左文安

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海201203）

引 言

支線(xiàn)型集裝箱船主要和于中小港口間的集裝箱貨物直接貿(mào)易運(yùn)輸及主干航線(xiàn)港口與中小港口的集裝箱中轉(zhuǎn)貿(mào)易運(yùn)輸，運(yùn)營(yíng)區(qū)域涵蓋全球各類(lèi)航線(xiàn)[1]。隨著航運(yùn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的越發(fā)激烈，船東對(duì)支線(xiàn)型集裝箱船的要求越來(lái)越苛刻，各船舶設(shè)計(jì)研究院、船廠等科研院所投入大量人力物力，以期獲得優(yōu)秀的性能指標(biāo)贏得市場(chǎng)青睞[2]。

2 300 TEU集裝箱船采和單機(jī)單槳、低速柴油機(jī)推進(jìn)，航行于無(wú)限航區(qū)。采和垂直球艏、方艉，配有五葉定距槳、舵球裝置及高效扭曲舵，首部布置首側(cè)推。從船首至船尾依次設(shè)有7道主橫艙壁，將整船分為首尖艙區(qū)、首側(cè)推及應(yīng)急消防泵區(qū)、貨艙區(qū)（4個(gè)貨艙）、機(jī)艙區(qū)、尾尖艙和舵機(jī)艙。本船布置有3部吊機(jī)，首部和中部吊機(jī)分別位于首尾兩貨艙間，尾部吊機(jī)位于上建后端壁上方。壓載水艙位于雙層底及船側(cè)兩舷。本船名義總箱位數(shù)為2 362 TEU，且設(shè)有400個(gè)冷藏箱插座。2組燃油艙分別布置于首部和中部吊機(jī)正下方貨艙隔艙內(nèi)。首部吊機(jī)正下方布置有低硫油艙，同時(shí)預(yù)留有SCR裝置，能夠達(dá)到Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足禁排區(qū)硫氮化物排放標(biāo)準(zhǔn)，能在歐盟禁排區(qū)航行。全船總布置見(jiàn)圖1。

圖1 2 300 TEU集裝箱船總布置圖

本船主要尺度和參數(shù)如下：

總 長(zhǎng) 171.95 m

垂線(xiàn)間長(zhǎng) 168.60 m

型 寬 32.20 m

型 深 16.70 m

設(shè)計(jì)吃水 8.50 m

結(jié)構(gòu)吃水I 9.50 m

結(jié)構(gòu)吃水II 10.50 m

主 機(jī) MAN 6S60ME-C10.5 Tier III ready

功 率 SMCR 13 165 kW×94 r/min

服務(wù)航速 18.0 kn

定 員 26人

船級(jí)符號(hào) DNVGL+1A， Container Ship， NAUT（NAV）， COAT-PSPC（B）， LCS， RSCS+， DG（P）， BWM（T）， Recyclable， E0， BIS， TMON （oil lubricated）

該船運(yùn)營(yíng)方為世界航運(yùn)巨頭馬士基集團(tuán)，對(duì)船舶的性能指標(biāo)要求非常嚴(yán)格。在線(xiàn)型優(yōu)化方面，指定歐洲知名水池以提高阻力性能，降低運(yùn)營(yíng)成本；在穩(wěn)性方面，要求機(jī)艙破損后，GM值不小于0；而結(jié)構(gòu)吃水下14 t均箱數(shù)，也作為各設(shè)計(jì)院、船廠能否最終中標(biāo)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

原船型結(jié)構(gòu)吃水為9.5 m，馬士基通過(guò)對(duì)未來(lái)貨運(yùn)行情的預(yù)判，考慮到后期裝載能力的要求，結(jié)構(gòu)吃水增加到10.5 m，船體主尺度及結(jié)構(gòu)形式仍然保持不變，而14 t均箱數(shù)仍然以9.5 m吃水下作為考核指標(biāo)。如果只采和10.5 m一條載重線(xiàn)，由于干舷的減小，同時(shí)保證機(jī)艙破損后穩(wěn)性為正值，那么在滿(mǎn)足概率破損的情況下，重載吃水對(duì)應(yīng)的GM值會(huì)更高，從而插值得到的9.5 m吃水下極限GM值也相應(yīng)提高，極大地影響了本船的14 t均箱指標(biāo)。為提高本船的均箱數(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，采和增加一條載重線(xiàn)的方案，見(jiàn)圖2概率破艙穩(wěn)性極限GM值。船東可據(jù)此根據(jù)裝載箱貨重心的特點(diǎn)選擇合適的載重線(xiàn)，提高經(jīng)濟(jì)效率。

圖 2 概率破艙穩(wěn)性極限GM值

由于馬士基要求航速仍然以9.5 m吃水作為考核，因此主機(jī)選型保持不變。因吃水增加而帶來(lái)的操縱性問(wèn)題，采取在船尾設(shè)導(dǎo)流鰭，并進(jìn)行操縱性試驗(yàn)，本船操縱性試驗(yàn)在702研究所進(jìn)行。經(jīng)驗(yàn)證，本船操縱性滿(mǎn)足IMO相關(guān)要求。由于增加了1 m結(jié)構(gòu)吃水，因此在設(shè)計(jì)階段需要對(duì)該方案進(jìn)行可行性評(píng)估，本文將從載重量、干舷、視線(xiàn)、破艙穩(wěn)性和均箱指標(biāo)等方面進(jìn)行分析。

2 300 TEU集裝箱船水池船模如圖3所示。

圖3 2 300 TEU集裝箱船水池船模

1 載重量

船舶的載重量是表示船舶所具有載重能力的指標(biāo)，是指船舶處于夏季干舷對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)載吃水時(shí)，船舶排水量和空載排水量的差值。由此可見(jiàn)，載重量與載重線(xiàn)是密切相關(guān)的，載重線(xiàn)中夏季干舷值決定了滿(mǎn)載吃水的位置，而滿(mǎn)載吃水的位置則決定了載重量的大小。[3]

船舶排水量為載重量與空船質(zhì)量之和。空船質(zhì)量不變，對(duì)應(yīng)不同吃水下的載重量也不同，且隨著吃水的增加而增加。本船線(xiàn)型由德國(guó)漢堡HSVA水池優(yōu)化設(shè)計(jì)，靜水力參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 靜水力參數(shù)

由表1可知，吃水從9.5 m增加到10.5 m，方形系數(shù)僅增加了0.018，而排水量增加了4 861.9 t。在空船重量不變的情況下，載重量增加顯著，約占9.5 m吃水下排水量的13.5%，使船東經(jīng)濟(jì)效益大大提高。

2 干舷要求

干舷指載重線(xiàn)與干舷甲板之間的距離[4]，保持船體型深不變，增加1 m結(jié)構(gòu)吃水，則相應(yīng)的夏季干舷值變小，需校核干舷的高度是否滿(mǎn)足《國(guó)際載重線(xiàn)公約》的要求。儲(chǔ)備浮力即船舶設(shè)計(jì)水線(xiàn)至最上層水密甲板的水密部分體積對(duì)應(yīng)的排水量，其大小與干舷相關(guān)，干舷越大儲(chǔ)備浮力越大，其大小關(guān)系到船在航行中浮性和安全。

夏季最小干舷：

式中：F0為船舶的干舷表，長(zhǎng)度為中間值的船舶，其干舷和線(xiàn)性?xún)?nèi)插法求得；F1為長(zhǎng)度在 100 m 以下船舶的干舷修正；F2為方形系數(shù)修正；F3為計(jì)算型深修正；F4為對(duì)上層建筑和凸形甲板的干舷減除；F5為標(biāo)準(zhǔn)舷弧剖面差異的修正。

表2和表3分別為干舷修正值與干舷值。

表2 干舷修正值 mm

表3 干舷值

由此可知，本船所要求的夏季最小干舷為4 747 mm，原設(shè)計(jì)干舷在9.5 m結(jié)構(gòu)吃水時(shí)為7 225 mm，而在10.5 m結(jié)構(gòu)吃水時(shí)為6 225 mm，均大于要求的最小干舷，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 視線(xiàn)要求

集裝箱船視線(xiàn)受到上建高度、駕駛臺(tái)位置、吊機(jī)布置、艏樓后端擋浪墻等影響。SOLAS第5章22條1.1節(jié)要求：從駕駛位置上所見(jiàn)的海面視域，在所有吃水、縱傾和甲板貨狀態(tài)下，自船首前方至任何一舷10°范圍內(nèi)均不應(yīng)有超過(guò)2倍船長(zhǎng)或500 m（取其小者）的遮擋。[5]

本船關(guān)于視線(xiàn)的船級(jí)符號(hào)為：NAUT（NAV）。船級(jí)社規(guī)范要求[6]：從駕駛臺(tái)、監(jiān)控臺(tái)和操舵位置視線(xiàn)正前方看，在駕駛室內(nèi)外不能有任何遮擋。本船船中位置設(shè)有吊機(jī)，操舵位置不滿(mǎn)足視線(xiàn)要求。通過(guò)與DNV·GL船級(jí)社溝通后，提出以下3種解決方案：

方案1，操控臺(tái)向右舷偏置。

方案2，操控臺(tái)位于中央的對(duì)稱(chēng)布置，在艏桅上安裝CCTV，需增加2套設(shè)備（CCTV+顯示屏）。

方案3，申請(qǐng)船級(jí)社豁免，操控臺(tái)可以位于中央對(duì)稱(chēng)布置。

通過(guò)與船東溝通后，船東因操作習(xí)慣，不接受駕駛臺(tái)偏置方案。而增加CCTV會(huì)帶來(lái)一定費(fèi)和的增加，船廠不接受。由于該要求不是SOLAS強(qiáng)制要求，經(jīng)與船級(jí)社溝通后，最終申請(qǐng)視線(xiàn)豁免。

由于結(jié)構(gòu)吃水增加1～10.5 m，因此至船首2倍船長(zhǎng)與水線(xiàn)交點(diǎn)相應(yīng)提高1 m。從駕駛室到該交點(diǎn)的視線(xiàn)變得更高，相對(duì)結(jié)構(gòu)吃水9.5 m下20 ft標(biāo)箱名義箱位增加13個(gè)。

4 概率破艙穩(wěn)性

干貨船和客船的破損穩(wěn)性需按照SOLAS相關(guān)要求進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)概率破艙計(jì)算得到極限GM曲線(xiàn)，在工況配載時(shí)使裝載工況的GM值大于相應(yīng)吃水下的臨界值。

對(duì)于Ls超過(guò)100 m的船舶，所要求的指數(shù)R公式表示為：

式中：Ls為船長(zhǎng)，m。

船舶所能達(dá)到的分艙指數(shù)A公式表示為：

式中：i表示所考慮的每一個(gè)艙或艙組；Ls為船舶處于最深分艙載重線(xiàn)時(shí)限制垂向浸水范圍的甲板及其以下部分最大投影型長(zhǎng)度，即船舶分艙長(zhǎng)度，m；pi為所考慮的艙或艙組可能浸水的概率，不考慮任何水平分隔；si為所考慮的艙或艙組浸水后生存概率，包括任何水平分隔的影響。

根據(jù)SOLAS第Ⅱ-1章B-1部分第5-1條4，確定ds、dp和dl吃水及該吃水下的GM值， 進(jìn)行概率破艙穩(wěn)性計(jì)算。根據(jù)船舶水密艙室布置進(jìn)行分艙，并給定的初始工況得到的一系列破損工況，通過(guò)反復(fù)計(jì)算并調(diào)整GM值，使得到的分艙指數(shù)A大于或等于要求的分艙指數(shù)R，同時(shí)每一部分指數(shù)不小于0.5R，則認(rèn)為該船的破艙穩(wěn)性滿(mǎn)足要求，從而得到3種吃水情況下的極限GM值。對(duì)中間吃水GM值，可通過(guò)線(xiàn)性?xún)?nèi)插法求得。

對(duì)于雙載重線(xiàn)，船級(jí)社要求破艙計(jì)算需要單獨(dú)計(jì)算考慮每一條載重線(xiàn)。本船Ls=171.95 m，船舶所要求的指數(shù)R為0.604 88。從表4可知，船舶所能達(dá)到的分艙指數(shù)A在雙載重線(xiàn)下都滿(mǎn)足要求，破艙穩(wěn)性極限GM曲線(xiàn)如第11頁(yè)中圖2所示。

表4 概率破艙計(jì)算工況及結(jié)果

5 雙層底破損

SOLAS破艙穩(wěn)性規(guī)則對(duì)底部破損、雙層底設(shè)置與首部破損等方面作出規(guī)定。確定性方法規(guī)定了破損區(qū)域的范圍（包括縱向、橫向和垂向3個(gè)方向的破損范圍），還規(guī)定了相關(guān)艙室破損浸水后船舶殘存能力的最低要求。

SOLAS第II-1章B-2第9條要求雙層底自防撞艙壁延伸至尾尖艙艙壁。如需設(shè)置雙層底時(shí)，其內(nèi)底應(yīng)延伸至船舷兩側(cè)，以保護(hù)船底至舭部彎曲部位。內(nèi)底板在任何部分都不低于與龍骨線(xiàn)平行且自龍骨線(xiàn)量起垂直高度不低于船寬的1/20，同時(shí)不得小于760 mm，也不必大于2 000 mm。

本船首部防撞艙壁后底部布置壓載水艙，其高度超過(guò)了2 m，屬于異常雙層底。由于螺旋槳槳軸高度及主機(jī)布置的要求，導(dǎo)致機(jī)艙雙層底主機(jī)滑油循環(huán)艙頂部向下凹陷，高度不滿(mǎn)足B/20的要求；貨艙區(qū)域壓載水管系布置在雙層底一下，高度不滿(mǎn)足B/20。對(duì)于這些艙室需計(jì)算底部破損，同時(shí)要考慮管系及艙室的連貫破損。

計(jì)算工況以雙載重線(xiàn)下概率破艙工況與雙層底底部破損艙室進(jìn)行組合。經(jīng)計(jì)算，艏部及貨艙區(qū)域的底部破損均能滿(mǎn)足相關(guān)衡準(zhǔn)，而機(jī)艙區(qū)由于容積較大，破損后會(huì)導(dǎo)致較大的艉傾，破損較難滿(mǎn)足。通過(guò)設(shè)置機(jī)艙與舵機(jī)艙水密門(mén)，同時(shí)在機(jī)艙兩側(cè)布置隔離空艙以減少機(jī)艙容積。經(jīng)調(diào)整布置，在不需要改變概率破艙GM值的情況下，雙層底破艙滿(mǎn)足要求。

6 機(jī)艙破損

本船船東對(duì)船舶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的破艙穩(wěn)性有特殊要求：在機(jī)艙破損后，船舶在破損過(guò)程中及最后的浮態(tài)，要求GM值為正值。因此需要對(duì)雙載重線(xiàn)的概率破損工況與機(jī)艙破損組合進(jìn)行確定性破損計(jì)算，如下頁(yè)表5所示，對(duì)每個(gè)破損工況，考慮5個(gè)中間進(jìn)水階段，經(jīng)計(jì)算機(jī)艙破損工況下，GM值都大于0。

圖 4 機(jī)艙破損工況

表5 機(jī)艙破損工況及結(jié)果

續(xù)表5

7 均箱指標(biāo)

船東對(duì)結(jié)構(gòu)吃水下的配載工況14 t均箱指標(biāo)極為關(guān)注，而該指標(biāo)與相應(yīng)吃水下的GM相關(guān)。經(jīng)過(guò)前述概率破艙穩(wěn)性，有效雙層底破損，及機(jī)艙破損等反復(fù)調(diào)整GM值循環(huán)計(jì)算，確定本船的許和極限GM值，以此為依據(jù)進(jìn)行配載計(jì)算。如表6所示：兩載重線(xiàn)結(jié)構(gòu)吃水9.5 m、10.5 m下要求的最小GM值分別為0.7 m、1.15 m；14 t均箱指標(biāo)分別為1 670 TEU、1 722 TEU。結(jié)構(gòu)吃水增加1 m至10.5 m，14 t均箱增加了52個(gè)，占名義總箱數(shù)的2.2%。

表6 雙載重線(xiàn)下最小GM值及14 t均箱指標(biāo)

8 許用靜水彎矩剪力

本船首尾尖艙為空艙。根據(jù)DNVGL規(guī)范第3部分第4章8節(jié)1.2及IACS URS11A要求，對(duì)于壓載工況，需考慮部分裝滿(mǎn)壓載艙全空全滿(mǎn)的工況；當(dāng)存在多個(gè)部分裝滿(mǎn)壓載艙，需考慮所有艙室組合裝載工況；對(duì)于載貨工況，在航行中壓載水發(fā)生變化的艙室，需考該艙室壓載水變化前及變化后的中間工況。

根據(jù)DNV·GL規(guī)范第5部分第2章3節(jié)3.1.2要求，航行工況需考慮最大吃水下40 ft BAY空艙裝載工況。本文對(duì)2條載重線(xiàn)結(jié)構(gòu)吃水下，對(duì)BAY02，BAY06……BAY30所有40 ft空BAY進(jìn)行配載。

如圖6所示：9.5 m吃水下，最大靜水彎矩為69 311 t ·m；10.5 m吃水下，最大靜水彎矩為63 049 t·m。在10.5 m吃水BAY2空艙裝載的工況下，在FR153至FR200出現(xiàn)了彎矩為3 600 t·m的負(fù)值，會(huì)給結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在該橫剖面總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的困難，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)重量急劇增加，從而影響裝載指標(biāo)，即使通過(guò)反復(fù)調(diào)整裝箱及壓載水配載，仍無(wú)法消除該負(fù)值。這是由于首部增加1 m吃水后，首部產(chǎn)生較大的浮力，從而使向上的彎矩增加較大；而本船的艏尖艙設(shè)置為空艙，沒(méi)有其他的載荷可以施加以抵抗浮力。如果艏尖艙改為壓載艙，經(jīng)配載可以抵消負(fù)的彎矩值，同時(shí)需要增加相應(yīng)的管系設(shè)備及結(jié)構(gòu)重量，產(chǎn)生一定的 設(shè)備及鋼材費(fèi)和。

經(jīng)與船級(jí)社溝通，該空BAY2工況可免，不作考慮。本船最大的靜水剪力在-3 000～3 000 t，經(jīng)結(jié)構(gòu)校核，滿(mǎn)足要求。

圖5 14 t均箱配載工況

圖6 靜水彎矩及剪力分布圖

圖7 空BAY2配載工況

9 結(jié) 論

支線(xiàn)型集裝箱船作為集裝箱樞紐港及干舷運(yùn)輸?shù)难由?，是集裝箱班輪航線(xiàn)的重要組成部分，具有營(yíng)運(yùn)成本低、經(jīng)營(yíng)靈活以及軸輻式網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)等特點(diǎn)，因此各設(shè)計(jì)公司對(duì)該類(lèi)船型設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈；此外，船東為確保運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)各參數(shù)性能指標(biāo)的要求也極高。本文提出在不改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，增加一條載重線(xiàn)，并以2 300 TEU集裝箱船為例進(jìn)行可行性分析，得到以下結(jié)論：

（1）增加1 m結(jié)構(gòu)吃水后，載重量增加了4 861.9 t，約占9.5 m吃水下排水量的13.5%，經(jīng)濟(jì)效率極為顯著。

（2）增加結(jié)構(gòu)吃水后干舷減小，但方案是否可行，還需對(duì)干舷進(jìn)行校核。本船干舷滿(mǎn)足要求。

（3）增加結(jié)構(gòu)吃水后，使視線(xiàn)更高，名義箱位相應(yīng)有所增加。

（4）增加到10.5 m結(jié)構(gòu)吃水后，儲(chǔ)備浮力減小，在概率破艙計(jì)算時(shí)，相應(yīng)深吃水需要更大的GM值，導(dǎo)致在該載重線(xiàn)下9.5 m吃水的最小GM值也會(huì)增加。由于在運(yùn)營(yíng)工程中只能使和一條載重線(xiàn)證書(shū)，因此各自載重線(xiàn)下的均箱指標(biāo)不受影響。

（5）增加結(jié)構(gòu)吃水后，14 t均箱數(shù)占總名義箱位的72.9%，遠(yuǎn)超同類(lèi)型船裝箱指標(biāo)。

（6）兩種結(jié)構(gòu)吃水下進(jìn)行配載計(jì)算發(fā)現(xiàn)，深吃水情況下的許和靜水彎矩及剪力影響對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較小，部分空BAY工況可申請(qǐng)豁免。