重大件落支墩拖航运输系固分析及应用

黄雨促，田佰军2，李兴举，杨栋

(1.中国外运大件物流有限公司,上海 201204；2.大连海事大学 航海学院,辽宁 大连 116026)

滚卸已成为当今重大件货物卸船的主流方式之一，由于重大件滚卸时需要让车辆钻到底部进行顶升，因此，在运输时货物通常需要落到一定高度的支墩上为滚卸时车辆的进入留出足够空间，见图1。

图1 重大件落支墩示意

某些项目现场码头条件不足，无法直接靠泊重吊船，需要重吊船先靠港或者在锚地抛锚，将重大件货物吊卸至驳船，再由驳船将货物沿航道进一步运抵条件较差的现场码头进行滚卸。

驳船分为自航驳船和非自航驳船，由于重大件货物的倒运属于短距离港内运输，海况平稳，采用非自航驳船的拖航运输即可满足运输要求，且非自航驳船的租赁费用通常远低于自航驳船，经济效益较好，故非自航驳船的拖航运输比较适合于重大件货物的倒运[1]。基于这种情况，重大件采用落支墩的方式进行短距离拖航运输，由于货物底部用支墩进行支撑，提高了货物的重心高度，且货物与支墩不是一个整体，运输过程中两者有可能发生相对滑动，增大了重大件的系固难度，稍有不慎就有可能导致货物从支墩上落下，造成货损船毁的局面。

1 外力

由于重大件货物的倒运属于短距离港内拖航运输，一般情况下风浪不大，且货物落在支墩上，几乎不受海水飞溅的影响，因此，在拖航运输过程中波溅力可以忽略不计，作用在货物上的外力还有惯性力和风压力。

1.1 横向作用力

货物受到的横向合外力Fy为[2]

Fy=MAy+Fqy

(1)

式中：M为货物重量，t；Fqy为横向风作用力，根据货物侧向投影面积，取0.70 kN/m2；Ay为横向加速度，m/s2，按下式计算。

(2)

式中：rφ为货物质量中心至水线处假定的旋转中心的距离，m，见图2；β为夹角，见图2；φ0为最大横摇角，通常按15°计算；g为重力加速度，取9.81 m/s2；Tφ为横摇周期，s，按下式计算。

(3)

(4)

图2 驳船横剖面

1.2 纵向作用力

货物受到的纵向合外力Fx为

Fx=MAx+Fqx

(5)

式中：Ax为纵向加速度，m/s2；M为货物质量，t；Fqx为纵向风作用力，根据货物在船中横剖面上的投影面积计算，其取值标准同式(1)，其中纵向加速度Ax为

(6)

式中：rψ为货物质量中心至水线处假定的旋转中心的距离，m，见图3；β为夹角，见图3；ψ0为最大纵摇角，通常按5°计算；Tψ为纵摇周期，如无资料可按10 s计算；g为重力加速度。

图3 驳船纵剖面

1.3 垂向作用力

作用在货物上的垂向合外力Fz为

Fz=M(g-a)

(7)

式中：a为垂向加速度，a=3.75e-0.003L，但不大于3 m/s2，其中L为船长,m。

2 约束力

2.1 系固方式

针对重大件货物落支墩后的系固，采用钢丝绳或者铁链等系固索具将重大件货物系固于驳船的甲板上，同时在货物底部的支墩周围焊接止动块，防止在拖航运输途中支墩发生滑动[3-5]，见图4。

图4 重大件系固示意

2.2 约束力计算

1)破断强度(BS)。系固设备在拉伸试验中使其达到破断状态时的拉力，制造厂家应提供系固设备的破断强度资料。

2)最大系固负荷(MSL)。用以确定系固设备系固货物时所允许的最大负荷能力。

MSL=δ×BS

(8)

式中：δ为各系固设备材料的系数，见表1。

表1 系固设备系数

多设备串联使用时，MSL取其中的最小者。

3)计算强度(CS)。考虑到货物系固时可能存在受力不均匀、系固水平限制或其他因数，应取适当安全系数来折减最大系固负荷，折减后的MSL则称为系固设备的计算强度，安全系数取1.35[6]。

表1中各系固设备的系数是IMO《货物积载与系固安全操作规则》基于10级风以上的远洋运输海况进行折减所得，文中的重大件港内倒运一般海况较好，风级为6级以下。因此，若采用《货物积载与系固安全操作规则》中表1的系数进行系固力计算固然安全，但过于保守，劳动强度大且不经济。由于铁链、地令和卸扣等系固索具均为首次使用，且港内海况平稳，根据现场操作经验，取CS=MSL=BS×0.9。

重大件货物横向滑动和纵向滑动约束力为

(9)

式中：u为货件底部与甲板之间的摩擦系数，根据两者之间的材料来取值；g为重力加速度；CSi、CSj为横向和纵向上每根系索的计算强度；fi、fj为横向和纵向上每根系索的计算系数，fi=cosαcosβ+μsinα，fj=cosαsinβ+μsinα。

作用于货件上的横向约束力矩与倾覆力矩方向相反，由货物自身具有的重量约束力矩和系索提供的约束力矩两部分组成。约束力矩为

[My]=mgb′+∑CSi·li

(10)

式中：b′为货物质心至横向翻到轴的水平距离，m，对于重量横向对称的货件，可取其底部宽度的1/2；当货物横向不对称时，应分别计算；li为横向翻到轴至各系索的垂直距离，m，也就是系索的系固力臂。

l=hccosα+bsinα

(11)

式中：hc为系固点距货件底部高度，m；b为货物宽度，m。

在重大件货物系固中，止动块通常采用等边直角焊的方式进行焊接，见图5。l为焊缝长度，mm，h为焊缝高度，mm，单个止动块的约束力如下。

(12)

式中：σ为止动块材料的屈服强度，取235 MPa；δ为安全系数。

图5 直角焊示意

2.3 约束力设计原则

防止重大件货物发生滑动的约束力分为3部分：①由重大件与垫料之间产生的摩擦力所提供;②由钢丝绳等系固索具提供；③由焊接在支墩周围的止动块对支墩产生的约束力提供。重大件货物的约束力矩由自身的质量矩和系固索具产生的约束力矩一起提供。约束力的设计原则如下。

货物任一侧(左舷或右舷)的系固设备的MSL之和应大于等于该货物的重量，并在货物支墩周围适当焊接止动块防止支墩滑动。

约束力表示如下。

(13)

式中：Ff为重大件货物与垫料产生的摩擦力；Fy为重大件货物横向合外力；Fx为重大件货物纵向合外力；Fy1为系固索具的横向约束力；Fy2为止动块的横向约束力；Fx1为系固索具的纵向设计约束力。

2.4 系固方案校核标准

重大件货物的系固方案需要进行校核，各项均须满足要求。系固方案的校核标准如下[8]。

(14)

式中：Fy、Fx分别为横向、纵向合外力；[Fy1]、[Fy2]分别为左、右侧横向约束力；[Fx1]、[Fx2]分别为前、后侧纵向约束力；My为横向合外力矩；[My]为横向约束力矩。

3 案例分析

某罐体重大件货物R内径5.4 m，长28.4 m，重500 t，底部鞍座宽度8.5 m，系固点距离甲板7.1 m，支墩高度1.5 m，左右对称积载于驳船船中，货物重心距船艏42.65 m，距船舷12.2 m，见图6。现将该货物通过驳船从A港拖航至B码头滚卸，驳船型长85.3 m，型宽24.4 m，型深4.88 m，拖航时的平均吃水为1.8 m。

图6 货物R在驳船上的积载

1)系固材料。破断强度BS=200 kN的新铁链、尺寸为25 cm×25 cm×40 cm的H型钢、破断强度BS=360 kN的新地令。

2)系固方案。货物R左右两侧各拉28道铁链，垂向系固角为45°，横向系固角为0°；每个支墩左右各双面烧焊1个H型钢，货物左右各4个支墩，单侧共需要8个H型钢，焊缝长度50 cm、高度1 cm；货物鞍座和支墩之间以及支墩和驳船甲板之间均垫上橡胶皮。计算结果见表2。

表2 系固方案计算结果

由表2的计算结果可知，系固方案满足式(14)的校核标准，故该系固方案可以实施。

4 结论

1)由于重大件货物体积大、质心高，在满足滚卸进车的条件下应优先选择高度低的支墩进行支撑，以降低货物质心高度，减小货物受力，保证运输安全。

2)当货物对称积载于船中时，受到的合外力最小，应优先考虑将重大件积载于船舯位置，有利于货物的安全运输。

3)对于重大件落支墩运输的系固，柔性和刚性联合系固的方式较传统的柔性系固，既可保证货物自身的系固，也能防止由于支墩滑动而造成货物掉落的危险，同时止动块可由人工通过锤子解除与甲板的焊接，便于现场操作，安全高效。

4)针对重大件货物港内短距离拖航倒运，由于海况较好，货物系固时可根据现场情况对IMO《货物积载与系固安全操作规则》中系固设备的系数进行优化，文中取0.9。在保证安全的前提下，节省了绑扎材料，降低了劳动强度，安全而经济，可为类似的重大件运输提供参考。