符曉紅 李景贊 許力瑋/舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司

隨著國(guó)際進(jìn)出口貿(mào)易的快速發(fā)展，海上運(yùn)輸業(yè)日益繁榮，航運(yùn)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，業(yè)主對(duì)船舶的節(jié)能降耗普遍高度重視。船舶在航行時(shí)會(huì)產(chǎn)生興波阻力，而船舶球鼻艏的主要作用就是降低船在航行時(shí)產(chǎn)生的興波阻力，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

根據(jù)傅汝德定律，對(duì)于給定的船型，其航行時(shí)產(chǎn)生的興波阻力與該船航速的6 次方成比例。因此，隨著航速的增加，興波阻力將很快隨之增加。通常，高速船的興波阻力在總阻力中占很大比例，而低速船的興波阻力在總阻力中占比很小。在低航速的船舶中，散貨船為了降低營(yíng)運(yùn)成本，船舶滿載時(shí)航速設(shè)計(jì)通常不到12 節(jié)，所以安裝球鼻艏的收效不大；同時(shí)“垂直艏”相較于“球鼻艏”在風(fēng)浪中有更好的適應(yīng)性，所以取消結(jié)構(gòu)復(fù)雜的“球鼻艏”換上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的“垂直艏”會(huì)更加合理。相比散貨船，追求高速航行的集裝箱船則十分看重球鼻艏設(shè)計(jì)。早在國(guó)際金融危機(jī)爆發(fā)之前，航運(yùn)業(yè)還處在發(fā)展的“黃金時(shí)代”，大量集裝箱船按照高速運(yùn)營(yíng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，航速可達(dá)25節(jié)以上。不過(guò)，此后隨著船市進(jìn)入低迷期，航運(yùn)企業(yè)普遍開(kāi)始降低集裝箱船的航速，目前，集裝箱船一般都以15 節(jié)左右的“經(jīng)濟(jì)航速”航行。在這種低速條件下，只有對(duì)其重新設(shè)計(jì)并更換原有球鼻艏，才能進(jìn)一步提高船舶推進(jìn)效率、減少油耗，達(dá)到降低航運(yùn)企業(yè)營(yíng)運(yùn)成本的目的。

球鼻艏定義及原理

球鼻艏(bulb bow)亦稱“球艏”，為船艏部水面以下的球狀突出部分，是一種用來(lái)克服船阻力的結(jié)構(gòu)，其大小和形狀（常見(jiàn)形狀有水滴型、撞角型及圓筒型）與船體相配合，可對(duì)水的壓力起抵消作用，且產(chǎn)生的船波較小，并可改善船體附近的水流情況，減小阻力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶球鼻艏可以使船舶的推進(jìn)功率降低10% 至20%。20 世紀(jì)初，該設(shè)計(jì)被用于軍艦，但由于制造工藝復(fù)雜成本高且耐波性差沒(méi)有得到推廣；上世紀(jì)60 年代，球鼻艏被發(fā)現(xiàn)對(duì)低速油船、貨船有利而被廣泛應(yīng)用。

球鼻艏按橫剖面面積曲線的形式可分附加式和隱含式。附加式常見(jiàn)于早期的球鼻艏與由常規(guī)船型改裝的球鼻艏，面積曲線除艏端外不加修改?，F(xiàn)代球鼻艏都為隱含式，將橫剖面面積曲線自前體肩部削瘦轉(zhuǎn)移到球鼻艏處。現(xiàn)代球鼻艏在船舶碰撞時(shí)可以起到一定防護(hù)作用，并可以為船艏部提供一個(gè)空間，用來(lái)安裝聲納、雷達(dá)、水下攝像機(jī)等其他設(shè)備，使船舶具備導(dǎo)航、探測(cè)、通信等功能；球鼻艏還可以改善船舶的穩(wěn)定性和操縱性，減少傾斜和搖晃，提高船舶的舒適性和乘載能力。因此，越來(lái)越多的業(yè)主對(duì)其現(xiàn)有船舶進(jìn)行線型優(yōu)化，通過(guò)改裝球鼻艏實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

對(duì)球鼻艏的工作原理有二種解釋。一種是其前段接近半球，在水下移動(dòng)時(shí)，球體前方水壓變大，水面隆起，球后方水壓減小，水面下降，水流經(jīng)過(guò)球鼻艏后會(huì)下落到低壓區(qū)域等到接觸船頭時(shí)也不會(huì)形成太大的波浪，如圖2左圖所示。因此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，讓球鼻艏形成的低壓區(qū)和船艏部高壓區(qū)重合，則可以大大降低船艏的高壓興波。另一種是波浪疊加理論。圖2 右圖綠線是船頭原來(lái)形成的波浪，藍(lán)線是“球鼻艏”形成的波浪，兩種波浪相互疊加，最后形成紅色波浪。因?yàn)樵瓉?lái)波浪被壓制，所以減小了興波阻力。但是，球鼻艏只在其設(shè)計(jì)的航速上產(chǎn)生正效應(yīng)，否則阻力更大。

圖1 “APL BOSTON”號(hào)

圖2 球鼻艏原理

球鼻艏設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

球鼻艏對(duì)船型的影響涉及船舶設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、建造和運(yùn)營(yíng)等各個(gè)方面，不同的船型以及航行時(shí)的種種因素都會(huì)影響到球鼻艏的效果，所以球鼻艏的大小、形狀都要根據(jù)船體進(jìn)行精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，必須綜合考慮船舶的快速性、耐波性、操縱性、穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、建造成本及工藝性、航行(包括冰區(qū)航行)和錨泊布置等方面的影響。船舶球鼻艏設(shè)計(jì)主要注意事項(xiàng)主要有如下幾點(diǎn)。

1)設(shè)計(jì)航速

由于船體產(chǎn)生的波系與船舶航速有關(guān)，所以在設(shè)計(jì)球鼻艏時(shí)要考慮設(shè)計(jì)航速，設(shè)計(jì)航速超過(guò)臨界航速愈多，則球鼻艏的收益不論在滿載還是壓載時(shí)都愈好。如對(duì)同一球鼻艏，設(shè)計(jì)航速等于1.1 倍的臨界航速比設(shè)計(jì)航速等于臨界航速的功率節(jié)約10%。

2)球鼻艏的體積

球鼻艏的體積和航速對(duì)于球鼻艏效果而言是最重要的參數(shù)，因此首先應(yīng)予確定，在設(shè)計(jì)球鼻艏時(shí)應(yīng)將其體積加到船體滿載排水體積上。不過(guò)，球鼻艏的體積是作為無(wú)球鼻艏在設(shè)計(jì)吃水時(shí)排水體積的附加值，即球鼻艏體積是包括艏柱前及與前體過(guò)渡部分的體積。

3)球鼻艏的高度

球鼻中心( 大部分位于最大寬度和長(zhǎng)度上) 至常設(shè)計(jì)狀態(tài)水線的距離被認(rèn)為是球鼻艏的高度。球鼻艏的高度和球鼻艏的體積一樣是重要參數(shù)，在船模試驗(yàn)時(shí)要特別注意。另外，各分段工藝誤差嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。球鼻艏分段主尺度等要符合《船舶建造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)建造精度》。

綜上，并不是所有的球鼻艏都能有效地減少興波阻力。球鼻艏的大小和形狀要與船體相配合，并且要考慮到設(shè)計(jì)航速和吃水深度等因素。如果球鼻艏選擇過(guò)大、過(guò)小，或與水面接觸距離不合適，或與船舶設(shè)計(jì)航速不匹配，那么球鼻艏就會(huì)失去預(yù)想的作用，甚至?xí)黾雍叫写暗淖枇?。因此，在設(shè)計(jì)船舶球鼻艏時(shí)一定要進(jìn)行精密的計(jì)算和科學(xué)的試驗(yàn)。除此之外，對(duì)于不同類型和大小的船舶，球鼻艏也有不同的尺寸。一般來(lái)說(shuō)，球鼻艏直徑約為5% 到10% 左右的船長(zhǎng)。例如，一艘長(zhǎng)約300 米的集裝箱船，其球鼻艏直徑可能在15米到30 米之間。

球鼻艏在“APL BOSTON”號(hào)上的應(yīng)用

“APL BOSTON”號(hào)是韓國(guó)原大宇造船海洋為APL 建造的12 艘9200TEU 系列集裝箱船中的第三艘，于2013 年交付使用。根據(jù)船東要求，舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司對(duì)該船進(jìn)行了改裝，主要涉及球鼻艏換新，附加外板滿扒做硅膠漆，艙蓋、綁扎橋、貨艙等區(qū)域除銹油漆等修理工程。此次工程施工范圍廣、工程周期短、質(zhì)量要求高，而且多項(xiàng)工程需要各工種交叉作業(yè)。

為確保項(xiàng)目順利有序推進(jìn)，保障船舶按期開(kāi)航，項(xiàng)目總管小組提前介入進(jìn)行周密策劃、專題部署，根據(jù)以往修理改裝球鼻艏的豐富經(jīng)驗(yàn)制訂改裝預(yù)定方案，提前預(yù)制好球鼻艏分段并在內(nèi)場(chǎng)完成總組，提高球鼻艏完整性和施工效率。在船舶進(jìn)廠后，項(xiàng)目總管小組分工按照預(yù)定計(jì)劃有條不紊地有序推進(jìn)，第一時(shí)間勘驗(yàn)施工區(qū)域，在艏尖艙細(xì)致劃分拆舊切割區(qū)域，提前搭設(shè)腳手架，在碼頭階段提前進(jìn)行部分分段切割作業(yè)，為船舶進(jìn)塢后施工作業(yè)爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。圖3 為“APL BOSTON”號(hào)球鼻艏改裝前照片。

圖3 “APL BOSTON”號(hào)球鼻艏改裝前

“APL BOSTON”號(hào)進(jìn)塢后，首先由施工人員移除重達(dá)200 余噸的球鼻艏舊段，然后由技術(shù)人員在塢底迅速完成原船中心線標(biāo)記，做好新球鼻艏段定位依據(jù)。接著在380 噸平板車、600 噸龍門吊及高架車等大型起重、輔助設(shè)備的全力協(xié)作下，將新球鼻艏分段順利吊運(yùn)就位，與原船成功對(duì)接，施工人員井然有序快速切割修整分段余量，進(jìn)行裝配作業(yè)合攏區(qū)域腳手架搭設(shè)、打磨、焊前裝配報(bào)驗(yàn)、焊接等一系列工序無(wú)縫銜接，確保球鼻艏改裝工程順利完成，新的球鼻艏面貌煥然一新。圖4 為“APL BOSTON”號(hào)球鼻艏改裝后照片。

圖4 “APL BOSTON”號(hào)球鼻艏改裝后

通過(guò)船東和船廠通力協(xié)作，“APL BOSTON”號(hào)在舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工圓滿完成球鼻艏改裝等所有修理改裝工程，隨后按計(jì)劃順利開(kāi)航，目前，運(yùn)營(yíng)情況良好。這一修理改裝工程獲得船東、船檢的高度認(rèn)可，展現(xiàn)了船廠專業(yè)的技術(shù)水平和敬業(yè)精神，為后續(xù)合作奠定了良好的基礎(chǔ)。