張洪流 劉陽 劉正亮 趙錫超

摘? ? 要：結(jié)合目前散貨船市場的現(xiàn)狀，我司推出新一代MiniCape散貨船設(shè)計(jì)并應(yīng)用于航運(yùn)市場。該型船通過對航速、EEDI提升、結(jié)構(gòu)及空船重量控制、綠色環(huán)保設(shè)計(jì)及生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化等，使該船比現(xiàn)有同類型船舶更環(huán)保、更節(jié)能、更智能、更舒適、載重量更大，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)滿足HCSR和EEDI2標(biāo)準(zhǔn)的新型船舶，為類似船型的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：散貨船;綠色;低風(fēng)阻;節(jié)能;運(yùn)量;運(yùn)營成本

中圖分類號：U662.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design of New MiniCape Bulk Carrier

ZHANG Hongliu， LIU Yang， LIU Zhengliang， ZHAO Xichao

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： Based on the current situation of the bulk carrier market， a new generation of MiniCape bulk carrier is designed and applied to the shipping market. Through the optimization of speed， EEDI， structure and empty ship weight control， green and environmental protection design and production design， the ship is more environmental protection， more intelligent， more comfortable， more load capacity than the existing similar ships. A new type of ship which meets HCSR and EEDI2 standards at same time is realized， which can provide reference for similar ship design.

Key words： Bulk carrier; Green; Lower wind resistance; Energy saving; Transportation volume; Operating cost

1? ? ?前言

隨著世界貿(mào)易大格局的變化，以及船舶新法規(guī)的相應(yīng)生效及實(shí)施，節(jié)能減排、降低燃油消耗、綠色環(huán)保、低維護(hù)成本的散貨船成為船東追求的目標(biāo)。面對殘酷的散貨船市場，船廠、設(shè)計(jì)院要在市場環(huán)境中生存并良性發(fā)展，就需要開發(fā)新的船型來適應(yīng)形勢的發(fā)展。近年來，MiniCape型散貨船在某些特定航線需求旺盛，如西澳大利亞黑德蘭港的鋰礦石和西非幾內(nèi)亞的錳礦石運(yùn)輸?shù)龋虼宋宜靖鶕?jù)市場需求設(shè)計(jì)推出新型120000 DWT的MiniCape散貨船。本文就該船型的設(shè)計(jì)開發(fā)、建造進(jìn)行介紹。

該船為單螺旋槳、低速柴油機(jī)推進(jìn)的遠(yuǎn)洋航行散貨船，適用于裝載煤、礦石、谷物等散貨。該船上建有6層甲板，船員總數(shù)25人，7個(gè)貨艙總艙容約135000 m3;在結(jié)構(gòu)吃水14.6m時(shí)，載重量約120 000? DWT，續(xù)航力22 000 kn;入DNV船級社，懸掛香港旗。

2? ? ?線型設(shè)計(jì)

（1）該船依據(jù)設(shè)定的主要尺度和目標(biāo)航速，選取數(shù)據(jù)庫中較為接近的優(yōu)秀船型作為母型，經(jīng)過船型變化獲得優(yōu)選線型。首先，對原始線型的不同首部和尾部形狀進(jìn)行分析研究，優(yōu)選首部和尾部形狀進(jìn)行方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行CFD計(jì)算選優(yōu);然后，通過開展浮心縱向位置變化、舭部半徑變化、修改進(jìn)流段和去流段以及水線形狀等，依據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果，同時(shí)輔助專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行線型設(shè)計(jì)，保證線型設(shè)計(jì)符合船舶建造要求;最后獲得最終線型方案為：首部采取直立球首設(shè)計(jì)，阻力性能優(yōu)秀;尾部則擁有上佳的伴流分布，有助于提高螺旋槳推進(jìn)效率;

（2）在操縱性和耐波性設(shè)計(jì)中，利用軟件計(jì)算操縱性能，保證操縱性滿足規(guī)范要求;首部水線進(jìn)流處平緩，相對其他同類船型具有更瘦的水線面，可以在海況不佳時(shí)更容易切開波浪，明顯降低波浪增阻（見圖 1、圖 2）;

（3）根據(jù)最終設(shè)計(jì)線型，開展一系列模型試驗(yàn)，包括阻力、自航、敞水、流線、伴流、波浪增阻試驗(yàn)等。

在快速性試驗(yàn)過程中，為實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化，開展了槳前節(jié)能裝置（導(dǎo)管）的設(shè)計(jì)（見圖 3）及PK試驗(yàn)、設(shè)計(jì)槳的PK試驗(yàn)。快速性試驗(yàn)結(jié)果表明，在合同功率點(diǎn)下，航速超越了規(guī)格書要求的指標(biāo)（見圖 4）;波浪增阻試驗(yàn)表明該船可滿足最小裝機(jī)功率要求。

3? ? 上建型式設(shè)計(jì)

考慮到提高航速及EEDI指標(biāo)提升，做到真正節(jié)能環(huán)保，該船采用低風(fēng)阻型上建型式，如圖5所示。

（1）采用STARCCM+軟件，對上層建筑傳統(tǒng)方案和低風(fēng)阻優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值模擬比較;

（2）采用湍流定常計(jì)算（僅計(jì)算水線以上的部分）。在風(fēng)速低于8級風(fēng)時(shí)網(wǎng)格數(shù)為400萬即可;當(dāng)風(fēng)速更高時(shí)，為了高風(fēng)速的穩(wěn)定，網(wǎng)格數(shù)為2 000萬左右。

（3）計(jì)算狀態(tài)為：船速14 kn;風(fēng)速分別為蒲氏2級、4級、6級和8級風(fēng)，如表1所示。

（4）通過對兩種不同上層建筑表面速度分布計(jì)算，得出不同風(fēng)速度下上建阻力值（見表 2）及節(jié)能效果（見表 3）。

計(jì)算結(jié)果表明：隨著風(fēng)速的增加，上建型式流動(dòng)分離現(xiàn)象趨向嚴(yán)重，風(fēng)阻占總阻力的比值也增大，在蒲氏4級風(fēng)時(shí)風(fēng)阻約占總阻力的4%，6級風(fēng)時(shí)約占總阻力的7%，8級風(fēng)時(shí)約占總阻力的11%;低風(fēng)阻上層建筑優(yōu)化方案避免了直角分離的影響，并減小了風(fēng)垂直接觸表面積。風(fēng)速越大節(jié)能效果越顯著。在蒲氏4級風(fēng)時(shí)可降低功率2.2%，8級風(fēng)時(shí)可降低功率約7%，這對EEDI指標(biāo)提升起到了良好的效果。實(shí)船航行試驗(yàn)表明，其服務(wù)航速達(dá)到并超出了合同指標(biāo)，且船舶振動(dòng)及操縱性也符合合同要求，船東非常滿意。

4? ? 空船重量控制

空船重量控制是保證船舶載重量的關(guān)鍵因素。船體結(jié)構(gòu)重量約占空船重量80%，因此控制船體結(jié)構(gòu)重量極為重要。通過優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點(diǎn)型式、構(gòu)件尺寸，對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）控制初始設(shè)計(jì)值，合理優(yōu)化貨艙劃分，以最大程度降低靜水彎矩及剪力值;

（2）優(yōu)化肋距、縱骨及強(qiáng)框間距。確定對構(gòu)件尺寸最有利的間距;

（3）優(yōu)化構(gòu)件尺寸，構(gòu)件分析采用迭代法，反復(fù)優(yōu)化得到最佳值;

（4）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)精細(xì)化。對比各種加強(qiáng)方案，優(yōu)化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)型式，改善疲勞強(qiáng)度，降低應(yīng)力值;

（5）生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)各專業(yè)充分協(xié)調(diào)。如生產(chǎn)工藝協(xié)調(diào)，使分段線、板縫線、構(gòu)件尺寸最優(yōu)化，達(dá)到最佳平衡;

（6）根據(jù)CSR的特性，提高整船的高強(qiáng)度鋼比例，并在一些高應(yīng)力區(qū)采用高等級的高強(qiáng)度鋼;而對一些易疲勞處構(gòu)件采用低級別高強(qiáng)度鋼，提高抗疲勞能力;

（7）優(yōu)化貨艙區(qū)域外的結(jié)構(gòu)布置、尺寸，有效控制船中區(qū)域外的結(jié)構(gòu)重量;對首尾機(jī)艙骨架型式進(jìn)行縱橫骨架式的詳細(xì)比較，最后確定尾部和機(jī)艙雙層底采用橫骨架式外，其余都采用縱骨架式，有利于總縱強(qiáng)度并減輕重量;

（8）進(jìn)行多方案的直接計(jì)算分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用不同的加強(qiáng)方式，達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的最優(yōu)化。

通過采用合理的布置和精細(xì)化的設(shè)計(jì)，全船結(jié)構(gòu)重量得到了有效控制，與建造合同相比，增加了約500 t載貨量，取得可喜的結(jié)果。

5? ? ?綠色環(huán)保設(shè)計(jì)

（1）該船的設(shè)計(jì)已滿足DNV 環(huán)保入級符號CLEAN的要求。有綠色環(huán)保入級符號的船舶需滿足對燃油艙保護(hù)，氮氧化物、硫氧化物等有害物質(zhì)的排放、空調(diào)制冷劑的選用，焚燒爐排煙及廢水、垃圾、壓載水的相關(guān)處理和排放要求。為此，該船根據(jù)MARPOL和船級社的要求，采取一系列措施，包括：燃油艙保護(hù)、艙底水系統(tǒng)的優(yōu)化，空調(diào)、冷藏設(shè)備的選型等。并設(shè)置了低硫燃油和低硫柴油儲存艙，以滿足船舶在ECA區(qū)域航行時(shí)對硫化物排放的要求。

（2）硫氧化物和氮氧化物排放的控制既要考慮當(dāng)前使用需要，也充分考慮未來更為嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的要求。主輔機(jī)廢氣洗滌后硫氧化物最低含量等效于燃燒0.1%含硫量的燃油，洗滌效果高于目前全球海域最低0.5%含硫量的要求。機(jī)艙布置考慮到將來可能的主輔機(jī)SCR的加裝要求，預(yù)留SCR布置空間，便于SCR加裝。

（3）安裝了多種節(jié)能控制系統(tǒng)，如中央冷卻變頻系統(tǒng)、機(jī)艙風(fēng)機(jī)節(jié)能變頻系統(tǒng)及脫硫變頻系統(tǒng)，配置了多達(dá)十三套變頻器。在網(wǎng)變頻負(fù)荷占到電站負(fù)荷的50%以上，完成了多源變頻負(fù)載對電力系統(tǒng)干擾諧波計(jì)算及抑制研究，采取了AFE前端濾波、有源濾波等手段，有效抑制諧波最終實(shí)現(xiàn)了節(jié)能70%以上的極佳效果。

（4）采用高流明的LED照明系統(tǒng)，并基于CADMATIC環(huán)境下的三維設(shè)計(jì)手段和精細(xì)化的照度計(jì)算，完成了燈具數(shù)量的估算和人性化布置，滿足船級社照度要求，并達(dá)到節(jié)能增效的效果。

（5）配備有一體化架構(gòu)接入智能網(wǎng)絡(luò)信息平臺的能效管理系統(tǒng)，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控的手段進(jìn)行智能評估能耗，做出節(jié)能減排的輔助決策。幫助船東和船員以更經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方法管理船舶運(yùn)行，見圖 8。

6? ? ?總布置設(shè)計(jì)

（1）該船共有7個(gè)貨艙，貨艙區(qū)采用常規(guī)的單殼結(jié)構(gòu)，設(shè)有底邊艙斜板、雙層底和頂邊艙。該船為B-60型干舷，按照國際公約和規(guī)則，在完整穩(wěn)性方面滿足IS CODE（2008）和IACS UR S11、S17的要求，在破艙穩(wěn)性方面滿足1966年國際載重線公約1988議定書中第27條的破損穩(wěn)性要求和SOLAS II-1章第9條的底部破損橫準(zhǔn);

（2）為提高貨艙利用率，優(yōu)選壓縮機(jī)艙和首部長度，從而增加貨艙區(qū)長度，提高貨艙容積。這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，雖取得了比同類型船較高的貨艙利用率，但也增加了船舶穩(wěn)性計(jì)算的要求;

（3）由于該船貨艙長度很長和貨艙艙容很大，在充分考慮S11、S17和破艙穩(wěn)性的計(jì)算，經(jīng)過優(yōu)選分艙長度、壓載系統(tǒng)的布置以及空氣管位置，計(jì)算滿足穩(wěn)性和強(qiáng)度要求，最終確定了貨艙布置方案。其中，適當(dāng)減小了第一貨艙的艙容，以應(yīng)對國際載重線公約單艙破損的要求;同時(shí)還縮小了第三貨艙艙容，以減小由S17單個(gè)貨艙進(jìn)水引起的總縱彎矩過大。該方案不僅有效地控制了船舶總縱彎矩，又實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)重量的控制，同時(shí)使貨艙區(qū)域布置合理，達(dá)到貨物裝卸方便和安全的要求;

（4）該船設(shè)計(jì)貫穿綠色環(huán)保理念。其中，對燃油艙、柴油艙采取了雙殼保護(hù)措施，滿足最新的燃油艙保護(hù)規(guī)范的要求;將貨艙區(qū)燃油艙布置在頂邊艙，同時(shí)采用雙殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。其隔離艙分別用于淡水洗艙水和洗艙污水的存放，淡水可以通過航行中的造水機(jī)制造，既節(jié)能又可以節(jié)約港口的淡水使用費(fèi)用;同時(shí)船舶自身對污水的收集又減少了船舶?？繒r(shí)對港口環(huán)境的排污污染，使船東對船舶的使用更加經(jīng)濟(jì)、方便、環(huán)保;另外，本船頂邊壓載艙和底邊壓載艙采用聯(lián)通管上下聯(lián)通，形成一個(gè)上下貫通的壓載艙，壓載艙相應(yīng)的控制閥均布置在管弄內(nèi)，便于船舶運(yùn)營中的操作與維修。這樣的布置還可以減少相關(guān)的壓載管路、空氣管、閥件等的配備，簡便了工藝，降低了成本，在壓載水排放過程中，頂邊艙的重力可以提高泵的效率，縮短壓載水交換時(shí)間。

7? ? ?生產(chǎn)設(shè)計(jì)

（1） 管弄布置

該船為雙管弄結(jié)構(gòu)，結(jié)合管弄結(jié)構(gòu)空間，對管弄區(qū)域的管路、鐵舾件、電纜進(jìn)行綜合布置，確保管子安裝空間、小車運(yùn)行空間、遙控閥門的安裝檢修空間、支管長度及支架高度、多芯管長度等均為最優(yōu)狀態(tài);

將主壓載管路、掃艙管由鋼管改為玻璃鋼管，減少管子重量;主壓載管路布置在管弄兩側(cè)，并充分考慮支管上遙控蝶閥的安裝檢修空間，在有遙控蝶閥的地方協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修改，在管子穿艙位置留出安裝空間;優(yōu)化多芯管、電纜路徑、管弄小車的安裝運(yùn)行空間;多芯管與電纜通過雙層電纜托架布置在一起，節(jié)約安裝空間，減少管子支架的安裝及焊接工作;將布置好的管弄方案與船東進(jìn)行確認(rèn)，并按船東意見進(jìn)行微調(diào)，優(yōu)化安裝維修空間，見圖 9所示。

（2）機(jī)艙布置

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)相關(guān)設(shè)備的性能及其操作要求，布置時(shí)預(yù)留出操作維修空間;功能相關(guān)的輔機(jī)和箱柜考慮組裝成一體，便于劃分單元;根據(jù)艙室及設(shè)備的功能，優(yōu)化設(shè)備布置，縮短管路長度;因增加脫硫塔，主海水管路需由DN650加大至DN700，機(jī)艙底層前壁、主機(jī)與主海水管路、壓載泵之間空間狹小，將脫硫塔的主海水管路由海水總管取水改為由高位海底門取水;與壓載泵廠家協(xié)調(diào)，將壓載泵接線合方向旋轉(zhuǎn)180 ?，避開主海水總管;將脫硫塔的主海水泵、稀釋泵、水質(zhì)檢測單元等相關(guān)附件布置在機(jī)艙右舷靠近高位海底門處;增加平臺，使其滿足脫硫塔相關(guān)附件的操作檢修;將通風(fēng)管路與其它管路靠近布置，在需要散熱的設(shè)備處將風(fēng)管延伸至設(shè)備附近。優(yōu)化后的機(jī)艙模型，見圖 10所示。

（3）主甲板布置

主甲板主管路設(shè)置在主甲板右舷，艙口蓋液壓管穿艙口圍肘板，到舷邊的電纜管采用套管形式走到艙內(nèi);主甲板多芯管布置在主電纜管下方，管路布置整齊、美觀，且能減少多芯管保護(hù)罩的安裝;每個(gè)貨艙設(shè)置一個(gè)可拆式跨管平臺，確保左右舷通道互通;左右舷主通道設(shè)置風(fēng)暴扶手索，確保極端工況下的安全性;

以#1、#2艙之間系泊布置為例，進(jìn)行系泊絞車、水平導(dǎo)纜器、跨管平臺、觀艙平臺之間的綜合協(xié)調(diào)，在確保系泊功能正常使用的前提下，拉線角度需在可控范圍之內(nèi)，使通道最大化，同時(shí)避免與主管路干涉;

將艙蓋操作閥箱平臺和觀艙平臺做成一體化，節(jié)省空間，美觀實(shí)用，艙口圍兩端設(shè)置簡易式限位器方鋼平臺，簡單實(shí)用，見圖 11所示。

（4）上建布置

上建甲板從上到下依次劃分為6層。為滿足船舶航行過程中的使用便利及航行需要，將船長及輪機(jī)長房間設(shè)置在D甲板首部，大副及大管輪房間設(shè)置在C甲板首部，以方便高級官員在行船過程中可以在辦公室直接觀察船舶狀態(tài)。

采用A甲板布置工作艙室（廚房、餐廳、配餐間、辦公室），將配餐間與餐廳合并;同時(shí)通過在艙室中增加獨(dú)立圍壁板以及調(diào)整衛(wèi)生單元布置及封板布置，在上建艙室中開辟出可供管路和通風(fēng)拉設(shè)的路徑;最終協(xié)調(diào)了上建結(jié)構(gòu)和電纜弄出口、風(fēng)弄出口、走廊等位置的大量干涉問題，解決了新型上建綜合布置相關(guān)難題，見圖 12。

8? ? ?結(jié)論

通過以上實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了全球首型同時(shí)滿足HCSR和EEDI2標(biāo)準(zhǔn)的低風(fēng)阻Mini Cape型散貨船的設(shè)計(jì)建造，船體結(jié)構(gòu)重量相比母型船船體結(jié)構(gòu)約輕1000? t，載重量約增加500 t，其配備的能效管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船岸一體化管理。通過對船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備能效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析，指導(dǎo)船岸執(zhí)行最佳節(jié)能方案，提高船舶整體綜合運(yùn)行效能;機(jī)艙風(fēng)機(jī)、脫硫系統(tǒng)等配備變頻控制系統(tǒng)，服務(wù)航速為14.36 kn，主機(jī)油耗每天約29.6 t，載重量為120 578 DWT，滿足新巴拿馬運(yùn)河規(guī)范及NEW NOISE CODE標(biāo)準(zhǔn)要求，比現(xiàn)有同類型船舶更環(huán)保、維護(hù)成本更低、更節(jié)能、智能、住艙更舒適、載重量更大。與類似船型相比，相同條件下日油耗下降逾20%，載貨量提升約5%，達(dá)到世界先進(jìn)水平。該船設(shè)計(jì)實(shí)施方案為國內(nèi)同類型船舶的設(shè)計(jì)建造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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