客滾船的十大技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

田正軍， 吉春正， 吳 林， 俞 劍， 趙 勇， 趙自兵

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司， 上海 200137)

0 引 言

客滾船是指具有滾裝處所或特種處所的客船[1]，其糅合了滾裝船和客船2種船型的特征，形成了自己的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和建造中存在很多挑戰(zhàn)，需予以深入研究。在某北歐船東訂造的客滾船(以下簡稱“本船”)的設(shè)計(jì)建造中，招商局郵輪研究院(上海)有限公司先后攻克了上百個技術(shù)難關(guān)，保證了首制船按期開工、順利交船。本文選取本船10項(xiàng)重大技術(shù)挑戰(zhàn)，簡述挑戰(zhàn)的成因和應(yīng)對措施，為后續(xù)同類型船舶的設(shè)計(jì)建造提供參考。

1 十大技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

1.1 快速性挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

客滾船是典型的班輪，設(shè)計(jì)航速快、準(zhǔn)點(diǎn)率要求高、裝機(jī)功率裕量大。由于法規(guī)對客滾船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)的要求較為嚴(yán)苛[2]，同時客滾船機(jī)艙空間較為狹小，主機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的尺寸受限，需盡量減小裝機(jī)功率，因此，如何妥善解決快速性需求與裝機(jī)功率限制之間的矛盾是客滾船重大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。本船委托歐洲設(shè)計(jì)公司進(jìn)行線型設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化后的線型被歐洲某世界著名水池評價為10 a內(nèi)最佳線型，大幅提升了船舶的快速性，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)推進(jìn)功率的大幅下降。推進(jìn)系統(tǒng)由通常的四主機(jī)變?yōu)閮芍鳈C(jī)，大機(jī)器變?yōu)樾C(jī)器，有效降低了整船造價和運(yùn)營成本，化解了快速性挑戰(zhàn)。

1.2 破艙穩(wěn)性挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

因滾裝處所的特殊布置或特殊要求，客滾船的穩(wěn)性與客船相比呈現(xiàn)出了顯著的個性特征和獨(dú)特挑戰(zhàn)。就破艙穩(wěn)性而言，客滾船首先要滿足《海上人命安全公約》對客船破艙穩(wěn)性的要求，但較長底貨艙的存在給客滾船的破艙穩(wěn)性帶來了巨大挑戰(zhàn)。其次，本船在歐盟水域運(yùn)營，需滿足《國際航行客滾船甲板上浪特殊穩(wěn)定性要求(斯德哥爾摩協(xié)定)》對主貨艙甲板上浪積水的特殊要求[3]，這往往是客滾船破艙穩(wěn)性的臨界工況。最后，本船掛英國旗，需滿足掛旗國對破艙穩(wěn)性浸水長度和B/5艙壁結(jié)構(gòu)完整性等的特殊要求。本船化解此挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 在設(shè)計(jì)建造過程中建立完善的管控流程。在送審設(shè)計(jì)階段仔細(xì)進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，要求將限界線和進(jìn)水點(diǎn)細(xì)化到相應(yīng)圖紙中；在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段嚴(yán)抓放樣落實(shí)，及時反饋因無法放樣而產(chǎn)生的差異并更新計(jì)算；在現(xiàn)場建造階段對進(jìn)水點(diǎn)和環(huán)繞路徑進(jìn)行復(fù)查并及時整改，有效管控技術(shù)風(fēng)險。

2) 在設(shè)計(jì)后期遇到了橫貫進(jìn)水不滿足法規(guī)要求的險情，可能會導(dǎo)致整個雙層底返工，經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算和詳細(xì)論證，采用連通管方案，避免重大返工。

1.3 空船重量控制挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

客滾船具有空船重量占比大、重心變化敏感和穩(wěn)性安全要求高等顯著特點(diǎn)，因此空船重量和重心控制是客滾船重大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。本船化解此挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 建立完善的空船重量控制體系。在重量控制體系中，明確訂貨、設(shè)計(jì)、建造等各階段的管控要點(diǎn)和職責(zé)分工，以有的放矢并及時預(yù)警；在重量預(yù)估體系中，建立系統(tǒng)和整船雙級余量預(yù)估體系；在重量報告更新體系中，明確標(biāo)記數(shù)據(jù)來源和變更歷史，使來源可靠、履歷清晰，為科學(xué)決策提供理論依據(jù)。

2) 推進(jìn)各種減重方案論證。在設(shè)計(jì)建造過程中進(jìn)行4輪100多項(xiàng)減重措施論證，涵蓋眾多新設(shè)計(jì)、新工藝和新材料運(yùn)用，最終采納51項(xiàng)經(jīng)濟(jì)可行的減重方案，有效化解重量和重心超標(biāo)的風(fēng)險。

3) 建立輕量化設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)。借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的客船設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過仔細(xì)論證和分析提煉，形成一整套適用于客船的設(shè)計(jì)施工新標(biāo)準(zhǔn)，確保輕量化設(shè)計(jì)施工貫穿始終。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

客滾船的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，高應(yīng)力區(qū)和疲勞熱點(diǎn)遍布全船，結(jié)構(gòu)與各專業(yè)接口多、協(xié)調(diào)復(fù)雜，重量控制敏感度和減振降噪要求高。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大、風(fēng)險高是客滾船重大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。本船化解此挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 系統(tǒng)梳理結(jié)構(gòu)與各專業(yè)設(shè)計(jì)接口，主動協(xié)調(diào)、充分兼顧各專業(yè)訴求，以高效地固化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2) 在制訂結(jié)構(gòu)修改方案時，除了考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度以外，還綜合考慮重量優(yōu)化、減振降噪、局部變形和功能使用等因素，保證方案合理準(zhǔn)確，避免反復(fù)修改。

3) 充分運(yùn)用全船結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。波浪載荷由直接計(jì)算獲得，減小環(huán)境載荷可有效減小構(gòu)件的尺寸；通過有限元分析對主要構(gòu)件的尺寸、關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)和高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化重量，控制風(fēng)險。

1.5 減振降噪挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

本船對舒適性和設(shè)備安全有嚴(yán)格的要求，不僅有COMF(V2) 入級符號對船內(nèi)舒適度的明確要求，而且靠碼頭時對外部噪聲輻射有明確要求，還有VIBR入級符號對設(shè)備基座振動的明確要求。同時，由于振動噪聲預(yù)報和實(shí)測可能存在偏差，因此減振降噪是客滾船重大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。本船化解此挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 仔細(xì)梳理振動噪聲預(yù)報的輸入條件，如船體結(jié)構(gòu)剛度和振動噪聲激勵源等，以提升預(yù)報精度，使振動噪聲預(yù)報盡量與實(shí)船情況相符。

2) 全程跟蹤預(yù)報輸入條件的更新和輸出要求的落實(shí)。對于主機(jī)、輔機(jī)和風(fēng)機(jī)等激勵源，消音器、內(nèi)裝板和彈性吊架等減振降噪阻尼，根據(jù)實(shí)際訂貨，及時更新；對于要求增加的甲板阻尼、支柱結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等，嚴(yán)格落實(shí)，確保減振降噪效果。

3) 仔細(xì)消化振動噪聲測量要求，提前安排各項(xiàng)內(nèi)部測試和風(fēng)險排查，并通過經(jīng)驗(yàn)分析和理論計(jì)算對個別不達(dá)標(biāo)項(xiàng)進(jìn)行事先整改，一次性通過所有振動噪聲測試。

1.6 滾裝設(shè)備挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

客滾船為加快碼頭裝卸貨速度，一般采用雙層同時裝或卸的方式，且能艏進(jìn)艉出、艉進(jìn)艏出，避免船舶和貨車掉頭，因此船上一般設(shè)有艏門，該設(shè)備是客滾船的標(biāo)志性設(shè)備。艏門的設(shè)計(jì)與建造面臨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工區(qū)域狹窄、建造工藝復(fù)雜和安裝調(diào)試?yán)щy等難點(diǎn)，是客滾船重大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。本船化解此挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 詳細(xì)考察港口設(shè)施，確保船用滾裝設(shè)備與碼頭設(shè)施匹配；在設(shè)計(jì)中，充分利用3D模型核查滾裝設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的接口，提前發(fā)現(xiàn)干涉問題，消除風(fēng)險。

2) 密切協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)院的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和廠家的滾裝設(shè)備設(shè)計(jì)，尤其是及時發(fā)現(xiàn)雙方的有限元分析所采用的鎖緊點(diǎn)彈性系數(shù)相差1個數(shù)量級，導(dǎo)致鎖緊力結(jié)果差異巨大，及時協(xié)調(diào)雙方更新計(jì)算，避免重大返工。

3) 攻克一系列滾裝設(shè)備制造和安裝工藝難題，尤其是艏門3D割縫工藝(要求不大于10 mm)和扭曲橡皮條安裝工藝等，實(shí)現(xiàn)艏門的制造和安裝一次性達(dá)標(biāo)。

1.7 內(nèi)裝工程挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

客船內(nèi)裝工程量巨大，是客船設(shè)計(jì)建造的核心，也是重大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。本船化解此挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 創(chuàng)新項(xiàng)目管理模式。

在初期經(jīng)過充分調(diào)研之后，戰(zhàn)略性決定與德國專業(yè)內(nèi)裝公司成立合資公司，采取內(nèi)裝區(qū)域集中管理模式，確保項(xiàng)目取得成功。這種設(shè)計(jì)管理模式的優(yōu)勢在于：

(1) 內(nèi)裝大包采用公司制管理，能確保項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量和成本達(dá)到最佳平衡；同時，利用國外總包公司先進(jìn)成熟的管理模式、系統(tǒng)和技術(shù)，將其與本土團(tuán)隊(duì)相結(jié)合，能在較高起點(diǎn)上開展項(xiàng)目實(shí)施。

(2) 各方形成項(xiàng)目利益共同體，內(nèi)裝大包供應(yīng)商既能代表船廠與國外船東和藝術(shù)設(shè)計(jì)師溝通內(nèi)裝設(shè)計(jì)，又能順暢地與船廠技術(shù)團(tuán)隊(duì)完成背景工程與內(nèi)裝工程的協(xié)調(diào)，還能以設(shè)計(jì)和工藝為龍頭發(fā)展國內(nèi)供應(yīng)鏈，開發(fā)出符合歐洲品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的配套產(chǎn)品，從而降低建造成本。

(3) 首制船在國外技師的現(xiàn)場指導(dǎo)下，通過詳細(xì)的施工圖紙，讓本土工人打造出具有歐洲品質(zhì)的產(chǎn)品。

2) 創(chuàng)新技術(shù)管理模式。

(1) 在內(nèi)裝基本設(shè)計(jì)階段，既考慮表面的藝術(shù)呈現(xiàn)，使乘客擁有良好的乘船體驗(yàn)，又考慮背后的技術(shù)設(shè)計(jì)，滿足規(guī)范規(guī)則的要求，通過不斷協(xié)調(diào)藝術(shù)設(shè)計(jì)師的藝術(shù)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)公司的技術(shù)設(shè)計(jì)，保證雙方圖紙的一致性，實(shí)現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一;

(2) 在內(nèi)裝詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，各方采用全程3D一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全球設(shè)計(jì)資源協(xié)同，保證船舶背景工程與內(nèi)裝工程交界面接口準(zhǔn)確，確保材料訂貨和施工計(jì)劃全面順利展開;

(3) 建立船東供品技術(shù)管理體系，全面梳理各設(shè)備的風(fēng)水電氣需求和接口信息時間訴求，將多而雜的船東供品管理得井井有條。

1.8 推進(jìn)系統(tǒng)挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

推進(jìn)系統(tǒng)是客滾船的核心系統(tǒng)，其可靠性對于班輪而言至關(guān)重要，是客滾船設(shè)計(jì)建造的核心挑戰(zhàn)之一。本船化解此挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 優(yōu)化機(jī)艙布置。綜合考慮推進(jìn)系統(tǒng)冗余和破艙穩(wěn)性要求，采用前后機(jī)艙布置。機(jī)艙長度較短，空間狹窄。一方面對安全返港系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則(分隔、雙套、冗余和保護(hù)等)進(jìn)行優(yōu)化，減少設(shè)備配置，簡化系統(tǒng)管路；另一方面對機(jī)艙進(jìn)行綜合布置優(yōu)化，妥善布置設(shè)備和優(yōu)化管線路徑，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙最優(yōu)化布置。

2) 攻關(guān)長軸系安裝工藝，消除軸系橫振風(fēng)險。在設(shè)計(jì)中，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)公司的V型架和I型架剛度與廠家的假定剛度相差1個數(shù)量級的問題，通過詳細(xì)計(jì)算和仔細(xì)論證，排除共振風(fēng)險。最終軸系運(yùn)行狀態(tài)良好，振動和噪聲均未超標(biāo)，且軸系效率較高，單槳模式下的船速(18.5 kn)就超過了運(yùn)營航速(18.0 kn)。

1.9 空冷通設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

與其他船型相比，客滾船貨艙區(qū)機(jī)械通風(fēng)與上層建筑區(qū)域空調(diào)通風(fēng)有其獨(dú)特的特點(diǎn)。

與貨滾船相比，客滾船的貨艙通風(fēng)風(fēng)道雖然也常藏于舷側(cè)強(qiáng)肋骨間，但存在很大不同：風(fēng)道截止于居住區(qū)域下方，無法布置大型的風(fēng)機(jī)房；艏部風(fēng)道均位于角落處，空間狹??；受客船破艙穩(wěn)性的影響，下貨艙進(jìn)風(fēng)口橫穿至船中，管道曲折?？蜐L船貨艙通風(fēng)具有無風(fēng)機(jī)房、空間狹小和管道曲折的特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率低、管道風(fēng)阻大、風(fēng)機(jī)功率大、風(fēng)機(jī)噪聲高。為保證舒適性，需加長消音器，導(dǎo)致壓降進(jìn)一步惡化，風(fēng)機(jī)功率進(jìn)一步加大。大的風(fēng)機(jī)、長的消音器與狹小空間存在嚴(yán)重干涉，需妥善解決。

與郵船不同，客滾船的客艙多為4人標(biāo)間，使用風(fēng)機(jī)盤管并不能顯著降低新風(fēng)量，因此大部分客滾船采用全新風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致空調(diào)通風(fēng)量巨大，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)出風(fēng)風(fēng)道大，噪聲高，很難實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)室分布式布置，更多是在頂甲板分主豎區(qū)集中布置，這會導(dǎo)致風(fēng)管數(shù)量多，需分上、中、下等3層布置，給空間布置帶來挑戰(zhàn)。

本船化解空冷通技術(shù)挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 在整個設(shè)計(jì)流程中多次進(jìn)行計(jì)算和迭代，最終優(yōu)化平衡。首先根據(jù)預(yù)估的風(fēng)機(jī)壓力對風(fēng)機(jī)進(jìn)行初選型；然后根據(jù)風(fēng)機(jī)噪聲參數(shù)對消音器進(jìn)行初選型；接著根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行壓降力計(jì)算，調(diào)整風(fēng)機(jī)型號；隨后重新進(jìn)行噪聲計(jì)算，調(diào)整消音器型號；最后核算壓降和噪聲，直至所有指標(biāo)都在要求的范圍內(nèi)?？紤]到不可控風(fēng)險，建議風(fēng)機(jī)壓力有15%～20%的余量，噪聲有3～5 dB的余量。

2) 在空調(diào)風(fēng)管布置中，采用詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)一體化建模，優(yōu)化風(fēng)管路徑，減少設(shè)計(jì)施工工作量。

3) 大量運(yùn)用橢圓風(fēng)管，提高梁上減輕孔的利用率，減少結(jié)構(gòu)修改量和環(huán)繞，縮短風(fēng)管長度。

1.10 安全返港設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

客船安全返港的法規(guī)要求只是一個目標(biāo)性標(biāo)準(zhǔn)，并無詳細(xì)的描述性指導(dǎo)準(zhǔn)則可用于具體設(shè)計(jì)中，加上安全返港設(shè)計(jì)從概念設(shè)計(jì)開始，貫穿設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試和驗(yàn)證全過程，是一項(xiàng)龐雜的系統(tǒng)工程，如何滿足安全返港要求成為客船新造船項(xiàng)目的重點(diǎn)難題之一[4]。本船化解此挑戰(zhàn)采取的措施有：

1) 在概念設(shè)計(jì)階段，提前考慮安全返港的設(shè)計(jì)策略。在此階段側(cè)重于規(guī)劃各類處所的基本布局并選擇安全區(qū)域，規(guī)劃重要系統(tǒng)管道/電纜主干路徑和設(shè)備布置方案，同時著重消化法規(guī)要求，并與船級社和船旗國溝通確認(rèn)有無特殊要求。

2) 在基本設(shè)計(jì)階段，根據(jù)設(shè)計(jì)策略確定各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。該階段的關(guān)鍵是制定各安全返港系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，說明本系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)故障備份和系統(tǒng)冗余的。

3) 在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，需把設(shè)計(jì)原則落實(shí)到每個系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)中。該階段的關(guān)鍵是對詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙和安全返港文件進(jìn)行相互印證和修改調(diào)整，建立安全返港模型并進(jìn)行風(fēng)險分析。

4) 在生產(chǎn)建造階段，主要跟蹤船東和船檢的意見、工藝改進(jìn)等產(chǎn)生的修改。該階段需特別注意施工部門未按圖施工導(dǎo)致的施工路徑與放樣路徑不符的情況。

5) 在調(diào)試驗(yàn)證階段，需確保設(shè)備和系統(tǒng)的各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)，并分事故場景進(jìn)行模擬丟失試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)際場景與風(fēng)險分析結(jié)果的一致性。該階段正式報驗(yàn)時有船東、船檢和船旗國參與，需確保一次成功。

本船安全返港涉及19個系統(tǒng)、約4 000根電纜，通過有效管控，實(shí)現(xiàn)了一次通過所有檢驗(yàn)。

2 結(jié) 語

本文選取客滾船設(shè)計(jì)建造過程中的十大技術(shù)挑戰(zhàn)，簡述了挑戰(zhàn)成因。同時，簡述了：通過線型優(yōu)化，化解快速性挑戰(zhàn)；通過解決橫貫進(jìn)水，化解破艙穩(wěn)性挑戰(zhàn)；通過建立控制體系，化解重量控制挑戰(zhàn)；通過精準(zhǔn)協(xié)調(diào)，化解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)；通過有效管控，化解減振降噪挑戰(zhàn)；通過工藝攻關(guān)，化解滾裝設(shè)備挑戰(zhàn)；通過管理創(chuàng)新，化解內(nèi)裝工程挑戰(zhàn)；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，化解推進(jìn)系統(tǒng)挑戰(zhàn)；通過迭代優(yōu)化，化解空冷通挑戰(zhàn)；通過技術(shù)管控體系，化解安全返港挑戰(zhàn)。