اولین کشتیهای باری برای حمل محمولههای فله ساخته شدند. حتی در اکثر کشتیهای باری عمومی، از کانتینرهای چوبی یا جعبهها برای چیدمان محمولههای واحد استفاده میشد. اما با گنجاندن انواع گستردهتری از محمولهها، کانتینریسازی برای بارهای فشرده، شکننده و محمولههایی که نیاز به مراقبت ویژه در طول حمل و نقل داشتند، مناسب تشخیص داده شد. از این رو، نیاز به طراحی انواع خاصی از کشتیها احساس شد که نه تنها بتوانند این کانتینرها را بارگیری کنند، بلکه قادر به حفظ شرایط ایمن محتویات کانتینرها نیز باشند.
در این مقاله، جنبههای طراحی کشتیهای کانتینری را مورد بحث قرار خواهیم داد. درک این نکته از این مقاله حائز اهمیت است که چگونه طراحی یک نوع خاص از کشتی توسط نوع محموله، بنادر در مسیر، عملکرد کشتی و همچنین روندهای اقتصادی در بازار دیکته میشود. همچنین، قبل از درک طراحی کشتیهای کانتینری، توصیه میشود که دانش اولیه از اصطلاحات بنیادی کشتیرانی و موارد مرتبط با هندسه بدنه (مانند ضریب بلوک، ضریب سطح میانی و غیره) داشته باشید.
طراحی و ساخت کشتیهای کانتینری
انواع مختلفی از کشتیهای کانتینری وجود دارد که بر اساس روشهای مختلف دستهبندی میشوند. رایجترین انواع عملیاتی به شرح زیر است:
* **بر اساس اندازه کلی:**
* بر اساس ظرفیت حجمی (در گذشته، کشتیهای کانتینری بر اساس حجمشان اندازهگیری میشدند)
* بر اساس TEU (این پارامتر اندازهگیری مدرن یک کشتی کانتینری است. TEU یک کشتی کانتینری، تعداد کانتینرهای معادل بیست فوت است که کشتی میتواند حمل کند.)
* بر اساس طول، عرض، عمق و تناژ:
* Panamax
* Post-Panamax
* Suezmax
* Post-Suezmax
* Malacamax
* **بر اساس نحوه جابجایی:**
* **کشتی کانتینری جعبهای (Box container ship):** این رایجترین نوع طراحی کشتی کانتینری است. آنها فقط با کانتینرهای دریایی بارگیری میشوند و جابجایی محموله توسط جرثقیلهای ساحلی متعلق به مقامات بندری انجام میشود. چنین کشتیهایی همیشه فقط در بنادر کانتینری اصلی که مجهز به جرثقیل هستند، تردد میکنند.
* **کشتی RORO (Roll-on/Roll-off):** در کشتیهای کانتینری از نوع رولآن/رولاف، کانتینرها با استفاده از وسایل نقلیه سنگین و لیفتراکها به داخل و خارج از کشتی منتقل میشوند. این نوع کشتیها، در برخی موارد، هم وسایل نقلیه و هم کانتینرها را در عرشههای مختلف حمل میکنند.
* **کشتی LILO (Lift-on/Lift-off):** کشتیهای لیفتآن/لیفتاف مجهز به جرثقیلهای خود هستند که برای بارگیری و تخلیه کانتینرها استفاده میشوند. این کشتیها همیشه فقط در پایانههای کانتینری کوچکتر که مجهز به جرثقیلهای جابجایی کانتینر نیستند، مانند پایانههای بزرگتر، تردد میکنند.
* **بر اساس محدوده خدمات:**
* **کشتیهای مادر (Mother Ships):** اینها کشتیهای بزرگتر هستند که اغلب ظرفیت بالای 10000 TEU دارند و فقط بین پایانههای کانتینری اصلی یک کشور تردد میکنند. این کشتیها به دلیل آبخور زیاد و اندازه کلی خود نمیتوانند وارد بنادر کوچکتر شوند.
* **کشتیهای فیدر (Feeder Vessels):** کشتیهای فیدر بین پایانههای کانتینری اصلی و فرعی فعالیت میکنند و کانتینرها را به کشتیهای مادر و از آنها حمل میکنند. اغلب، این کشتیها از نوع LILO هستند، زیرا بنادر کوچکتر مجهز به جرثقیلهای ساحلی نیستند.
طراحی کشتی کانتینری – هندسه بدنه:
اولین و برجستهترین جنبه طراحی هر نوع کشتی، هندسه بدنه آن است. قبل از اینکه بفهمیم چرا بدنههای کشتیهای کانتینری به شکل خاص خود رسیدهاند، ابتدا باید خود هندسه را بررسی کنیم. مقایسه بصری بدنه یک کشتی کانتینری با یک کشتی فلهبر یا نفتکش به وضوح نشان میدهد که بدنه یک کشتی کانتینری شکل ظریفتری نسبت به دو مورد دیگر دارد. به عبارت دیگر، بخشهای جلو و عقب یک کشتی کانتینری آیرودینامیک هستند و مانند یک کشتی فلهبر یا نفتکش پر نیستند. چرا؟
برای پاسخ به این سوال، ابتدا باید جنبه دیگری از صنعت کانتینر را درک کنیم. کالاهای حمل شده در کانتینرها اغلب ارزش بالا و اولویت بالایی دارند. به عنوان مثال، اگر یک موتور دیزل دریایی برای کشتی در حال ساخت در یک کشتیسازی در هند قرار است از آلمان حمل شود، این محموله در یک کانتینر انجام میشود و یک محموله با اولویت بالا است زیرا نصب موتور در موتورخانه گامی در فرآیند ساخت است که امکان تأخیر در مراحل بعدی ساخت را تعیین میکند. همچنین، تجهیزات باید بدون هیچ ضربه یا آسیبی تحویل داده شوند. بنابراین، کشتیهای کانتینری کشتیهای زمانبندی شده هستند. آنها زمان توقف بسیار کمی دارند، یعنی زمانی که برای بارگیری و تخلیه در یک بندر میگذرانند باید حداقل باشد تا بتوانند بدون تأخیر به بندر بعدی بروند. به همین دلیل، کشتیهای کانتینری در دسته کشتیهای پرسرعت قرار میگیرند. برای دستیابی به سرعت بالا، مقاومت بدنه باید به حداقل برسد که با یک بدنه با فرم ظریف به دست میآید. به عبارت دیگر، بدنههای کشتیهای کانتینری ضریب شناوری پایینی دارند که بین 0.6 تا 0.7 متغیر است.
یکی دیگر از ویژگیهای هندسی قابل توجه کشتیهای کانتینری، ضریب منشوری بالای فرم بدنه است. یعنی بخش بدنه برای بیشتر طول کشتی تقریباً مستطیلی است. این کار برای جای دادن حداکثر تعداد کانتینر در زیر عرشه انجام میشود.
بخش میانی کشتیهای کانتینری:
یکی از مهمترین نقشههای سازهای که در طراحی یک کشتی کانتینری تهیه میشود، بخش میانی آن است. بخش میانی یک کشتی با در نظر گرفتن بسیاری از ملاحظات طراحی و عملکردی تهیه میشود که شامل نوع محموله، روشهای چیدمان مورد استفاده توسط کشتی، ظرفیت کشتی و غیره است. در واقع، نوع کشتی اغلب با بخش میانی آن شناسایی میشود.
برای یک طراحی معمولی کشتی کانتینری، بخش میانی در شکل زیر نشان داده شده است. آنچه مهم است، درک نقشه از دیدگاه یک طراح است. برخی از ویژگیهای رایج بخش میانی یک کشتی کانتینری در زیر مورد بحث قرار گرفته است:
* تمام کشتیهای کانتینری کف دوجداره هستند تا فضاهای کف دوجداره به عنوان مخزن استفاده شوند.
* کشتیهای کانتینری همچنین قاببندی طولی دارند، زیرا شرایط بارگیری متغیر اغلب منجر به لحظات خمش بزرگ (hogging و sagging) میشود که تنشهای خمش طولی بالایی را به همراه دارد.
* شکل بخش میانی تقریباً جعبهای است. به قول یک طراح، دارای ضریب سطح میانی بالایی است که بین 0.75 تا 0.85 متغیر است.
* **صفحه بیلبژ (bilge strake)** صفحه زاویهداری است که پوسته جانبی داخلی و صفحه بالای مخزن را به هم متصل میکند. از آنجایی که وجود این صفحه مانع از چیدمان کانتینرها در گوشه بخش میشود، طول این صفحه به حداقل میرسد. با این حال، در اکثر موارد اخیر، کشتیهای کانتینری اصلاً مجهز به صفحات بیلبژ نیستند تا حداکثر ظرفیت چیدمان را تضمین کنند.
* مهمترین ویژگی سازهای یک کشتی کانتینری، جعبه پیچشی (torsion box) است که در یکی از بخشهای بعدی به تفصیل در مورد آن بحث خواهیم کرد.
* کشتیهای کانتینری معمولاً بدون دریچه هستند. یعنی کشتی دارای یک عرشه اصلی پیوسته که تمام عرض کشتی را در تمام طول آن پوشش دهد، نیست. این ساختار باز و جعبهای شکل (با شکل بخش میانی مرتبط است)، امکان چیدمان آسان کانتینرها را از بالای مخزن تا بالاترین سطح بالای عرشه اصلی فراهم میکند. تنها عرشهها در داخل بدنه دوجداره قرار دارند که بیشتر شبیه استرینگرهایی هستند که تمام طول را طی میکنند و راهرویی را در طول کشتی فراهم میکنند.
جعبه پیچشی در کشتیهای کانتینری دو جداره:
بیایید با یادآوری شکل یک سطل آب شروع کنیم. حتماً متوجه شدهاید که لبه هر سطل آب همیشه به سمت بیرون پیچ خورده است. به نظر شما چرا این کار انجام میشود؟
سعی کنید لبه سطل را ببرید، یا به همین ترتیب، لبه یک لیوان کاغذی را ببرید و سعی کنید آن را با مقداری مایع نگه دارید. متوجه خواهید شد که لیوان کاغذی در برابر پیچش مقاومت نمیکند. پیچ میخورد و در نهایت پاره میشود. این اتفاق میافتد زیرا کل ساختار یک سطل یا یک لیوان کاغذی یا هر جعبه باز دارای ممان اینرسی قطبی بسیار پایینی است. این امر منجر به مقاومت پیچشی بسیار پایینی میشود. بنابراین، برای تقویت ساختارهای جعبهای باز در برابر پیچش، مواد اضافی به لبههای آنها اضافه میشود. به عبارت دیگر، ممان اینرسی قطبی مقطع ساختار به سادگی افزایش مییابد. اما این چه ربطی به یک کشتی کانتینری دارد؟
ما میدانیم که بدنه یک کشتی کانتینری یک ساختار باز جعبهای است. هنگامی که یک کشتی در دریا است، تحت بارهای مختلف موج قرار میگیرد. در یکی از موارد بارگذاری، هنگامی که جهت امواج تقریباً 45 درجه نسبت به سرعت کشتی باشد، سمت چپ بخش جلو و سمت راست بخش عقب به طور همزمان یک قله موج را تجربه میکنند و بالعکس. این امر منجر به نوعی بارگذاری تناوبی میشود که باعث پیچش بدنه میشود. این اثر پیچش (torsion) نامیده میشود و در شکل زیر نشان داده شده است.
اثر بریدن لبه تقویت شده لیوان کاغذی را تصور کنید. همین اثر هنگامی که به یک کشتی کانتینری تعمیم داده شود، منجر به شکستهای فاجعهبار ساختار بدنه به دلیل پیچش میشود. برای جلوگیری از این امر، لبههای بالایی سمت چپ و راست یک کشتی کانتینری با بخشهای وب با ضخامت بالا تقویت میشوند و یک ساختار جعبهای در هر قاب ایجاد میکنند. این جعبه پیچشی نامیده میشود. یک جعبه پیچشی در تمام طول کشتی از بخش عقب (aft peak bulkhead) تا بخش برخورد جلو (forward collision bulkhead) امتداد دارد.
شکل زیر جعبه پیچشی کشتی کانتینری دوجداره را نشان میدهد. توجه داشته باشید که عرض صفحه وب در جعبه پیچشی بیشتر از صفحه وب مورد استفاده در اطراف راهرو زیر آن است. همچنین، وبها در راهروها با فاصله سه تا چهار فضای قاب قرار دارند، اما وبهای یک جعبه پیچشی در هر قاب وجود خواهند داشت.
**شکل: جعبه پیچشی در یک کشتی کانتینری دوجداره.**
**انجمنهای طبقهبندی** مجموعهای جداگانه از قوانین را برای طراحی جعبه پیچشی برای کشتیهای کانتینری وضع کردهاند. امروزه، تیر بدنه (hull girder) بر روی پلتفرم FEM (تحلیل اجزای محدود) مدلسازی میشود و پاسخ پیچشی آن برای حالات مختلف دریا تحلیل میشود. اگر تنشهای پیچشی بر روی تیر بدنه بالاتر از حد مجاز ایمن باشند، جعبه پیچشی باید دوباره طراحی شود. بازرسی جعبه پیچشی همیشه در بازرسیهای سازهای سالانه به عنوان یک اولویت بالا در نظر گرفته میشود، زیرا نقش مهمی در تعیین استحکام ساختار بدنه ایفا میکند.
چیدمان کانتینرها:
**چیدمان کانتینرها** در یک کشتی کانتینری جنبه دیگری است که طراح باید با آن سروکار داشته باشد. اگرچه ممکن است بیاهمیت به نظر برسد، اما چیدمان نامناسب منجر به اکثر حوادث مربوط به کشتیهای کانتینری شده است.
* کانتینرها همیشه با بعد طولانیتر در جهت جلو به عقب چیده میشوند. این به این دلیل است که کشتی بیشتر مستعد حرکات غلتشی (rolling) است تا حرکات پیچشی (pitching) یا انحرافی (yawing). چیدمان کانتینرها در این جهت فضای کمتری را برای جابجایی محموله در داخل کانتینر تضمین میکند و ایمنی بیشتری را در برابر آسیب ناشی از ضربه به محموله فراهم میآورد.
* در زیر بالاترین عرشه، کانتینرها توسط راهنماهای سلولی (cell guides) در برابر حرکت جانبی یا طولی مهار میشوند. اینها اساساً مقاطع زاویهدار هستند که به عنوان راهنما برای کانتینرها هنگام بارگیری روی کشتی نیز کمک میکنند. با این حال، آنها بخشی از ساختار اصلی را تشکیل نمیدهند، یعنی تنشهای بدنه را تحمل نمیکنند.
* بالای بالاترین عرشه، کانتینرها چیده میشوند و حرکت آنها با استفاده از مهاربندیها (lashings) محدود میشود. قفلهای پیچی (twist locks) که بین کانتینرها نصب میشوند، از حرکت عمودی جلوگیری میکنند و مهاربندیها از حرکات طولی و عرضی جلوگیری میکنند. مهاربندیها معمولاً از پلهای مهاربندی (lashing bridges) که در فواصل ارتفاعی یک یا دو ردیف کانتینر قرار دارند، مستقر میشوند. میلههای مهاربندی در انتهای خود توسط پیچهای تنظیم (turnbuckles) محکم میشوند که کشش در مهاربندیها را حفظ میکنند.
**برنامه بارگیری کانتینر** همراه با طراحی ارائه میشود و موقعیت کانتینرهای مختلف را در کشتی، در موارد بارگیری مختلف، مشخص میکند. این برنامه این واقعیت را در نظر میگیرد که تعداد کانتینرها و وزن محموله در هر یک در هر سفر متفاوت خواهد بود. و چیدمان همچنین باید بندری را که هر کانتینر باید در آن تخلیه شود، در نظر بگیرد. بنابراین، اگر یک کشتی در سه بندر A، B و C توقف کند، و اگر همه کانتینرها در A بارگیری شوند، کانتینری که قرار است در بندر B تخلیه شود، ترجیحاً زیر کانتینری که قرار است در بندر C تخلیه شود، چیده نمیشود. اما پیچیدگی مشکل در اینجا نهفته است – اگر بیشتر کانتینرهای بندر B سنگینتر از کانتینرهای بندر C باشند چه؟ کانتینرهای سنگینتر را نمیتوان بالای کانتینرهای سبکتر چید، زیرا این امر مرکز ثقل کشتی را بالا میبرد و حاشیه پایداری را کاهش میدهد.
این پیچیدگی طراحی کشتی کانتینری بنابراین با استفاده از برنامههای کامپیوتری ویژه طراحی شده برای تولید برنامههای بارگیری کانتینر برای یک مورد بارگیری خاص حل میشود، که سری بنادری را که کشتی باید در آنها توقف کند، و همچنین جنبههای استحکام و پایداری کشتی را در نظر میگیرد. عامل دیگری که همیشه در برنامه مورد توجه قرار میگیرد، دید از پل فرماندهی است. کانتینرهای بارگیری شده بالای عرشه و جلوی پل ناوبری باید به گونهای بارگیری شوند که خط دید از پل تحت تأثیر قرار نگیرد. به همین دلیل، اگر به یک کشتی کانتینری بارگیری شده توجه کنید، ارتفاع پشته کانتینرها در جلوی پل با حرکت به سمت جلوترین پشته کاهش مییابد. این امر، با این حال، کل مقدار کانتینرهایی را که کشتی میتواند حمل کند، کاهش میدهد. از این رو، بسیاری از کشتیهای کانتینری فوقبزرگ (مانند کلاس Maersk Triple E) سازه فوقانی خود را به میانه کشتی منتقل کردهاند تا بتوانند کانتینرها را با ارتفاع کامل در عقب سازه فوقانی جای دهند.
مطالعه طراحی کشتیهای کانتینری به اینجا ختم نمیشود. کشتیهای یخچالی (reefer ships) وجود دارند که به طور خاص برای حمل محمولههای یخچالدار در کانتینرهای یخچالدار طراحی شدهاند. آنها مجهز به سیستمهای خنککننده متصل به هر کانتینر هستند که خود یک مطالعه متفاوت است. همچنین، روندهای اخیر در بازار استفاده از کشتیرانی آهسته (slow steaming) را تشویق کرده است که منجر به انجام تغییرات گسترده در دماغه و پروانهها در کشتیهای اکثر شرکتهای کشتیرانی کانتینری شده است. اگرچه این ممکن است با نیاز به سرعت بالای کشتیهای کانتینری در تضاد به نظر برسد، اما این کشتیها همچنان با سرعتهای بالاتری نسبت به نفتکشها و فلهبرها کار میکنند. پروانههای با قطر بزرگتر و دور در دقیقه پایین کارایی پیشرانش بیشتری را ارائه کردهاند. بهینهسازی کشتیهای کانتینری برای الزامات فعلی صنعت چیزی است که ماهیت پویا دارد و این امر مستلزم آن است که طراحان کشتی نه تنها از امکانات جدید طراحی آگاه باشند، بلکه بتوانند روندهای صنعت را چند سال جلوتر پیشبینی کنند.
#کشتی_کانتینری #طراحی_کشتی #حمل_و_نقل_دریایی #صنعت_کشتیرانی #مهندسی_دریایی #لجستیک_دریایی #TEU #جعبه_پیچشی #بنادر #فناوری_دریایی
