超大型集裝箱船結構強度需要關注的幾個問題

方箭

摘 要：本文總結了超大型集裝箱船結構強度設計中需要關注的幾個問題，包括水動力砰擊、波激振動、固定航線集裝箱系固載荷以及高強度鋼的使用等，這些問題也是目前國際船級社協會（IACS）所關注的。

關鍵詞：超大型集裝箱船；結構強度；砰擊；波激振動；固定航線；高強度鋼

中圖分類號：U663.2 文獻標識碼：A

1 前言

集裝箱船是目前航運界三大主力船型之一，隨著世界經濟的全球化，國際貿易需求量不斷擴大，各國集裝箱載運量不斷上升，集裝箱運輸不斷朝著集約化、大型化的方向發展。自世界上第一艘改裝集裝箱船于1957年問世以來，經過五十多年的發展，已從1 000箱以下的第一代集裝箱船發展為8 000箱以上的第六代超大型集裝箱船，甚至18 000箱以上的集裝箱船也已投入運營。根據最新的船舶定制和建造數據，目前國內外各主要航運公司均在建造萬箱以上超大型集裝箱船。

與其他貨運船型相比，超大型集裝箱船具有獨特的線型、大開口結構以及較高的航速等特點，因此對這種船的船體結構強度設計需要特別關注幾個問題。本文初步總結了超大型集裝箱船的結構強度設計中需要重點關注的幾個問題，并就目前國際船級社協會（IACS）的一些相關工作予以介紹。

2 船體結構強度需要重點關注的幾個問題

2.1 水動力砰擊對總強度與局部強度的影響

超大型集裝箱船具有較大的首外飄以及較平坦的尾部線型等特點，并且航速較高，在惡劣海況下，由于自身的大幅搖蕩運動，很容易發生首尾底部以及首部舷側外飄區域的水動力砰擊現象。瞬間而劇烈的船舶砰擊會使船體發生強烈的顫振現象，使船體梁非線性波浪彎矩增加而導致總強度喪失。另外，砰擊最直接的作用是對局部船體的猛烈沖擊而導致局部結構的損傷破壞，嚴重的甚至危及船舶航行安全和船員生命安全。因此，對超大型集裝箱船的船體水動力砰擊問題無論從總強度還是局部強度上都應給予充分的關注。

目前，民船規范通常對集裝箱船首底及首部舷側大外飄區域的砰擊載荷及結構加強提出了要求，但根據國際船舶力學會議ISSC2009及ISSC2012的對比研究，發現不同船級社規范對船底砰擊及外飄沖擊下的構件尺寸要求有很大的差別。因此，對萬箱以上的超大型集裝箱船的現有規范適用性問題，必須針對局部水動力砰擊問題進行深入研究，以確定合理的結構強度計算校核方法，并完善現有規范體系。另外，對大型集裝箱船尾部結構的砰擊問題，目前規范還沒有涉及，需在研究中予以解決。

2.2 波激振動與顫振導致的船體疲勞

與砰擊現象中的船體梁顫振不同，波激振動是在具有與船體梁一階振動頻率相近的波浪成分持續激勵作用下的船體梁諧振現象。由于船體結構是一個小阻尼系統，諧振現象持續時間較長，波激振動導致的船體應力的衰減非常緩慢，從而導致嚴重的疲勞強度問題。低海況下，大型船舶的船體容易激起線性的波激振動；在中高海況下，船體又可能會出現非線性波激振動現象，同時砰擊引起的顫振也往往會隨著海況的增大而頻繁發生。如果砰擊事件頻繁發生，將對區分波激振動還是顫振帶來很大的困難。對砰擊引起的顫振來說，往往是由于惡劣的海況所致，因而人們更傾向于關注其引起的船體結構的極限強度問題。而大型船舶研究波激振動現象往往也需關注其引起的結構疲勞損傷。

隨著集裝箱的大型化，以及高強度鋼的大量使用導致船體結構的柔性增加，考慮到集裝箱船本身的航速較高，波激及砰擊振動現象的發生概率顯著增大，由此導致的疲勞效應顯著增加，因此在評估集裝箱船的疲勞強度時，需要對波激及砰擊振動引起的疲勞損傷特別關注。

目前，民船規范對船體梁強度的處理基于IACS的統一強度要求UR S11，其中并沒有包含顫振與波激振動導致的船體波浪載荷的增加以及船體疲勞強度問題。因此，對超大型化的集裝箱船船體顫振與波激振動問題，需要船級社和研究機構共同努力解決。目前美國船級社（ABS）已就集裝箱船的顫振與波激振動的預報及強度評估明確給出了相關的指導性文件，中國船級社（CCS）的相關研究工作也在進行中。

2.3 固定航線對系固慣性載荷的影響

目前，集裝箱船的裝箱量是根據全球無限航區的海況條件進行配載和系固，海況條件是可能遭遇的最惡劣情況，而實際操作情況下，集裝箱船基本為班輪運輸，航線相對固定，如亞洲經太平洋到美國西海岸，亞洲經地中海到歐洲的航線等，海況條件也相對可以預報，比原設計情況下遭遇的海況和波浪條件要好，因此作用在集裝箱上的慣性載荷有減少的可能。所以在其他結構強度、航行視線要求能滿足的前提條件下，如何根據特定航線海況條件，制定更靈活的集裝箱裝載和系固方案，使得現有集裝箱船在不過多改變原有結構基礎上，能多裝載集裝箱或增加集裝箱的箱重，成為在目前航運市場下的一個提高集裝箱船運輸效能的較好方法。

由于航運市場的激烈競爭，航運公司會提出需求，希望在原有裝箱量的基礎上增加裝箱量或提高裝載量。因此，日本船級社（NK）和德國船級社（GL）等為了爭取客戶，紛紛提出固定航線下集裝箱船增加裝箱量的評估服務。中國船級社（CCS）為了適應市場需求，提高服務競爭能力，近期也開展了固定航線系固計算方法研究。

2.4 高強度鋼的使用導致的強度問題

2013年6月17日，日本8110TEU超大型集裝箱船“MOL COMFORT”號在印度洋折斷并沉沒，這是迄今較大的一起集裝箱船海難事故，有關事故發生的原因至今仍沒有明確的說法。事發當時，該海域具有6m波高的海況，按其船體梁設計強度足以應付，因此目前主要矛頭指向了該船所大量使用的高強度鋼。高強度鋼以成型性好、強度高等優點頗受造船廠歡迎，理論上能使船的縱向強度提高20%。但高強度鋼在應付疲勞強度方面會出現一定的問題，尤其是當船體發生波激振動時。同時，高強度鋼對焊接加工的工藝要求也更高，或許正是由于這兩種因素導致了該船的折斷和沉沒。

不可否認，高強度鋼的使用可以使船體輕量化，增加船體梁的極限強度，但在船體設計和建造過程中，對于高強度鋼的使用必須充分考慮其缺點，并通過試驗、理論計算校核以及嚴格的工藝規程控制等措施確保安全。

3 目前國際船級社協會（IACS）密切關注的工作

國際船級社協會（IACS）密切關注近年來集裝箱船的超大型化問題，并考慮到該船型在設計、建造以及營運中一系列問題，成立了集裝箱船的專家組，其目標在于：（1）通過搜集整理相關研究信息，梳理出關于超巴拿馬型集裝箱船結構設計、建造和營運的先進技術現狀；（2）梳理出集裝箱船船體結構設計、建造和檢驗中的現有技術要求；（3）明確附加的研究需求；（4）明確對現有技術要求的改進需求；（4）就集裝箱船型向IACS委員會提出未來工作建議。該專家組由IACS各成員船級社的專家組成，于8月份召開了第一次會議，并就目前國際上集裝箱船的研究水平及規范現狀進行了梳理，提出了一系列需要解決的問題，在結構強度問題上已包含了本文提出的幾個關注問題。相信這也是IACS和各家船級社未來著重解決的方向。

4 結語

超大型集裝箱船作為近年來發展起來的火熱船型，在國際船舶市場上具有廣泛的需求。由于該船型的建造難度比較大，目前該船型的訂單主要集中在韓國。我國在超大型集裝箱的設計建造方面已開始起步，面對激烈的市場競爭，需要從技術儲備等方面做足功夫。本文總結了集裝箱船超大型化后在結構強度方面需要重點關注的幾個問題，這也是目前研究者、設計者以及船級社最為關心的問題。