散貨船裝載集裝箱方案及可行性分析

◎ 謝坤 中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司

1.前言

2021年受新冠肺炎疫情影響，全球港口嚴(yán)重?fù)矶?，集裝箱碼頭的空箱周轉(zhuǎn)率和船舶運(yùn)行效率大幅下降，導(dǎo)致國際物流供應(yīng)鏈不暢，全球供應(yīng)鏈出現(xiàn)了前所未有的危機(jī)，國際航運(yùn)集裝箱市場運(yùn)力供需出現(xiàn)失衡，運(yùn)價(jià)持續(xù)保持高位。為了進(jìn)一步挖掘運(yùn)力潛力，緩解集裝箱船運(yùn)力的供給矛盾，本文對(duì)散貨船的運(yùn)力進(jìn)行了挖掘，就散貨船裝載集裝箱的可行性作了分析[1]。

散貨船主要用于運(yùn)輸散裝干貨，也具備裝載包裝貨及非標(biāo)準(zhǔn)貨物的能力[2]。但在船型的設(shè)計(jì)上目的是為了滿足裝載干散貨這一要求，如需具備裝載集裝箱的功能，還要在裝載集裝箱后滿足結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)性安全、消防安全、系固綁扎等各方面的要求。

中國船級(jí)社2021年發(fā)布了《關(guān)于利用散貨船運(yùn)輸集裝箱的技術(shù)通告》，要求散貨船裝載集裝箱應(yīng)滿足公約、規(guī)則、行業(yè)的相關(guān)要求，具體如下：

（1）結(jié)構(gòu)安全。船舶應(yīng)采取有效措施將集裝箱的箱角載荷傳遞至船舶承載區(qū)域的主要船體構(gòu)件。集裝箱箱角和系固綁扎的船體支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止承載區(qū)域的結(jié)構(gòu)損壞。集裝箱堆重限制應(yīng)不允許超過貨艙內(nèi)底結(jié)構(gòu)、艙蓋最大許用載荷。

（2）穩(wěn)性安全。船舶裝載手冊(cè)（含完整穩(wěn)性和總縱強(qiáng)度）與破損穩(wěn)性計(jì)算手冊(cè)中增加裝載集裝箱、甲板貨的典型工況，更新裝載儀軟件。

（3）系固安全。按照M SC.1/Circ.1623《貨物系固手冊(cè)編制指南》的相關(guān)要求制定安全系固方案，保證集裝箱、甲板貨系固安全。系固需按照IMO《貨物堆裝和系固安全操作規(guī)則（CSS Code）》適用要求，確保載運(yùn)的集裝箱整體剛度和固定，對(duì)集裝箱整體底部、四周和頂部與船體結(jié)構(gòu)之間采取有效措施進(jìn)行系固，防止移動(dòng)、傾斜和崩塌。

（4）消防安全。按照SOLAS公約II-2章10.7條要求，2014年7月1日后安放龍骨的船舶，裝載集裝箱的處所要有固定式氣體滅火系統(tǒng)。

（5）駕駛室可視范圍。按照SOLAS公約第V章航行安全第22條，對(duì)駕駛室可視范圍進(jìn)行了明確的規(guī)定，集裝箱、甲板貨積載于散貨船甲板和艙蓋上不能影響駕駛位置、主操舵位置、駕駛臺(tái)兩翼位置的視線和盲區(qū)。

（6）舾裝數(shù)。核查船舶舾裝數(shù)，確保錨泊設(shè)備滿足規(guī)范要求。

2.裝載方案

2.1 船舶基本信息

選取船舶為2017年國內(nèi)某船廠建造的3.8萬噸散貨船，為大艙口、雙殼的無限航區(qū)散貨船。船舶的總布置圖如圖1所示。

圖1 總布置圖

2.2 集裝箱布置方案

40尺集裝箱尺寸為長12192mm、寬、2438mm、高2896mm,20尺集裝箱尺寸為長6058mm、寬2438mm、高2591mm。

綜合考慮貨艙開口、貨艙和艙口蓋的堆重要求、駕駛室視線和綁扎能力等，對(duì)貨艙、艙口蓋分別裝載集裝箱，一共裝載40尺集裝箱334箱、20尺集裝箱108箱。具體的箱位布置如圖2所示。

圖2 集裝箱積載圖

3.規(guī)范校核和可行性分析

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

按照《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》第二篇第1章第5節(jié)的要求對(duì)貨艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算[3]，以三維有限元模型為一個(gè)艙段，并向首尾分別延伸半個(gè)艙。結(jié)構(gòu)計(jì)算的設(shè)計(jì)載荷需要包含總體載荷與局部載荷，考慮垂向彎矩、貨物載荷等?？偪v彎矩分為中拱和中垂，包含靜水彎矩和波浪彎矩。彎矩和加速度按照規(guī)范要求選取。

表1 船舶主要參數(shù)

在集裝箱下方沿船寬布置30毫米厚的鋼板，讓集裝箱的垂向載荷作用在這樣的鋼板上。以一組點(diǎn)的載荷施加于模型，載荷包括總縱彎矩、綁扎力、箱角載荷，并對(duì)箱腳附近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算結(jié)果顯示，箱腳布置在實(shí)肋板上能滿足80噸堆重，布置在縱骨上能滿足60噸堆重。

3.2 穩(wěn)性安全校核

按照船舶靜力學(xué)原理[4]，船舶初穩(wěn)性高度GM值越大，復(fù)原力矩越大，抵抗傾斜力矩能力越強(qiáng)。船舶在甲板或艙蓋裝載貨物后重心變高，GM值會(huì)變小。根據(jù)本文的裝載方案，對(duì)滿載離港工況進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，并與IMO的規(guī)范進(jìn)行校核。

《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》對(duì)船舶穩(wěn)性給出了一系列要求[5]，包括靜穩(wěn)性和動(dòng)穩(wěn)性。靜穩(wěn)性的衡準(zhǔn)主要是關(guān)于復(fù)原力臂曲線特性，動(dòng)穩(wěn)性則要求為強(qiáng)風(fēng)和橫搖衡準(zhǔn)。國際完整穩(wěn)性規(guī)則的要求主要包括以下方面：

1）初穩(wěn)性高度G M 值不小于0.15米。

2）復(fù)原力臂曲線（GZ曲線）下的面積在橫傾角=30度或以下時(shí)，應(yīng)不小于0.055米-弧度；在橫傾角=40度或以下時(shí)，應(yīng)不小于0.09米-弧度。此外，當(dāng)橫傾角在30～40度之間時(shí)，復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)不小于0.03米-弧度。

3）在橫傾角等于或大于30度時(shí)，復(fù)原力臂至少為0.2米。

4）最大復(fù)原力臂應(yīng)出現(xiàn)在不小于25度的橫傾角時(shí)。

5）復(fù)原力矩曲線下的面積大于風(fēng)傾力矩下的面積。

表2為穩(wěn)性的計(jì)算結(jié)果，均滿足IMO國際完整穩(wěn)性規(guī)則的要求。

表2 穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

3.3 舾裝數(shù)計(jì)算

海船的錨泊設(shè)備應(yīng)根據(jù)船舶種類、航行水域及其CCS《鋼制海船入級(jí)與建造規(guī)范》求得舾裝數(shù)，并按照舾裝數(shù)配備拖索和系船索的數(shù)量、長度及破斷負(fù)荷等[6]。按照CCS《鋼制海船入級(jí)與建造規(guī)范》，舾裝數(shù)N計(jì)算公式如下。

式中：

Δ—夏季載重水線下的型排水量（t）；B—船寬（m）；h—從夏季載重水線到最上層艙室頂部的有效高度（m）；Sfun—煙囪的有效正投影面積（m2）；A—船長（L）范圍內(nèi)夏季載重水線以上的船體部分和上層建筑以及各層寬度大于B/4甲板室和煙囪側(cè)投影面積的總和（m2）。

原船的舾裝數(shù)如下：

裝載集裝箱后側(cè)面積增加522.4平方米，舾裝數(shù)為：

錨、錨鏈按照舾裝數(shù)2530～2700選取，拖索、系船索按照舾裝數(shù)2700～2870選取。經(jīng)核實(shí)，船舶配置的錨泊和系泊設(shè)備均滿足要求。

3.4 其他要求

1）駕駛室可視范圍。按照SOLAS公約V章22條求，從駕駛位置上所見的海面視域，在所有吃水、縱傾和甲板貨狀態(tài)下，自船首前方至任何一舷10度范圍內(nèi)均不應(yīng)有兩個(gè)船身以上的長度或 500米（取其小者）遮擋。該輪艙蓋按照該方案裝載集裝箱后，艙蓋上集裝箱高度能滿足駕駛室視線圖的要求。

2）消防安全。按照SOLAS公約II-2章10.7條要求，2014年7月1日后安放龍骨的船舶，裝載集裝箱的處所需要有固定式氣體滅火系統(tǒng)。該輪貨艙配有二氧化碳?xì)怏w保護(hù)，滿足要求。

3）綁扎系固方案。根據(jù)CCS《鋼制海船入級(jí)與建造規(guī)范》及M SC.C i r c 74 5《貨物系固手冊(cè)編制指南》，該輪對(duì)艙蓋和貨艙的集裝箱計(jì)算綁扎力，編制綁扎系固方案，并提交船級(jí)社審批，確保裝載的集裝箱整體剛度和固定；對(duì)集裝箱整體底部、四周和頂部與船體結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行系固，防止移動(dòng)、傾斜和崩塌。

4.結(jié)束語

本文在船體結(jié)構(gòu)不進(jìn)行重大改造的前提下，充分利用現(xiàn)有船體結(jié)構(gòu)的水平，對(duì)靈便型散貨船進(jìn)行貨倉內(nèi)和艙蓋上裝載甲板貨的改裝設(shè)計(jì)。并根據(jù)船級(jí)社的規(guī)范、規(guī)則和公約的要求，對(duì)裝載集裝箱后的船體結(jié)構(gòu)、船舶穩(wěn)性、消防、系固綁扎等方面進(jìn)行了校核，結(jié)果均能滿足公約和規(guī)范要求。通過本文研究，能進(jìn)一步挖掘靈便型散貨船運(yùn)力潛力，在保證貨物和航行安全前提下，進(jìn)一步提升靈便型船舶市場競爭力,緩解集裝箱船運(yùn)力的供給矛盾。