無壓載水船舶設計理念

中船集團七○八所 祁 斌

據報道，每年全球船舶攜帶的壓載水超過120億噸，平均每立方米壓載水有浮游動植物1.1億個，已被確認約有500種生物物種是由船舶壓載水傳播入侵。因此，船舶壓載水特別是遠洋船舶壓載水的隨意排放，已被全球環保基金組織（GEF）列為海洋面臨的“四大危害”之一。

圖1：壓載水排放流程

圖2：傳統船體、NOBS船體、“Monomaran”船體比較圖

船舶壓載水是為了保證船舶航行時的穩定性而采取的一種手段，雖說這是必須的，但所帶來的危害卻也是巨大的，除了給海洋環境帶來污染外，還會耗費大量的人力、物力。如何在不使用壓載水的情況下確保船舶航行時的穩定性，這一課題無疑成為了各方研究人員現階段的重點目標。就目前而言，較為人們所熟知的無壓載水船舶理念有三種，分別為美國密西根大學研發設計的貫通流系統船體（Through-Flow System Hull）、日本造船研究中心（SRC）提出的無壓載水船舶（NOBS）理念、荷蘭代爾夫特大學試造的單一結構船體（Monomaran）。其中，日本和荷蘭的無壓載水理念較相近，均是以改變船體浮性以達到無壓載水目的。

—— 貫通流系統船體

美國貫通流系統船體可謂是目前各類無壓載水船舶設計中最有創意的一種，最早由密歇根大學于2001年提出其概念設計，并于2004年申請了專利，其實驗假想對象為遠洋散貨船。

該項目的經費由美國大湖海事研究所提供，其目標就是既可阻止壓載水中的非本土生物入侵，又無需使用昂貴的殺菌設備。嚴格來講，該型設計并不是“純”無壓載水船舶，而是采用“活水”以達到壓載目的。具體來講，就是在其水線下擁有一個由大型管道組成的管路網絡，海水從船首進入，船尾排出，并形成穩定的流場。從某種意義上來說，這種船舶更像潛艇，部分船體是開放的，流動緩慢的海水始終充滿了整個船底部以取代壓載水的作用。由于采用的始終是當地海域的海水，因此不會造成外來物種入侵這一情況，從而滿足IMO的相關規定。

從結構上來講，為了在穩定性、安全性、裝載量等方面同于典型遠洋散貨船，該型設計在船體結構方面需做出不少改變，如為了能布置足夠的壓載水管路，內底就需要有所增高，如此一來，為了確保足夠的裝載量，船深必然也隨之加大，見圖4。因此，該型設計并不適合于舊船改造，而只適合于新船建造。主要性能參數為，水線長195.5米；最大船寬23.76米；至主甲板深16米；滿載吃水10.7米；方形系數0.841米。

成本方面，從最新的船模試驗結果及計算機模擬試驗來看，以1艘靈便型散貨船為例，由于貫通流系統船體所用鋼材稍多，因此船體建造成本也將有所上升，另外新系統中管路、水閘等費用也將另計。不過由于傳統壓載系統和壓載水處理系統將不再需要，因此總的來看成本將有所下降。

貫通流系統船體的最大缺點是增加了船舶航行中的阻力，進而降低了船舶的動力效率。不過由于從船尾排出的水使進入螺旋槳的水流變得更平滑，從而可提高一些推進效率，但從最新的模擬試驗結果來看，效果并不明顯。如假設該船運載谷物類貨物往返美國五大湖至歐洲鹿特丹，船舶動力方面與靈便型散貨船相比，需求降低保守估計為1.6%，來回可節省燃油費用約3.9萬美元/年。另外，由于無需進行壓載水處理，該方面的費用可節省約7.8萬美元/年。總體來看，貨物運輸成本每噸可減少約1美元，經濟性稍好。

報道稱，美國圣勞倫斯運河開發公司已在2008年3月開始履行壓載水管理方面的新規范，與市場上費用昂貴的壓載水處理系統相比，這種無壓載水船舶應該是一種經濟可行的方案。

圖3：貫通流系統船體示意圖

圖4：典型遠洋散貨船和貫通流系統船結構比較

—— NOBS

日本NOBS理念的開發起始于2001年，由日本造船研究中心（SRC）提出。2003年，該項目在設計方面的研究開發進入新階段，開始了歷時3年的水池試驗聯合項目。該項目由日本船舶技術研究協會主持，日本基金會支持，合作伙伴包括三菱重工（MHI）、石川島播磨重工（IHI）、SRC以及NK等。項目主要目的為：在滿足所有標準要求及安全性、適航性等相關規范，并在保證經濟性的情況下，研究并確定NOBS理念的可行性。

NOBS理念完全不同于之前的壓載水管理方法，它是對船體的一種重新設計。主要通過采用橫向傾斜船底設計，使中線的位置比擁有較方、較平坦船底的傳統商船更深，從而實現空船在不使用壓載水的情況下也可擁有足夠的吃水深度以避免船首砰擊和螺旋槳飛車，同時也可充分確保船舶在大多數海況下的安全。不過船上也將設置2個小型備用壓載艙以應對極端海況。采用該設計后，船體排水量將有所下降，而長、寬及吃水方面在設計時就比傳統船型更大。由于NOBS從外形上看比較像英文字母“V”，因此也被人們稱之為V型船體（V-shaped hull）。NOBS理念的關鍵優勢在于它可為船東省去昂貴的壓載水處理系統及之后的相關維護費用。

該項目中，一系列水池試驗的假想對象為蘇伊士型油船和VLCC，8個采用特殊設計的模型其載重量與蘇伊士型和VLCC相同，試驗中的一些重點結論如下。

水池試驗中，采用NOBS設計理念的模型可在不使用壓載水的情況下航行于遠洋環境中（正常海況），相當于傳統船型壓載艙處于30～40%艙容狀況。在惡劣海況時也能保持安全航行，相當于傳統油船壓載艙處于25%艙容狀況。

雖然傳統船型在負載情況下的推進性能比NOBS稍好一些，但在空載情況時，NOBS的航行性能則比傳統船型更好。兩種情況綜合后的結果顯示，NOBS的平均航行性能比傳統船型要高出6.4%。因此，相比傳統船型，NOBS在主機動力和油耗方面平均可節省至少5%的能源，同時也降低了環境污染。

NOBS理念中，縱材、橫材和疲勞強度特性分析所采用的軟件為NK開發的初始船體（PrimeShip-Hull）。結果表明，NOBS船體結構擁有足夠的強度，滿足所有相關標準和規范。

將NOBS的運動性、波阻性以及波浪中的縱向彎矩與傳統船舶作比較后得出，其適航性滿足要求，操縱性也滿足IMO相關標準。

NOBS更寬的船體將更有利于船舶對抗搖擺、維持平衡，比傳統船型更大的橫搖阻尼系數可讓設計人員不必再考慮舭龍骨。

由于船體的加寬和船體某些區域的結構加強，建造NOBS所需鋼材也將增加10%左右。不過油耗的減少、推進性能的提升，以及壓載水處理系統費用的節省足以彌補結構材料上的損失。

通過上述結論，開發者認為NOBS這一革命性的理念確實滿足并超越了其最初的預期目標。最顯著的一點就在于，無壓載水理念可避免壓載水在不同海域之間的轉移，從而不會造成有機生物的入侵。

盡管試驗采用船型僅為油船，NOBS理念若要應用于其它諸如散貨船、集裝箱船等船型上還需更多的研究，不過單就目前的研究結果來看，NOBS理念在船舶壓載方面仍具有較廣大的發展前景。同樣，NOBS也非常有望成為下一代新型環保船型。

圖5：各種載況下船體應力評估

—— 單一結構船體

由荷蘭研究人員提出的單一結構船體型船舶目前已在代爾夫特理工大學（TU Delft）試造成功，載重量4000噸，船速14節。該型船的設計理念和日本的NOBS相似，也以改變船體浮性達到無壓載水的目的。特點就是通過在船底部位設置一個內凹，也可看做將船底中線附近的船體部分移到兩邊船舷處，從外形上看有點像雙體船，但實際上還是單體結構。采用該型設計后，船舶在輕載時也可擁有較深的吃水，避免了螺旋槳飛車等情況，保證了航行時的穩定性。不過由于船體與水的接觸面增大，因此與傳統船型相比水阻將較大，油耗也將有所增加，但對于某些船型來說還是比較適用的。

同時，該型船船底兩側采用的向下“蟬翼”設計，可產生空氣潤滑作用，從而減小了部分阻力。此外，該型船的發動機廢氣排放并非向上排放到空中，而是向下通過船底凹處向船尾方向排放，在發揮其所謂空氣潤滑功能的同時，也使得廢氣中的二氧化碳、一氧化碳、各種顆粒污染物和硫化物溶解在海水中，從而減少了對海洋空氣和港口碼頭環境所造成的危害。

另外，據代爾夫特方面稱，該型船未來可能采用1～2個吊艙推進器，目前試航檢測的各種設計參數基本達到預期目標。

總體來看，目前無壓載水船舶的研究開發已取得了一定的成果，但距離投入實際生產還有著一定距離，研究試驗工作仍在不斷進行。另外，不論是美國、日本，還是荷蘭，由于還不能完全控制無壓載水船舶的傾斜運動，因此均做不到完全無壓載水這一地步。相信隨著技術的發展和進步，既環保又經濟的無壓載水船舶將越來越趨于完美。在人們越來越重視環保這一大環境下，無壓載水船舶無疑將成為未來主要環保船型的研究方向。