江蘇新型內(nèi)河集裝箱船型發(fā)展研究

于全虎，倪　國

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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江蘇新型內(nèi)河集裝箱船型發(fā)展研究

于全虎，倪國

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：針對(duì)現(xiàn)行京杭運(yùn)河與長(zhǎng)江聯(lián)運(yùn)的集裝箱船舶大多是由長(zhǎng)江部分集裝箱船舶淘汰而來，或是由普通干散貨船改裝而成，船型匹配較差，缺乏先進(jìn)船型的現(xiàn)狀，結(jié)合江蘇省水上運(yùn)輸和航道改造發(fā)展的實(shí)際情況，研究探討了新型江河聯(lián)運(yùn)集裝箱船舶的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其中的船型開發(fā)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，研究分析了新船型的主要技術(shù)參數(shù)，展望了推廣應(yīng)用這種新船型的前景。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河船聯(lián)運(yùn)；集裝箱船；船型；標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類號(hào)：U662.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

江蘇內(nèi)河營運(yùn)水域主要為長(zhǎng)江、京杭運(yùn)河及其支流，還包括洪澤湖等湖區(qū)，京杭大運(yùn)河與長(zhǎng)江“十”字交叉構(gòu)成了我國長(zhǎng)江中下游黃金大動(dòng)脈水道。近年來，江蘇省航道系統(tǒng)全力加快航道建設(shè)步伐，對(duì)京杭運(yùn)河江蘇段全線進(jìn)行升級(jí)、擴(kuò)容、提速，使得運(yùn)河航道的通行能力得到了很大提升。由于京杭運(yùn)河與長(zhǎng)江聯(lián)合運(yùn)輸?shù)闹匾匚辉谔K北乃至整個(gè)江蘇省日益凸顯，使得江河聯(lián)合運(yùn)輸?shù)拇胺N類和數(shù)量需求也越來越多，特別是集裝箱船舶。而現(xiàn)行京杭運(yùn)河與長(zhǎng)江聯(lián)運(yùn)的很多集裝箱船舶是由長(zhǎng)江部分集裝箱船舶淘汰而來，或是由普通干散貨船改裝而成，存在運(yùn)作效率低，運(yùn)輸成本高，集裝箱倉位利用率低，航行速度相對(duì)較慢，凈重噸位小，能耗高和環(huán)保性差等問題。這些問題主要是由于現(xiàn)行的集裝箱船舶的船型匹配較差、沒有為其專項(xiàng)研究先進(jìn)船型導(dǎo)致的，而《京杭運(yùn)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》中的集裝箱船型標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮到實(shí)際運(yùn)作中的江河聯(lián)運(yùn)部分，本文重點(diǎn)研究的是適應(yīng)京杭運(yùn)河和長(zhǎng)江聯(lián)運(yùn)的新型標(biāo)準(zhǔn)集裝箱船，研究提高船舶裝載箱數(shù)量，以及通過優(yōu)化操縱性，提高綜合運(yùn)輸技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，適應(yīng)京杭運(yùn)河率先實(shí)現(xiàn)船型標(biāo)準(zhǔn)化的要求，最大限度地優(yōu)化、發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)河渠化航道的使用價(jià)值。

1江蘇新型內(nèi)河集裝箱船型現(xiàn)狀分析

淮安是運(yùn)河沿線集裝箱運(yùn)輸量較大的地區(qū)，主要航線為淮安、宿遷、濟(jì)寧、蚌埠—上海(外高橋)，航區(qū)為A類航區(qū)，貨源以內(nèi)貿(mào)為主，內(nèi)貿(mào)貨源主要為資源類貨物：糧食、鹽、磷粉等礦物，要考慮到外貿(mào)的快速發(fā)展，將來貨源可能以外貿(mào)為主。現(xiàn)有的最大的江河聯(lián)運(yùn)集裝箱船滿載吃水4 m，最大裝箱量為20 t標(biāo)準(zhǔn)箱54 TEU(3層裝載)，或30 t標(biāo)準(zhǔn)箱45 TEU(3層裝載)，空載時(shí)在長(zhǎng)江內(nèi)無限高(京杭運(yùn)河橋梁限高7.6 m)時(shí)，最大裝空箱量為72 TEU。

現(xiàn)有的集裝箱船如將型寬加大到橫向裝3層，最大裝箱量可達(dá)到20 t標(biāo)準(zhǔn)箱84 TEU(高度方向3層裝載)，即船舶主尺度為總長(zhǎng)68～72 m，分7個(gè)艙，船寬13.2～13.6 m，型深4.4 m。長(zhǎng)江上海水域(吳淞口)6級(jí)風(fēng)時(shí)浪高0.8~1.2 m，防風(fēng)浪要求保留1.0 m干舷計(jì)算，滿載吃水為3.4 m。采用如上主尺度的集裝箱船除枯水季節(jié)在高郵老大橋水域內(nèi)航行會(huì)受到限制(實(shí)際水深3.5 m)外，在京杭運(yùn)河其他航段(枯水季節(jié)3.6 m)均不受限制航行。現(xiàn)存的內(nèi)河航道運(yùn)營集裝箱船一般采用艏駕駛室的布置方式。

2新型內(nèi)河集裝箱船型關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1　船型特點(diǎn)

受內(nèi)河航道水深較淺、風(fēng)浪較小的限制，包括集裝箱船在內(nèi)的具有大開口貨艙的運(yùn)輸船型表現(xiàn)為吃水淺，船寬比大，干舷較小，型深較淺，貨艙區(qū)無艙蓋。由于以前內(nèi)河運(yùn)輸船型尺度普遍較小，一般采用橫骨架式，受此傳統(tǒng)影響，現(xiàn)有內(nèi)河運(yùn)輸船型也較多采用橫骨架式。內(nèi)河集裝箱船受尺度以及內(nèi)河集裝箱貨源集散量的限制，裝箱數(shù)比較少，一般約在36～150箱之間，少有200箱級(jí)或超過的。例如湘江水系的第4代集裝箱船“湘遠(yuǎn)10”號(hào)，船長(zhǎng)87 m，寬13.4 m，主機(jī)總功率為770 kW。珠江水系的典型集裝箱船型有900噸級(jí)，72 TEU 的多用途貨船，該船的總長(zhǎng)49.9 m，型寬12.8 m，型深3.8 m，吃水2.65 m。

2.2　船長(zhǎng)和船寬限制

根據(jù)交通運(yùn)輸部2006年6月20日頒布的《京杭運(yùn)河通航管理辦法(試行)》(2006年8月1日起實(shí)施)規(guī)定：“進(jìn)入二級(jí)航段的單船，其船舶總長(zhǎng)不得大于67.6 m，總寬不得大于15.4 m”，綜合考慮船舶總長(zhǎng)應(yīng)控制在不大于67.6 m(65～68 m)，船寬不超過15.4 m，船舶可裝載集裝箱數(shù)約為86 TEU左右，箱數(shù)采用雙數(shù)可以方便800 mm(40 in)大箱配載。

2.3　船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

船舶結(jié)構(gòu)方面，通過設(shè)高雙層底，以便在不裝集裝箱時(shí)可以裝散貨。

貨艙如果采用大開口加橫梁支撐的形式，雖然可以增加船舶碰擦?xí)r對(duì)貨艙變形的控制，但對(duì)集裝箱的裝卸效率會(huì)有影響，不考慮采用?，F(xiàn)在長(zhǎng)江中營運(yùn)的集裝箱船普遍都不設(shè)橫梁。

貨艙區(qū)采用雙舷到底的結(jié)構(gòu)形式。一般情況下無需再設(shè)抗扭箱即可滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，貨艙區(qū)域是否設(shè)抗扭箱由綜合計(jì)算考慮決定。

現(xiàn)有集裝箱船的集裝箱卡口強(qiáng)度均不足。據(jù)調(diào)查，2005年～2010年間建造的集裝箱船的集裝箱卡口普遍損壞，這是新一代集裝箱船設(shè)計(jì)時(shí)需要格外考慮加強(qiáng)的問題。

2.4　艙室高度控制

新型集裝箱船如能達(dá)到既控制高度又減少視野盲區(qū)的效果，可不設(shè)液壓升降駕駛室，節(jié)約費(fèi)用的同時(shí)減少營運(yùn)期間的維護(hù)工作?？紤]到運(yùn)河橋梁限高，艉部艙室不宜設(shè)2層，可以在設(shè)1層艙室的基礎(chǔ)上增加箱位。

2.5　集裝箱裝載與布置方式

(1)按照相關(guān)規(guī)定，不論是500 mm(20 in)、800 mm(40 in)標(biāo)準(zhǔn)箱，重量(箱重+貨重)均不能超過30.48 t。內(nèi)貿(mào)貨源的集裝箱往往為超重集裝箱， 正常箱重應(yīng)為20～23 t，超重箱可達(dá)到25～30 t，因此1 400載重噸集裝箱船一般只能裝超重箱45 TEU。這種裝載方式使得貨艙中的倉位還有空的，但船舶載重量已達(dá)到船舶設(shè)計(jì)最大載重量，這時(shí)通過配載來提高倉位利用率，如2層500 mm(20 in)箱加第3層800 mm(40 in)箱的裝載形式(高度方向)。

(2)內(nèi)河橋梁高度限制集裝箱只能放3層，不能放4層，而且放4層時(shí)旁風(fēng)影響太大。

(3)現(xiàn)在內(nèi)河碼頭裝卸集裝箱一般使用龍門吊，伸臂長(zhǎng)度為4.06 m，橫向裝4排集裝箱會(huì)有伸臂長(zhǎng)度不夠的問題。

2.6　推進(jìn)及操縱

江河聯(lián)運(yùn)集裝箱船主機(jī)應(yīng)考慮設(shè)雙機(jī)，單機(jī)功率為330 kW左右，航速可達(dá)到14～15 km/h，否則難以控制船舶。

船舶的自重不足以將艏部放首側(cè)推的位置完全沒入水中，因此不建議通過裝設(shè)首側(cè)推來提高船舶的可操縱性，而且裝設(shè)首側(cè)推影響船舶總體造價(jià)。

2.7　防污染

京杭運(yùn)河沿岸目前普遍未設(shè)有油污水和生活污水接收裝置，但作為新一代集裝箱船必須符合京杭運(yùn)河相關(guān)法規(guī)、規(guī)范的要求，即做到零排放。

2.8　船員配備

參照海事部門對(duì)船員等級(jí)配備的要求，新一代江河聯(lián)運(yùn)集裝箱船總噸應(yīng)控制在1 600以下，以減少船舶營運(yùn)人員費(fèi)用，獲取更大的建造市場(chǎng)空間。

3內(nèi)河新型集裝箱船型研究

3.1　船型定義

本船為集散兩用貨船，設(shè)計(jì)航行于蘇北大運(yùn)河水域和長(zhǎng)江水域，主要用于載運(yùn)集裝箱及各類干雜貨，也可載運(yùn)少量限制范圍內(nèi)的危險(xiǎn)品集裝箱貨物。86 TEU集裝箱船總布置圖和實(shí)船圖片分別如圖1、圖2所示。

3.2　船舶主要要素選擇

3.2.1船長(zhǎng)的選擇

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)、船模試驗(yàn)及實(shí)船航行驗(yàn)證，提高長(zhǎng)寬比L/B，適當(dāng)放大方形系數(shù)Cb是限制性航道中提高船舶航行經(jīng)濟(jì)性的有效措施。

船長(zhǎng)的大小關(guān)系到船舶的總體布置、阻力、操縱性及船舶造價(jià)等因素。從改善船舶阻力推進(jìn)特性的角度考慮，應(yīng)盡可能選擇對(duì)減少阻力有利的船長(zhǎng)。

由于本船為主要航行于京杭運(yùn)河蘇北段水域和長(zhǎng)江水域的集散兩用貨船，京杭運(yùn)河貨運(yùn)船舶的傅汝德數(shù)Fn通常都小于0.2，故屬于低速船的范圍。低速船的總阻力成分主要由摩擦阻力和剩余阻力構(gòu)成，摩擦阻力占其中的70%~80%，為總阻力的主要成分。當(dāng)排水量一定時(shí)，隨著船長(zhǎng)的增加，使浸水面積增加，因而摩擦阻力相應(yīng)增加。雖然剩余阻力有所下降，但摩擦阻力顯著增加，換言之，隨著船長(zhǎng)增加，低速船的剩余阻力的下降值比摩擦阻力的增加值要小，總阻力反增加，因此船長(zhǎng)的選擇應(yīng)遵循阻力最小的原則，以降低船舶的運(yùn)行成本，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性。此外，船長(zhǎng)的選擇還要考慮船舶的航道條件、布置需要和船舶的造價(jià)等因素。在滿足航道要求的情況下，船舶長(zhǎng)度的選擇，主要考慮滿足布置的要求，滿足經(jīng)濟(jì)要求為次要因素，造價(jià)則要盡可能低。另外，為了最大限度地利用京杭運(yùn)河蘇北段的現(xiàn)有航行能力，本船設(shè)計(jì)裝載集裝箱沿長(zhǎng)度方向的數(shù)量為7列，需要的貨艙艙口長(zhǎng)為43.45 m。結(jié)合機(jī)艙等的布置要求，實(shí)取本船水線長(zhǎng)為66.8 m，總長(zhǎng)約為67.6 m，既滿足阻力性能的要求，也滿足布置要求，船舶的造價(jià)也相對(duì)較低，較好地兼顧了船型功能性要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

圖1　86 TEU集裝箱船總布置圖

圖2　86 TEU集裝箱船實(shí)船圖片

3.2.2吃水及型深的選擇

吃水的選擇，在滿足船舶載重要求的條件下，需要充分利用航道水深條件，采用大直徑螺旋槳，提高螺旋槳的效率，同時(shí)考慮船舶在空載加壓載航行條件下船舶吃水能滿足螺旋槳的最小吃水要求?！秲?nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2004)航道等級(jí)與富余水深對(duì)照表見表1。

Ⅱ級(jí)限制航道水深H=4.0 m，根據(jù)H=T+ΔH(H為航道水深，T為船舶吃水，ΔH為航道富余水深)，設(shè)計(jì)吃水應(yīng)在3.6~3.7 m?？紤]到隨著水運(yùn)事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，京杭運(yùn)河蘇北段今后的通航能力有進(jìn)一步提高的可能，加之這一航段所運(yùn)載集裝箱貨物通常以百貨及糧食等為主，裝滿載集裝箱，其總載重量也不會(huì)達(dá)到最大吃水的實(shí)情，因此選擇3.7 m吃水具有一定的前瞻性。

表1　航道等級(jí)與富裕水深對(duì)照表

型深的選擇主要考慮船舶布置的要求、貨艙容積的要求、規(guī)范對(duì)船舶干舷、穩(wěn)性要求等綜合因素，實(shí)取本船型深為4.40 m。

3.2.3型寬的選擇

船寬的選擇主要應(yīng)從滿足穩(wěn)性、阻力、航道限制和布置要求等方面來考慮。船舶的橫穩(wěn)半徑與船寬的平方成正比，增加船寬會(huì)使船舶的初穩(wěn)性增大，對(duì)內(nèi)河船舶的安全性有利。從阻力角度看，對(duì)于以摩擦阻力為主的內(nèi)河低速船來說，船寬的增加對(duì)摩擦阻力的影響并不明顯。據(jù)此考慮到本船為航行于京杭運(yùn)河船舶，船舶的吃水變化余地不大，那么船寬的選擇主要考慮適當(dāng)?shù)販p小船長(zhǎng)船寬比L/B的值，增大船寬吃水比B/d的值，在相同排水體積的情況下，船舶的方形系數(shù)值得以下降，這樣不但船舶的總阻力得以減少，而且有利于船體結(jié)構(gòu)重量的減輕和降低造價(jià)，同時(shí)船寬的增大將提高船舶的穩(wěn)性。結(jié)合本船沿船寬度方向裝載4行集裝箱的布置要求，通過船閘時(shí)所受船閘寬度的限制等綜合因素，實(shí)取本船型寬為13.6 m。

3.2.4艏艉型設(shè)計(jì)

本船型定位為內(nèi)河集裝箱船，航速較低，采用箱形貨艙設(shè)計(jì)，加之需要優(yōu)化裝箱數(shù)量，導(dǎo)致艏部線型較為突出，不利于降低阻力。同時(shí)由于采用艏駕駛室布置方式，艏甲板要有足夠平面面積來滿足駕駛室和錨泊設(shè)備的布置要求；而較小的吃水又限制了型深，這給艏部線型設(shè)計(jì)帶來難度。尖形船舶艏部設(shè)計(jì)重點(diǎn)是艏部進(jìn)流段角與水線曲率變化率的優(yōu)化結(jié)合，前提是控制流水線曲率變化較為和順，同時(shí)減少艏部進(jìn)流角，促使水流向船側(cè)流動(dòng)盡可能順暢。雙艉船型的設(shè)計(jì)通過雙艉傾角、雙艉間距、雙艉縱橫剖面形狀等的參數(shù)的選取、優(yōu)化控制，達(dá)到抑制艉部水流的不利流動(dòng)，改善艉流場(chǎng)，從而降低航行阻力，提高船舶推進(jìn)效率的目的。

3.2.5集裝箱布置

集裝箱貨艙采用無艙蓋形式。由于限制性航道上船閘、橋梁等通行高度限制，層數(shù)上只能布置3層集裝箱，貨艙布置方式為沿船長(zhǎng)方向(縱向)布置成7列，沿高度方向(垂向)布置成3層，沿寬度方向(橫向)布置成4排，同時(shí)機(jī)艙上方的甲板上布置成1列×2排×1層，共86 TEU。為滿足裝箱數(shù)及布置需要，集裝箱艙口長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為43.45 m，寬度設(shè)計(jì)為10.2 m。

3.2.6均箱重選擇

平均箱重是作為運(yùn)輸主體的船東極為關(guān)注的指標(biāo)。結(jié)合當(dāng)前內(nèi)河航道集裝箱船的運(yùn)載狀況，以及京杭運(yùn)河蘇北段集裝箱運(yùn)輸?shù)膶?shí)際需求，取最大箱重取為24.5 t(含空箱及箱內(nèi)貨物)，是船東比較滿意的箱重指標(biāo)。

4結(jié)語

通過上述的研究分析可以看出，研發(fā)綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)性能優(yōu)良的江河聯(lián)運(yùn)新型集裝箱船從船型技術(shù)研發(fā)上已不存在難以克服的問題，集散兩用型集裝箱船由于長(zhǎng)江、運(yùn)河沿線貨源充足，經(jīng)濟(jì)性可以預(yù)見也是不錯(cuò)的，具有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

86 TEU集裝箱船是目前可在京杭運(yùn)河航行的最大型的集裝箱船，裝箱數(shù)多，單箱運(yùn)輸成本低，通過技術(shù)提升保證了操縱、安全性能良好，可充分發(fā)揮水運(yùn)在交通運(yùn)輸中的優(yōu)勢(shì)，降低運(yùn)輸成本，提高運(yùn)輸效益。通過船舶標(biāo)準(zhǔn)化可提高單一船型批量，減少開發(fā)和建造成本，又可得到性能優(yōu)良的船型。隨著航道等級(jí)提升工程的開展，良好的基礎(chǔ)設(shè)施條件使得大型化、性能優(yōu)越的船型在船運(yùn)業(yè)具有更好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3]GB 50139—2004，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].

作者簡(jiǎn)介：于全虎(1974—)，男，高級(jí)工程師，從事船舶科研與設(shè)計(jì)工作；倪國(1963—)，男，高級(jí)工程師，從事船舶科研與設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-05-06

基金項(xiàng)目：江蘇省內(nèi)河航運(yùn)安全綠色關(guān)鍵技術(shù)研究重大專項(xiàng)(2013Y02)