重大件落支墩拖航運輸系固分析及應用

黃雨促，田佰軍2，李興舉，楊棟

(1.中國外運大件物流有限公司,上海 201204；2.大連海事大學 航海學院,遼寧 大連 116026)

滾卸已成為當今重大件貨物卸船的主流方式之一，由于重大件滾卸時需要讓車輛鉆到底部進行頂升，因此，在運輸時貨物通常需要落到一定高度的支墩上為滾卸時車輛的進入留出足夠空間，見圖1。

圖1 重大件落支墩示意

某些項目現場碼頭條件不足，無法直接靠泊重吊船，需要重吊船先靠港或者在錨地拋錨，將重大件貨物吊卸至駁船，再由駁船將貨物沿航道進一步運抵條件較差的現場碼頭進行滾卸。

駁船分為自航駁船和非自航駁船，由于重大件貨物的倒運屬于短距離港內運輸，海況平穩，采用非自航駁船的拖航運輸即可滿足運輸要求，且非自航駁船的租賃費用通常遠低于自航駁船，經濟效益較好，故非自航駁船的拖航運輸比較適合于重大件貨物的倒運[1]。基于這種情況，重大件采用落支墩的方式進行短距離拖航運輸，由于貨物底部用支墩進行支撐，提高了貨物的重心高度，且貨物與支墩不是一個整體，運輸過程中兩者有可能發生相對滑動，增大了重大件的系固難度，稍有不慎就有可能導致貨物從支墩上落下，造成貨損船毀的局面。

1 外力

由于重大件貨物的倒運屬于短距離港內拖航運輸，一般情況下風浪不大，且貨物落在支墩上，幾乎不受海水飛濺的影響，因此，在拖航運輸過程中波濺力可以忽略不計，作用在貨物上的外力還有慣性力和風壓力。

1.1 橫向作用力

貨物受到的橫向合外力Fy為[2]

Fy=MAy+Fqy

(1)

式中：M為貨物重量，t；Fqy為橫向風作用力，根據貨物側向投影面積，取0.70 kN/m2；Ay為橫向加速度，m/s2，按下式計算。

(2)

式中：rφ為貨物質量中心至水線處假定的旋轉中心的距離，m，見圖2；β為夾角，見圖2；φ0為最大橫搖角，通常按15°計算；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Tφ為橫搖周期，s，按下式計算。

(3)

(4)

圖2 駁船橫剖面

1.2 縱向作用力

貨物受到的縱向合外力Fx為

Fx=MAx+Fqx

(5)

式中：Ax為縱向加速度，m/s2；M為貨物質量，t；Fqx為縱向風作用力，根據貨物在船中橫剖面上的投影面積計算，其取值標準同式(1)，其中縱向加速度Ax為

(6)

式中：rψ為貨物質量中心至水線處假定的旋轉中心的距離，m，見圖3；β為夾角，見圖3；ψ0為最大縱搖角，通常按5°計算；Tψ為縱搖周期，如無資料可按10 s計算；g為重力加速度。

圖3 駁船縱剖面

1.3 垂向作用力

作用在貨物上的垂向合外力Fz為

Fz=M(g-a)

(7)

式中：a為垂向加速度，a=3.75e-0.003L，但不大于3 m/s2，其中L為船長,m。

2 約束力

2.1 系固方式

針對重大件貨物落支墩后的系固，采用鋼絲繩或者鐵鏈等系固索具將重大件貨物系固于駁船的甲板上，同時在貨物底部的支墩周圍焊接止動塊，防止在拖航運輸途中支墩發生滑動[3-5]，見圖4。

圖4 重大件系固示意

2.2 約束力計算

1)破斷強度(BS)。系固設備在拉伸試驗中使其達到破斷狀態時的拉力，制造廠家應提供系固設備的破斷強度資料。

2)最大系固負荷(MSL)。用以確定系固設備系固貨物時所允許的最大負荷能力。

MSL=δ×BS

(8)

式中：δ為各系固設備材料的系數，見表1。

表1 系固設備系數

多設備串聯使用時，MSL取其中的最小者。

3)計算強度(CS)。考慮到貨物系固時可能存在受力不均勻、系固水平限制或其他因數，應取適當安全系數來折減最大系固負荷，折減后的MSL則稱為系固設備的計算強度，安全系數取1.35[6]。

表1中各系固設備的系數是IMO《貨物積載與系固安全操作規則》基于10級風以上的遠洋運輸海況進行折減所得，文中的重大件港內倒運一般海況較好，風級為6級以下。因此，若采用《貨物積載與系固安全操作規則》中表1的系數進行系固力計算固然安全，但過于保守，勞動強度大且不經濟。由于鐵鏈、地令和卸扣等系固索具均為首次使用，且港內海況平穩，根據現場操作經驗，取CS=MSL=BS×0.9。

重大件貨物橫向滑動和縱向滑動約束力為

(9)

式中：u為貨件底部與甲板之間的摩擦系數，根據兩者之間的材料來取值；g為重力加速度；CSi、CSj為橫向和縱向上每根系索的計算強度；fi、fj為橫向和縱向上每根系索的計算系數，fi=cosαcosβ+μsinα，fj=cosαsinβ+μsinα。

作用于貨件上的橫向約束力矩與傾覆力矩方向相反，由貨物自身具有的重量約束力矩和系索提供的約束力矩兩部分組成。約束力矩為

[My]=mgb′+∑CSi·li

(10)

式中：b′為貨物質心至橫向翻到軸的水平距離，m，對于重量橫向對稱的貨件，可取其底部寬度的1/2；當貨物橫向不對稱時，應分別計算；li為橫向翻到軸至各系索的垂直距離，m，也就是系索的系固力臂。

l=hccosα+bsinα

(11)

式中：hc為系固點距貨件底部高度，m；b為貨物寬度，m。

在重大件貨物系固中，止動塊通常采用等邊直角焊的方式進行焊接，見圖5。l為焊縫長度，mm，h為焊縫高度，mm，單個止動塊的約束力如下。

(12)

式中：σ為止動塊材料的屈服強度，取235 MPa；δ為安全系數。

圖5 直角焊示意

2.3 約束力設計原則

防止重大件貨物發生滑動的約束力分為3部分：①由重大件與墊料之間產生的摩擦力所提供;②由鋼絲繩等系固索具提供；③由焊接在支墩周圍的止動塊對支墩產生的約束力提供。重大件貨物的約束力矩由自身的質量矩和系固索具產生的約束力矩一起提供。約束力的設計原則如下。

貨物任一側(左舷或右舷)的系固設備的MSL之和應大于等于該貨物的重量，并在貨物支墩周圍適當焊接止動塊防止支墩滑動。

約束力表示如下。

(13)

式中：Ff為重大件貨物與墊料產生的摩擦力；Fy為重大件貨物橫向合外力；Fx為重大件貨物縱向合外力；Fy1為系固索具的橫向約束力；Fy2為止動塊的橫向約束力；Fx1為系固索具的縱向設計約束力。

2.4 系固方案校核標準

重大件貨物的系固方案需要進行校核，各項均須滿足要求。系固方案的校核標準如下[8]。

(14)

式中：Fy、Fx分別為橫向、縱向合外力；[Fy1]、[Fy2]分別為左、右側橫向約束力；[Fx1]、[Fx2]分別為前、后側縱向約束力；My為橫向合外力矩；[My]為橫向約束力矩。

3 案例分析

某罐體重大件貨物R內徑5.4 m，長28.4 m，重500 t，底部鞍座寬度8.5 m，系固點距離甲板7.1 m，支墩高度1.5 m，左右對稱積載于駁船船中，貨物重心距船艏42.65 m，距船舷12.2 m，見圖6。現將該貨物通過駁船從A港拖航至B碼頭滾卸，駁船型長85.3 m，型寬24.4 m，型深4.88 m，拖航時的平均吃水為1.8 m。

圖6 貨物R在駁船上的積載

1)系固材料。破斷強度BS=200 kN的新鐵鏈、尺寸為25 cm×25 cm×40 cm的H型鋼、破斷強度BS=360 kN的新地令。

2)系固方案。貨物R左右兩側各拉28道鐵鏈，垂向系固角為45°，橫向系固角為0°；每個支墩左右各雙面燒焊1個H型鋼，貨物左右各4個支墩，單側共需要8個H型鋼，焊縫長度50 cm、高度1 cm；貨物鞍座和支墩之間以及支墩和駁船甲板之間均墊上橡膠皮。計算結果見表2。

表2 系固方案計算結果

由表2的計算結果可知，系固方案滿足式(14)的校核標準，故該系固方案可以實施。

4 結論

1)由于重大件貨物體積大、質心高，在滿足滾卸進車的條件下應優先選擇高度低的支墩進行支撐，以降低貨物質心高度，減小貨物受力，保證運輸安全。

2)當貨物對稱積載于船中時，受到的合外力最小，應優先考慮將重大件積載于船舯位置，有利于貨物的安全運輸。

3)對于重大件落支墩運輸的系固，柔性和剛性聯合系固的方式較傳統的柔性系固，既可保證貨物自身的系固，也能防止由于支墩滑動而造成貨物掉落的危險，同時止動塊可由人工通過錘子解除與甲板的焊接，便于現場操作，安全高效。

4)針對重大件貨物港內短距離拖航倒運，由于海況較好，貨物系固時可根據現場情況對IMO《貨物積載與系固安全操作規則》中系固設備的系數進行優化，文中取0.9。在保證安全的前提下，節省了綁扎材料，降低了勞動強度，安全而經濟，可為類似的重大件運輸提供參考。