4 000车位汽车运输船甲板布置的设计优化

2018-06-06秦建国刘灿波曾繁强

江苏船舶 2018年2期

秦建国，刘灿波，曾繁强

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏南通 226005)

0 引言

汽车运输船(PCTC)是指专门用于以运输成品轿车为主、兼运商务车或大型车辆的滚装船，有时也可运输一些滚装的包装货物。该船型通常设有多层连续汽车甲板以及跳板、坡道、坡道盖和水/气密门等复杂的滚装通道设备，甲板层数可达10～14层，同时船舷设有可供车辆在船岸之间上下的大型跳板，汽车在甲板之间转移是通过斜坡道或升降机来完成的，船和码头不需设置起重设备等，是大规模海上汽车专用运输船。汽车滚装船运输具有运量大、效率高、破损率低等优点，已经成为汽车运输的最佳方式，是当今世界汽车运输的主流方式。

汽车的积载因数大，自身重量不大，且不能堆装，因此对汽车运输船来说，车位数是其主要的性能指标之一。由于经济型车辆和大型轿车等尺寸不同，其装载量也不同，因而汽车甲板的有效装载面积同样重要，而且该数值与车位数直接相关。汽车甲板装载面积和车位数通常作为保证项目在船舶建造合同和规格书中予以规定，是船东确认的重要性能指标，直接影响汽车运输船营运的经济性。本文以某4 000车位汽车运输船为研究对象，在分析汽车甲板装载面积和车位数确定方法基础上，通过对汽车甲板的合理布置，尽量增大汽车甲板的装载面积，从而提高汽车运输船的车位数和船舶的有效利用率，增强船舶的经济性和市场竞争力。

1 汽车甲板装载面积和车位数的确定

1.1 汽车甲板的装载面积

汽车甲板的装载面积是指各层汽车甲板上能够装载车辆部分的有效面积。汽车甲板装载面积的具体规定虽然与船东的要求有关，但原则上一般从外板肋骨、横舱壁及侧壁的内侧量起，同时需扣除汽车甲板上被船体主结构件、舾装品如管路、电缆及其护栏等遮挡区域，以及净空高度过小无法装载车辆的区域。典型处所的汽车甲板装载面积如图1～图3中阴影部分所示。

图1 外板强框架以内

1.2 车位数

汽车运输船的车位数一般是用日本首次向北美出口的“CORONA RT43L”为标准车型来核算的。RT43L车型的长为4 125 mm，宽1 550 mm，L表示左手侧方向盘。核算时车与车之间的间距纵向为300 mm，横向为100 mm，车与舱壁、支柱等船体构件之间间距为300 mm。车位数是货主与船东公司互相确认的重要性能指标之一，船型、主尺度及总布置等设计工作均是在车位数的基础上展开的。

图2 扣除管路、电缆及其护栏

图3 坡道表面及坡道以下净空高度超过1.4 m的区域

车位数的核算不能根据“甲板装载面积/单位车辆所占面积”进行，因为在甲板边缘或不规则区域，虽然面积满足，但形状上却无法完整地安放一辆车，从而不能作为有效的装载面积。因此，要确定船舶的车位数，首先需要在装载面积范围内，使用要求的车型进行车辆布置；其次按照布置图统计实际放置车辆的数量，即得到船舶的车位数。

2 汽车装载限制因素及对策

汽车运输船通常设置多层甲板。由于汽车运输船的特殊性，从船舶的使用方便性考虑，为了使车辆在上下船时能快速行驶，因而希望各甲板间的货舱是相通无阻碍的，水(气)密甲板、水(气)密舱壁设置得越少、单一的货舱区划越大越好。但是越大的货舱将导致船舶破损后更多的进水量，从而无法满足SOLAS(国际海上人命安全公约)中破损稳性的相关要求。同时更大的货舱区划意味着需要配备更高等级和规格的固定消防系统等，这些都会导致设计难度的增加及建造成本的提高。因此，如何合理设置货舱区划，使之既能满足使用要求，又能满足破舱稳性及消防等要求，需要在船舶进行全面的设计评估后再确定。

2.1 限制因素

汽车运输船的货舱通常为单壳结构，向内的舷侧肋骨等突出结构会影响装载车辆的数量；同时为满足破损稳性的要求，货舱区域被划分为若干区划，横向或纵向布置的水密舱壁会妨碍汽车通行。此外，货舱内各层甲板之间还设置一排或两排立柱，以便为甲板提供足够强度，但立柱的设置同样会影响车辆的布置及通行。

汽车运输船如采用特殊设计，特定用途的舱室也会影响汽车装载。双燃料汽车运输船采用液化天然气(LNG)为动力，布置有安装LNG燃料罐的舱室，占据了部分车辆装载的空间，减少了车辆装载。

为了能够载运重型车，兼顾各类型号的车辆，汽车运输船在舱内设计了可提升式甲板。可提升式甲板的工作支座通常位于立柱、强肋骨、舱壁等船体构件上，立柱旁安装电缆链、提升钢丝绳、高位支撑块等舾装品，舱壁处安装电气控制屏操纵甲板运动，这些舾装品都会对车辆装载产生影响。

同时，为满足规范对货舱通风及灭火的要求，需要设置大量的通风井及便携式灭火器等，其布置的合理与否也会直接影响到车辆装载。

2.2 布置原则及对策

考虑到车辆通行及停放的使用特点，在进行汽车甲板设计时的一项重要原则就是在安全前提下保证货舱区域即汽车甲板处所线路通畅，形状规整，尽量减少结构及舾装品的障碍对车辆装载的影响。

按照上述原则，汽车甲板设计时提高装载量的对策如下：

(1)货舱与其他区划分隔舱壁上的扶强材等尽量布置在货舱背面，以免影响汽车甲板装载面积。

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(2)布置在货舱区域的管路、电缆舾装品及护栏会减小汽车甲板装载面积，因此尽量将其布置在外板的强骨架之间。如因条件限制，必须布置在汽车甲板装载面积以内，其占用的面积相应扣除。

(3)车辆布置时通常将车辆沿船长方向纵向布置，但在某些形状不规则区域如艏艉部，纵向难以布置时则可横向布置，其布置示意图如图4所示。车辆进行横向布置时必须考虑汽车甲板的强度是否满足规范要求。因为汽车的纵向布置及横向布置，甲板所承受的轴载荷是不同的，通常甲板能够承受纵向的轴载荷要高于横向的轴载荷，因此横向布置的区域需进行结构强度的校核。如经校核甲板强度不满足规范要求，则权衡增加甲板强度与增加车位数的利弊后综合决定。

(4)根据汽车甲板装载面积的范围可知，固定坡道、可移动坡道上可以布置车辆，同时也可充分利用坡道以下净空高度超过1.4 m的甲板空间，用于车辆布置。其布置示意图如图5所示。

(5)车辆布置时不仅考虑总体舱室及净空高的影响，其他可能对车位影响的结构也应予以考虑，诸如货舱内立柱、风机下方通风井的形状及舷侧肋骨等。设计时还需考虑汽车甲板内布置的舾装品，如可提升甲板移动坡道的动力、控制设备及管路、栏杆的影响。

图4 船艏不规则区域的横向布置

图5 坡道及以下区域的车辆装载

3 4 000车位PCTC船特点

4 000车位PCTC船采用船用燃油和天然气(LNG)作为燃料。本船全长181 m，型宽30 m，型深30.22 m，夏季吃水9.6 m，共有10层汽车甲板，装载能力约为4 000标准车位。其中第4层及第6层为可提升式甲板，有3个搁置位置，便于装载大型车辆及货物。所有可提升甲板及锚机、缆机均采用电动式驱动方式。所有跳板均采用液压控制，操作简单，维护方便。船舶满足芬兰-瑞典冰级规范规定的1AS冰级要求，船体外板进行结构加强，艏艉设置相应的破冰设备，舾装设备及系统可耐-25 ℃的环境温度。

传统汽车运输船设计舷侧为单壳结构，局部设置横舱壁，货舱内仅有一排立柱。汽车运输船较为瘦长，在航行中极易发生横摇，当船舶横摇变形量较大时易发生结构损伤情况。为抵抗横摇变形，4 000车位PCTC船结构设计时将干舷甲板以下设计为双壳构造，以增强船舶水线附近及以下船体结构的刚性。同时本船在货舱内取消横舱壁，改为设置两排支柱，形成宽敞区域。其典型横剖面见图6。

4 汽车甲板内舾装件布置优化

图6 典型横剖面图

4.1 手提式灭火器及可提升甲板的控制电气屏等

SOLAS规定滚装处所各层甲板两侧都备有手提式灭火器，间距不超过20 m。按此要求，各层汽车甲板的两舷都需要安装大量灭火器。若布置不当，有的灭火器会较为突兀，影响车辆的通行及装载。本船第5层甲板以上外板为单壳结构，因此可以将各甲板的手提式灭火器布置在外板肋骨之间及通风井的端部。同时将第6层可提升甲板的控制电气屏也布置在类似处所。

第5层甲板以下的外板为双壳结构，外板肋骨布置在双壳之间，手提式灭火器的位置必须专门研讨。考虑到第4甲板为可提升甲板，要求上下升降的范围内不能有任何障碍物影响其活动，最终决定在内壳上开设凹槽，将影响可提升甲板活动的灭火器均布置在内壳上的凹槽内。

可提升甲板由多块活动甲板构成。为了满足每块活动甲板的移动轨道及支撑块的布置，按厂家要求，专门设置了移动甲板支撑盒，其边界设置在舷侧肋骨处。在满足厂家要求基础上对部分支撑盒进行了扩大，使附近的手提式灭火器也可安装在内。

4.2 测深管

本船的双层底内设计为压载舱，各压载舱需安装测深管，且高度上至少穿过第1、2 层甲板延伸到第3甲板，因而测深管的布置可能对第1、2层甲板的车辆布置产生不利影响。考虑到各层甲板设置了两列立柱，将测深管布置在立柱旁，既便于安装固定，又对车位布置影响较小。同时为防止车辆碰撞损伤测深管，在测深管外专门设置了防护围栏。

4.3 电缆链

本船第4、6层甲板设计为可提升甲板，每一段横向分为左、中、右三块活动甲板，所有活动甲板均采用电动驱动方式。因此，每块活动甲板都需装配电缆链，用于整合并保护动力、信号等电缆。最初厂家推荐将每块活动甲板的电缆链均布置在立柱周围。因立柱布置在靠近船中位置，按此设计，则每一电缆链都会影响汽车甲板装载面积。为减少其不利影响，最终将左右两侧活动甲板的电缆链移至舷侧的导轨处，仅保留中间活动甲板的电缆链布置在立柱周围。

5 船体结构设计优化

5.1 通风井端部形状

按照规范要求，货舱内的各层甲板要提供机械通风，因此主甲板上布置了大量风机，且由通风井通向各层甲板。一般通风井在上甲板上方为大开口，甲板下方较窄。初始设计时考虑对应力集中点进行改善，将过渡位置放置在上下两甲板附近，避免中间出现应力集中的情况，但该布置会导致通风井过渡处所下方汽车甲板装载面积的损失。考虑到通风井在上甲板两侧沿船长方向均已布置，损失的面积也较为可观，因此可将通风井设置成圆弧过渡形式，在避免应力集中的同时，增加了下层汽车甲板的装载面积。

5.2 船体结构局部加强

对设置在第5甲板背面的侧跳甲板底部横梁端部补强的形式进行优化设计，肘板采用圆弧形状，以减小对车辆装载的影响。后经设计部门优化，最终形式确定为图7所示的形状。同时在下方的可提升甲板上进行开孔和设置盖板，以保证可提升甲板提升至存储位置时不受影响。

此外，对固定坡道、可移动坡道，充分利用挖掘潜力，优化背面的结构形式和舾装品，例如将灯具内置于结构条材之间，角钢条材减小腹板高度等，以使坡道下的净空高度大于1.4 m，满足乘用车的装载高度。

6 结语

随着我国汽车工业的蓬勃发展及国家“一带一路”战略的实施，可以预期我国汽车滚装船运输市场有着广阔的发展前景。本文探讨了限制汽车装载面积和车位数的因素，以4 000车位PCTC船为例提出了汽车甲板设计的原则，并提出了切实有效的提高汽车甲板装载面积及车位数这两项指标的具体方法，包括在货舱内壁上开设凹槽布置灭火器，增大甲板支撑盒、通风井圆弧过渡等。目前，4 000车位双燃料汽车运输船已经交付并服务于欧洲航线1 a多，为船东带来了良好的经济效益，船东对该船的设计较为满意。本文所做的汽车甲板船结构设计和舾装品布置优化探讨，为今后汽车运输船的设计提供参考。同时考虑到法规的排放要求及清洁能源的推广，以LNG作为燃料的船舶必然不断增加，LNG燃料罐及相关供气系统的布置也会对车辆的布置及装载产生较大影响，其具体布置及优化将作为进一步的研究方向。