王 冬 楊 軍 肖留勇

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

隨著2006年巴拿馬運(yùn)河拓寬決議的正式通過，使得船寬大于標(biāo)準(zhǔn)巴拿馬型船寬（32.2 m）的集裝箱船通過巴拿馬運(yùn)河成為可能。該拓寬規(guī)劃的通過給世界航運(yùn)界、造船界帶來了巨大的影響，多家船廠和設(shè)計(jì)公司紛紛推出各種“新巴拿馬型”船舶，以期抓住市場(chǎng)機(jī)遇，爭(zhēng)奪造船訂單［1］。

4 600 TEU集裝箱船正是為了緊跟市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，由上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）自主開發(fā)設(shè)計(jì)的新一代集裝箱船。該船型的船寬為37.3 m，略大于標(biāo)準(zhǔn)巴拿馬型船寬，甲板上相對(duì)能夠多裝載2列集裝箱，業(yè)界稱之為“迷你超巴拿馬型”。值得一提的是，該船型推出恰逢全球金融危機(jī)，集裝箱船航運(yùn)受到巨大沖擊，而4 600 TEU作為世界上第一個(gè)獲得該類新型集裝箱船建造訂單的項(xiàng)目，是當(dāng)時(shí)黯淡低迷的集裝箱船新造船市場(chǎng)上的亮點(diǎn)。

1 主尺度及主要參數(shù)

該船采用常規(guī)單機(jī)單槳推進(jìn)，設(shè)計(jì)吃水下服務(wù)航速23.1 kn，續(xù)航力為18 400 n mile，可航行于全球各大港口，航線靈活便捷。全船布置7個(gè)貨艙，除可以裝載普通貨物外還可以裝載冷藏集裝箱和危險(xiǎn)品集裝箱貨物。甲板上設(shè)置綁扎橋，有效提高船東營(yíng)運(yùn)時(shí)艙口蓋上的集裝箱堆重。燃油艙以深艙形式布置在貨艙一端，采用閉式溢流設(shè)計(jì)，安全環(huán)保。有效裝箱數(shù)多，結(jié)構(gòu)吃水下14 t重箱數(shù)達(dá)到3 640 TEU，與名義箱數(shù)比值達(dá)到77.9%，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。該船壓載水量大幅降低，14 t重箱工況下，除攜帶必須用于調(diào)整橫傾的壓載水外，基本可以做到無壓載水，大大降低了船員交換處理壓載水的工作量以及船東營(yíng)運(yùn)成本，提升船舶的經(jīng)濟(jì)性。全船總布置如圖1所示。

圖1 4 600 TEU總布置示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 線型設(shè)計(jì)

4 600 TEU集裝箱船的尺度特點(diǎn)是長(zhǎng)寬比L/B較大，寬度吃水比B/T很大，方形系數(shù)Cb在集裝箱船中屬于適中，傅氏數(shù)Fn相對(duì)較高。參比SDARI集裝箱船數(shù)據(jù)庫（見表1），在分析了數(shù)據(jù)庫相似線型及性能的條件下，選取G型船作為母型船。

表1 數(shù)據(jù)庫中方型系數(shù)相近的集裝箱船參數(shù)對(duì)比

以此為母型船變換得到初步線型。在充分對(duì)比分析相關(guān)船型的基礎(chǔ)上，按照線型設(shè)計(jì)和船模試驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)線型進(jìn)行了局部修改，并且按照主機(jī)配置和螺旋槳葉梢間隙的要求，修改尾部的外形輪廓。集裝箱船屬于布置型船舶，甲板上需要裝載大量集裝箱，意味著對(duì)橫穩(wěn)性高KM要求較高，以滿足完整穩(wěn)性的要求，所以集裝箱船尾部的滿載水線普遍比較寬，再結(jié)合傅氏數(shù)的大小，分析相關(guān)船型的剩余阻力曲線，確定該線型有如下特征：首部橫剖面形狀偏V型；浮心較一般線型更加后移；注意尾部縱剖線的斜率以兼顧快速性、穩(wěn)性和適航性的要求。

在得到滿足布置要求的初步線型后，我們利用FRAMEWORK和SHIPFLOW軟件對(duì)其進(jìn)行CFD的計(jì)算與優(yōu)化，提高目標(biāo)船的快速性能（見圖2）。通過分析在國(guó)內(nèi)水池進(jìn)行的初始線型的船模試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)線型進(jìn)行二次優(yōu)化和修改，確定了最終的船體線型。

圖2 改型與原型的波形比較

優(yōu)化后的線型在德國(guó)的漢堡水池（HSVA）進(jìn)行了船模試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，阻力下降十分顯著，剩余阻力系數(shù)Cr在設(shè)計(jì)航速23 kn上比母型船降低25%，同時(shí)推力減額t減小，推進(jìn)效率提高了8.5%，航速達(dá)到預(yù)期的23.1 kn，并略有節(jié)余。優(yōu)化后的線型在HSVA的數(shù)據(jù)庫中位于優(yōu)秀線型的行列（見圖3）。

圖3 與HSVA數(shù)據(jù)庫相似線型Pd比較

由圖3可見，經(jīng)過優(yōu)化的4 600 TEU集裝箱船線型的收到功率比HSVA水池內(nèi)相似線型的阻力平均水平更低。

2.2 總布置設(shè)計(jì)

該船屬于常規(guī)集裝箱船，機(jī)艙布置在船體中尾部，全船沿船長(zhǎng)方向一共布置7個(gè)貨艙，總體布置上雖然與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比并無太多差別，但由于其B/T值較大，加之新的SOLAS2009規(guī)范生效對(duì)設(shè)計(jì)造成的影響，因此一些布置細(xì)節(jié)還是有其特點(diǎn)的。

2.2.1 最佳型深選取

對(duì)于寬體船來說，大傾角穩(wěn)性是一個(gè)需要重視的問題，特別是保證船舶在30°～40°范圍內(nèi)有足夠的穩(wěn)性，確定一個(gè)合適的型深至關(guān)重要?？紤]到過大的型深會(huì)增加空船重量和重心高度，甲板上的集裝箱重心高度也會(huì)相應(yīng)提高，因此經(jīng)過相關(guān)的計(jì)算平衡，最終確定型深為19.6 m，并且尾部也沒有設(shè)置常見的尾部下沉甲板，在尾部水線以上保留足夠的儲(chǔ)備浮力。這樣無論是對(duì)于大傾角穩(wěn)性還是破艙穩(wěn)性都比較有利。此外，取消設(shè)置尾沉甲板也有利于阻止海盜登船襲擊。

2.2.2 船員安全通道設(shè)計(jì)

該船的貨艙采用大開口雙殼箱形結(jié)構(gòu)，邊艙二甲板上設(shè)有縱通走道，并且在走道中設(shè)置可以直接進(jìn)入每一貨艙的水密門。這在實(shí)際航行中對(duì)于船員進(jìn)貨艙檢查非常方便和安全。

2.2.3 最小壓載水設(shè)計(jì)

該船屬于寬體集裝箱船，穩(wěn)性相對(duì)富裕，在日常運(yùn)營(yíng)工況中所需壓載水較少，例如該船在14 t重箱滿載工況中，所需要的壓載水總量?jī)H為932 t，壓載水量大大降低。因此在壓載艙設(shè)計(jì)時(shí)，首尾兩個(gè)尖艙均設(shè)置為空艙而不是常規(guī)的壓載艙，既可以降低船舶總縱彎矩，又可以減少船廠壓載水艙保護(hù)涂層施工和管系放樣的工作量，降低建造成本。

2.3 破艙穩(wěn)性研究

隨著SOLAS2009規(guī)范的生效，船級(jí)社對(duì)集裝箱船的破艙穩(wěn)性要求變得更加嚴(yán)格。破艙穩(wěn)性與船舶的裝載性能是一對(duì)互相制約的矛盾，破艙穩(wěn)性對(duì)于初始GM值的要求是越大越好，但GM越大，則對(duì)船舶的裝載完整穩(wěn)性要求越高，實(shí)際的裝載表現(xiàn)也就會(huì)越差。因此想要提高集裝箱船的14 t重箱數(shù)指標(biāo)，就需要仔細(xì)考慮如何能夠降低滿足破艙穩(wěn)性要求的初始GM值?；谶@種考慮，該船在總體設(shè)計(jì)中采取了以下措施：在邊艙兩側(cè)走道中增加一些水密門；限制甲板上空氣管、通風(fēng)等開口的放樣位置；在燃油溢流系統(tǒng)和管弄設(shè)計(jì)時(shí)，通過在關(guān)鍵位置設(shè)置遙控閥和盡量延伸管弄長(zhǎng)度，以避免發(fā)生連續(xù)進(jìn)水，從而影響破艙穩(wěn)性。

此外，根據(jù)德國(guó)勞氏船級(jí)社的最新解釋，對(duì)于二沖程主機(jī)機(jī)艙布置，雙層底視為非水密。當(dāng)主機(jī)滑油循環(huán)艙破損時(shí)，水會(huì)沿著滑油管進(jìn)入主機(jī)，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)艙也跟著破損進(jìn)水。如果主機(jī)滑油循環(huán)艙的底板距船底高度不能滿足大于B/20的要求時(shí)［2］，船級(jí)社將認(rèn)為這一區(qū)域的雙層底不滿足規(guī)范要求，需要核算機(jī)艙雙層底破損，而且通常還會(huì)連帶到機(jī)艙前貨艙區(qū)壓載艙的一起破損，破損橫傾會(huì)進(jìn)一步加劇。從目前SDARI已經(jīng)計(jì)算送審的幾型船的結(jié)果來看，這一條往往在決定滿足破艙穩(wěn)性的最小GM值時(shí)起主導(dǎo)作用。

最后經(jīng)過多次反復(fù)核算，確認(rèn)該船滿足破艙穩(wěn)性要求的GM值在結(jié)構(gòu)吃水時(shí)為0.66 m，對(duì)應(yīng)的14 t重箱數(shù)可以達(dá)到3 640 TEU，與該船的名義箱數(shù)比值達(dá)到77.9%，優(yōu)于同級(jí)別國(guó)內(nèi)外方案。

2.4 燃油艙布置設(shè)計(jì)

為了滿足MARPOL公約關(guān)于燃油艙保護(hù)的強(qiáng)制要求，該船的燃油和柴油儲(chǔ)存艙設(shè)置在第1、3、5和第6貨艙的后端壁處，一共設(shè)置4組燃油深艙，橫向延伸至縱艙壁，底部延伸至雙層底，從而與船體外板形成雙殼保護(hù)，進(jìn)而最大限度滿足燃油艙保護(hù)要求。另外，集裝箱船中拱彎矩是最突出的問題，這種布置可以適當(dāng)降低整船的總縱彎距水平。

由于該船首尾油艙在舭部區(qū)域不能滿足距外板的距離要求，因此還需要利用溢流概率法計(jì)算驗(yàn)證燃油艙保護(hù)［3］。結(jié)果表明：

油艙容量：C=5 458 m3

舷側(cè)破損溢油量：OMS=56.5 m3

底部破損溢油量：OMB=47.2 m3

獲得的泄油量參數(shù)OM=（0.4 OMS+0.6 OMB）/C=0.009 327≤0.01

判斷：合格

3 與國(guó)際同類產(chǎn)品比較

該船是世界上第一型寬體中型超巴拿馬型集裝箱船，在開發(fā)初期沒有合適的參考船可以對(duì)比，韓國(guó)和日本也沒有推出類似的船型，因此只針對(duì)總長(zhǎng)、主機(jī)功率比較接近的4 250 TEU集裝箱船做一個(gè)比較，見表2。后者作為標(biāo)準(zhǔn)巴拿馬型的經(jīng)典船型在過去若干年內(nèi)占據(jù)了大多數(shù)的市場(chǎng)份額，是該級(jí)別集裝箱船中的明星船型，具有較強(qiáng)的代表性。

由表2對(duì)比可見，4 600 TEU集裝箱船作為一種新型寬體集裝箱船，相比標(biāo)準(zhǔn)巴拿馬型集裝箱船載重量、名義箱數(shù)以及14 t重箱有效裝箱數(shù)均得到大幅提高；在主機(jī)功率基本相同的情況下，雖然航速有所降低，但是折合到每14 t重箱每單位航速的油耗也大幅降低；需要攜帶的壓載水大幅降低，大大降低了船員交換處理壓載水的工作量和處理成本；油耗經(jīng)濟(jì)性和營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性相比傳統(tǒng)4 250 TEU集裝箱船均有較大提高。

表2 與國(guó)際同類產(chǎn)品對(duì)比

4 結(jié)語

該船作為世界上第一艘獲得實(shí)船建造訂單的該類船型，開啟了“迷你超巴拿馬型”集裝箱船設(shè)計(jì)的先河，樹立了寬體集裝箱船設(shè)計(jì)的新理念。通過該船的設(shè)計(jì)，SDARI掌握了該型船的核心設(shè)計(jì)技術(shù)，并陸續(xù)為其他船東設(shè)計(jì)了3 800 TEU、4 800 TEU以及5 000 TEU等一系列中型寬體集裝箱船，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］侯立平，徐文宇，趙志高.迷你超巴拿馬型集裝箱船的特點(diǎn)與趨勢(shì)［J］.上海造船，2010（1）：25-26.

［2］國(guó)際海上人命安全公約 ［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］MARPOL 防污公約［S］.北京：人民交通出版社，2006.