船舶裝載卷鋼對(duì)墊木的要求和計(jì)算分析

中圖分類號(hào)：U662.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Requirements and Calculation Analysis of Dunnage for Steel Coil Shipment

XIE Kun（Cosco Shipping Bulk Co.，Ltd.，Guangzhou 510220， China）

Abstract：Owing to the high-density and rolling characteristics，the stacking and securing of stel coil during the transportation are very important.Ship loading manual specifies the specifications of the steel coil and he quantity of dunnages，but without specifying the specifications of dunnages.This paper studied the requirements of CSS Code（Cargo Securing and Stowage Code），and selected the typical loading condition of stel coil as an example， through model simplification calculation，we can see that diferent specifications of dunnages willobvious effec the strength of innerbottom.

Key words： steel coil; transportation; dunnages

1 引言

我國(guó)是卷鋼的出口大國(guó)，卷鋼是散貨船運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)特殊貨種，因其密度大、容易滾動(dòng)的特性，卷鋼在海上運(yùn)輸過程中的堆裝和系固工作顯得尤為重要。船舶裝載卷鋼需要使用墊木，使用墊木后裝載的卷鋼是否對(duì)船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，是很多人擔(dān)心的問題，但是船舶的裝載手冊(cè)里只注明了裝載卷鋼的規(guī)格和墊木的數(shù)量，沒有規(guī)定墊木的規(guī)格，用戶在裝載時(shí)也經(jīng)常會(huì)擔(dān)心墊木的強(qiáng)度是否足夠[]。

針對(duì)這些問題，本文根據(jù)規(guī)范和規(guī)則的要求，對(duì)散貨船裝載卷鋼的要求進(jìn)行解讀，并選取靈便型船舶典型裝載的卷鋼為例，參照教材推薦選取的不同規(guī)格的硬木墊木，將受力模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁的彎曲應(yīng)力問題，通過模型簡(jiǎn)化和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和思考。

國(guó)際海事組織（IMO）發(fā)布的《貨物堆裝和系固安全操作規(guī)則（CSSCode）》2，是為了促進(jìn)海上和裝卸過程中的生命安全而發(fā)布的貨物安全積載和系固的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)裝載卷鋼有詳細(xì)的要求。卷鋼的積載好壞對(duì)船舶安全影響很大，在裝貨時(shí)一定要特別注意，主要考慮底部的墊木、積載緊密、系固綁扎等方面。

2.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評(píng)估

船舶的裝載，要求均布載荷和局部載荷都不超過船舶的許用載荷，《貨物堆裝和系固安全操作規(guī)則》對(duì)裝載干散貨的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估提出了明確的要求，具體如下：

1）在假定貨物均勻分布的前提下，對(duì)于相關(guān)積載區(qū)域，需要滿足船舶完工圖紙（例如裝載手冊(cè)、橫剖面圖）中規(guī)定的最大許用表面載荷；

2 裝載卷鋼的要求

2）重的貨物產(chǎn)生集中的點(diǎn)狀載荷，而不是均勻載荷。應(yīng)注意，裝載貨物產(chǎn)生的局部載荷，不能超過船體的最大許用載荷。甲板面、艙口蓋、內(nèi)底板等區(qū)域，應(yīng)使用核實(shí)的鋼質(zhì)或木材橫梁或等效的板格結(jié)構(gòu)將點(diǎn)狀載荷傳遞至船體承載的主要結(jié)構(gòu);

3）如果裝載情況過于復(fù)雜，無(wú)法通過手動(dòng)計(jì)算進(jìn)行安全檢查，或者通過手動(dòng)計(jì)算獲得的應(yīng)力參數(shù)接近支撐結(jié)構(gòu)的適用極限，應(yīng)考慮使用有限元分析。

2.2堆裝和系固

《貨物堆裝和系固安全操作規(guī)則》對(duì)卷鋼等干散貨的安全堆裝和系固，也提出了如下的具體要求：

1）卷鋼應(yīng)從船舶的艙底開始堆裝，并盡可能以規(guī)律的層次在船上裝滿;2）卷鋼的中心線應(yīng)沿著船體中心線縱向堆裝，每卷應(yīng)與相鄰的卷鋼緊湊的堆裝緊。應(yīng)在橫向位置放置墊木，為防止移動(dòng)有必要時(shí)應(yīng)使用楔子；3）每排最后一卷通常應(yīng)放在附近的兩卷上邊，并與該排的其他卷鋼相固定;4）如果有必要在第一層上裝第二層，那么第二層的卷鋼應(yīng)裝在第一層的卷鋼之間壓縫裝載；5）在最高一層中的卷鋼間的任何空擋應(yīng)加以適當(dāng)系固；6）應(yīng)通過系索綁扎，使貨倉(cāng)內(nèi)的卷鋼綁扎在一起，形成一個(gè)大的不可移動(dòng)的卷鋼組。一般來說，最高一層最后三排的卷鋼應(yīng)予以綁扎。為防止縱向移動(dòng)，在無(wú)外包裝卷鋼的頂層不應(yīng)綁扎成組，頂層最后一排應(yīng)用墊木和鋼絲繩系固，并從一側(cè)到另一側(cè)拉緊。系索應(yīng)有足夠的拉力強(qiáng)度，第一層應(yīng)用楔子塞緊。

3裝載卷鋼的計(jì)算分析

3.1船舶基本信息

選取2015年國(guó)內(nèi)某船廠建造的64000t散貨船，該輪為單殼、雙底的節(jié)能環(huán)保型系列散貨船。該船具有頂邊艙和底邊艙，設(shè)計(jì)為無(wú)限航區(qū)營(yíng)運(yùn)，能裝載干散貨包括谷物、煤炭、鐵礦石等，能在艙口蓋上裝載甲板物，主甲板配有4臺(tái)克令吊。

該船的總布置圖如圖1所示。

該船的主要參數(shù)如下。

船長(zhǎng) /m 199.90;

型深 /m 18.50;

設(shè)計(jì)吃水 /m 11.3;

總噸 36 378;

內(nèi)底板許用載荷（1/3/5艙） /（t/m²） （2號(hào) 25；

型寬 /m 32.26;

載重噸/t 63 800;

結(jié)構(gòu)吃水 /m 13.30;

凈噸 21 646;

該船的裝載手冊(cè)中規(guī)定的鋼卷裝載條件為：允許裝載兩層卷鋼，每層卷鋼重量為 25t ，卷鋼長(zhǎng)度為 1.6m 卷鋼直徑為 1.6m ，每個(gè)卷鋼下面需放置5根墊木，只有最下層的卷鋼接觸到底部壓載艙的斜板。典型轉(zhuǎn)載工況下各艙裝載卷鋼的能力如表1所示。

裝載卷鋼時(shí)在下面鋪設(shè)墊木的目的，一是防止因內(nèi)底板有水，避免對(duì)卷鋼的銹蝕，二是起到緩沖和增加摩擦的作用，避免卷鋼與內(nèi)底板直接接觸。船舶的裝載手冊(cè)對(duì)裝載卷鋼有相關(guān)的約定，但是只注明了裝載卷鋼的規(guī)格和墊木的數(shù)量，沒有規(guī)定墊木的規(guī)格。船舶貨運(yùn)3的教材對(duì)卷鋼墊木的描述則非常詳細(xì)，要求墊木一定要使用硬木，規(guī)格不得小于1.5m×100mm×50mm ，如果裝載卷鋼的質(zhì)量較重，可鋪設(shè)2層墊木。

2023年11月，該輪裝載卷鋼從上海出發(fā)至湛江。裝載卷鋼的規(guī)格為：重 25t. 長(zhǎng) 1.6m 、直徑 1.6m 堆裝2層。卷鋼下面鋪設(shè)了5根墊木，只有最下面一層的卷鋼與貨艙的斜板有接觸。裝載布置的剖面如圖2所示。

3.2堆重分析

堆裝的計(jì)算，按照《貨物堆裝和系固安全操作規(guī)則》，在假定貨物均勻分布的前提下，相關(guān)積載區(qū)域的表面載荷不大于船舶的許用載荷。計(jì)算通常是用投影法，每排卷鋼占用的寬度乘上艙底寬度再乘上艙底強(qiáng)度就可以得到每排的最大載重量，

該輪1號(hào)貨艙、3號(hào)貨倉(cāng)和5號(hào)貨艙的內(nèi)底板允許的堆重為 25t ，每個(gè)卷鋼占用艙底的面積為 1.6×1.6 m² ，該面積能夠承受的卷鋼的最大承重為 25×1.6×1.6 =64t ，因此可以得出裝運(yùn)25t卷鋼時(shí)充許的層數(shù)為 2.56 可以看出堆裝兩層該規(guī)格的卷鋼時(shí)候，這兩個(gè)貨倉(cāng)的內(nèi)底板承受的均布載荷沒有超出船舶的許用載荷。

該輪2號(hào)貨艙和4號(hào)貨艙的內(nèi)底板允許的堆重為20t ，每個(gè)卷鋼占用艙底的面積為 1.6×1.6m² ，該面積能夠承受的卷鋼的最大承重為 20×1.6×1.6=51.2t ，因此可以得出裝運(yùn) 25t 卷鋼時(shí)允許的層數(shù)為2.048。可以看出堆裝兩層該規(guī)格的卷鋼時(shí)候，這三個(gè)貨倉(cāng)內(nèi)底板承受的均布載荷沒有超出船舶的許用載荷。

3.3局部強(qiáng)度分析

一般情況下，對(duì)于常規(guī)散貨和均布貨物的裝載，只需要滿足均布載荷的要求即可。但是對(duì)于裝載重大件的貨物，因?yàn)樨浳锏耐庑尾荒軐⒅亓烤鶆蚍植嫉降紫碌氖芰Σ课唬藭r(shí)就需要計(jì)算分析其局部強(qiáng)度。

船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算步驟，先是根據(jù)實(shí)際的受力情況建立力學(xué)模型，接著對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模型的簡(jiǎn)化（包括構(gòu)件幾何尺寸的簡(jiǎn)化、支撐條件的簡(jiǎn)化和結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化），最后是對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。局部強(qiáng)度的計(jì)算方法：一是傳統(tǒng)的計(jì)算方法，即將船舶結(jié)構(gòu)劃分為各種板、梁和板架等進(jìn)行計(jì)算；另一種是采用有限元的方法，擴(kuò)展為各種結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算。

貨倉(cāng)的主要組成部分為內(nèi)底板、縱骨和橫向肋板，在裝載卷鋼的局部強(qiáng)度校核計(jì)算中，可以將船舶內(nèi)底結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為板、梁結(jié)構(gòu)，來簡(jiǎn)化其受力情況。

3.4墊木和內(nèi)底板的受力分析

我們?cè)賹⒛Ｐ秃?jiǎn)化為最極端的情況，假如內(nèi)底板不承受重量，即墊木和內(nèi)底板不是完全的接觸。此時(shí)可以假設(shè)貨艙沒有內(nèi)底板，墊木需要承受全部卷鋼的重量，同時(shí)假設(shè)卷鋼底部與墊木接觸只有一個(gè)點(diǎn)，將墊木簡(jiǎn)化為縱骨支撐的簡(jiǎn)支梁模型。

參照船舶貨運(yùn)教材的要求，我們選取規(guī)格為長(zhǎng) 2000mm 、寬 200mm 、高 30mm 和長(zhǎng) 2000mm 、寬 200mm 、高 100mm 兩種的卷鋼墊木，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算和分析比較。硬木的彈性模量E取為10342MPa ，船體內(nèi)底縱骨結(jié)構(gòu)的間距為 760mm ，橫向肋骨框架的間距為 2460mm 。

兩層卷鋼總重量 50t ，縱向分布在5根墊木上，每根墊木受力 10t 卷鋼的重量分布在墊木上，墊木又傳遞給了縱骨和框架支撐的內(nèi)底板。此時(shí)內(nèi)底板不承受重量，墊木需要承受全部卷鋼的重量，同時(shí)假設(shè)卷鋼底部與墊木接觸只有一個(gè)點(diǎn)（實(shí)際上卷鋼與墊木的接觸面積不止一個(gè)點(diǎn)，其直徑越大則與墊木的接觸面積越大）。墊木可以簡(jiǎn)化為縱骨支撐的簡(jiǎn)支梁模型，簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

根據(jù)理論力學(xué)相關(guān)公式[4，矩形截面墊木的慣性矩，集中載荷簡(jiǎn)支梁的最大擾度慣性矩。下面分別通過選取兩種規(guī)格的墊木，來分別計(jì)算其變形情況，

1）墊木尺寸選擇為長(zhǎng) 2000mm 、寬 200mm 、高30mm 時(shí)，集中載荷的最大擾度。

2）墊木尺寸選擇為 2000mm 、寬 200mm 、高100mm 時(shí)，集中載荷的最大擾度。

實(shí)際的受力情況下，卷鋼與墊木的接觸面積要比點(diǎn)載荷大的多，而且墊木下面的內(nèi)底板也會(huì)對(duì)墊木的變形產(chǎn)生一定的支撐，因此墊木實(shí)際的彎曲變形量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上述的計(jì)算值。

《中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)內(nèi)底板等區(qū)域的平整度要求值為 6/1 000 ， 760mm 長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的平整度要求值為 4.56mm 。即船舶建造、未投入營(yíng)運(yùn)時(shí)，允許的內(nèi)底板變形為 4.56mm 。從上述計(jì)算可以看出， 200mm×100mm 的墊木變形量?jī)H 5mm ，我們完全可以認(rèn)為卷鋼的重量通過墊木，均勻的分布給了下面的內(nèi)底板。因此，使用 200mm×100mm 規(guī)格的墊木，是非常的保守的，在裝載卷鋼時(shí)不會(huì)對(duì)內(nèi)底板造成任何傷害。

上述計(jì)算中的 200mm×30mm 墊木，其變形量19.5mm 太大，該墊木對(duì)內(nèi)底板的保護(hù)作用不太明顯，卷鋼的重量肯定會(huì)傳遞給內(nèi)底板。但是能否使用該規(guī)格的墊木，還需要對(duì)內(nèi)底板進(jìn)行計(jì)算，綜合考慮內(nèi)底板的受力情況。

在滿足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，卷鋼裝載還需要進(jìn)行一些其它的工作，需要運(yùn)用船舶的配載儀進(jìn)行浮態(tài)調(diào)整、穩(wěn)性和總縱強(qiáng)度校核，根據(jù)《貨物堆裝和系固安全操作規(guī)則》和船舶貨物系固手冊(cè)的要求進(jìn)行綁扎和系固。

4結(jié)語(yǔ)

本文以常規(guī) 64000t 散貨船的典型卷鋼裝載為例，選取不同規(guī)格的墊木，將受力模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的受力彎曲問題，通過結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和應(yīng)力計(jì)算，來分析墊木的受力和墊木對(duì)內(nèi)底板的保護(hù)作用。從計(jì)算結(jié)果可以得出，裝載2層25t的卷鋼時(shí)，如果選擇200mm×30mm 墊木，墊木的變形量太大，墊木對(duì)內(nèi)底板的保護(hù)作用不明顯。如果選用 200mm×100mm 墊木，其彎曲變形較小，卷鋼的重量通過墊木均勻的分布給了下面的內(nèi)底板，在裝載卷鋼時(shí)不會(huì)對(duì)內(nèi)底板造成任何傷害。

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