大開口型散貨船運(yùn)木功能設(shè)計要點(diǎn)分析

(南洋船舶工程有限公司，廣東 江門 529145)

配備運(yùn)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(yōu)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(tǒng)及配套設(shè)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(nèi)裝載木材，即使將貨艙裝滿，一般其運(yùn)貨載重總量也遠(yuǎn)小于船舶的允許載重噸，如運(yùn)營中長期這樣裝載，船舶的經(jīng)濟(jì)性就會大幅降低。所以為了提高運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性并結(jié)合木材不怕水浸的特點(diǎn)，通常考慮在甲板面及貨艙艙口蓋以上的露天區(qū)域也裝載木材。

1 散貨船運(yùn)木功能的特點(diǎn)與布置

無論是普通型還是大開口型散貨船，在實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)木功能時為了保證露天區(qū)域木材運(yùn)輸過程中的安全，都需要配備可靠的木材綁扎系統(tǒng)和配套設(shè)施。木材綁扎系統(tǒng)一般包括：固定立柱與支架、可倒(活動)立柱與底座轉(zhuǎn)動裝置、綁扎眼環(huán)(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(tǒng)的船舶側(cè)視圖

1.1 固定立柱與支架

為保證整個木材綁扎系統(tǒng)具備足夠的強(qiáng)度，一般在上甲板上相鄰的兩個貨艙之間區(qū)域設(shè)置固定立柱與支架，固定立柱與支架的底部及內(nèi)側(cè)與船體結(jié)構(gòu)牢固焊接，在受力計算時，固定立柱的強(qiáng)度需要進(jìn)行嚴(yán)格的校核。

1.2 可倒立柱與底座轉(zhuǎn)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(nèi)安裝可以放倒的可倒立柱，其通過轉(zhuǎn)動裝置與焊接在甲板上的底座相連接。在露天區(qū)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(huán)來將可倒立柱縱向依次放倒靠在固定立柱上，此狀態(tài)下不會影響普通貨物的裝卸。當(dāng)需要在露天區(qū)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(tǒng)從側(cè)面來支撐露天區(qū)域裝載的木材。

1.3 綁扎眼環(huán)

綁扎眼環(huán)一般布置在固定立柱與可倒立柱朝向船中心線一側(cè)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(huán)應(yīng)有與綁扎索匹配的強(qiáng)度。

1.4 綁扎索與收緊裝置

為了防止貨物在運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)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?qū)⒀b載在露天區(qū)域一定高度的木材貨進(jìn)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(huán)等固點(diǎn)上。一般綁扎索的設(shè)置方式應(yīng)盡可能使其沿露天區(qū)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(zhuǎn)動裝置、綁扎眼環(huán)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(tǒng)的各個組成部分需配合使用，見圖3。

圖2 綁扎系統(tǒng)局部虛擬布置

圖3 綁扎系統(tǒng)配合使用示意

2 綁扎系統(tǒng)設(shè)計重點(diǎn)

大開口型散貨船較傳統(tǒng)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(nèi)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(dú)特的設(shè)計就為貨艙內(nèi)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(jìn)行比較，認(rèn)為在大開口型散貨船木材綁扎系統(tǒng)設(shè)計上需要特別注意綁扎系統(tǒng)的強(qiáng)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(hù)。

2.1 綁扎系統(tǒng)的強(qiáng)度

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

目前，《2011年TDC規(guī)則》在IMO層面是非強(qiáng)制實(shí)施[2]，不同船級社在審圖時是否按此規(guī)則執(zhí)行也不盡相同，但鑒于運(yùn)木船的安全問題越來越引起行業(yè)內(nèi)的重視，全面強(qiáng)制實(shí)施的時間應(yīng)該不會太遠(yuǎn)。這就要求船廠、船東及設(shè)計單位應(yīng)盡早做好應(yīng)對準(zhǔn)備。

在《2011年TDC規(guī)則》中，對于立柱的設(shè)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(xiàng)。根據(jù)規(guī)則，如采用了頂部覆蓋式綁索(top-over lashings)，彎曲強(qiáng)度要求可減少12%。

(2)

(3)

相應(yīng)的立柱剖面模數(shù)按下列公式計算。

(4)

式中：

Mbending——立柱設(shè)計彎矩，kN·m；

H——甲板貨高度，m；

B——甲板貨寬度，m；

k——系數(shù)，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(shù)量；

g0——重力加速度9.81 m/s2；

m——系固甲板貨或甲板貨段的質(zhì)量，t，包括吸收水分和可能結(jié)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(dú)使用丙泊酚麻醉是無痛人流術(shù)出現(xiàn)性幻覺的誘發(fā)因素[3-5]，有較高的性幻覺發(fā)生率，有報道其發(fā)生率高達(dá)10.6%[4，5]。舒芬太尼作為強(qiáng)效阿片類鎮(zhèn)痛藥，鎮(zhèn)痛效果強(qiáng)、呼吸抑制輕，正好彌補(bǔ)丙泊酚鎮(zhèn)痛不足，加強(qiáng)麻醉效果。

μstatic——木材甲板貨和船舶甲板/艙口蓋靜態(tài)摩擦系數(shù);

pw——風(fēng)壓，kN，基于每m2受風(fēng)面積1 kN，見CSS規(guī)則附件13；

ps——無法避免的海浪晃動壓力，kN，見CSS規(guī)則附件13；

σb= 所選用鋼材的極限強(qiáng)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(shù)W，然后能夠結(jié)合所選立柱材質(zhì)的材料力學(xué)性能來確定立柱的數(shù)量、規(guī)格和外形尺寸等，而立柱數(shù)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(diǎn)，對上述公式進(jìn)行反復(fù)取值計算并與《2011年TDC規(guī)則》中的計算樣例進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

在目前絕大多數(shù)的運(yùn)營船舶實(shí)際裝載及船東實(shí)際意向裝載狀態(tài)下，式(3)的計算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于式(2)的計算結(jié)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(jù)CSS規(guī)則結(jié)合船舶資料來確定。在式(3)各項(xiàng)參數(shù)中，對結(jié)果影響最大的就剩N和μstatic，增加參數(shù)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(shù)量，但這種方法對船廠與船東來講均不愿意接受；而參數(shù)μstatic的取值方法在《2011年TDC規(guī)則》中并未明確給出，所以如果能夠通過合理方法使參數(shù)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(shù)μstatic的取值就由《2011年TDC規(guī)則》英文原稿對應(yīng)示例中的0.35修正為0.50，從而使在滿足規(guī)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(qiáng)度的材質(zhì)也是滿足規(guī)則要求及減小立柱尺寸與自重可行的方法。根據(jù)式(4)，極限抗拉強(qiáng)度越大，則立柱剖面模數(shù)的要求就越小。按此原理，綜合考慮強(qiáng)度與韌性的情況下，建議立柱材質(zhì)可選取極限抗拉強(qiáng)度σb為470～630 MPa的優(yōu)質(zhì)碳素鋼Q345，其較普通碳素鋼Q235的極限抗拉強(qiáng)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(shù)的要求也將下降約20%，立柱的尺寸與自重也會相應(yīng)減小。

用以上計算公式對多型運(yùn)木散貨船實(shí)船上的立柱強(qiáng)度的進(jìn)行復(fù)核比較，發(fā)現(xiàn)《2011年TDC規(guī)則》在對立柱強(qiáng)度的要求較以往更加明確和嚴(yán)格，目前絕大多數(shù)實(shí)船均不能滿足該規(guī)則的要求(注：IMO規(guī)定按原規(guī)則審批的現(xiàn)有《貨物系固手冊》可保持有效)，所以部分實(shí)船使用者反饋的木材立柱出現(xiàn)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(yīng)的安全通道與各類設(shè)備的操作維修空間也是大開口木材船較難以滿足各項(xiàng)要求的重要難點(diǎn)問題，根據(jù)實(shí)際設(shè)計經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有以下幾點(diǎn)。

1)在航行期間船員到達(dá)可能進(jìn)入需要工作的其它處所所需安全通道的設(shè)置。

2)貨艙艙口蓋的液壓開關(guān)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(dá)上甲板首部纜樁及導(dǎo)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(yù)留空間。

2.3 甲板面的綜合布置及舾裝件的保護(hù)

由于貨艙大開口造成上甲板寬度的減小，同時還要預(yù)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(huán)、各類管路、人孔蓋與小艙蓋、透氣管頭、消防救生設(shè)備等各類舾裝件均需要進(jìn)行有效的綜合協(xié)調(diào)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(shè)計初期就應(yīng)該充分考慮的問題。歸納設(shè)計中容易出現(xiàn)失誤的重點(diǎn)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(xì)設(shè)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(shè)備等常規(guī)必備的舾裝件需要布置在非裝載木材區(qū)域且注意對這些設(shè)備提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

3)貨艙機(jī)械通風(fēng)(如有)進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的布置及可移動木材綁扎系固設(shè)備的存放與保管。

4)舷墻與木材立柱及甲板面綁扎眼環(huán)的合理協(xié)調(diào)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(hù)防止首部上浪的破壞。

6)艏樓后部需有足夠強(qiáng)度的保護(hù)欄桿保護(hù)艏樓甲板上的舾裝件。

3 結(jié)論

1)關(guān)于綁扎系統(tǒng)的強(qiáng)度問題，《2011年TDC規(guī)則》雖然未進(jìn)入完全強(qiáng)制實(shí)施的階段，但設(shè)計者在設(shè)計時仍需要考慮對綁扎立柱進(jìn)行合理的布置并選取合適的規(guī)格參數(shù)并建議為滿足該規(guī)則而預(yù)留一定的強(qiáng)度裕度，避免在日后的使用中出現(xiàn)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(xiàng)重點(diǎn)，需要設(shè)計者全面考慮規(guī)范及使用者的具體要求；

3)各類常規(guī)舾裝件在甲板面上的綜合協(xié)調(diào)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(shè)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(yùn)輸船的安全實(shí)用規(guī)則(2011 TDC CODE)[S].IMO,2011.

[2] 中國船級社.國內(nèi)航運(yùn)海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)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(yùn)木船木材綁扎系統(tǒng)的設(shè)計[J].船舶設(shè)計通訊,2012(2):14-17.