12 000 DWT江海直達(dá)型頂推組合體總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

邰宜峰，樊向東

(1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203;2.中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司，廣州 510220)

頂推組合體船型作為一種貨物運(yùn)輸船型在內(nèi)河及沿海水域時(shí)有應(yīng)用。該船型具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，推船和駁船可以分開(kāi)，推船主機(jī)利用率高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)比一般的自航船低15%～30%；船員少、勞動(dòng)生產(chǎn)率高，運(yùn)輸成本較低等優(yōu)點(diǎn)[1]。但由于這類船型建造、使用的數(shù)量較少，為此，以為中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)設(shè)計(jì)的12 000 DWT江海直達(dá)型頂推組合體船型為例，從船型總體設(shè)計(jì)的角度闡述該種船型的運(yùn)輸方式論證、船型尺度選擇、主要技術(shù)要求及船體線型快速性優(yōu)化等船型總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 頂推組合體運(yùn)輸方式論證

1.1 自然條件

1)氣象。項(xiàng)目工程區(qū)臨近大西洋，屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫27.3 ℃。

2)波浪。內(nèi)河。Fatala河自渡船碼頭向河口逐漸展寬，至分叉處單一河道寬達(dá)2 km左右。在Fatala河流口外受外海波浪影響明顯，在峽道口內(nèi)波浪的影響作用明顯減弱，至Boffa港渡船碼頭附近外海波浪影響較小。

外海。根據(jù)歐洲中期預(yù)報(bào)中心ECMWF波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可得：Boffa近海波高基本不超過(guò)1.0 m，約占全年的91.23%。

1.2 船隊(duì)規(guī)模測(cè)算

該江海直達(dá)頂推組合體船隊(duì)的航道分為外海航道和內(nèi)河航道兩段。在內(nèi)河航道與外海航道的交界河口處有約5 km長(zhǎng)的人工航道，駁船在該航道段需單向通航。同時(shí)，從河口向內(nèi)河段12 n mile需要乘潮。并且駁船在內(nèi)河航道段航行時(shí)，受漲、落潮流速影響，航行速度也不同。因此，運(yùn)輸船隊(duì)的規(guī)模不能簡(jiǎn)單按照裝卸作業(yè)時(shí)間和航行速度推算，需綜合考慮船舶在內(nèi)河碼頭或外海過(guò)駁平臺(tái)的操作時(shí)間、船舶在內(nèi)河碼頭和外海過(guò)駁平臺(tái)之間的航行及等潮時(shí)間、年作業(yè)天數(shù)以及系統(tǒng)需要完成的年轉(zhuǎn)運(yùn)量。

項(xiàng)目運(yùn)量目標(biāo)為1 200 萬(wàn)t/年，年作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為10.25個(gè)月，標(biāo)準(zhǔn)月運(yùn)量約為117 萬(wàn)t，考慮不平衡系數(shù)1.1，則每標(biāo)準(zhǔn)月運(yùn)量約為130 萬(wàn)t。旱季7個(gè)月，每月完成130 萬(wàn)t；雨季5個(gè)月，每月完成約84.5 萬(wàn)t。如果船隊(duì)規(guī)模在旱季繁忙時(shí)期能夠達(dá)到每月130 萬(wàn)t的吞吐量目標(biāo)，則可以認(rèn)為船隊(duì)運(yùn)輸能力能夠完成雨季每月84.5 萬(wàn)t的吞吐量。按照上述因素測(cè)算的不同推船、駁船組合所能完成的吞吐量見(jiàn)表1。

表1 各過(guò)駁船隊(duì)規(guī)模完成吞吐量

測(cè)算結(jié)果表明：當(dāng)配備5艘拖船和9艘駁船時(shí)，26 d內(nèi)能夠完成的能力為94.5 萬(wàn)t/月；拖船為5艘時(shí)，駁船配備再多(例如，10艘、11艘、……)，整個(gè)系統(tǒng)也只能達(dá)到94.5萬(wàn)t/月的能力。

當(dāng)配備6艘拖船和9艘駁船時(shí)，作業(yè)26 d內(nèi)能夠完成的能力為99.0 萬(wàn)t/月；配備6艘拖船和11艘駁船時(shí)，系統(tǒng)能力113.3 萬(wàn)t/月；再增加駁船數(shù)量(例如，12艘、13艘、……)，整個(gè)系統(tǒng)也只能達(dá)到113.3 萬(wàn)t/月的能力。

根據(jù)上述測(cè)算結(jié)果，配備8艘拖船和12艘12 000 t級(jí)駁船時(shí)，即可滿足旱季每月130 萬(wàn)t的要求。

1.3 頂推組合體船型與自航駁船型經(jīng)濟(jì)性論證

根據(jù)該項(xiàng)目年轉(zhuǎn)運(yùn)需求，采用12 000 DWT甲板駁船將鋁礬土從內(nèi)河碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)至過(guò)駁平臺(tái)。甲板駁船分自航和非自航2種形式，這2種形式的甲板駁船有其各自特點(diǎn)。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，如完成年轉(zhuǎn)運(yùn)1 200 萬(wàn)t鋁礬土的目標(biāo)，轉(zhuǎn)運(yùn)船隊(duì)需配置8艘拖船和12艘非自航駁船或12艘自航駁船。考慮船隊(duì)的正常維護(hù)保養(yǎng)、以及船舶機(jī)動(dòng)性，確保實(shí)際作業(yè)時(shí)能夠完成運(yùn)量目標(biāo)等因素，實(shí)際配置9艘拖船和13艘非自航駁。

本方案自航駁與非自航駁2種方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 自航駁和非自航駁船方案比較

綜合比較，選擇頂推輪+非自航駁船的頂推組合體船型方案。

2 頂推組合體船型方案設(shè)計(jì)

2.1 主尺度研究

1)船長(zhǎng)。頂推組合體船長(zhǎng)受船舶快速性、經(jīng)濟(jì)性及營(yíng)運(yùn)港口對(duì)船舶尺度限制等多方面因素的影響，需要綜合平衡考慮。在快速性方面，長(zhǎng)寬比盡可能大些對(duì)減少船舶的興波阻力有利，但過(guò)大的長(zhǎng)寬比對(duì)船舶的穩(wěn)性及操縱回轉(zhuǎn)性會(huì)帶來(lái)不利影響。在經(jīng)濟(jì)性方面，船長(zhǎng)越大，船舶的空船重量及總噸位將增加，對(duì)船舶的經(jīng)濟(jì)性不利。由于組合體是由頂推船和貨駁組合而成，因此組合體的船長(zhǎng)還需要考慮頂推船和貨駁單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的船舶性能。

2)船寬。由于頂推組合體的最大船寬是由貨駁的船寬來(lái)決定的，因此在選擇頂推組合體船寬時(shí)優(yōu)先考慮貨駁的艙容、船體穩(wěn)性及碼頭裝卸機(jī)的工作覆蓋半徑的要求。

3)吃水。頂推組合體船舶的干舷為B型干舷，屬于富余干舷，因此干舷要求對(duì)吃水的選擇影響不大。吃水主要與快速性、載重量、航道及碼頭吃水限制等因素有關(guān)。在船長(zhǎng)、船寬及載重量等指標(biāo)確定的前提下，吃水的變化影響到船體方形系數(shù)的變化，進(jìn)而影響到船舶快速性指標(biāo)?？紤]到內(nèi)河航道的枯洪期，一般將江海船設(shè)計(jì)成變吃水。按內(nèi)河航道限制吃水作為設(shè)計(jì)吃水[2]。

4)型深。在滿足布置要求及干舷、穩(wěn)性的前提下，組合體船舶的型深應(yīng)盡可能低，以最大限度的降低建造成本和空船的重量重心。

綜合上述的各種因素及項(xiàng)目的使用要求，確定頂推組合體的主要尺度如下。

總長(zhǎng)：約139.0 m。

型寬：30.0 m。

型深：7.5 m。

夏季載重線吃水：4.86 m。

總布置圖示意于圖1。

圖1 12 000 DWT頂推組合體總布置示意

2.2 頂推裝置形式選擇

頂推裝置按不同作業(yè)方式分為有纜聯(lián)接和無(wú)纜聯(lián)接2類；按不同聯(lián)接方式分為非整體式、半整體式和整體式3類。目前國(guó)內(nèi)外最常見(jiàn)的頂推船聯(lián)接形式的功能描述、優(yōu)缺點(diǎn)，以及適用場(chǎng)合見(jiàn)表3。

表3 常見(jiàn)頂推聯(lián)接形式總結(jié)表

運(yùn)輸航段一部分為江，一部分為海，且海上條件較好，風(fēng)3.3 m/s，浪高1.2 m，相當(dāng)于中國(guó)內(nèi)河規(guī)范中規(guī)定B級(jí)航區(qū)J2級(jí)航段。因此，從本船的使用基本要求出發(fā)，凹槽鋼纜式與鉸接2銷式(ATB)均可適用，而整體式的聯(lián)接并不合適。

盡管相對(duì)于非整體式來(lái)說(shuō)，ATB的成本較高，但其對(duì)環(huán)境的高適應(yīng)性、聯(lián)接的快速性、推船-駁船的耐波性以及可靠性是非整體聯(lián)接方式完全無(wú)法比擬的。因此，結(jié)合目標(biāo)頂推船的作業(yè)功能要求和安全性出發(fā)，ATB的聯(lián)接方式更為適合。

頂推裝置連接銷的位置，特別是縱向位置，對(duì)連接力及船組運(yùn)動(dòng)有重要影響。當(dāng)兩銷式連接時(shí)，橫向銷位向推船船首移動(dòng)時(shí)，將使兩銷船組駁船的運(yùn)動(dòng)幅值顯著增加；而橫向銷位向后移動(dòng)，移至～50%Lpp處，此時(shí)銷位接近推船的重心，推船的縱向自由運(yùn)動(dòng)對(duì)駁船的縱向運(yùn)動(dòng)影響很小。因此，對(duì)于兩銷式的縱向位置建議應(yīng)布置在距推船首柱為(0.21～0.24)Lpp，(Lpp為推船的垂線間長(zhǎng))。

2.3 船型方案的主要技術(shù)要求

本船掛方便旗、入級(jí)中國(guó)船級(jí)社，主要的技術(shù)按中國(guó)船級(jí)社《非國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)指南》的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。相對(duì)于常規(guī)船型而言，由于頂推組合體涉及2種船型的組合，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)組合體-駁船、組合體-推船，以及組合體自身3種船型分別在穩(wěn)性、消防、救生、錨系泊、駕駛室視線等方面進(jìn)行單獨(dú)考慮[3]。

1)穩(wěn)性。本船的穩(wěn)性核算參照IMO IS CODE 2008的有關(guān)要求，同時(shí)滿足中國(guó)船級(jí)社對(duì)于Articulated Connection PB Combination-Pusher/Tug的船級(jí)符號(hào)對(duì)穩(wěn)性的要求。頂推組合體、頂推船和貨駁分別作為單獨(dú)船核算穩(wěn)性，穩(wěn)性核算考慮海上自由航行、海上拖帶航行及港內(nèi)拖帶航行3種工況。

2)干舷及布置。頂推船和貨駁分別作為單獨(dú)船其干舷應(yīng)滿足掛旗國(guó)的有關(guān)要求，同時(shí)貨駁的干舷和船首高度還應(yīng)不小于組合體視為單獨(dú)普通貨船所要求的干舷和船首高度。

為保證推船與駁船之間人員通行的順暢，在駁船尾部和頂推船首部之間應(yīng)設(shè)有在任何情況下船員能安全通行的通道。

特別需注意，貨駁的防撞艙壁位置應(yīng)以頂推組合體的長(zhǎng)度為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，而不能僅僅以駁船的船長(zhǎng)來(lái)確定。

3)救生設(shè)備配置。頂推組合體救生設(shè)備的配置以頂推船和貨駁分別作為單獨(dú)船來(lái)進(jìn)行考慮。

4)錨系泊設(shè)備配置。組合體中的推船按單獨(dú)船的要求進(jìn)行錨系泊設(shè)備的配置，但舵和操舵裝置的規(guī)格應(yīng)以頂推組合體作為單獨(dú)船進(jìn)行考慮。組合體中貨駁的錨系泊設(shè)備按頂推組合體作為單獨(dú)船進(jìn)行考慮。

5)駕駛室視線。組合體中的推船其駕駛室視線除了要滿足自身作為單獨(dú)船的技術(shù)要求，還應(yīng)考慮組合體作為單獨(dú)船時(shí)的視線要求。由于貨駁采用的是甲板駁的形式，貨艙在貨駁的甲板上，因此為滿足組合體的視線要求，推船的駕駛室位置通常較普通推船要高。

考慮到貨駁在回程時(shí)空載，貨駁應(yīng)設(shè)置足夠的壓載水艙以改善空載航行性能[4]。

3 頂推組合體船體線型優(yōu)化

貨物轉(zhuǎn)運(yùn)采用頂推船+貨駁的組合體形式進(jìn)行，在貨物年轉(zhuǎn)運(yùn)量、船舶航行時(shí)間一定的前提下，優(yōu)化推船和駁船組合體的船體阻力/推進(jìn)性能，提高組合體單位功耗下的航速，可提高項(xiàng)目的整體工程經(jīng)濟(jì)性。

江海直達(dá)船須航行于江河和海上，其船型設(shè)計(jì)必須考慮同時(shí)適應(yīng)江河和大海航行的需要[5]。在項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)中，通過(guò)專業(yè)的水動(dòng)力軟件對(duì)組合體模型在靜水下的船體阻力進(jìn)行優(yōu)化，著重考慮降低駁船阻力、改善推船尾部流場(chǎng)提高螺旋槳效率，以及降低駁船與推船組合體連接處的流場(chǎng)相互干擾的影響。

對(duì)于駁船線型，由于船舶尺度的限制以及對(duì)載貨量的要求，在線型設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了兩組方案的對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2 駁船2組方案線型對(duì)比

優(yōu)化方案采用垂直艏線型，這樣可在有限的船舶尺度下提高船舶的排水量，并調(diào)整優(yōu)化貨駁前肩處的線型。頂推組合體-駁船2組方案的波高及水線分布見(jiàn)圖3、4。

圖3 駁船兩組方案波高對(duì)比

圖4 駁船兩組方案動(dòng)壓、水線分布

從波高對(duì)比曲線中可以看出，前肩處的波谷有了較大幅度的減小，并且整個(gè)船身范圍內(nèi)的水線更加平坦，興波情況大大改善。

對(duì)于推船線型，在滿足裝載的前提下優(yōu)化尾部線型。采用縱流線型，使水線肩部削廋、改善尾部流場(chǎng)。頂推組合體-推船的線型見(jiàn)圖5。

圖5 推船線型

同時(shí)需注意的是，當(dāng)推船和駁船凹槽長(zhǎng)度一定時(shí)，影響連接部位阻力的重要因素就是凹槽的形狀及推船與駁船的間隙。因此，建議推船與駁船的聯(lián)結(jié)區(qū)域可以依據(jù)兩船橫剖面面積曲線間的耦合情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將推船與駁船的后體部分一并考慮，作為船隊(duì)的去流段進(jìn)行線型設(shè)計(jì)[6]。

經(jīng)船模試驗(yàn)驗(yàn)證：在主機(jī)85%MCR(1 800×2 HP)，考慮0.95軸系效率，15%海上風(fēng)浪儲(chǔ)備下，頂推組合體(推船+駁船)在設(shè)計(jì)吃水工況下航速可達(dá)8.5 kn，滿足整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)對(duì)貨駁的航速要求。

4 結(jié)論

江海直達(dá)型頂推組合體船型在造價(jià)、船員配置、物料裝卸貨時(shí)間上與自航船相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此在貨物由內(nèi)河過(guò)駁至海上的物流系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

12 000 DWT江海直達(dá)型頂推組合體船型的設(shè)計(jì)綜合考慮了港口條件、航道航線、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)安全性、總體布置等多種因素，通過(guò)船型論證、船型優(yōu)化確定了組合體的船型尺度，優(yōu)化降低了船體阻力。經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，船型各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良。