任奕舟，王彩蓮，張維毅

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

長期以來，受限于居高不下的雙邊關(guān)稅壁壘，南美與歐洲之間的貿(mào)易往來持續(xù)低迷。自南美洲南方共同市場組織與歐盟自由貿(mào)易協(xié)定[1]正式生效后，這兩大區(qū)域?qū)⒔M成世界上最大的自由貿(mào)易區(qū)。此前，受貿(mào)易需求和南美東北部港口、航道吃水限制，該航線上運(yùn)營的集裝箱船普遍為1 500 TEU以下的小型集裝箱船，近幾年來，隨著雙向貿(mào)易持續(xù)回暖，該航線上先后涌現(xiàn)出了1 700 TEU和2 100 TEU級集裝箱船。2 300 TEU集裝箱船，適應(yīng)該航線淺吃水等特定要求，在船體尺度、裝箱數(shù)、冷箱數(shù)等層面較上一代圭亞那型集裝箱船進(jìn)一步提升。

1 航線和船型特點(diǎn)

2 300 TEU集裝箱船運(yùn)營“歐洲—加勒比—圭亞那—巴西”航線(見圖1)(以下簡稱“歐洲—加勒比—南美北部”航線)。南向航線主要承運(yùn)歐洲工業(yè)制品；北向航線主要承運(yùn)拉美農(nóng)產(chǎn)品和畜牧產(chǎn)品，部分季節(jié)冷藏集裝箱運(yùn)載數(shù)占比超過總運(yùn)載箱數(shù)的1/3[2]。該航線停靠的加勒比和南美東北海岸港口基礎(chǔ)條件有限，航道狹窄水淺，對船舶的港口適應(yīng)性要求較高。

圖1 “歐洲—加勒比—圭亞那—巴西”航線

2 300 TEU集裝箱船為鋼質(zhì)單甲板、單槳、低速柴油機(jī)推進(jìn)，無限航區(qū)的集裝箱專用運(yùn)輸船，設(shè)有直立型船艏，5個貨艙，方艉，生活樓、駕駛室及機(jī)艙居艉部，甲板上配置3臺吊機(jī)，入BV(法國船級社)船級。貨艙內(nèi)設(shè)3層高箱、3層標(biāo)箱平臺，高箱和標(biāo)箱可按任意順序靈活裝載。全船總箱位數(shù)2 296 TEU，設(shè)有600個冷藏集裝箱插座。除傳統(tǒng)的20 ft和40 ft集裝箱外，甲板還可裝載45、48、53 ft集裝箱。重箱(平均14 t)裝載1 650 TEU，占總箱數(shù)的72%。所有貨艙和甲板以上均可裝載危險(xiǎn)品。

2 船型設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 航線特征匹配設(shè)計(jì)

針對停靠的部分港口基礎(chǔ)設(shè)施較有限的特點(diǎn)，配備3臺甲板吊機(jī)，覆蓋全船所有箱位，裝卸貨不需要岸吊輔助。為合理利用吊機(jī)的覆蓋范圍，采用艉機(jī)型布局，所有甲板上箱位均布置在上層建筑之前。與傳統(tǒng)的中艉機(jī)型布局相比，上建之后沒有箱位，無需布置吊機(jī)，整體布置更經(jīng)濟(jì)、合理。

航線中部分港口受水文條件限制，航道狀況復(fù)雜。部分航道狹窄，且吃水較淺。加之由于港口裝卸貨自動化程度較低，速度較慢，航道中船舶較為擁擠。考慮到上述因素，配置艏艉2個側(cè)推器。與傳統(tǒng)舵系操縱相比，艏艉側(cè)推器在狹窄航道、近岸航區(qū)等限制水域的操縱性能更為靈活，提高了本船在港口航道中的操縱性。

鑒于北向航線主要承運(yùn)水果、畜牧產(chǎn)品等易腐產(chǎn)品，本船配置了600個冷藏集裝箱插座。為配合冷藏集裝箱的使用，貨艙底設(shè)置縱貫式污水井，從而可在不同船體姿態(tài)下均充分收集冷藏集裝箱產(chǎn)生的冷凝水。

2.2 水動力優(yōu)化

2.2.1 優(yōu)化工況選取

集裝箱船的實(shí)際營運(yùn)工況(吃水、航速)與航線方向、季節(jié)更替、?？扛劭谙拗啤①Q(mào)易需求等緊密相關(guān)，在其全運(yùn)營周期的不同時段內(nèi)，吃水和航速區(qū)別非常大。為力求使優(yōu)化結(jié)果貼近營運(yùn)實(shí)際狀態(tài)，本船線型優(yōu)化不僅關(guān)注合同航速下的性能，還收集了目前營運(yùn)于目標(biāo)航線主要的近似尺度集裝箱船的吃水與航速比例數(shù)據(jù)，構(gòu)成預(yù)估的營運(yùn)工況比例,見圖2。

基于預(yù)估的營運(yùn)工況，選取其中占比例較高，具有代表性的工況，優(yōu)化多吃水、多航速下典型工況的性能，從而優(yōu)化本船全運(yùn)營周期內(nèi)的能耗。由圖2可見，T1/V2、T1/V3、T2/V3三個工況占比較高，合計(jì)預(yù)估營運(yùn)時間比超過90%。因此，優(yōu)化工況以上述3個工況為主，同時兼顧合同航速工況(T3/V4)。

圖2 預(yù)估營運(yùn)工況比例

2.2.2 艉部優(yōu)化

對艉部線型，采用CFD計(jì)算的方法，分別評估艉部浸沒、U型變化、V型變化和艉球形狀對各營運(yùn)工況水動力性能的影響。以艉部浸沒為例，控制其他優(yōu)化元素不變，根據(jù)5種浸沒率生成5個艉部線型見圖3，分別計(jì)算這5個線型在3個目標(biāo)優(yōu)化工況下的功率P1、P2和P3，按營運(yùn)時間比例，對3個工況下的功率進(jìn)行加權(quán)平均，分別得到這5個線型在3個工況下的加權(quán)平均功率Pw。

圖3 艉部線型特征變化

Pw=P1·W1+P2·W2+P3·W3

(1)

式中：W1，W2，W3依次為3個優(yōu)化工況的運(yùn)營時間比例。

以Pw作為評判指標(biāo)，比較艉部浸沒的影響。Pw越小，即代表水動力性能越優(yōu)異。以此類推，進(jìn)行各優(yōu)化元素的橫向?qū)Ρ取?/p>

經(jīng)過計(jì)算評估，減小艉封板浸沒和艉球?qū)挾瓤筛纳扑畡恿π阅?，V型變化相比U型變化更有利于性能優(yōu)化。對上述元素分別選取對應(yīng)加權(quán)平均功率Pw最低的參數(shù)，將其組合后生成優(yōu)化后的艉部線型，計(jì)算驗(yàn)證顯示，艉部優(yōu)化結(jié)果相比初始設(shè)計(jì)加權(quán)功率下降1.7%。

2.2.3 艏部優(yōu)化

對艏部線型，評估常規(guī)球鼻艏、帶隱形球艏的直立艏和常規(guī)直立艏3個方案，見圖4。

圖4 艏部線型變化

初步計(jì)算結(jié)果顯示，常規(guī)直立艏在淺吃水區(qū)間優(yōu)化結(jié)果優(yōu)異，但在設(shè)計(jì)吃水處阻力性能欠缺，無法滿足合同航速要求。因此后續(xù)對常規(guī)球鼻艏和帶隱形球艏的直立艏進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

分別對球艏(隱形球艏)的高度和寬度進(jìn)行系列變化，生成相應(yīng)的艏部線型，評估其對阻力性能的影響，方式與艉部優(yōu)化類似。最終比較結(jié)果顯示，適當(dāng)加寬、降低的帶隱形球艏的直立艏阻力性能最優(yōu)。將其與已優(yōu)化完成的艉部線型結(jié)合，完成進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2.4 線型優(yōu)化結(jié)果和驗(yàn)證

最終的線型優(yōu)化以3個典型工況的結(jié)果加權(quán)平均。相較初始線型，綜合各營運(yùn)工況，平均可優(yōu)化4.0%，合同航速處可優(yōu)化3.2%。

船模試驗(yàn)驗(yàn)證，線型預(yù)報(bào)航速與上述結(jié)果相符。本型3艘實(shí)船實(shí)測航速平均為20.2 kn，在同級別船中快速性優(yōu)勢突出。

為進(jìn)一步評價整體優(yōu)化效果，采用綜合優(yōu)化評價指標(biāo)——每箱每海里能耗指數(shù)[3]J，進(jìn)一步對線型優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

J=PD/(nTEU·V)

(2)

式中：PD為收到功率，kW；nTEU為14 t裝箱數(shù)；v為航速，kn。該指數(shù)在傳統(tǒng)評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上融入了“裝箱數(shù)”這一貼近集裝箱船營運(yùn)實(shí)際的裝載指標(biāo)，反映的評價信息更貼近實(shí)際需求。本船能耗指數(shù)J為0.38，比同航線2 100和1 700 TEU分別低7.7%和30.5%，能耗優(yōu)勢明顯。

2.3 縱傾優(yōu)化

縱傾優(yōu)化是指通過調(diào)整船舶的縱傾，使船舶在某些特定航態(tài)下減小船舶阻力，從而減少能耗。該優(yōu)化方式不增加額外的節(jié)能裝置，也不需要改變船體構(gòu)造，可以在不降低船舶載貨量和降低航速的前提下節(jié)約能耗。

以模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行縱傾優(yōu)化分析。試驗(yàn)分4組，每1組試驗(yàn)中平均吃水不變，分別調(diào)節(jié)船模的縱傾，測定船模在相同吃水、不同縱傾下，功率與航速的相對關(guān)系。再依次比較不同縱傾對功率的影響。試驗(yàn)縱傾及吃水見表1。

表1 不同吃水條件下的縱傾試驗(yàn)值 m

試驗(yàn)結(jié)果見圖5(以平吃水為基準(zhǔn))。

圖5 縱傾優(yōu)化結(jié)果

在9.5 m和7.5 m平均吃水下，適當(dāng)艏傾可減小所需功率約4%～7%不等，而艉傾會導(dǎo)致所需功率上升；在8.5 m和6.5 m平均吃水下，艏傾和艉傾均會導(dǎo)致所需功率上升。該結(jié)果可為實(shí)際運(yùn)營縱傾調(diào)載提供參考。

2.4 縱傾范圍拓展

按照集裝箱船設(shè)計(jì)慣例，縱傾涵蓋破艙計(jì)算3吃水縱傾±0.05Ls范圍(如圖6中的“基礎(chǔ)縱傾范圍”)。這樣的縱傾范圍可保障船舶的基礎(chǔ)配載和航行需求，但尚存在一定缺陷。首先，基礎(chǔ)縱傾范圍僅涵蓋0.1Ls，縱傾帶寬比較狹窄，對于集裝箱貨物裝載，尤其是多港口貨物調(diào)載產(chǎn)生了限制；其次，較為有限的縱傾范圍限制了縱傾優(yōu)化成果的轉(zhuǎn)化，無法調(diào)整到能耗最優(yōu)的浮態(tài)；再者，基礎(chǔ)縱傾在淺吃水區(qū)間艉傾較大，不符合圭亞那型集裝箱船?？康母鞲劭诘某运?。

圖6 縱傾拓展范圍

基于上述因素，將縱傾范圍適當(dāng)拓展，滿足結(jié)構(gòu)吃水和中間吃水下縱傾-3～2 m，6.0 m以上平吃水。進(jìn)行縱傾拓展過程中，以1%Ls為步長，生成不同縱傾的初始工況，使上述生成工況涵蓋的縱傾范圍(±0.05Ls)相互連接，再計(jì)算上述所有初始工況下的破艙穩(wěn)性，從而滿足縱傾拓展要求，可豐富營運(yùn)過程中裝載的便利程度。近期各類船型，多個項(xiàng)目中，都有船東提出類似縱傾拓展的需求，未來有發(fā)展為優(yōu)化方向的趨勢。

2.5 窄邊艙設(shè)計(jì)

為了最大限度挖掘貨艙內(nèi)裝箱能力，采用窄邊艙設(shè)計(jì)，貨艙內(nèi)可裝載12列標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，比同型寬常規(guī)設(shè)計(jì)多1列，與艏艉貨艙處線型優(yōu)化成果相疊加，艙內(nèi)箱位與近似主尺度、方形系數(shù)的箱船相比平均高10%。

與此同時，窄邊艙設(shè)計(jì)也有挑戰(zhàn)。根據(jù)BV規(guī)范[4]，貨艙開口寬度與型寬之比大于0.7,即為大開口型船，而本船該比值達(dá)到了0.91，已與超大型集裝箱船20 000 TEU級別的數(shù)值相當(dāng)。由此，船舶上半部分結(jié)構(gòu)剛度較差，艙口圍角隅、主甲板角隅等區(qū)域應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生疲勞問題。為此，采用負(fù)角隅形式(見圖7)，并在保障箱位設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大角隅半徑，改善了角隅的疲勞強(qiáng)度。

圖7 典型負(fù)角隅

除了結(jié)構(gòu)疲勞外，窄邊艙設(shè)計(jì)對舷側(cè)綜合布置也有更高的要求。鑒于邊艙寬度僅1.4 m，甲板上艙口圍頂板外側(cè)到舷側(cè)的距離不到1m。為保障AMSA要求的通行所需的600 mm空間，對引水員斜梯進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，將其所占寬度壓縮，并取消所處位置的箱柱，從而滿足通行空間的要求。

二甲板舷側(cè)通道的布置同樣頗具挑戰(zhàn)。對于常規(guī)的支線集裝箱船，冷箱配電箱和風(fēng)機(jī)啟動器一般布置在舷側(cè)通道內(nèi)。本船由于舷側(cè)通道狹窄，空間無法滿足常規(guī)布置的要求。通過優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計(jì)，合理統(tǒng)籌分配，適當(dāng)增加配電箱的數(shù)量，從而盡可能壓縮單個冷箱配電箱的厚度，使其滿足通道內(nèi)600 mm的通行空間需求。與冷箱配電箱相比，風(fēng)機(jī)啟動器由于初始體積更為龐大，布置困難更為突出，單純壓縮厚度已無法滿足通道的寬度要求。經(jīng)過綜合考慮，將風(fēng)機(jī)啟動器移位布置在水密艙壁中燃油艙頂部的區(qū)域。由于下方燃油艙使用時溫度較高，在燃油艙頂部增設(shè)了隔離空艙，并在該區(qū)域設(shè)置機(jī)械通風(fēng)，保障風(fēng)機(jī)啟動器的正常工作。

2.6 振動和噪聲控制

本船屬艉機(jī)型總布置，型深低，吃水淺，貨艙開口比大，高強(qiáng)度鋼比例大，這些因素使得船體剛度下降。另一方面，本船在近似尺度集裝箱船中航速、主機(jī)功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速偏高，螺旋槳與上層建筑距離較近，上述因素均對本船振動控制存在不利影響。

為控制振動風(fēng)險(xiǎn)，建立本船的三維有限元模型，進(jìn)行全船自由振動和受迫振動分析，計(jì)算壓載工況和滿載工況下的振動響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果顯示，上建部分點(diǎn)位存在一定超標(biāo)隱患。為此，對上建局部圍壁位置進(jìn)行調(diào)整，使舷側(cè)艙壁盡量保持垂向?qū)R，增加局部圍壁板厚。見圖8，盡量將功能間布置在下層甲板，將住艙布置在上層甲板。右舷在住艙和機(jī)艙棚之間設(shè)置隔離空艙，限制機(jī)艙棚產(chǎn)生的振動和噪聲傳播；左舷利用梯道，起到與隔離空艙近似的減振降噪功能。試航過程中，對上層建筑和機(jī)艙中的55個振動測試點(diǎn)的振動響應(yīng)進(jìn)行了測量，全部滿足ISO 6954:2000(E) 的要求。

圖8 上建橫剖面示意

本船須滿足海安會MSC.337(91)決議通過的《船上噪聲等級規(guī)則》。相較于原噪聲規(guī)則IMO A.468，該規(guī)則對船舶居住處所的噪聲級限值降低了5 dB(A)，對整體噪聲控制提出了更高的要求。本船上層建筑位于艉部機(jī)艙正上方，由于型深較低，噪聲源與上建艙室距離較近，加之主機(jī)功率較高，存在噪聲超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于能量有限元法進(jìn)行主要艙室的噪聲預(yù)報(bào)分析。結(jié)果顯示，A甲板醫(yī)務(wù)室預(yù)計(jì)噪聲58 dB(A)，超出限值3 dB(A)，主要的噪聲來源為機(jī)艙主機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備傳遞而來的結(jié)構(gòu)噪聲。由于功能性限制，無法調(diào)整醫(yī)務(wù)室的布置位置，故考慮在甲板上表面敷設(shè)浮動地板，在圍壁及天花板處敷設(shè)隔聲阻尼材料，控制結(jié)構(gòu)噪聲傳遞。經(jīng)過實(shí)船試航驗(yàn)證，醫(yī)務(wù)室實(shí)測值小于55 dB(A)，滿足規(guī)范要求。

3 船型對比

2 300 TEU集裝箱船目前已投入運(yùn)營，反饋良好。與該航線的同時期船型(2 100 TEU)和傳統(tǒng)船型(1 700 TEU)進(jìn)行主要性能的對比，見表2。

表2 “歐洲—加勒比—南美北部”航線主要集裝箱船性能對比

與“歐洲—加勒比—南美北部”航線的主要船型相比，在滿足淺吃水等特定要求的基礎(chǔ)上，2 300 TEU在裝箱數(shù)、冷箱數(shù)、航速、能耗指數(shù)等多項(xiàng)性能指標(biāo)[5]優(yōu)秀。

4 結(jié)論

可見，為“歐洲—加勒比—南美北部”航線訂制的新一代圭亞那型2 300 TEU集裝箱船，能耗指標(biāo)領(lǐng)先；在契合航線港口淺吃水要求的前提下，裝箱數(shù)、冷箱數(shù)、均箱數(shù)等指標(biāo)較之該航線已有船型較大提升，成為該航線上極具競爭力的新一代船型。