超大型集裝箱船的艙蓋設(shè)計和安裝研究

陳 捷，吳光明

(1.中遠海運集裝箱運輸有限公司，上海 200080；2.南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通226000)

0 引言

隨著集裝箱運輸?shù)陌l(fā)展，集裝箱船大型化趨勢日益明顯，超大型集裝箱船已經(jīng)成為主干航線上的主力船型。但是，超大型集裝箱船并不是簡單的從原來15 000 TEU新巴拿馬型集裝船“放大”而來的，其全新的設(shè)計、更復(fù)雜的裝載工況和變形控制都對設(shè)計人員提出了更高的要求，因此原先的設(shè)計理念和關(guān)注點都需要重新進行審視。

超大型集裝箱船主尺度(船寬方向24列堆箱)過大容易加劇船體變形，同時艙蓋上12層堆箱也會導(dǎo)致艙蓋單位面積內(nèi)受力增大。為此，本文根據(jù)20 000 TEU超大型集裝箱船艙蓋的審圖和監(jiān)造全過程，從設(shè)計初期關(guān)注要點、變形檢查、限位和導(dǎo)向布置、艙蓋附屬件設(shè)計等方面入手，重點分析其中的要點和難點，檢討利弊，總結(jié)經(jīng)驗，為同型船艙蓋的設(shè)計和安裝提供一定的參考。

1 艙蓋設(shè)計初期關(guān)注要點

1.1 堆重設(shè)計標準

20 000 TEU集裝箱船艙蓋一般為吊離式艙蓋。該船艙蓋上集裝箱設(shè)計堆重見表1。

混裝時總堆重為220 t，但規(guī)格書沒有明確6.096 m(20 ft)箱及12.192 m(40 ft)箱堆重如何分配?；煅b工況下，艙蓋結(jié)構(gòu)除了需具備足夠的強度外還需要滿足足夠的剛度要求，從而保證在裝載一定層數(shù)和堆重的20 ft箱后不至于發(fā)生較大的靜態(tài)變形，使40 ft箱能夠裝載在20 ft箱上。由于該集裝箱船兩個20 ft箱的間隙正好在艙蓋中間，因此艙蓋的剛度要求也最高。

表1 20 000 TEU集裝箱船艙蓋堆重

目前常用的校核工況有2種(均可認為是最惡劣的裝載情形)：一是40 ft箱從第4層開始裝，底部3層20 ft箱單箱最高堆重30.5 t；二是40 ft箱從第5層開始裝，底部4層20 ft箱單箱最高堆重24 t。一般會先按照以上基準工況設(shè)計艙蓋的結(jié)構(gòu)，然后再反推20 ft箱裝5層、6層等不同層數(shù)時候的最大重量，這些數(shù)據(jù)往往船東會要求船廠提供。

1.2 貨艙開口尺寸

艙蓋設(shè)計時貨艙開口尺寸非常重要，應(yīng)盡早對大梁、縱艙壁、橫艙壁板厚方向等影響因素進行確認，特別需要關(guān)注集裝箱與縱艙壁的間隙。在確定好開口尺寸后，將相關(guān)信息反饋給艙蓋制造廠家。

1.3 艙蓋定位銷及導(dǎo)向裝置的位置

根據(jù)設(shè)計慣例，該船將定位銷設(shè)置在艉部，導(dǎo)向裝置設(shè)置在艏部。定位銷的選用：由于傳統(tǒng)整體鍛鋼式的設(shè)計安全裕度過大，最大的應(yīng)力一般出現(xiàn)在艙口圍板面板附近，面板150 mm 以下的區(qū)域?qū)嶋H應(yīng)力水平是很小的，所以此部位的定位銷結(jié)構(gòu)可以采用厚度為15 mm的圍板結(jié)構(gòu)。

船寬方向位置：導(dǎo)向裝置原則上設(shè)置在艙蓋蓋板中心，同時考慮集裝箱及艙蓋大梁的配置。圖1為艙蓋艉部定位銷和導(dǎo)向的局部布置。

圖1 艙蓋尾部定位銷和導(dǎo)向的局部布置

1.4 艙口圍板變形對艙蓋影響

該船艙蓋在艙口圍板上為“浮動式”。尾部有定位銷限制船長和船寬方向位移，首部僅有船寬方向的限位，船長方向沒有自由度限制。當艙口圍板變形時艙蓋尾端通過定位銷與船體結(jié)構(gòu)相對固定，首端相對船體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生船長方向的位移。

結(jié)構(gòu)設(shè)計計算了2個裝載工況下的艙口圍板變形，挑選艙口圍板相對變形量最大的貨艙進行檢查。檢查項目如下：艙蓋導(dǎo)向處間隙、艙蓋板搭接量、艙蓋裙邊板與艙口圍板擋水扁鋼的間隙、艙蓋與綁扎橋的間隙。

1.5 支撐塊面壓

艙口蓋設(shè)計圖中標注的受力對支撐塊面壓的許用值需確認。超過許用值時，需增加支撐塊的數(shù)量。該船支撐塊面壓承受極限約為300 MPa，廠家設(shè)計時面壓約為40 MPa，符合設(shè)計要求。

2 艙蓋變形相關(guān)檢查

2.1 貨艙內(nèi)集裝箱頂部與艙蓋底部間隙

船東對貨艙內(nèi)集裝箱頂部與艙蓋底部間隙有明確的要求，一般為100～200 mm。20 000 TEU集裝箱船規(guī)格書要求：“在不考慮艙蓋變形的情況下艙蓋底部和貨艙內(nèi)集裝箱頂面距離不小于120 mm”。同時，在一定的貨艙高度內(nèi)混裝工況下對高箱的需求越來越多，這也對設(shè)計時預(yù)留間隙提出了更高的要求。該船貨艙內(nèi)集裝箱混裝的工況規(guī)定為8層2.590 8 m(8.5 ft)的普通箱+3層2.895 6 m(9.5 ft)的高箱。

廠家初步檢查時根據(jù)艙蓋結(jié)構(gòu)高度1 100 mm，確認上述間隙能滿足不小于120 mm的要求；但審圖時發(fā)現(xiàn)艙蓋堆放腳突出艙蓋結(jié)構(gòu)高度145 mm，在這些突出位置是不滿足要求的。由于堆放腳不在艙蓋中心，其位置艙蓋變形較小(35 mm左右，艙蓋中心處最大變形在70 mm左右)，所以此處可以將不小于120 mm的要求放寬到不小于110 mm。

另外，貨艙內(nèi)底板及集裝箱堆放腳處的底板總厚也需要仔細研討，否則個別位置的艙蓋堆放腳與貨艙內(nèi)集裝箱頂部距離同樣不能滿足要求。

2.2 艙蓋下沉撓度對集裝箱裝載影響

艙蓋因自重及集裝箱載荷在箱腳處會有下沉撓度，且各列箱腳處撓度值不一樣，每列集裝箱左右側(cè)箱腳的撓度還有差值，造成集裝箱在船寬方向朝撓度大的一側(cè)傾斜。此傾斜量在裝箱較高處會放大，因此需研討相鄰2列是否會因傾斜而造成集裝箱干涉問題，船東也會要求在后期系泊試驗時進行堆箱驗證。

另外，該船艙蓋上有20 ft箱和40 ft箱混裝工況，規(guī)格書規(guī)定混裝時艙蓋上最多裝4層20 ft箱。重載時20 ft箱間隙處的箱腳撓度比橫向艙口圍板側(cè)的大很多，最終造成20 ft箱裝載時在船長方向會向撓度較大側(cè)傾斜，此傾斜量在4層處會放大，對第5層40 ft箱的裝載有影響(扭鎖在箱腳內(nèi)的滑移余量無法吸收傾斜量)。根據(jù)廠家經(jīng)驗，20 ft/40 ft箱混裝時艙蓋中間間隙處的箱腳需適量加高，以解決上述40 ft箱裝載的問題。但間隙處箱腳抬高在20 ft空箱裝載時(間隙處箱腳下沉撓度較小)起反作用，會造成船長方向與前述相反的傾斜，同樣影響上部40 ft箱的裝載。因此抬高量的確定非常關(guān)鍵，需要通過調(diào)整來確認。

2.3 20 ft箱間隙處箱腳預(yù)變形的設(shè)置

20 ft箱間隙處箱腳預(yù)變形設(shè)置主要是為了混裝時20 ft箱頂部40 ft箱的裝載。公差的設(shè)置依賴艙蓋廠家的撓度計算結(jié)果，并由廠家給出建議值，船廠復(fù)核。

3 艙蓋的導(dǎo)向設(shè)計

3.1 2種設(shè)計形式的選擇

艙蓋的導(dǎo)向設(shè)計目前有高位導(dǎo)向和低位導(dǎo)向2種形式。

同一船廠之前建造的10 000 TEU、13 500 TEU和20 000 TEU集裝箱船的艙蓋均采用低位導(dǎo)向設(shè)計，即在艙口圍板上設(shè)置略高于艙蓋頂面的導(dǎo)向柱，艙蓋起吊時只需要越過導(dǎo)向即可以平移，而不需要像高位導(dǎo)向(通常利用綁扎橋立柱導(dǎo)向)那樣提升越過綁扎橋才可以平移。

低位導(dǎo)向的設(shè)計提高了艙蓋操作的機動性，但在布置上需要增加艙口圍板上的導(dǎo)向和艙蓋前后端的綁扎橋防撞方管。常規(guī)的高位導(dǎo)向只需要適當加強對應(yīng)的綁扎橋立柱。

高位導(dǎo)向柱在船長方向一般凸出綁扎橋較多，如果凸出的少，就需要嚴格控制艙蓋與導(dǎo)向立柱之間的間隙，以防止艙蓋的卡鉗破壞綁扎橋上的花籃等舾裝件。突出的導(dǎo)向柱會占據(jù)集裝箱端部的打桿操作空間，特別是目前廣泛采用的集裝箱外綁方式相比內(nèi)綁方式對箱端到導(dǎo)向柱間隙的要求更高。普通的40 ft艙蓋由于該間隙足夠，不存在布置問題，但對于45 ft集裝箱專用的艙蓋位置(即從第一層開始裝載)就會造成較大影響：45 ft箱的外綁操作空間偏小，40 ft箱在橋上的綁扎距離又過大(超過CSS要求的1 100 mm)。目前可行的解決方案是將40 ft箱的綁扎眼板布置在艙蓋上，不過這也并非完美的解決方案，至少有3個方面的影響：①40 ft箱的堆重會下降；②艙蓋上40 ft箱綁扎眼板與45 ft箱底座間的距離不滿足600 mm的通道要求；③艙蓋的吊重會增加，對于堆6列箱的單蓋粗略估算增重約1 t。

3.2 艙口圍板上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的安裝調(diào)整

艙蓋的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)根據(jù)艙蓋在艙口圍板上的搭載位置定位，在船長方向?qū)蚺c艙蓋之間的間隙有公差要求。艙蓋的導(dǎo)向一般有2種形式：

(1)直接安裝在艙口圍板上，現(xiàn)場安裝時可沿補強方向前后移動，上述間隙的調(diào)整比較方便。

(2)附近有綁扎橋剪力墻結(jié)構(gòu)的情況，之前的設(shè)計均在剪力墻上開孔，導(dǎo)向插入剪力墻安裝，但現(xiàn)場反饋這種安裝形式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的吊裝不便，且比較危險。該船改善為導(dǎo)向貼付在剪力墻上安裝，在導(dǎo)向柱上設(shè)置調(diào)節(jié)板，現(xiàn)場根據(jù)實際的間隙機加工后再焊接在導(dǎo)向外表面上，以此保證與艙蓋之間的間隙在公差范圍內(nèi)。

3.3 綁扎橋?qū)蚍焦茉O(shè)計

20 000 TEU集裝箱船低位導(dǎo)向設(shè)計，對于40 ft箱的普通艙蓋，其端部結(jié)構(gòu)連續(xù)，方管設(shè)置比較便捷。設(shè)計時考慮綁扎橋頂部艙蓋進口導(dǎo)向及下方綁扎橋立柱的位置，根據(jù)實際需要在艙蓋對應(yīng)位置設(shè)置導(dǎo)向方管。因個別位置綁扎橋立柱上下不連續(xù)，設(shè)置方管時要特別留意，確保在艙蓋提升過程中均有方管與綁扎橋立柱對應(yīng)保護。

對于裝載45 ft箱的專用艙蓋，其端部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，僅在45 ft箱腳處有突出結(jié)構(gòu)，初始設(shè)計時為節(jié)省結(jié)構(gòu)重量，僅在對應(yīng)每片艙蓋的綁扎橋頂部進口導(dǎo)向位置設(shè)置了導(dǎo)向方管。后期發(fā)現(xiàn)2個問題：

(1)忽視了個別位置綁扎橋立柱上下不連續(xù)的情況，導(dǎo)致提升過程中部分階段沒有保護。

(2)忽視了艙蓋疊放。最終通過追加導(dǎo)向方管及相應(yīng)結(jié)構(gòu)確保無障礙吊裝。

此外，對于45 ft箱艙蓋，導(dǎo)向方管的設(shè)置還需兼顧與綁扎橋通往艙蓋的通道匹配，避免與機艙逃生小艙蓋產(chǎn)生干涉情況。

綁扎橋立柱不連續(xù)和45 ft箱專用艙蓋處追加導(dǎo)向方管的示例圖片見圖2。

圖2 45 ft箱專用艙蓋導(dǎo)向方管示意圖(豎粗線顯示導(dǎo)向方管)

4 其他關(guān)鍵的設(shè)計

4.1 支撐塊及其調(diào)整方案

集裝箱船艙蓋安裝調(diào)整的重點就是支撐塊的高度調(diào)整，其調(diào)整目標為單片艙蓋調(diào)至水平狀態(tài)(不同蓋板之間允許有高度差)。

該船使用的支承塊材質(zhì)為復(fù)合材料，與銅支承塊在承壓能力上相當，成本和摩擦控制上優(yōu)勢明顯。支承塊盒根據(jù)其安裝位置而選用不同材質(zhì)及形狀：安裝在縱向艙口圍板(HT47或HT40材質(zhì))上的為HT40或DH36材質(zhì)，兩端削斜以改善疲勞強度，端部焊腳會有特殊的Gb打磨要求；安裝在橫向艙口圍板上的為Q345D材質(zhì)，沒有特殊的形狀或焊腳打磨要求。實際的安裝檢查中需要重點注意。

支承塊的高度調(diào)整有2種途徑：

(1)支承塊盒內(nèi)墊不銹鋼調(diào)節(jié)片。支承塊盒內(nèi)最多可插入9 mm厚度調(diào)節(jié)片。船廠在安裝過程中最多使用6 mm，交船后船東可以根據(jù)支承塊的磨損狀況再增加最多3 mm調(diào)節(jié)片。調(diào)節(jié)片有2種規(guī)格：1 mm和2 mm。

(2)支承塊盒下部可以追加20 mm以內(nèi)的調(diào)節(jié)板，材質(zhì)及形狀需與支承塊盒保持一致，但板厚超過10 mm時需要與支承塊盒焊接為一個整體后再與艙口圍板燒焊。

4.2 止跳裝置的設(shè)計

止跳裝置的受力來自于艙蓋上集裝箱的局部裝載工況。船級社規(guī)定的局部裝載工況有幾種，例如跨艙蓋和箱柱這一列及其相鄰一列不裝載集裝箱，或者接縫處不裝載集裝箱。對于大型箱船來說，蓋板分塊較大，且典型的40 ft箱都是系固在綁扎橋上。經(jīng)計算，不存在止跳力，因此不需要設(shè)計止跳裝置。但以下幾種情況下需要考慮設(shè)置止跳裝置：

(1)45 ft箱采用綁扎橋立柱導(dǎo)向，40 ft箱綁扎到艙蓋上。經(jīng)計算，艙蓋角隅處變形較大。

(2)船東提出的超出船級社規(guī)范規(guī)定的一些極端工況，如：僅在跨艙蓋和箱柱這一列裝載集裝箱，其余位置不裝；或者僅在接縫處裝一列集裝箱，其余位置不裝。這時側(cè)部蓋板的側(cè)板相對于接縫的強度較弱，就需要在側(cè)板中部設(shè)置止跳裝置。

4.3 接縫處擋水橡皮的設(shè)置

大型集裝箱船貨艙沒有密性要求，艙蓋為Non-Tight形式。在艙蓋蓋板接縫處設(shè)置擋水橡皮，雖然可以阻止水從接縫處進入貨艙，但貨艙內(nèi)裝卸集裝箱時此橡皮條極易被碰壞，再則規(guī)范對擋水橡皮沒有要求。20 000 TEU集裝箱船設(shè)計時在艙蓋頂面接縫處設(shè)置擋水扁鋼來防止水漏進貨艙，同時在計算貨艙內(nèi)排污泵的容量時也已考慮艙蓋接縫處沒有遮擋的開放式進水，所以是完全可行的。

5 艙蓋附屬件的設(shè)計細節(jié)

集裝箱船艙蓋附屬件主要有3大類：固定件(集裝箱箱腳)、通風窗、水噴淋管及其附件。這些非主要結(jié)構(gòu)也會因研討不細致和安裝不到位而產(chǎn)生“大麻煩”，影響使用而不得不耗費大量人工進行返工。僅以20 000 TEU集裝箱船上發(fā)生的2起小“事故”舉例說明。

通風窗：該船艙蓋通風窗沿用了前船的設(shè)計，為夾板對夾安裝的形式。其密封橡皮形式比較特殊，為套在側(cè)板開口上的“靴形”橡皮。設(shè)計時未注意艙蓋上通風開口的結(jié)構(gòu)加強與通風窗固定板的干涉以及結(jié)構(gòu)加強與密封橡皮的配合，最終以修改加強和重新制作一批通風蓋解決了問題。

水噴淋管及其附件：該船設(shè)計時考慮了水噴淋管的安裝，艙蓋結(jié)構(gòu)開孔略大于水噴淋管法蘭直徑。但在設(shè)置管支架時部分遮擋了結(jié)構(gòu)開孔，不利于后期水噴淋管維護時的拆卸工作。

6 結(jié)語

超大型集裝箱船更大的艙口變形、堆重負荷和更精細的間隙控制以及更復(fù)雜的綁扎設(shè)計都對艙蓋的設(shè)計提出了新的要求。通過梳理20 000 TEU超大型集裝箱船艙蓋設(shè)計及安裝過程中諸如導(dǎo)向方式選擇、變形控制檢查等要點，分析設(shè)計缺陷，總結(jié)了不同堆重的計算原則、艙蓋頂部間隙的設(shè)計余量、高低位導(dǎo)向選取的優(yōu)缺點、導(dǎo)向方管布置需考慮的因素等。從系列船的運營反饋來看，艙蓋設(shè)計完全滿足要求，可以為后續(xù)新設(shè)計同類型或更大規(guī)模的集裝箱船艙蓋提供指導(dǎo)，當然在艙蓋減重、配合綁扎橋設(shè)計優(yōu)化等方面還有待進一步的研究。