車甲板裝載面積的范圍可知，固定坡道、可移動坡道上可以布置車輛，同時也可充分利用坡道以下凈空高度超過1.4 m的甲板空間，用于車輛布置。其布置示意圖如圖5所示。

(5)車輛布置時不僅考慮總體艙室及凈空高的影響，其他可能對車位影響的結(jié)構(gòu)也應(yīng)予以考慮，諸如貨艙內(nèi)立柱、風(fēng)機下方通風(fēng)井的形狀及舷側(cè)肋骨等。設(shè)計時還需考慮汽車甲板內(nèi)布置的舾裝品，如可提升甲板移動坡道的動力、控制設(shè)備及管路、欄桿的影響。

圖4 船艏不規(guī)則區(qū)域的橫向布置

圖5 坡道及以下區(qū)域的車輛裝載

3 4 000車位PCTC船特點

4 000車位PCTC船采用船用燃油和天然氣(LNG)作為燃料。本船全長181 m，型寬30 m，型深30.22 m，夏季吃水9.6 m，共有10層汽車甲板，裝載能力約為4 000標(biāo)準(zhǔn)車位。其中第4層及第6層為可提升式甲板，有3個擱置位置，便于裝載大型車輛及貨物。所有可提升甲板及錨機、纜機均采用電動式驅(qū)動方式。所有跳板均采用液壓控制，操作簡單，維護(hù)方便。船舶滿足芬蘭-瑞典冰級規(guī)范規(guī)定的1AS冰級要求，船體外板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強，艏艉設(shè)置相應(yīng)的破冰設(shè)備，舾裝設(shè)備及系統(tǒng)可耐-25 ℃的環(huán)境溫度。

傳統(tǒng)汽車運輸船設(shè)計舷側(cè)為單殼結(jié)構(gòu)，局部設(shè)置橫艙壁，貨艙內(nèi)僅有一排立柱。汽車運輸船較為瘦長，在航行中極易發(fā)生橫搖，當(dāng)船舶橫搖變形量較大時易發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷情況。為抵抗橫搖變形，4 000車位PCTC船結(jié)構(gòu)設(shè)計時將干舷甲板以下設(shè)計為雙殼構(gòu)造，以增強船舶水線附近及以下船體結(jié)構(gòu)的剛性。同時本船在貨艙內(nèi)取消橫艙壁，改為設(shè)置兩排支柱，形成寬敞區(qū)域。其典型橫剖面見圖6。

4 汽車甲板內(nèi)舾裝件布置優(yōu)化

圖6 典型橫剖面圖

4.1 手提式滅火器及可提升甲板的控制電氣屏等

SOLAS規(guī)定滾裝處所各層甲板兩側(cè)都備有手提式滅火器，間距不超過20 m。按此要求，各層汽車甲板的兩舷都需要安裝大量滅火器。若布置不當(dāng)，有的滅火器會較為突兀，影響車輛的通行及裝載。本船第5層甲板以上外板為單殼結(jié)構(gòu)，因此可以將各甲板的手提式滅火器布置在外板肋骨之間及通風(fēng)井的端部。同時將第6層可提升甲板的控制電氣屏也布置在類似處所。

第5層甲板以下的外板為雙殼結(jié)構(gòu)，外板肋骨布置在雙殼之間，手提式滅火器的位置必須專門研討?？紤]到第4甲板為可提升甲板，要求上下升降的范圍內(nèi)不能有任何障礙物影響其活動，最終決定在內(nèi)殼上開設(shè)凹槽，將影響可提升甲板活動的滅火器均布置在內(nèi)殼上的凹槽內(nèi)。

可提升甲板由多塊活動甲板構(gòu)成。為了滿足每塊活動甲板的移動軌道及支撐塊的布置，按廠家要求，專門設(shè)置了移動甲板支撐盒，其邊界設(shè)置在舷側(cè)肋骨處。在滿足廠家要求基礎(chǔ)上對部分支撐盒進(jìn)行了擴(kuò)大，使附近的手提式滅火器也可安裝在內(nèi)。

4.2 測深管

本船的雙層底內(nèi)設(shè)計為壓載艙，各壓載艙需安裝測深管，且高度上至少穿過第1、2 層甲板延伸到第3甲板，因而測深管的布置可能對第1、2層甲板的車輛布置產(chǎn)生不利影響。考慮到各層甲板設(shè)置了兩列立柱，將測深管布置在立柱旁，既便于安裝固定，又對車位布置影響較小。同時為防止車輛碰撞損傷測深管，在測深管外專門設(shè)置了防護(hù)圍欄。

4.3 電纜鏈

本船第4、6層甲板設(shè)計為可提升甲板，每一段橫向分為左、中、右三塊活動甲板，所有活動甲板均采用電動驅(qū)動方式。因此，每塊活動甲板都需裝配電纜鏈，用于整合并保護(hù)動力、信號等電纜。最初廠家推薦將每塊活動甲板的電纜鏈均布置在立柱周圍。因立柱布置在靠近船中位置，按此設(shè)計，則每一電纜鏈都會影響汽車甲板裝載面積。為減少其不利影響，最終將左右兩側(cè)活動甲板的電纜鏈移至舷側(cè)的導(dǎo)軌處，僅保留中間活動甲板的電纜鏈布置在立柱周圍。

5 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

5.1 通風(fēng)井端部形狀

按照規(guī)范要求，貨艙內(nèi)的各層甲板要提供機械通風(fēng)，因此主甲板上布置了大量風(fēng)機，且由通風(fēng)井通向各層甲板。一般通風(fēng)井在上甲板上方為大開口，甲板下方較窄。初始設(shè)計時考慮對應(yīng)力集中點進(jìn)行改善，將過渡位置放置在上下兩甲板附近，避免中間出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，但該布置會導(dǎo)致通風(fēng)井過渡處所下方汽車甲板裝載面積的損失?？紤]到通風(fēng)井在上甲板兩側(cè)沿船長方向均已布置，損失的面積也較為可觀，因此可將通風(fēng)井設(shè)置成圓弧過渡形式，在避免應(yīng)力集中的同時，增加了下層汽車甲板的裝載面積。

5.2 船體結(jié)構(gòu)局部加強

對設(shè)置在第5甲板背面的側(cè)跳甲板底部橫梁端部補強的形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，肘板采用圓弧形狀，以減小對車輛裝載的影響。后經(jīng)設(shè)計部門優(yōu)化，最終形式確定為圖7所示的形狀。同時在下方的可提升甲板上進(jìn)行開孔和設(shè)置蓋板，以保證可提升甲板提升至存儲位置時不受影響。

此外，對固定坡道、可移動坡道，充分利用挖掘潛力，優(yōu)化背面的結(jié)構(gòu)形式和舾裝品，例如將燈具內(nèi)置于結(jié)構(gòu)條材之間，角鋼條材減小腹板高度等，以使坡道下的凈空高度大于1.4 m，滿足乘用車的裝載高度。

6 結(jié)語

隨著我國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展及國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，可以預(yù)期我國汽車滾裝船運輸市場有著廣闊的發(fā)展前景。本文探討了限制汽車裝載面積和車位數(shù)的因素，以4 000車位PCTC船為例提出了汽車甲板設(shè)計的原則，并提出了切實有效的提高汽車甲板裝載面積及車位數(shù)這兩項指標(biāo)的具體方法，包括在貨艙內(nèi)壁上開設(shè)凹槽布置滅火器，增大甲板支撐盒、通風(fēng)井圓弧過渡等。目前，4 000車位雙燃料汽車運輸船已經(jīng)交付并服務(wù)于歐洲航線1 a多，為船東帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，船東對該船的設(shè)計較為滿意。本文所做的汽車甲板船結(jié)構(gòu)設(shè)計和舾裝品布置優(yōu)化探討，為今后汽車運輸船的設(shè)計提供參考。同時考慮到法規(guī)的排放要求及清潔能源的推廣，以LNG作為燃料的船舶必然不斷增加，LNG燃料罐及相關(guān)供氣系統(tǒng)的布置也會對車輛的布置及裝載產(chǎn)生較大影響，其具體布置及優(yōu)化將作為進(jìn)一步的研究方向。

圖7 橫梁端部補強形式

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