火车运输船纵横倾调载系统设计

郭晟江,丁超,丰硕

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

上海船舶研究设计院设计的火车运输船是一型服务于美国与墨西哥港口、进行跨墨西哥湾火车运输的滚装货船，可将莫比尔港(美)和夸察夸尔科斯港(墨)间的火车运输距离由1 400 mile缩短为900 mile[1]，使两地的铁路运输网通过海路形成快速衔接。火车运输船设有2层车辆甲板以装载火车车辆，车辆甲板数量与码头的火车匝道数量一致，船上各层甲板的火车轨道可以通过栈桥直接与码头匝道的火车轨道对接，使火车车辆可以快速上下船。该船可装载136辆重约110 t的火车车辆，经船上和码头的火车轨道上下。这与普通滚装船不同，后者车辆跳板与码头的夹角可达10°，而栈桥对纵倾和横倾的角度要求更严格，一般纵倾不超过±30‰，横倾不超过±2°。由于火车车辆负荷重，单层甲板上的火车车辆上下船后，对船舶的浮态影响很大，需控制栈桥衔接处的高低位置，避免由于纵倾角过大使得装卸货时火车在栈桥上的坡角超出其爬坡能力而无法上下船，考虑通过调整艏艉水舱，使船舶吃水和纵倾角在合理范围内；同时，由于船舶与码头间采用的是栈桥搭接在船尾处，如船舶横倾较大，会使栈桥发生扭转，造成破坏，因此也需严格控制船舶的横倾。

此外，码头设施、航道地形、潮汐等对火车运输船装卸货的影响也很大，这些因素均在设计中一并考虑。

1 码头条件

1.1 栈桥

受码头地形影响，火车运输船无法直接与码头火车匝道相连接，必须通过一段栈桥实现。船-岸栈桥连接示意见图1，栈桥的一端固定连接于码头侧，另一端则搭接到船尾。与船尾搭接的那一端具有一定的上下、左右活动空间。

图1 船-岸栈桥连接示意

与该船对接的码头建造于30年前，栈桥长度仅为22.86 m，且受各方限制无法加长。与我国航行于烟台-大连间的烟大火车渡船对应的栈桥长度82.5 m相比[2]，显得非常短，且更靠近码头。使得码头水深对船舶吃水的制约更大，增加了该船设计的难度。

栈桥坡度有极限值，最大为+35‰，最小为-30‰[3]。因此，栈桥的垂向活动空间不能过大，由于码头栈桥长度仅22.86 m，栈桥的垂直方向活动空间允许范围为：上限800 mm、下限-685 mm。

1.2 水文条件

根据当地发布的水文条件信息，码头栈桥处的水深情况见表1。

表1 栈桥处不同潮位水深表 m

船舶装卸货的时候，需要根据码头的潮位水深情况调节自身吃水，使火车车辆甲板面能在栈桥的允许连接高度差范围(900 mm)内有效与栈桥连接，同时还要考虑船舶与码头底部的间隙，避免船底碰到码头泥底。

1.3 不同潮位下的船舶吃水限制

由于栈桥垂向的活动空间有限，且船舶在装卸货时需保持一定的水平状态，船舶吃水必须同时考虑栈桥活动空间、首尾倾程度、潮位等因素。栈桥的活动空间、船舶的水深、倾斜幅度等信息见表2，根据这些信息综合考虑船舶的吃水限制。

表2 栈桥活动空间与首尾倾情况

为使船舶能在安全、可靠的前提下进行装卸货作业，需对船舶尾部吃水进行限值，因此引入潮位和暗涌的影响，具体见表3。

表3 不同潮位时的吃水要求 m

在保证船舶不触底、栈桥活动范围适当的前提下，不同潮位船舶尾封板处的允许吃水范围明显不同：春季高潮位时，吃水不得小于7.14 m；春季低潮位及涌时，吃水不得大于6.4 m。这些均成为船舶进行安全可靠装卸货作业的重要前提条件。

2 装卸货工况介绍

2.1 装卸货顺序

对于起始使用栈桥号没有约束，主甲板和上甲板的任一栈桥都可以最先开始装卸货。但一旦起始栈桥投入使用后，为使船舶的浮态变化不会太大、稳性维持在安全范围内，对后续启用哪一个栈桥需要进行约束，约束方法根据甲板上车辆分布而定。

上甲板78个车辆位置在各轨道上的分布见表4。为维持平稳，左右舷的车辆上下数量应接近，一舷有车辆上下后，不能马上在同一舷继续进行车辆上下，需要在另一舷相对应的位置进行车辆上下。比如，假设经#1栈桥将1～3轨道上的21辆火车卸到了码头，重新调整船舶到可卸货状态后，接下来要卸#6栈桥对应的8～10轨道上的21辆火车。栈桥、轨道间的对应关系见表5。

表4 上甲板车辆(78)分布示意

表5 上甲板火车轨道与栈桥编号对应关系

主甲板58个车辆位置分布示意及上下对应关系示意详见表6和表7。

表6 主甲板车辆(58)分布示意

表7 主甲板火车轨道与栈桥编号对应关系

2.2 压载到港时装卸货工况

压载到港装载工况有3对边压载水舱和1个中压载水舱注满水，此时船舶首吃水为4.401 m，尾吃水为5.201 m，横倾角为0.1°。从图2潮位、船舶主甲板，以及码头栈桥的相对位置可知，压载到港尾吃水过小，如图中阴影部分所示，在任何潮位状态下均无法使栈桥与船舶轨道安全连接，需要往压载舱注入压载水，使船舶尾吃水达到允许的位置。比如平均低位水线(MLW)正常潮位时，船舶主甲板与栈桥的高差大于0.75 m(栈桥活动的上极限)，这时需要先往船上注入压载水，将吃水提高到6.35 m以上，使栈桥与船舶轨道能安全连接后，才能进行装货作业。其他潮位时，采取类似调整措施。

图2 压载到港工况不同潮位时尾部吃水与主甲板相对高度

2.3 满载出港时装卸货工况

满载出港装载工况有2对边压载水舱注满水，此时船舶首吃水6.896 m，尾吃水6.907 m，横倾角为0.0°。从图3潮位、船舶主甲板，以及码头栈桥的相对位置可知，平均低位水线(MLW)正常潮位和春季低潮位时，船舶主甲板与栈桥的高差均小于0.75 m(栈桥活动的上极限)，因此栈桥与船舶轨道能安全连接，可以进行卸货作业。但如图中阴影部分所示，在春季高潮位时，船舶主甲板与栈桥的高差大于0.75 m(栈桥活动的上极限)，因此须先往船上注入压载水，将吃水提高到7.14 m；春季低潮位及涌时，船舶主甲板与栈桥的高差小于-0.15 m(栈桥活动的下极限)，因此须往船外排出压载水，使尾部吃水降到6.40 m以下。通过采取上述措施，确保栈桥与船舶轨道能安全连接，才能进行卸货作业。

图3 满载出港工况不同潮位时尾部吃水与主甲板相对高度

3 纵倾调载系统

3.1 纵倾角度限值及纵倾调载能力

火车运输船设有2层车辆甲板，其中上甲板无遮蔽，主甲板被上甲板遮蔽。码头、栈桥与船舶甲板面处于同一水平面时，车辆上下比较自由。但船舶到港时不一定能做到完全水平，艏艉可能存在吃水差，即有纵倾角存在。纵倾角会影响火车的上下能力。

从船舶运营方得到信息：装卸货工况，最大允许艉倾值为1 m，最大允许艏倾值为0.75 m。换算成角度，则为[179.68°,180.24°]，此夹角范围比净空间角度范围窄，火车通行的安全系数更高。

上甲板#1栈桥对应的#1-#3火车轨道，作为同一上船序列，共有21辆火车在20 min内进入船内，此也是同一上船序列的最大火车数。火车以相对缓慢的速度上船，且#1～#3火车轨道上火车的总重为2 310 t，本船的排水量超过30 000 t，经稳性核算，这部分轨道火车上船对船舶造成的影响为艏倾0.354 m，在最大允许值范围内。为使后续火车能连续上船，在火车通过栈桥进入船舶的同时，船上的压载系统需要做出及时响应，把压载舱内的水排出舷外，使火车上船对艏倾影响通过排水进行抵消。经校核浮态，20 min内需往舷外排出约600 m3的压载水，则所需压载水泵的总排量为1 800 m3/h。

3.2 压载系统

由3.1纵倾调载能力可知，压载泵的总排量满足1 800 m3/h即可，压载水处理装置的处理能力应与之相匹配。由于本船装卸货工况时存在大量压载水的进出情况，根据当地港口主管机关的要求，即使是本地港口压载水进出，也需要进行压载水处理，以免有未经处理的压载水留存在船上，然后被带到另一港口，污染当地海洋环境。由于装卸货时间较短，压载水在几小时内就需要从船上排出，这就提高了对压载水处理装置能力的要求。

F压载泵选用电动式离心泵，扬程35 m，船上配备2台压载泵，单台泵排量为1 000 m3/h，可满足纵倾调整对压载泵的要求。压载水处理装置选用过滤器与电催化型式，处理能力达2 000 m3/h，压载水盐度低至0.9PSU时仍可正常运行，对压载水在舱内的留存时间没有要求，可满足装卸火车对压载水处理的要求。压载管系主要以满足船舶压载和纵倾为主，横倾调整由防横倾泵完成，因此采用总-支管式，1根压载总管设于货舱区域双层底的空舱内，各压载水舱分别接1路支管至总管上，由位于首部机器处所内的压载泵和压载水处理装置进行注/排水。需往压载舱内注水时，压载泵从海水总管吸水，经压载水处理装置处理后驳至压载舱；需往舷外排水时，压载泵将水从压载舱里抽出，经压载水处理装置处理后驳至舷外，压载舱只有少量水时由压载扫舱泵进行抽除。

4 横倾调载系统

4.1 横倾角度限值及横倾调载能力

主甲板、上甲板各栈桥在船上的横向位置见图4。上甲板栈桥数6，左横向跨度10 744 mm，右舷与之对称。主甲板的栈桥数为4，左横向跨度为10 744 mm，右横向跨度为6 236 mm。火车上下船时，尽量使栈桥处于水平状态，但由于火车上下必然会引起船舶左倾或右倾，需采取措施控制左倾或右倾的角度。对于火车运输船，横倾角一般不允许超过2°[4]。

图4 栈桥横向位置示意

装卸货时，横倾最恶劣的工况是上甲板#1～#3或#8～#10的火车在20 min内上下。图5为防横倾示意，上甲板#1～#3对应的火车数量分别为5、7和9，共有21节火车上下，每节火车载重按110 t，总载重量为2 310 t，产生的横倾力矩为27 572 t·m，根据稳性计算，此时横倾角约为4.63°，已远超允许极限值，火车无法正常上下，需要防横倾系统投入工作以补偿横倾力矩，使横倾角控制在2°以内。根据稳性计算，防横倾系统补偿3.63°横倾角所需横倾力矩为21 580 t·m。防横倾舱的体积中心距船中为13 m，防横倾泵的总排量(Q)为2 490 m3/h。

图5 防横倾舱示意

为更好地控制船舶横倾状态，装卸货工况时可通过防横倾泵提前打水进行“预横倾”，使装卸货作业前，做好可能横倾量的一半补偿。比如，假设左舷某轨道火车下船后会引起船舶右倾2.4°，那么提前往左舷打水，使船舶先左倾1.2°，这样火车下船后最终形成右倾1.2°，整个卸货期间，船舶横倾角度在[-1.2°,1.2°]内变化，波动较小，栈桥高差始终在安全区间内。在此种情况下，装卸货期间，可以不启用防横倾系统。

前述船舶横倾状态控制方式是一种相对简单、经济的防横倾系统，在火车运输船中还有可能应用其他的防横倾系统，比如我国烟大火车渡船上配备的气泵式英特灵Intering防横倾系统。选择不同防横倾系统，主要基于单列火车上下过程中的横倾角大小。如该横倾角超过2°，则需随时进行横倾调节。烟大火车渡船的初稳性高较小，单列火车上下过程中最高可导致船体发生15°以上的横倾[4]，不但火车栈桥无法承受，对渡船本身也是十分危险，采取“预横倾”方式无法保持安全的横倾状态，必须采取快速、高效的防横倾系统。而本船的初稳性高特别大，单列火车上下过程引起的横倾角在2°以内，所以采取“预横倾”方式即可保持安全的横倾状态。

4.2 防横倾泵及管系

由4.1横倾调载能力可知，防横倾泵的总排量满足2 490 m3/h即可。考虑到防横倾系统对于装卸货的重要性，设置2台电动式离心泵，单台泵排量为1 250 m3/h，扬程12 m，泵的管系相互独立，使系统具有一定的冗余，即使单个防横倾泵出现故障时，防横倾系统仍具有50%的防横倾能力，使装卸货作业得以继续进行。泵及管系布置见图6。

图6 防横倾管系

4.3 防横倾系统的响应及报警

由4.1可知，横倾角度极限值为2°，此时系统发出横倾角过大报警，应停止装卸货作业，以免发生危险。在横倾角过大报警前，预设防横倾系统的响应横倾角，比如2°或更小，防横倾泵自动启动，使横倾及早得到控制。

该船设有一对防横倾水舱(NO.4压载水舱)，初始装55%淡水，考虑到泵正常工作需要一定的液位，舱内水不会被完全抽空，故防横倾水舱不设高位报警。而为保护泵，另设2个低液位开关对系统进行停泵控制。

防横倾系统具有自动、手动和预横倾3种工作模式，其中预横倾模式主要为方便船员在作业时调载。

5 结论

1)纵倾调载系统能力需控制火车装卸全过程艏倾不大于0.24°，艉倾不大于0.32°。

2)横倾调载系统能力需控制火车装卸全过程船舶横倾角度不大于2°。

3)适当提高火车运输船初稳性高，有利于纵横倾系统设计。