雙載重線在2 300 TEU支線型集裝箱船的應(yīng)用

左文安

（中集船舶海洋工程設(shè)計研究院有限公司 上海201203）

引 言

支線型集裝箱船主要和于中小港口間的集裝箱貨物直接貿(mào)易運輸及主干航線港口與中小港口的集裝箱中轉(zhuǎn)貿(mào)易運輸，運營區(qū)域涵蓋全球各類航線[1]。隨著航運市場競爭的越發(fā)激烈，船東對支線型集裝箱船的要求越來越苛刻，各船舶設(shè)計研究院、船廠等科研院所投入大量人力物力，以期獲得優(yōu)秀的性能指標(biāo)贏得市場青睞[2]。

2 300 TEU集裝箱船采和單機(jī)單槳、低速柴油機(jī)推進(jìn)，航行于無限航區(qū)。采和垂直球艏、方艉，配有五葉定距槳、舵球裝置及高效扭曲舵，首部布置首側(cè)推。從船首至船尾依次設(shè)有7道主橫艙壁，將整船分為首尖艙區(qū)、首側(cè)推及應(yīng)急消防泵區(qū)、貨艙區(qū)（4個貨艙）、機(jī)艙區(qū)、尾尖艙和舵機(jī)艙。本船布置有3部吊機(jī)，首部和中部吊機(jī)分別位于首尾兩貨艙間，尾部吊機(jī)位于上建后端壁上方。壓載水艙位于雙層底及船側(cè)兩舷。本船名義總箱位數(shù)為2 362 TEU，且設(shè)有400個冷藏箱插座。2組燃油艙分別布置于首部和中部吊機(jī)正下方貨艙隔艙內(nèi)。首部吊機(jī)正下方布置有低硫油艙，同時預(yù)留有SCR裝置，能夠達(dá)到Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，滿足禁排區(qū)硫氮化物排放標(biāo)準(zhǔn)，能在歐盟禁排區(qū)航行。全船總布置見圖1。

圖1 2 300 TEU集裝箱船總布置圖

本船主要尺度和參數(shù)如下：

總 長 171.95 m

垂線間長 168.60 m

型 寬 32.20 m

型 深 16.70 m

設(shè)計吃水 8.50 m

結(jié)構(gòu)吃水I 9.50 m

結(jié)構(gòu)吃水II 10.50 m

主 機(jī) MAN 6S60ME-C10.5 Tier III ready

功 率 SMCR 13 165 kW×94 r/min

服務(wù)航速 18.0 kn

定 員 26人

船級符號 DNVGL+1A， Container Ship， NAUT（NAV）， COAT-PSPC（B）， LCS， RSCS+， DG（P）， BWM（T）， Recyclable， E0， BIS， TMON （oil lubricated）

該船運營方為世界航運巨頭馬士基集團(tuán)，對船舶的性能指標(biāo)要求非常嚴(yán)格。在線型優(yōu)化方面，指定歐洲知名水池以提高阻力性能，降低運營成本；在穩(wěn)性方面，要求機(jī)艙破損后，GM值不小于0；而結(jié)構(gòu)吃水下14 t均箱數(shù)，也作為各設(shè)計院、船廠能否最終中標(biāo)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

原船型結(jié)構(gòu)吃水為9.5 m，馬士基通過對未來貨運行情的預(yù)判，考慮到后期裝載能力的要求，結(jié)構(gòu)吃水增加到10.5 m，船體主尺度及結(jié)構(gòu)形式仍然保持不變，而14 t均箱數(shù)仍然以9.5 m吃水下作為考核指標(biāo)。如果只采和10.5 m一條載重線，由于干舷的減小，同時保證機(jī)艙破損后穩(wěn)性為正值，那么在滿足概率破損的情況下，重載吃水對應(yīng)的GM值會更高，從而插值得到的9.5 m吃水下極限GM值也相應(yīng)提高，極大地影響了本船的14 t均箱指標(biāo)。為提高本船的均箱數(shù)競爭力，采和增加一條載重線的方案，見圖2概率破艙穩(wěn)性極限GM值。船東可據(jù)此根據(jù)裝載箱貨重心的特點選擇合適的載重線，提高經(jīng)濟(jì)效率。

圖 2 概率破艙穩(wěn)性極限GM值

由于馬士基要求航速仍然以9.5 m吃水作為考核，因此主機(jī)選型保持不變。因吃水增加而帶來的操縱性問題，采取在船尾設(shè)導(dǎo)流鰭，并進(jìn)行操縱性試驗，本船操縱性試驗在702研究所進(jìn)行。經(jīng)驗證，本船操縱性滿足IMO相關(guān)要求。由于增加了1 m結(jié)構(gòu)吃水，因此在設(shè)計階段需要對該方案進(jìn)行可行性評估，本文將從載重量、干舷、視線、破艙穩(wěn)性和均箱指標(biāo)等方面進(jìn)行分析。

2 300 TEU集裝箱船水池船模如圖3所示。

圖3 2 300 TEU集裝箱船水池船模

1 載重量

船舶的載重量是表示船舶所具有載重能力的指標(biāo)，是指船舶處于夏季干舷對應(yīng)的滿載吃水時，船舶排水量和空載排水量的差值。由此可見，載重量與載重線是密切相關(guān)的，載重線中夏季干舷值決定了滿載吃水的位置，而滿載吃水的位置則決定了載重量的大小。[3]

船舶排水量為載重量與空船質(zhì)量之和?？沾|(zhì)量不變，對應(yīng)不同吃水下的載重量也不同，且隨著吃水的增加而增加。本船線型由德國漢堡HSVA水池優(yōu)化設(shè)計，靜水力參數(shù)見下頁表1。

表1 靜水力參數(shù)

由表1可知，吃水從9.5 m增加到10.5 m，方形系數(shù)僅增加了0.018，而排水量增加了4 861.9 t。在空船重量不變的情況下，載重量增加顯著，約占9.5 m吃水下排水量的13.5%，使船東經(jīng)濟(jì)效益大大提高。

2 干舷要求

干舷指載重線與干舷甲板之間的距離[4]，保持船體型深不變，增加1 m結(jié)構(gòu)吃水，則相應(yīng)的夏季干舷值變小，需校核干舷的高度是否滿足《國際載重線公約》的要求。儲備浮力即船舶設(shè)計水線至最上層水密甲板的水密部分體積對應(yīng)的排水量，其大小與干舷相關(guān)，干舷越大儲備浮力越大，其大小關(guān)系到船在航行中浮性和安全。

夏季最小干舷：

式中：F0為船舶的干舷表，長度為中間值的船舶，其干舷和線性內(nèi)插法求得；F1為長度在 100 m 以下船舶的干舷修正；F2為方形系數(shù)修正；F3為計算型深修正；F4為對上層建筑和凸形甲板的干舷減除；F5為標(biāo)準(zhǔn)舷弧剖面差異的修正。

表2和表3分別為干舷修正值與干舷值。

表2 干舷修正值 mm

表3 干舷值

由此可知，本船所要求的夏季最小干舷為4 747 mm，原設(shè)計干舷在9.5 m結(jié)構(gòu)吃水時為7 225 mm，而在10.5 m結(jié)構(gòu)吃水時為6 225 mm，均大于要求的最小干舷，滿足規(guī)范要求。

3 視線要求

集裝箱船視線受到上建高度、駕駛臺位置、吊機(jī)布置、艏樓后端擋浪墻等影響。SOLAS第5章22條1.1節(jié)要求：從駕駛位置上所見的海面視域，在所有吃水、縱傾和甲板貨狀態(tài)下，自船首前方至任何一舷10°范圍內(nèi)均不應(yīng)有超過2倍船長或500 m（取其小者）的遮擋。[5]

本船關(guān)于視線的船級符號為：NAUT（NAV）。船級社規(guī)范要求[6]：從駕駛臺、監(jiān)控臺和操舵位置視線正前方看，在駕駛室內(nèi)外不能有任何遮擋。本船船中位置設(shè)有吊機(jī)，操舵位置不滿足視線要求。通過與DNV·GL船級社溝通后，提出以下3種解決方案：

方案1，操控臺向右舷偏置。

方案2，操控臺位于中央的對稱布置，在艏桅上安裝CCTV，需增加2套設(shè)備（CCTV+顯示屏）。

方案3，申請船級社豁免，操控臺可以位于中央對稱布置。

通過與船東溝通后，船東因操作習(xí)慣，不接受駕駛臺偏置方案。而增加CCTV會帶來一定費和的增加，船廠不接受。由于該要求不是SOLAS強(qiáng)制要求，經(jīng)與船級社溝通后，最終申請視線豁免。

由于結(jié)構(gòu)吃水增加1～10.5 m，因此至船首2倍船長與水線交點相應(yīng)提高1 m。從駕駛室到該交點的視線變得更高，相對結(jié)構(gòu)吃水9.5 m下20 ft標(biāo)箱名義箱位增加13個。

4 概率破艙穩(wěn)性

干貨船和客船的破損穩(wěn)性需按照SOLAS相關(guān)要求進(jìn)行評估。通過概率破艙計算得到極限GM曲線，在工況配載時使裝載工況的GM值大于相應(yīng)吃水下的臨界值。

對于Ls超過100 m的船舶，所要求的指數(shù)R公式表示為：

式中：Ls為船長，m。

船舶所能達(dá)到的分艙指數(shù)A公式表示為：

式中：i表示所考慮的每一個艙或艙組；Ls為船舶處于最深分艙載重線時限制垂向浸水范圍的甲板及其以下部分最大投影型長度，即船舶分艙長度，m；pi為所考慮的艙或艙組可能浸水的概率，不考慮任何水平分隔；si為所考慮的艙或艙組浸水后生存概率，包括任何水平分隔的影響。

根據(jù)SOLAS第Ⅱ-1章B-1部分第5-1條4，確定ds、dp和dl吃水及該吃水下的GM值， 進(jìn)行概率破艙穩(wěn)性計算。根據(jù)船舶水密艙室布置進(jìn)行分艙，并給定的初始工況得到的一系列破損工況，通過反復(fù)計算并調(diào)整GM值，使得到的分艙指數(shù)A大于或等于要求的分艙指數(shù)R，同時每一部分指數(shù)不小于0.5R，則認(rèn)為該船的破艙穩(wěn)性滿足要求，從而得到3種吃水情況下的極限GM值。對中間吃水GM值，可通過線性內(nèi)插法求得。

對于雙載重線，船級社要求破艙計算需要單獨計算考慮每一條載重線。本船Ls=171.95 m，船舶所要求的指數(shù)R為0.604 88。從表4可知，船舶所能達(dá)到的分艙指數(shù)A在雙載重線下都滿足要求，破艙穩(wěn)性極限GM曲線如第11頁中圖2所示。

表4 概率破艙計算工況及結(jié)果

5 雙層底破損

SOLAS破艙穩(wěn)性規(guī)則對底部破損、雙層底設(shè)置與首部破損等方面作出規(guī)定。確定性方法規(guī)定了破損區(qū)域的范圍（包括縱向、橫向和垂向3個方向的破損范圍），還規(guī)定了相關(guān)艙室破損浸水后船舶殘存能力的最低要求。

SOLAS第II-1章B-2第9條要求雙層底自防撞艙壁延伸至尾尖艙艙壁。如需設(shè)置雙層底時，其內(nèi)底應(yīng)延伸至船舷兩側(cè)，以保護(hù)船底至舭部彎曲部位。內(nèi)底板在任何部分都不低于與龍骨線平行且自龍骨線量起垂直高度不低于船寬的1/20，同時不得小于760 mm，也不必大于2 000 mm。

本船首部防撞艙壁后底部布置壓載水艙，其高度超過了2 m，屬于異常雙層底。由于螺旋槳槳軸高度及主機(jī)布置的要求，導(dǎo)致機(jī)艙雙層底主機(jī)滑油循環(huán)艙頂部向下凹陷，高度不滿足B/20的要求；貨艙區(qū)域壓載水管系布置在雙層底一下，高度不滿足B/20。對于這些艙室需計算底部破損，同時要考慮管系及艙室的連貫破損。

計算工況以雙載重線下概率破艙工況與雙層底底部破損艙室進(jìn)行組合。經(jīng)計算，艏部及貨艙區(qū)域的底部破損均能滿足相關(guān)衡準(zhǔn)，而機(jī)艙區(qū)由于容積較大，破損后會導(dǎo)致較大的艉傾，破損較難滿足。通過設(shè)置機(jī)艙與舵機(jī)艙水密門，同時在機(jī)艙兩側(cè)布置隔離空艙以減少機(jī)艙容積。經(jīng)調(diào)整布置，在不需要改變概率破艙GM值的情況下，雙層底破艙滿足要求。

6 機(jī)艙破損

本船船東對船舶運營過程中的破艙穩(wěn)性有特殊要求：在機(jī)艙破損后，船舶在破損過程中及最后的浮態(tài)，要求GM值為正值。因此需要對雙載重線的概率破損工況與機(jī)艙破損組合進(jìn)行確定性破損計算，如下頁表5所示，對每個破損工況，考慮5個中間進(jìn)水階段，經(jīng)計算機(jī)艙破損工況下，GM值都大于0。

圖 4 機(jī)艙破損工況

表5 機(jī)艙破損工況及結(jié)果

續(xù)表5

7 均箱指標(biāo)

船東對結(jié)構(gòu)吃水下的配載工況14 t均箱指標(biāo)極為關(guān)注，而該指標(biāo)與相應(yīng)吃水下的GM相關(guān)。經(jīng)過前述概率破艙穩(wěn)性，有效雙層底破損，及機(jī)艙破損等反復(fù)調(diào)整GM值循環(huán)計算，確定本船的許和極限GM值，以此為依據(jù)進(jìn)行配載計算。如表6所示：兩載重線結(jié)構(gòu)吃水9.5 m、10.5 m下要求的最小GM值分別為0.7 m、1.15 m；14 t均箱指標(biāo)分別為1 670 TEU、1 722 TEU。結(jié)構(gòu)吃水增加1 m至10.5 m，14 t均箱增加了52個，占名義總箱數(shù)的2.2%。

表6 雙載重線下最小GM值及14 t均箱指標(biāo)

8 許用靜水彎矩剪力

本船首尾尖艙為空艙。根據(jù)DNVGL規(guī)范第3部分第4章8節(jié)1.2及IACS URS11A要求，對于壓載工況，需考慮部分裝滿壓載艙全空全滿的工況；當(dāng)存在多個部分裝滿壓載艙，需考慮所有艙室組合裝載工況；對于載貨工況，在航行中壓載水發(fā)生變化的艙室，需考該艙室壓載水變化前及變化后的中間工況。

根據(jù)DNV·GL規(guī)范第5部分第2章3節(jié)3.1.2要求，航行工況需考慮最大吃水下40 ft BAY空艙裝載工況。本文對2條載重線結(jié)構(gòu)吃水下，對BAY02，BAY06……BAY30所有40 ft空BAY進(jìn)行配載。

如圖6所示：9.5 m吃水下，最大靜水彎矩為69 311 t ·m；10.5 m吃水下，最大靜水彎矩為63 049 t·m。在10.5 m吃水BAY2空艙裝載的工況下，在FR153至FR200出現(xiàn)了彎矩為3 600 t·m的負(fù)值，會給結(jié)構(gòu)專業(yè)在該橫剖面總縱強(qiáng)度設(shè)計帶來極大的困難，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)重量急劇增加，從而影響裝載指標(biāo)，即使通過反復(fù)調(diào)整裝箱及壓載水配載，仍無法消除該負(fù)值。這是由于首部增加1 m吃水后，首部產(chǎn)生較大的浮力，從而使向上的彎矩增加較大；而本船的艏尖艙設(shè)置為空艙，沒有其他的載荷可以施加以抵抗浮力。如果艏尖艙改為壓載艙，經(jīng)配載可以抵消負(fù)的彎矩值，同時需要增加相應(yīng)的管系設(shè)備及結(jié)構(gòu)重量，產(chǎn)生一定的 設(shè)備及鋼材費和。

經(jīng)與船級社溝通，該空BAY2工況可免，不作考慮。本船最大的靜水剪力在-3 000～3 000 t，經(jīng)結(jié)構(gòu)校核，滿足要求。

圖5 14 t均箱配載工況

圖6 靜水彎矩及剪力分布圖

圖7 空BAY2配載工況

9 結(jié) 論

支線型集裝箱船作為集裝箱樞紐港及干舷運輸?shù)难由?，是集裝箱班輪航線的重要組成部分，具有營運成本低、經(jīng)營靈活以及軸輻式網(wǎng)絡(luò)營運等特點，因此各設(shè)計公司對該類船型設(shè)計競爭非常激烈；此外，船東為確保運營的經(jīng)濟(jì)性，對各參數(shù)性能指標(biāo)的要求也極高。本文提出在不改變原船設(shè)計參數(shù)的情況下，增加一條載重線，并以2 300 TEU集裝箱船為例進(jìn)行可行性分析，得到以下結(jié)論：

（1）增加1 m結(jié)構(gòu)吃水后，載重量增加了4 861.9 t，約占9.5 m吃水下排水量的13.5%，經(jīng)濟(jì)效率極為顯著。

（2）增加結(jié)構(gòu)吃水后干舷減小，但方案是否可行，還需對干舷進(jìn)行校核。本船干舷滿足要求。

（3）增加結(jié)構(gòu)吃水后，使視線更高，名義箱位相應(yīng)有所增加。

（4）增加到10.5 m結(jié)構(gòu)吃水后，儲備浮力減小，在概率破艙計算時，相應(yīng)深吃水需要更大的GM值，導(dǎo)致在該載重線下9.5 m吃水的最小GM值也會增加。由于在運營工程中只能使和一條載重線證書，因此各自載重線下的均箱指標(biāo)不受影響。

（5）增加結(jié)構(gòu)吃水后，14 t均箱數(shù)占總名義箱位的72.9%，遠(yuǎn)超同類型船裝箱指標(biāo)。

（6）兩種結(jié)構(gòu)吃水下進(jìn)行配載計算發(fā)現(xiàn)，深吃水情況下的許和靜水彎矩及剪力影響對結(jié)構(gòu)設(shè)計影響較小，部分空BAY工況可申請豁免。