12 500 t重型起重機(jī)敞口多用途船設(shè)計(jì)

樊紅元，楊 博，徐宜兵

(上海船舶設(shè)計(jì)研究院，上海 201203)

0 引 言

重型起重機(jī)多用途船攬貨能力較強(qiáng)，尤其適合成套大型工程設(shè)備的運(yùn)輸[1]，并具有較強(qiáng)的市場適應(yīng)能力。為適應(yīng)垂直裝載超高超重工程設(shè)備，敞口(無艙蓋)多用途船的概念隨之產(chǎn)生[2]。國際海事組織(IMO)對敞口船的規(guī)定僅為針對集裝箱船的《敞口集裝箱船檢驗(yàn)暫行導(dǎo)則》(簡稱《暫行導(dǎo)則》)[3]，多用途船無相應(yīng)的規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)。業(yè)內(nèi)實(shí)船建造的敞口多用途船多數(shù)入級挪威船級社(DNV)，具體審圖檢驗(yàn)依據(jù)參照《暫行導(dǎo)則》和船旗國主管當(dāng)局要求及船級社針對敞口多用途船具體特點(diǎn)的一些特殊要求。為適應(yīng)市場需求，DNV于2017年推出針對多用途船的附加船級符號“Hatchcoverless”，明確敞口多用途船設(shè)計(jì)規(guī)范，為業(yè)界敞口多用船研發(fā)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組對12 500 t重型起重機(jī)多用途船優(yōu)化升級，開發(fā)12 500 t重型起重機(jī)敞口多用途船，增加敞口功能，提高船舶裝載靈活性，增強(qiáng)攬貨能力。

1 船型概況

該型船主尺度：總長，147.00 m；型寬，22.80 m；結(jié)構(gòu)吃水，8.18 m；敞口吃水，7.00 m。該型船具有無限航區(qū)，主要用于長大件、超高件和重貨運(yùn)輸，并可運(yùn)輸常規(guī)貨物，如集裝箱、散貨和危險(xiǎn)品等；綠色環(huán)保，無人機(jī)艙；配備MAN G型超長沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、艏側(cè)推進(jìn)器、大直徑高效定距槳；前傾艏柱加球鼻艏和方艉，駕駛室、起居處所和機(jī)艙位于艉部，設(shè)置艏樓和艉樓；上甲板為連續(xù)甲板，設(shè)置2個(gè)箱形結(jié)構(gòu)貨艙，貨艙內(nèi)底載荷為18.0 t/m2，第一貨艙長為12.75 m，第二貨艙長為76.50 m；第一貨艙配備1對液壓折疊式艙蓋，第二貨艙配備4對液壓折疊式艙蓋和1對吊離式艙蓋組合；上甲板配備2臺(tái)起重能力為250 t的重型起重機(jī)，聯(lián)吊能力可達(dá)500 t。該型船配置2層活動(dòng)式貨艙二甲板，甲板可比貨艙多裝2列集裝箱。

2 總體布置

該型船總體布置如圖1所示。

圖1 總體布置

貨艙是船舶攬貨能力的體現(xiàn)，方便裝卸貨，可裝載長大件重貨是該型船一大特色[4]。貨艙開口尺寸和貨艙底部相同，貨物裝載無盲區(qū)。第二貨艙適合在艙內(nèi)裝載長大件重貨，無艙蓋設(shè)計(jì)可裝載超高件?；顒?dòng)二甲板可用作移動(dòng)橫艙壁，根據(jù)需要將貨艙分為2個(gè)或多個(gè)區(qū)域，使運(yùn)載形式更加靈活。內(nèi)底和艙壁無凸出設(shè)計(jì)可避免貨損，便于裝貨。第一貨艙配備的吊離式艙蓋不僅可使用起重機(jī)操作吊離，而且可沿艙口圍由電機(jī)驅(qū)動(dòng)前后移動(dòng)。很多大件，例如風(fēng)車葉片和塔式起重機(jī)等，可直接放在艙蓋上面運(yùn)輸。艙蓋面積越大，裝貨越方便，經(jīng)濟(jì)效益越好。在通常設(shè)計(jì)下，艙蓋外側(cè)與舷邊存在一定距離，該型船為充分利用邊艙上方面積，在艙蓋與舷側(cè)之間設(shè)計(jì)載貨平臺(tái)，平臺(tái)上表面與艙蓋齊平，以此增加甲板載貨面積。該型船配備貨艙二甲板，在貨艙內(nèi)有2個(gè)高度位置。在水平擱置時(shí)貨艙分為上下層，便于裝運(yùn)各種雜貨。在作為移動(dòng)橫艙壁時(shí)共有4個(gè)位置，可將貨艙沿船長方向分為不同區(qū)域，便于貨物分票。在用于裝載谷物時(shí)可有效降低谷物傾側(cè)力矩，改善穩(wěn)性。貨艙二甲板具有多個(gè)存放位置，可存放在上層建筑前方、貨艙艙蓋上面、第一貨艙內(nèi)和第二貨艙首部，這樣可用于調(diào)節(jié)船舶浮態(tài)及船舶穩(wěn)性，一舉多得。

該型船左舷配備2臺(tái)250 t能力的重型起重機(jī)，滿足聯(lián)吊距舷側(cè)11.00 m位置處500 t貨物的要求，整個(gè)起吊過程無浮箱平衡。重型起重機(jī)布置主要考慮如下問題：(1)吊臂覆蓋集裝箱、貨艙二甲板和吊梁的位置；(2)在聯(lián)吊時(shí)應(yīng)考慮長大件貨物的回轉(zhuǎn)空間需求；(3)吊臂的托架布置，并核實(shí)艙蓋打開是否相碰；(4)吊臂存放與貨艙二甲板存放位置協(xié)調(diào)；(5)主鉤存放方式。

3 敞口設(shè)計(jì)

3.1 敞口狀態(tài)的吃水

船舶所有人提供的目標(biāo)貨物電纜卷車質(zhì)量為1 205 t，長度為24.10 m，寬度為10.75 m，高度為26.60 m，貨物重心為13.30 m。第二貨艙敞口裝載2個(gè)電纜卷車，如圖2所示；第一貨艙空。選用該工況作為基本工況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，7.00 m初步作為敞口吃水。需要通過耐波性模型試驗(yàn)、完整穩(wěn)性計(jì)算和破損穩(wěn)性計(jì)算確定7.00 m吃水下的干舷是否滿足要求，需要校核7.00 m敞口吃水下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖2 電纜卷車裝載示例

3.2 完整穩(wěn)性和強(qiáng)度

船舶所有裝載工況除滿足IMO完整穩(wěn)性的相關(guān)要求外，在滿載狀態(tài)下須假設(shè)所有開口貨艙浸水至艙頂以上2.00 m，假設(shè)海水密度為1.025 t/m3，此時(shí)船舶的完整穩(wěn)性應(yīng)滿足《經(jīng)修正的1974年國際海上人命安全公約》(簡稱《SOLAS公約 1974》)第Ⅱ-1章B-1部分《國際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》的殘存橫準(zhǔn)(S=1)要求[5]。該型船的殘存橫準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果如表1所示，滿足要求。

表1 殘存衡準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

強(qiáng)度是指完整浸水狀態(tài)下的總縱和局部強(qiáng)度。完整浸水狀態(tài)是指最不利的浸水情況，是一項(xiàng)重要的安全標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則[5]。規(guī)范要求滿載加所有開口貨艙浸水至艙頂以上2.00 m或浸水至排水舷口下沿，校核總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度。由于規(guī)范要求浸水量不大，因此第二貨艙浸水2.00 m工況和總縱彎矩與剪力低于設(shè)計(jì)吃水下的均質(zhì)貨物工況不需要額外考慮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

3.3 破損穩(wěn)性

破損穩(wěn)性是該型船難點(diǎn)之一。第二貨艙超船長一半，貨艙凈開口17.60 m，占型寬77%。在發(fā)生破損后，第二貨艙進(jìn)水量較大，對概率破損穩(wěn)性[6]提出較高要求?？紤]典型裝載工況的縱傾，按照《SOLAS公約 2009》要求，采取各種措施提高達(dá)到的分艙因數(shù)A值[7]，最大限度降低破損穩(wěn)性對非敞口狀態(tài)裝載工況的極限初穩(wěn)心高度hGM的影響。

敞口狀態(tài)需要滿足《SOLAS公約》破損穩(wěn)性要求，部分吃水和敞口吃水下的貨艙滲透率取0.90[8]，輕載營運(yùn)吃水下的貨艙滲透率取0.95，該要求高于非敞口狀態(tài)?？紤]敞口吃水較小，壓載水裕量較大，可用于調(diào)縱傾，因此僅考慮平浮狀態(tài)，無附加縱傾，以減少模型試驗(yàn)成本，并可滿足營運(yùn)要求。兩舷A值均大于要求的分艙因數(shù)R值，敞口破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 敞口破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

3.4 敞口耐波性模型試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的波譜為JONSWAP譜，對于僅在限定海域營運(yùn)的船舶，船級社允許采用其他波譜。根據(jù)規(guī)范要求，試驗(yàn)應(yīng)在長峰不規(guī)則波中進(jìn)行，應(yīng)營造在最不利波浪周期情況下有義波高為8.50 m的波浪，由風(fēng)引起海水飛濺的影響不用考慮。

試驗(yàn)的5個(gè)浪向?yàn)椋弘S浪(0°/360°)；尾斜浪(45°/315°)；橫浪(90°/270°)；首斜浪(135°/225°)；迎浪(180°)。至少應(yīng)進(jìn)行3個(gè)速度的模型試驗(yàn)：(1)首斜浪和迎浪中的最大持續(xù)船速；(2)隨浪和尾斜浪中的最小操縱船速；(3)橫浪中的零速(癱船狀態(tài))。

船級社要求模型試驗(yàn)應(yīng)采用自航無約束模型進(jìn)行，航向不動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)至少對應(yīng)實(shí)船時(shí)間1 h。模型試驗(yàn)的吃水取敞口吃水7.00 m。完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性確定最小的hGM值，與最不利波浪周期共振的hGM值進(jìn)行比較，取兩者中的大值作為最終的hGM值，此時(shí)在橫搖時(shí)敞口貨艙上浪進(jìn)水量最大。在每個(gè)航次結(jié)束后，均將艙內(nèi)上浪進(jìn)水全部抽出并測量其體積，以排除試驗(yàn)過程中的積水對初穩(wěn)心高度、慣性矩和排水量產(chǎn)生明顯影響，同時(shí)記錄船舶運(yùn)動(dòng)、航速、相對運(yùn)動(dòng)和舵角等數(shù)據(jù)。

為進(jìn)一步減少上浪采取如下措施：(1)第一貨艙常規(guī)設(shè)計(jì)，在敞口航行時(shí)貨艙蓋關(guān)閉；(2)艏部設(shè)置擋浪罩；(3)為減少迎浪工況和上浪進(jìn)水，創(chuàng)造性地在擋浪罩上面額外增加1個(gè)擋浪板，如圖3所示。

圖3 新增擋浪板

船級社規(guī)范要求模型試驗(yàn)測得的敞口貨艙每小時(shí)最大上浪進(jìn)水量不超過敞口面積乘以400 mm/h。進(jìn)水測量試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，滿足規(guī)范要求。結(jié)合完整穩(wěn)性、強(qiáng)度和破損計(jì)算，該型船敞口吃水7.00 m選取合理，滿足規(guī)范和實(shí)際營運(yùn)需求。

3.5 敞口貨艙的艙底水系統(tǒng)

規(guī)范要求艙底水系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的排水能力，可排放如下5項(xiàng)中的較大者：(1)由模型試驗(yàn)結(jié)果確定航行狀態(tài)下的每小時(shí)貨艙最大上浪量；(2)不考慮防雨棚，100 mm/h的降雨量；(3)模型在橫浪癱船狀態(tài)下耐波性試驗(yàn)所測得的每小時(shí)貨艙上浪量乘以安全因數(shù)2；(4)最大敞口貨艙內(nèi)的消防所需要水量的133%；(5)相當(dāng)于封閉貨艙所需要的排量。應(yīng)至少有3臺(tái)艙底泵可用于排放貨艙艙底水，在該類泵中至少有1臺(tái)應(yīng)具備不小于上述所要求的排量，至少有2臺(tái)泵的組合排量不小于上述所要求的排量。結(jié)合表3，該型船配置1臺(tái)500 m3/h應(yīng)急艙底泵，2臺(tái)450 m3/h壓載泵兼艙底泵，滿足規(guī)范要求。

表3 進(jìn)水測量試驗(yàn)結(jié)果 mm/h

4 節(jié)能環(huán)保措施

(1)型線優(yōu)化，艏部全參數(shù)化建模用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析，3%以上收益；進(jìn)行基于Operation Profile軟件的多工況優(yōu)化，兼顧常用工況快速性；德國漢堡水池(HSVA)評估結(jié)果優(yōu)秀；丹麥力量科技(FORCE Technology)水池驗(yàn)證，船舶所有人高度評價(jià)。

(2)主機(jī)油耗低，選用MAN G型主機(jī)，最終日油耗約15.9 t/d。

(3)按照DNV的“CLEAN”和“SCRUBBER READY”等環(huán)保符號設(shè)計(jì)，滿足硫氧化物(SOx)排放要求，配壓載處理裝置，并保留壓載水溢流，滿足《壓載水管理及壓載水管理計(jì)劃編制指南(G4)：MEPC.306(73)》的應(yīng)急措施要求，編制滿足歐盟有害物質(zhì)清單(Inventory of Hazardous Material，IHM)要求；能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)滿足Phase Ⅲ要求，能效指標(biāo)先進(jìn)。

(4)大膽采用節(jié)能技術(shù)，例如變頻泵和變頻風(fēng)機(jī)。在海水冷卻系統(tǒng)中，主海水冷卻泵采用變頻控制，可通過對海水溫度和低溫冷卻淡水溫度的監(jiān)測，利用變頻技術(shù)控制主海水冷卻泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低消耗功率，達(dá)到節(jié)能目的。在機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)中，機(jī)艙風(fēng)機(jī)采用變頻控制，通過監(jiān)測外界環(huán)境溫度和機(jī)艙內(nèi)溫度，利用變頻技術(shù)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低消耗功率，達(dá)到節(jié)能目的。

(5)該型船使用箱式冷卻器，管路單一，系統(tǒng)簡單，效率較高[9]。

5 結(jié) 語

項(xiàng)目組研究某型節(jié)能環(huán)保重型起重機(jī)敞口多用途船，性能指標(biāo)優(yōu)秀，攬貨能力強(qiáng)，尤其適合長大件重貨運(yùn)輸。在總體布置方面，在第二貨艙艙蓋與舷側(cè)之間設(shè)計(jì)載貨平臺(tái)，其載荷與相同區(qū)域的貨艙蓋相同，上表面平整，無任何凸出物，可實(shí)現(xiàn)超大工程設(shè)備的不拆解運(yùn)輸?？紤]敞口航行的實(shí)際營運(yùn)工況確定敞口狀態(tài)的吃水為7.00 m，根據(jù)DNV規(guī)范校核敞口狀態(tài)下的完整穩(wěn)性、破損穩(wěn)性和總縱強(qiáng)度，并通過敞口耐波性模型試驗(yàn)證明敞口狀態(tài)吃水確定為7.00 m是合適的。為保證敞口航行安全，根據(jù)規(guī)范配備足夠排水能力的艙底水系統(tǒng)。