中韓航線客滾船設(shè)計(jì)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

孫家鵬，張敏健

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

近年來客船事故頻發(fā)，特別是2014年4月發(fā)生的“世越號(hào)”海難，促使客滾船安全問題得到前所未有的重視。國(guó)家對(duì)此頒布了一系列規(guī)定，例如《交通運(yùn)輸部關(guān)于印發(fā)中韓客貨班輪運(yùn)輸專項(xiàng)整治工作方案的通知》及《老舊運(yùn)輸船舶管理規(guī)定》等明確要求：船齡超過 20a的中韓客貨班輪，必須同時(shí)擁有 CCS和 KR船級(jí)；船齡在24a以上的客船需每年進(jìn)行特別檢驗(yàn)；船齡在30a以上的客船需強(qiáng)制報(bào)廢。

目前中韓航線上共運(yùn)營(yíng)有12艘客滾船（見表1），絕大部分是20世紀(jì)90年代初從日本購(gòu)置的二手船，平均船齡已達(dá)25a。另外，這些船大多經(jīng)歷過多次改裝，重量、重心等決定穩(wěn)性的數(shù)據(jù)存在著不確定性。

同時(shí)，中韓自貿(mào)區(qū)已于2012年5月啟動(dòng)、2015年12月20日正式生效，設(shè)立該自貿(mào)區(qū)的主要目的是為兩國(guó)貨物貿(mào)易提供更多的優(yōu)惠和制度保障。

以上因素促使近兩年中韓航線運(yùn)力全面更新。上海船舶研究設(shè)計(jì)院參與了絕大部分的中韓航線項(xiàng)目，目前簽訂的載客1500人客滾船和載客1200人客滾船（主要參數(shù)見表2）及某型客箱船的詳細(xì)設(shè)計(jì)已結(jié)束。相對(duì)于國(guó)內(nèi)客滾船的設(shè)計(jì)[1]，對(duì)中韓航線上運(yùn)營(yíng)的船舶除了在規(guī)范上有更高的要求外，還有很多自身的特點(diǎn)，本文主要以上述2型客滾船為例，著重對(duì)其與國(guó)內(nèi)客滾船的不同進(jìn)行介紹。

表1 中韓航線現(xiàn)役客滾船主要參數(shù)

表2 兩型客滾船主要參數(shù)

1 滾裝貨物的特點(diǎn)及高效裝卸研究

1.1 滾裝貨物的特點(diǎn)

中韓自貿(mào)區(qū)的核心是對(duì)貨物給予關(guān)稅等方面的優(yōu)惠，在目前市場(chǎng)不景氣的大環(huán)境下，這幾乎是唯一的盈利點(diǎn)?，F(xiàn)役船的載重量相對(duì)偏?。ㄈ绫?所示），新造船在載重量上普遍有50%～100%的提升。

目前在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船載運(yùn)的都是標(biāo)準(zhǔn)的甩掛貨物（40英尺托盤的尺寸約為12.37m×2.5m），裝貨時(shí)通過拖車頭將集裝箱半掛車拖至相應(yīng)的位置之后，通過牛腿（見圖1）支撐，車頭脫開，卸貨時(shí)再通過港口碼頭的牽引車操作。貨物的標(biāo)準(zhǔn)化使得車道的寬度及車輛艙凈高相對(duì)固定（車道寬度為 2.8～2.9m，車輛艙凈高為4.3～4.5m），不必與國(guó)內(nèi)客滾船一樣兼顧超寬超高車型（車道寬度為3.0～3.1m，甚至更高；車輛艙凈高為4.6～4.8m），從而最大限度地利用貨艙空間。同時(shí)，重心的降低使得船舶的穩(wěn)性得到保證，船寬可適當(dāng)減小以提高航速。另外，標(biāo)準(zhǔn)的半掛車易于綁扎，不攜帶油箱極大地提高了安全性。

圖1 集裝箱半掛車牛腿

1.2 高效裝卸

韓國(guó)的一些港口潮差較大（例如仁川港的潮差達(dá)到8m），因此均為長(zhǎng)浮碼頭。船舶不設(shè)艏門，只通過艉部靠岸，即沒有所謂的直通概念。為提高貨物裝卸效率，需對(duì)船舶自身的布置進(jìn)行優(yōu)化。國(guó)內(nèi)的客滾船機(jī)艙棚均布置在船中（見圖2a）），在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的1500客客滾船及1200客客滾船均采用機(jī)艙棚位于兩舷的布置形式（見圖2b））。這樣主車輛艙更加開闊，甩掛車方便掉頭，相應(yīng)地可增加裝卸效率，且對(duì)破艙穩(wěn)性有利（當(dāng)其他區(qū)域破損時(shí)，舷側(cè)的機(jī)艙棚起到儲(chǔ)備浮力的作用）。需提醒的是，這種設(shè)計(jì)增加了通道布置的難度，且相對(duì)來說對(duì)強(qiáng)度不利，可能需要局部加大構(gòu)件尺寸。

另外，對(duì)于下貨艙的貨物裝卸，國(guó)內(nèi)客滾船大多采用“升降平臺(tái)+水密蓋”的型式，這種形式施工簡(jiǎn)單，但裝卸速度慢。在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船普遍采用“斜坡道+坡道蓋”的型式，使得裝卸貨速度得到大幅提升。為解決長(zhǎng)下坡道（一般長(zhǎng) 40～50m）對(duì)下貨艙裝貨量的影響，兩型船的斜坡道盡量后移，橫跨整個(gè)機(jī)艙（見圖3），斜坡道僅占下貨艙3～5m，幾乎對(duì)裝車沒有影響。其帶來的挑戰(zhàn)是坡道占據(jù)一定的機(jī)艙空間，增加了機(jī)艙布置的難度。

圖2 機(jī)艙棚布置形式

圖3 下貨艙斜坡道的布置

2 旅客艙室及公共娛樂區(qū)

對(duì)于乘客來說，國(guó)內(nèi)的客滾船目前仍只充當(dāng)交通工具，在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船在一定程度上還具備了旅游的功能，因此各方面性能均有一定程度的提升。

1) 在旅客住艙方面，由于航程較長(zhǎng)，在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船均只設(shè)臥鋪，不設(shè)座席艙，房間的類型更加多樣化，包括VIP套房、大床房、帶大飄窗的2人海景房、4人間及6人間等。為提高旅客的體驗(yàn)，部分船不設(shè)超過4人的房間。大部分船設(shè)有符合傳統(tǒng)韓國(guó)老年游客生活習(xí)慣的榻榻米艙室。

2) 娛樂區(qū)功性能相對(duì)于國(guó)內(nèi)的客滾船來說也有一定程度的提高。大多數(shù)船東都會(huì)選擇設(shè)置燒烤（餐廳）、免稅店、小酒吧、棋牌室及卡拉OK廳等娛樂設(shè)施。另外有些船東會(huì)選擇設(shè)置帶表演舞臺(tái)的小影院、兒童娛樂室、電玩廳、咖啡吧及圖書室等。

3 線型優(yōu)化

客滾船均為雙機(jī)雙槳船，艉部線型復(fù)雜、附體較多。國(guó)內(nèi)的客滾船航程短，航速較低，最大航速一般在16～19kn，投入大量精力、財(cái)力對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化帶來的收益有限。中韓航線的航程超過200n mile，同時(shí)需更大的航速裕度來應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的海況等突發(fā)情況，故在該航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船的最大航速達(dá)到22～25kn，弗勞德數(shù)Fr在0.3附近，屬于中高速船，線型優(yōu)化帶來的效益非?？捎^，因此投入大量的時(shí)間開展大量的工作，同時(shí)完成多項(xiàng)創(chuàng)新。

3.1 一種水平傾斜小艉鰭線型[2]

根據(jù)理論知識(shí)及大量的計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬，發(fā)現(xiàn)艉部流場(chǎng)流線方向一般略微朝內(nèi)，因此若能使小艉鰭形狀順應(yīng)流線方向，即水平內(nèi)傾布置，則可達(dá)到很好的減少艉部水流分離，從而減小阻力的效果。從提高推進(jìn)效率的角度來看，與槳的旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)旋流與槳發(fā)生作用的結(jié)果使槳后艉流旋轉(zhuǎn)減弱或消除，從而可降低艉流能量的損失。在設(shè)計(jì)過程中通過船模試驗(yàn)證明了其有效性及可靠性（收到功率約有5%的降低），并在1500客客滾船上得以運(yùn)用（見圖4a））。

3.2 隧道型艉剖面

兩型船的艉部均采用新型的反凹型線型（見圖4b）），增加了螺旋槳與船體的間隙，降低了高速船的空泡風(fēng)險(xiǎn)，完全規(guī)避了螺旋槳激振力引起的船體振動(dòng)。

圖4 水平傾斜小艉鰭隧道型艉剖面

3.3 一種半流水踵的設(shè)計(jì)[3]

對(duì)于雙槳船，常規(guī)的流水踵位于船中，并向前逐漸順延（見圖 5）。這里采用一種新型的半流水踵（見圖6）。這種創(chuàng)新可在保證航向的穩(wěn)定性、降低螺旋槳之間的相互干擾的基礎(chǔ)上，減小大部分濕表面積及摩擦阻力，從而減小船體的總阻力，同時(shí)方便船廠施工，降低成本。該項(xiàng)創(chuàng)新在1200客客滾船上得到了運(yùn)用。

圖5 傳統(tǒng)型流水踵

圖6 創(chuàng)新型流水踵

3.4 附體優(yōu)化

客滾船上的附體有很多，對(duì)艉楔（可有效降低船尾不規(guī)則波對(duì)效率的影響）、軸支架的數(shù)量和位置（減小阻力的同時(shí)降低空泡率）、減搖鰭開孔方向、側(cè)推孔的相對(duì)位置及舵球的型式等均進(jìn)行大量CFD優(yōu)化，并通過模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證，最終應(yīng)用于實(shí)船上。

4 舒適性考慮

舒適度包括內(nèi)部裝潢、溫度及服務(wù)等多個(gè)方面，在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船更加專注于對(duì)振動(dòng)噪聲的控制。適用于所有國(guó)際航行船舶的新的噪聲等級(jí)規(guī)則MSC.337(91)對(duì)噪聲級(jí)的要求相比A.468(Ⅻ)普遍降低5dB，影響非常大。對(duì)于客船來說，需保證交船時(shí)間，若噪聲超標(biāo)將導(dǎo)致試航后大面積的艙室翻新，從而錯(cuò)過旅游旺季，其損失不可估量。此外，舒適性也是客船設(shè)計(jì)的重中之重，若旅客體驗(yàn)不佳，會(huì)影響船舶的整體聲譽(yù)，從而影響到船舶整個(gè)生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，不論是船舶設(shè)計(jì)方，還是船東、船廠，都對(duì)船舶的振動(dòng)和噪聲問題高度重視。

影響振動(dòng)和噪聲的因素前期無法確定，只能在詳細(xì)設(shè)計(jì)的中后期進(jìn)行計(jì)算。目前利用各種軟件所得計(jì)算結(jié)果與最終的實(shí)測(cè)值都有一定偏差，因此還需經(jīng)驗(yàn)的輔佐。上海船舶研究設(shè)計(jì)院在客滾船領(lǐng)域積累了大量的實(shí)船實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在方案設(shè)計(jì)階段通過大數(shù)據(jù)分析及經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)總布置進(jìn)行全面分析，提前采取相關(guān)措施，例如：

1) 旅客生活區(qū)有大量空調(diào)機(jī)室，是艙室噪聲的主要來源之一。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整空調(diào)室的位置，提前在部分與空調(diào)機(jī)室相鄰的房間增加隔音材料。此外，部分船上采用“獨(dú)立新風(fēng)多功能可選空調(diào)系統(tǒng)”，將原先大的空調(diào)室分割為多個(gè)小空調(diào)器室，避免靠近空調(diào)機(jī)室的艙室噪聲過大，達(dá)到降噪的效果。

2) 在靠近機(jī)艙的旅客餐廳或艙室采用浮動(dòng)地板，從而有效降低空氣噪聲。

3) 選擇低噪聲的車輛艙風(fēng)機(jī)，控制風(fēng)速并遠(yuǎn)離旅客區(qū)。

4) 設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，在追求航速的同時(shí)兼顧船舶的舒適性，將設(shè)計(jì)航速下的一階激振力嚴(yán)格控制在1.2kPa以下，避免該振動(dòng)源帶來影響。

在前期線型設(shè)計(jì)階段進(jìn)行耐波性分析，包括評(píng)估：艏部外飄帶來的抨擊；平緩的方艉可能帶來的參數(shù)橫搖；GM值、船長(zhǎng)及水線面系數(shù)等重要參數(shù)對(duì)舒適性的影響。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，將“振動(dòng)與噪聲的控制”提升至與重量、重心控制同等的級(jí)別，各專業(yè)間定期交流討論，并通過全船有限元模型對(duì)振動(dòng)噪聲加以評(píng)估，對(duì)超標(biāo)或可能超標(biāo)的位置進(jìn)行調(diào)整。

5 環(huán) 保

1) CO2的排放要求通過船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）來衡量，在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船主要得益于線型優(yōu)化技術(shù)帶來的航速大幅提升（航速提升0.5kn以上），目前排放量基本上可達(dá)到基線以下約10%[4]。對(duì)于SOx的排放，目前沒有船東選擇初始投資較大的Scrubber或液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）燃料，而是選擇成本較低的低硫油及岸電。對(duì)于Tier III階段的NOx標(biāo)準(zhǔn)，目前沒有采用 EGR（廢氣循環(huán)法)、SCR（選擇性催化還原法）及其他減排的案例，由于規(guī)范對(duì)此不做追加要求，因此沒有考慮預(yù)留空間。

2) 對(duì)于壓載水處理裝置，中韓之間的海域均屬黃海海域，理論上講不需要安裝。歐洲地中海地區(qū)的船東曾就“同水域的船應(yīng)免裝壓載水處理裝置”向國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）申請(qǐng)豁免，目前還未得到官方答復(fù)?？紤]到壓載水公約目前仍未生效，建議船東為該裝置預(yù)留空間。

3) 對(duì)于其他環(huán)保措施，個(gè)別船東選擇CLEAN（清潔）及GREEN PASSPORT（綠色護(hù)照）等船級(jí)符號(hào)，相對(duì)來說成本增加不多。

6 安全返港

于2010年7月1日生效的《安全返港規(guī)則》是近年來針對(duì)客船的最重要的規(guī)范之一。該規(guī)范是基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理念提出的，只給出目標(biāo)，未詳述解決方法，因此各大船級(jí)社的解釋不盡相同。上海船舶研究設(shè)計(jì)院近年來對(duì)此進(jìn)行了大量研究[5-7]，于2013年年中交付了國(guó)內(nèi)第一條滿足該規(guī)范要求的客滾船“生生2”號(hào)，2015年交付了入BV船級(jí)的豪華客貨船“Aranui 5”號(hào)。

對(duì)于在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船，研究重點(diǎn)是如何在滿足規(guī)范要求的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為船東節(jié)省成本。例如：采用2個(gè)機(jī)艙前后交錯(cuò)布置（如圖3所示）來滿足破損穩(wěn)性要求，同時(shí)盡量減小機(jī)艙總長(zhǎng)度；通過合理布置救生設(shè)備及集合站來縮短撤離時(shí)間，同時(shí)減少A60甲板輔料及絕緣材料；通過配置便攜式照明、通信方式設(shè)備等來減少冗余系統(tǒng)，同時(shí)方便在發(fā)生事故時(shí)進(jìn)行操作；通過將重要系統(tǒng)的接線排設(shè)置在A60級(jí)防火分隔區(qū)域內(nèi)來減少雙套系統(tǒng)，從而減少設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的工作量；通過對(duì)輔助設(shè)備艙、淡水艙及污水艙等位置進(jìn)行合理布置，在滿足冗余的情況下盡量?jī)?yōu)化管路長(zhǎng)度等。

7 外形設(shè)計(jì)

客船個(gè)性化的外形不僅能代表船東的形象和文化，而且可吸引更多的客源。相對(duì)于國(guó)內(nèi)船東，運(yùn)營(yíng)中韓航線的船東對(duì)此更加看重。因此，在設(shè)計(jì)初期引入藝術(shù)設(shè)計(jì)者，與總體設(shè)計(jì)師一同進(jìn)行三維建模并與船東交流，以此為基準(zhǔn)來進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)。造型設(shè)計(jì)兼顧重量、重心的變化及減小風(fēng)阻（如流線型的煙囪及雷達(dá)桅、通風(fēng)口與船體的有效結(jié)合等）。

8 結(jié) 語

1) 在中韓航線上運(yùn)營(yíng)的客滾船可定位為滿足《安全返港規(guī)則》及SOLAS 2009概率破艙等最新規(guī)范的現(xiàn)代化快速、經(jīng)濟(jì)型客滾船，相對(duì)于國(guó)內(nèi)的客滾船，其在線型優(yōu)化、舒適度和裝卸貨效率等方面均有較大的提升。

2) 客觀地看，目前全球經(jīng)濟(jì)不景氣，中韓航線上的貨物多為附加值較低的建材，而且主要是中國(guó)至韓國(guó)的單邊貿(mào)易，因此很難盈利。這導(dǎo)致大多船東傾向于造價(jià)較低的“經(jīng)濟(jì)型”客滾船，在環(huán)保方面也只是跟隨著規(guī)范，不愿做更多的超前設(shè)計(jì)。

3) 客滾船不同于普通的貨船，不僅靠市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，也包含政府行為，承擔(dān)著一定的社會(huì)責(zé)任。在2016年7月舉辦的“中韓航線運(yùn)力更新發(fā)展集中調(diào)研”會(huì)上，大多數(shù)船東表達(dá)了希望政府給予一定的扶持及對(duì)未來中韓貿(mào)易方向加以指引的愿望。例如，上海船舶研究設(shè)計(jì)院曾為船東做過豪華客滾船的設(shè)計(jì)方案，這種船的特點(diǎn)之一是有專門的小汽車艙，在歐洲很有市場(chǎng)，船東也感興趣，但中韓之間未來是否可通私家車目前沒有定論，導(dǎo)致項(xiàng)目擱淺?？梢?，政府的支持和指引可使客滾船的型式更加多樣化，同時(shí)會(huì)進(jìn)一步提升船舶設(shè)計(jì)方在該船型上的設(shè)計(jì)潛能。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 張敏健. 客滾船開發(fā)與設(shè)計(jì)研究[J]. 船舶與海洋工程，2012 (2)： 21-26.

[2] 張敏健，孫家鵬，魏菲菲，等. 一種內(nèi)旋雙槳船舶的船艉結(jié)構(gòu)：2016200078316 [P]. 2016-11-09.

[3] 魏菲菲，孫家鵬，張敏健，等. 一種雙機(jī)雙槳船艉復(fù)合結(jié)構(gòu)：2015211274908 [P]. 2016-06-22.

[4] 孫家鵬，張敏健. 客滾船EEDI研究[J]. 船舶工程，2016, 38 (4)： 56-60.

[5] 張桂湘. 安全返港概念淺析及對(duì)總體設(shè)計(jì)的影響[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2014 (S2)： 64-67.

[6] 顧一清. 安全返港的相關(guān)要求及對(duì)電氣設(shè)計(jì)的影響[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2013 (S2)： 62-66.

[7] 周瑋. “生生2”客滾船總體設(shè)計(jì)[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2014 (1)： 5-8.