平板駁船滾動裝卸重大件貨物方案設(shè)計

,,

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

利用駁船進(jìn)行滾裝裝卸重大件貨物時，駁船的系泊、穩(wěn)性、強(qiáng)度以及壓載水調(diào)整等問題均是整個裝卸過程的關(guān)鍵，國內(nèi)已有學(xué)者為此開發(fā)了單船適用的計算機(jī)輔助控制系統(tǒng)[1-2]，但尚未就這些系統(tǒng)對不同貨種和船型的適用性開展研究。因此，如何根據(jù)貨物、車輛、駁船、碼頭,以及潮汐等各方面的實際情況，合理地制定裝卸計劃，使操作原理和方法簡潔易懂，且保證各項指標(biāo)滿足規(guī)范的要求則顯得尤為重要。本文給出了較為簡潔易懂的駁船滾裝原理和方法，并通過實際案例驗證方法的有效性。

1 基本原理

1.1 潮汐計算

根據(jù)潮汐理論，潮高計算方法如下[3]。

(1)

(2)

式中：h為任意時刻潮高；hL為低潮潮高；hH為高潮潮高；θ= (t·180°)/T，為漲潮某時刻距離低潮的相位角；θ′= (t′·180°)/T′，為落潮某時刻距離高潮的相位角；T和T′分別是漲潮和落潮周期；t和t′分別為漲潮和落潮的時間段(通常以分鐘數(shù)表示)。

1.2 吃水計算

在滾動裝卸貨時，駁船艉部應(yīng)始終與碼頭平面保持平齊，才能保證平板車順利上下船。因此，根據(jù)碼頭高度和實際水深確定干舷大小，進(jìn)而確定船舶吃水。我國陸基高程采用“1985國家高程基準(zhǔn)”，與海圖深度基準(zhǔn)有一定的面差，計算時應(yīng)給予考慮。潮高和船舶吃水的關(guān)系見圖1計算如下。

d=D-(H+A-h)

(3)

式中：d為船舶吃水；D為船舶型深；H為碼頭高度；A為海圖基準(zhǔn)面和1 985高程基準(zhǔn)面的面差。

目前，駁船滾動裝卸貨物采用的平板車通常為重型液壓平板車(self-propelled modular trailers，SPMT)。為滿足工程需求，重型平板車均配有自動調(diào)平控制系統(tǒng)，以應(yīng)對陸路運(yùn)輸時由于路面坡度、轉(zhuǎn)彎、剎車、風(fēng)載、路面不平等原因?qū)π熊嚢踩斐傻碾[患[4]。在進(jìn)行駁船滾動裝卸時，由于潮汐和貨物裝卸原因，駁船甲板面會與碼頭平面產(chǎn)生高度差，盡管重型平板車配有自動調(diào)平控制系統(tǒng)，但為保證安全，應(yīng)盡量將駁船與碼頭的高度差縮至最小[5]。在滾裝實踐中，通常將兩個面的高度差控制在5 cm以內(nèi)[6]。

1.3 淺水限制

在某些小型港口，碼頭水深不足，對駁船大小和載貨重量都會產(chǎn)生限制，在進(jìn)行裝貨作業(yè)時，需留有足夠的富余水深，以保證完貨后能順利開航。

Dw+h-dm>UKC

(4)

式中：Dw為海圖水深；dm為平均吃水；UKC為富余水深。

2 裝卸方式計算

2.1 前后調(diào)整壓載水控制貨物裝卸

駁船系固后，船舶甲板的高度會隨著潮水的漲落而發(fā)生周期性變化。貨物滾裝上船后，駁船艉部吃水會明顯增加，導(dǎo)致艉部會低于碼頭平面，需將壓載水從艉部調(diào)整到艏部才能保持駁船艉部始終與碼頭平齊。如在這期間潮水上漲，則可以減少壓載水的調(diào)整量，有利于裝貨。所以，若想在裝卸貨期間利用潮水，則可選擇在漲潮時進(jìn)行裝貨、落潮時進(jìn)行卸貨。

以壓載水前后調(diào)整來控制船舶艉部吃水是目前大多數(shù)駁船操作中采用的裝卸方式，對于碼頭水深充足、碼頭高程適中的港口均適用。

2.1.1 滾裝計算

當(dāng)貨物滾裝上船后，裝貨和潮水均會引起船舶吃水變化。第二軸貨物上船時，第一軸貨物整體向前平移，第二軸貨物填補(bǔ)第一軸的位置。由于貨物組每軸重量和軸距是均勻分布的，這相當(dāng)向距船尾第二個軸距的位置裝載了一軸貨物，而已上船的貨物位置沒變；第三軸貨物上船，相對于向距船尾第三個軸距的位置裝載了一軸貨物，依此類推。根據(jù)船舶相關(guān)原理[7]，則有

(5)

(6)

式中:dAi為第i軸貨物滾裝上船后的艉吃水；di為裝貨前艉部吃水初始值，由式(3)求得；pi為第i軸貨物重量，通常為均值，裝貨為正；xpi為pi與船中距離；L為船長；xfi為第i軸貨物上船時船舶漂心坐標(biāo)；TPCi為第i軸貨物上船時每厘米吃水噸數(shù)；MTCi為第i軸貨物上船時每厘米縱傾力矩；a為平板車軸距。

在裝載第i軸貨物期間，潮水會發(fā)生變化，為順利裝載第i+1軸貨物，保證船舶艉部始終與碼頭保持平齊，由式(3)可知，需將艉部吃水調(diào)整為第i+1軸貨物上船初始時刻所對應(yīng)的吃水，則

(7)

(8)

(9)

(10)

滾動裝貨時，可將駁船按照預(yù)定的方案加好壓載水，提前將艉部吃水調(diào)整到預(yù)定值，待潮水上漲至尾部與碼頭平齊后，便可以開始裝貨。

通常，成套的工程設(shè)備需要多個重型平板車分批次滾裝上船，第一批貨物整體上船后，需要縱向調(diào)整位置，以給后續(xù)貨物留足上船空間。縱向調(diào)整貨物，按下式計算艏艉吃水：

(11)

(12)

(13)

式中：δt為貨物整體移動引起的吃水差變化量；XP1和XP0分別為貨物移動前后距船中距離；PC為貨物整體重量；df0和df1分別為貨物移動前后的艏吃水；da0和da1分別為貨物移動前后的艉吃水。

2.1.2 滾卸計算

滾卸計算與滾裝計算原理相似，但略有不同。首先，艉吃水要求不同。需將漲潮時所要求達(dá)到的艉吃水值換成落潮時所要求的艉吃水值。其次，卸貨與裝貨的位置不同。通常，進(jìn)行滾裝卸貨之前需將貨物整體移動至船艉，以第一軸貨物與船艉平齊為初始狀態(tài)。第一軸下船會帶動后續(xù)所有貨物整體向船艉移動一個軸距，最后一軸空間空出，這相當(dāng)于從距船艉最后一個軸距的位置卸載了一軸貨物，而其余貨物位置沒變；第二軸貨物下船，相當(dāng)于從距船艉倒數(shù)第二個軸距的位置卸載了一軸貨物，依此類推。則式(5)中pi應(yīng)為卸載貨物總重，取負(fù)值；卸貨位置為

(14)

除了上述區(qū)別之外，其他計算與式(7)～(10)相同。相應(yīng)準(zhǔn)備工作也相似，將駁船壓載水布置好后，艉部可略高于碼頭，待潮水降到艉部與碼頭平齊后，便開始卸貨。

2.2 打排壓載水控制貨物裝卸

當(dāng)碼頭水深不足，或碼頭高程較大，或兩者兼有之時，以打排壓載水控制裝卸貨，可以保證船舶整體吃水相對穩(wěn)定。這則要求，貨物裝卸需在潮水水位較高、變化率較小時進(jìn)行的，所以在工程實踐中，往往利用相對平穩(wěn)的高潮時段進(jìn)行貨物裝卸。

2.2.1 滾裝計算

進(jìn)行滾動裝貨時，在進(jìn)行壓載水調(diào)整之前的步驟與式(5)～(8)相同，壓載水調(diào)整由下式進(jìn)行計算。

(15)

以這種方式進(jìn)行滾動裝貨時，雖然各項準(zhǔn)備工作與之前相同，但應(yīng)該對潮水的高潮時段有較好的把握，若載水可調(diào)整的空間較小，且高潮時段過去后仍未完成貨物裝卸，可能會引起較大的危險。另外，這種裝貨方式相當(dāng)于在船舶重心減少重量、重心之上增加重量，與其他方式相比，這種裝貨方式對船舶穩(wěn)性影響較大，如果貨物組整體重心較高，應(yīng)該對穩(wěn)性問題給予充分考慮，保證安全。

2.2.2 滾卸計算

由于滾裝和滾卸均是在高潮時段進(jìn)行的，所以相關(guān)計算原理與準(zhǔn)備工作與上述相同。

2.3 僅依靠潮水進(jìn)行貨物裝卸

僅依靠潮水進(jìn)行滾動裝卸貨物具有裝卸貨時間較長、對潮汐精度要求較高、可控因素較少、駁船噸位相對較大等特點，在工程實踐中應(yīng)用較少，可用作上述裝卸方式的備用方案或應(yīng)急方案。計算原理較為簡單，由式(5)和(6)(或(5)和(14))計算出每一軸貨物上船(或下船)所對應(yīng)的艉吃水，再根據(jù)式(3)，由計算出的艉吃水值求出該軸貨物上船(或下船)的時間，直至全部貨物上船(或下船)。

國內(nèi)一些港口就采用此方法進(jìn)行滾動裝卸，“潮水漲一點，車輛滾一點”，有些甚至尚未提前制定完備的裝卸貨方案，這是有一定風(fēng)險的，因為采用此種方法裝卸貨，至少還需滿足如下條件。

1)潮差足夠大。足夠大的潮差才能將貨物裝載產(chǎn)生的艉部吃水變化量抵消，因此，對于某些中小型港口采用滾裝方式裝卸重大件貨物時，存在等候大潮的情況。

(16)

式中：PC為整個滾裝貨物組總重；XC為整個滾裝貨物組上船后距離船中的坐標(biāo)；xf為整個滾裝貨物組上船前后船舶漂心坐標(biāo)的平均值；TPC為整個滾裝貨物組上船前后每厘米吃水噸數(shù)的平均值；MTC為整個滾裝貨物組上船前后每厘米縱傾力矩的平均值。

2)潮汐周期足夠長。潮汐周期足夠長，裝卸貨時間充足，漲潮和落潮的速度也相對平緩，整個滾裝貨物組才能一軸一軸地緩慢滾動上船，操作人員也有較充分的時間做好各項準(zhǔn)備工作。

3)單軸重量不會使得駁船上下浮動超限值。由于有要求在裝卸貨期間，碼頭與駁船艉部上下浮動不超過5 cm，這對滾裝貨物組單軸貨物重量產(chǎn)生了限值，最多從高于碼頭5 cm裝至低于碼頭5 cm。因此，要求在選擇駁船時，需選擇滿載TPC值較大的船舶。

dAi-dAi-1<0.10

(17)

4)吃水差不超過限額。限于某些港口規(guī)范要求，貨物裝卸貨期間，船舶吃水差不應(yīng)超過限值，從而對貨物重量有了限定。為了裝運(yùn)較重的貨物，則需租賃更大的駁船。再者，在進(jìn)行滾動裝貨時，船舶吃水差增加較大，滾裝貨物和船舶整體在縱傾條件下離岸力會增加，應(yīng)注意縱傾對船舶系泊力的影響[8]。

(18)

式中：|tlimit|為港口對裝卸貨期間吃水差的限值。

3 運(yùn)輸案例

3.1 基本參數(shù)

天津港某日潮汐數(shù)據(jù)、碼頭和貨物數(shù)據(jù)、駁船相關(guān)參數(shù)分別見表1～3。駁船壓載艙布置見圖2。

表1 天津港某日潮汐數(shù)據(jù)

表2 碼頭及貨物數(shù)據(jù)

表3 駁船參數(shù)

3.2 初始載況

駁船進(jìn)行良好系固后，貨物將從船舶艉部沿著中線滾裝上船。由于碼頭的富余水深充足，為保證裝貨效率和安全性，采用前后調(diào)整壓載水的方式來控制貨物裝卸。根據(jù)貨物、碼頭和駁船的實際情況，將駁船的第1、第4和第7左右邊壓載艙加壓載水，其余各壓載艙空置備用。壓載水布置和初始載況各項參數(shù)分別見表4和表5。

表4 初始壓載水布置情況

表5 初始載況各項參數(shù)

3.3 裝貨方案

計算得到，7:26-8:28期間潮高和要求的尾吃水值見表6。該港在裝貨當(dāng)天早07:26分時，潮高是2.158 m，要求的艉吃水是1.658 m，與船舶初始載況對應(yīng)的艉部吃水僅差1 mm，可選定為第一軸開始上船的時刻。為了避免滾裝貨物組上船時速度過大帶來的問題，選擇以4 min的時間間隔作為每軸上船的時間，即每4 min向前移動1.55 m。

表6 裝貨期間潮高數(shù)據(jù)

為計算每軸貨物上船時壓載水的調(diào)整量，每次將壓載水從第7邊壓載艙調(diào)整至第1邊壓載艙或第1中部壓載艙，則式(9)中l(wèi)wi=64.965 m。由于船舶橫傾對安全操作影響較大，滾裝貨物組從船舶尾部沿著甲板中線平行滾裝上船的同時，每次調(diào)整壓載水時，選擇左右舷均衡操作，即將第7壓載艙和第1壓載艙左右舷的排水管系同時開通，嚴(yán)格避免出現(xiàn)橫傾。根據(jù)上述內(nèi)容，裝貨方案如表7所示。另外，根據(jù)計算結(jié)果，在整個裝貨過程中的船舶穩(wěn)性、總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度均滿足要求。利用上述方法，駁船裝載完該組貨物后，第二天又順利完成了第二批貨物的滾裝作業(yè)。

表7 滾動裝貨方案

4 相關(guān)建議

1)如實際條件允許，盡量用壓載水控制船舶的浮態(tài)，這樣較容易控制且裝卸貨效率高。

2)對于某些潮差比較大的港口，謹(jǐn)慎選擇裝卸貨時間段，盡量選擇在白天進(jìn)行作業(yè)，且保證裝卸貨的過程是可控的。

3)選擇合適的天氣和海況進(jìn)行裝卸作業(yè)，風(fēng)力一般不大于5級，輕浪或微浪[1]。

4)對于重量較大的滾裝貨物組，應(yīng)保證碼頭和過橋梁的強(qiáng)度。注意裝卸過程中波浪對過橋梁坡度和平板車的影響。建議將絞纜機(jī)開啟，以便維持駁船與碼頭的相對位置[9]。

5)本文所提及的裝貨方法是縱向滾裝，即滾裝貨物組從駁船艉部沿著中線左右舷對稱滾裝上下船，壓載水調(diào)整也是左右舷對稱調(diào)整，是目前較為通用的做法。當(dāng)限于港口條件等原因進(jìn)行不對稱滾動裝卸，或者當(dāng)進(jìn)行橫向滾裝時，建議根據(jù)滾裝貨物組所允許的最大道路坡度來設(shè)定所允許的船舶縱傾和橫傾值，并依次計算壓載水的調(diào)整方案。因為，在進(jìn)行重大件貨物陸路運(yùn)輸規(guī)劃時，為保證車輛牽引力和制動力的有效性，需要對重型平板車的貨物組所允許的最大道路坡度進(jìn)行詳細(xì)計算[10-11]。通常，重型液壓平板車所允許的最大道路坡度與驅(qū)動輪個數(shù)，貨物組質(zhì)量和路面滾動摩擦系數(shù)(對于船舶而言通常為定值)有關(guān)，貨物組質(zhì)量小、驅(qū)動輪個數(shù)越多，所允許的最大道路坡度越大[12]。如果裝船的貨物組的質(zhì)量較大、驅(qū)動輪個數(shù)較少，則所允許的船舶傾斜值較小，制訂裝卸計劃時，需要額外注意，需多次調(diào)整壓載水。

[1] 葛圣彥.重大件貨物滾裝裝船技術(shù)研究[D].大連：大連海事大學(xué),2008.

[2] 肖建英.甲板駁船滾裝大型貨物壓載水調(diào)節(jié)與擱淺計算[J].大連海事大學(xué)學(xué)報,2009(2):23-27.

[3] 郭禹,張吉平,戴冉.航海學(xué)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2014.

[4] 楊宇靜.重型平板車自動調(diào)平控制系統(tǒng)的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué), 2015.

[5] DNV-GL. Marine operations and marine warranty(DNVGL-ST-N001)[S]. Oslo: DNV-GL. 2016-06-10.5.3.14

[6] 朱夢來.裝船機(jī)在整機(jī)滾裝過程中安全性穩(wěn)定性分析[D].天津：天津大學(xué),2012.

[7] 杜嘉立,姜華.船舶原理[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2011:77.

[8] 肖建英.甲板駁船自由浮態(tài)滾裝大型貨物研究[J].中國航海，2009(2):50-53.

[9] DNV-GL. Transport and installation of wind power plants[S]. Oslo: DNV-GL, 2017:22-23.

[10] 吳麗麗.重大件公路運(yùn)輸若干問題的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2007.

[11] 張輝輝.公路橋梁大件運(yùn)輸關(guān)鍵問題研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2011.

[12] 樊巍巍,王曉云.基于動力性及制動性對SPMT液壓平板車重載運(yùn)輸時道路極限坡度的研究[J].起重運(yùn)輸機(jī),2016(1):61-64.