火車運輸船縱橫傾調載系統設計

郭晟江,丁超,豐碩

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

上海船舶研究設計院設計的火車運輸船是一型服務于美國與墨西哥港口、進行跨墨西哥灣火車運輸的滾裝貨船，可將莫比爾港(美)和夸察夸爾科斯港(墨)間的火車運輸距離由1 400 mile縮短為900 mile[1]，使兩地的鐵路運輸網通過海路形成快速銜接。火車運輸船設有2層車輛甲板以裝載火車車輛，車輛甲板數量與碼頭的火車匝道數量一致，船上各層甲板的火車軌道可以通過棧橋直接與碼頭匝道的火車軌道對接，使火車車輛可以快速上下船。該船可裝載136輛重約110 t的火車車輛，經船上和碼頭的火車軌道上下。這與普通滾裝船不同，后者車輛跳板與碼頭的夾角可達10°，而棧橋對縱傾和橫傾的角度要求更嚴格，一般縱傾不超過±30‰，橫傾不超過±2°。由于火車車輛負荷重，單層甲板上的火車車輛上下船后，對船舶的浮態影響很大，需控制棧橋銜接處的高低位置，避免由于縱傾角過大使得裝卸貨時火車在棧橋上的坡角超出其爬坡能力而無法上下船，考慮通過調整艏艉水艙，使船舶吃水和縱傾角在合理范圍內；同時，由于船舶與碼頭間采用的是棧橋搭接在船尾處，如船舶橫傾較大，會使棧橋發生扭轉，造成破壞，因此也需嚴格控制船舶的橫傾。

此外，碼頭設施、航道地形、潮汐等對火車運輸船裝卸貨的影響也很大，這些因素均在設計中一并考慮。

1 碼頭條件

1.1 棧橋

受碼頭地形影響，火車運輸船無法直接與碼頭火車匝道相連接，必須通過一段棧橋實現。船-岸棧橋連接示意見圖1，棧橋的一端固定連接于碼頭側，另一端則搭接到船尾。與船尾搭接的那一端具有一定的上下、左右活動空間。

圖1 船-岸棧橋連接示意

與該船對接的碼頭建造于30年前，棧橋長度僅為22.86 m，且受各方限制無法加長。與我國航行于煙臺-大連間的煙大火車渡船對應的棧橋長度82.5 m相比[2]，顯得非常短，且更靠近碼頭。使得碼頭水深對船舶吃水的制約更大，增加了該船設計的難度。

棧橋坡度有極限值，最大為+35‰，最小為-30‰[3]。因此，棧橋的垂向活動空間不能過大，由于碼頭棧橋長度僅22.86 m，棧橋的垂直方向活動空間允許范圍為：上限800 mm、下限-685 mm。

1.2 水文條件

根據當地發布的水文條件信息，碼頭棧橋處的水深情況見表1。

表1 棧橋處不同潮位水深表 m

船舶裝卸貨的時候，需要根據碼頭的潮位水深情況調節自身吃水，使火車車輛甲板面能在棧橋的允許連接高度差范圍(900 mm)內有效與棧橋連接，同時還要考慮船舶與碼頭底部的間隙，避免船底碰到碼頭泥底。

1.3 不同潮位下的船舶吃水限制

由于棧橋垂向的活動空間有限，且船舶在裝卸貨時需保持一定的水平狀態，船舶吃水必須同時考慮棧橋活動空間、首尾傾程度、潮位等因素。棧橋的活動空間、船舶的水深、傾斜幅度等信息見表2，根據這些信息綜合考慮船舶的吃水限制。

表2 棧橋活動空間與首尾傾情況

為使船舶能在安全、可靠的前提下進行裝卸貨作業，需對船舶尾部吃水進行限值，因此引入潮位和暗涌的影響，具體見表3。

表3 不同潮位時的吃水要求 m

在保證船舶不觸底、棧橋活動范圍適當的前提下，不同潮位船舶尾封板處的允許吃水范圍明顯不同：春季高潮位時，吃水不得小于7.14 m；春季低潮位及涌時，吃水不得大于6.4 m。這些均成為船舶進行安全可靠裝卸貨作業的重要前提條件。

2 裝卸貨工況介紹

2.1 裝卸貨順序

對于起始使用棧橋號沒有約束，主甲板和上甲板的任一棧橋都可以最先開始裝卸貨。但一旦起始棧橋投入使用后，為使船舶的浮態變化不會太大、穩性維持在安全范圍內，對后續啟用哪一個棧橋需要進行約束，約束方法根據甲板上車輛分布而定。

上甲板78個車輛位置在各軌道上的分布見表4。為維持平穩，左右舷的車輛上下數量應接近，一舷有車輛上下后，不能馬上在同一舷繼續進行車輛上下，需要在另一舷相對應的位置進行車輛上下。比如，假設經#1棧橋將1～3軌道上的21輛火車卸到了碼頭，重新調整船舶到可卸貨狀態后，接下來要卸#6棧橋對應的8～10軌道上的21輛火車。棧橋、軌道間的對應關系見表5。

表4 上甲板車輛(78)分布示意

表5 上甲板火車軌道與棧橋編號對應關系

主甲板58個車輛位置分布示意及上下對應關系示意詳見表6和表7。

表6 主甲板車輛(58)分布示意

表7 主甲板火車軌道與棧橋編號對應關系

2.2 壓載到港時裝卸貨工況

壓載到港裝載工況有3對邊壓載水艙和1個中壓載水艙注滿水，此時船舶首吃水為4.401 m，尾吃水為5.201 m，橫傾角為0.1°。從圖2潮位、船舶主甲板，以及碼頭棧橋的相對位置可知，壓載到港尾吃水過小，如圖中陰影部分所示，在任何潮位狀態下均無法使棧橋與船舶軌道安全連接，需要往壓載艙注入壓載水，使船舶尾吃水達到允許的位置。比如平均低位水線(MLW)正常潮位時，船舶主甲板與棧橋的高差大于0.75 m(棧橋活動的上極限)，這時需要先往船上注入壓載水，將吃水提高到6.35 m以上，使棧橋與船舶軌道能安全連接后，才能進行裝貨作業。其他潮位時，采取類似調整措施。

圖2 壓載到港工況不同潮位時尾部吃水與主甲板相對高度

2.3 滿載出港時裝卸貨工況

滿載出港裝載工況有2對邊壓載水艙注滿水，此時船舶首吃水6.896 m，尾吃水6.907 m，橫傾角為0.0°。從圖3潮位、船舶主甲板，以及碼頭棧橋的相對位置可知，平均低位水線(MLW)正常潮位和春季低潮位時，船舶主甲板與棧橋的高差均小于0.75 m(棧橋活動的上極限)，因此棧橋與船舶軌道能安全連接，可以進行卸貨作業。但如圖中陰影部分所示，在春季高潮位時，船舶主甲板與棧橋的高差大于0.75 m(棧橋活動的上極限)，因此須先往船上注入壓載水，將吃水提高到7.14 m；春季低潮位及涌時，船舶主甲板與棧橋的高差小于-0.15 m(棧橋活動的下極限)，因此須往船外排出壓載水，使尾部吃水降到6.40 m以下。通過采取上述措施，確保棧橋與船舶軌道能安全連接，才能進行卸貨作業。

圖3 滿載出港工況不同潮位時尾部吃水與主甲板相對高度

3 縱傾調載系統

3.1 縱傾角度限值及縱傾調載能力

火車運輸船設有2層車輛甲板，其中上甲板無遮蔽，主甲板被上甲板遮蔽。碼頭、棧橋與船舶甲板面處于同一水平面時，車輛上下比較自由。但船舶到港時不一定能做到完全水平，艏艉可能存在吃水差，即有縱傾角存在。縱傾角會影響火車的上下能力。

從船舶運營方得到信息：裝卸貨工況，最大允許艉傾值為1 m，最大允許艏傾值為0.75 m。換算成角度，則為[179.68°,180.24°]，此夾角范圍比凈空間角度范圍窄，火車通行的安全系數更高。

上甲板#1棧橋對應的#1-#3火車軌道，作為同一上船序列，共有21輛火車在20 min內進入船內，此也是同一上船序列的最大火車數。火車以相對緩慢的速度上船，且#1～#3火車軌道上火車的總重為2 310 t，本船的排水量超過30 000 t，經穩性核算，這部分軌道火車上船對船舶造成的影響為艏傾0.354 m，在最大允許值范圍內。為使后續火車能連續上船，在火車通過棧橋進入船舶的同時，船上的壓載系統需要做出及時響應，把壓載艙內的水排出舷外，使火車上船對艏傾影響通過排水進行抵消。經校核浮態，20 min內需往舷外排出約600 m3的壓載水，則所需壓載水泵的總排量為1 800 m3/h。

3.2 壓載系統

由3.1縱傾調載能力可知，壓載泵的總排量滿足1 800 m3/h即可，壓載水處理裝置的處理能力應與之相匹配。由于本船裝卸貨工況時存在大量壓載水的進出情況，根據當地港口主管機關的要求，即使是本地港口壓載水進出，也需要進行壓載水處理，以免有未經處理的壓載水留存在船上，然后被帶到另一港口，污染當地海洋環境。由于裝卸貨時間較短，壓載水在幾小時內就需要從船上排出，這就提高了對壓載水處理裝置能力的要求。

F壓載泵選用電動式離心泵，揚程35 m，船上配備2臺壓載泵，單臺泵排量為1 000 m3/h，可滿足縱傾調整對壓載泵的要求。壓載水處理裝置選用過濾器與電催化型式，處理能力達2 000 m3/h，壓載水鹽度低至0.9PSU時仍可正常運行，對壓載水在艙內的留存時間沒有要求，可滿足裝卸火車對壓載水處理的要求。壓載管系主要以滿足船舶壓載和縱傾為主，橫傾調整由防橫傾泵完成，因此采用總-支管式，1根壓載總管設于貨艙區域雙層底的空艙內，各壓載水艙分別接1路支管至總管上，由位于首部機器處所內的壓載泵和壓載水處理裝置進行注/排水。需往壓載艙內注水時，壓載泵從海水總管吸水，經壓載水處理裝置處理后駁至壓載艙；需往舷外排水時，壓載泵將水從壓載艙里抽出，經壓載水處理裝置處理后駁至舷外，壓載艙只有少量水時由壓載掃艙泵進行抽除。

4 橫傾調載系統

4.1 橫傾角度限值及橫傾調載能力

主甲板、上甲板各棧橋在船上的橫向位置見圖4。上甲板棧橋數6，左橫向跨度10 744 mm，右舷與之對稱。主甲板的棧橋數為4，左橫向跨度為10 744 mm，右橫向跨度為6 236 mm。火車上下船時，盡量使棧橋處于水平狀態，但由于火車上下必然會引起船舶左傾或右傾，需采取措施控制左傾或右傾的角度。對于火車運輸船，橫傾角一般不允許超過2°[4]。

圖4 棧橋橫向位置示意

裝卸貨時，橫傾最惡劣的工況是上甲板#1～#3或#8～#10的火車在20 min內上下。圖5為防橫傾示意，上甲板#1～#3對應的火車數量分別為5、7和9，共有21節火車上下，每節火車載重按110 t，總載重量為2 310 t，產生的橫傾力矩為27 572 t·m，根據穩性計算，此時橫傾角約為4.63°，已遠超允許極限值，火車無法正常上下，需要防橫傾系統投入工作以補償橫傾力矩，使橫傾角控制在2°以內。根據穩性計算，防橫傾系統補償3.63°橫傾角所需橫傾力矩為21 580 t·m。防橫傾艙的體積中心距船中為13 m，防橫傾泵的總排量(Q)為2 490 m3/h。

圖5 防橫傾艙示意

為更好地控制船舶橫傾狀態，裝卸貨工況時可通過防橫傾泵提前打水進行“預橫傾”，使裝卸貨作業前，做好可能橫傾量的一半補償。比如，假設左舷某軌道火車下船后會引起船舶右傾2.4°，那么提前往左舷打水，使船舶先左傾1.2°，這樣火車下船后最終形成右傾1.2°，整個卸貨期間，船舶橫傾角度在[-1.2°,1.2°]內變化，波動較小，棧橋高差始終在安全區間內。在此種情況下，裝卸貨期間，可以不啟用防橫傾系統。

前述船舶橫傾狀態控制方式是一種相對簡單、經濟的防橫傾系統，在火車運輸船中還有可能應用其他的防橫傾系統，比如我國煙大火車渡船上配備的氣泵式英特靈Intering防橫傾系統。選擇不同防橫傾系統，主要基于單列火車上下過程中的橫傾角大小。如該橫傾角超過2°，則需隨時進行橫傾調節。煙大火車渡船的初穩性高較小，單列火車上下過程中最高可導致船體發生15°以上的橫傾[4]，不但火車棧橋無法承受，對渡船本身也是十分危險，采取“預橫傾”方式無法保持安全的橫傾狀態，必須采取快速、高效的防橫傾系統。而本船的初穩性高特別大，單列火車上下過程引起的橫傾角在2°以內，所以采取“預橫傾”方式即可保持安全的橫傾狀態。

4.2 防橫傾泵及管系

由4.1橫傾調載能力可知，防橫傾泵的總排量滿足2 490 m3/h即可。考慮到防橫傾系統對于裝卸貨的重要性，設置2臺電動式離心泵，單臺泵排量為1 250 m3/h，揚程12 m，泵的管系相互獨立，使系統具有一定的冗余，即使單個防橫傾泵出現故障時，防橫傾系統仍具有50%的防橫傾能力，使裝卸貨作業得以繼續進行。泵及管系布置見圖6。

圖6 防橫傾管系

4.3 防橫傾系統的響應及報警

由4.1可知，橫傾角度極限值為2°，此時系統發出橫傾角過大報警，應停止裝卸貨作業，以免發生危險。在橫傾角過大報警前，預設防橫傾系統的響應橫傾角，比如2°或更小，防橫傾泵自動啟動，使橫傾及早得到控制。

該船設有一對防橫傾水艙(NO.4壓載水艙)，初始裝55%淡水，考慮到泵正常工作需要一定的液位，艙內水不會被完全抽空，故防橫傾水艙不設高位報警。而為保護泵，另設2個低液位開關對系統進行停泵控制。

防橫傾系統具有自動、手動和預橫傾3種工作模式，其中預橫傾模式主要為方便船員在作業時調載。

5 結論

1)縱傾調載系統能力需控制火車裝卸全過程艏傾不大于0.24°，艉傾不大于0.32°。

2)橫傾調載系統能力需控制火車裝卸全過程船舶橫傾角度不大于2°。

3)適當提高火車運輸船初穩性高，有利于縱橫傾系統設計。