13 000 DWT多用途重吊船總布置與穩(wěn)性研究

趙耀中，顧劍剛，何新宇

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 引言

近年來，全球經(jīng)濟回暖和我國“一帶一路”倡議的實施，有效帶動了海洋工程、化工、港口基建等行業(yè)成套設(shè)備的運輸需求[1]。常規(guī)貨船因起吊能力不足、裝載空間受限，難以滿足日益超重、超大件的特種貨物運輸需求。同時，市場呼喚具備超長、超寬和超高載貨空間，并配備重型吊機的新型綠色環(huán)保多用途重吊船的出現(xiàn)。

在此新形勢下，上海船舶研究設(shè)計院成功為中國船舶（香港）航運租賃有限公司開發(fā)設(shè)計了適應(yīng)新規(guī)范和營運需求的全新一代綠色環(huán)保多用途重吊船，13 000 DWT多用途重吊船。該船分別由滬東中華造船（集團）有限公司和中船黃埔文沖船舶有限公司承建，共計9艘，建成后將交由全球著名多用途船營運公司Zeamarine公司運作。首制船已于2018年1月順利交付，載重量、航速等主要指標全部滿足合同要求。

1 船型概況

13 000 DWT多用途重吊船是一型單機單槳、400 mm缸徑低速柴油機驅(qū)動的多用途重吊船，適合全球航行。根據(jù)船東意向，也可選用雙燃料主機。該船攬貨能力極強，既適合裝運礦石、煤、鹽、水泥和谷物等普通干散貨，又能搭載鋼材制品、森林產(chǎn)品、集裝箱等，尤其適合裝載超重、超大件貨物。此外，還能載運散裝或包裝形式的危險品。

該船的主要技術(shù)參數(shù)如下。

1）總長：149.99 m；

2）型寬：25.6 m；

3）型深：13.5 m；

4）設(shè)計吃水：6.8 m；

5）結(jié)構(gòu)吃水：8.3 m；

6）敞口吃水：6.6 m；

7）載重量（結(jié)構(gòu)吃水）：約14 200 t；

8）主機：MAN B&W 7S40ME-B9.5 1臺；

9）功率：SMCR 5 750 kW×111 r/min；

10）服務(wù)航速：約15.3 kn。

該船入德國勞氏船級社，船級符號為：

2 總布置研究

該船為一艘典型的多用途重吊船，如圖1所示。為獲得艙蓋上載貨平臺面積的最大化和更好的視線以裝載超長、超大件貨物，把上層建筑布置于船首，其下方主船體線型瘦削則用于布置油艙、水艙和相關(guān)輔助設(shè)備，以充分利用空間。一大一小2個箱形貨艙貫穿整個船中、船尾區(qū)域，機艙布置在船尾、貨艙下方。貨艙區(qū)采用大開口雙底雙殼的箱形結(jié)構(gòu)，舷側(cè)設(shè)有二甲板，二甲板以上設(shè)儲藏艙、空艙等，右舷兼作工作通道；二甲板以下的區(qū)域用水密艙壁分隔成若干壓載水艙（其中4對兼作防橫傾艙）和1對燃油儲存艙。左舷配置2臺吊機，單吊起重能力達450 t，最大可聯(lián)吊900 t。為盡可能地提升該船的適貨性和靈活性，主要從以下幾方面展開研究。

圖1 總布置圖

2.1 貨艙適貨性研究

為提升該船的攬貨能力，尤其是增強超長、超大件貨物的裝載能力，設(shè)計時突破常規(guī)，對貨艙適貨性進行全方位研究。

長度方向上，減少貨艙數(shù)量、增加貨艙長度。根據(jù)線型特點，在貨艙段前端線型瘦削處特別設(shè)置一個較短的貨艙，在保證第二貨艙前端方正的條件下盡量縮短其長度。船尾方向，機艙盡可能布置緊湊以壓縮長度，在機艙前端線型收縮處巧妙地布置燃油艙用于過渡，并兼做機艙前端壁與貨艙的隔離艙，這樣可使貨艙在盡量保持方正的情況下靠后布置以增加其長度。為提供較好的螺旋槳來流，艉部線型收縮較多，在滿足IMO決議MSC.277(85)對貨艙內(nèi)殼距舷側(cè)1 m的要求、船廠施工方便且不影響集裝箱布置的前提下，第二貨艙后下方采用了較短的傾斜形側(cè)壁設(shè)計，盡量保持貨艙底部平整。通過前、后2個方向上的努力，把船中的黃金位置全部用于布置箱形貨艙，艙底長度達到76.5 m。此外，在滿足主、輔機吊缸高度和鍋爐等設(shè)備布置的條件下，優(yōu)化布置，盡可能地壓縮機艙高度。把機艙上方寶貴的箱形空間全部納入第二貨艙，使得二甲板高度上的第二貨艙長約105.5 m，見圖1c)。擁有如此長度的箱形貨艙，可輕松實現(xiàn)超長設(shè)備的裝載。

寬度方向上，增加貨艙寬度、保持艙壁平整。初始方案的貨艙寬度按19.2 m進行設(shè)計，為更大程度地提升超大件的攬貨能力，通過攻克破艙穩(wěn)性難題、精確計算必要的防橫傾水艙容積、優(yōu)化舷側(cè)布置，進一步挖掘潛力，貨艙拓寬到20 m，這在相同尺度的重吊船上很少見。所有吊離式二甲板的支撐均可在不用時收藏在縱艙壁上的水密盒內(nèi)，綁扎眼環(huán)等均做成埋入式，確保艙壁平整、裝卸貨順暢。

高度方向上，具備敞口航行功能可突破貨艙高度限制。該船在蓋上艙蓋時，貨艙深度超過14.3 m，已能夠滿足大部分貨物的運輸要求，但考慮到某些航次需要搭載超高貨物（如化工項目的整裝設(shè)備），就會出現(xiàn)放置在艙內(nèi)高度不夠、擱放在艙蓋上又會提高重心導(dǎo)致穩(wěn)性降低，這時艙蓋就限制了超高貨物的裝載。通過設(shè)置專用的敞口吃水，配備必要的貨艙艙底排水系統(tǒng)、排水舷口等裝置，并確保必要的穩(wěn)性和強度等，從而使得該船具備敞口航行的能力。由此，有了“大肚量”便非常適合超高貨物的運輸。

2.2 超大載貨平臺設(shè)計研究

該船前后貨艙開口尺寸達114.45 m×20 m，貨艙蓋面積達到約2 400 m2。為更好地適應(yīng)超長、超大件貨物的搭載，需對載貨平臺的設(shè)計進行研究。首先，為進一步擴大載貨平臺面積，在兩舷和艉部系泊區(qū)上方設(shè)置結(jié)構(gòu)平臺，其高度與貨艙蓋上表面平齊；其次，為確保平臺上除吊機和煙囪外無其他突出物，干舷甲板由初始方案的上甲板改為下一層的二甲板，這樣機艙的持續(xù)通風(fēng)筒便可布置在平臺下方，其高度既能滿足載重線公約的要求，又不必因突出于平臺上方而破壞其完整性；最后，為盡量減少船體結(jié)構(gòu)對載貨區(qū)域的影響，將2臺重吊布置在左舷，將煙囪布置在同側(cè)并盡量緊靠后側(cè)吊機，以減少對吊機操作的干擾。通過采取上述措施，整個載貨平臺區(qū)域除左舷的吊機與煙囪外無其他突出物，形成一個非常規(guī)整的空間，面積近3 100 m2，見圖1b)。吊機之間載貨平臺的許可均布載荷為8 t/m2，兩側(cè)為5 t/m2，滿足甲板貨裝載要求。

2.3 吊離式二甲板和貨艙蓋設(shè)計研究

為提高艙容利用率，2個貨艙均設(shè)置了一層吊離式二甲板，第一貨艙尺寸較小只設(shè)1個固定位置，第二貨艙則有2個固定位置，具體安放高度可根據(jù)貨物尺寸靈活調(diào)整。其中，第二貨艙內(nèi)吊離式二甲板較高的安放位置與機艙頂部平臺平齊，這種情況下可形成一個長約105.5 m的超大箱形載貨空間。通過二甲板的使用，全船載貨面積近7 000 m2。此外，吊離式二甲板還可豎起來兼做橫艙壁，把第二貨艙分割成前后幾部分以提高貨物分票的靈活性。

該船貨艙蓋采用液壓和吊離相結(jié)合的形式。為提升集裝箱的裝卸效率，貨艙內(nèi)、外的集裝箱箱位上下對齊，吊離式二甲板和貨艙蓋的尺寸均根據(jù)箱位而定，使每一個40 ft（1 ft=0.304 8 m）標箱箱位剛好布置在上下對齊的2塊艙蓋上，這樣在裝卸集裝箱時，不必吊離相鄰艙蓋，從而大大提高裝卸的靈活性。

吊離式二甲板和貨艙蓋的數(shù)量眾多。為不妨礙貨物裝載，在不使用時，吊離式二甲板可根據(jù)需要選擇緊靠貨艙前、后端壁或艙蓋上等多個方案進行存放，布置靈活又節(jié)省空間。在敞口航行狀態(tài)下，吊離式貨艙蓋將收藏在貨艙前、后兩端的載貨平臺上并用鏈條拉緊確保其穩(wěn)固。

3 穩(wěn)性研究

3.1 破艙穩(wěn)性研究

該船第二貨艙特別長，占船長的70.3%，而寬度更是占船寬的78%，一旦發(fā)生破損，進水量非常大，在最深和部分分艙吃水條件下，對達到的分艙指數(shù)A值貢獻較小。而超長貨艙的設(shè)計又不得不把貨艙通風(fēng)管道、通道等布置在兩舷，進一步削減邊艙所帶來的貢獻。上述布置特點給破艙穩(wěn)性計算帶來了巨大的挑戰(zhàn)。作為非常重要的指標，貨艙寬度一開始就被要求最大化以適應(yīng)大件的裝載，而將二甲板上方空艙設(shè)為工作通道則有高度要求，其下方的防橫傾水艙又有容積要求，二甲板高度、邊艙分艙等優(yōu)化的空間非常有限，試圖通過調(diào)整分艙來提高分艙指數(shù)的方案并不適用[2]。破艙穩(wěn)性計算必須以總布置的功能性要求為前提。

事實上，在滿足破艙穩(wěn)性的前提下，確定合理的破艙極限初穩(wěn)性高將有助于提高船舶的裝載靈活性[3]。原則上，極限初穩(wěn)性高越小，裝載貨物越靈活，市場競爭力越強。為進一步優(yōu)化極限初穩(wěn)性高，采取了以下措施。

1）舷側(cè)空艙用水密艙壁/門分隔，減少舷側(cè)破損的進水量。

2）適當細化分區(qū)、盡量計及邊艙對分艙指數(shù)的貢獻。

3）嚴格控制所有風(fēng)雨密開口的高度，盡量靠中布置，關(guān)鍵小艙蓋和門設(shè)為水密。

如第 2）點，初始計算在機艙段貨艙邊艙處并未劃分縱向分隔，機艙與貨艙會被假定一同破損，左舷算得A值為0.595 16。通過分析，注意到該破損情況的進水量非常大，從而導(dǎo)致生存概率大幅降低；若在貨艙邊艙處增加分隔，A值便達到0.629 33，增效明顯。

通過以上措施，破艙極限初穩(wěn)性高控制在合理范圍內(nèi)，而得到的分艙指數(shù)相比要求值具有適當?shù)挠嗔?，確保達到設(shè)置超大貨艙的目的。

3.2 重貨吊裝與失落穩(wěn)性研究

為增強該船應(yīng)對超重貨物的起吊能力和靈活性，左舷2臺重型吊機配合25.6 m長的吊梁可聯(lián)吊900 t，最大可伸出舷外約9.5 m。船中4對邊壓載水艙可兼做防橫傾水艙，配備自動防橫傾系統(tǒng)以確保吊機作業(yè)時必要的浮態(tài)，專用防橫傾泵容量達800 m3/h。通過對關(guān)鍵工況的核算，在長度方向上優(yōu)化了邊艙分艙，確保防橫傾水艙容積在計及高、低報警水位限制后能提供足夠的平衡力矩以控制作業(yè)過程中船舶的橫傾角始終處于左、右2°范圍內(nèi)。

對重吊船而言，一旦出現(xiàn)重貨失落的意外情況，在防橫傾水艙產(chǎn)生的平衡力矩與突然增加的初穩(wěn)性高的雙重作用下，會產(chǎn)生劇烈橫搖，甚至?xí)?dǎo)致船舶傾覆，因此須在設(shè)計前期解決船舶的重貨失落穩(wěn)性問題[4-5]。在無法加大邊壓載艙寬度的情況下，對雙層底分艙進行了對比研究，盡量挖掘潛力[6]。常規(guī)干貨船雙層底分艙有如圖2a)、b)、c)所示的3種方案?？紤]到必要的防橫傾壓載水總量與平衡船舶初始橫傾的其他壓載水總量無必然關(guān)系，采用相同的防橫傾水調(diào)撥方案，基于船級社規(guī)范所提供的衡準對上述幾種分艙方案進行穩(wěn)性分析，結(jié)果見表1[7]。研究結(jié)果表明，隨著管弄位置左移，平衡初始橫傾的最大化的壓載水總量遞增，有利于降低船舶重心以提高初穩(wěn)性高（GM）。盡管對破艙穩(wěn)性的分艙指數(shù)有小幅不利影響，但重貨失落衡準數(shù)增加明顯，方案3比方案1增加22.5%，比衡準要求值1.15高出74%。

圖2 雙層底分艙方案

表1 分艙方案的穩(wěn)性對比

基于上述結(jié)論，該船設(shè)計了全新的雙層底分艙方案以進一步提升船舶的安全性，見圖2 d。通過增設(shè)中間底壓載水艙，盡量增加底部壓載水量以降低船舶重心，使得重貨失落衡準數(shù)為幾種方案中最優(yōu)的，增加了穩(wěn)性裕度，為前期決策不另設(shè)平衡浮箱提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

3.3 敞口航行穩(wěn)性研究

該船為國內(nèi)第一艘完全自主設(shè)計、建造的具備敞口航行功能的多用途重吊船，船級社授予“HATCHCOVERLESS”船級符號。設(shè)計主要依據(jù)于IMO通函MSC/Circ.608“敞口集裝箱船臨時導(dǎo)則”的要求，并結(jié)合船級社對多用途船的特殊規(guī)定。

根據(jù)要求，敞口狀態(tài)的最小干舷應(yīng)由船舶的耐波性特性和敞口航行穩(wěn)性（包含完整穩(wěn)性、貨艙進水完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性）確定。由于需要通過耐波性試驗來確認干舷是否足夠，若事先選取的吃水過大或初穩(wěn)性偏低則需增加試驗工況從而導(dǎo)致試驗成本的增加；選取的吃水過小或初穩(wěn)性高偏大則會減少船舶的載貨量，所以應(yīng)事先通過穩(wěn)性計算和分析提供合理的初步吃水和初穩(wěn)性高。由于第二貨艙既長又寬，在敞口狀態(tài)下航行，一旦發(fā)生貨艙大量進水且艙底排水系統(tǒng)失效，將導(dǎo)致儲備浮力大幅減少并產(chǎn)生巨大的自由液面，嚴重影響船舶的航行安全，這種情況會使得貨艙進水完整穩(wěn)性最為緊張（要求最大復(fù)原力臂GZmax不得小于0.12 m）。因此，在滿足敞口航行穩(wěn)性的前提下盡量增加載貨量，必須在吃水、排水舷口位置（如安裝時）和初穩(wěn)性高之間尋求平衡。

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)（見表2方案1），在校核貨艙進水完整穩(wěn)性時，倘若不設(shè)置排水舷口，即便選取較小的吃水和較大的初穩(wěn)性高，該船也會因整個貨艙灌滿水而導(dǎo)致穩(wěn)性急劇惡化，船體將出現(xiàn)很大的橫傾角甚至傾覆，不能滿足衡準要求，因此須設(shè)置排水舷口。排水舷口的安裝位置，在考慮船舶構(gòu)造及滿載吃水的基礎(chǔ)上，垂向越低效果越好，前后越靠近貨艙4個角效果越好?？紤]到管閥布置在水艙中不利于日常維護，排水舷口初步布置在二甲板，盡量靠下且靠近貨艙4個角。

表2 不同方案的敞口航行穩(wěn)性對比

經(jīng)過大范圍篩選，鎖定關(guān)鍵吃水范圍為6.5 m～6.8 m，再以0.1 m為步長詳細計算，即表2中方案2～方案 5。根據(jù)船東日后裝載超高貨物的重心高度，假定隨著吃水的增加貨物重心高度不變（僅重量增加），反算出對應(yīng)的初穩(wěn)性高，逐一計算貨艙進水完整穩(wěn)性。方案2～方案4均能滿足衡準要求，但方案4對應(yīng)的GZmax僅為0.127 m，余量較小。遂選取方案3用于敞口耐波性試驗，并由漢堡水池通過最終驗證。關(guān)于試驗的詳細介紹，可參見相關(guān)文章[8]。

3 結(jié)論

根據(jù)超長、超大件貨物的營運需求，優(yōu)化總布置設(shè)計，如在最大程度上優(yōu)化貨艙的長、寬和高參數(shù)，甚至為滿足超高貨物的裝載，國內(nèi)首次實現(xiàn)多用途船的敞口航行功能；優(yōu)化載貨平臺設(shè)計，在貨艙蓋上形成了一個面積超大且非常規(guī)整的載貨空間；優(yōu)化吊離式二甲板和貨艙蓋的設(shè)計，提高貨物裝卸效率。與此同時，采取多項措施，成功解決破艙穩(wěn)性、重貨失落穩(wěn)性、敞口航行穩(wěn)性等難題，確保實現(xiàn)總布置對功能的需求。