62 000 DWT大型多用途船開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

王亞磊，林紹華，鄭慶國(guó)，丁超

(1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203；2上海招商明華船務(wù)有限公司，上海 200120；3.中波輪船股份公司，上海 200002)

立足航運(yùn)公司對(duì)貨物的運(yùn)輸需求，綜合考慮港口貨源供給量、港口操作限制,以及費(fèi)用因素，并結(jié)合長(zhǎng)件貨貨物種類(lèi)調(diào)研，確定船舶主尺度，針對(duì)大型多用途船的船型特點(diǎn)，對(duì)多工況下的快速性能、長(zhǎng)貨艙分艙與貨艙蓋、克令吊布置等因素相互聯(lián)系、結(jié)構(gòu)輕量化、火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析，旨在將雜貨船和小型多用途船的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)大噸位多用途船兼顧重大件貨和散貨的功能。

1 船型特點(diǎn)

在船舶主尺度選取方面，6萬(wàn) t級(jí)別的Ultramax船型深受市場(chǎng)歡迎，其適港性強(qiáng)，主要碼頭都可以靠泊。相比于4萬(wàn)、5萬(wàn) t級(jí)別的靈便型船型，本船規(guī)模效應(yīng)更明顯，投資回報(bào)率更大，同時(shí)6萬(wàn) t級(jí)別的多用途船十分貼合航運(yùn)公司的營(yíng)運(yùn)需求。

通過(guò)總體方案設(shè)計(jì)研究，從多用途船規(guī)范規(guī)則的適用性、總布置方案，以及節(jié)能技術(shù)等方面開(kāi)展，完成多用途船舶總體方案的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。本船型的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船舶主要參數(shù)

該船型可以提升航運(yùn)公司的攬貨能力，能夠裝載谷物、煤炭、鋼卷、高鐵機(jī)車(chē)、風(fēng)電設(shè)備塔筒葉片、大型工程件、集裝箱、紙漿等多類(lèi)貨物。為了滿(mǎn)足貨品的裝載需求，該船型具備以下的特點(diǎn)。

1)箱式貨艙，雙殼雙底設(shè)計(jì)，共5個(gè)貨艙，其中第5貨艙為長(zhǎng)貨艙，艙長(zhǎng)約40 m。

2)貨艙艙蓋為液壓折疊式，提高裝卸效率。

3)貨艙內(nèi)設(shè)多層吊離式二甲板，每塊二甲板的尺寸相同，可以互相替換。

4)露天甲板面平整連續(xù)，具有長(zhǎng)166 m，寬30 m的有效裝貨區(qū)域。

5)配有4臺(tái)邊克令吊，其中2臺(tái)克令吊最大工作負(fù)荷150 t，聯(lián)吊作業(yè)可達(dá)300 t。

6)配有除濕系統(tǒng)，可滿(mǎn)足全船紙漿的除濕要求，保證紙漿運(yùn)輸質(zhì)量。

7)具有隔艙裝載功能，保證散貨裝載的靈活性。

2 多工況線(xiàn)型優(yōu)化

設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注多用途船的布置特色和營(yíng)運(yùn)特點(diǎn)。首先，由于本船的5個(gè)貨艙分艙不均勻，在所有貨艙均質(zhì)滿(mǎn)載和隔艙均質(zhì)滿(mǎn)載的2種工況的縱向重心位置不同，需要平衡兩者的重心位置，然后據(jù)此確定浮心位置；其次，本船的營(yíng)運(yùn)特點(diǎn)是兼顧設(shè)備件雜貨和散貨工況，設(shè)備件雜件貨種類(lèi)繁多，裝載工況吃水變化大，而散貨工況的吃水比較穩(wěn)定，因此在線(xiàn)型設(shè)計(jì)是采用多工況優(yōu)化技術(shù)，保證本船在多個(gè)吃水下的綜合快速性能最優(yōu)。

采用CAESES參數(shù)化建模軟件，對(duì)線(xiàn)型進(jìn)行了多輪的優(yōu)化，包括浮心位置、排水量的縱向分部、首部的UV優(yōu)化，目標(biāo)在于得到最小的興波阻力[1]。而對(duì)尾部線(xiàn)型進(jìn)行半?yún)⒔＃⒔Y(jié)合黏流計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)在于獲得最小的總阻力和最佳的槳盤(pán)面伴流場(chǎng)。通過(guò)調(diào)整參數(shù)化建模方案和變換策略，在一定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)得到更多的有效變化線(xiàn)型，從而獲取到更優(yōu)的方案。

3 總布置特征

3.1 貨艙分艙布局

貨艙分艙為了確定貨艙的數(shù)量和艙長(zhǎng)。貨艙的數(shù)量主取決于船舶穩(wěn)性和強(qiáng)度，艙長(zhǎng)根據(jù)市場(chǎng)上主流的設(shè)備貨、長(zhǎng)件貨品以及集裝箱布置空間要求[2]，同時(shí)還需要考慮二甲板可以互相替換，艙長(zhǎng)和單塊二甲板長(zhǎng)度盡量為整倍數(shù)關(guān)系。

類(lèi)似尺度的散貨船多為5個(gè)貨艙，從貨物尺寸的角度，選擇均勻分艙的方法顯然行不通，因此有3種方案。

1)方案一。3貨艙方案由于貨艙過(guò)大，破損進(jìn)水量大導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足破艙穩(wěn)性。

2)方案二。4貨艙方案如果采用均勻分艙，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)散貨隔艙裝載的功能。1個(gè)長(zhǎng)貨艙加3個(gè)普通貨艙的方法，當(dāng)裝載散貨時(shí)，可以將二甲板作為谷物橫艙壁，這樣就可以解決谷物穩(wěn)性和隔艙裝載的問(wèn)題。但該長(zhǎng)貨艙艙口過(guò)大，如果采用純液壓折疊艙蓋，會(huì)浪費(fèi)很大的艙間艙容，如果貨艙前后兩端采用液壓折疊艙蓋，中間為吊離式艙蓋，會(huì)帶來(lái)2個(gè)問(wèn)題：①2種形式的艙蓋搭接密性問(wèn)題；②吊離艙蓋影響裝卸效率。另外由于本船有載運(yùn)紙漿塊的功能，貨艙過(guò)長(zhǎng)影響紙漿堆放和除濕。

3)方案三。5貨艙方案采用1個(gè)長(zhǎng)貨艙、2個(gè)普通貨艙和2個(gè)短貨艙組合。長(zhǎng)貨艙艙長(zhǎng)40 m、寬27.5 m，滿(mǎn)足了高鐵機(jī)車(chē)、風(fēng)電設(shè)備塔筒這些長(zhǎng)件貨的尺寸要求。該貨艙布置在貨艙段的中部，對(duì)浮態(tài)影響不大?？紤]到貨艙段首尾線(xiàn)型開(kāi)始收縮，因此將2個(gè)短貨艙布置在該區(qū)域，把完整箱式無(wú)臺(tái)階的區(qū)域留給其他3個(gè)貨艙。且第二至第五貨艙的二甲板數(shù)量都為整數(shù)。見(jiàn)圖1。

圖1 貨艙劃分和二甲板布局

3.2 貨艙艙蓋設(shè)計(jì)

由于本船采用為液壓折疊艙蓋，該艙蓋形式比其他的貨艙艙蓋形式效率高。比如，吊離式艙蓋需要克令吊起吊轉(zhuǎn)運(yùn)，有時(shí)還要擱放在碼頭，延長(zhǎng)了港口靠泊時(shí)間；背載式艙蓋雖然操作方便，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有艙口同時(shí)開(kāi)啟進(jìn)行裝卸，也影響效率。

對(duì)于液壓折疊艙蓋雖然具備裝卸效率高的優(yōu)勢(shì)，但同樣也具有明顯的短板，艙口之間要有足夠大的空間，保證液壓舉臂油缸布置及艙蓋開(kāi)啟后前后艙蓋不會(huì)碰到。如果采用散貨船的槽型艙壁，那么艙口之間的主甲板下方存在共8檔長(zhǎng)度的暗艙；如果采用傳統(tǒng)多用途船的板式雙殼艙壁，與艙口圍保持一致，沒(méi)有暗艙，損失約11 000 m3的艙容，約占總艙容的15%。因此，貨艙艙蓋和橫艙壁設(shè)計(jì)需要盡可能減少暗艙和艙容損失。

由于暗艙過(guò)大，影響件雜貨、紙漿塊、二甲板的吊運(yùn)，因此設(shè)計(jì)中模擬了紙漿塊和二甲板的裝卸過(guò)程，保證貨物的起吊中心點(diǎn)在艙口范圍以?xún)?nèi)。據(jù)此確定了每個(gè)貨艙單側(cè)暗艙長(zhǎng)度為2檔。同時(shí)，壓縮艙蓋開(kāi)啟后占據(jù)的空間，在保證一定建造誤差的前提下，盡可能使前后艙蓋面貼近，并優(yōu)化艙蓋的設(shè)計(jì)，減少艙蓋厚度。采用這種布置形式可以將8檔的橫艙壁壓縮為3檔，既可減少貨艙艙容損失，同時(shí)2檔暗艙也不影響貨物裝卸。

由于長(zhǎng)貨艙的艙蓋蓋板比其他貨艙更長(zhǎng)，單塊蓋板最大長(zhǎng)度約12 m，且大開(kāi)口艙蓋更重，采用一舷雙鉸鏈3套舉臂油缸，即兩舷一共4個(gè)端鉸鏈6套舉臂油缸支撐起2塊12 m蓋板，前后相鄰貨艙蓋的舉臂油缸錯(cuò)位布置，保證艙口之間的橫向通道。

3.3 克令吊布置

由于基建設(shè)備大型化，船用吊的起重能力越來(lái)越高，本船共布置4臺(tái)邊克令吊，其中2臺(tái)克令吊最大起吊能力達(dá)到150 t，聯(lián)吊可達(dá)到300 t，前后2臺(tái)克令吊最大起吊能力80 t。

克令吊布置在左舷，為了便于貨物吊運(yùn)，應(yīng)盡量避免克令吊設(shè)置在貨艙中部區(qū)域[3]。但考慮到如果貨物過(guò)長(zhǎng)，從左舷起吊操作不便，因此會(huì)考慮右舷靠泊裝卸，要求吊臂能夠覆蓋右舷約8 m的范圍。這樣的布置在小型多用途船上比較常見(jiàn)，但本船的船寬32.26 m，需要更長(zhǎng)的吊臂，要解決吊臂擱放的問(wèn)題。吊臂從No.1吊往No.4吊依次擱放，最后1臺(tái)克令吊的吊臂正好搭在上建橋翼處?？肆畹醯牟贾梦恢每烧{(diào)節(jié)范圍非常小，并考慮到克令吊的位置應(yīng)避開(kāi)貨艙中部區(qū)域，No.2和No.3吊的聯(lián)吊工作區(qū)域盡量在第三長(zhǎng)貨艙的中間。因此，克令吊布置和貨艙分艙需要統(tǒng)籌布局。

休斯敦、新奧爾良港是美國(guó)主要的糧食碼頭，有過(guò)橋空氣吃水高度不超過(guò)42 m限制，由于本船采用邊克令吊布置，克令吊本體的最大直徑約5 m，處在艙口范圍以?xún)?nèi)。筒體布置和克令吊本體的中心線(xiàn)不重合，兩者采用變截面連接。但長(zhǎng)貨艙液壓折疊艙蓋蓋板太長(zhǎng)，開(kāi)啟路徑軌跡線(xiàn)需要與邊克令吊筒體的變截面折點(diǎn)保持合理的安全間隙。因此No.2和No.3吊與第三長(zhǎng)貨艙的布置需要相互協(xié)調(diào)。將二號(hào)吊移出貨艙艙口范圍外，三號(hào)吊布置考慮二號(hào)吊的吊臂隔放。艙蓋蓋板不對(duì)稱(chēng)分塊，前大后小，小蓋板尺寸取決于筒體折點(diǎn)高度。見(jiàn)圖2。

圖2 貨艙艙蓋、克令吊布置

4 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

第三貨艙為長(zhǎng)貨艙設(shè)計(jì)最大限度的實(shí)現(xiàn)裝載長(zhǎng)件貨的功能，但同時(shí)也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的難度。本船被授予HC(A), Holds 2,4 may be empty的船級(jí)符號(hào)[4]，即具有隔艙裝載的功能。

對(duì)于此類(lèi)船舶，貨艙的強(qiáng)框架設(shè)置通常有2種形式：“三三式”和“二四式”[5]?！叭健?，即雙層底肋板，舷側(cè)強(qiáng)框架均采用3個(gè)肋骨間距來(lái)設(shè)置；“二四式”，雙層底肋板二檔肋骨間距，舷側(cè)強(qiáng)框架四檔肋骨間距[6]。

“三三式”是舷側(cè)多2道強(qiáng)框，可以增加大開(kāi)口貨艙的橫向強(qiáng)度，減小扭轉(zhuǎn)變形，特別是控制艙口圍處變形；“二四式”雙層底多2道肋板，可以減少板格跨距，不僅可以減少內(nèi)底板板厚，還能夠?qū)ε搩?nèi)重貨提供了有效的支撐[7]。

本船在設(shè)計(jì)上突破常規(guī)均勻的強(qiáng)框分布形式，綜合采用了“三三式”和“二四式”2種強(qiáng)框布置形式，見(jiàn)圖3。對(duì)于第三長(zhǎng)貨艙而言，隔艙裝載時(shí)，單艙裝貨量占全船裝貨量約50%，對(duì)內(nèi)底的強(qiáng)度是巨大的考驗(yàn)。通過(guò)對(duì)雙層底肋板3檔和4檔肋骨間距的2種布置形式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)4檔肋骨間距方案更合理，整個(gè)艙段的強(qiáng)框架重量更輕。而對(duì)其他4個(gè)小貨艙，如果仍然采用“二四式”，內(nèi)底板板厚并沒(méi)有大幅度減少，而船底和舷側(cè)的強(qiáng)框數(shù)量多于“三三式”，因此采用“三三式”設(shè)計(jì)能達(dá)到鋼料的最優(yōu)化。通過(guò)該船的方案對(duì)比，可以看到，針對(duì)不同貨艙的特點(diǎn)，采用合理的強(qiáng)框布置形式，是非常有效的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)手段。

圖3 貨艙強(qiáng)框布局

5 貨艙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)IMO MSC 292(87)要求貨艙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)每只煙氣吸口的覆蓋半徑為12 m，且貨艙設(shè)有二甲板，蓋板將貨艙分隔為2個(gè)區(qū)域，上、下貨艙區(qū)域需要分別布置火災(zāi)探測(cè)煙氣吸口。

本船貨艙為大口開(kāi)設(shè)計(jì)，貨艙寬約27.5 m，第2,3,4貨艙長(zhǎng)度均超過(guò)了24 m，煙氣吸口布置在橫艙壁或縱艙壁上，總會(huì)存在盲區(qū)，無(wú)法覆蓋整個(gè)貨艙范圍，見(jiàn)圖4。當(dāng)貨艙鋪設(shè)二甲板時(shí)，如何為二甲板以下貨艙空間提供火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，是設(shè)計(jì)中遇到的難題，在類(lèi)似船型上也是首次出現(xiàn)。

圖4 煙氣吸口的覆蓋半徑(常規(guī)設(shè)計(jì))

本船創(chuàng)新性地采用了預(yù)埋抽煙管路接口并配置軟管接頭的方法，即在縱艙壁上預(yù)留抽煙管路的接口，略高于二甲板蓋板工作位置，縱向位于2塊蓋板的間隙處。其工作原理：當(dāng)二甲板鋪設(shè)完畢，將軟管一端接頭與縱艙壁的抽煙管路接口連接，軟管另一端接頭與可拆式的煙氣吸口連接，將煙氣吸口布置在船中區(qū)域，并固定在兩塊蓋板的間隙處。這樣就消除了貨艙過(guò)大帶來(lái)的探測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，見(jiàn)圖5。

圖5 貨艙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)原方案與解決方案對(duì)比

6 結(jié)論

1)該船型的線(xiàn)性設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)吃水工況，浮心要兼顧件雜貨和散貨的裝載情況。

2)不均勻分艙與液壓貨艙蓋、二甲板、甲板克令吊等因素“環(huán)環(huán)相扣”，總體布置需要統(tǒng)籌考慮。采用不對(duì)稱(chēng)的液壓艙蓋蓋板可以解決艙蓋開(kāi)啟路徑和邊克令吊干涉問(wèn)題。

3)長(zhǎng)貨艙、隔艙裝載功能影響內(nèi)底強(qiáng)度，應(yīng)該根據(jù)不同貨艙的特點(diǎn)，采用合理的強(qiáng)框布置形式，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

4)采用預(yù)埋抽煙管路接口并配置軟管接頭的方法，可以解決貨艙過(guò)長(zhǎng)、過(guò)寬時(shí)，火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)布置存在盲點(diǎn)的問(wèn)題。