38000 t 雙相不銹鋼化學(xué)品船總體設(shè)計(jì)

許峰，李曉峰，朱越星，陸琛亮

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

化學(xué)品船作為一種運(yùn)送危險(xiǎn)貨物的液貨船，技術(shù)要求嚴(yán)格，市場(chǎng)需求廣泛。 近年來(lái)化學(xué)品的產(chǎn)地和消費(fèi)地隨著環(huán)保法規(guī)的要求在逐漸地發(fā)生變化，未來(lái)化學(xué)品船大型化、長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)内厔?shì)越來(lái)越明顯。與此同時(shí)，IBC 法規(guī)定義的有毒物質(zhì)品種及化學(xué)品的特殊要求逐漸增加，加之特涂化學(xué)品船的涂層破損風(fēng)險(xiǎn)及商檢要求越來(lái)越高，不銹鋼化學(xué)品船的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯。 因此，中大型的不銹鋼化學(xué)品船正在越來(lái)越受到船東和市場(chǎng)的歡迎。

1 船舶概況

38000 t 雙相不銹鋼化學(xué)品船單機(jī)單槳，低速柴油機(jī)推進(jìn)，掛香港旗，入LR 和CCS 雙船級(jí)，適合全球航行。 全船共30 個(gè)貨艙，其中4 個(gè)貨艙設(shè)計(jì)成滿足I 型船舶的要求，可以裝載IBC 規(guī)則（2012年修正案）第17 章752 種貨品中的712 種、第18 章的全部46 種貨品以及MARPOL 公約中除原油、瀝青等特殊貨品外的全部油類。 所有貨艙及污油水艙表面為雙相不銹鋼，最大滿載貨物比重為1.55 t/m3。 貨物系統(tǒng)設(shè)置30 根獨(dú)立管系，采用的是一艙一泵模式，貨泵為FRAMO 液壓潛液泵，可同時(shí)裝卸6 種貨物。 配備熱水/熱油二次加熱系統(tǒng)以及貨物冷卻系統(tǒng)。 首部設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可調(diào)螺距首側(cè)推以提高操縱性。 貨艙橫艙壁采用水平槽型，以減輕結(jié)構(gòu)重量。各艙均配備多級(jí)洗艙機(jī)，以滿足頻繁換裝貨品洗艙的需求。 船體結(jié)構(gòu)滿足油船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范（CSR）及MARPOL和IBC 的要求。 實(shí)船圖片見(jiàn)圖1。

圖1 38000 t 雙相不銹鋼化學(xué)品船實(shí)船

主要尺度和參數(shù)如下：總 長(zhǎng) 約182.80 m垂線間長(zhǎng) 177.00 m型 寬 32.00 m型 深 15.70 m設(shè)計(jì)吃水 9.50 m結(jié)構(gòu)吃水（立項(xiàng)） 10.80 m結(jié)構(gòu)吃水（修改后） 11.10 m載重量（設(shè)計(jì)吃水） 31000 t載重量（立項(xiàng)） 38000 t載重量（修改后） 41000 t貨艙艙容 43600 m3定 員 27 人主 機(jī) MAN 6S50 ME-B9.51 臺(tái)服務(wù)航速（設(shè)計(jì)吃水，CSR，15%S.M）14.5 kn續(xù)航力 18000 n mile

2 總體設(shè)計(jì)

作為大型不銹鋼化學(xué)品船，需要滿足較大密度化學(xué)品的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。 通過(guò)對(duì)化學(xué)品產(chǎn)業(yè)鏈及海運(yùn)需求的調(diào)研，結(jié)合當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上已有的不銹鋼化學(xué)品船載重量參數(shù)， 判斷38000 t 及以上的不銹鋼化學(xué)品船的需求將持續(xù)增大，因此載重量開(kāi)發(fā)目標(biāo)定為結(jié)構(gòu)吃水下38000 t，具備大艙容，可以滿足大宗化學(xué)品的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。 由于液體化學(xué)品的密度波動(dòng)范圍很大，設(shè)計(jì)吃水的載重量不能像油船按照擬裝載貨物的中位密度選取，考慮貨品裝卸港口的適應(yīng)性及靈活性，最終確定設(shè)計(jì)吃水為9.50 m，設(shè)計(jì)吃水下載重量為31000～32000 t。按照設(shè)計(jì)吃水優(yōu)化線型，在結(jié)構(gòu)吃水為10.80 m 時(shí)可以達(dá)到38000 t。經(jīng)性能核算，同時(shí)需考慮港口及航道的吃水限制，最大結(jié)構(gòu)吃水可以取11.10 m，達(dá)到41000 t。

I 類化學(xué)品船具備多貨艙特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)零擔(dān)貨物運(yùn)輸，對(duì)航速有較高要求，需要利用較高航速快速到達(dá)運(yùn)輸目的地。 將設(shè)計(jì)航速定為14.50 kn，在考慮高航速需求的同時(shí)，又兼顧了較低油耗的經(jīng)濟(jì)性。

因船東需求設(shè)置尾樓，為滿足系泊布置要求將主甲板以上線型均做到全寬，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)貨艙艙容最大化目標(biāo)，盡量壓縮尾部機(jī)艙長(zhǎng)度以加大貨艙區(qū)長(zhǎng)度。 這些因素使得尾部空船重量增加、重心后移，均質(zhì)滿載貨物出港工況時(shí)的尾傾較大，不利于在限制吃水的港口裝貨。 同時(shí)，由于線型特點(diǎn)，加上為了提高續(xù)航里程在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置較多的燃油艙，在輕壓載工況時(shí)尾傾也略大。 通過(guò)優(yōu)化貨艙、燃油艙的分艙布置，將貨艙區(qū)整體往船首方向偏移并在首部側(cè)推艙兩側(cè)設(shè)置燃油艙等措施， 解決了尾傾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)壓載或裝載工況出港至到港過(guò)程中均可以不用調(diào)節(jié)各艙的壓載水量來(lái)調(diào)整船舶浮態(tài)，即壓載泵不必啟動(dòng)，在降低設(shè)備能耗的同時(shí)也減少了船員工作量，提高船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。

同時(shí)滿足MARPOL 公約以及IBC 規(guī)則對(duì)破艙穩(wěn)性的要求， 從破損范圍以及破損衡準(zhǔn)來(lái)看，MARPOL 公約和IBC 規(guī)則要求的差別主要體現(xiàn)在化學(xué)品等級(jí)的分類以及船長(zhǎng)的劃分上。 作為I 類化學(xué)品船， 破艙穩(wěn)性按照IBC 規(guī)則最高要求來(lái)核定，即在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)的任何部位都能經(jīng)受破損。

2.1 主尺度

2.1.1 總長(zhǎng)

在實(shí)現(xiàn)大載重量的同時(shí)需要匹配較大的貨艙艙容，較大的總長(zhǎng)對(duì)實(shí)現(xiàn)載重量及艙容指標(biāo)更加有利，同時(shí)還可以相應(yīng)提高長(zhǎng)寬比，對(duì)減小剩余阻力也有利。 因在首部設(shè)置側(cè)推艙和燃油艙，會(huì)壓縮貨艙區(qū)的長(zhǎng)度， 較大的總長(zhǎng)有利于總布置和性能優(yōu)化。 參考同類型船舶總長(zhǎng)范圍，綜合考慮船舶滿載和壓載工況下浮態(tài)與港口航道的限制條件，總長(zhǎng)最終確定為182.80 m。

2.1.2 型寬

需滿足老巴拿馬運(yùn)河的通航要求，按照以往船型經(jīng)驗(yàn)，32.26 m 是可以通行的最大船寬。 但根據(jù)船東營(yíng)運(yùn)部門(mén)反饋巴拿馬極限型船寬過(guò)運(yùn)河時(shí)有造成船側(cè)磨損的風(fēng)險(xiǎn)，例如在進(jìn)出閘門(mén)時(shí)因船體與閘門(mén)對(duì)齊的誤差或者橫向水流影響，可能使得船體與閘門(mén)摩擦從而造成舷側(cè)油漆磨損甚至鋼板變形，最終選取的型寬為32.00 m。

2.1.3 型深

根據(jù)船東實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，既要考慮裝載常規(guī)化學(xué)品也要兼顧裝載石腦油等輕質(zhì)貨物，貨艙艙容要達(dá)到43500 m3左右。 同時(shí)考慮到某些液貨裝卸港口的集管中心高度到水面有11 m 左右的垂向距離要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算及綜合考慮，型深定為15.7 m，既達(dá)到了貨艙艙容的需要，也滿足集管高度的限制條件。

2.2 總體布置

38000 t 雙相不銹鋼化學(xué)品船為單機(jī)單槳推進(jìn)，壓載泵艙、機(jī)艙、上建、駕駛室均布置在尾部，并設(shè)置尾樓。 貨艙區(qū)的甲板橫梁及縱骨布置在甲板上，甲板上方設(shè)置步橋以連通首尾樓區(qū)域。 側(cè)推及應(yīng)急消防泵艙以及3 個(gè)燃油艙布置在貨艙區(qū)前部，并設(shè)置首樓。 上層建筑前端與步橋相同的高度位置分別布置冷水機(jī)組間以及加熱間。 總布置圖如圖2所示。滿足LR 一人橋樓的規(guī)范要求，在駕駛室范圍內(nèi)達(dá)到360°的可視范圍，除了導(dǎo)航工作臺(tái)外的工作站或功能區(qū)取得自左舷90°至右舷往后22.5°的可視范圍外， 海圖區(qū)和報(bào)務(wù)區(qū)布置也兼顧了此項(xiàng)要求。

圖2 38000 t 雙相不銹鋼化學(xué)品船總布置圖

貨艙區(qū)由內(nèi)部艙壁分隔成30 個(gè)貨艙， 這些內(nèi)部艙壁包括中縱平板艙壁、12 道水平槽橫艙壁和位于第4、第6 貨艙的4 道水平槽型邊縱艙壁。 其中4個(gè)艙為ship type 1 類艙，其余貨艙為ship type 2&3類艙。 兩道中縱平板艙壁形成隔離空艙，橫艙壁為水平槽型便于施工焊接，裝貨限制少，提高了適貨性， 同時(shí)既有利于貨艙掃艙和洗艙時(shí)減少殘留液體，又減少不銹鋼使用量，降低營(yíng)運(yùn)和建造成本。 貨艙區(qū)的雙底雙殼形成L 型， 用作6 對(duì)壓載水艙和1對(duì)洗艙水艙。 雙層底設(shè)置管弄。 在貨艙與機(jī)艙之間設(shè)置壓載泵艙，內(nèi)置2 臺(tái)壓載泵及2 套壓載水處理裝置。 洗艙水艙布置于貨艙區(qū)第六壓載水艙之后。

根據(jù)IBC 規(guī)則的要求，I 型船貨艙距舷側(cè)外板的距離不小于橫向破損范圍，即B/5 或11.5 m 的小者，雙殼寬度定為6.400 m。 距中心線處的船底外板型線不小于垂向破損范圍， 即B/15 或6 m 的小者，考慮到IBC 規(guī)則對(duì)I 型船舶吸口阱的垂向高度要求， 結(jié)合吸口阱的布置， 最終將雙層底高度定為2.250 m。 同時(shí)為了掃艙方便，滿足MARPOL 公約對(duì)化學(xué)品船殘余量的要求， 雙層底自兩側(cè)向中部?jī)A斜。 因艙容余量不大， 在第一貨艙區(qū)設(shè)置了1 m 高的脊弧，以盡量增大艙容。

主甲板上以及各貨物透氣相關(guān)的閥門(mén)管系將形成大片的危險(xiǎn)區(qū)，危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖見(jiàn)圖3。 從控制建造成本的角度考慮，應(yīng)盡量使電氣設(shè)備避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)以免采用防爆型式的設(shè)備。 甲板風(fēng)機(jī)室、貨物冷卻間等設(shè)有較大功率電機(jī)的艙室，通過(guò)合理布置艙室位置及調(diào)整通風(fēng)管的走向，使其成功避開(kāi)了危險(xiǎn)區(qū)，按照安全區(qū)來(lái)設(shè)計(jì)。

圖3 38000 t 雙相不銹鋼化學(xué)品船危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖

2.3 型線及螺旋槳

基于前期分析確定的主尺度，選取成熟的母型進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。 化學(xué)品船對(duì)操縱性要求較高，對(duì)尾垂線位置及螺旋槳前部線型進(jìn)行調(diào)整以及加大舵的安裝空間；在首部結(jié)構(gòu)吃水以上的線型采取了外飄，擴(kuò)大首樓甲板面積，利于系泊布置。

4 葉槳和5 葉槳方案主要參數(shù)見(jiàn)表1， 圖4 為兩個(gè)方案的空泡對(duì)比。 5 葉槳的方案在達(dá)到4 葉槳相同效率的前提下，增重并不明顯，但實(shí)現(xiàn)了更好的空泡性能，最終采用了5 葉槳方案。

圖4 空泡對(duì)比示意圖

表1 4 葉槳和5 葉槳方案主要參數(shù)

船東考慮到東南亞等國(guó)家沿海漁網(wǎng)較多，導(dǎo)管存在淺吃水時(shí)掛帶漁網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，因此螺旋槳設(shè)計(jì)需要在不使用導(dǎo)管的前提下達(dá)到設(shè)計(jì)航速的指標(biāo)要求。 在不考慮使用導(dǎo)管的前提下，進(jìn)行了常規(guī)轂帽和節(jié)能轂帽的對(duì)比設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果顯示節(jié)能轂帽取得了2.1%的節(jié)能效果。圖5 為兩型轂帽的性能對(duì)比試驗(yàn)。

圖5 轂帽設(shè)計(jì)性能對(duì)比試驗(yàn)

2.4 液貨系統(tǒng)配置

2.4.1 液貨系統(tǒng)

采用FRAMO 液壓驅(qū)動(dòng)潛液式液貨泵系統(tǒng)，每個(gè)液貨艙配有1 臺(tái)潛液貨泵（排量330 m3/h 液貨泵14 臺(tái)，220 m3/h 潛液泵16 臺(tái)）。 全船最大裝貨速率可達(dá)到1980 m3/h，最大卸貨速率1760 m3/h。 作為專用的化學(xué)品船適貨性廣，可同時(shí)裝載30 種貨品，為滿足高黏度及高比重液貨的裝載需求，需配備安全可靠的液貨泵。 液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的潛液泵，短軸驅(qū)動(dòng)可靠性高。 液壓電機(jī)浸沒(méi)在液壓油中，散熱性好，液壓油同時(shí)為潤(rùn)滑和冷卻介質(zhì)。

2.4.2 氮?dú)庀到y(tǒng)

制氮裝置按照最大卸貨速率選配，配有2 臺(tái)碳分子篩氮?dú)獍l(fā)生器， 總的氮?dú)馑俾蕿?200 Nm3/h［純度95%，約7 bar（1 bar=105Pa）］。 氮?dú)獍l(fā)生器產(chǎn)生氮?dú)庥糜谝贺洷煤鸵贺浌艿膾呔€，同時(shí)可以通過(guò)減壓閥進(jìn)入貨艙惰化和補(bǔ)氣。 另外配備了50 個(gè)200 bar 的50 L 氮?dú)馄?，用于航行時(shí)補(bǔ)氣。

2.4.3 洗艙系統(tǒng)

針對(duì)貨艙橫艙壁水平槽型結(jié)構(gòu)，每個(gè)貨艙配備1 臺(tái)多級(jí)洗艙機(jī)。 泵艙內(nèi)配備2 臺(tái)洗艙泵分別用于淡水和海水洗艙以及1 臺(tái)洗艙加熱器用于熱水洗艙。 圖6 為貨艙內(nèi)的多級(jí)式洗艙機(jī)。

圖6 水平槽型與分級(jí)洗艙機(jī)

2.4.4 貨艙加熱和冷卻系統(tǒng)

除了配置常規(guī)蒸汽加熱系統(tǒng)外，還配置了二次熱水和二次熱油功能，以滿足大宗均質(zhì)貨、有毒貨物以及憎水貨物等不同的加熱需求。

專門(mén)設(shè)計(jì)了一套通過(guò)冷卻盤(pán)管的貨艙冷卻系統(tǒng)，在步橋平臺(tái)設(shè)置冷水機(jī)組間以布置2 臺(tái)冷水機(jī)組、2 臺(tái)冷媒水循環(huán)泵等部件。 相較于FRAMO 液貨冷卻系統(tǒng)，該貨艙冷卻系統(tǒng)基于已經(jīng)布置好的艙底盤(pán)管實(shí)現(xiàn)貨艙冷卻，無(wú)須額外配置冷卻設(shè)備，成本更低，功能更加可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

38000 t 雙相不銹鋼化學(xué)品船系列船作為大載重量雙相不銹鋼化學(xué)品船，代表了化學(xué)品船大型化、定制化的發(fā)展趨勢(shì)，具有超強(qiáng)的適裝性、操作便利性和優(yōu)秀的綠色環(huán)保性能，共8 艘已成功交付，給船東帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的市場(chǎng)前景，也為后續(xù)中大型化學(xué)品船的開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。