牲畜运输船特点及设计要求

罗本永

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

近年来随着中国以及中东等新兴国家对新鲜牛羊肉类的需求量不断加大，国际上活体牲畜贸易量每年稳定增长，能够大批量运输活体牛羊的牲畜运输船越来越受到市场的关注。但是另一方面牲畜运输船船队老龄化显著，船队升级换代成了非常现实的问题。由于该船型是一种非常小众化、专业化的船型，相关的研究较少。目前该船型的建造基本在欧洲船厂，国内船厂仅中远广东厂和澄西厂有相关经验，从设计方面来说国内也比较缺少经验，对该船型的整体设计进行阐述的文章更不多见。

赵志坚以及刘华欣等从牲畜运输船改装角度阐述该船型的特点及改装过程中的技术难点，为该船型的修造船方面提供借鉴。王海结合建造项目介绍牲畜运输船货舱通风主要设计依据、布置原则、系统特点等，对该船型通风设计研究有一定参考意义。李连亮等以AMSA规范的技术要求为指导，对牲畜运输船的牲畜服务系统进行研究，包括货舱通风系统、饲料输送系统、淡水供应系统、粪便处理和排放系统以及照明系统等，对该船型的服务系统设计和建造有一定参考价值。刘泽吉等结合建造项目分别从AMSA发电机的配置、牲畜供水系统、牲畜食料配送系统和牲畜污水处理系统等方面阐述该船型与其他货船要求的不同之处，但就综合性方面来说仍不够全面。

1 牲畜运输船主要特点

图1为典型的封闭型牲畜运输船剖视图。

图1 封闭型牲畜运输船剖视图

与陆地环境相比，海上运输环境恶劣很多，海上活体牲畜运输中曾经发生过多起由于船上生存环境恶劣导致牲畜拒绝进食甚至死亡的事件。因此在牲畜运输船上不仅需要提供充足的饲料和淡水以保证牲畜的生命安全，在整个牲畜围栏区域还必须具有良好的通风、照明等条件，尽量提高牲畜在途的舒适性。因此，现代牲畜运输船在设计中并非一味地追求牲畜围栏面积这一指标，领先的设计理念和先进的牲畜服务设备同样必不可少。比如良好的通风设计、高效的牲畜装卸通道设计、自动监测设施以及电力和设备的冗余设计等，使提高安全和效率的同时，增强牲畜在途的舒适性。以下主要围绕提高牲畜舒适性、减少牲畜受损，提高装卸效率以及保护船员和货物安全等方面阐述该船型的特点。

1.1 高航速和高舒适性

该船型航速一般为17~20 kn。航速间接决定了牲畜在海上所花费的时间。因为活体牲畜在集中运输过程中很容易诱发各种疾病引发规模性传染，甚至会给船员和目的港所在国家造成输入性疫情。因此航程时间越短，牲畜患病、受伤甚至死亡的几率就越小。此外，运输途中牲畜吃喝成本极高（甚至超过燃油费用），对于大型牲畜运输船来说，在海上少航行一天所节省的费用便非常可观。然而，高航速通常会引起舒适性下降。如果横摇剧烈，动物会因晕船导致身体抵抗力下降，从而增加患病率和死亡率。黄岗对牲畜运输船的稳性进行研究，提出横摇角和横摇周期对牲畜舒适度的影响，对横摇角进行限制。

横摇角对牲畜的影响大致分为3个阶段：0~4°，对牲畜影响较小；4~10°，牲畜的运动能力明显下降；10°以上，牲畜吃食、休息和走动都产生困难。因此，牲畜运输船在不受恶劣天气影响的情况下，横摇角应该保持在4°以内。从船舶设计的角度而言，在确保船舶安全的前提下适当降低初稳性和增加横摇周期，能够减小横摇加速度从而使横摇变舒缓。牲畜运输船的固有横摇周期变化范围在9~15°时，牲畜处于较舒适状态。然而值得注意的是，该船型属于典型的多层甲板布置型船舶，本身重心较高，降低初稳性高的余地并不大。因此，如何在船舶安全性和舒适性之间平衡是该船型设计的难点之一。

1.2 特有的牲畜装卸通道和牲畜围栏

唐桂斌等介绍了该船型牲畜装卸系统的特点和设计要求，并对牲畜装卸过程中船舶的安全问题进行探讨，为牲畜运输船的设计提供有益的帮助。牲畜装卸系统是牲畜运输船在码头装卸牲畜专用系统，由外部装卸系统、内部装卸系统和导向门等组成。外部装卸系统主要指连接码头和船舶舷门等可移动坡道。上下坡道一般设置防滑措施，材质通常为铝合金，质量轻且便于收放。牲畜外部装卸通道参见图2。

图2 牲畜外部装卸通道

牲畜进入船体之后即进入了内部装卸通道，通过预先设定的装载路线将牲畜驱赶至相应的位置。内部装卸通道一般采用两种设计形式：一种是专用装卸通道，见图3；另一种是借用牲畜围栏区域作为装卸通道，装卸牲畜时打开活动栏杆门形成通道，见图4。在内部装卸通道拐弯的位置需要设置导向门，用以引导和限制牲畜前进方向，从而使牲畜按照既定路线完成装卸。

图3 牲畜内部装卸通道型式1

图4 牲畜内部装卸通道型式2

牲畜围栏是该船型特有的设计，见图5。合适的栅栏不仅可以分隔牲畜的活动区域，减少牲畜之间争斗和抢食，有助于牲畜的管理，而且能减少牲畜的移动范围，防止因牲畜聚集而引发船舶侧倾。围栏一般使用铝合金材料，质轻且便于清洗，其强度有明确的设计要求。牲畜装卸通道以及围栏区域的甲板面必须防滑。通常甲板上涂4~5 mm的防滑涂层，该涂层可耐海水和氨气的腐蚀，同时起到保护甲板涂层的效果。

图5 牲畜围栏示意图

在运输过程中，牲畜生病无法避免。为了防止其他牲畜感染，必须对生病或受伤的牲畜进行隔离，因此必须设置专门的隔离间，与之相配套的还包括给牲畜治疗的医疗设备、药品，对牲畜牵引或者约束的工具。此外，合格的兽医也必不可少。

1.3 牲畜区通风系统

货舱区通风系统是牲畜运输船最重要的牲畜生命支持系统之一，主要是为牲畜提供充足的氧气，并带走动物散发的热量，使货舱维持在合适的温度。

根据牲畜运输船的大小和类型，货舱区通风系统设计一般有“集中通风”和“独立通风”两种。对6层以下的封闭式货舱一般采用集中通风，即“垂直结构风道+水平PVC 管”的形式。通过大型结构风管连接各层甲板，沿船长方向的PVC管将新风送至各牲畜围栏区域，如图6 所示。

图6 集中通风风管示意图

该方案的优点是风量容易控制，对于个别死角区域可通过增加支管等方式来满足要求，后期改动相对简单，对整体设计方案影响不大。但该方案的缺点是水平 PVC 管会减小牲畜区净空高度，设计时需要更大的层高，从而产生一系列结构、稳定的问题。

对于甲板层数较多以及带有开敞甲板的牲畜运输船，通常采用独立通风，即“垂直结构风道”的形式。该方案通过数量众多的贯穿各层甲板的结构风管对牲畜区进行通风，如图7所示。

图7 独立通风风管示意图

该方案的优点是风管结构形式简单，货舱所需的层高相对较小；结构风管对开敞甲板起结构支撑作用，改善结构强度。但结构风管与甲板结构件连接强度及疲劳强度是该设计难点之一。该方案的缺点在于对风量和风速调节难度大，一旦设计后期发现风量或风速不满足要求，则需要增加支风管或者增加小型风机，改动工作量较大。此外，结构风管占用牲畜围栏面积较大。

综合来讲对于牲畜运输船通风系统型式的选择，不仅需要考虑通风系统本身的效率，还需要结合层高、空船重心位置、船东的实际需求以及方案的总体风险等因素综合确定。

通风系统还包括新风持续监控系统，除监控换气次数、风速等外还需要确保第一时间监控到牲畜区域通风系统事故。当发生电力故障时，通风系统要能够接入备份电源系统以维持基本的通风要求。通风系统中通常还设计相应的降噪措施，将通风装置产生的噪声降到允许的限度以内。

1.4 牲畜服务系统

牲畜服务系统主要包括饲料输送系统、淡水供应系统以及牲畜粪便处理系统等。

饲料加工仓通常设在顶层甲板，依靠机械传送将草料从储存舱输送至不同位置的加工仓。加工仓通常为漏斗形，利用重力将加工后的饲料通过垂直管道分配至各层甲板的牲畜区，再通过各层甲板上的饲料支管自动传输至饲料槽，或者通过饲养人员进行人工分配，参见下页图8。

图8 饲料输送系统示意图

随船的牲畜食用草料有详细要求，草料必须符合澳大利亚的相关生产标准，且必须是有资质的供应商提供。草料需要至少分别存放在2个储存仓，还需要备份草料，防止航程延误或者草料消耗大于预期等情况。多余的草料通常在目的地卸下，帮助牲畜适应新环境。

牲畜的饮用水来自于海水淡化。为了确保牲畜健康安全，供水系统不仅要保证水量充足，还要保证饮用水的质量符合世界卫生组织标准。供水系统通常具备自动洗涤功能，当设备处于备用状态时，能自动清洗积聚在设备上的微生物、污垢等。设备的控制面板上可看到水的纯度指标，如果纯度降低到标准以下，警报器将会自动鸣响，提醒船员进行人工干预。

牲畜粪便处理系统由清洗、收集和排放等部分组成。在每个牲畜围栏内设计特殊的排污沟和排污井，及时排泄牲畜产生的粪便和尿液，防止污水积存造成湿滑，同时也减小牲畜疫病的传播几率。货舱内配备高压水清洗系统，定时对牲畜区域进行冲洗。粪便污水通过泄放管路从上层甲板泄放到下层甲板，最终储存在位于舱底的粪便舱。牲畜粪便污水属于生活污水的一部分，其排放必须满足MARPOL公约的要求。对于超过10天的航程（例如从澳大利亚到中东），除了定时的冲洗之外，一般还需要配备稻草、刨花或者锯末等给牲畜当垫子以改善休息环境。

1.5 庞大的电力需求和电力冗余设计

庞大的电力需求来自于两方面，除了要满足SOLAS对电力的要求，维持船舶正常的运营之外，还需要满足牲畜服务系统的电力需求，包括照明、通风系统、海水淡化、牲畜食料加工和配送等。另外该船型除正常船员外，还配备牲畜饲养、医疗等专业人员对电力需求也有所增加。例如1艘船长180 m（排水量约13 500 t）的牲畜运输船，船上人员多达70人左右，与之相匹配的需要更多的食物和饮用水储备、更大的食堂、更多的住宿空间。

电力冗余设计来自MO43对备用电源的要求，如果主电源在航行过程中发生故障，备用电源除了要满足全船所有船员的基本生存条件之外，还必须满足包括牲畜食料、饮用水的配送以及牲畜区照明和通风等关乎牲畜生存的基本要求。关于电力和设备的冗余设计要求在下文进一步阐述。

2 牲畜运输船设计依据和技术要求

目前船舶设计需要遵循的最重要的公约有SOLAS和MARPOL等。这些公约主要针对货船的货物以及船员和客船的乘客等，但没有针对活体牲畜的相关要求。货船或者客船若遇到严重的紧急情况可选择弃船等极端措施，但是如果是活体牲畜遇到类似情况该如何处置？MO43正好填补了这方面的空白。因此牲畜运输船设计和建造除需要满足常规公约和规范外，MO43是最主要的设计依据。MO43较系统地规定了该船型对船舶、船员、设备和牲畜健康等方面的要求。所有从澳大利亚港口进出港的牲畜运输船，或者经过澳大利亚海域的牲畜运输船，都必须满足MO43的要求。而且MO43中很多检验项目并没有授权给船级社，技术图纸审查以及建造检验必须经过AMSA的授权或者直接监管。

MO43是经多年经验积累以及事故分析不断完善而成。例如2002年更新的第5版增加了电力冗余设计等要求，该要求的设计理念是在电力设备故障情况下，牲畜服务系统不能瘫痪或者降级服务；从第6版开始，MO43认可风险评估的设计方法，不同的设计方案只要能达到MO43规定的同等效果都可以接受。评估过程主要包括识别设计方案中潜在的风险、评估风险造成的后果以及改进方案。该风险评估方法必须采用认可的标准，例如Australian and New Zealand Standard AS/NZS3931：1998等。MO43自1982年发布第一版以来，截止2020年12月最新版本是第6版，于2006年发布。下文将简要介绍MO43对牲畜运输船特殊的设计要求，并对MO43部分要求的背景进行解释。但是需要强调的是，对背景的解释并不代表AMSA官方解释，如果对适用性方面有异议，则应该咨询AMSA，他们有最终的解释权。

2.1 牲畜载运证书

无论是新造船还是改装牲畜运输船，其设计和建造检验均需要经过AMSA的授权检验或者直接检验，在评估船舶符合MO43技术要求之后将颁牲畜载运证书（Australian certificate for the carriage of livestock，以下称ACCL）。无论是在澳大利亚港口从事牲畜海上运输的船舶还是经过澳大利亚海域的牲畜运输船，均要求持有有效的ACCL证书。该证书有效性与船舶其他重要证书相关联，例如SOLAS或者MAPOL相关的证书失效，ACCL也自动失效，且同样需要定期检验。

2.2 电力及设备系统冗余设计要求

MO43从第5版开始增加了电力及设备系统冗余设计要求。该要求不同于SOLAS的应急电源的要求。冗余设计规定在主电源或者主要设备系统发生故障时，其备份系统能够保证牲畜服务系统至少3天的正常运转。电力及设备主系统中的某个部件不能构成备用系统的必需部件，避免因为单点故障导致2套系统同时失效。另外MO43还要求备用系统能够快速启动，启动设备能够在30 min内再次充电。针对快速启动并没有具体要求，但是电力恢复应越快越好，因为电力中断对牲畜区的通风影响非常大。经验表明，通风即使只中断10 min，牲畜死亡率也将大幅上升。

通风、照明、海水淡化、牲畜饮用水和食料配送以及粪便冲洗和收集等牲畜服务系统同样需要冗余设计。根据MO43的要求，通风、照明系统的启动控制面板应位于至少2个不同的位置，从不同的位置都能有效启动牲畜区域的通风、照明设备。启动面板连接主电源和备用电源，并且电缆经过所有线路都是并联，目的是确保其中一个设备发生故障不会影响到一片区域，当然这种并联布置需要考虑并联锁或者故障保护，以防止主电源和备用电源同时供电。简单的冗余设计是对主电源或者设备系统进行复制，但这样显然并不合适，不仅造成很大的资源浪费，建造费用也会明显上升。目前通常采用前面提到的风险评估方法，只对关键设备进行备份设计，其他可交互使用的设备采取隔离、应急备份或者零件备份等方法达到冗余设计的目标。

2.3 牲畜围栏和通道设计要求

牲畜围栏面积是牲畜运输船最主要的性能指标之一，其数值直接决定了在同样主尺度下该船单次所能够载运牲畜的最大数量，进而在一定程度上决定了该船的总体经济效益。

MO43对围栏设计规定较为详细，其中装运羊的围栏宽度为2~4.5 m，长度为宽度的1~2倍，面积不超过40.5 m；装运牛的围栏宽度2.1~4.5 m，长度不小于2.3 m，面积不超过21 m。限制围栏面积的目的是减少牲畜聚集在一起产生对船舶强度和稳性的不利情况，同时也保证每头牲畜都能得到适当的食物和饮用水。因恶劣天气船舶发生较大横摇或其他事故时，牲畜很容易聚集在一起或者发生踩踏事故等。限制围栏面积也就限制了围栏内牲畜的数量和质量，这样既能防止动物过度聚集，同时也有利于确保结构安全。

甲板的强度设计需要考虑承受动物发生聚集时的极端载荷，然而设计时如果把这种极端载荷作用于整个甲板平面又过于保守。MO43规定了甲板设计载荷的最小要求值，该要求值并没有考虑动物聚集产生的极端载荷。通常是甲板板架按照MO43的要求值设计，骨材设计载荷取1.5倍的甲板面载荷，这样既保证结构尺寸满足MO43要求，同时也确保极端载荷下的结构安全。围栏本身的强度要求每片围栏能承受牲畜挤压造成的载荷，这就要求围栏上的铰链、插销等有足够的强度。另外，因为不同牲畜种类围栏面积有不同要求，为了提高装载的灵活性，通常把部分围栏设计成可拆卸式。

羊等小型牲畜的通道宽度要求为550 mm，而牛的通道要求则宽很多。如果通道两边都是牛栏，则要求不小于1 000 mm；如果只有一侧牛栏，则要求不小于750 mm。较宽的通道是防止牛透过围栏袭击饲养员。通道的宽度要求是MO43的最小要求，为了提高牲畜的装卸效率，很多船东会主动要求加宽通道。

2.4 通风系统设计和噪声控制

MO43对通风系统要求主要包括三方面：通风量、气流速度和空气循环路线。

（1）通风量

通风量对营运船和新造船有不同要求。对于营运船，如果船宽小于20 m且是开敞甲板则不强制要求机械通风；如果宽度大于20 m或者有部分的封闭布置，则要求机械通风量应达到对封闭空间要求的75%。MO43从第5版开始，对新造船开敞甲板上的通风要求跟封闭空间的要求一样。该要求的提高是因为AMSA相关试验结果表明：即使在开敞甲板上、在港口或者高温的情况下，如果空气不流通也可能造成很高的牲畜死亡率。通风交换次数对营运船和新造船要求相同。最小净层高是交换次数要求的计算指标，越狭窄的空间空气交换次数要求越高。最小净高取决于该空间中阻碍空气流动的障碍物，包括结构构件、管路、水平通风管和牲畜食料/饮水管路等。船东对通风次数的要求一般会比MO43要求值更高，因为通风次数的增加不仅能提高牲畜区含氧量并带走热量，还能够防止浑浊空气聚集，同时弥补由于气流小或者空气循环线路不合理等造成的缺陷。通风交换次数要求适用于任何模式，即在备用电源的情况下也适用。

（2）气流速度

MO43对气流速度要求通过围栏区域时不小于0.5 m/s。该要求来源于AMSA的独立论证，证据表明不小于0.5 m/s喷射气流穿过牲畜区围栏区域时，在温度湿度条件恶劣的情况下能大幅提高牲畜生存率。该实验论证来自于对羊群的实验，但是目前已经推广到所有类型的牲畜运输船。

（3）空气循环路线

空气循环路线设计是另一项重要要求，避免污染空气再循环到其他牲畜区，因此要有效隔离进风口和出风口。进风口必须远离牲畜区域的出风口和其他机舱油柜的空气管口，确保进风尽可能干净和新鲜。尽可能地为每个围栏区域提供出风口，尽量避免出风口处发生阻挡、死角等情况。设计中需要根据结构风道位置、牲畜喂食槽、饮水槽等舱室布置综合评估空气循环路线，通常由专业公司采用计算流体动力学（computed fluid dynamics，CFD）等仿真计算进行评估设计。

虽然MO43对噪声并没有明确的要求，但是每位船东都会对该船型的噪声提出要求。货舱通风系统是牲畜运输船货舱区域最主要的噪声来源之一。解决噪声问题一般采用以下3种方法：选择噪声级别较小的风机设备；优化的风管设计与结构型式；在目标位置使用降噪阻尼材料。但是，牲畜运输船的风机选型在很大程度上需要综合考虑货舱空间、船舶电站以及货舱风管型式等因素。同样货舱风管的型式与布置需要综合考虑全船结构型式、层高、稳性以及舾装和电缆布置等因素，对噪声的考虑只是其中的因素之一。从这个角度来说，牲畜运输船货舱区噪声控制可选择的手段并不太多，而在设计早期阶段，准确的噪声预报对该船型非常重要。

3 结 语

牲畜运输船船队面临升级换代的现实问题，为国内船厂创造了良好的市场机遇。本文介绍了牲畜运输船的牲畜装卸通道和围栏、牲畜区域通风系统、牲畜服务系统和电力冗余等特点，并且对该船型的设计依据——MO43及其背景作了简要阐述，为该船型的设计和建造（尤其在船舶总体型式确定、设备选型以及建造成本控制等方面）提供借鉴。不过限于篇幅等原因，文中未对该船型设计和建造的具体解决方案、船型结构设计中船体横向强度设计以及众多结构疲劳强度评估等内容作详细阐述。展望未来，随着智能化设备的快速普及，牲畜运输船的牲畜服务系统、通风和电力冗余设计等方面必将产生较大变化，这也将会对该船型的设计和建造带来更大的机遇和挑战。