陸明鋒

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

當前，世界航運市場總體處于低位盤整階段。一方面，燃油價格從相對低位慢慢上揚，運費也在極度探底之后企穩(wěn)回升，航運企業(yè)景氣狀況明顯好轉(zhuǎn)，干散貨航運企業(yè)盈利狀況大幅改善。另一方面，國際海事組織(IMO)積極發(fā)揮引領作用，各項節(jié)能環(huán)保規(guī)范陸續(xù)出臺生效，對船舶的節(jié)能環(huán)保要求日益嚴格。在此市場背景下，相關設計院、船廠陸續(xù)推出多種新船型設計。在開發(fā)設計中，使用CFD軟件優(yōu)化型線[1]，提高船舶效率；研究協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)[2]以保證船舶結(jié)構(gòu)安全等。

為搶占市場先機，提高產(chǎn)品競爭力而打造的新一代綠色節(jié)能環(huán)保型散貨船，系統(tǒng)研究了船舶主尺度、總體布置、推進性能、船體結(jié)構(gòu)、主輔機器設備等方面，使得該船型具有油耗低、載重量大、貨艙裝載容積大、結(jié)構(gòu)安全、環(huán)保等特點，船舶設計能效指數(shù)(EEDI)滿足2020年以后簽約建造的要求，其他相關指標均滿足最新國際環(huán)境規(guī)范要求。

1 主尺度

此次開發(fā)新船型時，通過調(diào)研散貨航運市場和船東客戶的使用反饋意見，綜合考慮船舶推進性能、總體布置要求、營運航線、裝卸貨碼頭等實際條件，對本船的主尺度及主要技術指標進行論證研究，并優(yōu)化調(diào)整。

本船主尺度具體如下：

總長

小于199.9 m

垂線間長

197.0 m

型寬

32.2 m

型深

19.4 m

設計吃水

13.5 m

結(jié)構(gòu)吃水

13.5 m

服務航速

13.8 kn

載重噸

約63 500 t

主機型號

MAN B&W6S50ME-C9.5

最大功率(MCO)

7 390 kW

轉(zhuǎn)速

89 r/min

船級符號

NK, NS* (CSR, Bulk Carrier-Type A, BC-XII, GRAB 20, PSPC-WBT), (ESP) and MNS* (M0)

或者其他船級社同等船級符號。

雖然巴拿馬運河船閘通行寬度已經(jīng)大為提高，考慮到船型的延續(xù)性，本船仍采用總長小于200 m和船寬32.2 m的設計方案。另外，大靈便型散貨船營運中為更多裝載至滿載吃水航行，因此本船的設計吃水和滿載吃水統(tǒng)一至13.5 m，以突出優(yōu)化船舶滿載航行時的性能，提高船舶載貨量。

2 總體布置設計

2.1 總體布置

本船屬于平直甲板、方形船艉、垂直船艏的散貨船，滿足最新的協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)，適航于無限航區(qū)，可裝運鐵礦石、煤炭、谷物和鋼卷等貨物，也可根據(jù)船東實際需求升級規(guī)格以滿足危險品貨物運輸。為盡可能提高船體推進性能，降低燃油消耗，本船艉部加裝了多種節(jié)能裝置，如帶反向翼的半導流管、舵球舵翼裝置等，機艙、推進裝置、居住艙室和駕駛橋樓設置在船體后部。本船的總體布置示意見圖1。貨艙區(qū)域分割成5個貨艙。除艏艉尖艙和機艙區(qū)域的6號壓載艙外，5個貨艙周邊的雙層底、底邊艙和頂邊艙空間也布置了5對壓載艙。本船配備了3對燃油艙、1對柴油艙。5號貨艙頂邊艙中的油艙外側(cè)的雙殼部分設計為污水艙，用以收集甲板雨水、貨艙洗艙水及居住區(qū)生活廢水。本船配備4臺300 kN的克令吊、5對折疊式艙蓋，能滿足大靈便型散貨船裝卸貨物的要求。

①—1號燃油艙(左、右)；②—4號頂邊壓載艙(左、右)；③—3號頂邊壓載艙(左、右)；④—2號頂邊壓載艙(左、右)；⑤—1號頂邊壓載艙(左、右)；⑥—3號燃油艙(左、右)；⑦—6號壓載艙(左、右)；⑧—機艙；⑨—艉尖艙；⑩—柴油艙(右)

2.2 燃油艙布置

根據(jù)國際防止船舶造成污染公約(MARPOL)修正案Reg.12A要求，船上所有燃油艙均須滿足雙殼的布置要求。為盡可能地有效利用船體內(nèi)部空間，提高貨艙裝載容積，前一代大靈便型散貨船設計中，除機艙區(qū)域布置1對燃油艙外，在4號和5號貨艙區(qū)域的頂邊柜內(nèi)各布置了1對燃油艙。通過對船東的回訪，了解到為靈活應對低迷的航運市場，大靈便型散貨船甲板裝貨的要求相當普遍，結(jié)合考慮到后期甲板維護的便利性，本船在5號貨艙頂邊艙內(nèi)布置了1對燃油艙。同時為了提供足夠的續(xù)航力，5號貨艙和機艙前壁之間增加了1對燃油深艙。出于通行和建造便利性的考慮，燃油艙雙殼寬度設定為1.2 m。2號和3號燃油艙之間設置有利于管系穿行的隔間，以方便污水收集管、蒸汽管線等的布置。

前一代大靈便型散貨船的柴油艙布置在機艙燃油艙內(nèi)。根據(jù)船東反饋，燃油艙加熱時，低硫柴油存在被過度加熱的可能性。為了避免出現(xiàn)相同的問題，本船將柴油艙布置在舵機間，并將其分隔成2個小艙。

2.3 服務航速

船舶航速既要滿足快速性的需求，又是影響船舶能效設計指標的重要因素，決定了后期船舶運營經(jīng)濟性，因此，合理設定船舶服務航速要結(jié)合兩方面的需求。根據(jù)從不同船東處收集到的大靈便型散貨船實船營運數(shù)據(jù)分析結(jié)果看，大部分時間船舶是以低于設計航速的狀態(tài)在航行，可見降速航行已成為船東應對低迷市場、控制船舶營運成本的常態(tài)措施。另外，由于航速與船舶推進功率的指數(shù)關系，降低航速也是提高船舶能效設計指標的一個非常有效的方法。本船服務航速設定時，同時參考了各船型的服務航速與方形系數(shù)的統(tǒng)計圖譜，最終將服務航速設定為13.8 kn。在增大船舶載重噸指標的基礎上，保持較好的船舶推進性能水平。

2.4 總縱強度

本船裝載工況除了實際營運中的鐵礦石、煤炭、谷物、鋼卷等裝載工況外，還包括協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范中對BC-A散貨船的強度校核要求工況。通過對裝載工況的研究，本船完整狀態(tài)下的靜水中拱彎矩的最大值一般出現(xiàn)在壓載出港工況，最大中垂值則出現(xiàn)在重壓載到港工況，裝載貨物工況產(chǎn)生的靜水彎矩相對較小。在保證船體安全程度的前提下，為提高船體許用設計彎矩的利用率，合理降低結(jié)構(gòu)重量，對上述出現(xiàn)最大、最小靜水彎矩的壓載工況進行了多方案對比研究發(fā)現(xiàn)：一方面通過調(diào)整艏尖艙的布置方式，減少了中拱彎矩5%左右；另一方面通過重壓載工況的壓載水分布優(yōu)化，中垂彎矩降低了20%左右。優(yōu)化前后彎矩包絡線比較見圖2。采用上述措施后，與前一代大靈便型散貨船相比，本船的貨物裝載能力增加了約5%，而且設計許用彎矩值有較明顯降低，初步估算可節(jié)約鋼材重量約1%。

圖2 優(yōu)化前后彎矩包絡線比較

3 節(jié)能設計

3.1 線型優(yōu)化

船舶推進性能的優(yōu)劣，決定了船型的市場競爭力。為提高船型設計的生命力，本船型開發(fā)時，重點對船體型線進行優(yōu)化。采用最新的船體線型技術，運用數(shù)字化水池技術(CFD)和模型水池試驗等方法，對船體型線進行了多輪優(yōu)化設計。通過采用垂直球鼻艏的形式，在不過多增加興波阻力的情況下，本船的滿載排水量得到了一定的增加，滿足了船東加大載重量的需求。

3.2 舵球舵翼裝置

為改善螺旋槳后尾流，減少轂渦的產(chǎn)生，本船螺旋槳后方將安裝舵球舵翼節(jié)能裝置(Rudder Bulb System with Fins，RBS-F)，見圖3。通過該裝置，能將螺旋槳后尾流的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為向前的推力，并有效減小螺旋槳轂帽后的低壓空間，對槳后的水流有良好的整流作用，從而減少紊流渦流引起的能量損失，同時又能減輕尾流對舵和船艉的激振作用，綜合提高船舶推進效率。根據(jù)船模試驗結(jié)果，安裝該裝置后，預計可提高推進效率3%～5%。

圖3 舵球舵翼裝置

3.3 半整流導管裝置

為優(yōu)化螺旋槳進流伴流，本船在螺旋槳前端加裝了半整流導管(Semi-duct)，見圖4。該裝置由半圓形導流罩和三片反向鰭組成，利用半圓形導流罩調(diào)整流入螺旋槳的水流，同時對導流罩也產(chǎn)生推力，提高推進效率；反向鰭可產(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的水流，減少螺旋槳后方的回轉(zhuǎn)流，提高螺旋槳的推進效率。根據(jù)模型試驗結(jié)果分析，采用該裝置后，預計可以提高推進效率3%～4%。

圖4 半整流導管裝置

4 主要規(guī)范

4.1 協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范

為了解決共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR)中對油船和散貨船的應用維護問題和不協(xié)調(diào)問題，滿足工業(yè)界、船東的需求，特別是IMO的目標型船舶建造標準(GBS)的要求，國際船級社協(xié)會(IACS)于2014年3月正式發(fā)布了協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)。HCSR對油船和散貨船的強度要求不低于原CSR的要求。HCSR適用于2015年7月1日及之后簽約的長度不小于90 m的散貨船及不小于150 m的雙殼油輪。

依據(jù)HCSR規(guī)范對設計海況、標準裝載工況、靜態(tài)和動態(tài)載荷、結(jié)構(gòu)凈尺寸、結(jié)構(gòu)疲勞及局部和總縱強度衡準等的要求，對本船的結(jié)構(gòu)尺寸進行了分析、計算和確定。相對于CSR的散貨船，有以下幾方面較明顯的變化：

(1)大靈便型散貨船增加了斜浪時的等效設計波用來確定動載荷。

(2)與前船相比，內(nèi)底板縱骨、中縱桁等結(jié)構(gòu)的尺寸由在港工況決定，這是由于HCSR中采用了與油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR-OT)類似的評估方法。雖然在港工況下不考慮動載荷，但是相應的衡準也下降，約為航行工況的80%。

(3)由于采用了新的閉合公式法評估屈曲強度，本船的舷側(cè)肋骨尺寸基本由屈曲強度決定，貨艙單殼區(qū)域的板厚相對前船增加1.5 mm左右。

(4)對于大靈便型散貨船來說，鋼卷是常見的貨種之一。由于鋼卷與貨艙內(nèi)底板接觸面積小，單位面積重量大，貨艙內(nèi)底板的板厚和縱骨尺寸往往由鋼卷裝載工況決定。相對于CSR-BC，在鋼卷裝載工況相同的情況下，HCSR對內(nèi)底板的板厚和縱骨尺寸的要求有所下降。

(5)根據(jù)GBS的要求，增加了碰撞和擱淺工況下的殘存強度計算要求，但是對船體強度基本沒有影響。

(6)前船只需對船中部分貨艙結(jié)構(gòu)進行有限元計算方法評估，本船的有限元評估范圍擴大到整個貨艙區(qū)，包括粗網(wǎng)格、細網(wǎng)格、疲勞精細網(wǎng)格評估，設計工作量顯著上升。

(7)疲勞強度計算時選取的載荷概率水平由10-4改為10-2。這是由于10-2概率水平下，不同的Weibull形狀參數(shù)的選取對疲勞壽命計算結(jié)果的影響較小。另外，疲勞計算工況下的靜水彎矩不再根據(jù)實際裝載手冊選取，而是直接由HCSR 給出許用靜水彎矩的一定比例作為疲勞計算工況下的靜水彎矩設定值。

(8)IMO基于GBS對HCSR的功能性要求作了符合性審查。提出了以下幾點需要改進的地方：增大迎浪和隨浪工況下的浪向修正系數(shù)；疲勞計算時船長小于200 m的BC-B和BC-A船增加重壓載工況下的時間比；疲勞計算時結(jié)構(gòu)件暴露于腐蝕環(huán)境下的時間翻倍等。雖然工業(yè)界有不少反對聲音，IACS還是根據(jù)要求推出了緊急規(guī)范變更通知(URCN1)。經(jīng)過對本船的研究，URCN1對船體梁總縱屈服強度、極限強度、殘存強度沒有影響，但是對局部屈服強度、屈曲強度、疲勞強度等有一定影響。

4.2 氮氧化物排放規(guī)則和對策

隨著全球海事界對有害物質(zhì)排放要求日益嚴格，特別是船舶航行在限制排放區(qū)域(Emission Control Area，ECA)、美國加勒比海和加利福尼亞區(qū)域，要求船舶有更低的廢氣排放，促使船東采用各種措施應對全球、區(qū)域和本地立法的要求。

根據(jù)IMO要求，對于2016年1月1日及之后建造的船舶，船舶安裝超過130 kW(不在港口使用的應急發(fā)電機除外)的柴油機需要滿足氮氧化物(NOx)排放三次規(guī)則的要求。本船采用MAN 6S50ME-C9.5-EGRBP機型，主機采用廢氣再循環(huán)方式(Exhaust Gas Recirculation，EGR)系統(tǒng)。根據(jù)氮氧化物的形成原理，在燃料燃燒產(chǎn)生高溫高壓的條件下，由空氣中的氮氣和氧氣通過化學反應而產(chǎn)生的，為了減少這種化學過程，就需要降低燃燒反應溫度。據(jù)此，MAN公司研究了廢氣再循環(huán)(EGR)。此系統(tǒng)為MAN公司的專利產(chǎn)品，原理為主機燃燒過程中，將主機產(chǎn)生的一部分廢氣清潔后作為掃氣空氣送入氣缸內(nèi)，進機氣體中氧氣量減少，同時燃燒溫度下降，破壞了氮氧化物的形成條件，從而抑制氮氧化物的產(chǎn)生，以達到排放三次規(guī)則的要求。

發(fā)電機采用選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)系統(tǒng)來滿足氮氧化物排放三次規(guī)則的要求，其原理是在發(fā)電機排煙管中設置催化還原反應裝置，將發(fā)電機廢氣中的氮氧化物排入反應罐中，與尿素溶液發(fā)生化學反應，分解排煙中的NOx，降低排煙中的NOx含量，以達到氮氧化物排放三次規(guī)則的要求。

4.3 硫氧化物排放規(guī)則和對策

根據(jù)IMO海洋環(huán)境保護委員會(MEPC)72次會議討論的結(jié)果，IMO再次確認，從2020年1月1日起，在全球海域即將執(zhí)行0.5%硫含量的排放要求。目前，降低硫氧化物(SOx)排放的主要途徑有：使用低硫燃油、安裝廢氣處理裝置、使用液化天然氣燃料(Liquefied Natural Gas，LNG)。

針對目前主要硫氧化物排放控制區(qū)限制要求,結(jié)合船東在船舶營運方面的要求,本船基于滿足規(guī)則使用要求以及ISO 8217：2017標準的低硫燃油(粘度： 2.0 mm2/s及以上，40 ℃，硫含量：最大1.0%)作為硫排放限制區(qū)域的對策，設計主要包括配備螺桿泵、冷卻器，以及設置專用的低硫燃油艙、柴油艙和高低堿值的汽缸油艙等。同時為了滿足即將執(zhí)行的IMO要求全球0.5%硫含量的排放要求，結(jié)合船東使用超過0.5%硫含量的燃油的要求，采用安裝開式的SOx洗滌塔作為應對措施，并且也考慮采用清潔能源(液化天然氣)作為SOx和NOx排放要求的應對措施。

4.4 能效設計指數(shù)

為促進船舶減少CO2排放，新船能效設計指數(shù)(Energy Efficiency Design Index，EEDI)作為衡量船舶CO2排量的指數(shù)，已于IMO MEPC62會議作為MARPOL Annex VI的修改被采用。該法規(guī)設定了EEDI的基準值，從2013年1月1日起簽署合同的新造船舶需要滿足不同的階段要求。經(jīng)初步測算，目前本船的EEDI設計值相對基線值的冗余度超過25%，已滿足Phase 2(到2024年為止)的要求。

4.5 壓載水管理公約

2016年9月8日，隨著芬蘭批準接受《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》(簡稱《壓載水管理公約》)，該公約將于2017年9月8日正式生效。船舶需要對壓載水進行相應的處理，以移除壓載水中的外來生物，避免壓載水對當?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境帶來生物污染。

根據(jù)公約要求，本船提供對策如下：

(1)根據(jù)壓載水管理計劃(BWMP)，船舶在航行途中采用逐一置換法，使壓載艙內(nèi)的壓載水更換率至少達到壓載水體積的95%以上，滿足D-1標準。同時，對于置換操作進行安全評估，包括完整穩(wěn)性和總縱強度的校核、螺旋槳的浸沒率、駕駛室可視范圍、艏部船體砰擊等。特別是對于散貨船型，壓載水置換過程中，艏部會出現(xiàn)較小的吃水，需要對置換過程進行優(yōu)化，船體結(jié)構(gòu)相應加強，并在船舶裝載手冊中明確艏部的最小吃水。

(2)配備1套滿足D-2標準的壓載水處理裝置，機艙內(nèi)布置、壓載泵揚程、船舶電站容量等相應調(diào)整等。根據(jù)船東的反饋，對于大靈便型散貨船，壓載水處理裝置通?？紤]為美國海岸警衛(wèi)隊(USCG)型式認可的系統(tǒng)，以滿足美國水域航行的要求。

5 結(jié)論

新一代綠色節(jié)能環(huán)保的超靈便型散貨船推向市場后，得到了客戶的充分認可。本文對此船型的總布置方案、性能優(yōu)化設計、船體結(jié)構(gòu)設計等方面進行了總結(jié)，得到結(jié)論如下：

(1)船型的關鍵競爭力體現(xiàn)在節(jié)能和環(huán)保。通過型線的優(yōu)化、節(jié)能設備的應用，可在提高載重噸的同時降低油耗指標。

(2)協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范通過經(jīng)驗公式和直接計算相結(jié)合的形式，校核結(jié)構(gòu)的屈服屈曲強度、疲勞強度、極限強度、殘存強度等，這也必將使結(jié)構(gòu)增強，鋼材重量增加。這些改變使得設計人員對于設計流程、結(jié)構(gòu)布置、節(jié)點設計等許多方面都要做出相應的調(diào)整或改變。

(3)更安全、更環(huán)保的船舶，也意味著造船成本的增加，設計者要充分研讀規(guī)范，掌握好尺度，既要滿足規(guī)范法規(guī)的要求，又要考慮為造船成本降低多做貢獻，合理設計結(jié)構(gòu)余量、選擇設備規(guī)格。