陳 弓

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司， 江蘇 南通 226005)

0 引 言

集裝箱船是專門(mén)從事集裝箱貨物運(yùn)輸?shù)拇?。?代集裝箱船出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，主要用途是橫穿太平洋和大西洋的千箱級(jí)別集裝箱船。隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的騰飛，集裝箱船也在高速發(fā)展，箱量和運(yùn)輸效率也在不斷提高。從集裝箱船型誕生到發(fā)展至8 000 TEU花費(fèi)約46年時(shí)間，然后僅用12年時(shí)間，船型尺度就從8 000 TEU 發(fā)展到20 000 TEU。

2008年金融危機(jī)以來(lái)，航運(yùn)市場(chǎng)持續(xù)低迷，導(dǎo)致企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為降低營(yíng)運(yùn)成本，近年來(lái)集裝箱船日趨大型化并且該趨勢(shì)成上升態(tài)勢(shì)。2011年集裝箱航運(yùn)巨頭馬士基集團(tuán)訂造的3E級(jí)船開(kāi)啟新一輪集裝箱船大型化趨勢(shì)，在馬士基集團(tuán)的引領(lǐng)下，國(guó)內(nèi)外多家知名班輪公司相繼訂造或者投入運(yùn)營(yíng)了20 000 TEU級(jí)別的超大型集裝箱船。由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，大型集裝箱船單船載箱量越大，單箱運(yùn)輸成本可實(shí)現(xiàn)下降。據(jù)研究，相對(duì)于12 500 TEU集裝箱船，18 000 TEU集裝箱船的單箱運(yùn)輸成本下降約12%[1]?？紤]到集裝箱船航運(yùn)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)和集裝箱船的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶所有人的需求，南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司基于船廠豐富的集裝箱船設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)，于2015年自主研發(fā)出新一代大箱量、低油耗、智能化、節(jié)能環(huán)保型20 000 TEU超大集裝箱船。

1 主尺度

南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司建造交付的多系列集裝箱船正運(yùn)營(yíng)于全球各大班輪航線，通過(guò)深入調(diào)研，構(gòu)建系列船的航行記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析船舶主要運(yùn)營(yíng)吃水、操作航速等重要數(shù)據(jù)，結(jié)合船舶所有人提供的船舶服務(wù)航線、目標(biāo)箱量和載重量等參數(shù)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化、計(jì)算及與船舶所有人交流，最終決定本船主尺度如表1所示。

型寬設(shè)定為58.6 m，貨艙內(nèi)可裝載21列集裝箱，甲板上可裝載23列集裝箱，滿足歐亞航線上主要集裝箱碼頭橋吊外延長(zhǎng)度的要求?？紤]到集裝箱標(biāo)箱和高箱的區(qū)別，型深按照8層標(biāo)箱加3層高箱的方案設(shè)計(jì)，比同類型船高0.2 m，船舶所有人可以根據(jù)貨物高箱和標(biāo)箱的情況自由選擇貨艙裝載方式，提高裝載靈活性。

主流20 000 TEU級(jí)別船的設(shè)計(jì)吃水一般為14.5 m，根據(jù)與船舶所有人的多次交流，結(jié)合實(shí)際航線運(yùn)營(yíng)情況，包括裝箱量和載重量的營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)，本船設(shè)計(jì)吃水設(shè)定為14.0 m，結(jié)構(gòu)吃水設(shè)定為16.0 m。

南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎之前開(kāi)發(fā)的集裝箱船型，符合傳統(tǒng)意義上的中高速船型的定義，最高航速通常能達(dá)到25 kn左右。近期通過(guò)實(shí)船數(shù)據(jù)反饋，船舶所有人出于節(jié)能考慮，實(shí)船中、低速航行的比例明顯提高，船型開(kāi)發(fā)時(shí)，考慮集裝箱船趕班期的可能性，結(jié)合2方面因素的影響，本船的設(shè)計(jì)服務(wù)航速相對(duì)較高，設(shè)定為22.5 kn。

2 總體布置

為典型的單機(jī)單槳驅(qū)動(dòng)，從事無(wú)限航區(qū)集裝箱運(yùn)輸?shù)某笮图b箱船，最上層甲板為連續(xù)平直上甲板，在艉部系泊甲板處下沉，艏部采用節(jié)能型球艏，無(wú)艏樓，艉部采用方尾，半平衡舵匹配舵球舵鰭節(jié)能系統(tǒng)。

采用居住區(qū)與機(jī)艙分離式雙島布置，居住區(qū)前布置4個(gè)貨艙，居住區(qū)與機(jī)艙間布置5個(gè)貨艙，機(jī)艙后布置1個(gè)貨艙。在甲板上考慮2個(gè)45尺專用箱位，一個(gè)布置在機(jī)艙前側(cè)，另一個(gè)布置在居住區(qū)后側(cè)；甲板上布置23列11層集裝箱，采用20尺和40尺箱混裝形式，貨艙內(nèi)布置21列11層集裝箱。該船總布置如圖1所示。

圖1 20 000 TEU超大型集裝箱船外形

居住區(qū)布置在船中，而機(jī)艙則布置在艉部，燃油艙布置在居住區(qū)下方，是典型的雙島布置設(shè)計(jì)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是大幅改善駕駛室的視線，同時(shí)，貨艙以及甲板上的裝箱量可增加約5%，降低了居住區(qū)的噪聲和振動(dòng)水平。為使該船的裝箱量最大化，居住區(qū)與機(jī)艙間的集裝箱行數(shù)由初始設(shè)計(jì)的10行增加至11行。另一方面，由于集裝箱船甲板大開(kāi)口的構(gòu)造特征，居住區(qū)和機(jī)艙雙島的距離提升，使得船體扭轉(zhuǎn)應(yīng)力及艙口圍對(duì)角線變形控制成為設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)。

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本船是基于最新的國(guó)際法規(guī)、船級(jí)規(guī)范以及船舶所有人需求和運(yùn)營(yíng)條件，通過(guò)一年多的優(yōu)化和驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)出的新一代技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)秀的集裝箱船，具有裝箱量大、油耗低、安全可靠、綠色、環(huán)保、智能、可通過(guò)改造使用液化天然氣(LNG)作為燃料等特點(diǎn)，能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)提前滿足10年后的Phase 3標(biāo)準(zhǔn)。各種設(shè)計(jì)特點(diǎn)見(jiàn)后文所述。

3.1 線型優(yōu)化

采用最新的船體線型技術(shù)，運(yùn)用數(shù)字化水池技術(shù)和模型水池試驗(yàn)等方法，對(duì)船體線型進(jìn)行多輪優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用先進(jìn)的球鼻艏形式，控制和降低興波阻力，兼顧優(yōu)化低速航行時(shí)的船舶性能，確保船舶在寬泛的航速范圍內(nèi)均有優(yōu)異的推進(jìn)性能。楔形船尾的節(jié)能設(shè)計(jì)，可以平穩(wěn)螺旋槳產(chǎn)生的尾流和船體艉波，降低艉部的興波阻力，同時(shí)提高艉部水流脫離速度，減少紊流的產(chǎn)生。配備如圖2所示的舵球舵鰭系統(tǒng)，能減少螺旋槳轂帽后的低壓區(qū)空間，對(duì)槳后的水流有良好的整流作用，從而減少紊流渦流引起的能量損失，同時(shí)能減輕尾流對(duì)舵和船尾的激振作用，綜合提高推進(jìn)性能。

圖2 舵球舵鰭系統(tǒng)

3.2 LNG-Ready概念設(shè)計(jì)

LNG是清潔能源。日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)使船舶在排放控制區(qū)(ECA)的航行須更換低硫燃油或輕質(zhì)柴油，而使用相對(duì)清潔的LNG燃料不僅可以滿足該區(qū)域的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且還可以節(jié)省低硫燃油或輕質(zhì)柴油與LNG燃料間的差價(jià)導(dǎo)致的巨額燃料費(fèi)用。 因此，采用LNG作為燃料越來(lái)越受到船舶所有人的關(guān)注。但是，考慮到目前大型集裝箱船采用LNG燃料在技術(shù)上還不夠完全成熟，經(jīng)濟(jì)效益還不具備壓倒性優(yōu)勢(shì)，采用可在未來(lái)改造成使用LNG燃料的設(shè)計(jì)，即LNG-Ready設(shè)計(jì)，以滿足特定航線的大容量LNG燃料艙未來(lái)安裝，并充分研討LNG管路、燃?xì)夤庀到y(tǒng)設(shè)置的布置和空間預(yù)留、主副機(jī)在今后改裝的可能等，滿足船級(jí)社最新發(fā)布的GR(S)船級(jí)符號(hào)。在未來(lái)氣體燃料基礎(chǔ)設(shè)施到位、經(jīng)濟(jì)性可行的情況下，可改造轉(zhuǎn)換成氣體燃料運(yùn)營(yíng)。

3.3 裝載靈活性

綁扎橋按照高箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用20英尺箱和40英尺箱混裝模式，同時(shí)采用“外綁”方式，提高堆載荷重和甲板的裝載能力，提高重箱、高箱的裝載靈活性。

通過(guò)對(duì)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)、冷箱供電系統(tǒng)、檢修操作等詳細(xì)研討，考慮設(shè)置2個(gè)貨艙裝運(yùn)冷藏集裝箱，同時(shí)考慮多個(gè)危險(xiǎn)貨艙，基本涵蓋所有類型的包裝危險(xiǎn)貨物，提高船舶攬貨能力和冷箱裝載靈活度，同時(shí)冷箱布置在貨艙內(nèi)，降低倒箱作業(yè)的概率，節(jié)省在港時(shí)間。

貨艙內(nèi)和甲板上分別可裝載11層集裝箱，考慮到航線上可能出現(xiàn)的大橋通行限制，將雷達(dá)桅設(shè)計(jì)為可傾倒式，當(dāng)經(jīng)過(guò)對(duì)船舶凈空高度有限制的區(qū)域時(shí)可臨時(shí)降低天線高度以達(dá)通行要求，目前凈空高度約68 m，滿足船舶所有人預(yù)定的亞歐航線的通行要求。

3.4 安全可靠

2013年6月，日本商船三井MOL Comfort號(hào)集裝箱船在距也門(mén)200英里(1英里=1.609 km)處發(fā)生事故，船舶從中間斷成兩截。日本國(guó)土交通省發(fā)布的最終調(diào)查結(jié)果[2]表明：船體斷裂最早出現(xiàn)在船中底板，產(chǎn)生該損傷的主要原因是船體梁極限強(qiáng)度不足，未考慮側(cè)壓對(duì)雙層底以及顫振對(duì)波浪彎矩的影響。IACS根據(jù)該船的調(diào)查結(jié)果以及其他一些事故推出了針對(duì)集裝箱船的2個(gè)新的統(tǒng)一要求，分別是UR S11A和UR S34，生效日期為2016年7月1日。本船雖無(wú)須適用該最新要求，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)預(yù)先考慮了其中的要求。

集裝箱船在水線以下的船體設(shè)計(jì)得很纖瘦。同時(shí)，為了在甲板位置獲取更大的空間以裝載更多的集裝箱而造成艏部線型外飄嚴(yán)重，艏艉的外飄形狀對(duì)波浪彎矩和扭矩具有非線性影響，實(shí)際的波浪彎矩分布與IACS規(guī)范要求值相差較大，本船通過(guò)非線性船舶運(yùn)動(dòng)分析來(lái)獲得。

超大型集裝箱船因其尺度大、航速高、船型艏部外飄和使用高強(qiáng)鋼等因素，易于發(fā)生彈振和顫振。彈振將激起高頻的應(yīng)力循環(huán)，加劇船體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，而顫振將使船體的波浪彎矩在某些瞬時(shí)明顯增加，甚至超出規(guī)范設(shè)定的設(shè)計(jì)波浪彎矩。設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)LR船級(jí)社提出的彈振顫振分析方法[3]分別對(duì)疲勞強(qiáng)度和船體梁極限強(qiáng)度進(jìn)行專門(mén)評(píng)價(jià)。

為確?？偪v強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，在艙口圍及上甲板位置采用高強(qiáng)度厚板。為了確保船體梁整體安全，在材料的選擇方面，縱向艙口圍板和上甲板分別采用具有防止脆性裂紋傳播特性的鋼板，其中艙口圍板為EH47S(CAT≤-10℃或Kca≥6 000 N/mm3/2at -10℃)，上甲板板為EH40S(CAT≤-10℃或Kca≥6 000 N/mm3/2at -10℃)。另外，根據(jù)日本船舶技術(shù)研究協(xié)會(huì)[4]的研究，對(duì)焊縫位置的斷裂韌性值作了測(cè)試，確保在極厚板焊縫中存在肉眼可見(jiàn)的裂紋時(shí)，在船體梁所能承擔(dān)的最大拉應(yīng)力下，焊縫具備阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大生長(zhǎng)的能力。

集裝箱船航速高，易產(chǎn)生砰擊損傷。采用二維切片理論，對(duì)船首尾砰擊壓力進(jìn)行直接計(jì)算，對(duì)相關(guān)結(jié)果作砰擊強(qiáng)度計(jì)算，防止砰擊損傷。

3.5 智能化

本船實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)+航運(yùn)，全船布置局域網(wǎng)。通過(guò)采集各種設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置專用服務(wù)器對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理能協(xié)助船員進(jìn)行科學(xué)決策。

為幫助船舶所有人利用船舶性能數(shù)據(jù)節(jié)省燃

[][]

油，同時(shí)減少成本和減輕污染氣體的排放，配置能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。安裝的特定傳感器自動(dòng)收集主機(jī)、副機(jī)、內(nèi)部環(huán)境、外部環(huán)境、船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息，基于前期的水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及對(duì)后期航行數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)處理分析，給出最佳的航線、速度、轉(zhuǎn)速、縱傾等一系列優(yōu)化，使船舶達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能目標(biāo)。

配備船岸數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，利用衛(wèi)通系統(tǒng)與岸上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，管理公司可利用岸基資源，結(jié)合洋流和氣象信息的分析，實(shí)時(shí)管控船上狀態(tài)，指導(dǎo)船員進(jìn)行航線優(yōu)化，必要時(shí)能實(shí)施遠(yuǎn)程培訓(xùn)。圖3為本船船舶能效管理系統(tǒng)圖。

圖3 船舶能效管理系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

20 000 TEU超大型集裝箱船是南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎依據(jù)船舶所有人要求和市場(chǎng)需求開(kāi)發(fā)出的新一代裝箱量大、油耗低的集裝箱船。該船采用諸多新的節(jié)能技術(shù)、節(jié)能設(shè)備和各種優(yōu)化手段，能耗水平遠(yuǎn)低于市場(chǎng)上同級(jí)別集裝箱船，新船EEDI低于目前標(biāo)準(zhǔn)的50%左右，滿足10年之后的排放標(biāo)準(zhǔn)?？紤]目前主要的國(guó)際海運(yùn)環(huán)保相關(guān)法規(guī)，包括壓載水管理公約和拆船公約，總體設(shè)計(jì)非常綠色、環(huán)保，取得船級(jí)社的環(huán)保船級(jí)符號(hào)。在結(jié)構(gòu)安全方面，結(jié)合科研院所、船級(jí)社的最新研究成果，考慮超大型集裝箱船易于發(fā)生波激振動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)該船的疲勞強(qiáng)度和極限強(qiáng)度作了充分研究。在新材料的使用方面，積極推動(dòng)并協(xié)助鋼廠開(kāi)發(fā)出滿足該船需要的具備止裂性能的高強(qiáng)度極厚板，并在船廠及研究所通過(guò)各種焊接試驗(yàn)，以確保材料及焊接工藝滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 李源. 集裝箱船大型化猜想 [J]. 中國(guó)船檢，2014(9): 68-71.

[2] MLIT. Final Report of Committee on Large Container Ship Safety [R].2015.

[3] Lloyd’s Register. Guidance Notes on the Assessment of Global Design Loads of Large Container Ships and Other Ships Prone to Whipping and Springing [R]. 2014.

[4] 日本船舶技術(shù)研究協(xié)會(huì). 超大型コンテナ船の構(gòu)造安全対策の検討に係る調(diào)査研究報(bào)告書(shū) [R]. 2009.