多用途船艙內(nèi)集裝箱系固方式選型研究

黎 峰，周 亮

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

貨艙內(nèi)可裝載集裝箱的多用途船目前常用橫向拉壓支撐作為艙內(nèi)集裝箱的系固方式。這種系固方式由橫向拉壓元件、橫向連接件（如雙錐、橋接器）和嵌入安裝在縱艙壁上的拉壓元件底座等裝置組成。其基本原理是，使用橫向連接件將艙內(nèi)的集裝箱左右相連，形成一個(gè)或兩個(gè)箱垛，再通過(guò)橫向拉壓元件使一層或多層集裝箱支撐在縱艙壁上，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)箱垛的橫向限位。當(dāng)船舶發(fā)生橫搖時(shí)，箱垛所承受的橫向力經(jīng)拉壓元件傳遞到縱艙壁，縱艙壁則通過(guò)拉壓元件為箱垛提供支撐力（拉力或壓力），減小集裝箱的橫向扭變力和箱角處的垂向力[1]，安全系固集裝箱。

對(duì)多用途船而言，艙內(nèi)采用這種方式可以保證較大的集裝箱堆重，還可以使貨艙空間在長(zhǎng)度方向上不受其他固定式系固設(shè)施（如導(dǎo)軌）的限制，貨艙縱、橫艙壁表面無(wú)多余突出物，便于船舶裝載特種大長(zhǎng)件、工程車輛、包裝雜貨、散貨等類型多樣的貨物，因而應(yīng)用十分廣泛。隨著國(guó)內(nèi)航線上大中型多用途船的貨物類型越來(lái)越多地向單一集裝箱收窄，這一系固方式表現(xiàn)出不適合國(guó)內(nèi)集裝箱航運(yùn)的一些問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)航行船舶的集裝箱裝載特點(diǎn)

集裝箱裝卸頻繁和集裝箱重量偏重決定了國(guó)內(nèi)航行船舶在裝載集裝箱時(shí)，既要保證大堆重裝載集裝箱的安全，又必須具備高的裝卸貨效率。就國(guó)內(nèi)航行多用途船而言，如果該船的貨物類型以集裝箱為主，但艙內(nèi)集裝箱的系固方式仍采用橫向拉壓支撐的型式，那么很難兼顧安全性和高的裝卸貨效率。因此有必要對(duì)國(guó)內(nèi)航行多用途船艙內(nèi)集裝箱的系固方式選型作深入探討。

2 可供選擇的系固方式對(duì)比分析

在采用現(xiàn)有成熟的且經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可的集裝箱系固產(chǎn)品（包括固定件和活動(dòng)件）的前提下，下述系固方案可供探究：

方案一：橫向拉壓支撐。

方案二：橫向壓力支撐?？v艙壁和箱垛之間僅使用壓力元件支撐，縱艙壁對(duì)箱垛的支撐力僅為壓力，同一堆集裝箱僅可形成一個(gè)箱垛。

方案三：橫向端部壓力堆錐支撐[2]。活動(dòng)件均為端部壓力堆錐，且最頂層箱頂部橫向不連接。

方案四：全自動(dòng)扭鎖系固。同一列集裝箱垂向由全自動(dòng)扭鎖連接，以承受集裝箱層間的分離力，左右方向的箱列互不相連，無(wú)其他系固措施。

方案五：固定式40英尺箱格導(dǎo)軌。40英尺箱位前后設(shè)置固定式箱格導(dǎo)軌，TEU（20英尺集裝箱）縱向間隙處的縱艙壁設(shè)置邊壓力導(dǎo)軌。

現(xiàn)采用6個(gè)指標(biāo)分別評(píng)估上述5種系固方式。

2.1 TEU最大堆重

TEU最大堆重是衡量船舶的集裝箱裝載能力和系固方式性能的核心指標(biāo)。其實(shí)質(zhì)是某種系固方式在確保任一集裝箱的各項(xiàng)受力指標(biāo)不超過(guò)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)限定的許用值的情況下，允許1列TEU達(dá)到的最大總重及最合理箱重分布。以某型國(guó)內(nèi)航行多用途船為例，其垂線間長(zhǎng)Lpp=170m，型寬B=27.6m，型深D=14.2m，結(jié)構(gòu)吃水T=10.2m，結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下船舶的橫向初穩(wěn)性高GM=0.51m。選取其船中附近的1個(gè)貨艙，該貨艙可橫向裝箱9列，垂向裝箱5層。TEU的額定重量按ISO 668：1995/Amd1：2005的規(guī)定，取為30.5t，空箱重量為2.5t。

方案一至方案四的最大堆重根據(jù)CCS（中國(guó)船級(jí)社）規(guī)范進(jìn)行計(jì)算[3]。由于CCS規(guī)范沒(méi)有針對(duì)額定重量符合ISO 668：1995/Amd1：2005的集裝箱給出40英尺箱格導(dǎo)軌內(nèi)的TEU堆裝以及TEU、40英尺箱混合堆裝受力情況的處理方法；方案五最大堆重的確定參照 GL（德國(guó)勞氏船級(jí)社）規(guī)范[4]。各方式得出的TEU最大堆重及箱重分布的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 TEU最大堆重及箱重分布 單位：t

從表1可知，“方案一”可達(dá)到的TEU堆重最大，“方案四”最小。但值得注意的是，“方案一”因?yàn)橛兄瘟Φ拇嬖冢沟米饔迷诩b箱頂角件、底角件上的水平力較大，從而限制了單個(gè)集裝箱達(dá)到額定箱重。由于船東通常更看重額定箱重集裝箱的裝箱數(shù)，由表 1知，“方案五”的箱重分布較“方案一”更符合實(shí)際情況。

取GM值為 0.51m，不同GM值的取值得出堆重計(jì)算的結(jié)果是不同的。通常實(shí)船堆重計(jì)算必須考慮GM值較大的裝載工況，并提供足夠多的不同GM值狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果[5]。但由于貨艙內(nèi)的裝箱位置較低，集裝箱受力對(duì)GM值并不敏感。經(jīng)計(jì)算，在上述主尺度下，當(dāng)GM值增大到3.0m時(shí)，“方案一”、“方案二”、“方案三”的堆重在表1基礎(chǔ)上降低約2t（只降最頂層箱重），“方案四”的堆重較表1略有上升，“方案五”則基本持平。

2.2 集裝箱裝卸效率

“方案五”（40英尺箱格導(dǎo)軌）是目前集裝箱船最普遍采用的艙內(nèi)集裝箱系固方式，也是公認(rèn)的最安全高效的集裝箱系固方式，可輕而易舉地實(shí)現(xiàn)吊架導(dǎo)向、吊-箱對(duì)接和多箱聯(lián)吊，最大限度地提升港口機(jī)械的作業(yè)效率。目前國(guó)內(nèi)大型集裝箱碼頭的橋吊普遍使用雙 TEU吊具，其對(duì)全集裝箱船的理論裝卸效率可達(dá) 80TEU/橋吊/h[6]。

采用“方案四”時(shí)，所有全自動(dòng)扭鎖的安放均可在碼頭完成，且均為同一規(guī)格，無(wú)需在艙內(nèi)人工安放其他活動(dòng)件，因此也可獲得較高的效率。但是由于艙內(nèi)缺乏導(dǎo)向裝置，有可能導(dǎo)致吊-箱、箱-箱對(duì)接時(shí)需多次對(duì)準(zhǔn)，將額外耗時(shí)。

“方案三”的活動(dòng)件操作與“方案四”類似，也可全部在碼頭完成安放，但也同樣有著“方案四”缺乏導(dǎo)向的問(wèn)題。同時(shí)，“方案三”通常存在不同規(guī)格的活動(dòng)件，安放時(shí)需根據(jù)箱位進(jìn)行甄別，因此效率要略低于“方案四”。

“方案一”和“方案二”的活動(dòng)件需要工人在艙內(nèi)進(jìn)行安放，活動(dòng)件數(shù)量眾多，規(guī)格不一，重量較大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，艙內(nèi)無(wú)任何導(dǎo)向裝置，因而裝卸貨效率極低。“方案一”還需手工向縱艙壁內(nèi)的拉壓元件底座插入沉重的拉壓元件，效率更在“方案二”之下。

2.3 活動(dòng)件成本

目前全自動(dòng)扭鎖的專利仍被少數(shù)幾家系固設(shè)備公司掌握，價(jià)格昂貴，如采用“方案四”，那么將意味著極高的活動(dòng)件成本。

“方案三”所采用的端部壓力堆錐成本略低于全自動(dòng)扭鎖，但需根據(jù)集裝箱橫向間隙進(jìn)行定制，較之標(biāo)準(zhǔn)系固件，成本仍然是略高的。

“方案一”、“方案二”的主要活動(dòng)件是單錐、雙錐、拉壓元件或壓力元件，可選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，成本相對(duì)較低。“方案一”采用的拉壓元件較“方案二”采用的壓力元件的成本高。

與“方案五”配套的活動(dòng)件通常為單錐或鎖型錐。如選用在零間隙的鎖型錐，那么裝載 TEU時(shí)僅需在箱間間隙處的箱角安放活動(dòng)件，裝載 40英尺集裝箱時(shí)無(wú)需安放任何活動(dòng)件，最大限度地降低了活動(dòng)件數(shù)量，因此“方案五”的活動(dòng)件成本是最低的。

假定一個(gè)裝5層9列的集裝箱40英尺箱bay位，艙底采用埋入式箱角底座，則其裝載TEU時(shí)，各個(gè)系固方式的活動(dòng)件配置數(shù)量見(jiàn)表2?！胺桨肝濉钡幕顒?dòng)件配置種類和數(shù)量均是最少的。

表2 不同系固方式的活動(dòng)件配置量 單位：件

2.4 固定件及船體結(jié)構(gòu)成本

5種系固方案均需在內(nèi)底和艙內(nèi)平臺(tái)表面設(shè)置箱角固定件（如埋入式箱角底座）。除此以外，“方案五”的箱格導(dǎo)軌亦屬固定設(shè)施，“方案一”需在縱艙壁上設(shè)置拉壓元件底座。據(jù)估算，一艘1800TEU級(jí)的集裝箱船箱格導(dǎo)軌重量加上用于支撐箱格導(dǎo)軌的船體結(jié)構(gòu)重量約 200t；若改用“方案一”，縱艙壁拉壓元件底座及船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的重量約10t。因此“方案五”的固定件及船體結(jié)構(gòu)成本要大大高于其他方式；“方案一”次之；“方案二”和“方案三”在縱艙壁受壓處有可能需要船體結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)，成本較“方案一”略低；“方案四”在艙內(nèi)無(wú)其他支撐點(diǎn)，引起的固定件及船體結(jié)構(gòu)成本是最低的。

2.5 對(duì)集裝箱布置的要求

“方案一”、“方案二”要求同一層集裝箱前后、左右必須完全水平；且為了減少活動(dòng)件規(guī)格，要求集裝箱橫向間隙盡可能保持一致；總體設(shè)計(jì)時(shí)，需準(zhǔn)確確定艙內(nèi)集裝箱平臺(tái)的高度，亦需嚴(yán)格明確可裝載高箱的箱位?！胺桨溉睂?duì)同層集裝箱橫向水平度的要求可略微放寬。“方案四”、“方案五”對(duì)同層集裝箱橫向是否水平無(wú)要求，僅出于TEU、40英尺箱混裝的考慮，要求同一列位的兩個(gè)TEU前后相平。但采用“方案五”時(shí)需注意規(guī)范對(duì)集裝箱與導(dǎo)軌之間橫向間隙的許可范圍，由此來(lái)確定集裝箱間的最小橫向間隙；“方案四”對(duì)集裝箱橫向間隙無(wú)要求，從方便集裝箱吊放的角度考慮即可。

2.6 對(duì)其他類型貨物的兼容性

“方案一”、“方案四”均可保證貨艙縱、橫艙壁無(wú)多余突出結(jié)構(gòu)，便于裝運(yùn)其他貨物和安裝二甲板。但“方案一”所使用的嵌入式拉壓元件底座容易造成散貨在其內(nèi)部積貯，不便于清理。“方案五”由于在40英尺箱位設(shè)置了箱格導(dǎo)軌及支撐結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于隔斷了貨艙，降低了裝運(yùn)特種大長(zhǎng)件、工程車輛、普通包裝雜貨等貨物時(shí)貨艙的利用率，加大了裝載散貨時(shí)的掃艙難度，可以認(rèn)為其對(duì)其他類型貨物的兼容度是五個(gè)方案中最低的。

上述對(duì)比分析結(jié)果匯總見(jiàn)表3。表3可為國(guó)內(nèi)航行多用途船艙內(nèi)集裝箱系固方式選型提供參考。具體選型取決于船舶的運(yùn)營(yíng)策略和貨物類型。如一艘國(guó)內(nèi)航行多用途船絕大部分時(shí)間被用于裝運(yùn)大箱重集裝箱，航行國(guó)內(nèi)大型港口之間，那么“方案五”無(wú)疑是最佳的選擇。若在裝運(yùn)大箱重集裝箱的同時(shí)，仍需兼顧其他類型貨物，航行于對(duì)裝卸作業(yè)時(shí)間要求不高的中小港口之間，則仍建議采用“方案一”或“方案二”。而對(duì)以靈活多樣獲取市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，無(wú)需突出集裝箱裝載能力的多用途船來(lái)說(shuō)，“方案三”和“方案四”均屬靈便之選。

表3 對(duì)比分析結(jié)果匯總

3 實(shí) 例

28400t多用途船是一型專用于國(guó)內(nèi)沿海貨物運(yùn)輸?shù)亩嘤猛敬?。設(shè)計(jì)之初，船東提出貨物類型為集裝箱、谷物及其他干散貨，要求艙內(nèi)盡可能多地裝載額定重量為30.5t的TEU。為了兼顧集、散兩種貨物的運(yùn)輸便利，選用了橫向拉壓支撐作為艙內(nèi)集裝箱的系固方式。但是在該船建造過(guò)程中，由于市場(chǎng)變化和經(jīng)營(yíng)策略的調(diào)整，船東又提出該船將主要用于裝運(yùn)集裝箱，要求進(jìn)一步挖掘該船的集裝箱運(yùn)輸潛力?；谶@個(gè)原則，為在建船舶提出了將系固方式改為固定式40英尺箱格導(dǎo)軌的方案。主要改動(dòng)為：

1) 貨艙橫艙壁增加箱格導(dǎo)軌，導(dǎo)軌加強(qiáng)盡可能利用橫艙壁內(nèi)已有的結(jié)構(gòu)；

2) 貨艙橫艙壁以外的40英尺箱位增加導(dǎo)軌及其支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以集裝箱受力為依據(jù)，利用有限元法進(jìn)行優(yōu)化，盡可能減少新增結(jié)構(gòu)的重量以及因新增結(jié)構(gòu)對(duì)底邊艙造成油漆損壞；

3) 貨艙縱艙壁上的每個(gè)40英尺箱位中間位置增加壓力導(dǎo)軌，壓力導(dǎo)軌的加強(qiáng)盡可能利用原拉壓元件底座的加強(qiáng)。

這一改動(dòng)充分發(fā)揮了該船的重箱裝載能力，可使該船滿載狀態(tài)時(shí)，雙層底以上的三層 TEU箱位均能裝載30t以上的重箱TEU，第四層TEU單箱重量也可超過(guò)28t。TEU堆重仍保持在130t以上，與原設(shè)計(jì)接近。裝卸貨效率方面，根據(jù)船東的估算，改裝 40英尺箱格導(dǎo)軌之后，該船在其主要?？扛劭诘募b箱裝卸時(shí)間將較原設(shè)計(jì)縮短25%～30%，運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性可獲得顯著提升。艙內(nèi)系固活動(dòng)件的種類由4類11種規(guī)格統(tǒng)一為2類2種規(guī)格，大大降低了船舶裝卸貨過(guò)程中的管理難度。但是作為代價(jià)，空船重量將增加約200t，其中箱格導(dǎo)軌重約120t，支撐結(jié)構(gòu)重約80t；貨艙被隔斷，艙容利用率降低；將加大裝運(yùn)谷物等散貨時(shí)卸貨和掃艙的工作量。

4 結(jié) 語(yǔ)

集裝箱系固方式的選型直接關(guān)系到一艘集裝箱運(yùn)輸船舶的經(jīng)濟(jì)性和安全性，同時(shí)也影響到船舶的總布置，是一個(gè)需要在設(shè)計(jì)初期特別關(guān)注的問(wèn)題。在為國(guó)內(nèi)航行多用途船進(jìn)行艙內(nèi)集裝箱系固方式選型時(shí)，建議先明確船舶本身的定位，綜合考慮船東的經(jīng)營(yíng)策略、主要貨物類型、航線、港口等因素，然后再結(jié)合備選系固方式各方面性能的優(yōu)缺點(diǎn)，做出最適合于目標(biāo)船的選擇。

[1] 陳小劍. 船舶貨物布置與系固[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

[2] MacGREGOR. Cargo Lashing Systems Product Catalogue [Z]. 2009.

[3] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2009.

[4] GL. Rules & Guidelines [S]. 2012.

[5] 徐 勇. 集裝箱系固技術(shù)與發(fā)展建議[J]. 上海造船，2007，(3): 31-33.

[6] 許振超. 淺談集裝箱船裝卸效率[J]. 港口科技動(dòng)態(tài)，2005，(6): 1-2.

[7] 秦 固. 集裝箱碼頭裝卸效率計(jì)算及參數(shù)取值分析[J]. 港口裝卸，2007，(2): 36-38.