4 000車(chē)位汽車(chē)運(yùn)輸船甲板布置的設(shè)計(jì)優(yōu)化

秦建國(guó)，劉燦波，曾繁強(qiáng)

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

汽車(chē)運(yùn)輸船(PCTC)是指專(zhuān)門(mén)用于以運(yùn)輸成品轎車(chē)為主、兼運(yùn)商務(wù)車(chē)或大型車(chē)輛的滾裝船，有時(shí)也可運(yùn)輸一些滾裝的包裝貨物。該船型通常設(shè)有多層連續(xù)汽車(chē)甲板以及跳板、坡道、坡道蓋和水/氣密門(mén)等復(fù)雜的滾裝通道設(shè)備，甲板層數(shù)可達(dá)10～14層，同時(shí)船舷設(shè)有可供車(chē)輛在船岸之間上下的大型跳板，汽車(chē)在甲板之間轉(zhuǎn)移是通過(guò)斜坡道或升降機(jī)來(lái)完成的，船和碼頭不需設(shè)置起重設(shè)備等，是大規(guī)模海上汽車(chē)專(zhuān)用運(yùn)輸船。汽車(chē)滾裝船運(yùn)輸具有運(yùn)量大、效率高、破損率低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為汽車(chē)運(yùn)輸?shù)淖罴逊绞剑钱?dāng)今世界汽車(chē)運(yùn)輸?shù)闹髁鞣绞健?/p>

汽車(chē)的積載因數(shù)大，自身重量不大，且不能堆裝，因此對(duì)汽車(chē)運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，車(chē)位數(shù)是其主要的性能指標(biāo)之一。由于經(jīng)濟(jì)型車(chē)輛和大型轎車(chē)等尺寸不同，其裝載量也不同，因而汽車(chē)甲板的有效裝載面積同樣重要，而且該數(shù)值與車(chē)位數(shù)直接相關(guān)。汽車(chē)甲板裝載面積和車(chē)位數(shù)通常作為保證項(xiàng)目在船舶建造合同和規(guī)格書(shū)中予以規(guī)定，是船東確認(rèn)的重要性能指標(biāo)，直接影響汽車(chē)運(yùn)輸船營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。本文以某4 000車(chē)位汽車(chē)運(yùn)輸船為研究對(duì)象，在分析汽車(chē)甲板裝載面積和車(chē)位數(shù)確定方法基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)汽車(chē)甲板的合理布置，盡量增大汽車(chē)甲板的裝載面積，從而提高汽車(chē)運(yùn)輸船的車(chē)位數(shù)和船舶的有效利用率，增強(qiáng)船舶的經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 汽車(chē)甲板裝載面積和車(chē)位數(shù)的確定

1.1 汽車(chē)甲板的裝載面積

汽車(chē)甲板的裝載面積是指各層汽車(chē)甲板上能夠裝載車(chē)輛部分的有效面積。汽車(chē)甲板裝載面積的具體規(guī)定雖然與船東的要求有關(guān)，但原則上一般從外板肋骨、橫艙壁及側(cè)壁的內(nèi)側(cè)量起，同時(shí)需扣除汽車(chē)甲板上被船體主結(jié)構(gòu)件、舾裝品如管路、電纜及其護(hù)欄等遮擋區(qū)域，以及凈空高度過(guò)小無(wú)法裝載車(chē)輛的區(qū)域。典型處所的汽車(chē)甲板裝載面積如圖1～圖3中陰影部分所示。

圖1 外板強(qiáng)框架以?xún)?nèi)

1.2 車(chē)位數(shù)

汽車(chē)運(yùn)輸船的車(chē)位數(shù)一般是用日本首次向北美出口的“CORONA RT43L”為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型來(lái)核算的。RT43L車(chē)型的長(zhǎng)為4 125 mm，寬1 550 mm，L表示左手側(cè)方向盤(pán)。核算時(shí)車(chē)與車(chē)之間的間距縱向?yàn)?00 mm，橫向?yàn)?00 mm，車(chē)與艙壁、支柱等船體構(gòu)件之間間距為300 mm。車(chē)位數(shù)是貨主與船東公司互相確認(rèn)的重要性能指標(biāo)之一，船型、主尺度及總布置等設(shè)計(jì)工作均是在車(chē)位數(shù)的基礎(chǔ)上展開(kāi)的。

圖2 扣除管路、電纜及其護(hù)欄

圖3 坡道表面及坡道以下凈空高度超過(guò)1.4 m的區(qū)域

車(chē)位數(shù)的核算不能根據(jù)“甲板裝載面積/單位車(chē)輛所占面積”進(jìn)行，因?yàn)樵诩装暹吘壔虿灰?guī)則區(qū)域，雖然面積滿(mǎn)足，但形狀上卻無(wú)法完整地安放一輛車(chē)，從而不能作為有效的裝載面積。因此，要確定船舶的車(chē)位數(shù)，首先需要在裝載面積范圍內(nèi)，使用要求的車(chē)型進(jìn)行車(chē)輛布置；其次按照布置圖統(tǒng)計(jì)實(shí)際放置車(chē)輛的數(shù)量，即得到船舶的車(chē)位數(shù)。

2 汽車(chē)裝載限制因素及對(duì)策

汽車(chē)運(yùn)輸船通常設(shè)置多層甲板。由于汽車(chē)運(yùn)輸船的特殊性，從船舶的使用方便性考慮，為了使車(chē)輛在上下船時(shí)能快速行駛，因而希望各甲板間的貨艙是相通無(wú)阻礙的，水(氣)密甲板、水(氣)密艙壁設(shè)置得越少、單一的貨艙區(qū)劃越大越好。但是越大的貨艙將導(dǎo)致船舶破損后更多的進(jìn)水量，從而無(wú)法滿(mǎn)足SOLAS(國(guó)際海上人命安全公約)中破損穩(wěn)性的相關(guān)要求。同時(shí)更大的貨艙區(qū)劃意味著需要配備更高等級(jí)和規(guī)格的固定消防系統(tǒng)等，這些都會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)難度的增加及建造成本的提高。因此，如何合理設(shè)置貨艙區(qū)劃，使之既能滿(mǎn)足使用要求，又能滿(mǎn)足破艙穩(wěn)性及消防等要求，需要在船舶進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)評(píng)估后再確定。

2.1 限制因素

汽車(chē)運(yùn)輸船的貨艙通常為單殼結(jié)構(gòu)，向內(nèi)的舷側(cè)肋骨等突出結(jié)構(gòu)會(huì)影響裝載車(chē)輛的數(shù)量；同時(shí)為滿(mǎn)足破損穩(wěn)性的要求，貨艙區(qū)域被劃分為若干區(qū)劃，橫向或縱向布置的水密艙壁會(huì)妨礙汽車(chē)通行。此外，貨艙內(nèi)各層甲板之間還設(shè)置一排或兩排立柱，以便為甲板提供足夠強(qiáng)度，但立柱的設(shè)置同樣會(huì)影響車(chē)輛的布置及通行。

汽車(chē)運(yùn)輸船如采用特殊設(shè)計(jì)，特定用途的艙室也會(huì)影響汽車(chē)裝載。雙燃料汽車(chē)運(yùn)輸船采用液化天然氣(LNG)為動(dòng)力，布置有安裝LNG燃料罐的艙室，占據(jù)了部分車(chē)輛裝載的空間，減少了車(chē)輛裝載。

為了能夠載運(yùn)重型車(chē)，兼顧各類(lèi)型號(hào)的車(chē)輛，汽車(chē)運(yùn)輸船在艙內(nèi)設(shè)計(jì)了可提升式甲板。可提升式甲板的工作支座通常位于立柱、強(qiáng)肋骨、艙壁等船體構(gòu)件上，立柱旁安裝電纜鏈、提升鋼絲繩、高位支撐塊等舾裝品，艙壁處安裝電氣控制屏操縱甲板運(yùn)動(dòng)，這些舾裝品都會(huì)對(duì)車(chē)輛裝載產(chǎn)生影響。

同時(shí)，為滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)貨艙通風(fēng)及滅火的要求，需要設(shè)置大量的通風(fēng)井及便攜式滅火器等，其布置的合理與否也會(huì)直接影響到車(chē)輛裝載。

2.2 布置原則及對(duì)策

考慮到車(chē)輛通行及停放的使用特點(diǎn)，在進(jìn)行汽車(chē)甲板設(shè)計(jì)時(shí)的一項(xiàng)重要原則就是在安全前提下保證貨艙區(qū)域即汽車(chē)甲板處所線路通暢，形狀規(guī)整，盡量減少結(jié)構(gòu)及舾裝品的障礙對(duì)車(chē)輛裝載的影響。

按照上述原則，汽車(chē)甲板設(shè)計(jì)時(shí)提高裝載量的對(duì)策如下：

(1)貨艙與其他區(qū)劃分隔艙壁上的扶強(qiáng)材等盡量布置在貨艙背面，以免影響汽車(chē)甲板裝載面積。

世界文明之旅活動(dòng)推動(dòng)了校園文化的創(chuàng)建和中外文化交流，并在讀書(shū)主題引導(dǎo)、閱讀興趣培養(yǎng)、各國(guó)文化交流等各個(gè)方面均起到了積極作用，真正實(shí)現(xiàn)了全方位的圖書(shū)館與讀者的雙向互動(dòng)與交流，并在此過(guò)程中引領(lǐng)了校園文化建設(shè)，得到了廣大讀者的積極評(píng)價(jià)與反饋。

(2)布置在貨艙區(qū)域的管路、電纜舾裝品及護(hù)欄會(huì)減小汽車(chē)甲板裝載面積，因此盡量將其布置在外板的強(qiáng)骨架之間。如因條件限制，必須布置在汽車(chē)甲板裝載面積以?xún)?nèi)，其占用的面積相應(yīng)扣除。

(3)車(chē)輛布置時(shí)通常將車(chē)輛沿船長(zhǎng)方向縱向布置，但在某些形狀不規(guī)則區(qū)域如艏艉部，縱向難以布置時(shí)則可橫向布置，其布置示意圖如圖4所示。車(chē)輛進(jìn)行橫向布置時(shí)必須考慮汽車(chē)甲板的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足規(guī)范要求。因?yàn)槠?chē)的縱向布置及橫向布置，甲板所承受的軸載荷是不同的，通常甲板能夠承受縱向的軸載荷要高于橫向的軸載荷，因此橫向布置的區(qū)域需進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核。如經(jīng)校核甲板強(qiáng)度不滿(mǎn)足規(guī)范要求，則權(quán)衡增加甲板強(qiáng)度與增加車(chē)位數(shù)的利弊后綜合決定。

(4)根據(jù)汽車(chē)甲板裝載面積的范圍可知，固定坡道、可移動(dòng)坡道上可以布置車(chē)輛，同時(shí)也可充分利用坡道以下凈空高度超過(guò)1.4 m的甲板空間，用于車(chē)輛布置。其布置示意圖如圖5所示。

(5)車(chē)輛布置時(shí)不僅考慮總體艙室及凈空高的影響，其他可能對(duì)車(chē)位影響的結(jié)構(gòu)也應(yīng)予以考慮，諸如貨艙內(nèi)立柱、風(fēng)機(jī)下方通風(fēng)井的形狀及舷側(cè)肋骨等。設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮汽車(chē)甲板內(nèi)布置的舾裝品，如可提升甲板移動(dòng)坡道的動(dòng)力、控制設(shè)備及管路、欄桿的影響。

圖4 船艏不規(guī)則區(qū)域的橫向布置

圖5 坡道及以下區(qū)域的車(chē)輛裝載

3 4 000車(chē)位PCTC船特點(diǎn)

4 000車(chē)位PCTC船采用船用燃油和天然氣(LNG)作為燃料。本船全長(zhǎng)181 m，型寬30 m，型深30.22 m，夏季吃水9.6 m，共有10層汽車(chē)甲板，裝載能力約為4 000標(biāo)準(zhǔn)車(chē)位。其中第4層及第6層為可提升式甲板，有3個(gè)擱置位置，便于裝載大型車(chē)輛及貨物。所有可提升甲板及錨機(jī)、纜機(jī)均采用電動(dòng)式驅(qū)動(dòng)方式。所有跳板均采用液壓控制，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。船舶滿(mǎn)足芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)范規(guī)定的1AS冰級(jí)要求，船體外板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，艏艉設(shè)置相應(yīng)的破冰設(shè)備，舾裝設(shè)備及系統(tǒng)可耐-25 ℃的環(huán)境溫度。

傳統(tǒng)汽車(chē)運(yùn)輸船設(shè)計(jì)舷側(cè)為單殼結(jié)構(gòu)，局部設(shè)置橫艙壁，貨艙內(nèi)僅有一排立柱。汽車(chē)運(yùn)輸船較為瘦長(zhǎng)，在航行中極易發(fā)生橫搖，當(dāng)船舶橫搖變形量較大時(shí)易發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷情況。為抵抗橫搖變形，4 000車(chē)位PCTC船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將干舷甲板以下設(shè)計(jì)為雙殼構(gòu)造，以增強(qiáng)船舶水線附近及以下船體結(jié)構(gòu)的剛性。同時(shí)本船在貨艙內(nèi)取消橫艙壁，改為設(shè)置兩排支柱，形成寬敞區(qū)域。其典型橫剖面見(jiàn)圖6。

4 汽車(chē)甲板內(nèi)舾裝件布置優(yōu)化

圖6 典型橫剖面圖

4.1 手提式滅火器及可提升甲板的控制電氣屏等

SOLAS規(guī)定滾裝處所各層甲板兩側(cè)都備有手提式滅火器，間距不超過(guò)20 m。按此要求，各層汽車(chē)甲板的兩舷都需要安裝大量滅火器。若布置不當(dāng)，有的滅火器會(huì)較為突兀，影響車(chē)輛的通行及裝載。本船第5層甲板以上外板為單殼結(jié)構(gòu)，因此可以將各甲板的手提式滅火器布置在外板肋骨之間及通風(fēng)井的端部。同時(shí)將第6層可提升甲板的控制電氣屏也布置在類(lèi)似處所。

第5層甲板以下的外板為雙殼結(jié)構(gòu)，外板肋骨布置在雙殼之間，手提式滅火器的位置必須專(zhuān)門(mén)研討。考慮到第4甲板為可提升甲板，要求上下升降的范圍內(nèi)不能有任何障礙物影響其活動(dòng)，最終決定在內(nèi)殼上開(kāi)設(shè)凹槽，將影響可提升甲板活動(dòng)的滅火器均布置在內(nèi)殼上的凹槽內(nèi)。

可提升甲板由多塊活動(dòng)甲板構(gòu)成。為了滿(mǎn)足每塊活動(dòng)甲板的移動(dòng)軌道及支撐塊的布置，按廠家要求，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了移動(dòng)甲板支撐盒，其邊界設(shè)置在舷側(cè)肋骨處。在滿(mǎn)足廠家要求基礎(chǔ)上對(duì)部分支撐盒進(jìn)行了擴(kuò)大，使附近的手提式滅火器也可安裝在內(nèi)。

4.2 測(cè)深管

本船的雙層底內(nèi)設(shè)計(jì)為壓載艙，各壓載艙需安裝測(cè)深管，且高度上至少穿過(guò)第1、2 層甲板延伸到第3甲板，因而測(cè)深管的布置可能對(duì)第1、2層甲板的車(chē)輛布置產(chǎn)生不利影響。考慮到各層甲板設(shè)置了兩列立柱，將測(cè)深管布置在立柱旁，既便于安裝固定，又對(duì)車(chē)位布置影響較小。同時(shí)為防止車(chē)輛碰撞損傷測(cè)深管，在測(cè)深管外專(zhuān)門(mén)設(shè)置了防護(hù)圍欄。

4.3 電纜鏈

本船第4、6層甲板設(shè)計(jì)為可提升甲板，每一段橫向分為左、中、右三塊活動(dòng)甲板，所有活動(dòng)甲板均采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。因此，每塊活動(dòng)甲板都需裝配電纜鏈，用于整合并保護(hù)動(dòng)力、信號(hào)等電纜。最初廠家推薦將每塊活動(dòng)甲板的電纜鏈均布置在立柱周?chē)Ｒ蛄⒅贾迷诳拷形恢茫创嗽O(shè)計(jì)，則每一電纜鏈都會(huì)影響汽車(chē)甲板裝載面積。為減少其不利影響，最終將左右兩側(cè)活動(dòng)甲板的電纜鏈移至舷側(cè)的導(dǎo)軌處，僅保留中間活動(dòng)甲板的電纜鏈布置在立柱周?chē)?/p>

5 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1 通風(fēng)井端部形狀

按照規(guī)范要求，貨艙內(nèi)的各層甲板要提供機(jī)械通風(fēng)，因此主甲板上布置了大量風(fēng)機(jī)，且由通風(fēng)井通向各層甲板。一般通風(fēng)井在上甲板上方為大開(kāi)口，甲板下方較窄。初始設(shè)計(jì)時(shí)考慮對(duì)應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行改善，將過(guò)渡位置放置在上下兩甲板附近，避免中間出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，但該布置會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)井過(guò)渡處所下方汽車(chē)甲板裝載面積的損失。考慮到通風(fēng)井在上甲板兩側(cè)沿船長(zhǎng)方向均已布置，損失的面積也較為可觀，因此可將通風(fēng)井設(shè)置成圓弧過(guò)渡形式，在避免應(yīng)力集中的同時(shí)，增加了下層汽車(chē)甲板的裝載面積。

5.2 船體結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)

對(duì)設(shè)置在第5甲板背面的側(cè)跳甲板底部橫梁端部補(bǔ)強(qiáng)的形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，肘板采用圓弧形狀，以減小對(duì)車(chē)輛裝載的影響。后經(jīng)設(shè)計(jì)部門(mén)優(yōu)化，最終形式確定為圖7所示的形狀。同時(shí)在下方的可提升甲板上進(jìn)行開(kāi)孔和設(shè)置蓋板，以保證可提升甲板提升至存儲(chǔ)位置時(shí)不受影響。

此外，對(duì)固定坡道、可移動(dòng)坡道，充分利用挖掘潛力，優(yōu)化背面的結(jié)構(gòu)形式和舾裝品，例如將燈具內(nèi)置于結(jié)構(gòu)條材之間，角鋼條材減小腹板高度等，以使坡道下的凈空高度大于1.4 m，滿(mǎn)足乘用車(chē)的裝載高度。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的蓬勃發(fā)展及國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，可以預(yù)期我國(guó)汽車(chē)滾裝船運(yùn)輸市場(chǎng)有著廣闊的發(fā)展前景。本文探討了限制汽車(chē)裝載面積和車(chē)位數(shù)的因素，以4 000車(chē)位PCTC船為例提出了汽車(chē)甲板設(shè)計(jì)的原則，并提出了切實(shí)有效的提高汽車(chē)甲板裝載面積及車(chē)位數(shù)這兩項(xiàng)指標(biāo)的具體方法，包括在貨艙內(nèi)壁上開(kāi)設(shè)凹槽布置滅火器，增大甲板支撐盒、通風(fēng)井圓弧過(guò)渡等。目前，4 000車(chē)位雙燃料汽車(chē)運(yùn)輸船已經(jīng)交付并服務(wù)于歐洲航線1 a多，為船東帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，船東對(duì)該船的設(shè)計(jì)較為滿(mǎn)意。本文所做的汽車(chē)甲板船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和舾裝品布置優(yōu)化探討，為今后汽車(chē)運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)考慮到法規(guī)的排放要求及清潔能源的推廣，以LNG作為燃料的船舶必然不斷增加，LNG燃料罐及相關(guān)供氣系統(tǒng)的布置也會(huì)對(duì)車(chē)輛的布置及裝載產(chǎn)生較大影響，其具體布置及優(yōu)化將作為進(jìn)一步的研究方向。

圖7 橫梁端部補(bǔ)強(qiáng)形式

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