大開口箱形貨艙多用途船總體設(shè)計

孫海曉，趙耀中，孫海素

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 前 言

多用途船因其自身設(shè)備齊全、分艙靈活、可載運(yùn)貨品種類多，具備較強(qiáng)的攬貨能力，可應(yīng)對復(fù)雜多變的航運(yùn)市場環(huán)境。 8 800 DWT 多用途船由上海船舶研究設(shè)計院設(shè)計、 宜昌達(dá)門船舶有限公司承建， 于2022 年2 月交付船東上海長江輪船有限公司使用。

該多用途船是一型單機(jī)單槳、低速柴油機(jī)驅(qū)動的可全球航行的多用途船， 適合裝載各類包裝貨、件雜貨、大型工程件，以及煤、礦石等散裝貨品，具備《國際海運(yùn)危險貨物規(guī)則》（IMDG Code）第1～9 類危險品的裝載能力，貨艙蓋上可載運(yùn)集裝箱。 采用S-bow 直立隱形球首低阻線型，匹配高效螺旋槳，船舶快速性優(yōu)秀。 設(shè)首樓和尾樓，包括駕駛室在內(nèi)的起居處所布置在船尾。 上甲板以下，首部設(shè)首尖艙、淡水艙和首側(cè)推艙，中部貨艙區(qū)域布置兩個大開口箱型貨艙，第一貨艙口長25.9 m、寬15.3 m，第二貨艙口長50.4 m、寬15.3 m。貨艙間的抗扭箱兼做燃油深艙，雙層底和雙舷側(cè)設(shè)有壓載水艙。 船尾為機(jī)艙和尾尖艙。 貨艙配備液壓折疊艙蓋，其表面形成一個長度超過80 m 的無遮蔽載貨平臺。 在貨艙左側(cè)設(shè)兩臺最大起吊能力為50 t 的甲板起重機(jī)，具備聯(lián)吊100 t 的能力。 總體布置如圖1 所示，主要技術(shù)參數(shù)如下：

圖1 總布置圖

該船掛旗國：中國；CCS 船級，入級符號：CCS ★CSA General Dry Cargo Ship，Double Side Skin；Strengthened for Heavy Cargoes；Ice Class B；Grab*（20）；PSPC（B）；SOLAS II-2 Reg.19；Loading Computer（S，I）；In-Water Survey；

★CSM MCC；G-ECO（BWM（T））。

1 線型設(shè)計與主機(jī)選型

根據(jù)營運(yùn)需要，船東要求服務(wù)航速不低于12 kn且主機(jī)日均油耗不超過8.0 t，并應(yīng)具有足夠的功率儲備，以應(yīng)對惡劣海況的影響。 該船采用上海船舶研究設(shè)計院新近開發(fā)的優(yōu)秀線型作為母型，見圖2，結(jié)合布置要求，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：

圖2 線型CFD 模型（上為母型船，下為目標(biāo)船）

1） 根據(jù)多用途船貨品種類繁多、實(shí)際營運(yùn)中吃水范圍較大的特點(diǎn)，采用S-bow 直立船首，可改善船舶非平浮狀態(tài)由球首導(dǎo)致的阻力增加，同時兼顧其他吃水的快速性能，不會出現(xiàn)典型球首線型在設(shè)計吃水以外可能出現(xiàn)的阻力陡增情況；

2） 為實(shí)現(xiàn)箱形貨艙設(shè)計，線型設(shè)計中減小中橫剖面系數(shù)，使得排水量盡量向首尾兩端分布，增加平行中體長度，液壓折疊艙蓋要求貨艙開口寬度前后一致，因此水線以上部分線型在保證無抨擊風(fēng)險的前提下采用外飄設(shè)計，滿足液壓折疊艙蓋布置和系泊布置要求，見圖3；

圖3 線型橫剖面（虛線為母型船，實(shí)線為目標(biāo)船）

3） 借助CFD 手段，優(yōu)化進(jìn)流段、去流段以及水線形狀，優(yōu)化螺旋槳前端線型，將排水量更多集中到螺旋槳以上部分，改善螺旋槳伴流，保證良好的快速性能。

從圖4 的自由面波形以看出，從中部開始一直延續(xù)至尾部，目標(biāo)船線型的興波更加平緩。 經(jīng)CFD驗(yàn)證，盡管目標(biāo)船排水量較母型船增加1.78%，但有效功率較母型船仍降低了1.63%。

圖4 自由面波形對比（上為母型船，下為目標(biāo)船）

基于優(yōu)化后的船舶線型， 滿足船舶航速條件下，主機(jī)選型可考慮：

1）中速機(jī)方案，如廣柴8G26 機(jī)型；

2）低速機(jī)方案，如MAN 5S35ME-B9.7 機(jī)型。

兩種主機(jī)機(jī)型方案對比見表1。

表1 主機(jī)選型方案對比表

相比于中速柴油機(jī)方案，采用低速機(jī)方案在營運(yùn)過程中具有良好的經(jīng)濟(jì)性，主要體現(xiàn)在：

1）低速機(jī)較中速機(jī)單位油耗降低近10%；

2）低速機(jī)螺旋槳轉(zhuǎn)速低，螺旋槳推進(jìn)效率高；

3）低速機(jī)不需配置齒輪箱，軸系效率高；

4）低速機(jī)主機(jī)長度較短，有利于增加貨艙艙容；

5） 低速機(jī)主機(jī)最大持續(xù)輸出功率較高，保證了船東要求的足夠功率儲備要求。

該船主機(jī)采用了更加節(jié)能環(huán)保的低速柴油機(jī)MAN B&W 5S35ME-B9.7，日油耗僅為8.0 t，較中速機(jī)方案降低了近16.7%。

除優(yōu)化線型阻力外，設(shè)計中采用多項(xiàng)節(jié)能環(huán)保措施，主要有：設(shè)置首側(cè)推蓋，消除首側(cè)推船體開孔導(dǎo)致的阻力增加；配備400 A 岸電箱，在港口碼頭停泊時使用岸電可有效減少廢氣排放和噪聲污染；燃油艙設(shè)隔離空艙， 滿足MARPOL 附則Ⅰ中第12A的要求；壓載水處理裝置等。 經(jīng)船模試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計航速達(dá)到12.28 kn，超出設(shè)計要求。 完工狀態(tài)EEDI的達(dá)到值低于基線28.9%， 遠(yuǎn)超過EEDI 第3 階段（降低15.21%）要求，能效指標(biāo)非常先進(jìn)。

2 總體布置

2.1 適貨性設(shè)計

多用途船通常都有偶爾載運(yùn)散貨的需求， 根據(jù)MSC.277（85）要求，對于此類船應(yīng)滿足雙殼散貨船貨艙距離的要求，以往類似尺度和方形系數(shù)的船舶，只能通過船舶內(nèi)殼傾斜或者設(shè)置臺階滿足要求， 但內(nèi)殼傾斜或設(shè)置臺階會對載運(yùn)包裝以及件雜貨帶來諸多不便，受艙內(nèi)形狀的影響貨艙空間利用率不高。

為適合包裝貨和件雜貨的運(yùn)輸， 兩個貨艙盡可能地設(shè)計為大開口箱型貨艙。 該船方形系數(shù)較小，不足0.76， 船東要求第二貨艙長度達(dá)到50.0 m 以上且形狀盡量規(guī)整，通過協(xié)調(diào)線型設(shè)計和總布置方案，第二貨艙采用全箱型設(shè)計，貨艙規(guī)整且無裝卸盲區(qū)，艙長達(dá)到了50.4 m，尤其適合裝載大型工程件，突破了較小方形系數(shù)船舶內(nèi)殼采用傾斜或者臺階型式的限制，為船東裝貨帶來了極大的便利，獲得了船東高度認(rèn)可，見圖5。第一貨艙長28.7 m，貨艙前端隨線型適當(dāng)內(nèi)縮。 因該艙前端布置折疊艙蓋占據(jù)較大空間，設(shè)計時通過綜合優(yōu)化首部布局合理減少長度， 使得該艙前端盲區(qū)不超2.8 m，方便貨物裝卸。 貨艙內(nèi)底設(shè)計均布載荷為16.0 t/m2，并適用20 t 抓斗操作。

圖5 大開口箱形貨艙尾端橫剖面圖

在第二貨艙配備一層活動二甲板，設(shè)2 個安放高度，營運(yùn)時可根據(jù)貨物尺寸調(diào)整安放位置，增加貨艙的空間利用率和裝載靈活性。 設(shè)計了兩個活動二甲板的堆放位置， 當(dāng)貨艙內(nèi)裝載長大件貨物時，可全部堆放在上層建筑前端確保足夠的貨艙長度，如果裝貨許可， 還可部分堆放于第二貨艙前端，減少綁扎工作量。

為將載貨空間最大化，尾部上層建筑緊湊設(shè)計且盡量靠后布置，首樓也合理縮短。 貨艙蓋設(shè)計均布載荷為4.0 t/m2，適合裝載各種甲板貨物。 根據(jù)船東要求， 艙蓋上僅設(shè)有128 個20 英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱位，配備120 個冷藏集裝箱插座，具備一定的冷鏈運(yùn)輸能力。 根據(jù)船舶布置方案，實(shí)際艙蓋上具備370 個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的載運(yùn)能力， 如艙內(nèi)也可載運(yùn)集裝箱，全船可具備610 個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的載運(yùn)能力。

為提高船舶攬貨能力， 保證船舶良好的浮態(tài)，適應(yīng)內(nèi)河航道航行，通過方案對比，將淡水儲存艙設(shè)置在首部，位于防撞艙壁后方、首側(cè)推艙上方。 這種設(shè)計方案可保證船舶從出港到到港均能保持良好的浮態(tài)，中途不需要補(bǔ)充額外的壓載水，同時有利于降低船體總縱彎矩，保證船舶安全，見表2。 機(jī)艙內(nèi)設(shè)日用淡水艙，供日常淡水使用需求。

表2 首部/尾部淡水艙方案對比

2.2 起貨設(shè)備與艙蓋系統(tǒng)

該船營運(yùn)范圍涵蓋島礁區(qū)域， 部分碼頭的設(shè)施不完善。 為提高碼頭適應(yīng)性，在上甲板左舷設(shè)兩臺最大起吊能力為50 t 的起重機(jī)，最大工作半徑26 m，可覆蓋整個貨艙、 露天載貨區(qū)以及活動二甲板堆放區(qū)，并具備聯(lián)吊100 t 的能力，能輕松應(yīng)對不同貨物的裝卸要求。

No.1 起重機(jī)吊臂擱放在首部桁架式支柱上，No.2起重機(jī)吊臂擱放于駕駛室橋翼左側(cè)。 為盡可能減少起重機(jī)塔身和吊臂引起的駕駛室扇形盲區(qū)， 根據(jù)CCS 的要求，控制吊臂高度使之低于駕駛室向前視線。 在滿足貨物裝載要求的前提下盡量降低起重機(jī)高度，有利于船舶穩(wěn)性。 對多用途船而言，起重機(jī)吊臂高度設(shè)置還需統(tǒng)籌考慮折疊艙蓋的收藏高度，避免相互干涉。

考慮到兩個貨艙的艙口較長，假若采用吊離式艙蓋，因分塊較多，啟閉艙蓋時逐個起吊費(fèi)時費(fèi)力，還需要考慮船上或碼頭的堆放位置，而采用液壓式折疊艙蓋，啟閉速度更快、更方便，但構(gòu)造要復(fù)雜得多，增加維護(hù)的難度與費(fèi)用。 船東經(jīng)過權(quán)衡，最終采用液壓式折疊艙蓋。

該船艙蓋的設(shè)計需考慮艙蓋收藏位置對貨艙長度和盲區(qū)的影響，同時應(yīng)避免同起重機(jī)基座和吊臂相互干涉。 第一貨艙艙蓋折疊方式可采用前后兩折或前四折2 種備選方案， 如采用前后兩折方案，雖然艙蓋設(shè)計和維護(hù)要更簡便，但該艙后面的艙蓋啟閉將與No.1 起重機(jī)基座干涉。 第二貨艙艙口較長，艙蓋折疊方式可采用前四后二或前二后四2 種備選方案。 采用前二后四方案，兩貨艙之間的間隔更小，有利于增加貨艙長度。

2.3 機(jī)艙布置

該船采用低速柴油機(jī)推進(jìn)，冷藏集裝箱數(shù)量較多， 配置2 臺650 kW 和1 臺400 kW 發(fā)電機(jī)組，均布置在機(jī)艙。 因尾部線型快速收窄，機(jī)艙空間狹小，給機(jī)艙布置帶來較大難度。 該船將燃油澄清艙和日用艙嵌入到儲存艙內(nèi)，同時保留燃油儲存艙與貨艙的隔離，避免燃油澄清艙和日用艙高溫傳遞到貨艙危及貨艙內(nèi)裝載的危險貨品。 利用上層建筑前方空間，增設(shè)甲板室作為機(jī)艙區(qū)域的一部分，用作存儲二氧化碳和空氣瓶，同時甲板室頂用于堆放貨艙二甲板活動艙蓋。 機(jī)艙布置簡圖見圖6。

圖6 機(jī)艙布置簡圖

3 船舶穩(wěn)性

3.1 聯(lián)吊穩(wěn)性

IMO 決議MSC.415（97）對2008 IS Code 中B 部分推薦性衡準(zhǔn)的修正案增加了對用于起重作業(yè)的船舶起吊工況以及重物失落工況穩(wěn)性校核的要求，適用于2020 年1 月1 日及之后鋪設(shè)龍骨或是改造為起重作業(yè)的船舶。為保證船舶營運(yùn)安全，該船按照MSC.415（97）推薦的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求進(jìn)行校核。

起吊工況考核2 臺起重機(jī)聯(lián)吊時的情況，按照起吊順序校核4 種工況：

1）起吊準(zhǔn)備；

2）重物吊起；

3）重物經(jīng)過舷側(cè)；

4）重物裝船。

起吊工況滿足以下穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求：

1）IS Code 中A 部分對于完整穩(wěn)性的要求；

2） 船舶橫傾角度，不超過起重設(shè)備允許的工作角度，由設(shè)備資料確定，一般為5°；

3） 該船通常為碼頭作業(yè)，屬于遮蔽海域，船舶剩余干舷不小于0.50 m。

重物失落工況穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求： 遮蔽海域起重作業(yè)，重物失落后的復(fù)原力臂曲線上，曲線從平衡位置到進(jìn)水角度（或穩(wěn)性喪失角度，取小者）下的面積大于從重物失落前橫傾角度到平衡位置下的面積。

通過計算，該船完全滿足聯(lián)吊穩(wěn)性要求。 MSC.415（97）決議并沒有明確重物失落時船舶的裝載情況， 通常考核船舶在空船壓載狀態(tài)下起重作業(yè)，這種情況下船舶重心較低，穩(wěn)性較好，該船空船壓載時重物失落工況的復(fù)原力臂曲線如圖7 所示，圖中A2部分面積達(dá)到了A1部分面積的58 倍。 圖8 為船舶滿載進(jìn)行起重作業(yè)時重物失落工況的復(fù)原力臂曲線，圖中A2部分面積為A1部分面積的5.6 倍，表明船舶滿載進(jìn)行起重作業(yè)時發(fā)生重物失落后的危險程度遠(yuǎn)大于壓載狀態(tài)的起重作業(yè)。

圖7 空船壓載狀態(tài)重物失落工況復(fù)原力臂曲線

圖8 滿載狀態(tài)重物失落工況復(fù)原力臂曲線

3.2 破艙穩(wěn)性

破艙穩(wěn)性不僅關(guān)系到船舶的安全性能，同時還會影響船舶的裝載靈活性。 該船貨艙總長度較大，占到全船總長的近70%， 且第二貨艙長度達(dá)到50.40 m，因此貨艙區(qū)域進(jìn)水量較大，對破艙穩(wěn)性的要求更高。IMO 決議MSC.421（98）SOLAS 修正案修訂了概率性破艙穩(wěn)性計算方法， 適用于2020 年1月1 日之后簽訂建造合同的船舶。 對于干貨船，主要有：

1）壓載吃水狀態(tài)縱傾修訂前要求船舶按照實(shí)際縱傾進(jìn)行計算，修訂后可按照虛擬縱傾；

2） 達(dá)到的分艙指數(shù)加權(quán)計算中，修訂前公式按照某一縱傾狀態(tài)進(jìn)行加權(quán)，修訂后將某一吃水下的所有縱傾狀態(tài)計算的部分指數(shù)值進(jìn)行比較，取最小值進(jìn)行加權(quán)。

破艙穩(wěn)性和船舶裝載情況密切相關(guān)，通常由船舶的裝載情況確定破艙穩(wěn)性計算假定GM （初穩(wěn)性高）許用值，然后進(jìn)一步對船舶進(jìn)行分艙優(yōu)化，使得船舶的分艙滿足假定GM 值下的破艙穩(wěn)性。 該船載運(yùn)集裝箱時，集裝箱裝載重心位置較高，船舶整體GM 值最小。 該船僅艙蓋上裝載128 個集裝箱，且以冷藏集裝箱為主，單個箱重較輕，艙內(nèi)不裝集裝箱。因此在確定破艙穩(wěn)性假定GM 許用值時， 并沒有參考母型船來降低結(jié)構(gòu)吃水下的許用GM 值， 而是有意識地提高結(jié)構(gòu)吃水下的許用GM 值， 保證船舶結(jié)構(gòu)吃水下的航行安全。 同時盡量降低壓載和部分吃水時的許用GM 值，見圖9，目的是在這些工況下船舶營運(yùn)時可盡量減少船舶壓載水用量，提高船舶的能效水平。 船舶傾斜試驗(yàn)后，重量重心位置已確定，此時船舶已基本建造完成，此時可進(jìn)一步降低破艙穩(wěn)性許用GM 值，從而提高船舶的裝載靈活性，為船東帶來更大用船便利，見圖9。

圖9 許用GM 值（含母型船）

表4 列出了該船按照MSC.421（98）修訂前和修訂后破艙穩(wěn)性左舷破損計算結(jié)果，按照修訂后方法計算的分艙指數(shù)較采用修訂前破艙概率方法有所降低，應(yīng)引起足夠重視。 如在總布置中采用了淡水艙設(shè)置在尾部的方案，還根據(jù)縱傾變化，增加壓載吃水虛擬縱傾下分艙指數(shù)計算，并選取分艙指數(shù)最小的壓載吃水工況進(jìn)行加權(quán)計算。

表4 破艙穩(wěn)性計算結(jié)果（左舷）

3.3 分艙優(yōu)化

該船在分艙設(shè)置中，兼顧破艙穩(wěn)性和壓載水管理操作，主要采取以下優(yōu)化性措施：

1） 由于首部線型尖瘦，貨艙可利用率不高，適當(dāng)增加首尖艙長度，以增加端部破艙在概率性破艙穩(wěn)性計算中計入的破損概率比重，對提高整體分艙指數(shù)較有利；

2） 尾部舵機(jī)艙和機(jī)艙設(shè)置水密門，保證尾部端部破損對整體分艙指數(shù)的貢獻(xiàn)；

3）邊艙設(shè)置水密二甲板，位置略高于結(jié)構(gòu)吃水，生存概率計算時可計入水平分隔以上處所不進(jìn)水概率的縮減因數(shù)，有利于提高貨艙區(qū)域破損后的生存概率；

4） 貨艙區(qū)域共設(shè)置5 對邊壓載艙，其中，第一貨艙區(qū)域設(shè)置2 對邊壓載艙， 第二貨艙區(qū)域設(shè)置3對邊壓載艙， 由于靠近首尾端部的壓載艙破損時，引起船舶橫傾時還會引起船舶縱傾，相關(guān)開孔更容易被淹沒，因此壓載艙采用非等長度設(shè)置，盡量減小靠近船舶兩端處邊壓載艙長度，減小該區(qū)域破損進(jìn)水量， 保證靠近端部區(qū)域破損后的生存概率，從而提高整體生存概率；

5） 破艙穩(wěn)性計算中，底部壓載艙破損對破損后橫傾力矩增加較少，為簡化船東對壓載水管理和操作步驟，盡量減少底部壓載艙的分隔，將第三和第四邊壓載艙下對應(yīng)的底部壓載合并，共設(shè)置四對底壓載艙， 優(yōu)化后計算達(dá)到的分艙指數(shù)雖有所減小，但仍可滿足破艙穩(wěn)性要求，見表5。

表5 四對/五對底壓載艙對應(yīng)的分艙指數(shù)

4 結(jié) 語

8 800 DWT 多用途船采用大開口箱形貨艙設(shè)計，功能齊全、適裝貨品多、性能指標(biāo)優(yōu)秀，滿足最新法規(guī)要求，是新一代綠色環(huán)保、實(shí)用經(jīng)濟(jì)的多用途船，其技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到或高于合同要求，EEDI 的達(dá)到值低于基線28.9%，遠(yuǎn)超過第3 階段（降低15.21%）要求，特別是EEDI 能效指標(biāo)非常先進(jìn)而遠(yuǎn)超過第3 階段（降低15.21%）要求。該船投入營運(yùn)后情況良好，得到了船東的高度認(rèn)可。

圍繞多用途船總體布置、線型設(shè)計、分艙優(yōu)化、起重設(shè)備、艙蓋布置、完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性法規(guī)新要求等方面，較為系統(tǒng)地論述大開口多用途運(yùn)輸船總體設(shè)計方面的主要特點(diǎn)。