無壓載水船舶設(shè)計(jì)理念

中船集團(tuán)七○八所 祁 斌

據(jù)報(bào)道，每年全球船舶攜帶的壓載水超過120億噸，平均每立方米壓載水有浮游動(dòng)植物1.1億個(gè)，已被確認(rèn)約有500種生物物種是由船舶壓載水傳播入侵。因此，船舶壓載水特別是遠(yuǎn)洋船舶壓載水的隨意排放，已被全球環(huán)保基金組織（GEF）列為海洋面臨的“四大危害”之一。

圖1：壓載水排放流程

圖2：傳統(tǒng)船體、NOBS船體、“Monomaran”船體比較圖

船舶壓載水是為了保證船舶航行時(shí)的穩(wěn)定性而采取的一種手段，雖說這是必須的，但所帶來的危害卻也是巨大的，除了給海洋環(huán)境帶來污染外，還會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力。如何在不使用壓載水的情況下確保船舶航行時(shí)的穩(wěn)定性，這一課題無疑成為了各方研究人員現(xiàn)階段的重點(diǎn)目標(biāo)。就目前而言，較為人們所熟知的無壓載水船舶理念有三種，分別為美國密西根大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)的貫通流系統(tǒng)船體（Through-Flow System Hull）、日本造船研究中心（SRC）提出的無壓載水船舶（NOBS）理念、荷蘭代爾夫特大學(xué)試造的單一結(jié)構(gòu)船體（Monomaran）。其中，日本和荷蘭的無壓載水理念較相近，均是以改變船體浮性以達(dá)到無壓載水目的。

—— 貫通流系統(tǒng)船體

美國貫通流系統(tǒng)船體可謂是目前各類無壓載水船舶設(shè)計(jì)中最有創(chuàng)意的一種，最早由密歇根大學(xué)于2001年提出其概念設(shè)計(jì)，并于2004年申請(qǐng)了專利，其實(shí)驗(yàn)假想對(duì)象為遠(yuǎn)洋散貨船。

該項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)由美國大湖海事研究所提供，其目標(biāo)就是既可阻止壓載水中的非本土生物入侵，又無需使用昂貴的殺菌設(shè)備。嚴(yán)格來講，該型設(shè)計(jì)并不是“純”無壓載水船舶，而是采用“活水”以達(dá)到壓載目的。具體來講，就是在其水線下?lián)碛幸粋€(gè)由大型管道組成的管路網(wǎng)絡(luò)，海水從船首進(jìn)入，船尾排出，并形成穩(wěn)定的流場(chǎng)。從某種意義上來說，這種船舶更像潛艇，部分船體是開放的，流動(dòng)緩慢的海水始終充滿了整個(gè)船底部以取代壓載水的作用。由于采用的始終是當(dāng)?shù)睾Ｓ虻暮Ｋ虼瞬粫?huì)造成外來物種入侵這一情況，從而滿足IMO的相關(guān)規(guī)定。

從結(jié)構(gòu)上來講，為了在穩(wěn)定性、安全性、裝載量等方面同于典型遠(yuǎn)洋散貨船，該型設(shè)計(jì)在船體結(jié)構(gòu)方面需做出不少改變，如為了能布置足夠的壓載水管路，內(nèi)底就需要有所增高，如此一來，為了確保足夠的裝載量，船深必然也隨之加大，見圖4。因此，該型設(shè)計(jì)并不適合于舊船改造，而只適合于新船建造。主要性能參數(shù)為，水線長195.5米；最大船寬23.76米；至主甲板深16米；滿載吃水10.7米；方形系數(shù)0.841米。

成本方面，從最新的船模試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)來看，以1艘靈便型散貨船為例，由于貫通流系統(tǒng)船體所用鋼材稍多，因此船體建造成本也將有所上升，另外新系統(tǒng)中管路、水閘等費(fèi)用也將另計(jì)。不過由于傳統(tǒng)壓載系統(tǒng)和壓載水處理系統(tǒng)將不再需要，因此總的來看成本將有所下降。

貫通流系統(tǒng)船體的最大缺點(diǎn)是增加了船舶航行中的阻力，進(jìn)而降低了船舶的動(dòng)力效率。不過由于從船尾排出的水使進(jìn)入螺旋槳的水流變得更平滑，從而可提高一些推進(jìn)效率，但從最新的模擬試驗(yàn)結(jié)果來看，效果并不明顯。如假設(shè)該船運(yùn)載谷物類貨物往返美國五大湖至歐洲鹿特丹，船舶動(dòng)力方面與靈便型散貨船相比，需求降低保守估計(jì)為1.6%，來回可節(jié)省燃油費(fèi)用約3.9萬美元/年。另外，由于無需進(jìn)行壓載水處理，該方面的費(fèi)用可節(jié)省約7.8萬美元/年?？傮w來看，貨物運(yùn)輸成本每噸可減少約1美元，經(jīng)濟(jì)性稍好。

報(bào)道稱，美國圣勞倫斯運(yùn)河開發(fā)公司已在2008年3月開始履行壓載水管理方面的新規(guī)范，與市場(chǎng)上費(fèi)用昂貴的壓載水處理系統(tǒng)相比，這種無壓載水船舶應(yīng)該是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。

圖3：貫通流系統(tǒng)船體示意圖

圖4：典型遠(yuǎn)洋散貨船和貫通流系統(tǒng)船結(jié)構(gòu)比較

—— NOBS

日本NOBS理念的開發(fā)起始于2001年，由日本造船研究中心（SRC）提出。2003年，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)方面的研究開發(fā)進(jìn)入新階段，開始了歷時(shí)3年的水池試驗(yàn)聯(lián)合項(xiàng)目。該項(xiàng)目由日本船舶技術(shù)研究協(xié)會(huì)主持，日本基金會(huì)支持，合作伙伴包括三菱重工（MHI）、石川島播磨重工（IHI）、SRC以及NK等。項(xiàng)目主要目的為：在滿足所有標(biāo)準(zhǔn)要求及安全性、適航性等相關(guān)規(guī)范，并在保證經(jīng)濟(jì)性的情況下，研究并確定NOBS理念的可行性。

NOBS理念完全不同于之前的壓載水管理方法，它是對(duì)船體的一種重新設(shè)計(jì)。主要通過采用橫向傾斜船底設(shè)計(jì)，使中線的位置比擁有較方、較平坦船底的傳統(tǒng)商船更深，從而實(shí)現(xiàn)空船在不使用壓載水的情況下也可擁有足夠的吃水深度以避免船首砰擊和螺旋槳飛車，同時(shí)也可充分確保船舶在大多數(shù)海況下的安全。不過船上也將設(shè)置2個(gè)小型備用壓載艙以應(yīng)對(duì)極端海況。采用該設(shè)計(jì)后，船體排水量將有所下降，而長、寬及吃水方面在設(shè)計(jì)時(shí)就比傳統(tǒng)船型更大。由于NOBS從外形上看比較像英文字母“V”，因此也被人們稱之為V型船體（V-shaped hull）。NOBS理念的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它可為船東省去昂貴的壓載水處理系統(tǒng)及之后的相關(guān)維護(hù)費(fèi)用。

該項(xiàng)目中，一系列水池試驗(yàn)的假想對(duì)象為蘇伊士型油船和VLCC，8個(gè)采用特殊設(shè)計(jì)的模型其載重量與蘇伊士型和VLCC相同，試驗(yàn)中的一些重點(diǎn)結(jié)論如下。

水池試驗(yàn)中，采用NOBS設(shè)計(jì)理念的模型可在不使用壓載水的情況下航行于遠(yuǎn)洋環(huán)境中（正常海況），相當(dāng)于傳統(tǒng)船型壓載艙處于30～40%艙容狀況。在惡劣海況時(shí)也能保持安全航行，相當(dāng)于傳統(tǒng)油船壓載艙處于25%艙容狀況。

雖然傳統(tǒng)船型在負(fù)載情況下的推進(jìn)性能比NOBS稍好一些，但在空載情況時(shí)，NOBS的航行性能則比傳統(tǒng)船型更好。兩種情況綜合后的結(jié)果顯示，NOBS的平均航行性能比傳統(tǒng)船型要高出6.4%。因此，相比傳統(tǒng)船型，NOBS在主機(jī)動(dòng)力和油耗方面平均可節(jié)省至少5%的能源，同時(shí)也降低了環(huán)境污染。

NOBS理念中，縱材、橫材和疲勞強(qiáng)度特性分析所采用的軟件為NK開發(fā)的初始船體（PrimeShip-Hull）。結(jié)果表明，NOBS船體結(jié)構(gòu)擁有足夠的強(qiáng)度，滿足所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

將NOBS的運(yùn)動(dòng)性、波阻性以及波浪中的縱向彎矩與傳統(tǒng)船舶作比較后得出，其適航性滿足要求，操縱性也滿足IMO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

NOBS更寬的船體將更有利于船舶對(duì)抗搖擺、維持平衡，比傳統(tǒng)船型更大的橫搖阻尼系數(shù)可讓設(shè)計(jì)人員不必再考慮舭龍骨。

由于船體的加寬和船體某些區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，建造NOBS所需鋼材也將增加10%左右。不過油耗的減少、推進(jìn)性能的提升，以及壓載水處理系統(tǒng)費(fèi)用的節(jié)省足以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)材料上的損失。

通過上述結(jié)論，開發(fā)者認(rèn)為NOBS這一革命性的理念確實(shí)滿足并超越了其最初的預(yù)期目標(biāo)。最顯著的一點(diǎn)就在于，無壓載水理念可避免壓載水在不同海域之間的轉(zhuǎn)移，從而不會(huì)造成有機(jī)生物的入侵。

盡管試驗(yàn)采用船型僅為油船，NOBS理念若要應(yīng)用于其它諸如散貨船、集裝箱船等船型上還需更多的研究，不過單就目前的研究結(jié)果來看，NOBS理念在船舶壓載方面仍具有較廣大的發(fā)展前景。同樣，NOBS也非常有望成為下一代新型環(huán)保船型。

圖5：各種載況下船體應(yīng)力評(píng)估

—— 單一結(jié)構(gòu)船體

由荷蘭研究人員提出的單一結(jié)構(gòu)船體型船舶目前已在代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）試造成功，載重量4000噸，船速14節(jié)。該型船的設(shè)計(jì)理念和日本的NOBS相似，也以改變船體浮性達(dá)到無壓載水的目的。特點(diǎn)就是通過在船底部位設(shè)置一個(gè)內(nèi)凹，也可看做將船底中線附近的船體部分移到兩邊船舷處，從外形上看有點(diǎn)像雙體船，但實(shí)際上還是單體結(jié)構(gòu)。采用該型設(shè)計(jì)后，船舶在輕載時(shí)也可擁有較深的吃水，避免了螺旋槳飛車等情況，保證了航行時(shí)的穩(wěn)定性。不過由于船體與水的接觸面增大，因此與傳統(tǒng)船型相比水阻將較大，油耗也將有所增加，但對(duì)于某些船型來說還是比較適用的。

同時(shí)，該型船船底兩側(cè)采用的向下“蟬翼”設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生空氣潤滑作用，從而減小了部分阻力。此外，該型船的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放并非向上排放到空中，而是向下通過船底凹處向船尾方向排放，在發(fā)揮其所謂空氣潤滑功能的同時(shí)，也使得廢氣中的二氧化碳、一氧化碳、各種顆粒污染物和硫化物溶解在海水中，從而減少了對(duì)海洋空氣和港口碼頭環(huán)境所造成的危害。

另外，據(jù)代爾夫特方面稱，該型船未來可能采用1～2個(gè)吊艙推進(jìn)器，目前試航檢測(cè)的各種設(shè)計(jì)參數(shù)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

總體來看，目前無壓載水船舶的研究開發(fā)已取得了一定的成果，但距離投入實(shí)際生產(chǎn)還有著一定距離，研究試驗(yàn)工作仍在不斷進(jìn)行。另外，不論是美國、日本，還是荷蘭，由于還不能完全控制無壓載水船舶的傾斜運(yùn)動(dòng)，因此均做不到完全無壓載水這一地步。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的無壓載水船舶將越來越趨于完美。在人們?cè)絹碓街匾暛h(huán)保這一大環(huán)境下，無壓載水船舶無疑將成為未來主要環(huán)保船型的研究方向。