江蘇內河集裝箱船標準船型設計分析

于全虎 張 平

（江蘇省船舶設計研究所有限公司 鎮(zhèn)江212003）

引 言

江蘇省位于我國東部沿海的長江和淮河下游長三角地區(qū)，內河航道里程和密度均居全國省級區(qū)域首位，內河航運十分發(fā)達［1］。京杭運河江蘇段連接微山湖、駱馬湖、洪澤湖、高郵湖和太湖等水體，貫穿長江和淮河兩大水系，是江蘇“兩縱四橫”干線航道網(wǎng)最重要的部分。［2］京杭運河江蘇段日通行船舶超過5 000 艘，已開通省內連云港、徐州、淮安、揚州、太倉、南京及上海等航線，其中至外高橋、洋山港支線的定期班輪直接對接“一帶一路”海運市場。［3］江蘇良好的港航基礎設施及經(jīng)濟發(fā)展水平具備發(fā)展內河集裝箱運輸?shù)膬?yōu)越條件，但現(xiàn)有的內河集裝箱運輸船型噸級、尺度等各異性較為突出，船型標準亟待統(tǒng)一。本文通過對物流需求及航道、碼頭實際情況調研，分析總結內河集裝箱船的技術要點，完成了48 TEU、64 TEU 和96 TEU標準集裝箱船設計。

1 京杭運河集裝箱船標準船型主尺度標準

交通運輸部2012 年公布《京杭運河、淮河水系過閘運輸船舶標準船型主尺度系列》（簡稱“2012版主尺度系列”）替代交通部2005 年公布的《京杭運河運輸船舶標準船型主尺度系列》（簡稱“2005版主尺度系列”），對標準船型主尺度系列進行優(yōu)化和完善，其中“京杭運河、沙潁河-淮河干線過閘集裝箱船標準船型主尺度系列”見表1。

2019 年，國家市場監(jiān)督管理總局和中國國家標準化管理委員會提出《內河過閘運輸船舶標準船型主尺度系列-第2 部分：京杭運河、淮河水系》（GB38030.2-2019）（簡稱“2019 版主尺度系列”），其中“京杭運河、沙潁河-淮河干線過閘集裝箱船標準船型主尺度系列”見表2。

表1 京杭運河、沙潁河-淮河干線過閘集裝箱船標準船型主尺度系列

表2 京杭運河、沙潁河-淮河干線過閘集裝箱船標準船型主尺度系列

2 京杭運河江蘇段集裝箱運輸基礎設施狀況

“2012 版主尺度系列”是充分考慮通航技術條件、航道差異性和干支流的互通性等因素，遵循船型與船閘及等級航道等通航基礎設施相匹配，簡化尺度系列檔次并兼顧船型優(yōu)選及實用性，與相關國家標準、交通運輸行業(yè)標準和政策相協(xié)調，經(jīng)多方案技術經(jīng)濟優(yōu)化論證形成，但隨著近年航道與碼頭設施建設發(fā)展，已難以很好適應江蘇內河航運發(fā)展需求。

（1）江蘇省在“十五”至“十二五”期間連續(xù)投入巨資進行內河航道建設與整治，航道基礎條件得到很大提升，京杭運河蘇北段達到二級航道標準，常年維護通航水深4 m、航道底寬60 m、航道最小彎曲半徑大于450 m；蘇南段達到三級航道標準，常年維護通航水深3.2 m、航道底寬45 m、航道最小彎曲半徑大于380 m。京杭運河蘇北段主要通航船閘11 座，閘寬23 m、長230 m、最小門檻水深5 m；蘇南段主要通航船閘1 座，閘寬23 m、長230 m、最小門檻水深4 m。［4］

（2）江蘇省內河沿岸碼頭設施經(jīng)過多年建設也得到很大提升，京杭運河蘇北段原有碼頭集裝箱裝卸橋吊的吊臂長度最多只能吊裝4 列集裝箱，現(xiàn)在部分已能吊裝5 列甚至6 列集裝箱，碼頭建設規(guī)模也快速提升，為集裝箱船標準船型主尺度加大提供了硬件條件。

“2012 版主尺度系列”限制最大船舶總長68 m、船舶總寬13.8 m、最大設計吃水3.0 m，不能充分利用當前航道通航能力和碼頭裝卸能力，京杭運河集裝箱標準船型主尺度系列存在優(yōu)化空間。交通運輸部2017 年在“交通運輸部關于修訂《京杭運河通航管理辦法（試行）》的通知”（簡稱“通航辦法2017”）中將2006 年印發(fā)的《京杭運河通航管理辦法（試行）》（簡稱“通航辦法2006”）第五條進行修訂，對“在京杭運河航行的集裝箱船、滾裝貨船和江海直達特定航線船舶”的主尺度限制進行調整（見表3），與“2019 版主尺度系列”相協(xié)調。

表3 《京杭運河通航管理辦法（試行）》對集裝箱船主尺度限制的調整m

3 京杭運河江蘇段集裝箱船應用現(xiàn)狀

3.1 船型概述

京杭運河江蘇段航道水深普遍較淺，且受季節(jié)性因素影響較大；風浪較小，船舶航行性能受風浪影響小；跨河橋梁和建筑物較多，船舶水線以上高度需要控制。集裝箱船普遍采用淺吃水肥大型敞口船，艏部線型豐滿，進流段較短；類駁船型艉；低干舷；較大型船一般雙機雙槳推進，低速操縱性能較好；主甲板上艙室布置采用首駕駛室及尾部上層建筑一層或一層局部升高的布置方式。

3.2 船型主要特點

（1）出于控制船舶總長和加大貨艙長度的需要，將船首和船尾部長度縮短，從而導致機艙、船員艙等艙室和錨泊設備布置空間不足，船員艙室面積過小、床鋪不足且舒適性差。

（2）航行船舶密度大，對船舶操縱性要求高，一般選擇雙機雙槳推進方式。

（3）對于中小型船舶，船舶總推進功率盡可能控制在500 kW 以下以降低輪機部配員要求；船舶總噸盡可能控制在1 000 以內以降低甲板部門的配員要求。

（4）船舶航行淺水阻力效應明顯，加之考慮運輸距離較短及待閘時間，設計航速集中在12～15 km/h。

（5）部分主尺度較大的船舶在機艙以上部位也布置2 只集裝箱，在集裝箱周邊的空位布置船員艙室。這種布置方式存在明顯弊端：機艙上方的甲板面積并不寬裕，布置2 只集裝箱再加上留空面積后還需布置廚房、餐廳、衛(wèi)生間和船員室，空間局促且只能壓縮艙室空間和犧牲乘員舒適性，同時船舶滿箱裝載狀態(tài)下貨物重心后移影響船舶浮態(tài)調節(jié)。

3.3 集裝箱物流發(fā)展概況

京杭運河江蘇段蘇北港口至長江沿線港口集裝箱運輸船以54～96 TEU 船型為主，貨物主要為糧食、元明粉、鹽、陶瓷、玻璃、板材等；蘇南港口至上海外高橋港區(qū)集裝箱運輸船以16～45 TEU船型為主，貨物主要為紡織原料、食品原料和建材。裝載黃沙等建材時，20 TEU 箱子的總重可達27～28 t。

2018 年6 月投入營運的“漢唐上?！碧?24 TEU 集裝箱船的營運航線從蘇高新港開始，經(jīng)由京杭運河、蕪申運河、黃浦江、長江口，最后通過海區(qū)到達洋山深水港，實現(xiàn)了河-江-海高效聯(lián)運新模式。2019 年6 月國務院發(fā)布的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》提出規(guī)劃建設南通通州灣長江集裝箱運輸新出?？?。預計至2035 年，通州灣港區(qū)集裝箱吞吐能力有望超1 500 萬TEU，江海直達集裝箱船型迎來了新的發(fā)展機遇。

4 江蘇內河集裝箱船標準船型設計要點

4.1 船舶主尺度

船舶主尺度首先要符合航道尺度的限制，航道的水深、寬度和彎曲半徑分別限制船舶吃水、船寬及船長。通常船舶總長可取為航道彎曲半徑的1/4～1/3，船舶與航道上限制船寬的船閘兩邊間隙至少為5%～10%船舶總寬，船舶最大吃水需在航道水深基礎上預留0.2 m 以上的富裕水深。參照《內河通航標準》（GB50139-2014）對船舶的最大寬度、最大長度和吃水限制，作為干線航道網(wǎng)內航行的集裝箱專用船，應該以三級、二級航道對應的航道條件、船閘尺度和橋梁高度等限制條件，并結合船舶總體布置、操縱性、船舶造價、船舶阻力、貨艙長度要求、穩(wěn)性及適航性等方面綜合考慮。船舶水線以上高度則以京杭運河江蘇段全線通航凈高7 m 為限。

4.2 艙室布置

內河船舶設計中，通常將船員居住環(huán)境置于從屬地位，但如何在有限的船舶空間條件下改善艙室環(huán)境，理應引起足夠的重視。良好的居住和工作艙室環(huán)境應具備舒適型、私密性、人性化布置以及較完善的生活設施等，艙室外也應有一定的活動空間。

4.3 船體結構

4.3.1 基本結構

內河集裝箱船屬大艙口船，貨艙區(qū)的結構按照《鋼質內河船舶建造規(guī)范》（2016）（簡稱船舶規(guī)范）要求可以設計成“雙底雙舷”、“雙底單舷頂部設抗扭箱”、“單底單舷”、“單底雙舷”等多種結構形式，綜合目前實船應用和船舶規(guī)范要求，船舶基本結構形式推薦設計成：貨艙區(qū)雙底、雙舷結構；甲板、舷側（含內舷）、船底（含內底）采用縱骨架結構；船首、船尾結構采用橫骨架結構，以保證船舶的總縱強度和扭轉強度。

4.3.2 重點部位結構加強

甲板部位在艙口角隅處、開口兩側甲板邊走道的艙口蓋和人孔蓋開口處因結構突變易產生應力集中現(xiàn)象；艙內在箱底角部位因集中載荷會導致局部結構過載；在螺旋槳上方的船底板、主機尾軸穿過船體的地方、錨鏈筒出口處的外板因振動和沖擊載荷會產生結構疲勞現(xiàn)象等，需根據(jù)各局部結構的強度要求針對性加強。

4.3.3 結構優(yōu)化

結構設計中各板材和構件的厚度及尺寸可在滿足船舶規(guī)范要求的前提下保留合適的安全裕度。通過有限元軟件對全船特別是貨艙部位的結構進行優(yōu)化設計，降低船舶建造鋼材用量和制造成本，利于市場推廣。

4.4 船舶線型

一般內河機動貨船常采用尖頭方尾線型，為提高裝載量，方形系數(shù)要達到0.85 以上。為保證尾部螺旋槳供水，尾部去流角盡可能控制在15°或以下，防止出現(xiàn)水流分離現(xiàn)象；同時采用拖泥裝置保護舵、槳系統(tǒng)，以加大槳徑來提高推進效率。

對于國內外內河船型常見的尖型艏、勺型艏、非對稱雙尾鰭船型、導流鰭支架尾船型以及魚尾舵等，通過船模試驗和CFD 優(yōu)化研究［5-6］表明：

（1）船舶首部輪廓對阻力性能的影響較小，尖型艏阻力略低于勺型艏且相差不大。尖型艏設計的重點在艏部進流角與水線曲率變化合理配合；勺型艏設計重點在艏部縱剖線與水線合理配合。

（2）雙尾鰭船型阻力比導流鰭支架尾船型減少7%～9%，因而阻力推進和快速性能更優(yōu)。雙尾鰭船型回轉直徑小于后者，航向穩(wěn)定性和操縱性更好。雙尾鰭船型與魚尾舵組合具有優(yōu)良的操縱性。

（3）歐洲內河船舶常用的導流鰭支架尾船型一般配套導管槳，對于螺旋槳負荷不大的情況應用常規(guī)螺旋槳可降低船舶阻力11%～14%。

（4）內河集裝箱船屬低速肥大船型，興波阻力占總阻力比例較低，設置球鼻艏起到的消波作用微弱。采用直首可降低船首壓阻力，在船長固定前提下有利于增加船舶水線長而減小艏部波浪反射。

4.5 船舶推進與航速

一般單槳船的推進效率高于雙槳船，但采用雙機雙槳可使船舶推進總功率得到分解輸出，相應減小螺旋槳的最佳設計直徑，對淺吃水船舶限制槳徑更有利。內河航道彎曲狹窄、船舶密度大，相互交匯和超越較為普遍，要求船舶有良好的操縱性和控制能力。通常裝載能力45 TEU 集裝箱以上船舶的尺度與航道尺度相比已屬于大型船舶，需要更好的操縱性。船舶兩個推進軸間距越大，產生的轉船力矩越大，船舶的操縱性也就越好。不過間距過大則槳葉葉梢接近舷外，容易受損，槳葉空載時露出水線的尺寸更大而效率降低更多。內河集裝箱船的船寬相對船長數(shù)值較大，船舶方形系數(shù)很大且船尾橫剖型線平直，加大軸間距可獲得舷側來流的補充而提高螺旋槳效率，軸間距為船寬的40%～45%較為合適。雙槳外旋設計可減少水體漂浮物進入螺旋槳和船體間隙；而且當兩槳轉向相反時，會分別在船兩側產生始終與槳推力產生的轉船力矩同向的附加力矩，提高了船舶的操控性。內河船舶為提高裝載量會充分利用航道水深，內河航道的河床情況復雜，特別是在枯水季，極易造成船體擦底及舵、槳損壞。因此，設置足夠剛度和強度的舵托在船體擦底前接觸河床，可有效保護舵、槳免受河床的沖擊損壞，螺旋槳的槳徑可以相對更大，效率更高。

通常航道水深在小于船舶吃水4 倍時，就可能出現(xiàn)淺水效應，小于2 倍時會產生明顯影響。京杭運河水深相對通航船舶吃水已屬于明顯的淺水航道，水深傅氏數(shù)（）＜1.0 時為亞臨界速度區(qū)［7］，船舶航速較低時興波阻力與深水時基本相同；航速較高時興波阻力增加較明顯。船舶在淺水緩流航道的極限航速對應的水深傅氏數(shù)可取為0.7～0.75［8］，則各種臨界航速計算如下頁表4 所示。內河集裝箱船一般運輸大宗低價值貨物為主，對速度要求并不高，加之運河通航船舶密度較高且受待閘時間影響，限制船舶的經(jīng)濟航速在13～15 km/h范圍。

4.6 集裝箱系固

集裝箱船由于風浪的影響和慣性作用產生具有加速度的隨機搖蕩運動，船上的集裝箱受到同樣的加速度作用產生慣性力，慣性力的大小與船舶的運動參數(shù)及集裝箱重量有關。船舶規(guī)范對集裝箱單箱所受的橫向和垂向水平分力，以及各層集裝箱端壁上的橫向扭變力、集裝箱箱角壓力等均有具體計算要求，可根據(jù)受力情況采用角鎖緊、綁扎裝置或二者的組合進行有效系固綁扎，以保證集裝箱不會出現(xiàn)橫向滑移甚至掉落。初始設計集裝箱船系固系統(tǒng)需要預估最危險配載工況下可能出現(xiàn)的最大初穩(wěn)心高度，使綁扎方式滿足一定初穩(wěn)心高度的適用范圍，為最終設計的初穩(wěn)心高度變化預留調整空間。［9］

表4 京杭運河通航集裝箱船臨界航速km/h

堆垛高度不超過艙口圍板時，集裝箱層間采用堆錐垂向連接以約束集裝箱的橫向和縱向滑移。艙口圍板與緊鄰的集裝箱角柱間安放木楔，頂層集裝箱用橋鎖橫向連接，與艙壁一起約束堆垛的整體橫向位移和翻倒，艙口圍板、艙壁和集裝箱自重可約束垂向脫位；堆垛高度超出艙口圍板時，艙口高度以下的集裝箱層間用堆錐垂向連接。艙口以上的集裝箱層間外側用扭鎖垂向連接，內側用堆錐垂向連接以約束外側集裝箱垂向脫位。艙口圍板與相鄰集裝箱角柱間安放木楔，頂層集裝箱用橋鎖橫向連接，若無法安裝橋鎖可采用柔性綁索整剁橫向綁扎，約束堆垛整體及堆垛內列間橫向位移和扭變。［10］

4.7 船舶振動

內河淺吃水的限制使內河船螺旋槳葉梢與船外殼的間距較小，螺旋槳激發(fā)的脈動壓力較大且易引起船尾部振動。淺水效應和船舶輕載時常出現(xiàn)螺旋槳出水導致的空泡現(xiàn)象，會使槳產生更大的激振力。內河船螺旋槳出于成本考慮，常存在加工精度不高、重心偏差和葉面粗糙等現(xiàn)象，從而產生不平衡力矩。雙槳推進方式作用在船尾部的表面力非常大，也易引起船尾振動。［11］適當加強船尾部結構強度和剛度，并增強設備集中安裝處及其鄰近結構的強度，增大螺旋槳葉梢間隙，合理選擇螺旋槳葉數(shù)和轉速，注意控制螺旋槳和軸系加工及安裝工藝精度等舉措，都能有效控制船舶振動。

4.8 裝載與船舶航態(tài)

船舶航態(tài)對阻力、快速性和能耗具有較大影響，可通過數(shù)值模擬方法繪制集裝箱船在系列載況和常用航速下不同縱傾角對應的船舶阻力曲線，計算分析出船舶阻力最小時的縱傾。裝載時通過一定的配重策略或壓載水調節(jié)使船舶浮態(tài)接近最佳縱傾角，以降低船舶航行阻力，實現(xiàn)節(jié)能減排。［12］

4.9 新能源動力應用

目前江蘇約有92 艘運營的LNG 動力船舶，占全國營運LNG 動力船舶總數(shù)的1/3。自2019 年6月起，LNG 動力船舶可以向長江三峽通航管理局申請過閘，內河船舶應用LNG 步伐進一步加快。此外，船用儲能裝置如動力鋰電池等新能源技術也已在內河貨運船舶上逐步試驗應用。2016 年大連玉柴能源有限公司開發(fā)建造的“運河之星2000e-魯濟寧貨6937”集散兩用船交付，滿足中國船級社“綠色動力船-II”；2017 年交付的500 噸級電力推進貨船“浙湖州貨1625”由鋰電池+超級電容動力模組供能，同時設置風力和太陽能發(fā)電設備提供船上生活輔助用電。預計新能源內河集裝箱船的發(fā)展將是大勢所趨。

5 江蘇內河集裝箱船標準船型設計實例

48 TEU、64 TEU 和96 TEU 三型集裝箱船標準船型的設計是根據(jù)江蘇內河港航設施和物流運輸?shù)陌l(fā)展情況，結合《京杭大運河標準集裝箱船主尺度系列研究》成果轉化要求，重點在船舶主尺度符合大型化、標準化的發(fā)展趨勢，降低造價和建造技術難度，利于市場推廣運用。江蘇內河集裝箱船標準船型主要參數(shù)見表5。該類雙機雙槳推進的尾機型敞口集裝箱船為淺吃水肥大船型，尖頭方尾、艏部線型豐滿，并采取首駕駛、單底、單舷、單甲板（貨艙區(qū)為雙底、雙舷）以及NACA 型舵。96 TEU 集裝箱船總布置圖如圖1 所示。

表5 江蘇內河集裝箱船標準船型主要參數(shù)

圖1 96 TEU標準集裝箱船總布置圖

6 結 語

《江蘇省內河集裝箱發(fā)展行動計劃（2018～2020年）》提出，江蘇省將著力實施集裝箱船型標準化提升等六大工程。48 TEU 型、64 TEU 型和96 TEU型集裝箱船的標準船型分別應用于京杭運河江蘇段的蘇南和蘇北航線，以完善標準船型的主尺度和適應水運市場需求為主要目標，采用較傳統(tǒng)的基礎運輸船型設計思路。隨著江-海直達與河-江-海直達集裝箱運輸航線迅速發(fā)展以及運輸船舶的大型化，采用小球艏、雙尾鰭線型降低船舶阻力提高推進性能；魚尾舵和首側推改善船舶操縱性；LNG、動力電池等清潔能源及電力推進方式降低排放和噪聲；基于船聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測船舶的經(jīng)濟性等技術，研發(fā)滿足相關主尺度系列要求和EEDI 的綠色節(jié)能型集裝箱船將是很重要的發(fā)展方向。