超大型集裝箱船的艙蓋設計和安裝研究

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

隨著集裝箱運輸的發展，集裝箱船大型化趨勢日益明顯，超大型集裝箱船已經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，其全新的設計、更復雜的裝載工況和變形控制都對設計人員提出了更高的要求，因此原先的設計理念和關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層堆箱也會導致艙蓋單位面積內受力增大。為此，本文根據20 000 TEU超大型集裝箱船艙蓋的審圖和監造全過程，從設計初期關注要點、變形檢查、限位和導向布置、艙蓋附屬件設計等方面入手，重點分析其中的要點和難點，檢討利弊，總結經驗，為同型船艙蓋的設計和安裝提供一定的參考。

1 艙蓋設計初期關注要點

1.1 堆重設計標準

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計堆重見表1。

混裝時總堆重為220 t，但規格書沒有明確6.096 m(20 ft)箱及12.192 m(40 ft)箱堆重如何分配?；煅b工況下，艙蓋結構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和堆重的20 ft箱后不至于發生較大的靜態變形，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計艙蓋的結構，然后再反推20 ft箱裝5層、6層等不同層數時候的最大重量，這些數據往往船東會要求船廠提供。

1.2 貨艙開口尺寸

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

1.3 艙蓋定位銷及導向裝置的位置

根據設計慣例，該船將定位銷設置在艉部，導向裝置設置在艏部。定位銷的選用：由于傳統整體鍛鋼式的設計安全裕度過大，最大的應力一般出現在艙口圍板面板附近，面板150 mm 以下的區域實際應力水平是很小的，所以此部位的定位銷結構可以采用厚度為15 mm的圍板結構。

船寬方向位置：導向裝置原則上設置在艙蓋蓋板中心，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向的局部布置。

圖1 艙蓋尾部定位銷和導向的局部布置

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構相對固定，首端相對船體結構會產生船長方向的位移。

結構設計計算了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，需增加支撐塊的數量。該船支撐塊面壓承受極限約為300 MPa，廠家設計時面壓約為40 MPa，符合設計要求。

2 艙蓋變形相關檢查

2.1 貨艙內集裝箱頂部與艙蓋底部間隙

船東對貨艙內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集裝箱船規格書要求：“在不考慮艙蓋變形的情況下艙蓋底部和貨艙內集裝箱頂面距離不小于120 mm”。同時，在一定的貨艙高度內混裝工況下對高箱的需求越來越多，這也對設計時預留間隙提出了更高的要求。該船貨艙內集裝箱混裝的工況規定為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艙蓋結構高度1 100 mm，確認上述間隙能滿足不小于120 mm的要求；但審圖時發現艙蓋堆放腳突出艙蓋結構高度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，規格書規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(扭鎖在箱腳內的滑移余量無法吸收傾斜量)。根據廠家經驗，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鍵，需要通過調整來確認。

2.3 20 ft箱間隙處箱腳預變形的設置

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

3 艙蓋的導向設計

3.1 2種設計形式的選擇

艙蓋的導向設計目前有高位導向和低位導向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向設計，即在艙口圍板上設置略高于艙蓋頂面的導向柱，艙蓋起吊時只需要越過導向即可以平移，而不需要像高位導向(通常利用綁扎橋立柱導向)那樣提升越過綁扎橋才可以平移。

低位導向的設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向和艙蓋前后端的綁扎橋防撞方管。常規的高位導向只需要適當加強對應的綁扎橋立柱。

高位導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。突出的導向柱會占據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綁方式對箱端到導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 艙口圍板上導向結構的安裝調整

艙蓋的導向結構根據艙蓋在艙口圍板上的搭載位置定位，在船長方向導向與艙蓋之間的間隙有公差要求。艙蓋的導向一般有2種形式：

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

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

3.3 綁扎橋導向方管設計

20 000 TEU集裝箱船低位導向設計，對于40 ft箱的普通艙蓋，其端部結構連續，方管設置比較便捷。設計時考慮綁扎橋頂部艙蓋進口導向及下方綁扎橋立柱的位置，根據實際需要在艙蓋對應位置設置導向方管。因個別位置綁扎橋立柱上下不連續，設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保護。

對于裝載45 ft箱的專用艙蓋，其端部結構不連續，僅在45 ft箱腳處有突出結構，初始設計時為節省結構重量，僅在對應每片艙蓋的綁扎橋頂部進口導向位置設置了導向方管。后期發現2個問題：

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

(2)忽視了艙蓋疊放。最終通過追加導向方管及相應結構確保無障礙吊裝。

此外，對于45 ft箱艙蓋，導向方管的設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生干涉情況。

綁扎橋立柱不連續和45 ft箱專用艙蓋處追加導向方管的示例圖片見圖2。

圖2 45 ft箱專用艙蓋導向方管示意圖(豎粗線顯示導向方管)

4 其他關鍵的設計

4.1 支撐塊及其調整方案

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

該船使用的支承塊材質為復合材料，與銅支承塊在承壓能力上相當，成本和摩擦控制上優勢明顯。支承塊盒根據其安裝位置而選用不同材質及形狀：安裝在縱向艙口圍板(HT47或HT40材質)上的為HT40或DH36材質，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，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。

支承塊的高度調整有2種途徑：

(1)支承塊盒內墊不銹鋼調節片。支承塊盒內最多可插入9 mm厚度調節片。船廠在安裝過程中最多使用6 mm，交船后船東可以根據支承塊的磨損狀況再增加最多3 mm調節片。調節片有2種規格：1 mm和2 mm。

(2)支承塊盒下部可以追加20 mm以內的調節板，材質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。經計算，不存在止跳力，因此不需要設計止跳裝置。但以下幾種情況下需要考慮設置止跳裝置：

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

(2)船東提出的超出船級社規范規定的一些極端工況，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。這時側部蓋板的側板相對于接縫的強度較弱，就需要在側板中部設置止跳裝置。

4.3 接縫處擋水橡皮的設置

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置擋水橡皮，雖然可以阻止水從接縫處進入貨艙，但貨艙內裝卸集裝箱時此橡皮條極易被碰壞，再則規范對擋水橡皮沒有要求。20 000 TEU集裝箱船設計時在艙蓋頂面接縫處設置擋水扁鋼來防止水漏進貨艙，同時在計算貨艙內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 艙蓋附屬件的設計細節

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。這些非主要結構也會因研討不細致和安裝不到位而產生“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，為套在側板開口上的“靴形”橡皮。設計時未注意艙蓋上通風開口的結構加強與通風窗固定板的干涉以及結構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：該船設計時考慮了水噴淋管的安裝，艙蓋結構開孔略大于水噴淋管法蘭直徑。但在設置管支架時部分遮擋了結構開孔，不利于后期水噴淋管維護時的拆卸工作。

6 結語

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