800 TEU敞口集裝箱船總體設(shè)計(jì)

劉東旭

（上海歐得利船舶工程有限公司，上海 200023）

0 引言

敞口集裝箱船系指一種特殊設(shè)計(jì)的集裝箱船，其一個(gè)或多個(gè)貨艙沒(méi)有設(shè)置艙口蓋[1]。具有裝卸效率高、停泊時(shí)間短和港口費(fèi)用低的特點(diǎn)。該800 TEU項(xiàng)目的營(yíng)運(yùn)方為印度尼西亞船東，其營(yíng)運(yùn)航線較短，需經(jīng)常停港，因此這類(lèi)船型對(duì)該船東而言具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

但此類(lèi)船型由于在部分或全部集裝箱貨艙內(nèi)沒(méi)有任何密閉措施，因此航行過(guò)程中易因風(fēng)雨或甲板上浪而導(dǎo)致貨艙浸水。貨艙內(nèi)的積水，經(jīng)由艙底水系統(tǒng)排出船外。但在極端情況下，積水難以及時(shí)排出，則影響船體的穩(wěn)性和總縱強(qiáng)度，甚至嚴(yán)重威脅到船舶的安全。

船舶的甲板上浪主要是由船舶與海浪和波之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的，這與干舷高度、吃水以及其他必要的擋浪設(shè)施密切相關(guān)。合理的干舷高度能夠盡量減小甲板的上浪量，使船舶具有充裕的穩(wěn)性，并獲得盡可能多的載重量。因此，合理地核定最小干舷高度對(duì)于船舶設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。該船干舷經(jīng)由《敞口集裝箱船法定檢驗(yàn)技術(shù)暫行規(guī)則（2008）》中所要求的耐波性試驗(yàn)（上浪試驗(yàn)）所決定，對(duì)同類(lèi)型的船舶設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 船舶概況

1.1 概述

本文所研究的船系山東黃海船廠為印尼船東建造的敞口集裝箱船，主要航行于我國(guó)珠江口以南水域以及東南亞海域的沿海各港口，設(shè)計(jì)航區(qū)為1類(lèi)航區(qū)（近海航區(qū)），現(xiàn)已交付3艘。

本船建造為鋼質(zhì)單甲板、單機(jī)單槳推進(jìn)的尾機(jī)型船舶。設(shè)有垂直船首，半懸掛舵和舵球，以提升推進(jìn)性能。船首設(shè)置滿足法規(guī)要求的艏樓，可作為擋浪設(shè)施，船尾設(shè)置尾樓及5層甲板室。

全船共設(shè)有5個(gè)集裝箱貨艙，其中在第1貨艙、第2貨艙設(shè)置吊離式艙口蓋，可裝載危險(xiǎn)貨物、危險(xiǎn)品，艙蓋上可裝載9列集裝箱。第3貨艙、第4貨艙、第5貨艙為敞口型式，艙內(nèi)可裝載7列集裝箱。貨艙內(nèi)設(shè)有符合敞口貨艙要求的消防系統(tǒng)和艙底水系統(tǒng)。

1.2 主尺度

本船主尺度及主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）總長(zhǎng)：約為146 m；垂線間長(zhǎng)：142.2 m；型寬：23.25 m；型深：10.5 m；設(shè)計(jì)吃水：6.5 m；結(jié)構(gòu)吃水：6.5 m；載重量：13 2 t；定員：20人。

2）主機(jī)：三菱 6UEC33LSE-C2；MCR：3 990 kW×133.3 r/min；服務(wù)航速：13.00 kn；續(xù)航力：5 000 nm（1 nm＝1.852 km）。

3）集裝箱裝載：20 ft為816 TEU/54 FEU；40 ft為403 FEU/54 FEU。

1.3 船級(jí)符號(hào)

本船入中國(guó)船級(jí)社（CCS）船級(jí)，并獲取船級(jí)符號(hào)：

1）CSA Open-Top Container Ship; R1; Loading Computer (S, I); In-Water Survey。

2）CSM MCC。

1.4 總布置圖

圖1是本船總布置圖的側(cè)視圖和主甲板視圖，以簡(jiǎn)要顯示本船的布置。

圖1 總布置圖

2 干舷

2.1 干舷核定方法

敞口集裝箱船由于貨艙不設(shè)置艙口蓋，使得貨艙空間不具有儲(chǔ)備浮力，因而這類(lèi)船舶不能依據(jù)《國(guó)際載重線公約》核定載重線[3]。《敞口集裝箱船法定檢驗(yàn)技術(shù)暫行規(guī)則2008》則制定了等效措施。對(duì)于敞口集裝箱船，有限航區(qū)船舶的最小干舷可選擇以下兩者之一來(lái)確定，取所選一種方法中，分別由 3個(gè)因素所決定的干舷中的較大者[1]。

1）由耐波性特性（模型試驗(yàn)）、完整穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定，或

2）由最小形狀干舷、完整穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定。

對(duì)于本船，如按最小形狀干舷的方法進(jìn)行勘劃，其最小干舷按近海航區(qū)要求如式（1）

式中：L為量自龍骨板上緣的最小型深85%處水線總長(zhǎng)的96%，或沿該水線從首柱前緣至舵桿中心的長(zhǎng)度，取 142.2 m；F為最小形狀干舷，計(jì)算可知F=4.977 m。

對(duì)于本船，如按照《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2011）第3篇第3章對(duì)B型船舶干舷的要求，計(jì)算所得的最小夏季干舷，應(yīng)為2 309 mm，與按照最小形狀干舷計(jì)算的數(shù)值相差太多。如按此方法核定干舷，會(huì)制約滿載吃水、載重量和裝箱數(shù)，進(jìn)而嚴(yán)重影響船舶的經(jīng)濟(jì)性能。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮采用第一種方法，即使用耐波性特性模型試驗(yàn)（上浪試驗(yàn)）測(cè)量甲板上浪量的方法來(lái)核定干舷。上浪試驗(yàn)需測(cè)量可能上浪到每個(gè)貨艙的最大每小時(shí)上浪量數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)應(yīng)不超過(guò)法規(guī)規(guī)定的每小時(shí)進(jìn)水高度乘以艙口開(kāi)敞面積。對(duì)于本船而言，近海航區(qū)允許的敞口貨艙每小時(shí)進(jìn)水高度為300 mm/h。

借鑒其他類(lèi)似船型，并綜合考慮法規(guī)的最小干舷和船首高度要求、船東設(shè)計(jì)指標(biāo)、完整穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，初步將該船的夏季干舷確定為4 020 mm，即夏季載重吃水 6.5 m。這一吃水比最小形狀干舷核定的夏季載重吃水超出約1 m，載重量可增加約3 070 t，換成裝載 20 ft（1 ft＝0.304 8 m）的 14 t的均箱，可增加約220箱裝箱數(shù)，能夠極大提升經(jīng)濟(jì)性能。故采用此吃水和干舷，來(lái)進(jìn)行上浪試驗(yàn)，并通過(guò)上浪試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)最終確定本船的干舷。

2.2 耐波性特性模型試驗(yàn)（上浪試驗(yàn)）程序

本船的耐波特性模型試驗(yàn)（上浪試驗(yàn)）在非規(guī)則波條件下進(jìn)行，船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的采集使用了六自由度非接觸式光學(xué)運(yùn)動(dòng)測(cè)量設(shè)備，以測(cè)量船舶在波浪中的升沉、縱搖、橫搖、艏搖等自由運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)船模帶槳和舵，通過(guò)控制舵機(jī)和螺旋槳來(lái)實(shí)現(xiàn)自航，以滿足自航無(wú)拘束模型的要求。船模上裝有小型攝像機(jī)，用來(lái)觀測(cè)各個(gè)敞口貨艙甲板上浪的進(jìn)水情況。

船?？s尺比為44（圖2），主尺度參數(shù)見(jiàn)表1。船首的1貨艙、2貨艙設(shè)有艙口蓋，根據(jù)法規(guī)要求，在模型試驗(yàn)中，這2個(gè)貨艙可模擬為關(guān)閉艙口蓋以及假定海水不進(jìn)入艙內(nèi)，艙口蓋上可模擬裝載2層集裝箱。其他貨艙為敞口貨艙，從艏向艉編號(hào)依次為3A、3B、4A、4B和5。試驗(yàn)中，為布置儀器，將3B和4A這2個(gè)貨艙設(shè)置成了一個(gè)整艙，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

表1 船舶/船模主尺度

試驗(yàn)進(jìn)行迎浪（180°）、艏斜浪（135°）、艉斜浪（45°）、隨浪（0°）和橫浪（90°）5個(gè)浪向的不規(guī)則波試驗(yàn)，不規(guī)則波的波譜采用ITTC雙參數(shù)譜。根據(jù)法規(guī)要求，將近海航區(qū)航行船舶的試驗(yàn)有義波高取為 7.5 m，并基于理論計(jì)算選取最不利的波浪周期為10 s。其中，迎浪和艏斜浪以最大持續(xù)船速進(jìn)行試驗(yàn)，隨浪和艉斜浪以最小操縱船速進(jìn)行試驗(yàn)，橫浪則以0航速，即船舶無(wú)動(dòng)力狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。每一工況對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間至少對(duì)應(yīng)于實(shí)船時(shí)間1 h。

最大持續(xù)航速為考慮船舶在規(guī)則波中航行時(shí)，阻力增加所造成失速后的最大服務(wù)航速。根據(jù)靜水中模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)的航速獲取相對(duì)應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速，并在上浪試驗(yàn)的迎浪和首斜浪試驗(yàn)中通過(guò)保持這一螺旋槳轉(zhuǎn)速，來(lái)測(cè)量失速后的最大持續(xù)船速。試驗(yàn)中測(cè)得的迎浪最大持續(xù)航速為8.4 kn，首斜浪最大持續(xù)航速為9.68 kn。

最小操縱船速則根據(jù)最小推進(jìn)功率導(dǎo)則MEPC.1/Circ.850來(lái)計(jì)算，船舶最小安全航行速度定義如下[4]：Vs＝max[4，Vck=Vref－10×(AR%－0.9%)]。其中，最小基準(zhǔn)航向保持速度Vref根據(jù)導(dǎo)則基于插值得到，取為 6.903 kn。AR%為按寬度影響修正的側(cè)面浸水面積百分比，本船取為1.003。故最終計(jì)算得到的最小操縱航速為5.87 kn。

試驗(yàn)時(shí)的裝載情況下，對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)縱傾的最大裝載吃水取為6.5 m。試驗(yàn)時(shí)所取的重心高度KG，應(yīng)對(duì)應(yīng)于船舶營(yíng)運(yùn)中可能出現(xiàn)的實(shí)際值?；诎踩紤]，在實(shí)際船舶營(yíng)運(yùn)工況的重心高度基礎(chǔ)上，增加了部分裕度，取為10 m。

試驗(yàn)中，需要測(cè)量每個(gè)敞口貨艙在不同浪向和相應(yīng)航速下的進(jìn)水量，還需測(cè)量不同狀態(tài)下的船舶運(yùn)動(dòng)和航速等參數(shù)。船舶運(yùn)動(dòng)包含升沉、縱搖和橫搖等。每一不同浪向試驗(yàn)結(jié)束后，需將進(jìn)入貨艙內(nèi)的水抽出并測(cè)量，以核算各個(gè)貨艙的每小時(shí)最大上浪量。

2.3 耐波性特性模型試驗(yàn)（上浪試驗(yàn)）結(jié)果

本船的耐波特性模型試驗(yàn)（上浪試驗(yàn)）由上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所水池負(fù)責(zé)，在上海交通大學(xué)海洋深水試驗(yàn)水池中完成。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分為船舶運(yùn)動(dòng)與航速、貨艙上浪量2個(gè)部分。

不同浪向及相應(yīng)航速下，船舶運(yùn)動(dòng)及航速的測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。不同浪向及相應(yīng)航速下，各個(gè)貨艙的上浪量的測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 船舶運(yùn)動(dòng)及航速測(cè)量數(shù)據(jù)（實(shí)船）

表3 貨艙上浪量測(cè)量數(shù)據(jù)（實(shí)船）

通過(guò)以上試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，可以看出貨艙的最大進(jìn)水量，出現(xiàn)在首斜浪工況下的貨艙3B和4A內(nèi)，為134.42 mm/h，小于法規(guī)要求的300 mm/h。因此，最小夏季干舷勘劃在對(duì)應(yīng)吃水6.5 m處，可滿足試驗(yàn)及其他的相關(guān)要求。

3 完整穩(wěn)性與總縱強(qiáng)度

3.1 完整穩(wěn)性要求

敞口集裝箱船的完整穩(wěn)性，除需滿足《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2011）》第4篇第7章對(duì)相應(yīng)航區(qū)集裝箱船的要求外，還需滿足《敞口集裝箱船法定檢驗(yàn)技術(shù)暫行規(guī)則（2008）》對(duì)于貨艙浸水后的完整浸水穩(wěn)性要求。

對(duì)近海航區(qū)船舶而言，各個(gè)載貨工況下，浸水后的完整浸水穩(wěn)性應(yīng)滿足以下衡準(zhǔn)[1]。

1）穩(wěn)性范圍應(yīng)不小于20°，且非風(fēng)雨密關(guān)閉的開(kāi)口，包括通風(fēng)筒、門(mén)、艙口的淹沒(méi)角均應(yīng)大于此角度。

2）符合上述1）規(guī)定的穩(wěn)性范圍內(nèi)的最大正復(fù)原力臂值應(yīng)不小于0.1 m。

3.2 敞口貨艙假定浸水

對(duì)于各載貨工況，需假定在貨艙內(nèi)滿載集裝箱時(shí)發(fā)生浸水。浸水的滲透率取為 0.7，水的密度為1.025 t/m3，浸水的重心高度為浸水區(qū)域的形心高度。艙內(nèi)自由液面需考慮集裝箱之間空隙被水環(huán)繞，并假定此空隙沿開(kāi)敞貨艙全長(zhǎng)均勻分布[1]。對(duì)于近海航區(qū)船舶，敞口貨艙的假定浸水高度為艙深的85%。本船各敞口貨艙的假定浸水量如表4所示。

表4 敞口貨艙假定浸水量

3.3 典型裝載工況與浸水工況對(duì)比

敞口貨艙浸水后，重量會(huì)集中于貨艙區(qū)域，且產(chǎn)生較大的自由液面，進(jìn)而將對(duì)船舶的穩(wěn)性及總縱強(qiáng)度造成較大影響。以本船裝載20 ft TEU×24 t的典型工況為例，對(duì)比分析裝載工況浸水前后的變化。

在此裝載工況浸水后，可以從表5看出，吃水會(huì)增加約 2.1 m，使得干舷降低，儲(chǔ)備浮力減少，體現(xiàn)在穩(wěn)性上，并減小最大復(fù)原力臂（減小約40%）。浸水重量的重心偏低，會(huì)使整船的重心高度減少，因此對(duì)初穩(wěn)性高的影響較小，初穩(wěn)性高僅減小0.05 m。浸水前后的復(fù)原力臂曲線對(duì)比見(jiàn)圖3，圖3a)為浸水前，圖3b)為浸水后。

表5 裝載工況浸水前后穩(wěn)性對(duì)比

圖3 貨艙浸水前后復(fù)原力臂曲線對(duì)比

浸水前后的總縱強(qiáng)度的變化比較明顯（表6）。浸水前，彎矩為中拱狀態(tài)；浸水后，則變?yōu)榱酥写範(fàn)顟B(tài)。這是浸水后重量載荷集中于貨艙區(qū)域所致。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮這一變化特點(diǎn)。在工況的調(diào)配時(shí)，也需注意集裝箱的裝載和壓載水的配置，需要同時(shí)滿足浸水前后總縱強(qiáng)度和完整穩(wěn)性的要求。浸水前后的總縱強(qiáng)度對(duì)比如圖4所示，圖4a)為浸水前，圖4b)為浸水后。

表6 裝載工況浸水前后總縱強(qiáng)度對(duì)比

圖4 貨艙浸水前后總縱強(qiáng)度對(duì)比

4 其他

4.1 擋浪設(shè)施

本船在貨艙前部，設(shè)有高度2.8 m的艏樓，以作為擋浪設(shè)施。艏樓頂端距離夏季水線的高度為7 m。艏樓頂端的高度應(yīng)同時(shí)滿足法規(guī)對(duì)于最小船首高度和擋浪板頂端高度的要求。

按《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2011），最小船首高度應(yīng)不小于式（2）中的要求[2]。

式中：Cb為方形系數(shù)，取值不小于0.68；L為船長(zhǎng)，m；Fb為最小船首高度，mm，計(jì)算可得數(shù)值4 842 mm。由此，艏樓高度可滿足要求。

按《敞口集裝箱船法定檢驗(yàn)技術(shù)暫行規(guī)則（2008）》，擋浪板頂端距夏季水線高度應(yīng)不小于如表7所示。

表7 擋浪板頂端距夏季水線高度表

艏樓后端距首垂線距離為11.8 m，經(jīng)插值得擋浪板的高度要求為 6.152 m。由此可見(jiàn)，艏樓高度滿足要求。

4.2 貨艙艙底排水系統(tǒng)

對(duì)于敞口集裝箱船，貨艙容易因甲板上浪或風(fēng)雨而產(chǎn)生積水，因此貨艙的艙底排水系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的排水能力，且需按相關(guān)法規(guī)要求配置艙底泵并設(shè)計(jì)艙底排水系統(tǒng)。

艙底泵的排水能力需滿足以下5項(xiàng)要求的最大值（括號(hào)本船實(shí)際計(jì)算數(shù)值）。

1）由綜合模型試驗(yàn)確定的海上航行狀態(tài)下最大的每小時(shí)貨艙上浪量（100.4 m3/h）。

2）每小時(shí)100 mm的降雨量（115.2 m3/h）。

3）模型在橫浪無(wú)訂立狀態(tài)下耐波性試驗(yàn)所測(cè)得的貨艙每小時(shí)上浪量乘以2（134.2 m3/h）。

4）最大敞口貨艙所需要的排量（331.0 m3/h）。

5）相當(dāng)于封閉貨艙所需要的排量（113.0 m3/h）。

結(jié)合以上 5項(xiàng)而言，最大值為第 4）項(xiàng)，即331.0 m3/h。本船實(shí)際配置了3臺(tái)排量為380 m3/h的艙底泵，可滿足最大要求。同時(shí)，為考慮船舶在縱傾和橫傾狀態(tài)下均可有效排水，在每個(gè)貨艙都設(shè)有前后左右4個(gè)污水井，并通過(guò)支管與布置在雙層底管弄里的艙底水總管相連接。

5 結(jié)論

有限航區(qū)敞口集裝箱船通過(guò)上浪試驗(yàn)的方法來(lái)核定干舷，雖然海事局的法規(guī)內(nèi)對(duì)此已有相關(guān)規(guī)定，但對(duì)實(shí)船項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)尚屬首次。試驗(yàn)前期，與中國(guó)船級(jí)社上海規(guī)范所以及上海船舶運(yùn)輸研究所水池的專(zhuān)家們一同對(duì)試驗(yàn)程序和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了充分的論證，并通過(guò)試驗(yàn)獲取了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。對(duì)今后設(shè)計(jì)相關(guān)船型具有一定的參考價(jià)值。