大型內(nèi)貿(mào)集裝箱船甲板上集裝箱綁扎設(shè)計(jì)

黎 峰，劉向冬，沈立寧

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)內(nèi)貿(mào)集裝箱航運(yùn)市場(chǎng)保持著相對(duì)穩(wěn)健的發(fā)展勢(shì)頭，諸多航運(yùn)公司紛紛布局或深化其內(nèi)貿(mào)業(yè)務(wù)，將大量集裝箱船投入到內(nèi)貿(mào)航線中。但是，內(nèi)貿(mào)航線上的平均箱重遠(yuǎn)大于國(guó)際航線[1]，且內(nèi)貿(mào)集裝船的航速要求相對(duì)較低，若直接將國(guó)際航行集裝箱船轉(zhuǎn)入內(nèi)貿(mào)航線運(yùn)營(yíng)，并不能契合內(nèi)貿(mào)集裝箱船的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性較差。在該背景下，具有載重量大、重箱數(shù)多和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)的內(nèi)貿(mào)專用集裝箱船得到快速發(fā)展。

大型化是內(nèi)貿(mào)集裝箱船重要的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)4000TEU以上的大型內(nèi)貿(mào)集裝箱船有望成為國(guó)內(nèi)南北航線上的主力船型。大型化意味著船舶的裝載能力得到進(jìn)一步提升，合理地設(shè)計(jì)貨物系固系統(tǒng)，特別是甲板上集裝箱的綁扎系統(tǒng)，充分保證船舶的裝載能力，是大型內(nèi)貿(mào)集裝箱船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以某型4 200 TEU內(nèi)貿(mào)集裝箱船為研究對(duì)象，對(duì)其甲板上集裝箱的綁扎布置方案進(jìn)行分析，確定適用于該型內(nèi)貿(mào)集裝箱船的甲板上集裝箱綁扎布置方案。

1 設(shè)計(jì)條件

充分發(fā)揮船舶的裝載能力和確保貨物安全運(yùn)輸是設(shè)計(jì)綁扎系統(tǒng)的首要目標(biāo)。根據(jù)4 200 TEU內(nèi)貿(mào)集裝箱船的初步裝載計(jì)算結(jié)果，其在裝載工況下的GM值為0.7～2.4?；谘b載工況的甲板上集裝箱裝載能力為：20ft（1ft≈0.3048m）箱列堆重 90～100t；40ft箱列堆重110～120t。對(duì)應(yīng)的裝載情況為艙蓋面或甲板上可裝載3～4層重箱。該裝載能力相比2 400 TEU內(nèi)貿(mào)集裝箱船有大幅提升。

根據(jù)船舶的主尺度、方形系數(shù)和最大服務(wù)航速，結(jié)合具體的GM值，可得到某裝載工況下的集裝箱系固加速度分布。船舶航區(qū)范圍為國(guó)內(nèi)近海，計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)取航區(qū)系數(shù)為0.9。集裝箱重心位于45%箱高位置。

2 綁扎布置方案

選取以下3種綁扎布置方案進(jìn)行綁扎計(jì)算分析。

1) 方案A：20ft集裝箱兩端無(wú)綁扎，前后20ft集裝箱之間的間隙為76mm；40ft集裝箱兩端采用雙層內(nèi)綁扎，從艙蓋面或箱柱頂面綁至第二層箱底和第一層箱頂；最外側(cè)40ft集裝箱箱列增加防風(fēng)綁扎，綁至第三層箱底（見(jiàn)圖1，圖中層數(shù)僅為示意）。

圖1 綁扎布置方案A

2) 方案B：20ft集裝箱兩端采用雙層內(nèi)綁扎，從艙蓋面或箱柱頂面綁至第二層箱底和第一層箱頂，前后20ft集裝箱之間留出綁扎通道空間；40ft集裝箱兩端采用三層內(nèi)綁扎，分別從艙蓋面或箱柱頂面綁至第三層箱底、第二層箱底和第一層箱頂（見(jiàn)圖2，其中層數(shù)僅為示意）。

3) 方案C：40ft集裝箱箱位前后設(shè)置綁扎橋，20ft集裝箱兩端采用雙層內(nèi)綁扎，前后20ft集裝箱之間留出綁扎通道空間，橋端從綁扎橋上層平臺(tái)綁至第三層箱底和第二層箱頂，非橋端從艙蓋面或箱柱頂面綁至第二層箱底和第一層箱頂；40ft集裝箱兩端采用雙層內(nèi)綁扎，從綁扎橋上層平臺(tái)綁至第三層箱底和第二層箱頂，最外側(cè)40ft箱列增加防風(fēng)綁扎，綁至第四層箱底（見(jiàn)圖3，其中層數(shù)僅為示意）。

圖2 綁扎布置方案B

圖3 綁扎布置方案C

3 綁扎計(jì)算

基于上述設(shè)計(jì)條件，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)海船建造規(guī)范》提供的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)[2]，分別針對(duì)hGM=0.7m和hGM=2.4m 2種穩(wěn)性極限狀態(tài)對(duì)上述3種綁扎方案進(jìn)行綁扎計(jì)算，得出各綁扎布置方案可實(shí)現(xiàn)的最大堆重（以下簡(jiǎn)稱“最大堆重”）。20ft集裝箱箱列計(jì)算對(duì)象選取為Bay 01、Bay 13、Bay 25、Bay 37和Bay 47，40ft集裝箱箱列計(jì)算對(duì)象選取為Bay 02、Bay 14、Bay 26、Bay38和Bay 50。每個(gè)Bay位的舷邊箱列因風(fēng)壓載荷的作用和綁扎布置的不同，其綁扎計(jì)算應(yīng)與內(nèi)部箱列相區(qū)分。由此可得到120個(gè)具體的綁扎計(jì)算模型，涵蓋艏部、船中、艉部的箱列，可較全面地得出最大堆重沿船長(zhǎng)方向的分布情況。

對(duì)不同Bay位的20ft集裝箱箱列采用3種綁扎布置方案得到的綁扎計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5；對(duì)不同Bay位的40ft集裝箱箱列采用3種綁扎布置方案得到的綁扎計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。圖4～圖7可知：當(dāng)裝載20ft集裝箱時(shí)，方案C的堆重由前后20ft集裝箱Bay位之間的綁扎布置決定，此處的綁扎布置與方案B相同，即均采用雙層內(nèi)綁扎，因此當(dāng)裝載20ft集裝箱時(shí)，方案C與方案B具有相同的綁扎計(jì)算模型，二者的堆重計(jì)算結(jié)果是一致的；當(dāng)裝載40ft集裝箱時(shí)，方案A與方案B的舷邊箱列綁扎布置相同，即兩端均采用3層內(nèi)綁扎，因此當(dāng)裝載40ft集裝箱時(shí)，方案A與方案B的舷邊箱列具有相同的綁扎計(jì)算模型，二者堆重計(jì)算結(jié)果也是一致的。

圖4 hGM=0.7 m時(shí)20ft集裝箱箱列最大堆重沿船長(zhǎng)方向的分布

圖6 hGM=0.7 m時(shí)40ft集裝箱箱列最大堆重沿船長(zhǎng)方向的分布

圖7 hGM=2.4 m時(shí)40ft集裝箱箱列最大堆重沿船長(zhǎng)方向的分布

箱列中的箱重分布對(duì)配載的靈活性有重要影響。通過(guò)上述計(jì)算可得到20ft內(nèi)部箱列和40ft內(nèi)部箱列在極限最大堆重狀態(tài)下的箱重分布見(jiàn)圖8和圖9。該結(jié)果兼顧了重箱盡可能多和無(wú)效輕箱位盡可能少的設(shè)計(jì)目標(biāo)，與實(shí)船配載情況較為貼近。隨著堆裝層數(shù)進(jìn)一步增加，箱列中的重箱數(shù)量將減少，輕箱數(shù)量將增多，適用于輕箱比例提高的堆裝情況。層數(shù)增加與箱重分布變化之間的關(guān)系可通過(guò)計(jì)算得到，在實(shí)船配載時(shí)，可根據(jù)運(yùn)營(yíng)需要對(duì)箱重分布進(jìn)行校核和優(yōu)化。

圖8 20ft集裝箱內(nèi)部箱列在極限最大堆重狀態(tài)下的典型箱重分布

圖9 40ft集裝箱內(nèi)部箱列在極限最大堆重狀態(tài)下的典型箱重分布

4 結(jié)果分析

上述計(jì)算結(jié)果反映了在集裝箱船甲板上綁扎集裝箱的一般規(guī)律：

1) 在采用相同的綁扎布置方案的情況下，最大堆重隨GM值的增加而減小[3]；

2) 在采用相同的綁扎布置方案的情況下，舷邊箱列的最大堆重小于內(nèi)部箱列，增加防風(fēng)綁扎可有效提升舷邊箱列的最大堆重；

3) 最大堆重沿船長(zhǎng)方向的分布特征與橫向加速度沿船長(zhǎng)方向的分布特征[4]反向匹配，呈倒鞍狀分布，即靠近船首和船尾的集裝箱最大堆重小于船中的集裝箱最大堆重。

針對(duì)4 200 TEU內(nèi)貿(mào)集裝箱船的實(shí)際情況，基于上述計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論：

1) 盡管方案A具有綁扎工作量少和裝卸效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其20ft集裝箱箱列最大堆重小于80t，40ft集裝箱箱列最大堆重小于110t，不足以保證該船的裝載能力。

2) 除少數(shù)艏部Bay位以外，方案B的20ft集裝箱箱列最大堆重超過(guò)90t；40ft集裝箱內(nèi)部箱列最大堆重超過(guò)110t，基本可滿足該船的裝載能力需求。

3) 除少數(shù)艏部Bay位以外，方案 C的 20ft集裝箱內(nèi)部箱列最大堆重超過(guò) 100t；除少數(shù)艏部和艉部Bay位以外，方案C的40ft集裝箱內(nèi)部箱列最大堆重達(dá)到或超過(guò)120t；在GM值較小的情況下，除少數(shù)艏部和艉部Bay位以外，40ft集裝箱舷邊箱列最大堆重也可達(dá)到或超過(guò)120t，基本可滿足該船的裝載能力需求。

此外，上述計(jì)算結(jié)果表明：方案C不僅具有比方案B更強(qiáng)的堆重能力，而且在最大堆重情況下允許裝載的重箱層數(shù)更多（如圖8和圖9所示）。這是由于方案C通過(guò)綁扎橋升高了綁扎點(diǎn)的位置，增強(qiáng)了綁扎的有效性[5]。這一特性對(duì)于在實(shí)船營(yíng)運(yùn)過(guò)程中進(jìn)行靈活配載而言是十分有利的。但是，對(duì)于該級(jí)別集裝箱船而言，全船綁扎橋結(jié)構(gòu)重量將近500t，且布置綁扎橋需要更長(zhǎng)的縱向艙間甲板空間，采用方案C意味著載重量減少、船長(zhǎng)增大和初始投入增加，將直接影響船舶的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于方案B，由于40ft集裝箱箱列多出了一對(duì)綁扎點(diǎn)，因此綁扎工作量多于方案C，可能導(dǎo)致船舶裝卸貨時(shí)間延長(zhǎng)。在實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合船舶具體的裝載能力、船東的需求和裝載習(xí)慣對(duì)上述差異進(jìn)行綜合考慮，在方案B與方案C中做出取舍。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從保證船舶裝載能力的角度對(duì)大型內(nèi)貿(mào)集裝箱船甲板上集裝箱的綁扎設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，得到了在裝箱Bay位、GM值和風(fēng)壓載荷等因素的影響下采用不同綁扎布置方案的大型內(nèi)貿(mào)集裝箱船甲板集裝箱最大堆重的具體分布，確認(rèn)了其中2種綁扎布置方案的可行性，揭示了該級(jí)別集裝箱船甲板上集裝箱綁扎設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)。從布置的角度看，甲板上集裝箱綁扎布置與船舶總布置之間存在顯著的相互影響，如何綜合協(xié)調(diào)二者之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)船舶經(jīng)濟(jì)性與裝箱安全性的優(yōu)化統(tǒng)一，是在船舶總體設(shè)計(jì)前期需深入論證的問(wèn)題。

需要說(shuō)明的是，中國(guó)船級(jí)社最新發(fā)布的《國(guó)內(nèi)海船建造規(guī)范》2017年修改通報(bào)采用了全新的加速度計(jì)算體系，將對(duì)綁扎計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，影響程度有待進(jìn)一步論述。