無壓載型船的研究進(jìn)展及其在漁業(yè)船型中的開發(fā)應(yīng)用

劉大路，于欣，賈敬蓓，孫鳳勝，欒天

(大連海洋大學(xué) 航海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大連116023)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，為了節(jié)約能源、減少排放和保護(hù)環(huán)境，世界上一些主要海洋國家開展了無壓載水船型的研究，并取得了較大的進(jìn)展［1］。無壓載水船型的研究主要是針對大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶而進(jìn)行的。在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)，大型油輪、散貨船和集裝箱船等是承擔(dān)世界大部分國際貨運(yùn)量的主力運(yùn)輸船型，它們也是造成海洋環(huán)境污染和外來生物入侵的主要責(zé)任者之一［1-5］。經(jīng)過十幾年的研究，美國、日本和荷蘭等國家的研究人員取得了重要成果，創(chuàng)立了一些具有革命性意義的新船型理念，對未來船型的發(fā)展方向進(jìn)行了極具意義的開拓和探索［1-2，6-9］。目前，關(guān)于無壓載水船型的研究，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)船型研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一，在中國也對其開展了極為廣泛地研究和論證［9］。中國是世界主要漁業(yè)大國之一，漁船數(shù)量十分龐大，截至2011年底，遠(yuǎn)洋漁船數(shù)量達(dá)到1546 艘，其他各類海洋漁船的數(shù)量為283 141 艘［10-13］。對未來漁船船型的研究和開發(fā)問題，一直是很多相關(guān)領(lǐng)域研究人員最為關(guān)心的問題。盡管大多數(shù)漁船和漁業(yè)輔助船的壓載方式與貨船不同，但仍然可以借鑒這些新的設(shè)計(jì)理念，開展新型漁業(yè)船舶的研究，探討其發(fā)展前景，在節(jié)能減排、保護(hù)海洋環(huán)境、提高漁船的經(jīng)濟(jì)效益等方面，將具有十分重大和深遠(yuǎn)的意義［5，11］。

1 無壓載水船型的概述

傳統(tǒng)的船舶，尤其是商用運(yùn)輸船舶，出于航行安全的需要一般在底部設(shè)置若干個(gè)壓載水艙(集裝箱船的邊艙也可以作為壓載水艙)，艙內(nèi)裝載壓載水［14-15］。壓載水的作用主要有兩個(gè)方面:一方面，在空載航行時(shí)，能使船舶保持一定深度的吃水;另一方面，在載貨狀態(tài)下，通過對各個(gè)壓載水艙之間的壓載水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使船舶達(dá)到較佳的航行姿態(tài)，以保證船舶能夠安全順利地航行于特定水域。壓載對船舶航行安全是非常必要的，但是它所帶來的弊端和危害也是十分明顯的。首先，空載航行時(shí)壓載水艙內(nèi)裝滿海水，由于船舶重量增加，導(dǎo)致船舶油耗增加，對營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性不利;其次，當(dāng)船舶抵達(dá)目的港后裝載貨物時(shí)，水艙內(nèi)壓載水的排放，造成當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境的污染。全球船舶壓載水年排放量已經(jīng)超過100億t［2］，國際航行船舶的壓載水排放引發(fā)了嚴(yán)重的外來生物入侵和環(huán)境污染問題，給世界主要海洋國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。有資料表明，平均每立方米壓載水含有浮游生物約1.1億個(gè)，并且已經(jīng)確認(rèn)約有500種物種是由船舶壓載水排放傳播入侵的［2］。因此，船舶壓載水的排放，特別是國際航行船舶的壓載水的排放，已被全球環(huán)境基金組織列為當(dāng)前海洋環(huán)境所面臨的四大危害之一。

目前，解決壓載水污染問題的措施很多，如使用化學(xué)藥劑，加熱、電解和紫外線處理技術(shù)，壓載水置換技術(shù)和懲罰性收費(fèi)等［2］。但是這些技術(shù)和措施費(fèi)用高、耗時(shí)長、效率低，不僅使船舶營運(yùn)成本增加，而且技術(shù)措施本身還可能導(dǎo)致二次污染。因此，船舶壓載水排放問題已經(jīng)成為一個(gè)世界性的難題，亟待解決。進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國、日本和荷蘭等國的學(xué)者另辟新徑，從改善船型著手，建立起以無壓載水為理想船型的新理念［1］。無壓載水船舶是指在無壓載水或惡劣海況下僅需少量壓載水，就能夠滿足穩(wěn)性、裝載等多項(xiàng)性能要求的船舶。目前，世界主要海洋國家正在加大力度展開與無壓載水船舶相關(guān)的研究，該研究結(jié)果在船運(yùn)業(yè)和其他相關(guān)行業(yè)將具有良好的應(yīng)用前景。

2 幾種無壓載水船的設(shè)計(jì)理念

目前，國際上較為流行的無壓載水船舶設(shè)計(jì)理念有3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(non-ballast water ships，NOBS)理念和荷蘭代爾夫特大學(xué)試制建造的單一結(jié)構(gòu)船體(moromaran)。日本和荷蘭的理念較為接近，都是通過改變船體浮性來達(dá)到無壓載水的目的［1-2］。

2.1 貫通流系統(tǒng)船體

貫通流系統(tǒng)船體是目前各類無壓載水船舶設(shè)計(jì)中最有創(chuàng)意的一種理念。2001年，密西根大學(xué)的研究人員轉(zhuǎn)變思維，認(rèn)為壓載水是為了減小船舶的浮力，而不是為了增加重量，并因此提出了無壓載水船舶的概念。2004年，密西根大學(xué)的米歇爾·帕森斯博士在美國造船與輪機(jī)工程協(xié)會(huì)年會(huì)上發(fā)表了關(guān)于無壓載水船設(shè)計(jì)的論文，并著重討論了貫通流系統(tǒng)船體技術(shù)［15］。

貫通流系統(tǒng)被用于替代貨艙水線以下縱向結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)型壓載水艙，其最顯著特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的封閉式水艙改變?yōu)榍昂箝_放式。在船首水線下設(shè)置進(jìn)水口，船尾設(shè)置出水口。當(dāng)空船出港時(shí)，將大型管道的前后蓋子打開，海水連續(xù)地從進(jìn)水口進(jìn)入水艙，然后再迅速地從排水口排出，既可以起到壓載水艙的作用，又可以減小船舶的負(fù)荷。這種設(shè)計(jì)理念是為了減小船舶的浮力，而不是為了增加船舶的重量。水艙內(nèi)的水流速度，由進(jìn)出水口處的壓力控制。流經(jīng)貫通流水艙的海水始終是當(dāng)?shù)氐暮Ｋ安粫?huì)把海水從一個(gè)地方帶到另一個(gè)地方，這樣既可以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)備或其他相關(guān)設(shè)備，因此符合國際海事組織(IMO)有關(guān)環(huán)境保護(hù)的規(guī)定。嚴(yán)格地說，該設(shè)計(jì)理念并不是純粹的無壓載水船舶，在某種意義上，更類似于潛艇。從結(jié)構(gòu)上看，為了使之具備和傳統(tǒng)遠(yuǎn)洋貨船相同的載貨量、穩(wěn)性和安全性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要進(jìn)行較大的改動(dòng)。為了能夠布置足夠的壓載水管路，內(nèi)底高度就需要增加;而為了確保裝載量，船舶深度也必然隨之增加。因此，這樣的設(shè)計(jì)理念不適合舊船改建，而僅適合于建造新船。從經(jīng)濟(jì)性角度看，密西根大學(xué)的模型試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)結(jié)果均表明，貫通流系統(tǒng)船體所用鋼材和相同尺度的傳統(tǒng)貨船相比較有所增加，因此建造成本也將上升。此外新系統(tǒng)中采用大量的管路、閥門等，也將使造船成本進(jìn)一步增加。盡管如此，由于不再需要傳統(tǒng)船舶的水處理系統(tǒng)，總體成本將有所降低。該型船舶的最大缺點(diǎn)是增加了船舶航行中的阻力，船舶快速性變差。

2.2 NOBS 理念船體

瑞典哥德堡渣爾墨斯大學(xué)的安德斯·烏爾瓦森(Anders Ulvarson)教授最早提出了無壓載水艙超大型油輪船體的設(shè)計(jì)構(gòu)想［2，4］。日本的研究機(jī)構(gòu)在此基礎(chǔ)上提出了V 型船體無壓載水艙超大型油輪的設(shè)計(jì)理念［2］。從2001年起，日本造船研究中心(SRC)在日本基金會(huì)的大力資助和推動(dòng)下，開始致力于研究開發(fā)無壓載水艙船舶［7］。2003年，項(xiàng)目研究進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段，日本船舶技術(shù)研究協(xié)會(huì)將其提升為“日本國家工程項(xiàng)目”等級，并促成日本造船研究中心(SRC)、三菱重工(MHI)、石川島播磨重工(IHI)和日本船級社(NK)等研究單位和工廠合作，聯(lián)合成立了日本NOBS 設(shè)計(jì)建造研究所［1］。研究的主要目標(biāo)是，在滿足所有造船標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，并具有良好經(jīng)濟(jì)性的前提下，研究并確定無壓載水艙船舶理念的可行性，最終形成了NOBS 船舶設(shè)計(jì)新理念。

NOBS 設(shè)計(jì)理念，是指將船底設(shè)計(jì)成橫向傾斜的形式，船底內(nèi)船體重心的位置與傳統(tǒng)的方底或平底商船相比較，具有更大的深度，船底呈明顯向下突出的V 型，從而可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)船舶空載航行時(shí)，不使用壓載水也可具有足夠的吃水深度，以避免首底抨擊和螺旋槳飛車，可充分確保船舶在大多數(shù)海況下的航行安全［4］。由于NOBS 理念船舶從外形上看類似于英文字母“V”，因此又稱之為V 型船體(V-shaped hull)。NOBS 理念船舶的核心優(yōu)勢在于，可使船舶免除配備造價(jià)昂貴的壓載水處理系統(tǒng)，以及相關(guān)的設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)。但出于對極端海況下航行安全的考慮，船上仍設(shè)置2 個(gè)小型備用壓載水艙，可根據(jù)海洋天氣和海面風(fēng)浪情況，適時(shí)決定在備用水艙中打入壓載水，確保航行安全。

NOBS 研究所模仿蘇伊士型油輪和VLCC，分別采用8 個(gè)模型進(jìn)行了水池試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)計(jì)算，并得到如下結(jié)論:

(1)NOBS 理念油輪的模型在正常海況和惡劣海況下，都能保證遠(yuǎn)洋航行的安全性。

(2)傳統(tǒng)船型在滿載狀態(tài)下的推進(jìn)性能比NOBS 理念船型稍好，而在空載狀態(tài)下后者好于前者;NOBS 的平均航行性能比傳統(tǒng)型高出6.4%，主機(jī)動(dòng)力和耗油量平均可節(jié)省至少5%，減輕了對環(huán)境造成的污染。

(3)NOBS 理念船型經(jīng)過在搖蕩運(yùn)動(dòng)、阻力性能和波浪彎矩等方面的驗(yàn)證試驗(yàn)表明，NOBS 船型的適航性和操縱性均滿足IMO 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。與傳統(tǒng)船型相比，NOBS 船型具有更大的橫搖阻尼，在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮不設(shè)置舭龍骨。由于船寬增大，橫搖周期也增大，有利于改善耐波性能。

(4)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析表明，NOBS 理念船型的船體擁有足夠的強(qiáng)度，滿足所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

(5)由于船寬增加和船體一些部位需要局部加強(qiáng)，致使NOBS 船體的建造鋼料費(fèi)用增加10%左右。但綜合起來看，由于油耗的減少、推進(jìn)性能的提高和壓載水處理系統(tǒng)費(fèi)用的節(jié)省，足以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)材料費(fèi)用增加所造成的損失。

由此認(rèn)為，根據(jù)NOBS 理念設(shè)計(jì)的船型能夠滿足甚至超出其預(yù)期目標(biāo)。盡管模型試驗(yàn)對象為油輪，但這一理念完全可推廣應(yīng)用到散貨船、集裝箱船和漁船等船舶類型上，很有希望成為新一代的環(huán)保型船型。

2.3 單一結(jié)構(gòu)船體

荷蘭的研究人員最先提出了單一結(jié)構(gòu)船體型船舶的概念，并在代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)試制成功一艘樣船，載重量4000 t，設(shè)計(jì)航速可達(dá)14 kn［1］。單一結(jié)構(gòu)船體船型的設(shè)計(jì)理念類似于NOBS船型，也是通過改變船體浮性達(dá)到無需使用壓載水的目的。該型船是在船底設(shè)置一個(gè)向后開放的內(nèi)凹，即將船底中線附近的船體移至兩舷，從外形上看似乎是雙體船，但實(shí)際上仍是單體結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在當(dāng)船舶在輕載或空載狀態(tài)航行時(shí)，也可擁有較深的吃水，從而確保了航行時(shí)的穩(wěn)性，避免或減輕了首底抨擊、螺旋槳飛車等搖蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的程度。

但與傳統(tǒng)船型相比，單一結(jié)構(gòu)船體與水的接觸面積增大很多，造成水阻力大幅度增加，油耗也隨之增加。帕森思(Parsons)博士認(rèn)為，通過在船底兩側(cè)垂向設(shè)置“蟬翼”裝置，它們所產(chǎn)生的空氣潤滑作用，可將阻力增加的程度限制在最低限度之內(nèi)［3］。此外，該型船的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其主機(jī)廢氣排放不像傳統(tǒng)型船那樣直接向上排放到空氣中，而是向下通過船底內(nèi)凹，朝尾部方向排放。這樣不僅產(chǎn)生利于減小阻力的空氣潤滑作用，而且也使廢氣中的一氧化碳、二氧化碳、各種顆粒狀污染物和硫化物，能夠溶解于海水中，從而減輕了對海洋空氣和港口碼頭環(huán)境所造成的危害。

綜上所述，3種無壓載水船型理念不僅能夠使新型船舶最大程度地取消使用壓載水，避免本土受外來物種的入侵，保護(hù)海洋環(huán)境，而且還能使新型船的推進(jìn)性能得到改善、油耗降低、耐波性能與操縱性能提高等。這些都為發(fā)展?jié)O船新船型提供了重要的啟示，雖然漁船的壓載方式和運(yùn)輸船舶不同，但仍然可參照這些理念，對未來漁船船型做出一些規(guī)劃和設(shè)想，使得漁業(yè)生產(chǎn)能夠以更經(jīng)濟(jì)、更安全、更環(huán)保的方式進(jìn)行［15-16］。

3 漁業(yè)船舶壓載的特征

包括漁業(yè)生產(chǎn)船和漁業(yè)輔助船在內(nèi)的漁業(yè)船舶，其壓載方式與運(yùn)輸船舶不同，主要采用固定壓載。由于航行和作業(yè)海區(qū)的復(fù)雜多樣性、捕撈作業(yè)的特殊性和漁獲物保鮮與運(yùn)輸?shù)确矫娴囊螅瑵O船船型與常規(guī)船舶差別很大，一般要求較低的重心，且對其最低吃水深度有嚴(yán)格的限制［14-15，17］。因此，漁業(yè)船舶通常均需要有壓載，使船舶獲得以下的益處:一是，在船底設(shè)置壓載，可降低船舶重心，從而提高船舶穩(wěn)性［10，16，18］;二是，通過調(diào)整壓載的縱向位置，可以獲得適合的尾縱傾，方便裝備大直徑螺旋槳，有利于推進(jìn)性能的提高;三是，通過設(shè)置壓載，增加了船舶吃水，有利于改善航向穩(wěn)定性和耐波性能［19-20］。

漁業(yè)船舶采用固定壓載方式，主要是因?yàn)闈O船在任何載況下都需要壓載，并且對于不同載況，其壓載要求也基本一致。因此，沒有必要象運(yùn)輸船舶那樣設(shè)置壓載水系統(tǒng)，直接設(shè)置固定壓載即可。固定壓載的材料主要是鋼鐵或水泥，按照設(shè)計(jì)要求固定在船底。一般還在船首底部預(yù)留一部分空間，根據(jù)船舶建成下水后的實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)固定壓載的重量和重心位置，以獲得理想的吃水深度和尾縱傾。

固定壓載的重量，依據(jù)漁船類型和作業(yè)方式的不同，差別較大。對于拖網(wǎng)漁船，一般為空船重的5 ～10%;對于圍網(wǎng)漁船，固定壓載重量更大些，有時(shí)甚至達(dá)到空船重的20%以上;對于基地加工船，一般約為空船重的6 ～8%［10］。

漁船需要一定的壓載，但使用壓載帶來的弊端也極為明顯。設(shè)置固定壓載使得船舶排水量沒有得到充分利用，在同等尺度情況下，艙容減少，載漁量、燃油和淡水裝載量減少;由于吃水增加，造成水阻力增加，能耗增大，同時(shí)其他性能也受到一定程度的影響;設(shè)置固定壓載，必然使造船成本提高，造成材料、人力和其他方面的浪費(fèi)［10，18，20］。

4 無壓載漁船船型的設(shè)想和建議

中國漁業(yè)船舶數(shù)量巨大，其中大型遠(yuǎn)洋漁船的數(shù)量也逐年增加。針對傳統(tǒng)的漁船船型存在的弊端，開展新型遠(yuǎn)洋漁業(yè)船型的研究非常必要和迫切［10］。無壓載水船型，雖然適合于大型商用運(yùn)輸船舶，但無疑也為構(gòu)想未來漁業(yè)船型提供了啟示和參考［21-23］。本研究中，結(jié)合無壓載水船型設(shè)計(jì)理念，提出了兩種無壓載漁船船型的設(shè)想。

(1)采用日本NOBS 設(shè)計(jì)理念，即所謂V 型船體。該船型具有以下優(yōu)點(diǎn):一是，V 型船體具有較大的船寬，即可滿足穩(wěn)性要求，還有利于形成較大的甲板面積，便于布置各類甲板機(jī)械設(shè)備，并增大作業(yè)和加工空間;二是，遠(yuǎn)洋漁船航行和作業(yè)海況惡劣，需要具有較好的耐波性能，V 型船體具有這一優(yōu)勢，尤其在減小縱搖、抨擊、上浪和飛濺等方面，為安全航行和生產(chǎn)提供了有利的保障［3-5］;三是，V 型船體具有較好的推進(jìn)性能，優(yōu)良的尾部型線十分有利于提高推進(jìn)效率，從而達(dá)到節(jié)約油耗、減少環(huán)境污染、降低營運(yùn)成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的目的［24］;四是，由于不使用或減少固定壓載，可以使排水量得到較充分的利用，有利于增大艙容，進(jìn)而增大載漁量、燃油裝載量和淡水裝載量，同時(shí)還有利于減輕船體重量，降低鋼材使用量，從而降低造船成本［25］。

(2)采用單一船體結(jié)構(gòu)形式，即假雙體船體。其優(yōu)勢基本上類似于V 型船體理念［26-30］。作者根據(jù)假雙體船體概念，設(shè)計(jì)了一種大型遠(yuǎn)洋漁船船型如圖1和圖2所示。

該船型的主要參數(shù)及主要特征如下:

總長為89.011 m，設(shè)計(jì)水線長為86.460 m，垂線間長為84.950 m;型寬為15.250 m，設(shè)計(jì)水線寬為15.251 m;設(shè)計(jì)吃水為5.633 m，船中位置為42.475 m(距尾);平均板厚為11 mm，附體系數(shù)為1.0005;總排水體積為5506.9 m3，排水量為5644.5 t;方形系數(shù)為0.7546，棱形系數(shù)為0.7644，垂向棱形系數(shù)為0.8165;濕面積為1900.3 m2;浮心縱向位置為-1.021%(41.592 m)，浮心垂向位置為3.063 m;進(jìn)角為88.496°;水線面面積為1192.1 m2，水線面系數(shù)為0.9202，水線面漂心位置為39.119 m;中剖面面積為84.802 m2，中剖面系數(shù)為0.9872;側(cè)面積為478.61 m2，側(cè)面積中心坐標(biāo)為(43.598 m，2.854 m);橫穩(wěn)性高為6.893 m，縱穩(wěn)性高為117.38 m。

圖1 假雙船體漁船船型——橫向圖Fig.1 Hypocritical catamaran fishing ship type—viewed from bow end

圖2 假雙船體漁船船型——側(cè)仰圖Fig.2 Hypocritical catamaran fishing ship type—viewed ventral－laterally

經(jīng)過初步的理論分析和數(shù)值模擬可知，該船型船寬較大，穩(wěn)性得到保障;尾部型線流暢，有利于提高推進(jìn)性能;耐波性好，縱搖、抨擊、上浪和飛濺等問題得到很大程度的緩解;甲板寬大，有利于布置加工設(shè)備和漁獲物處理;魚艙容積大，燃油和淡水裝載量大，有利于增加自持力。因此，該船型適合于遠(yuǎn)洋航行和作業(yè)要求。

遠(yuǎn)洋漁船船型的發(fā)展與國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用水平、國際地位影響的高低和未來海洋資源的競爭程度等密切相連。開展未來漁船船型的研究，是一個(gè)需要綜合性全方位考慮的重大課題，其研究意義和范疇?wèi)?yīng)不僅僅局限于漁船性能本身的要求，而是應(yīng)顧及到多方面的考慮和決策。

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