無壓載水艙船型開發和前景分析

顧 雅 娟

（中國船級社上海審圖中心，上海 200135）

0 引 言

由于運營船舶壓載水艙中的海水排放，引發了外來生物入侵的問題。不清潔的壓載水已被國際環境保護委員會列為海洋污染的四大危害源之一。全球每年排出的壓載水大約有100億噸左右，壓載水及其沉淀物的無控制大量排放對環境、人體健康、財產和資源造成嚴重危害[1]。為此，國際海事組織（IMO）制定了《2004年船舶壓載水及沉積物控制和管理國際公約》（簡稱“壓載水公約”）以及相關實施導則。

隨著壓載水公約生效期的日益逼近，壓載水管理系統（BWMS）的研制受到關注。然而由于港口國對運營船舶壓載水的取樣分析方法與BWMS認可方法存在不一致，極有可能壓載水雖經BWMS處理，但仍在港口國取樣檢查時不符合壓載水排放性能標準（D-2標準）。船東期待的是有否壓載水處理的替代方法。

1 無壓載水艙船型的開發

傳統船舶的壓載水艙具有兩大缺陷：1) 船舶空載時必須攜帶大量壓載水，使排水量大幅增加，主機的油耗也必然會大幅增加；2) 壓載海水在目的港直接排放，引發了外來生物入侵的問題。

為了解決壓載水帶來非本土水生物種的問題，國外一直在研究壓載水處理的替代方法，如：壓載艙內裝淡水、溢流式壓載系統等。近年來無壓載水艙船型的開發極具創意并已取得了成效。

1.1 貫通流船體

美國密西根大學米歇爾·帕森思（Michael Parsons）博士于2004年在美國造船與輪機工程師協會年會上發表論文，專門談到了無壓載水艙船舶[2]的項目設計課題，并且特別討論了貫通流船體（Through Flow System Hull）技術[3,4]。所謂貫通流船體，就是用來替代傳統型壓載水艙的水線以下的縱向結構。其設計思路是取消壓載水艙，代之以兩條可以打開的大型管道即水流箱。當船舶空載航行時，將大型管道的前后蓋打開，海水就從船首進口處涌入，再迅速地從船尾排水口排出，保持船舶平衡，從而起到減少船舶浮力、增加吃水和減輕載荷的作用；當船舶載貨航行時，關上前后蓋并將海水放掉，此時的大型管道又起到增加浮力的作用。這種設計概念，利用船首和船尾進出口水流的不同壓力，控制貫通水流箱的水流速度。而在貫通流水流箱內穿越而過的海水始終是當地海域中的海水，基本上不會把海水從一個地方帶到另一個地方，從而滿足IMO有關海洋環境保護的規定。

美國密西根大學成功研發出的這種無壓載水艙貨船模型，經水動力試驗研究結果表明，這種船舶不僅能保持良好的穩性，而且由于船底安裝的兩條大型管道中海水自前向后流動，水流對螺旋槳推進器可起到有助于加速旋轉的作用，能提高航速并達到節省燃油和減排的目的。試驗結果還表明，這種船型最多可以節省73%的船舶動力。

貫通流船體的最大缺點是盡管采用了貫通流系統，但還得保留部分傳統的壓載水艙。目前研究人員正在集中力量攻克這個難關，盡量減少船舶所載運的封閉壓艙水量，盡量擴大貫通流壓載水艙的功能。帕森斯博士指出，通過進一步改進流體動力設計，這些問題大部分都可以得到解決。

1.2 V型船體

日本研究機構提出的V型船體（V-Shaped Hull）無壓載水艙超大型油船（VLCC）的最大特點是船舶的下半部分的船體更加細長，船底呈明顯向下突出的V型，促使無壓載水艙船舶吃水深度足夠支撐船舶空載時的重量。造船專家們初步推選出兩種無壓載水艙船舶設計方案。代號為“最佳型”的第1種無壓載水艙船體設計方案的主要目的，是設計建造在無水深限制航道（如波斯灣）航運的無壓載水艙船舶。其船體型深35m，最大寬度56m，滿載吃水27m，載貨量超過30萬t；代號為“馬六甲型”的第2種無壓載水艙船體設計方案的主要目的，就是建造適用于從波斯灣經過限制水深的馬六甲海峽航行至遠東地區（中國、日本、韓國）的船舶。其船身最大寬度可達79m，型深30m，滿載吃水21m，載貨量為28萬t。

日本無海水壓載船（NOBS）設計建造研究所認為，V型船體無壓載水艙油船的適航性和運營性已經達到IMO的法規標準。通過計算機模擬試驗初步證實，“最佳型”無壓載水艙VLCC可以在風浪不大的海洋上十分順利地航行；而“馬六甲型”無壓載水艙VLCC的航行情況較差，原因是其船體加寬后造成船底部分在水中深度不足。其實，這兩種無壓載水艙VLCC都設有備用壓載水艙，一旦遇到惡劣天氣，仍需分別打進1.5萬t和3.5萬t壓載水，以增加其航行時的穩性，確保船舶安全。而在同樣環境下，傳統VLCC則必須裝載至少8萬t壓載水才能達到《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）所規定的船舶最小吃水的要求。由此可見，所謂無壓載水油船的優勢還是十分明顯的。尤其是設計理念并沒有被所謂“無壓載水艙”所約束，在船體內還是安排了備用壓載水艙，可以在航行中根據天氣和風浪情況靈活地決定在備用水艙中打進多少壓載水，以確保其船體的安全穩性。

對于低速船而言，黏性阻力占船舶總阻力的90%以上，從雷諾定律可以看出，黏性阻力與船體的濕表面積成正比關系。V型船體的設計理念就是最大限度地讓船體水線以下的部分瘦身，以達到減少船舶航行時的阻力。其中“最佳型”無壓載水艙VLCC減少約33%的阻力，“馬六甲型”無壓載水艙VLCC減少約25%阻力，可以明顯節約航行時所需要的燃料。

2 開發研究實例

國內已成功開發出載重量為6500t的無海水壓載油船，并獲國家專利局頒發的專利。

該船適合于無限航區航行；載運閃點低于60℃的散裝重燃油、柴油等成品油。雙定距螺旋槳由雙中速柴油機驅動；圓形舭部、球鼻首、底部升高的全焊接鋼結構；貨油艙部分為雙殼體。該船一改傳統的平直船底，改用V型船底構造，見圖1，優化后的型線見圖2。無須設置專用海水壓載艙（即免設船舶專用壓載水系統以及壓載水處理裝置），輔以燃油、淡水艙的適宜布置以及型線的優化處理，以滿足空載航行時的艏、艉吃水需要。

圖1 線型優化

圖2 船體構造

表1列出了具有相同載重量的無海水壓載船型與常規船型的主要技術參數的比較。

表1 主要技術參數的比較

由表1比較可知該船的優勢和經濟利益是：

1) 規避了IMO《國際船舶壓載水和沉積物管理與控制公約》；

2) 規避了《所有類型船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側處所保護涂層性能標準》（PSPC）的強制要求；

3) 貨油艙相應采用V型底，使清艙、掃艙更加容易；

4) 采用V型底減少了水下的濕表面積，從而減少了船體黏性阻力，具有節能效果；

5) 由于免除了PSPC及縮短建造周期；免設船舶專用壓載水系統；免設船舶壓載水處理裝置；對于冰區航行船舶，還免設壓載水艙加熱系統，因此，粗略估計無海水壓載船型的新造船成本與常規船型相比，節約5%～10%；

6) 由于無海水污染，從而規避港口對海水污染索賠及扣船風險；空載航速可提高約10%～15%，滿載航速可提高約 2%～3%；節省壓載水艙的操作成本；壓載水艙無沉積物；對冰區航行船舶，節省壓載水艙加熱的成本；節約貨油艙加熱的能耗；貨油艙殘余率幾乎為零，容易清艙，因此，無海水壓載船型的營運成本與常規船型相比，可以節約6%～8%；

7) 壓載水艙海損時，無需PSPC修復；節約壓載水系統的維護成本；節省清理壓載水艙沉積物的成本，所以無海水壓載船型的修船成本也明顯低于常規船型。

值得指出的是：盡管V型船底的抗底部砰擊性能要優于常規平直底部，但在設計中仍應同常規船型一樣考慮船首底部砰擊加強。另外，橫搖周期比常規船型要小，特別是空載的橫搖周期僅為8s。而V型船底的空載吃水可調節范圍較小。因此，要特別關注惡劣風浪條件下的搖擺性能。

3 應用前景

貫通流船體，極具新創意。從技術思路看是可行的，在空載時能起到壓載作用，海水污染程度最小。但目前各國的研究仍處于起步階段，有些技術細節還不夠成熟。V型船體的無壓載水艙船型有望最先應用到實際工程中。V型船體設計，盡管在大海上遇到狂風大浪時還是需要打進小部分的壓載水，以確保其穩性和安全，但還是在相當程度上減少了壓載水所帶來的種種問題。

可見，迄今還沒有一種完全可從根本上消除壓載水且可以實際使用的船舶設計方案，只是盡可能減少污染。例如貫流系統壓載水艙內壁還是會留有少量的海洋生物、微生物和沉淀物。

4 結 語

毫無疑問，無壓載水艙船型概念的提出是具有革新性的創舉，它必將最大程度地解決壓載水的污染問題，還可降低能效以及營運成本。總之，盡管目前還必須大量依賴壓載水處理技術，但是無壓載水艙船舶航行于海洋之中在不久的將來就會變成現實。

[1] 趙橋生. 無壓載水艙船舶的研究進展[J]. 艦船科學技術，2009, 31 (7)： 17-19.

[2] Kotinis M D.Development and investigation of the ballast free ship concept [D]. USA： University of Michigan, 2005.

[3] 張榮忠. 國外關于無壓載水艙船舶的探索[J]. 航海技術，2005, (5)： 64-66.

[4] 冷翠華. 無壓載水艙船舶加速駛來[N]. 中國船舶報，2008-09-03(3).

[5] 張榮忠. 日本造船研究所船舶無壓載艙水革新設計[J]. 世界海運，2007, 30(2)： 31-33.