江海直達船關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究綜述

王一雯 吳衛(wèi)國

(武漢理工大學(xué),湖北 武漢 430063)

一、引言

江海直達船是一種為了提高江海運輸效率而發(fā)展的船型。 2018 年11 月16 日,陽邏港二期碼頭舉行了一場盛大的儀式,慶祝國內(nèi)首艘江海直達1140 型集裝箱示范船“漢海1 號”的首航,標(biāo)志著陽邏港邁開了邁向千箱級集裝箱輪船的新篇章。 作為長江中上游目前航行的最大集裝箱船,此次首航在武漢航運史上具有重大的意義。 與市場上現(xiàn)有的同類船型相比,示范船型在節(jié)能環(huán)保方面取得了顯著進展,具備低耗能、低污染的特點,降低了20%以上的單箱平均日油耗,完美地體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的理念,因此被評為“2018 年全球明星船舶”。 自從“漢海1 號”營運以來,“漢海2 號”“漢海3 號”“漢海7 號”“漢海5 號”等陸續(xù)投入運營,宣告武漢千箱級船隊正式成形,組建起長江上的復(fù)興號班列,標(biāo)志著江海聯(lián)運實現(xiàn)跨越式發(fā)展,這也標(biāo)志著推動長江內(nèi)河航運新變革的進程中,江海直達船型再邁堅實一步。

本文旨在系統(tǒng)地綜述江海直達船的關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用,可以為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和實踐提供參考。

二、江海直達船發(fā)展概述

(一)江海直達船

江海直達船是一種基于江船和海船的創(chuàng)新船舶,它滿足了中國船級社的“雙規(guī)”要求,即同時符合《國內(nèi)航行海船入級規(guī)范》(海規(guī))和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(內(nèi)規(guī))。 通過集成創(chuàng)新,江海直達船在設(shè)計和建造過程中考慮了海船和江船的特點和要求。 它能夠在內(nèi)河和海洋航行,兼有江船的操縱性能和海船的穩(wěn)定性、耐波性、結(jié)構(gòu)強度性能。 在運營中,存在一種僅滿足海洋規(guī)范要求的純海船進入內(nèi)河,這種類型的船只被歸類為“海進江”型船舶。

江海直達船不僅能在海上特定區(qū)域安全航行,也能適應(yīng)江(河)航道水深、航道寬度等通航條件,是江海聯(lián)運的重要運載工具之一;是提高運輸效率、實現(xiàn)長江黃金水道價值的重要載體,具備在江河和海洋兩種水域中直接運輸,而無需轉(zhuǎn)運貨物或轉(zhuǎn)換船舶的能力。 江海直達船舶通常是針對特定的水域設(shè)計和建造的,需要具備適應(yīng)不同水域環(huán)境的特殊設(shè)計和配置。 船舶尺寸的選擇和船體類型也依據(jù)不同水域的要求進行優(yōu)化,以保證在江河和海洋航行時的適航性、安全性與經(jīng)濟性。

(二)江海直達船發(fā)展歷程

1.國外發(fā)展

二十世紀(jì)中葉,“遠(yuǎn)洋—沿海—內(nèi)河”直達運輸是歐洲各國航運界一直追求的目標(biāo)。 直達運輸可避免貨物在河口港中轉(zhuǎn),有利于減輕河口港的疏運壓力。 加快貨物周轉(zhuǎn),減少貨損貨差。 對煤礦石等大宗散貨能明顯減少對江水及環(huán)境的污染,對化學(xué)品、各種液貨等危險品由于減少轉(zhuǎn)載使運輸更加安全可靠。 歐洲各國在萊茵河和韋塞爾河、美國的密西西比河以及俄羅斯的伏爾加河等的江海直達運輸開始迅速發(fā)展。 萊茵河是歐洲最重要的通航河流,經(jīng)過整治的干支流航道,可通行1350～7000 噸級的海輪,貨運總量(德國段)達2億噸左右,是世界上航運價值及利用效率最高的河流[1]。

當(dāng)前國外的江海直達船所面臨海況不及我國江海直達船舶出海所面臨的海況復(fù)雜,且由于江段航道的限制導(dǎo)致國外江海直達船型偏小,歐洲內(nèi)河流域江海直達航線圖和歐洲埃姆斯河的江海直達船如圖1 所示。

圖1 歐洲內(nèi)河流域江海直達航線圖和歐洲埃姆斯河的江海直達船

2.國內(nèi)發(fā)展

內(nèi)河船在海域航行時,由于遭遇海況的復(fù)雜性波浪載荷相對較大,影響結(jié)構(gòu)安全可靠性;同時由于沿江橋梁限高以及航道水深等限制條件,型深及吃水均受限,海船若經(jīng)長江航道抵達內(nèi)陸城市,需減載航行至長江下游港口再分卸及轉(zhuǎn)運至多艘內(nèi)河船,稱之為江海聯(lián)運。 該方式不僅耗時長、貨損率高以及運營成本高,并且多環(huán)節(jié)中轉(zhuǎn)也易造成流域環(huán)境的污染,不利于長江黃金水道航運的綠色發(fā)展以及生態(tài)保護[2]。 相比于傳統(tǒng)江海聯(lián)運模式,不經(jīng)過中轉(zhuǎn)碼頭而直接連通內(nèi)河和沿海航線的江海直達運輸具有中間運輸環(huán)節(jié)少、運達速度快以及貨差貨損低等優(yōu)點,每噸材料的運輸費可節(jié)約10%～20%[3],我國內(nèi)河航道路線圖和航行于長江中上游最大集裝箱船“漢海1號”如圖2 所示。

圖2 我國內(nèi)河航道路線圖和航行于長江中上游最大集裝箱船“漢海1 號”

與國外成熟的江海聯(lián)運模式相比,我國的江海直達運輸在2010 年后才開始迅速發(fā)展。 李克強總理在2014 年的國務(wù)院常務(wù)會議上提出,要繼續(xù)提升長江黃金水道的功能,推廣江海直達船型,鼓勵發(fā)展節(jié)能環(huán)保型船舶。 2016 年,國務(wù)院批準(zhǔn)了關(guān)于規(guī)劃舟山市為江海聯(lián)運服務(wù)中心的建設(shè)方案,并提出了加快江海直達船型研制與推廣應(yīng)用的要求。 2017 年4 月,交通運輸部發(fā)布了《關(guān)于推進特定航線江海直達運輸發(fā)展的意見》。 2018年8 月,交通運輸部又發(fā)布了《深入推進長江經(jīng)濟帶多式聯(lián)運發(fā)展三年行動計劃》,提出要盡快完善江海直達運輸系統(tǒng)。 因此,加快江海直達運輸?shù)陌l(fā)展,是推進我國交通供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革以及建設(shè)現(xiàn)代化綜合運輸體系的重要內(nèi)容。

同時,長江經(jīng)濟帶橫跨我國東部、中部和西部三個主要地區(qū),涵蓋了全國11 個省市。 截至2016 年,該地區(qū)的人口和經(jīng)濟規(guī)模均占全國的40%以上,并且逐年增長。 作為我國重要的經(jīng)濟動力源泉和工業(yè)制造基地,長江經(jīng)濟帶在經(jīng)濟發(fā)展和戰(zhàn)略地位方面具有顯著的優(yōu)勢,并被列為國家發(fā)展戰(zhàn)略。 2017 年2 月16 日,交通運輸部發(fā)布了《關(guān)于推進長江經(jīng)濟帶江海直達運輸發(fā)展的意見(征求意見稿)》,指出江海直達運輸能夠有效提升長江黃金水道的運輸效率,在綜合運輸系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[4]。 2018 年2 月國家正式批復(fù)《武漢長江中游航運中心總體規(guī)劃》,規(guī)劃中指出武漢長江中游航運中心將著力實現(xiàn)“三中心、一門戶”的戰(zhàn)略定位。 但是長江運輸船舶缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),“海船難進江,江船難出?！笔情L江航運產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的瓶頸之一。 開發(fā)載量大、節(jié)能環(huán)保的江海直達新船型,完成目前長江老舊船舶的更新?lián)Q代,實現(xiàn)江海聯(lián)運,可有效推進長江航運產(chǎn)業(yè)發(fā)展,促進經(jīng)濟增長空間從沿海向內(nèi)陸拓展并帶動中上游腹地發(fā)展,優(yōu)化沿江產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)形成新的區(qū)域增長極,從而推動長江上、中、下游地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展。 2018 年4 月,習(xí)近平總書記在湖北武漢主持了一場座談會,就如何深入推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展發(fā)表了重要講話。 在貫徹實施我國“一帶一路”建設(shè)的大背景下,長江經(jīng)濟帶作為海上絲綢之路向內(nèi)陸延伸的重要依托,具有獨特的優(yōu)勢。 長江經(jīng)濟帶和海上絲綢之路的協(xié)同發(fā)展需要強大的物流運輸能力作為支撐,因此江海聯(lián)運模式的戰(zhàn)略優(yōu)勢更為顯著。 開發(fā)江海直達節(jié)能環(huán)保船這類新船型,將為長江黃金水道以及“一帶一路”建設(shè)提供重要的物流支持[5]。

三、江海直達船舶的關(guān)鍵技術(shù)及研究

受長江航道特別是中游航道水深的限制,新一代江海直達船型因大型化而呈寬、淺、肥大的特點,常規(guī)船型難以滿足性能要求,必須采用理論與試驗相結(jié)合的研究方法,攻克寬扁、淺吃水船型在安全技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、綠色技術(shù)應(yīng)用等方面的關(guān)鍵技術(shù)難題,以達到安全、降耗和環(huán)保的目標(biāo)[6]。

(一)新一代江海直達船型解決的主要關(guān)鍵技術(shù)難題

當(dāng)前新一代江海直達船型解決的主要關(guān)鍵技術(shù)難題主要有以下幾個方面。

1.“設(shè)計—建造—檢驗”規(guī)范法規(guī)體系仍屬空白。 目前仍然缺少針對我國復(fù)雜海況和內(nèi)河航道的江海直達船強度標(biāo)準(zhǔn)。

2.江海直達船型寬扁化、大型化技術(shù)尚未形成,且存在困境。 由于自然航道的限制,江海直達船寬深比嚴(yán)重受限,開發(fā)的江海直達船型呈寬扁、首尾豐滿、平行中體相對較長的特點,需要對船舶的首尾線型進行優(yōu)化設(shè)計[7]。 同時江海直達船型的快速性、江段操縱性和海段耐波性存在矛盾,需要降低阻力和砰擊載荷,提出寬扁船型快速性、江段操縱性和海段耐波性的綜合優(yōu)化技術(shù)。

3.江海直達船型結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法尚未建立,結(jié)構(gòu)安全可靠性與輕量化的矛盾需要得到統(tǒng)一。 考慮寬扁船型波激砰擊顫振響應(yīng)分析難題,保證結(jié)構(gòu)安全性;校核江海直達船型的極限承載能力以及疲勞強度。

4.節(jié)能環(huán)保措施與方法亟待提升。 江海直達船型屬于寬扁肥大船型,一般采用雙尾鰭形式,航行過程中螺旋槳槳盤面來流不均勻,表現(xiàn)出強烈的非線性。 針對船型特點開發(fā)的相關(guān)節(jié)能附體,改善來流品質(zhì)。 開發(fā)出具備適伴流、抗空泡、低振的高效螺旋槳是有效降低能耗的關(guān)鍵。

(二)主要研究工作內(nèi)容

1. 構(gòu)建江海直達船舶的“設(shè)計—建造—檢驗”規(guī)范法規(guī)體系,填補國內(nèi)外研究空白,從而為江海直達船舶的設(shè)計與制造提供了根本依據(jù)。 在研究中,根據(jù)江海直達船型特點和航線波浪載荷特性,運用數(shù)值模擬、實船與模型實驗技術(shù),研究在超規(guī)范寬深比(B/D)條件下船體結(jié)構(gòu)承受各種復(fù)雜載荷的極限承載能力,確定船體結(jié)構(gòu)安全與輕量化設(shè)計準(zhǔn)則,以求突破江海直達船舶現(xiàn)有規(guī)范最大寬深比(B/D)的限制,從而實現(xiàn)江海直達船舶的大型化,并提出了江海直達船舶強度校核標(biāo)準(zhǔn)。

2.“宜江宜海”船型技術(shù)研究。 開展首型、尾型參數(shù)對快速性影響研究,在研究中通過首型方案的數(shù)值模擬與試驗,得到不同艏型、首部縱/橫向曲率、排水體積垂向分布對船舶繞流場與阻力的影響,同時考慮尾鰭間距、尾鰭角度、預(yù)旋、體積比等參數(shù)對船舶快速性影響。 發(fā)明低阻、抗砰擊首型,結(jié)合低阻、低推力減額、高推進效率的外旋雙尾鰭尾型。

針對寬扁型江海直達船舶對江段靈活操縱性、海段優(yōu)異耐波性以及降低砰擊載荷的需求,研究中結(jié)合高精度水池試驗、精細(xì)化流場顯示的數(shù)值模擬、船舶水動力最優(yōu)化技術(shù),發(fā)明了具有低阻抗砰擊垂直首型、低推力減額高推進效率預(yù)旋雙尾鰭尾型等技術(shù)特點的寬扁肥大江海直達船線型,有效協(xié)調(diào)船型參數(shù)在江段快速性、操縱性與海段耐波性之間的矛盾。

3.建立安全可靠的結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù),江海直達船舶載荷—結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法。 創(chuàng)新性地建立了船體復(fù)雜結(jié)構(gòu)水彈塑性分析方法、變頻變幅載荷作用下疲勞強度分析及評估方法、波激及砰擊作用下動響應(yīng)分析方法以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。

解決寬扁船型疲勞強度評估的關(guān)鍵技術(shù)難題,針對江海直達船型所受江段載荷幅值較小、海段載荷幅值較大的特點,通過引入“航線影響因子”和“非線性載荷耦合損傷因子”等參量,表征了江—海段載荷交互作用和高低頻載荷疊加導(dǎo)致的耦合損傷對疲勞性能的影響,從而提出江海直達船體結(jié)構(gòu)疲勞強度分析方法和評估準(zhǔn)則。

在安全可靠前提下進行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計,針對寬扁型江海直達船結(jié)構(gòu)極限承載能力和安全儲備分析的需求,結(jié)合非線性有限元、結(jié)構(gòu)畸變相似模型設(shè)計與試驗等手段,建立寬扁船型船體結(jié)構(gòu)極限強度與構(gòu)件尺寸的數(shù)學(xué)模型與極限強度分析的試驗與數(shù)值計算方法,從而獲得安全可靠的輕量化船體結(jié)構(gòu)。

4.江海直達船高效推進技術(shù)。 創(chuàng)新構(gòu)建寬扁江海直達船舶粘性繞流場分析系統(tǒng),建立江海直達船綜合節(jié)能方法。 應(yīng)用計及自由面、淺水效應(yīng)、船舶航態(tài)以及船槳耦合的粘性繞流場,進行伴流場特性分析,發(fā)明導(dǎo)流鰭、轂帽鰭等節(jié)能附體以及適伴流、抗空泡、低振、高效螺旋槳,有效實現(xiàn)節(jié)能減排。

根據(jù)水池試驗和數(shù)值方法得到的江海直達船尾部流場分布特征和規(guī)律,結(jié)合適伴流的螺旋槳設(shè)計方法發(fā)明設(shè)計槳前導(dǎo)流鰭系統(tǒng)。 通過該系統(tǒng)的流場控制可以提高螺旋槳來流質(zhì)量,提升推進效率,同時減緩了伴流不均勻?qū)е碌穆菪龢~片負(fù)荷脈動及其導(dǎo)致的振動問題。 基于環(huán)流理論并結(jié)合尾型及槳盤面處流場細(xì)節(jié)構(gòu)建了高效螺旋槳設(shè)計平臺,設(shè)計中采用了葉稍卸載、大側(cè)斜、抗空泡剖面等技術(shù),能夠有效地解決江海直達船型槳盤處軸向、周向伴流不均勻?qū)е碌穆菪龢?fù)荷周期性變化引起的推進效率不高、誘導(dǎo)船體振動與噪聲的問題。

5.長效防污高效減阻技術(shù)。 創(chuàng)新地將石墨烯和納米油結(jié)合實現(xiàn)長效防污、高效減阻的表面涂層通過氣流量自適應(yīng)智能控制,在船底形成均勻氣層,有效減小摩擦阻力。 表面減阻可實現(xiàn)節(jié)能10%以上。

上述江海直達船舶的關(guān)鍵技術(shù)研究不僅適用于特定航線的船型,基礎(chǔ)共性的技術(shù)同樣能夠為將來的新航線和新船型的開發(fā)提供支持。

四、江海直達船發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢

隨著江海直達運輸需求的不斷增長,規(guī)范中的兩條特定航線顯然無法滿足長江經(jīng)濟帶的發(fā)展需求,未來江海直達航線將不斷向深遠(yuǎn)海發(fā)展。以武漢新港為例,江海直達航線將延伸至韓日乃至東南亞地區(qū),如圖3 所示。 隨著海段航線的延伸,江海直達船遭遇海上風(fēng)浪載荷作用時間越長,結(jié)構(gòu)強度的問題也愈加嚴(yán)重。

圖3 武漢新港“江海直達船”航線示意

由于江海直達運輸船需要既能適應(yīng)內(nèi)河彎曲狹窄和淺水航道,又要能適應(yīng)海上較大風(fēng)浪、有良好的穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度,同時還受到長江航道上橋梁的限高和水深的限制,江海直達船的總體設(shè)計思路與海船、內(nèi)河船在設(shè)計思想上也是不同的[8-9]。 未來新型的江海直達船會向?qū)挶饣⒎蚀笮头较虬l(fā)展。 寬扁型江海直達船舶既在江段航行又在海域航行,其遭遇波浪環(huán)境變化范圍較大[10],并且由于其非常規(guī)船型結(jié)構(gòu)特點,開展寬扁型船體結(jié)構(gòu)在非線性波浪載荷下的結(jié)構(gòu)安全可靠性分析研究,對該新船型的設(shè)計優(yōu)化以及安全性評估具有重要的意義[11]。

由于沒有專門的江海直達船的設(shè)計規(guī)范,其主尺度的要求和船體結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計,主要是按照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[12]中的規(guī)范進行設(shè)計和校核的。 傳統(tǒng)江海直達船與海船并沒有較大的差別,由于《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對船舶主尺度的限制主要是考慮海船在海上航行時的安全性,因此這種船型并沒用充分地考慮內(nèi)河環(huán)境的因素,從而導(dǎo)致江海直達船的經(jīng)濟性并未充分發(fā)揮。 如果按照海船規(guī)范中對主尺度的要求進行設(shè)計,那么江海通航船型由于型寬受到規(guī)范的限制,并不能滿足江海直達船大型化的發(fā)展趨勢。

鑒于此,2017 年中國船級社(CCS)頒布了《特定航線江海通航船舶建造規(guī)范》[13]。 基于特定航線江海通航船舶的風(fēng)浪條件,對船舶總縱強度、扭轉(zhuǎn)強度等方面提出了相關(guān)要求。 然而,目前仍缺乏針對江海直達船特定航線的疲勞校核方法。 CCS 發(fā)布的《船體結(jié)構(gòu)疲勞強度指南(2015)》考慮了不同航區(qū)對船體結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響,并提供了針對船舶在特定航區(qū)航行的修正系數(shù)。 然而,對于江海通航船舶,其航線特點是在沿海和內(nèi)河之間交替航行,即江海直達船需要頻繁穿越不同航區(qū)。 CCS 規(guī)范中并未提供針對此類部分運營周期航行于內(nèi)河的特殊航線下的修正系數(shù)。 由于船舶在不同航線下所處的波浪環(huán)境不同,疲勞載荷譜也存在差異,因此船舶的疲勞壽命也會因此而有所不同。 因此,建議對江海直達船進行疲勞校核時,應(yīng)考慮其交替航行于沿海和內(nèi)河的特點,開發(fā)適用于此類船舶的疲勞校核方法[14]。

當(dāng)前,江海直達船的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 首先,船舶技術(shù)的不斷創(chuàng)新使得江海直達船的運載能力和效率得到了顯著提升。 其次,政府的支持政策和投資對江海直達船的發(fā)展起到了積極的推動作用。 再次,新一代信息技術(shù)的應(yīng)用使得江海直達船的運輸管理更加智能化和高效化。 最后,經(jīng)濟全球化的發(fā)展和貿(mào)易需求的增長也為江海直達船的發(fā)展提供了良好的機遇。

五、總結(jié)與展望

在當(dāng)前全球經(jīng)濟一體化的背景下,江海直達船作為一種新興的物流運輸方式,具有廣闊的發(fā)展空間和潛力。 寬扁型江海直達船舶成功產(chǎn)業(yè)化,將極大地提升長江干線的航運能力,實現(xiàn)長江數(shù)以萬計的老齡、高耗、低效船舶的更新?lián)Q代,將產(chǎn)生萬億級的產(chǎn)業(yè)市場價值,具有巨大的經(jīng)濟和社會效益。

通過解決新一代江海直達船型“設(shè)計—建造—檢驗”規(guī)范法規(guī)體系、寬扁化大型化技術(shù)、