重大件貨物多式聯運技術分析及應用

2019-10-11 01:43:58張立群黃雨促

物流技術 2019年9期

張立群，黃雨促

（1.浙江恒逸集團有限公司，浙江杭州 311209；2.中國外運大件物流有限公司，上海 201204）

1 引言

隨著我國經濟的高速發展，裝備制造業技術水平和專業大件運輸能力的不斷提高，重大工程項目關鍵設備的設計與制造向著體積大、質量重的方向發展，重大件運輸也變得越來越頻繁。尤其是近年來，在國家“一帶一路”戰略的引領下，重大件運輸更是不斷走出國門。由于運輸環境復雜，運輸環節增加，對重大件運輸、裝卸和系固的要求也越來越高。運輸環境的復雜多變使得重大件貨物的運輸具有很高的風險，稍有不慎將會導致重大事故。因此重大件貨物運輸一定要在科學分析運輸可行性的基礎上，制定切實可行的方案，嚴密組織施工，確保整個過程的安全[1]。

重大件貨物運輸一般有陸運、海運以及陸運與海運相結合的多式聯運等方式。本文根據國家“一帶一路”戰略中的某項目現場港內駁運-碼頭滾卸-現場短距離運輸三個環節，采用駁船和自行式液壓平板車（下文簡稱SPMT）相結合的多式聯運方式進行分析探討。

2 駁運

重大件貨物的遠洋運輸通常選擇重吊船或者平板駁船，分別如圖1和圖2所示。由于現場碼頭條件限制，大型重吊船無法靠泊卸貨，通常需要先將重大件貨物從重吊船吊卸至駁船，然后用駁船將重大件貨物進行港內短距離運輸至現場條件較差的碼頭后進行滾卸。

駁船分為自航駁船和非自航駁船，由于重大件貨物在港內短距離運輸，海況較平穩，采用非自航駁船的拖航運輸即可滿足運輸要求，且非自航駁船的租賃費用通常遠低于自航駁船，經濟效益較好，故非自航駁船比較適合重大件貨物的港內短距離運輸[2]，如圖3所示。

圖1 重吊船

圖2 自航駁船

圖3 非自航駁船

由于重大件貨物在港內拖航運輸時海況平穩，風浪不大，幾乎不受海水飛濺的影響，因此在拖航運輸過程中貨物受到的波濺力可以忽略不計，這時作用在貨物上的外力有慣性力和風壓力，下文將分析重大件在橫向、縱向和垂向三個方向上的合外力作用。

2.1 橫向作用力

貨物受到的橫向合外力Fy可按式（1）計算[3]：

式中：M為貨物重量(t)；Fqy為橫向風作用力，根據貨物側向投影面積，取0.70kN/m2；Ay為橫向加速度(m/s2)，按式（2）計算：

式中：rφ為貨物質量中心至水線處假定的旋轉中心的距離(m)，如圖4 所示；β 為夾角，φ0為最大橫搖角，通常按15°計算；g為重力加速度，取9.81m/s2；Tφ為橫搖周期(s)，按式（3）計算：

式中：GM 為初穩性高度(m)，B 為船寬(m)。如被拖物無確切的GM資料，可以按式（4）近似計算：

圖4 駁船橫剖面

2.2 縱向作用力

貨物受到的縱向合外力可按式（5）計算：

式中：Ax為縱向加速度(m/s2)；M為貨物重量(t)；Fqx為縱向風作用力，根據貨物在船中橫剖面上的投影面積計算，其取值標準同公式（1），其中縱向加速度Ax按式（6）計算：

式中：rψ為貨物質量中心至水線處假定的旋轉中心的距離(m)，如圖5 所示；β 為夾角，ψ0為最大縱搖角，通常按5°計算；Tψ為縱搖周期，如無資料可按10s計算；g同上。

圖5 駁船縱剖面

2.3 垂向作用力

作用在貨物上的垂向合外力Fz按式（7）計算：

式中：M，g 同上文；a 為垂向加速度，a=3.75e-0.003L，但不大于3m/s2，其中L為船長(m)。

2.4 重大件貨物系固

2.4.1 系固方式。重大件貨物常見的系固方式有[4]：

①用鋼絲繩、鐵鏈等系固索具將貨物固定在船舶的貨艙內或者其它承重甲板上。

②將貨物與專門設計的支座一起固定于船舶的貨艙或者其他承重部位，然后將支座、貨物和船體焊接形成一個整體。

③在貨物周圍焊接相應的焊件，焊件與貨物之間墊上墊料，焊件底部與船舶甲板焊為一體。

①中的系固方式是利用柔性系固索具將貨物和船舶連接起來進行系固，因此將其定義為柔性系固；②中的系固方式是利用鋼管或支架等剛性系固索具將船舶和貨物直接系固在一起；③中的系固方式是利用型鋼或組合的剛性構件等將船舶和貨物間接連接在一起。②和③中系固方式的共同點是焊接物是剛性的，因此將這兩種系固方式均定義為剛性系固。

針對重大件貨物落支墩后的系固，本文采用①和③兩種方式相結合的系固方式，即用鋼絲繩或者鐵鏈等系固索具將重大件貨物系固于駁船的甲板上，同時在貨物底部的支墩周圍焊接止動塊，防止在拖航運輸途中支墩發生滑動，如圖6所示。

2.4.2 約束力計算。破斷強度(BS)：系固設備在拉伸試驗中使其達到破斷狀態時的拉力，制造廠家應提供系固設備的破斷強度資料。

圖6 重大件系固示意圖

最大系固負荷(MSL)：用以確定系固設備系固貨物時所允許的最大負荷能力，它等于系固設備的破斷強度乘以相應的系數δ，即：

各系固設備材料的相應系數見表1。

表1 系固設備系數

當多個設備串聯使用時，MSL取其中的最小者。

計算強度（CS）：考慮到貨物系固時可能存在受力不均勻、系固水平限制或其他因數，應取適當安全系數來折減最大系固負荷，折減后的MSL 則稱為系固設備的計算強度，安全系數取1.35[5]。

表1中各系固設備的系數是IMO《貨物積載與系固安全操作規則》基于10 級風以上的遠洋運輸海況進行折減所得，而本文中的重大件港里倒運一般海況較好，風級為6 級以下，因此若是采用表1 的系數進行系固力計算過于保守，勞動強度大且不經濟。由于鐵鏈、地令和卸扣等系固索具均為首次使用，且港內海況平穩，根據現場操作經驗，取CS=MSL=BS×0.9 認為是安全、經濟且高效的。

重大件貨物橫向滑動和縱向滑動約束力的計算公式如下[6]：

式中：u 為貨件底部與甲板之間的摩擦系數，根據兩者之間的材料來取值；g 為重力加速度，取g=9.81m/s2；CSi、CSj為橫向和縱向上每根系索的計算強度；fi、fj為橫向和縱向上每根系索的計算系數，fi=cosαcosβ+μsinα，fj=cosαsinβ+μsinα。

作用于貨件上的橫向約束力矩與傾覆力矩方向相反，由貨物自身具有的重量約束力矩和系索提供的約束力矩兩部分組成。約束力矩公式表示如式（10）所示：

式中：b'為貨物重心至橫向翻到軸的水平距離(m)，對于重量橫向對稱的貨件，可取其底部寬度的1/2；當貨物橫向不對稱時，應分別計算；li為橫向翻到軸至各系索的垂直距離(m)，也就是系索的系固力臂，可由式（11）進行計算：

式中：hc為系固點距貨件底部高度(m)；b 為貨物寬度(m)。

在重大件貨物系固中，止動塊通常采用等邊直角焊的方式進行焊接，如圖7 所示，l為焊縫長度(mm)，h為焊縫高度(mm)，則單個止動塊的約束力可按式（12）進行估算[7]：

式中：σ為止動塊材料的屈服強度，通常取235N/mm2；δ為安全系數。

2.4.3 約束力設計原則。防止重大件貨物發生滑動的約束力分為三部分，第一部分由重大件與墊料之間產生的摩擦力所提供，第二部分由鋼絲繩等系固索具提供，第三部分由焊接在支墩周圍的止動塊對支墩產生的約束力提供。重大件貨物的約束力矩由自身的重量矩和系固索具產生的約束力矩一起提供。約束力的設計原則如下：

貨物任一側（左舷或右舷）的系固設備的MSL之和應大于等于該貨物的重量，并在貨物支墩周圍適當焊接止動塊防止支墩滑動。

約束力設計可用公式（13）表示：

式中：Ff為重大件貨物與墊料產生的摩擦力；Fy為重大件貨物橫向合外力；Fx為重大件貨物縱向合外力；Fy1為系固索具的橫向約束力；Fy2為止動塊的橫向約束力；Fx1為系固索具的縱向設計約束力。

2.4.4 系固方案校核標準。重大件貨物的系固方案需要進行校核，只有當各項均滿足要求時，方可認為該方案是可行的。系固方案的校核標準如公式(14)所示[6]：

式中：Fy、Fx分別為橫向、縱向合外力；[Fy1]、[Fy2]分別為左、右側橫向約束力；[Fx1]、[Fx2]分別為前、后側縱向約束力；My為橫向合外力矩；[My]為橫向約束力矩。

3 滾卸

駁船將重大件貨物運輸抵達碼頭后，根據船舶吃水和碼頭標高，結合潮汐情況可選擇適當時機頂靠進行重大件滾卸，如圖8所示。

假設碼頭標高h，潮高t，駁船型深H，吃水d，則潮水應滿足[8]：

重大件滾卸時，應注意利用駁船的壓載水調節功能調節駁船的浮態，使得在滾卸過程中駁船的甲板面與碼頭面保持平齊，保證滾卸的順利進行。為保證滾卸安全，通常在落潮時滾卸，漲潮時滾裝。

圖8 重大件貨物滾卸

4 現場運輸

重大件貨物滾卸完畢后，從碼頭到卸車現場之間需要利用SPMT 進行短距離運輸（簡稱短倒），SPMT在運輸時通常采用三點支撐的支撐方式，并根據貨物尺寸和重量拼接車輛的長度和寬度。裝載時將貨物重心與車輛的支撐中心對齊，這樣使得車輛具有良好的穩定性，但由于貨物的制造、裝配誤差和現場的測量條件，很難保證貨物重心與車輛的支撐中心絕對對齊，會產生裝載重心偏移，使車板發生傾斜，如圖9 所示，導致車輛在運行時的穩定性降低。所以在必要時，需通過調整車輛各回路編點的懸架數量，改變支撐三角形的形狀，從而改變車輛的穩定性。下面對當貨物與SPMT 牢固捆綁為一體時的三點支撐方式的穩定性進行分析[9]。

圖9 SPMT的支撐和裝載偏差

如圖10所示，AB所在的與地面平行的平面稱為穩定面，A、B 點為懸架擺臂縱軸所在的位置，h3為穩定面高度，它與平板車輪胎規格有關，一般取值270mm-300mm 之間，β1max、β2max為車貨系統左右最大穩定角，當貨物重心位于液壓平板車縱軸心線上時，左右穩定角相等。

圖10 液壓平板車的穩定面

圖中G1為貨物重心，其高度為h1；G2為平板車重心，其高度h2受液壓懸掛的影響，一般取液壓平板車正常行駛時的高度；G為車貨重心，h是其重心高度，則：

那么車貨系統相對于穩定面的重心高度為：

如圖11 所示為采用三點支撐的液壓平板車，已知大件貨物偏載距為|x0|、|y0|，車貨重心在穩定面上的投影點C 的坐標(x0,y0)；已知Z1(x1,y1)、Z2(x2,y2)、Z3(x3,y3)三點坐標值。此處為計算方便SPMT 采用的是偶數縱列即y1=y2，當縱列為奇數時要注意y1≠y2。

圖11 貨物偏載穩定性計算

由兩點確定直線Z3Z的方程為：

直線Z3Z與直線Z1Z2的交點Z的坐標為：

由于穩定線AC＜BC，那么只求較小穩定角β1即可判斷其穩定性情況，在ΔZ3ZZ1中有：

即

在ΔACG中可求出穩定角β1為：

當大件貨物重心剛好和坐標系原點重合時，即無裝載偏差時，車貨系統左右穩定角β1=β2，如圖12所示。

圖12 貨物無偏載穩定性計算

在ΔZ3ZZ1中可求出AC長度為：

在ΔACG中可求出穩定角β1為：

三點支撐的穩定角應滿足：β1＞7°。

5 案例分析

某罐體重大件貨物R 內徑5.4m，長28.4m，重500t，底部鞍座寬度8.5m，系固點距離甲板7.1m，支墩高度1.5m，左右對稱積載于駁船船中，貨物重心距船首42.65m，距船舷12.2m，如圖13 所示。現將該貨物通過駁船從A 港拖航至B 碼頭滾卸，駁船型長85.3m，型寬24.4m，型深4.88m，拖航時的平均吃水為1.8m。