6 600 TEU集裝箱船球鼻艏的優(yōu)化方法

黃 杰

(上海華潤大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

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6 600 TEU集裝箱船球鼻艏的優(yōu)化方法

黃 杰

(上海華潤大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

基于適合集裝箱高速航行的球鼻艏在低速航行時(shí)減阻效果差的問題, 對6 600 TEU集裝箱船球鼻艏進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的球鼻艏形狀為尖瘦形,低速航行時(shí)能有效降低興波阻力,節(jié)能效果明顯。

集裝箱船；球鼻艏；興波阻力；節(jié)能減排

0 引言

集裝箱船舶球鼻艏的作用是使球艏產(chǎn)生的興波與船體產(chǎn)生的興波相抵消，從而達(dá)到降低興波阻力的目的。但球鼻艏只在設(shè)計(jì)航速下產(chǎn)生正效應(yīng)，即船舶只有在設(shè)計(jì)航速下航行時(shí)，球鼻艏才能有效地降低興波阻力，否則阻力更大。

航運(yùn)公司為達(dá)到節(jié)能減排的目的，可以采取多種措施，如更換主機(jī)，在螺旋槳前安裝導(dǎo)流罩，水線以下油漆使用有機(jī)硅，低速航行等，低速航行是其中非常有效的手段之一。低速航行時(shí)要求的航速為15～18 kn，而適合于高速航行的球鼻艏在低速航行狀態(tài)下不僅不能降低阻力，甚至?xí)黾幼枇Γ虼吮仨殞υ虮囚歼M(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)低速航行。

本文對上海華潤大東船務(wù)工程有限公司承建完工的63條球鼻艏改裝工程中比較具有代表性的6 600 TEU集裝箱船進(jìn)行研究。首先分析了新舊球鼻艏的特性，其次完成了新球鼻艏的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，最終確定了球鼻艏進(jìn)出塢的方案設(shè)計(jì)。

1 新舊球鼻艏特性分析

6 600 TEU集裝箱船主要參數(shù)為：船長301 m，船寬40 m，型深24.6 m，設(shè)計(jì)吃水12.0 m，設(shè)計(jì)航速25.0 kn。船東綜合運(yùn)營數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)船舶航速在15.6 kn時(shí)能夠收到較好的經(jīng)濟(jì)效益，要求設(shè)計(jì)公司在此條件下對球鼻艏線型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的球鼻艏與原球鼻艏相比，在寬度方向上的曲率有很大的改變。原船的設(shè)計(jì)航速是25 kn，在此航速下，其球艏必須比較圓潤才能使其產(chǎn)生作用，這樣可以保證低壓區(qū)的存在，且與水面距離適中。當(dāng)航速降低之后，艏部興波情況就會發(fā)生改變，此時(shí)適合高航速的圓潤型球鼻艏將會產(chǎn)生較大的興波，還會對艉部流場產(chǎn)生較大的影響，反而起到負(fù)作用。如果優(yōu)化球鼻艏寬度方向的曲率，由圓潤形改為尖瘦形，并使球鼻艏端部降低，長度增長，就會使船舶在低速航行時(shí)的阻力性能明顯得到改進(jìn)。

1.1 新舊球鼻艏直觀對比

圖1為某公司3種型號球鼻艏外形直觀對比。圖中，在低速航行(15 kn)狀態(tài)下，A形式的球鼻艏節(jié)能效果最好，B形式的球鼻艏(原船型號)效果次之，而C形式的球鼻艏效果最差。

1.2 新舊球鼻艏線形對比

新舊球鼻艏線形對比如圖2所示。通過圖2看出，相對于原船，優(yōu)化后的球鼻艏線形有了很大的改變，寬度方向更瘦削，艏端更低，長度更長。

1.3 優(yōu)化后的球鼻艏性能

球鼻艏優(yōu)化后的船舶不適合高速航行，卻能夠在低速航行時(shí)顯著改善降低興波阻力及艉部的流場情況。關(guān)于這些效果，可以從以下幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)計(jì)算所得到的結(jié)果中看到。

(1)當(dāng)航速為19.0 kn時(shí)，吃水分別為9.0 m和12.0 m時(shí)的波浪狀況如圖3、圖4所示。

(2)航速16 kn時(shí)的波形狀況如圖5所示，航速25 kn時(shí)的波形狀況如圖6所示。

從圖3、圖4可以看出，當(dāng)吃水為9 m和12 m時(shí)，采用優(yōu)化球鼻艏的船舶，其艏艉的波浪高度明顯低于優(yōu)化前的船舶，從而有效地降低興波阻力；從圖5、圖6可以看出，在9 m和12 m吃水狀態(tài)下，航速為25 kn時(shí)的艏部波形比航速為16 kn時(shí)的更尖銳、瘦削，且高航速時(shí)的艉部興波很大，而在低航速時(shí)艉部幾乎無興波。

(3)圖7表示吃水在9、12、13.5 m時(shí)，船體阻力與船舶航速的關(guān)系曲線。從圖7可以看出，船體阻力隨著航速的增加而增大，特別是在20 kn以后，增速顯著加大；圖8表示在4種吃水狀態(tài)下船舶航速與燃油節(jié)省的關(guān)系曲線。圖8中，隨著航速的增加，燃油節(jié)省效果越來越不理想。燃油節(jié)省效果與裝載狀況和航行速度密切相關(guān)。

(4)低速航速時(shí)，球鼻艏優(yōu)化前后的燃油節(jié)省率分別見表1和表2。

表1 低速航行下球鼻艏優(yōu)化前燃油節(jié)省率

表2 低速航行下球鼻艏優(yōu)化后燃油節(jié)省率

從圖3～圖8以及表1和表2所得實(shí)船航行數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，低速航行對節(jié)能減排的效果是非常明顯的。原型船在低速航行時(shí)可以達(dá)到3.8%的節(jié)能效果，而目標(biāo)船采用優(yōu)化后的球鼻艏之后能夠達(dá)到5.9%的節(jié)能效果。但是原型船要達(dá)到表中所示節(jié)能效果，必須采用最佳縱傾方式，而最佳的縱傾位置一般在艏傾2 m處。要調(diào)節(jié)到縱傾位置須打入大量的壓載水，但又不能保證所有的傾斜狀態(tài)能調(diào)整到艏傾2 m。采用優(yōu)化后的球鼻艏目標(biāo)船，進(jìn)行很小的浮態(tài)調(diào)整就可以達(dá)到甚至超過原型船最佳縱傾時(shí)的效果，從而避免了頻繁調(diào)節(jié)浮態(tài)所帶來的人力、財(cái)力、物力的消耗，且優(yōu)化后的船舶如果再配合浮態(tài)調(diào)整，那么節(jié)能效果可以達(dá)到8%～13%。

2 新球鼻艏的生產(chǎn)設(shè)計(jì)和施工

2.1 生產(chǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)任務(wù)書，首先進(jìn)行線形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)，繪制施工圖，光順線型，外板放樣，準(zhǔn)備板材，加工制作樣箱樣板等一系列工作。在進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：

(1)要根據(jù)準(zhǔn)備的板材狀況認(rèn)真確定板縫位置，盡可能提高板材利用率。

(2)要特別注意艏柱板轉(zhuǎn)圓弧位置的節(jié)點(diǎn)處理，此處零件加工難度較大。要綜合考慮公司的加工能力，現(xiàn)場裝配難易，施工人員施工方便性。

(3)要特別注意焊接節(jié)點(diǎn)的要求，以保證滿足相關(guān)規(guī)范，保證船體密性與強(qiáng)度；要特別注意分段劃分方式，綜合考慮公司場地、起吊能力、施工精度控制的難易來劃分分段。目前，施工時(shí)將球鼻艏分段在中間平臺處劃分為上下2個(gè)分段，上分段正造，下分段借助平臺反造。

(4)要特別注意重量重心的計(jì)算準(zhǔn)確度，以便正確確定吊環(huán)的大小和位置。

(5)要特別注意進(jìn)出塢的方案確定，盡可能節(jié)省寶貴的塢期。

(6)要注意分段總組時(shí)支撐的高度與姿態(tài)控制，確定高度時(shí)要綜合考慮所進(jìn)船塢的塢墩高度和分段進(jìn)塢合攏所使用的工裝件高度。一般分段上口合攏縫處要與原船保留150～200 mm的空檔。

(7)分段總組時(shí)的姿態(tài)須高度豎直，水平度良好，不能有縱傾、橫傾、橫搖的情況，否則塢內(nèi)合攏時(shí)將花費(fèi)很大的人力物力，最重要的是要浪費(fèi)緊張的塢期，很難將其順利調(diào)整到位。

2.2 施工注意事項(xiàng)

由于新制球鼻艏的線型與設(shè)計(jì)線型是否相符，直接影響到改裝后船舶節(jié)能減排的效果，所以制作球鼻艏分段時(shí)，外板線形必須優(yōu)先保證；嚴(yán)格控制分段制作周期，保證船舶在進(jìn)廠之前完成分段的油漆噴涂及合攏工作；分段制作時(shí)，尤其要保證大合攏環(huán)形對接縫以及上口水平對接縫與原船的吻合度，相差太大會直接影響改裝周期；所有工裝件，包括吊環(huán)、支撐位置與高度、材料規(guī)格必須嚴(yán)格按照圖紙施工；船舶進(jìn)廠后，如果是先靠泊碼頭，可以在進(jìn)塢之前在合攏縫位置對大部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割，適當(dāng)在靠后位置保留1～2道強(qiáng)框架，在上部保留1層平臺即可。拆除原球鼻艏的吊環(huán)在此時(shí)也可以裝配焊接到位，這樣可以節(jié)省半天以上的塢期。

2.3 施工工藝流程

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙繪制施工圖，放樣下料加工。加工時(shí)外板線形曲率要保證滿足精度要求，減少分段制作階段的裝配工作量。

(2)施工隊(duì)伍按照施工圖紙制作分段，完成后送噴涂房進(jìn)行油漆作業(yè)。

(3)在船舶進(jìn)廠前完成分段的總組。

(4)船舶進(jìn)廠后，根據(jù)圖紙對內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以提前進(jìn)行劃線切割，拆舊用吊環(huán)安裝到位，以減少塢內(nèi)工作量。

(5)船舶進(jìn)塢后，精度管理人員對外板環(huán)縫進(jìn)行精準(zhǔn)劃線，拆舊用托架牽引到正確位置，安裝支撐管子等工裝件。切割完成后，將原球艏拉離現(xiàn)場。

(6)將拆除原球鼻艏的施工流程反向操作一遍，完成新制球艏的安裝。拆除馬板以及管子支撐，進(jìn)行油漆修補(bǔ)等作業(yè)，整個(gè)球鼻艏改裝工程完成。

3 球鼻艏進(jìn)出塢方案設(shè)計(jì)

目前，本文介紹的進(jìn)出塢方案通常采用4～6部牽引小車沿著預(yù)先鋪設(shè)的軌道，將分段牽引至指定的位置。采用此方案對球鼻艏進(jìn)行改裝，從船舶進(jìn)塢開始劃線到鋼結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)性完工報(bào)驗(yàn)結(jié)束，一般可將周期控制在5 d之內(nèi)。

4 結(jié)語

節(jié)能減排是全球各個(gè)行業(yè)的大趨勢。集裝箱船球鼻艏改裝經(jīng)歷了2013年底到2016年中的一段高潮之后，受到國際油價(jià)的低位震蕩，改裝后的經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)沒有前幾年那般明顯。但是節(jié)能減排不僅能夠降低成本，對控制二氧化碳的排放也是至關(guān)重要的，所以球鼻艏改裝工程還有很大的市場潛力。

[1] 王中，盧曉平. 水面艦船加裝減阻節(jié)能球鼻艏研究[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2006，21(6)：789-795.

2017-02-07

黃杰(1986—)，男，工程師，主要從事船舶修理與設(shè)計(jì)工作。

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