未來大型集裝箱船發(fā)展趨勢

中國船級社 辛吉誠

近年來，隨著國際海事組織一系列新公約陸續(xù)生效，特別是關(guān)于能效指數(shù)要求的全面生效對傳統(tǒng)的大型集裝箱船設計理念形成了一定沖擊。2013年大型集裝箱船MOL Comfort斷船事故也使得國際航運界不得不重新審視船舶大型化所帶來的風險。因此目前世界范圍內(nèi)新建的大型集裝箱船正呈現(xiàn)出一些與傳統(tǒng)設計理念所不同的特點。

近年來新生效的國際公約、國際能源結(jié)構(gòu)與能源價格以及國際經(jīng)濟發(fā)展趨勢都在影響大型集裝箱船的設計方案。在這些因素的共同作用下，未來大型集裝箱船的發(fā)展將呈現(xiàn)尺度增長放緩、服務航速降低、船體型線及布置的改變的發(fā)展趨勢。

一是尺度增長放緩。從規(guī)模化效應的角度來看，船舶尺度越大，每單位貨物運輸?shù)某杀驹降汀鴥?nèi)某班輪公司的實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一艘8000TEU的集裝箱船與兩艘4000TEU的集裝箱船相比，其運輸成本可降低10% ～15%，其中燃料及人工費用的減少是總成本得以下降的主要原因。20世紀90年代以來，隨著高強度船體材料以及大功率船用發(fā)動機等關(guān)鍵技術(shù)的日趨成熟，集裝箱船開始正式邁入超大型化時代，從4000TEU到8000TEU，最終發(fā)展到18000TEU，集裝箱船的尺度在短短20年里擴大了近5倍，單個集裝箱運輸?shù)某杀疽蚕陆盗藢⒔?0%～47%，因此大型船舶帶來的經(jīng)濟優(yōu)勢是顯而易見的。

21世紀以來，隨著8000TEU以上超大型集裝箱船陸續(xù)投入歐亞航線，大型船舶在提升航運總體經(jīng)濟效益的同時也逐漸暴露了自身的不足。首先由于港口吃水及橋吊高度問題，世界上能夠接納8000TEU以上集裝箱船的港口并不多，這在很大程度上限制了大型集裝箱船的營運范圍，導致適用大型集裝箱船的航線競爭非常激烈。其次，大型集裝箱船由于單艙尺度較大，貨物裝卸需要吊運的次數(shù)相比中小型集裝箱船而言會更多，因此過大的尺度會對貨物的裝卸效率造成一定影響。另外，船舶的尺度越大，前期投入的資金也越多，這將在一定程度上影響到船東與造船廠的現(xiàn)金流。根據(jù)目前國際市場上集裝箱船的價格，一艘13000TEU集裝箱船的建造價格是一艘4000TEU集裝箱船的3倍左右。在目前的經(jīng)濟形勢下，全世界有實力建造這類船舶的船東和船廠只有寥寥幾家。

超大型集裝箱船的另一個問題在于其風險過于集中，這是導致近年來國際航運界提出適當限制船舶尺度的最主要原因。一方面，大型船舶本身就具有較高的風險。隨著主尺度增加，船舶結(jié)構(gòu)強度、船體剛性、應力集中、疲勞等問題會更加突出，大大增加了船體結(jié)構(gòu)失效的風險。與此同時，大型船舶由于體型過于龐大，操縱難度提高，在航行中發(fā)生事故的可能性也更高。從現(xiàn)有的統(tǒng)計資料來看，大型船舶發(fā)生的碰撞事故的概率比中小型船舶要高出40%左右。另一方面，大型船舶本身運載貨物的數(shù)量龐大，一旦發(fā)生海損后果會非常嚴重。2013年日本三井商船旗下的8000TEU大型集裝箱船MOL Comfort在印度洋航行中折斷，由此而引起的巨額海損理賠問題至今尚未完全解決。由此可見，從經(jīng)濟及安全的角度來看船舶的主尺度并非越大越好。

從上面的分析可以看出，目前不少因素都制約了大型集裝箱船尺度的進一步增大，因此未來大型集裝箱船主尺度繼續(xù)增加的可能性并不大。從目前國際造船市場的形勢來看，船東對于10000TEU以上的超大型集裝箱船下單也頗為慎重，大部分船東訂購這類船舶的主要目的也并非為了提高經(jīng)濟效益。相比10000TEU以上的超大型集裝箱船而言，4000TEU左右的中型集裝箱船與8000TEU左右的大型集裝箱船更受船東青睞。二是服務航速降低。與傳統(tǒng)的雜貨運輸相比，集裝箱船裝卸效率高，停靠港口時間短，提高航速有利于加快船舶周轉(zhuǎn)，提高船隊競爭力。當集裝箱船以班輪模式運行時還必須嚴格遵守公司對外公布的船期。因此航速較高、儲備功率富裕是傳統(tǒng)集裝箱船的重要特點之一。傳統(tǒng)大型集裝箱船的服務航速通常都在25節(jié)以上，最高航速一般都可以達到30節(jié)。然而，隨著世界范圍內(nèi)原油價格的不斷攀升，燃油消耗開始成為航運企業(yè)的主要成本之一。不少船東為降低燃料成本開始嘗試在營運中降低航速，在訂購新船方面也更傾向于低速、低油耗的船型，目前主流的集裝箱船最大設計航速已經(jīng)從原先的25節(jié)降低到22節(jié)左右，并有進一步下降的趨勢。

國際海事組織EEDI強制標準的全面生效是大型集裝箱船必須減速的另一個主要原因。盡管國際海事組織對于集裝箱船在載重量方面給予了30%的寬限，然而根據(jù)現(xiàn)行的EEDI計算方法分析，EEDI與船舶航速的二次方線性相關(guān)，因此船舶航速降低對于減少其EEDI值具有非常重要的意義。從這個角度來看，未來高航速的船舶將因難以滿足國際海事組織關(guān)于船舶能效方面的要求而逐漸退出國際航運市場，低碳與減排將是未來大型集裝箱船設計與建造理念的主旋律。

新能源技術(shù)的采用也可能成為大型集裝箱船必須降速的原因之一。目前能夠用于船舶主推進的新能源主要是氣體發(fā)動機技術(shù)。盡管氣體發(fā)動機的工作原理及外形與傳統(tǒng)的低速柴油機并無太大差別，然而高溫爆燃及高壓噴射等技術(shù)問題一直限制氣體發(fā)動機功率的進一步增加。目前世界上大部分采用氣體發(fā)動機作為動力裝置的船舶不得不采用雙槳或電力推進的動力型式以彌補單機功率的不足，然而這種變通的方案又將導致船舶建造及維護成本的提高。對于將來計劃采用氣體燃料發(fā)動機作為動力裝置的船舶而言，在單機功率這一關(guān)鍵技術(shù)問題未取得實質(zhì)性突破以前，只能在船速方面做出讓步。

日本三菱重工是近年來首次將低速理念引入大型集裝箱船設計領(lǐng)域的造船企業(yè)，該公司7500TEU系列集裝箱船設計航速僅21節(jié)。由于主機功率減小并采取大量節(jié)能措施，該系列產(chǎn)品在節(jié)能方面的優(yōu)勢非常顯著。上海船廠船舶有限公司所研發(fā)的3500TEU系列集裝箱船在國內(nèi)同類型集裝箱船中率先采用降低航速的設計理念，在正常航行狀態(tài)下油耗遠低于同級別的集裝箱船，因此該船型一經(jīng)推出就受到歐洲船東的普遍青睞，并在船市不景氣的大背景下獲得了大量訂單。隨著國際燃料價格的持續(xù)攀升及國際海事組織EEDI規(guī)則的強制生效，未來大型集裝箱船的航速還有可能繼續(xù)下降，節(jié)能環(huán)保型的船舶將更受市場歡迎。

三是船體型線改變。傳統(tǒng)的集裝箱船為確保其快速性通常采用首尾瘦削的型線設計，整個船長范圍內(nèi)幾乎沒有平行中體，這種設計方案在提高船舶總體阻力性能的同時也帶來了不少問題。首先，集裝箱船屬于布置型船舶，船體空間屬于非常寶貴的資源。而過于瘦削型船，給船舶的整體布置帶來了很大困難。因此傳統(tǒng)集裝箱船總體艙容利用率并不高，特別是首尾線型較大的位置很多空間無法有效地用于貨物處所。再者，瘦削的船型導致整個船舶浮力集中在船中，而重力與貨物載荷則分布在全船范圍內(nèi)。因此集裝箱船的總縱強度問題以及船體梁抗扭轉(zhuǎn)與剪切等結(jié)構(gòu)方面的問題一直非常突出。最后，瘦削的船型設計將導致船舶的建造流程更加復雜，建造的周期及成本也顯著提升，這對船廠硬件設施及綜合管理能力提出了較高的要求。

航速較高的傳統(tǒng)集裝箱多采用較為瘦削的型線設計

航速較低的散貨船通常采用較豐滿的船型

未來大型集裝箱船船體型線可能發(fā)生的改變與船速的降低有著非常密切的關(guān)系。從船舶阻力成分的分布特點來看，船長在300米左右的船舶當航速降低到18節(jié)左右時粘性阻力所占的比例將迅速增加，因此未來大型集裝箱船可能會考慮采用在粘性阻力性能方面更有優(yōu)勢的豐滿型型線設計。豐滿的船型設計不僅可以改善船舶低速航行時的阻力性能，還能夠增加船舶貨艙容量，特別是首尾部貨艙的載貨量。這種型線設計方案還可以改善船舶整體受力情況，減少總縱強度方面的矛盾，進而減少不必要的結(jié)構(gòu)加強以降低空船重量。另外，當型寬相同時豐滿的船型可以提供更大的橫傾回復力矩，這對于穩(wěn)性問題突出的集裝箱船而言是非常有利的。由于豐滿的船型平行中體較多，因此在船舶建造過程中可以減少大量的工裝設施，大大降低船舶建造的成本與難度。因此，未來的集裝箱船在外形上很可能逐漸摒棄原先巡洋艦式的型式，向散貨船、油船的型式靠攏。

四是船舶布置的變化。航速的降低及型線的變化也將引起未來大型集裝箱船總體布置的變革。主推進功率減少使得船舶可以安裝尺寸較小的主機，豐滿的船型也將使得船舶內(nèi)部空間更加寬敞，因此未來大型集裝箱船機艙區(qū)域的空間有望進一步減少，以讓出更多位置給貨物區(qū)域。相對于原來瘦削的船型而言，同樣尺度的豐滿型集裝箱船的裝載量有望提高9%～15%，甚至更多。與此同時，由于豐滿船型內(nèi)部空間更為規(guī)則，對于單元件貨物的布置也將更加有利。

未來大型集裝箱船布置發(fā)生變化的另一個原因是由于船體型線變化而帶來的船舶總體受力狀況改善以及抗橫傾能力顯著提高。傳統(tǒng)集裝箱船浮力過分集中于船中，中拱明顯，總縱強度矛盾非常突出，往往需要通過壓載來調(diào)整船舶的總體受力情況。另外，大型集裝箱船裝有大量的甲板貨物，船舶重心偏高、橫向受風面積大，而船舶自身回復力矩較小，因此需要在航行中通過壓載水提高其抗橫搖性能。而豐滿的船型可以有效地改善船舶總體受力狀況，同時在相同的主尺度條件下提供更大的回復力矩。因此這類集裝箱船所需的壓載水數(shù)量有望進一步減小，將船上更多的空間分配給貨物。

然而，船舶航速的降低以及型線的豐滿不可避免地會帶來船舶操縱性能下降的問題。對于靠泊作業(yè)頻繁的集裝箱船而言，可以采用更多的側(cè)推器以提高其低速狀態(tài)下的操縱性能。目前船型較為瘦削的大型集裝箱船均配備1臺首側(cè)推器以改善其在港口的操縱性能，而10000TEU以上的超大型集裝箱船往往會配備2臺。預計未來可能出現(xiàn)的豐滿型集裝箱船將會需要2 ～3個首側(cè)推器，必要時還需增加尾部側(cè)推器以提高其靠泊期間的操縱性能。

未來大型集裝箱船設計理念上可能發(fā)生的變化對于我國船企而言既是挑戰(zhàn)，也是機遇。從目前集裝箱船的發(fā)展趨勢來看，中國船企可以從以下幾個方面著手準備：

一是積極應對氣體燃料發(fā)動機的采用。隨著世界范圍內(nèi)石油儲量日趨枯竭，將新能源用于船舶推進對于造船企業(yè)而言已不再遙遠。目前主要船用的發(fā)動機生產(chǎn)廠家已研發(fā)出不同類型的氣體燃料發(fā)動機或雙燃料發(fā)動機，并已在船舶及海洋工程領(lǐng)域成功采用，氣體發(fā)動機的技術(shù)已日趨成熟。對于其他船舶而言，采用氣體燃料發(fā)動機目前在技術(shù)上并不存在太大困難，然而這對于集裝箱船而言這確實是一個非常麻煩的問題。

如何在船上儲存氣體燃料是集裝箱船采用氣體燃料發(fā)動機所面臨的首要問題。因為傳統(tǒng)船用柴油機所需燃油通常采用液艙型式儲存，燃料艙可以在船上見縫插針地布置，船上空間能夠被充分地利用。然而氣體燃料多采用專用容器如低溫儲罐或壓力儲罐的方式進行儲存，由于儲罐本身具有一定形狀，在船上布置存在一定的難度。對于散貨船、油船等甲板面積富裕的船舶，布置氣體燃料儲罐從理論上來說并不麻煩。而集裝箱船屬于布置型船舶，船體及甲板空間是非常寶貴的資源，如何在布置氣體燃料儲罐的同時盡可能減少船舶載貨量的損失就成了一個非常麻煩的問題。

氣體燃料使用的安全問題也是制約集裝箱船采用氣體燃料發(fā)動機的重要原因之一。傳統(tǒng)的燃油發(fā)生泄漏后除容易著火以外并沒有其他風險，而氣體燃料一旦泄漏容易與空氣混合發(fā)生爆炸，因此氣體燃料相對燃油而言更加危險，所采取的防爆及消防措施也更加嚴格。集裝箱船本身所需載運的危險品種類非常復雜，一旦采用氣體燃料發(fā)動機，將導致船上的安全及消防系統(tǒng)更加復雜。然而從長遠的角度來看，船舶采用氣體燃料發(fā)動機是大勢所趨，因此中國船舶業(yè)在這方面應當有充分的準備。

二是對大型集裝箱船造船市場發(fā)展形勢應有充分的預期。傳統(tǒng)的大型集裝箱船屬于高技術(shù)、高附加值船型，這主要是由以下三個方面因素所決定的。首先傳統(tǒng)大型集裝箱船船型瘦削，線型復雜，船體建造難度較高。其次，傳統(tǒng)大型集裝箱船主機功率大，機艙施工及設備調(diào)試工作量大、難度高，中尾機型的設計也使得軸系施工更加復雜。最后，傳統(tǒng)大型集裝箱船總縱強度矛盾突出，甲板及艙口圍區(qū)域的材料厚度大，焊接難度高。正是由于這些原因，傳統(tǒng)的大型集裝箱船屬于船舶行業(yè)的中高端產(chǎn)品，目前全世界僅有日本、韓國以及中國的少數(shù)幾家大型造船廠具備建造大型集裝箱船的能力。

隨著大型集裝箱船減速化、豐滿化的發(fā)展趨勢，其本身所固有的建造難度也將略有下降。從理論上分析凡是能建造VLCC或好望角型散貨船的船廠將來都可能有能力建造大型集裝箱船，傳統(tǒng)大型集裝箱船建造廠家在這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷將不再明顯。從這個角度來看，未來集裝箱船的建造市場很可能會呈現(xiàn)出一種全新的格局。這對于我國船企而言無疑是一個重大利好消息，因為未來“低速豐滿”型式的集裝箱船在外形及動力系統(tǒng)方面與大型散貨船并無太大區(qū)別，相對日韓而言我國船企在這類船舶的建造方面具有更豐富的經(jīng)驗，在建造周期及價格方面也具有較強的競爭力。

對于沒有建造過大型集裝箱船的船廠而言，厚板焊接及精度控制是集裝箱船建造的兩大難點。大型集裝箱船在甲板及艙口等敏感位置所采用的板材厚度比大型油船及散貨船要厚很多，這對于沒有厚板焊接經(jīng)驗的船廠來說是一個需要重點攻關(guān)的課題。由于集裝箱船運輸?shù)氖菢藴蕟卧w建造的精度將直接影響后續(xù)舾裝件的施工效率，進而直接影響船舶整體建造周期，這點對于缺乏精度控制經(jīng)驗的船廠而言也是一個很大的挑戰(zhàn)。

從目前世界主要船廠所獲得的訂單情況來看，大型集裝箱船的設計理念正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，未來大型集裝箱船的建造很可能呈現(xiàn)“平民化”的發(fā)展趨勢，這為中國船企的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了更多的選擇。然而值得注意的是。從目前的統(tǒng)計資料來看，2014年內(nèi)預計交付的13000 ～18000TEU集裝箱船有30艘之多，世界范圍內(nèi)集裝箱船運力過剩的現(xiàn)象還將持續(xù)一定的時間。中國船企可以充分利用這段時間對自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)能力以及管理方式進行調(diào)整，不斷提高自身的軟實力，為未來船市的全面復蘇做好充分的準備。