樊紅元，楊 博，徐宜兵

(上海船舶設(shè)計研究院，上海 201203)

0 引 言

重型起重機多用途船攬貨能力較強，尤其適合成套大型工程設(shè)備的運輸[1]，并具有較強的市場適應(yīng)能力。為適應(yīng)垂直裝載超高超重工程設(shè)備，敞口(無艙蓋)多用途船的概念隨之產(chǎn)生[2]。國際海事組織(IMO)對敞口船的規(guī)定僅為針對集裝箱船的《敞口集裝箱船檢驗暫行導(dǎo)則》(簡稱《暫行導(dǎo)則》)[3]，多用途船無相應(yīng)的規(guī)范作為設(shè)計依據(jù)。業(yè)內(nèi)實船建造的敞口多用途船多數(shù)入級挪威船級社(DNV)，具體審圖檢驗依據(jù)參照《暫行導(dǎo)則》和船旗國主管當局要求及船級社針對敞口多用途船具體特點的一些特殊要求。為適應(yīng)市場需求，DNV于2017年推出針對多用途船的附加船級符號“Hatchcoverless”，明確敞口多用途船設(shè)計規(guī)范，為業(yè)界敞口多用船研發(fā)設(shè)計提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，項目組對12 500 t重型起重機多用途船優(yōu)化升級，開發(fā)12 500 t重型起重機敞口多用途船，增加敞口功能，提高船舶裝載靈活性，增強攬貨能力。

1 船型概況

該型船主尺度：總長，147.00 m；型寬，22.80 m；結(jié)構(gòu)吃水，8.18 m；敞口吃水，7.00 m。該型船具有無限航區(qū)，主要用于長大件、超高件和重貨運輸，并可運輸常規(guī)貨物，如集裝箱、散貨和危險品等；綠色環(huán)保，無人機艙；配備MAN G型超長沖程柴油發(fā)動機、艏側(cè)推進器、大直徑高效定距槳；前傾艏柱加球鼻艏和方艉，駕駛室、起居處所和機艙位于艉部，設(shè)置艏樓和艉樓；上甲板為連續(xù)甲板，設(shè)置2個箱形結(jié)構(gòu)貨艙，貨艙內(nèi)底載荷為18.0 t/m2，第一貨艙長為12.75 m，第二貨艙長為76.50 m；第一貨艙配備1對液壓折疊式艙蓋，第二貨艙配備4對液壓折疊式艙蓋和1對吊離式艙蓋組合；上甲板配備2臺起重能力為250 t的重型起重機，聯(lián)吊能力可達500 t。該型船配置2層活動式貨艙二甲板，甲板可比貨艙多裝2列集裝箱。

2 總體布置

該型船總體布置如圖1所示。

圖1 總體布置

貨艙是船舶攬貨能力的體現(xiàn)，方便裝卸貨，可裝載長大件重貨是該型船一大特色[4]。貨艙開口尺寸和貨艙底部相同，貨物裝載無盲區(qū)。第二貨艙適合在艙內(nèi)裝載長大件重貨，無艙蓋設(shè)計可裝載超高件。活動二甲板可用作移動橫艙壁，根據(jù)需要將貨艙分為2個或多個區(qū)域，使運載形式更加靈活。內(nèi)底和艙壁無凸出設(shè)計可避免貨損，便于裝貨。第一貨艙配備的吊離式艙蓋不僅可使用起重機操作吊離，而且可沿艙口圍由電機驅(qū)動前后移動。很多大件，例如風(fēng)車葉片和塔式起重機等，可直接放在艙蓋上面運輸。艙蓋面積越大，裝貨越方便，經(jīng)濟效益越好。在通常設(shè)計下，艙蓋外側(cè)與舷邊存在一定距離，該型船為充分利用邊艙上方面積，在艙蓋與舷側(cè)之間設(shè)計載貨平臺，平臺上表面與艙蓋齊平，以此增加甲板載貨面積。該型船配備貨艙二甲板，在貨艙內(nèi)有2個高度位置。在水平擱置時貨艙分為上下層，便于裝運各種雜貨。在作為移動橫艙壁時共有4個位置，可將貨艙沿船長方向分為不同區(qū)域，便于貨物分票。在用于裝載谷物時可有效降低谷物傾側(cè)力矩，改善穩(wěn)性。貨艙二甲板具有多個存放位置，可存放在上層建筑前方、貨艙艙蓋上面、第一貨艙內(nèi)和第二貨艙首部，這樣可用于調(diào)節(jié)船舶浮態(tài)及船舶穩(wěn)性，一舉多得。

該型船左舷配備2臺250 t能力的重型起重機，滿足聯(lián)吊距舷側(cè)11.00 m位置處500 t貨物的要求，整個起吊過程無浮箱平衡。重型起重機布置主要考慮如下問題：(1)吊臂覆蓋集裝箱、貨艙二甲板和吊梁的位置；(2)在聯(lián)吊時應(yīng)考慮長大件貨物的回轉(zhuǎn)空間需求；(3)吊臂的托架布置，并核實艙蓋打開是否相碰；(4)吊臂存放與貨艙二甲板存放位置協(xié)調(diào)；(5)主鉤存放方式。

3 敞口設(shè)計

3.1 敞口狀態(tài)的吃水

船舶所有人提供的目標貨物電纜卷車質(zhì)量為1 205 t，長度為24.10 m，寬度為10.75 m，高度為26.60 m，貨物重心為13.30 m。第二貨艙敞口裝載2個電纜卷車，如圖2所示；第一貨艙空。選用該工況作為基本工況，根據(jù)計算結(jié)果，7.00 m初步作為敞口吃水。需要通過耐波性模型試驗、完整穩(wěn)性計算和破損穩(wěn)性計算確定7.00 m吃水下的干舷是否滿足要求，需要校核7.00 m敞口吃水下的結(jié)構(gòu)強度。

圖2 電纜卷車裝載示例

3.2 完整穩(wěn)性和強度

船舶所有裝載工況除滿足IMO完整穩(wěn)性的相關(guān)要求外，在滿載狀態(tài)下須假設(shè)所有開口貨艙浸水至艙頂以上2.00 m，假設(shè)海水密度為1.025 t/m3，此時船舶的完整穩(wěn)性應(yīng)滿足《經(jīng)修正的1974年國際海上人命安全公約》(簡稱《SOLAS公約 1974》)第Ⅱ-1章B-1部分《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》的殘存橫準(S=1)要求[5]。該型船的殘存橫準計算結(jié)果如表1所示，滿足要求。

表1 殘存衡準計算結(jié)果

強度是指完整浸水狀態(tài)下的總縱和局部強度。完整浸水狀態(tài)是指最不利的浸水情況，是一項重要的安全標準和設(shè)計原則[5]。規(guī)范要求滿載加所有開口貨艙浸水至艙頂以上2.00 m或浸水至排水舷口下沿，校核總縱強度和局部強度。由于規(guī)范要求浸水量不大，因此第二貨艙浸水2.00 m工況和總縱彎矩與剪力低于設(shè)計吃水下的均質(zhì)貨物工況不需要額外考慮結(jié)構(gòu)加強。

3.3 破損穩(wěn)性

破損穩(wěn)性是該型船難點之一。第二貨艙超船長一半，貨艙凈開口17.60 m，占型寬77%。在發(fā)生破損后，第二貨艙進水量較大，對概率破損穩(wěn)性[6]提出較高要求?？紤]典型裝載工況的縱傾，按照《SOLAS公約 2009》要求，采取各種措施提高達到的分艙因數(shù)A值[7]，最大限度降低破損穩(wěn)性對非敞口狀態(tài)裝載工況的極限初穩(wěn)心高度hGM的影響。

敞口狀態(tài)需要滿足《SOLAS公約》破損穩(wěn)性要求，部分吃水和敞口吃水下的貨艙滲透率取0.90[8]，輕載營運吃水下的貨艙滲透率取0.95，該要求高于非敞口狀態(tài)。考慮敞口吃水較小，壓載水裕量較大，可用于調(diào)縱傾，因此僅考慮平浮狀態(tài)，無附加縱傾，以減少模型試驗成本，并可滿足營運要求。兩舷A值均大于要求的分艙因數(shù)R值，敞口破損穩(wěn)性計算結(jié)果如表2所示。

表2 敞口破損穩(wěn)性計算結(jié)果

3.4 敞口耐波性模型試驗

試驗采用的波譜為JONSWAP譜，對于僅在限定海域營運的船舶，船級社允許采用其他波譜。根據(jù)規(guī)范要求，試驗應(yīng)在長峰不規(guī)則波中進行，應(yīng)營造在最不利波浪周期情況下有義波高為8.50 m的波浪，由風(fēng)引起海水飛濺的影響不用考慮。

試驗的5個浪向為：隨浪(0°/360°)；尾斜浪(45°/315°)；橫浪(90°/270°)；首斜浪(135°/225°)；迎浪(180°)。至少應(yīng)進行3個速度的模型試驗：(1)首斜浪和迎浪中的最大持續(xù)船速；(2)隨浪和尾斜浪中的最小操縱船速；(3)橫浪中的零速(癱船狀態(tài))。

船級社要求模型試驗應(yīng)采用自航無約束模型進行，航向不動，試驗時間應(yīng)至少對應(yīng)實船時間1 h。模型試驗的吃水取敞口吃水7.00 m。完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性確定最小的hGM值，與最不利波浪周期共振的hGM值進行比較，取兩者中的大值作為最終的hGM值，此時在橫搖時敞口貨艙上浪進水量最大。在每個航次結(jié)束后，均將艙內(nèi)上浪進水全部抽出并測量其體積，以排除試驗過程中的積水對初穩(wěn)心高度、慣性矩和排水量產(chǎn)生明顯影響，同時記錄船舶運動、航速、相對運動和舵角等數(shù)據(jù)。

為進一步減少上浪采取如下措施：(1)第一貨艙常規(guī)設(shè)計，在敞口航行時貨艙蓋關(guān)閉；(2)艏部設(shè)置擋浪罩；(3)為減少迎浪工況和上浪進水，創(chuàng)造性地在擋浪罩上面額外增加1個擋浪板，如圖3所示。

圖3 新增擋浪板

船級社規(guī)范要求模型試驗測得的敞口貨艙每小時最大上浪進水量不超過敞口面積乘以400 mm/h。進水測量試驗結(jié)果如表3所示，滿足規(guī)范要求。結(jié)合完整穩(wěn)性、強度和破損計算，該型船敞口吃水7.00 m選取合理，滿足規(guī)范和實際營運需求。

3.5 敞口貨艙的艙底水系統(tǒng)

規(guī)范要求艙底水系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的排水能力，可排放如下5項中的較大者：(1)由模型試驗結(jié)果確定航行狀態(tài)下的每小時貨艙最大上浪量；(2)不考慮防雨棚，100 mm/h的降雨量；(3)模型在橫浪癱船狀態(tài)下耐波性試驗所測得的每小時貨艙上浪量乘以安全因數(shù)2；(4)最大敞口貨艙內(nèi)的消防所需要水量的133%；(5)相當于封閉貨艙所需要的排量。應(yīng)至少有3臺艙底泵可用于排放貨艙艙底水，在該類泵中至少有1臺應(yīng)具備不小于上述所要求的排量，至少有2臺泵的組合排量不小于上述所要求的排量。結(jié)合表3，該型船配置1臺500 m3/h應(yīng)急艙底泵，2臺450 m3/h壓載泵兼艙底泵，滿足規(guī)范要求。

表3 進水測量試驗結(jié)果 mm/h

4 節(jié)能環(huán)保措施

(1)型線優(yōu)化，艏部全參數(shù)化建模用于計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析，3%以上收益；進行基于Operation Profile軟件的多工況優(yōu)化，兼顧常用工況快速性；德國漢堡水池(HSVA)評估結(jié)果優(yōu)秀；丹麥力量科技(FORCE Technology)水池驗證，船舶所有人高度評價。

(2)主機油耗低，選用MAN G型主機，最終日油耗約15.9 t/d。

(3)按照DNV的“CLEAN”和“SCRUBBER READY”等環(huán)保符號設(shè)計，滿足硫氧化物(SOx)排放要求，配壓載處理裝置，并保留壓載水溢流，滿足《壓載水管理及壓載水管理計劃編制指南(G4)：MEPC.306(73)》的應(yīng)急措施要求，編制滿足歐盟有害物質(zhì)清單(Inventory of Hazardous Material，IHM)要求；能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)滿足Phase Ⅲ要求，能效指標先進。

(4)大膽采用節(jié)能技術(shù)，例如變頻泵和變頻風(fēng)機。在海水冷卻系統(tǒng)中，主海水冷卻泵采用變頻控制，可通過對海水溫度和低溫冷卻淡水溫度的監(jiān)測，利用變頻技術(shù)控制主海水冷卻泵電機轉(zhuǎn)速，降低消耗功率，達到節(jié)能目的。在機艙通風(fēng)系統(tǒng)中，機艙風(fēng)機采用變頻控制，通過監(jiān)測外界環(huán)境溫度和機艙內(nèi)溫度，利用變頻技術(shù)控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，降低消耗功率，達到節(jié)能目的。

(5)該型船使用箱式冷卻器，管路單一，系統(tǒng)簡單，效率較高[9]。

5 結(jié) 語

項目組研究某型節(jié)能環(huán)保重型起重機敞口多用途船，性能指標優(yōu)秀，攬貨能力強，尤其適合長大件重貨運輸。在總體布置方面，在第二貨艙艙蓋與舷側(cè)之間設(shè)計載貨平臺，其載荷與相同區(qū)域的貨艙蓋相同，上表面平整，無任何凸出物，可實現(xiàn)超大工程設(shè)備的不拆解運輸?？紤]敞口航行的實際營運工況確定敞口狀態(tài)的吃水為7.00 m，根據(jù)DNV規(guī)范校核敞口狀態(tài)下的完整穩(wěn)性、破損穩(wěn)性和總縱強度，并通過敞口耐波性模型試驗證明敞口狀態(tài)吃水確定為7.00 m是合適的。為保證敞口航行安全，根據(jù)規(guī)范配備足夠排水能力的艙底水系統(tǒng)。