鄭 玄 亮

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 200233）

0 概 述

集裝箱船是當(dāng)今世界海洋運(yùn)輸?shù)闹饕Ｒ?guī)船型之一，其有兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)：一個(gè)是載箱量，另一個(gè)是航速。與其它商用船舶相比，集裝箱船具有航速快、甲板開口大、穩(wěn)性要求高、建造難度大等特點(diǎn)。自 1960年代以來，隨著世界集裝箱運(yùn)輸市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，為了提高集裝箱的運(yùn)輸效率和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，集裝箱船正日趨大型化，載箱量在最近10年也有了較快的增長。2006年，9200TEU級(jí)集裝箱船投入營運(yùn)以來，現(xiàn)已成為集裝箱船隊(duì)發(fā)展的主流船型。由于受1970年代石油危機(jī)的影響，其航速曾有過大起大落的現(xiàn)象：干線班輪的航速最高達(dá)到36kn，最低只有16kn，而干線班輪的設(shè)計(jì)航速一般都在25kn以上[1～3]。

集裝箱船從 4000～10000TEU，其單個(gè)集裝箱的資本邊際成本呈下降趨勢(shì)。在10000TEU時(shí)最小，此時(shí)單箱的平均資本成本也處于最低水平；然而，當(dāng)集裝箱船突破10000TEU時(shí)，邊際資本成本開始上升，船舶建造資本成本亦隨之增加[4]。同時(shí)，10000TEU以上集裝箱船的發(fā)動(dòng)機(jī)與配套動(dòng)力裝置等技術(shù)尚未成熟，又受港口條件及碼頭裝卸能力限制，航線需求與多式聯(lián)運(yùn)等商業(yè)因素的影響，還未得到充分開發(fā)。但是 8000～10000TEU集裝箱船正在成為主干線上的主流船型[5]。

1 未來市場(chǎng)與未來船型

船舶航運(yùn)市場(chǎng)現(xiàn)正處在一個(gè)非常艱難的時(shí)期，新船訂單少、環(huán)保要求高。所以，將設(shè)計(jì)開發(fā)未來3～5年適應(yīng)市場(chǎng)需求的優(yōu)化船型與設(shè)計(jì)方案。

在新建船舶市場(chǎng)逐步恢復(fù)的過程中，降低設(shè)計(jì)航速是減少運(yùn)行成本、減輕環(huán)境污染的一種有效方式。未來幾年甚至更長的一段時(shí)間內(nèi)，油價(jià)很難下降，消費(fèi)者的環(huán)保意識(shí)越來越高，降低設(shè)計(jì)航速是面向未來的一個(gè)正確的設(shè)計(jì)方向而不必?fù)?dān)心會(huì)失去吸引力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在船舶的載重量設(shè)計(jì)方面，大型化的趨勢(shì)依然保持。2006年已經(jīng)有9200TEU集裝箱船投入營運(yùn)，且近年來業(yè)內(nèi)有船舶設(shè)計(jì)實(shí)體聯(lián)合船級(jí)社著手研究 10000TUE以上的超大集裝箱船舶的設(shè)計(jì)與建造。預(yù)計(jì) 2014年巴拿馬運(yùn)河的擴(kuò)建工程完工將使新巴拿馬（NPX，Neo-Panamax）型船舶應(yīng)運(yùn)而生[6]。

巴拿馬運(yùn)河老船閘和新船閘的尺寸如表1所示，巴拿馬運(yùn)河擴(kuò)建前后對(duì)通行船舶的尺度要求如表2所示。

表1 巴拿馬運(yùn)河閘室尺寸 m

表2 巴拿馬運(yùn)河通行船舶的尺度限制

隨著船型尺度的加大，對(duì)港口設(shè)施和操作能力的要求也越來越高，特別是吃水限制，長度限制，吊運(yùn)與起重能力等。盡管新興市場(chǎng)中有些港口能夠?？磕壳白畲蟮拇?，但還有很多港口面臨著諸多挑戰(zhàn)和限制。因此，未來集裝箱船的設(shè)計(jì)不能盲目追求大型化，應(yīng)以能順利通行新巴拿馬運(yùn)河航道為佳。航速設(shè)計(jì)也應(yīng)該適當(dāng)降低，并具備一定的靈活性以適應(yīng)未來市場(chǎng)發(fā)展。

2 經(jīng)濟(jì)型NPX集裝箱船概念設(shè)計(jì)

首先，參考現(xiàn)有Post Panamax船型，載貨量擬定8200～8500TEU，能得到較低的單箱運(yùn)輸成本，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。初步確定船舶的主要尺度要素，使其符合大多數(shù)國際航線的要求與限制：

總長 335.0m

垂線間長 319.0m

型寬 42.80m

型深 24.50m

設(shè)計(jì)吃水 13.00m

結(jié)構(gòu)吃水 14.50m

其次，估算航速，選擇動(dòng)力裝置，進(jìn)行初步總布置。

為了減少環(huán)境污染、遵守即將生效的有關(guān)廢物排放限制的相關(guān)國際公約與法律法規(guī)，目前歐洲市場(chǎng)上開發(fā)的運(yùn)輸船舶大多采用技術(shù)成熟的低碳燃料（如液化天然氣等）動(dòng)力裝置。國內(nèi)的船舶設(shè)計(jì)與建造單位也開始關(guān)注雙燃料（液化天然氣/柴油）發(fā)動(dòng)機(jī)在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用。

圖1 不同推進(jìn)裝置船型比較

圖1所示為采用雙燃料與常規(guī)推進(jìn)裝置的船型對(duì)比，(a)為采用雙燃料推進(jìn)系統(tǒng)的船型，(b)為常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的船型。采用雙燃料推進(jìn)裝置不僅能符合環(huán)保要求，還可以節(jié)約空間、改善船舶操縱性能。由于采用液化天然氣驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)所占空間小，不僅可增加載貨量，還便于尾部線形優(yōu)化，改善船舶的水動(dòng)力性能，進(jìn)而提高推進(jìn)效率。

但是，雙燃料動(dòng)力裝置的應(yīng)用也受到諸多因素的制約。目前中國國內(nèi)港口和碼頭針對(duì)雙燃料動(dòng)力裝置的配套設(shè)施還不完善，日常的補(bǔ)給、維護(hù)與修理等配套服務(wù)不能滿足實(shí)際營運(yùn)的需求。

綜上所述，根據(jù)國內(nèi)航運(yùn)市場(chǎng)的條件與實(shí)際情況，設(shè)計(jì)船型采用常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)裝置，同時(shí)在總布置設(shè)計(jì)時(shí)保留相當(dāng)?shù)淖杂啥?，為將來雙燃料推進(jìn)裝置的應(yīng)用預(yù)留一定的空間。

通過營運(yùn)經(jīng)濟(jì)型分析，擬定設(shè)計(jì)航速為18～20kn。在此航速下，營運(yùn)成本和污染排放都會(huì)得到較好的控制，且具備一定的靈活性——選擇主機(jī)時(shí)在更大的速度范圍內(nèi)保證高能效。

一般而言，集裝箱船采取加大船長，增加bay（貝位）的方法來提高載重量。但是隨著船長的增加，船舶總縱強(qiáng)度的要求勢(shì)必提高，相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度也要隨之加大。如果適當(dāng)加大船寬，同樣能增加集裝箱的裝載數(shù)量，且對(duì)總體強(qiáng)度的影響較小，是提高船舶營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的一種有效措施。

在與船級(jí)社、船舶建造商等相關(guān)部門進(jìn)行技術(shù)協(xié)調(diào)后，參考現(xiàn)有集裝箱船型的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，決定采取拓寬甲板的結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比，在上甲板部位進(jìn)行加寬形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可提高載貨量，又增加了船體抗扭剛度和總體強(qiáng)度[8]。其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)評(píng)估等方面的計(jì)算與校核應(yīng)能滿足相關(guān)的規(guī)范要求[9]，如圖2所示。

圖2 拓寬甲板結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

圖3 拓寬甲板船型橫剖面結(jié)構(gòu)

采用如圖2(b)的拓寬甲板方案，其基本結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

拓寬甲板結(jié)構(gòu)形式的舷側(cè)艙室空間十分有限，進(jìn)出比較困難。采用這種結(jié)構(gòu)形式，把舷側(cè)艙室設(shè)計(jì)為空艙，而并非壓載水艙，從而減少了構(gòu)件的腐蝕，維修與檢驗(yàn)的工作強(qiáng)度也有所緩解。狹窄舷側(cè)空艙的縱桁應(yīng)力水平不高，可以采用橫向結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，取消吃水附近的所有舷側(cè)縱骨，消除了舷側(cè)縱骨與肋骨框架連接處的疲勞裂紋，在檢查和維修時(shí)不需頻繁進(jìn)入狹窄的舷側(cè)空艙。

就壓載水處理而言，集裝箱船要比散貨運(yùn)輸船和油船容易得多，因?yàn)樗鼛缀蹩偸菨M載而很少需要大量壓載水，只有在空載狀態(tài)下才需要用壓載水增加吃水。這是為了船舶安全所需的吃水，避免艏柱底部受海浪撞擊和螺旋槳的飛車來控制船舶的航行[10]。

關(guān)于壓載水的管理設(shè)計(jì)，可以采用智能裝載系統(tǒng)，通過合理分配貨物重量分布，控制配載和彎曲力矩，從而盡量減少壓載水甚至不用壓載水。這樣既節(jié)約了燃油又避免了壓載水的處理。

3 結(jié)論與展望

綜合上述各項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)果，總結(jié)經(jīng)濟(jì)型 NPX集裝箱船型的各項(xiàng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)采取拓寬甲板結(jié)構(gòu)之后，裝箱量有所增加，可以給機(jī)艙部分預(yù)留空間較大，如果采取雙燃料推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)方案，可以進(jìn)一步優(yōu)化船型，減小船長，提高經(jīng)濟(jì)型。

優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)型 NPX集裝箱船的主要要素如下：

總長 321m

垂線間長 312m

水線型寬 42.8m

甲板型寬 49.0m

型深 24.5m

吃水 14.5m

裝箱量 8666TEU

航速 18～20kn

總布置圖如圖4所示。

經(jīng)濟(jì)型 NPX集裝箱船型是面向數(shù)年后的世界船舶航運(yùn)市場(chǎng)特點(diǎn)而提出的一種未來集裝箱船型。上述方案是一種更適合當(dāng)前中國航運(yùn)市場(chǎng)的船型，方案中預(yù)留了較多自由度與靈活性以應(yīng)對(duì)未來的種種不確定性因素。比如雙燃料乃至純天然氣燃料的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，智能配載與壓載水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，拓寬甲板與窄舷側(cè)的結(jié)構(gòu)形式等。

圖4 經(jīng)濟(jì)型NPX集裝箱船總布置

[1] 邵天駿.大中型集裝箱船的發(fā)展前景[J].技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，1991 (1): 21-23.

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[4] 劉 斌，陳得力.邊際成本: 集裝箱船舶超大型化的終結(jié)者[J].綜合運(yùn)輸，2005(8): 21-23.

[5] 金嬌輝，姚震球.太平洋航線集裝箱運(yùn)輸量預(yù)測(cè)及超大型集裝箱船的發(fā)展前景探討[J].水運(yùn)工程，2008 (3):17-20.

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[9] 吳嘉蒙.集裝箱船的振動(dòng)與響應(yīng)評(píng)估[J].上海造船，2009 (4): 14-18.

[10] 薛連勝.無壓載水船舶[J].船舶與設(shè)備，2007, 6: 22- 23.