吳曉蓮，張志軍

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

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12 800 DWT瀝青船總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

吳曉蓮，張志軍

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

針對(duì)12 800 DWT瀝青船建造任務(wù)，應(yīng)用IHS Fairplay船型數(shù)據(jù)庫(kù)分析全球?yàn)r青船的分布特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)及主力船東要求和貨物特性，綜合考慮規(guī)范適用性、甲板敞口下水和試航狀態(tài)三方面典型問(wèn)題，考慮到貨物的高溫性，貨艙區(qū)采用單底雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)，液貨艙采用獨(dú)立貨罐形式，限位裝置充分考慮獨(dú)立貨罐的位置和尺寸，底部采用“T”形限位，可有效地控制貨泵端液貨管系的變形量。該系列的首制船已交付使用。

瀝青船；IHS Fairplay；獨(dú)立貨罐；“T”形限位；甲板敞口下水

道路建設(shè)和建筑業(yè)的發(fā)展，使得石油瀝青的需求持續(xù)增長(zhǎng)，瀝青海運(yùn)需求同步增長(zhǎng)。2010年之前建造的主力船型5 000～6 000 DWT瀝青船因?yàn)檩d重量偏小、油耗偏高已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的需求，隨著瀝青碼頭的擴(kuò)建，能夠通行于圣·勞倫斯運(yùn)河的10 000 DWT以上的船型受到船東的關(guān)注。針對(duì)12 800 DWT瀝青船建造任務(wù)，結(jié)合開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的過(guò)程，分析該船主要參數(shù)的確定、總體布置的要點(diǎn)，獨(dú)立貨罐絕緣和限位的關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的典型問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。

1 市場(chǎng)概況

1.1 船隊(duì)分布特點(diǎn)

瀝青船作為一種小眾船型，目前市場(chǎng)上的保有量為220多艘，現(xiàn)有瀝青船分布如表1。其中5 000 DWT以下的船占了59.5%，平均船齡超過(guò)22年。5 000～7 000 DWT的瀝青船多集中建造于2006-2010年，這個(gè)階段是該類(lèi)型船逐步擴(kuò)容的過(guò)程，而10 000 DWT以上的瀝青船集中在2010年之后交付[1]，船齡比較年輕。近幾年很多瀝青碼頭在擴(kuò)建，裝卸貨量基本超過(guò)10 000 t，這些現(xiàn)象表明，該船型正逐步向大型化發(fā)展。

表1 現(xiàn)有瀝青船分布

圖1 2001年以來(lái)瀝青船交付情況

1.2 主力船東

美國(guó)的Sargenant Marine作為石油瀝青的供應(yīng)商，瀝青船的船隊(duì)配置比較齊全，載重噸從6 000～46 000 DWT不等，瑞典的Wisby Tankers緊隨其后，船隊(duì)配置也形成系列，載重噸從6 000～37 000 DWT，荷蘭的Vroon Tankers以營(yíng)運(yùn)3 500～12 000 DWT的瀝青船為主。中國(guó)主要是中遠(yuǎn)南方瀝青運(yùn)輸有限公司和天津西南海運(yùn)有限公司2大船東，均以6 000 DWT瀝青船為主力。而12 800 DWT瀝青船正是應(yīng)市場(chǎng)的需求為西南海運(yùn)公司開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的。

1.3 主要貨物

瀝青船的主要貨物為石油瀝青、煤焦油及其產(chǎn)品、成品油。石油瀝青主要分為道路石油瀝青、建筑石油瀝青和專(zhuān)用石油瀝青，而道路石油瀝青約占90%[2]。石油瀝青的裝卸貨溫度一般在150～160 ℃之間，部分碼頭會(huì)偏高，達(dá)到180 ℃。因?yàn)楫a(chǎn)地和規(guī)格的不同，高溫下石油瀝青的密度也不一樣，一般在0.90～0.97 t/m3之間[3]。煤焦油產(chǎn)品包括煤焦油瀝青、雜酚油、萘等，這些貨物屬于化學(xué)品。如果瀝青船裝載煤焦油及其產(chǎn)品，則對(duì)設(shè)計(jì)影響較大。貨物的設(shè)計(jì)密度偏大，達(dá)到1.30 t/m3，設(shè)計(jì)溫度需要250 ℃，必須滿足《國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》。設(shè)計(jì)之初必須考慮是否裝載煤焦油及其產(chǎn)品。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 主要參數(shù)

12 800 DWT瀝青船主要服務(wù)于南北美洲和拉丁美洲，要求滿足圣(勞倫斯運(yùn)河規(guī)則，對(duì)尺度有一定的限制，船舶的最大寬度不超過(guò)23.8 m，水線以上的高度不超過(guò)35.5 m，吃水一般不超過(guò)7.92 m。該船主要裝運(yùn)石油瀝青，兼裝成品油，貨物設(shè)計(jì)溫度200 ℃。在艙容的選取上，根據(jù)IHS數(shù)據(jù)庫(kù)的艙容分布，如圖2所示。

圖2 瀝青船艙容分布

圖2表明，其一般規(guī)律為艙容和載重量的數(shù)據(jù)基本一致。在Y=X這根斜線以下偏多的，主要是考慮裝運(yùn)煤焦油瀝青為主，設(shè)計(jì)密度較大，艙容可以取小。該船考慮貨物重量為11 500 t，以0.90 t/m3的密度為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在同級(jí)別船中，艙容占有一定的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的航速數(shù)據(jù)，6 000 DWT以下的瀝青船航速集中在12～13 kn之間；而6 000 DWT以上的瀝青船，則在13～14 kn之間?？紤]到能效指數(shù)第二階段(2020年1月1日以后)的要求，航速難以達(dá)到業(yè)主要求的14 kn，經(jīng)過(guò)反復(fù)核算，最終以13.8 kn為設(shè)計(jì)航速。主要尺度及要素見(jiàn)表2。

表2 主要尺度及要素

2.2 總布置特點(diǎn)

由于液態(tài)瀝青的高溫性，在航行過(guò)程中，貨艙必須具備良好的隔熱性能，保持液貨溫度的同時(shí)，需要有效地阻止高溫傳遞到船體結(jié)構(gòu)。理論上整體液貨艙和獨(dú)立液貨艙[4]都可以，雖然整體液貨艙結(jié)構(gòu)緊湊，艙容利用率高，但是結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行熱應(yīng)力分析，與外界接觸點(diǎn)繁多而不易保溫，而獨(dú)立液貨艙敷設(shè)絕緣材料方便，易保溫，船體結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行熱應(yīng)力分析，檢驗(yàn)和施工也較方便[5]。鑒于上述原因，該船采用獨(dú)立式液貨艙。該尺度的瀝青船一般采用3個(gè)分區(qū)的設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算不同分區(qū)的破艙穩(wěn)性、對(duì)比液貨管和隔熱墊塊的布置，該船貨艙區(qū)采用2個(gè)分區(qū)，即2個(gè)獨(dú)立貨罐，每個(gè)貨罐又分為2對(duì)貨艙，總長(zhǎng)縮短了2 m，不僅減輕了結(jié)構(gòu)重量，布置上也更為緊湊。

瀝青船橫剖面的設(shè)計(jì)主要有單底雙舷側(cè)和雙底單舷側(cè)，從《國(guó)際防止船舶造成污染公約》的統(tǒng)一解釋來(lái)看，這2種布置只要貨油艙界限面與船底板和舷側(cè)外板之間的最小距離滿足規(guī)范要求，就認(rèn)為是雙殼油船[6]，都是可以接受的。但是雙底單舷側(cè)的設(shè)計(jì)考慮施工的需要，在雙層底和貨艙之間需要有足夠的空間，會(huì)導(dǎo)致貨艙重心比單底雙舷側(cè)的設(shè)計(jì)高，對(duì)穩(wěn)性不利，而且需要額外的支撐底座來(lái)布置隔熱墊塊，另外雙層底內(nèi)能夠作為壓載艙的空間偏少，所以橫剖面采用了單底雙舷側(cè)的設(shè)計(jì)。貨泵艙布置在2個(gè)分區(qū)之間，而不是常規(guī)油船泵艙的設(shè)計(jì)，主要是為了優(yōu)化貨油管的布置，使貨泵端貨油管的變形量最小。由于液貨泵的電機(jī)需要的環(huán)境溫度為45 ℃及以下，而貨泵艙的溫度有可能高達(dá)70 ℃，所以設(shè)置了獨(dú)立的馬達(dá)間。貨物的不確定性導(dǎo)致該船有可能多港裝卸貨，所以配置了功率為550 kW的艏側(cè)推，以提高靠離碼頭的操縱性。

2.3 獨(dú)立貨罐的隔熱

為了滿足瀝青可流動(dòng)性和泵輸送性的需要，液貨艙在運(yùn)輸過(guò)程中，需要進(jìn)行加熱和保溫[7]。所以確保良好的隔熱是瀝青船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)節(jié)能和成本的控制都有重要意義。可從2個(gè)方面著手以達(dá)到隔熱效果：①采用保溫材料，為貨艙鋪設(shè)保溫層；②優(yōu)化船體和貨艙之間的底部支承結(jié)構(gòu)，減少因金屬直接接觸而產(chǎn)生“熱橋”[8]。經(jīng)熱工計(jì)算，該船采用總厚度75 mm、密度96 kg/m3的陶瓷纖維毯，分為2層，一層為25 mm，一層為50 mm。在環(huán)境溫度為0 ℃，貨物溫度為200 ℃時(shí)，整個(gè)液貨艙的溫度降控制在2.5 ℃。這種保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)小，為0.043 W/(m·K)，相對(duì)密度小，在同等保溫要求下，可以有效地減少保溫材料的厚度和重量。目前作為船體和液貨艙之間的支撐結(jié)構(gòu)主要有荷蘭BEELE公司的ULEPSI墊塊和英國(guó)TENMAT的Feroform F3637墊塊，2者各有優(yōu)缺點(diǎn)[9]。應(yīng)船東的要求，該船采用ULEPSI墊塊系統(tǒng)。該墊塊由3層組成，最上面1層是鋼性玻璃塑料，下面2層是耐高溫橡膠。經(jīng)過(guò)三層隔熱墊塊最終傳遞到船底結(jié)構(gòu)上的溫度在70 ℃左右，可有效解決船體結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的問(wèn)題。該墊塊有2種規(guī)格，200 mm×200 mm，承壓32 t；350 mm×350 mm，承壓98 t。經(jīng)過(guò)多次計(jì)算和對(duì)比分析，采用2種規(guī)格墊塊的組合布置，最終墊塊總數(shù)由初步方案的738塊減少到598塊。

2.4 獨(dú)立貨罐的限位

該船前后2個(gè)貨罐采用的限位方式與常規(guī)設(shè)計(jì)的“十字”形限位方式，即在每個(gè)貨罐下方的船底中心線和靠近貨罐的縱向中心位置設(shè)置限位樁有所不同，將縱向中心位置處的防縱搖限位裝置，移到了貨罐靠近泵艙的一端，形成了“T”形限位。目的是使靠近貨泵艙端的熱膨脹位移最小，有利于液貨管系的布置。這些限位樁一端與船底結(jié)構(gòu)剛性連接；另一端嵌入貨罐底部的凹穴內(nèi)，可以同時(shí)限制縱向和橫向的位移。為了便于安裝，底部的限位樁設(shè)計(jì)成上小下大的梯形。在貨罐的頂部縱向中心線處，也設(shè)置了防橫搖的限位裝置。這些限位樁一端固定在船體甲板橫梁下面，另一端嵌入貨罐頂部的凹穴中。為了便于施工，此處的限位樁做成方形。另外，在貨罐頂兩側(cè)靠舷側(cè)處布置了止浮結(jié)構(gòu)，用于限制當(dāng)貨艙進(jìn)水后艙體可能發(fā)生的上浮，避免進(jìn)一步破壞船體甲板結(jié)構(gòu)。止浮結(jié)構(gòu)與主甲板的結(jié)構(gòu)之間需要保持一定的間隙，以承受可能的結(jié)構(gòu)膨脹量，但是這個(gè)間隙要小于頂部防橫搖裝置與船體之間的間隙。

3 典型問(wèn)題分析

3.1 規(guī)范適用性

《國(guó)際海上人命安全公約》(SOLAS)第II-2章對(duì)液貨船的要求適用于載運(yùn)閃點(diǎn)不超過(guò)60 ℃的液貨船，而石油瀝青的閃點(diǎn)大于60 ℃，不需要滿足SOLAS在II-2章對(duì)液貨船的要求，只需要設(shè)置甲板泡沫滅火系統(tǒng)、增加2套消防員裝備、按規(guī)定布置消防總管隔離閥即可[10]。該船在設(shè)計(jì)過(guò)程中提高了要求，將上層建筑的前端壁做成A60防火等級(jí)。SOLAS第II-1章的3-6要求總噸位500以上的油船設(shè)置永久性結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)通道(PMA)，國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)對(duì)此作出了一定的解釋?zhuān)遣煌拇?jí)社理解不一致，有2種理解：①獨(dú)立貨罐可以免除這項(xiàng)要求，但壓載艙需要設(shè)置；②設(shè)獨(dú)立貨罐的油船可以免除。該船入級(jí)法國(guó)船級(jí)社(BV)，BV的理解為后者，所以該船壓載艙沒(méi)有設(shè)置PMA，有利于減輕結(jié)構(gòu)重量。目前美國(guó)船級(jí)社和中國(guó)船級(jí)社也認(rèn)同這種理解。

通常石油瀝青的閃點(diǎn)在230 ℃以上，而該船的設(shè)計(jì)溫度在200 ℃，低于閃點(diǎn)超過(guò)15 ℃，根據(jù)IEC—6092—502—1999油船上的電氣設(shè)備安裝的規(guī)定，只有貨艙以及相應(yīng)的管路為2類(lèi)危險(xiǎn)區(qū)，開(kāi)敞甲板不屬于危險(xiǎn)區(qū)。但是，瀝青船?？康拇a頭多數(shù)為油碼頭，為此，將開(kāi)敞甲板作為危險(xiǎn)區(qū)域來(lái)考慮，甲板面上的電氣設(shè)備采用防爆型[11]，液貨泵的電機(jī)也防爆。雖然建造成本有所增加，但安全性得到了提高。為了提高載運(yùn)貨物的靈活性，該船還滿足艾克森美孚的《海洋環(huán)境安全質(zhì)量保障標(biāo)準(zhǔn)》，在航行設(shè)備、防污染、貨物和壓載系統(tǒng)以及系泊等方面都有一定的要求。

3.2 甲板敞口下水

由于船廠不具備在船臺(tái)直接起吊獨(dú)立貨罐的能力，該船需要在碼頭用浮吊將獨(dú)立貨罐吊入，從施工的角度考慮，理想的狀態(tài)是甲板敞口直接下水。但是，這種狀態(tài)導(dǎo)致橫剖面許用彎矩大幅減小，橫向存在一定的變形，下水存在較大的安全隱患。從總體和結(jié)構(gòu)2方面進(jìn)行了方案的優(yōu)化。盡可能減少?gòu)澗刂?，除調(diào)整壓載外，還將貨泵艙2邊的燃油艙打滿壓載水，并在貨泵艙的上甲板配置200 t固定壓載。將8個(gè)甲板面分段中的4個(gè)甲板面臨時(shí)安裝上，艙口做半徑為500 mm的倒圓角隅，并加20 mm厚的艙口圍，以減小橫向變形。這些措施增加了工作量和施工難度，所以在設(shè)計(jì)階段需要充分考慮船廠的施工工藝，給出獨(dú)立貨罐的安裝方案。

3.3 試航狀態(tài)

根據(jù)GB/T 3471—2011《系泊和航行試驗(yàn)通則》的要求，油船應(yīng)在滿載(或設(shè)計(jì)吃水)狀態(tài)進(jìn)行航行試驗(yàn)。常規(guī)油船的貨艙有涂層保護(hù)，海水對(duì)其結(jié)構(gòu)的腐蝕有限，并且其貨物的溫度一般不超過(guò)80 ℃。而瀝青船的液貨艙沒(méi)有涂層保護(hù)，滿載試航時(shí)海水會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的腐蝕，只能采用淡水，成本較高。盡管液貨管系配置了壓縮空氣掃線，但是不能保證在裝運(yùn)高溫瀝青之前貨艙以其管系內(nèi)的水完全清除，殘留水遇高溫汽化，和瀝青混合存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此該船在壓載狀態(tài)下試航。實(shí)船設(shè)計(jì)航速由壓載狀態(tài)航速根據(jù)船模試驗(yàn)結(jié)果換算得到，為13.96 kn，滿足設(shè)計(jì)合同要求。

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Key Points of General Design for 12 800 DWT Asphalt Tanker

WU Xiao-lian, ZHANG Zhi-jun

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

The distribution and trend of global asphalt tankers, the main owners, the features of cargoes were researched based on IHS Fairplay ships database for design12,800 DWT asphalt tanker. Three typical issues of applicability of rules, launch with open top and state of sea trial were analyzed. For the high temperature of the cargoes, the cargo space was arranged as single bottom and double side, and the independent cargo tanks were adopted. The ‘T’ shape supports were designed based on the position and size of the independent cargo tanks, which limited the expanded amount of the cargo pipes near cargo pumps effectively. The first vessel has been delivered.

asphalt tanker; IHS Fairplay; independent cargo tank; T-shape support; launch with open top

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.019

2016-09-29

吳曉蓮(1983—)，女，碩士，高級(jí)工程師

研究方向：船舶總體開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)

U662

A

1671-7953(2017)04-0086-04

修回日期：2016-11-02