甲板運輸船總體設計研究

夏討飯 曹 凱 張志強

（中遠海運重工 技術研發中心 大連116600）

引 言

甲板運輸船主要用于運輸不可分解的、大件尺寸的整體貨物，包括海工模塊、大型發電設備、化工和煉油設備、重大基建設備、衛星和軍事裝備以及拖船、駁船等，屬于高附加值的特種船舶。其具有載貨甲板面積大、貨物涵蓋范圍廣、整體貨物運輸和裝卸便捷等優點。基于甲板運輸船上述功能特點，其總體設計的技術難點主要包括：

（1）總體布置怎樣實現全通無障礙載貨甲板；

（2）特殊主尺度對型線優化設計的限制；

（3）如何通過合理分艙等設計，滿足載運整體大件貨物穩性要求；

（4）壓載系統設計滿足快速調載和碼頭裝卸貨物的需求；

（5）其他技術難點，如載貨區域結構設計、推進系統和動力定位配置等。

筆者通過對比分析該船型與常規船型的差異，總結出該船型的總體設計特點。

1 船型特點及難點設計分析

1.1 主尺度特征

甲板運輸船僅在甲板上載運貨物，屬于布置地位型船舶，貨物尺寸大小決定整船的主尺度。

甲板運輸船主尺度一般具有以下特點：

（1）船寬大

由于載運單件貨物的重心高度在甲板以上可達30 m或更高，因此需要有足夠大的船寬和水線面面積來提供充足的復原力矩以滿足穩性要求。

（2）型深小

為降低船舶整體的重心高度，在保證穩性和壓載艙容積滿足要求的前提下，應選擇較小的型深。較小的型深也可使船舶能夠適應更多的現有碼頭設施，實現載貨甲板與碼頭基本平齊的裝卸載要求。

（3）主尺度比差異

甲板運輸船船寬大、吃水淺，船舶的長寬比通常很小（約為4），而寬深比和寬度吃水比則通常較大（約為常規船型的2倍）。特殊的主尺度比給線型的設計優化帶來巨大挑戰。

不同船型主尺度比參見表1。

表1 不同船型主尺度比

1.2 線型設計和水動力性能

線型設計對船舶的主要影響包括快速性能和操作性能，對于甲板運輸船，還需要重點考慮其船長短、船寬大、型深小的船型主尺度特點。因此，首部采用進水角小的線型并設置球鼻首，避免波浪對船首的抨擊影響；尾部采用平坦的方型設計，便于提供寬敞的載貨甲板。

甲板運輸船的主尺度與船體阻力和快速性相比，并不十分理想。船體有效功率大，而螺旋槳直徑卻非常小，不僅影響船舶快速性，給船體線型設計也帶來很大挑戰。

甲板運輸船由于長寬比很小，故具有較好的回轉性能，但其船寬和吃水較大，因此船舶航向的穩定性較差。針對如此特殊的主尺度比，甲板運輸船通常會在尾部設置呆木。

由于特殊的線型設計，使甲板運輸船在快速性、操縱性和適航性等水動力性能方面，與常規船型具有明顯差異，所以在設計初期很難憑借經驗獲得準確的判斷和結果，通常需要采用CFD和船模試驗相結合，通過CFD進行多輪計算和比較，再結合模型試驗對其進行驗證和優化，最終確定較優的線型。

甲板運輸船型線圖（橫剖面）參見圖1 。

圖1 甲板運輸船型線圖（橫剖面）

1.3 完整穩性的主要影響因素

船舶穩性是衡量船舶是否可以在海上安全航行的基本條件之一。甲板運輸船由于其特殊的主尺度和重大件貨物運輸的原因，其完整穩性的主要影響因素可歸納為以下方面：

（1）重心高度的影響

在裝載大件貨物時，全船重心高度因受貨物影響而大幅增加（約為裝貨前的3倍）；與此同時，受風面積也隨之增加約1倍，且形心高度增加3倍。由此可見，貨物的尺寸和重心高度對船舶穩性具有決定性的影響。

（2）受風面積的影響

除重心高度外，受風面積大、形心高也是甲板運輸船所裝載貨物的典型特點，對穩性產生的不利影響非常明顯。在氣象衡準要求中，受風面積不同導致計算結果差異很大。所以在設計初期考慮穩性對主尺度影響時，需要了解潛在貨物典型受風面積尺寸，確保裝載貨物后穩性計算滿足要求。

（3）穩性衡準的影響

由于甲板運輸船特殊的尺度比特性（船寬大、型深小），在橫傾角較小時，甲板已開始進水，進而復原力臂很快達到最大值。由于對應的橫傾角一般小于25°，無法滿足常規船舶“最大復原力臂對應橫傾角大于25°”的要求。因此，該船型只能滿足另一個衡準“長寬比大于2.5的船舶，上述角度可調整為15°”，其他衡準則作為替代要求。

除在海上航行的基本穩性要求外，在碼頭進行滾裝或滑裝過程中的穩性和強度計算也非常重要，尤其是在側向裝載時。此時，由于貨物在側向裝載過程中對船舶產生較大的橫傾力矩，為防止船舶產生較大橫傾角而發生貨物傾覆事故，船舶要求配備具有快速調載能力的壓載系統，以確保在滾裝或滑裝過程中船舶的安全性。圖2為甲板運輸船在碼頭裝卸貨物。

圖2 甲板運輸船在碼頭裝卸貨物

1.4 總布置特點

甲板運輸船的貨物具有尺寸大、質量大、重心高、受風面積大的特性，這就要求船舶除了具有寬敞的載貨甲板以及良好的穩性和操作性，對船舶的總體布置也具有獨特要求。從外形上看，載貨甲板位于船尾，便于貨物從船尾或舷側進行裝卸作業；居住艙室和駕駛室位于船首，視域較好，而且居住艙室遠離尾部振動源，舒適性較高。

高首樓且全通無障礙的載貨甲板是甲板運輸船總布置方面的基本特征之一，因此對于船舶的布置有著諸多限制。通過對甲板下方壓載水艙透氣帽的特殊布置，采用包括可拆卸式、專用管隧和雙層甲板等不同的設計形式，可達到全通無障礙的目的。其他主要的布置特點包括：載貨甲板區域所有舾裝設備均采用嵌入式布置，保證載貨甲板所有區域無障礙；甲板設計載荷大，增加板厚以適合裝卸貨物在甲板上反復焊接和切割；首尾的通道連接主機艙、輔機艙、舵機艙和泵艙等艙室，一般設置1～2條貫穿首尾的縱向通道。

壓載管系設計需要滿足復雜的壓載工況調整。由于管系繁多，故在布置上需要考慮管系聯通對于破損穩性的影響，盡量通過合理布置和走向控制，解決相互聯通帶來的穩性問題。

在推進系統布置方面，因船寬大、吃水小，故多采用雙機、雙槳、雙舵設計，有利于操縱性能。首部一般設置有1～2個首側推，尾部根據使用要求，適當增設尾側推。如有動力定位要求，首部還會考慮設置可伸縮式全回轉推進器。

甲板運輸船典型布置側視圖如圖3所示。

圖3 甲板運輸船典型布置側視圖

1.5 結構強度設計

從船型特點來看，甲板運輸船具有開敞無障礙貨物甲板，沒有貨艙開口，縱向結構具有良好的完整性和連續性，易于滿足總縱強度要求。不過，由于裝載的大件貨物具有質量大、形狀不規則等特點，因此確定甲板載荷比常規船舶更復雜，在設計初期需要與船東一起對貨物質量、大小、運輸車輛的自重、工作載荷以及輪印大小、軸間距等信息進行溝通確認。綜合貨物屬性、裝卸方式和裝卸設備等因素，合理地進行全船結構布置非常關鍵。

在結構布置方面（如主要支撐艙壁的位置、縱骨間距等）要充分考慮上述信息。在計算工況的選擇方面，碼頭工況要考慮滾裝和滑裝兩種不同的裝載工況，根據裝載的步驟來設計。航行工況的選擇則要根據不同的貨物質量、形狀和裝載位置，按照不同的甲板載荷類型來加載。所以，設計初期綜合貨物屬性、裝卸方式和裝卸設備等因素，合理布置全船結構構件非常關鍵。

結構設計的另一個難點是壓載管系穿過艙壁對結構強度的影響。貨物甲板下方大量壓載管需要穿過主要的支撐艙壁，壓載管系布置較為復雜。支管多且口徑大，需要在主要支撐艙壁大量開孔，在高應力區會對局部強度產生重要影響。因此，在設計初期首先應對壓載管系進行合理布置，并且在有限元建模分析中充分考慮開孔對結構強度的影響；然后合理選擇穿艙位置，使管系避開應力集中區域，并能均勻地進行開孔設計；最后在開孔位置進行加強設計（包括采用雙面扁鋼加強，兩根扶強材之間增加扁鋼等方式），對局部強度進行補償。此外，對于直徑超過200 mm的開孔，均應在結構圖中標識出來，并在有限元分析模型中體現。如果按常規船舶設計，在生產設計階段才開始考慮管系布置對結構的影響，則有可能造成已建分段的返工以及鋼板的重新訂貨等問題，不僅影響工期和成本，甚至影響船舶的最終安全。

1.6 壓載系統

甲板運輸船的壓載系統設計除考慮常規船舶浮態調整和尾部螺旋槳浸沒的要求外，碼頭裝卸貨時對壓載水水量和調節速度兩方面的能力是衡量船舶性能指標之一，也是該船型的主要特點。為滿足裝卸貨特殊功能要求，壓載系統設計極其復雜。一般采用多個壓載泵艙的布置形式，同時具有兩套以上的壓載主管路，每個管路都有獨立的海水閥箱，不同主管路形成循環聯通，可根據需求進行快速、靈活調載。

圖4為甲板運輸船壓載系統原理圖。

圖4 甲板運輸船壓載系統原理圖

甲板運輸船壓載系統主要具有以下特點：

（1）艙室數量多

均勻布置大量壓載水艙，在裝卸貨物時根據載貨甲板與碼頭匹配情況對船舶吃水和橫傾狀態進行大范圍調整。一艘2萬噸級的甲板運輸船，壓載艙數量約為50個。

（2）管路設計復雜

除配置常規的壓載系統外，為防止船舶進行滾裝或滑裝作業時產生快速橫傾和縱傾，甲板運輸船的壓載系統還設計成任意兩個壓載艙直接駁運，實現快速操作、靈活多變的調載。

（3）容量大

全船一般會設置3～4臺壓載泵，每臺容量2 500～3 000 m3/h，壓載系統主管管徑最大設計為DN1000，多臺壓載泵可同時進行排壓載作業。

（4）控制復雜

首先是壓載艙數量多，壓載艙之間可以相互駁運，整船的壓載遙控閥數量多；其次是壓載泵數量多，壓載管系復雜。每個艙都具備多種排載方案，全船壓載系統控制較為復雜。

兩種船型壓載系統參數比較參見表2。

表2 兩種船型壓載系統參數比較

1.7 透氣、溢流系統

為實現無障礙全通形式的載貨甲板，壓載艙的透氣溢流管不能直接布置在載貨甲板上，必須采用特殊設計形式，解決方式主要包括以下四種：

（1）雙層甲板設計

壓載艙的空氣頭布置在雙層甲板之間。為避免壓載艙內的海水溢流到這個中間夾層，壓載艙額外設置一套溢流管管路，同時空氣頭選用壓載艙溢流關閉式。

（2）集中管隧設計

壓載艙的空氣頭集中布置在管道中，再由管道與首部開敞區域相連接，達到透氣的目的。同時在船舶首尾適合區域設置適當的溢流艙，以收集溢流管流出的壓載水。這樣不僅有利于節約布置空間，還可大幅減少溢流管的布置。

（3）獨立式設計

將每個壓載艙的透氣溢流管分別布置在首部區域（載貨甲板靠近居住艙室處所），在排壓載過程中無需控制，但因布置空間大、管系多，施工難度增加。

（4）可拆式設計

每個壓載艙內的透氣溢流管直接布置在甲板舷側位置，并選用可拆卸式的透氣溢流帽，在裝卸貨時將其移除。該方式布置簡單，但后期操作較為復雜，需要投入大量人力和時間，不利于快速作業的要求。

1.8 推進系統

甲板運輸船淺吃水、大型寬的特點決定了該船型的航向穩定性較差，而在營運過程中又要求其具有較好的操縱性能，所以通常采用雙機雙槳設計。目前商船在推進方式通常有兩種選擇：常規柴油機直接驅動推進方式或者電力驅動推進方式，兩種方式在技術上都已非常成熟。在投資成本上，電力推進方式比常規推進方式昂貴不少；但是在布置方面，前者卻具有明顯優勢。首先，采用多臺柴油發電機較之于柴油低速主機，體積小、布置方便，適合型深小的船型；其次，除發電機需要布置在船首的機艙內，變頻器、變壓器和電動機等通過主干電纜連接，均可靈活布置于船尾。此外，電力推進還可以提高船舶的操縱性能，減小噪聲和振動，因此，采用電力推進方式更為合適。

2 結 論

甲板運輸船將在大型基礎設施和工廠的建設、油氣田的開發等工業領域繼續承擔中間產品運輸任務。本文通過介紹該船型的設計特點，為類似船型總體設計提供參考。不過，后期將面臨如何實現全通無障礙型載貨甲板的功能，如何實現載貨尺寸最大化并且提高貨物在碼頭的裝卸效率，以及優化型線設計和壓載系統設計等諸多挑戰。這也是總體設計人員將面臨的一個重要難題。