基于目標(biāo)船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范的超靈便型散貨船設(shè)計

陸明鋒

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

當(dāng)前，世界航運市場總體處于低位盤整階段。一方面，燃油價格從相對低位慢慢上揚，運費也在極度探底之后企穩(wěn)回升，航運企業(yè)景氣狀況明顯好轉(zhuǎn)，干散貨航運企業(yè)盈利狀況大幅改善。另一方面，國際海事組織(IMO)積極發(fā)揮引領(lǐng)作用，各項節(jié)能環(huán)保規(guī)范陸續(xù)出臺生效，對船舶的節(jié)能環(huán)保要求日益嚴(yán)格。在此市場背景下，相關(guān)設(shè)計院、船廠陸續(xù)推出多種新船型設(shè)計。在開發(fā)設(shè)計中，使用CFD軟件優(yōu)化型線[1]，提高船舶效率；研究協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)[2]以保證船舶結(jié)構(gòu)安全等。

為搶占市場先機，提高產(chǎn)品競爭力而打造的新一代綠色節(jié)能環(huán)保型散貨船，系統(tǒng)研究了船舶主尺度、總體布置、推進性能、船體結(jié)構(gòu)、主輔機器設(shè)備等方面，使得該船型具有油耗低、載重量大、貨艙裝載容積大、結(jié)構(gòu)安全、環(huán)保等特點，船舶設(shè)計能效指數(shù)(EEDI)滿足2020年以后簽約建造的要求，其他相關(guān)指標(biāo)均滿足最新國際環(huán)境規(guī)范要求。

1 主尺度

此次開發(fā)新船型時，通過調(diào)研散貨航運市場和船東客戶的使用反饋意見，綜合考慮船舶推進性能、總體布置要求、營運航線、裝卸貨碼頭等實際條件，對本船的主尺度及主要技術(shù)指標(biāo)進行論證研究，并優(yōu)化調(diào)整。

本船主尺度具體如下：

總長

小于199.9 m

垂線間長

197.0 m

型寬

32.2 m

型深

19.4 m

設(shè)計吃水

13.5 m

結(jié)構(gòu)吃水

13.5 m

服務(wù)航速

13.8 kn

載重噸

約63 500 t

主機型號

MAN B&W6S50ME-C9.5

最大功率(MCO)

7 390 kW

轉(zhuǎn)速

89 r/min

船級符號

NK, NS* (CSR, Bulk Carrier-Type A, BC-XII, GRAB 20, PSPC-WBT), (ESP) and MNS* (M0)

或者其他船級社同等船級符號。

雖然巴拿馬運河船閘通行寬度已經(jīng)大為提高，考慮到船型的延續(xù)性，本船仍采用總長小于200 m和船寬32.2 m的設(shè)計方案。另外，大靈便型散貨船營運中為更多裝載至滿載吃水航行，因此本船的設(shè)計吃水和滿載吃水統(tǒng)一至13.5 m，以突出優(yōu)化船舶滿載航行時的性能，提高船舶載貨量。

2 總體布置設(shè)計

2.1 總體布置

本船屬于平直甲板、方形船艉、垂直船艏的散貨船，滿足最新的協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)，適航于無限航區(qū)，可裝運鐵礦石、煤炭、谷物和鋼卷等貨物，也可根據(jù)船東實際需求升級規(guī)格以滿足危險品貨物運輸。為盡可能提高船體推進性能，降低燃油消耗，本船艉部加裝了多種節(jié)能裝置，如帶反向翼的半導(dǎo)流管、舵球舵翼裝置等，機艙、推進裝置、居住艙室和駕駛橋樓設(shè)置在船體后部。本船的總體布置示意見圖1。貨艙區(qū)域分割成5個貨艙。除艏艉尖艙和機艙區(qū)域的6號壓載艙外，5個貨艙周邊的雙層底、底邊艙和頂邊艙空間也布置了5對壓載艙。本船配備了3對燃油艙、1對柴油艙。5號貨艙頂邊艙中的油艙外側(cè)的雙殼部分設(shè)計為污水艙，用以收集甲板雨水、貨艙洗艙水及居住區(qū)生活廢水。本船配備4臺300 kN的克令吊、5對折疊式艙蓋，能滿足大靈便型散貨船裝卸貨物的要求。

①—1號燃油艙(左、右)；②—4號頂邊壓載艙(左、右)；③—3號頂邊壓載艙(左、右)；④—2號頂邊壓載艙(左、右)；⑤—1號頂邊壓載艙(左、右)；⑥—3號燃油艙(左、右)；⑦—6號壓載艙(左、右)；⑧—機艙；⑨—艉尖艙；⑩—柴油艙(右)

2.2 燃油艙布置

根據(jù)國際防止船舶造成污染公約(MARPOL)修正案Reg.12A要求，船上所有燃油艙均須滿足雙殼的布置要求。為盡可能地有效利用船體內(nèi)部空間，提高貨艙裝載容積，前一代大靈便型散貨船設(shè)計中，除機艙區(qū)域布置1對燃油艙外，在4號和5號貨艙區(qū)域的頂邊柜內(nèi)各布置了1對燃油艙。通過對船東的回訪，了解到為靈活應(yīng)對低迷的航運市場，大靈便型散貨船甲板裝貨的要求相當(dāng)普遍，結(jié)合考慮到后期甲板維護的便利性，本船在5號貨艙頂邊艙內(nèi)布置了1對燃油艙。同時為了提供足夠的續(xù)航力，5號貨艙和機艙前壁之間增加了1對燃油深艙。出于通行和建造便利性的考慮，燃油艙雙殼寬度設(shè)定為1.2 m。2號和3號燃油艙之間設(shè)置有利于管系穿行的隔間，以方便污水收集管、蒸汽管線等的布置。

前一代大靈便型散貨船的柴油艙布置在機艙燃油艙內(nèi)。根據(jù)船東反饋，燃油艙加熱時，低硫柴油存在被過度加熱的可能性。為了避免出現(xiàn)相同的問題，本船將柴油艙布置在舵機間，并將其分隔成2個小艙。

2.3 服務(wù)航速

船舶航速既要滿足快速性的需求，又是影響船舶能效設(shè)計指標(biāo)的重要因素，決定了后期船舶運營經(jīng)濟性，因此，合理設(shè)定船舶服務(wù)航速要結(jié)合兩方面的需求。根據(jù)從不同船東處收集到的大靈便型散貨船實船營運數(shù)據(jù)分析結(jié)果看，大部分時間船舶是以低于設(shè)計航速的狀態(tài)在航行，可見降速航行已成為船東應(yīng)對低迷市場、控制船舶營運成本的常態(tài)措施。另外，由于航速與船舶推進功率的指數(shù)關(guān)系，降低航速也是提高船舶能效設(shè)計指標(biāo)的一個非常有效的方法。本船服務(wù)航速設(shè)定時，同時參考了各船型的服務(wù)航速與方形系數(shù)的統(tǒng)計圖譜，最終將服務(wù)航速設(shè)定為13.8 kn。在增大船舶載重噸指標(biāo)的基礎(chǔ)上，保持較好的船舶推進性能水平。

2.4 總縱強度

本船裝載工況除了實際營運中的鐵礦石、煤炭、谷物、鋼卷等裝載工況外，還包括協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范中對BC-A散貨船的強度校核要求工況。通過對裝載工況的研究，本船完整狀態(tài)下的靜水中拱彎矩的最大值一般出現(xiàn)在壓載出港工況，最大中垂值則出現(xiàn)在重壓載到港工況，裝載貨物工況產(chǎn)生的靜水彎矩相對較小。在保證船體安全程度的前提下，為提高船體許用設(shè)計彎矩的利用率，合理降低結(jié)構(gòu)重量，對上述出現(xiàn)最大、最小靜水彎矩的壓載工況進行了多方案對比研究發(fā)現(xiàn)：一方面通過調(diào)整艏尖艙的布置方式，減少了中拱彎矩5%左右；另一方面通過重壓載工況的壓載水分布優(yōu)化，中垂彎矩降低了20%左右。優(yōu)化前后彎矩包絡(luò)線比較見圖2。采用上述措施后，與前一代大靈便型散貨船相比，本船的貨物裝載能力增加了約5%，而且設(shè)計許用彎矩值有較明顯降低，初步估算可節(jié)約鋼材重量約1%。

圖2 優(yōu)化前后彎矩包絡(luò)線比較

3 節(jié)能設(shè)計

3.1 線型優(yōu)化

船舶推進性能的優(yōu)劣，決定了船型的市場競爭力。為提高船型設(shè)計的生命力，本船型開發(fā)時，重點對船體型線進行優(yōu)化。采用最新的船體線型技術(shù)，運用數(shù)字化水池技術(shù)(CFD)和模型水池試驗等方法，對船體型線進行了多輪優(yōu)化設(shè)計。通過采用垂直球鼻艏的形式，在不過多增加興波阻力的情況下，本船的滿載排水量得到了一定的增加，滿足了船東加大載重量的需求。

3.2 舵球舵翼裝置

為改善螺旋槳后尾流，減少轂渦的產(chǎn)生，本船螺旋槳后方將安裝舵球舵翼節(jié)能裝置(Rudder Bulb System with Fins，RBS-F)，見圖3。通過該裝置，能將螺旋槳后尾流的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為向前的推力，并有效減小螺旋槳轂帽后的低壓空間，對槳后的水流有良好的整流作用，從而減少紊流渦流引起的能量損失，同時又能減輕尾流對舵和船艉的激振作用，綜合提高船舶推進效率。根據(jù)船模試驗結(jié)果，安裝該裝置后，預(yù)計可提高推進效率3%～5%。

圖3 舵球舵翼裝置

3.3 半整流導(dǎo)管裝置

為優(yōu)化螺旋槳進流伴流，本船在螺旋槳前端加裝了半整流導(dǎo)管(Semi-duct)，見圖4。該裝置由半圓形導(dǎo)流罩和三片反向鰭組成，利用半圓形導(dǎo)流罩調(diào)整流入螺旋槳的水流，同時對導(dǎo)流罩也產(chǎn)生推力，提高推進效率；反向鰭可產(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的水流，減少螺旋槳后方的回轉(zhuǎn)流，提高螺旋槳的推進效率。根據(jù)模型試驗結(jié)果分析，采用該裝置后，預(yù)計可以提高推進效率3%～4%。

圖4 半整流導(dǎo)管裝置

4 主要規(guī)范

4.1 協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范

為了解決共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR)中對油船和散貨船的應(yīng)用維護問題和不協(xié)調(diào)問題，滿足工業(yè)界、船東的需求，特別是IMO的目標(biāo)型船舶建造標(biāo)準(zhǔn)(GBS)的要求，國際船級社協(xié)會(IACS)于2014年3月正式發(fā)布了協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)。HCSR對油船和散貨船的強度要求不低于原CSR的要求。HCSR適用于2015年7月1日及之后簽約的長度不小于90 m的散貨船及不小于150 m的雙殼油輪。

依據(jù)HCSR規(guī)范對設(shè)計海況、標(biāo)準(zhǔn)裝載工況、靜態(tài)和動態(tài)載荷、結(jié)構(gòu)凈尺寸、結(jié)構(gòu)疲勞及局部和總縱強度衡準(zhǔn)等的要求，對本船的結(jié)構(gòu)尺寸進行了分析、計算和確定。相對于CSR的散貨船，有以下幾方面較明顯的變化：

(1)大靈便型散貨船增加了斜浪時的等效設(shè)計波用來確定動載荷。

(2)與前船相比，內(nèi)底板縱骨、中縱桁等結(jié)構(gòu)的尺寸由在港工況決定，這是由于HCSR中采用了與油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR-OT)類似的評估方法。雖然在港工況下不考慮動載荷，但是相應(yīng)的衡準(zhǔn)也下降，約為航行工況的80%。

(3)由于采用了新的閉合公式法評估屈曲強度，本船的舷側(cè)肋骨尺寸基本由屈曲強度決定，貨艙單殼區(qū)域的板厚相對前船增加1.5 mm左右。

(4)對于大靈便型散貨船來說，鋼卷是常見的貨種之一。由于鋼卷與貨艙內(nèi)底板接觸面積小，單位面積重量大，貨艙內(nèi)底板的板厚和縱骨尺寸往往由鋼卷裝載工況決定。相對于CSR-BC，在鋼卷裝載工況相同的情況下，HCSR對內(nèi)底板的板厚和縱骨尺寸的要求有所下降。

(5)根據(jù)GBS的要求，增加了碰撞和擱淺工況下的殘存強度計算要求，但是對船體強度基本沒有影響。

(6)前船只需對船中部分貨艙結(jié)構(gòu)進行有限元計算方法評估，本船的有限元評估范圍擴大到整個貨艙區(qū)，包括粗網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格、疲勞精細(xì)網(wǎng)格評估，設(shè)計工作量顯著上升。

(7)疲勞強度計算時選取的載荷概率水平由10-4改為10-2。這是由于10-2概率水平下，不同的Weibull形狀參數(shù)的選取對疲勞壽命計算結(jié)果的影響較小。另外，疲勞計算工況下的靜水彎矩不再根據(jù)實際裝載手冊選取，而是直接由HCSR 給出許用靜水彎矩的一定比例作為疲勞計算工況下的靜水彎矩設(shè)定值。

(8)IMO基于GBS對HCSR的功能性要求作了符合性審查。提出了以下幾點需要改進的地方：增大迎浪和隨浪工況下的浪向修正系數(shù)；疲勞計算時船長小于200 m的BC-B和BC-A船增加重壓載工況下的時間比；疲勞計算時結(jié)構(gòu)件暴露于腐蝕環(huán)境下的時間翻倍等。雖然工業(yè)界有不少反對聲音，IACS還是根據(jù)要求推出了緊急規(guī)范變更通知(URCN1)。經(jīng)過對本船的研究，URCN1對船體梁總縱屈服強度、極限強度、殘存強度沒有影響，但是對局部屈服強度、屈曲強度、疲勞強度等有一定影響。

4.2 氮氧化物排放規(guī)則和對策

隨著全球海事界對有害物質(zhì)排放要求日益嚴(yán)格，特別是船舶航行在限制排放區(qū)域(Emission Control Area，ECA)、美國加勒比海和加利福尼亞區(qū)域，要求船舶有更低的廢氣排放，促使船東采用各種措施應(yīng)對全球、區(qū)域和本地立法的要求。

根據(jù)IMO要求，對于2016年1月1日及之后建造的船舶，船舶安裝超過130 kW(不在港口使用的應(yīng)急發(fā)電機除外)的柴油機需要滿足氮氧化物(NOx)排放三次規(guī)則的要求。本船采用MAN 6S50ME-C9.5-EGRBP機型，主機采用廢氣再循環(huán)方式(Exhaust Gas Recirculation，EGR)系統(tǒng)。根據(jù)氮氧化物的形成原理，在燃料燃燒產(chǎn)生高溫高壓的條件下，由空氣中的氮氣和氧氣通過化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，為了減少這種化學(xué)過程，就需要降低燃燒反應(yīng)溫度。據(jù)此，MAN公司研究了廢氣再循環(huán)(EGR)。此系統(tǒng)為MAN公司的專利產(chǎn)品，原理為主機燃燒過程中，將主機產(chǎn)生的一部分廢氣清潔后作為掃氣空氣送入氣缸內(nèi)，進機氣體中氧氣量減少，同時燃燒溫度下降，破壞了氮氧化物的形成條件，從而抑制氮氧化物的產(chǎn)生，以達到排放三次規(guī)則的要求。

發(fā)電機采用選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)系統(tǒng)來滿足氮氧化物排放三次規(guī)則的要求，其原理是在發(fā)電機排煙管中設(shè)置催化還原反應(yīng)裝置，將發(fā)電機廢氣中的氮氧化物排入反應(yīng)罐中，與尿素溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解排煙中的NOx，降低排煙中的NOx含量，以達到氮氧化物排放三次規(guī)則的要求。

4.3 硫氧化物排放規(guī)則和對策

根據(jù)IMO海洋環(huán)境保護委員會(MEPC)72次會議討論的結(jié)果，IMO再次確認(rèn)，從2020年1月1日起，在全球海域即將執(zhí)行0.5%硫含量的排放要求。目前，降低硫氧化物(SOx)排放的主要途徑有：使用低硫燃油、安裝廢氣處理裝置、使用液化天然氣燃料(Liquefied Natural Gas，LNG)。

針對目前主要硫氧化物排放控制區(qū)限制要求,結(jié)合船東在船舶營運方面的要求,本船基于滿足規(guī)則使用要求以及ISO 8217：2017標(biāo)準(zhǔn)的低硫燃油(粘度： 2.0 mm2/s及以上，40 ℃，硫含量：最大1.0%)作為硫排放限制區(qū)域的對策，設(shè)計主要包括配備螺桿泵、冷卻器，以及設(shè)置專用的低硫燃油艙、柴油艙和高低堿值的汽缸油艙等。同時為了滿足即將執(zhí)行的IMO要求全球0.5%硫含量的排放要求，結(jié)合船東使用超過0.5%硫含量的燃油的要求，采用安裝開式的SOx洗滌塔作為應(yīng)對措施，并且也考慮采用清潔能源(液化天然氣)作為SOx和NOx排放要求的應(yīng)對措施。

4.4 能效設(shè)計指數(shù)

為促進船舶減少CO2排放，新船能效設(shè)計指數(shù)(Energy Efficiency Design Index，EEDI)作為衡量船舶CO2排量的指數(shù)，已于IMO MEPC62會議作為MARPOL Annex VI的修改被采用。該法規(guī)設(shè)定了EEDI的基準(zhǔn)值，從2013年1月1日起簽署合同的新造船舶需要滿足不同的階段要求。經(jīng)初步測算，目前本船的EEDI設(shè)計值相對基線值的冗余度超過25%，已滿足Phase 2(到2024年為止)的要求。

4.5 壓載水管理公約

2016年9月8日，隨著芬蘭批準(zhǔn)接受《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》(簡稱《壓載水管理公約》)，該公約將于2017年9月8日正式生效。船舶需要對壓載水進行相應(yīng)的處理，以移除壓載水中的外來生物，避免壓載水對當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境帶來生物污染。

根據(jù)公約要求，本船提供對策如下：

(1)根據(jù)壓載水管理計劃(BWMP)，船舶在航行途中采用逐一置換法，使壓載艙內(nèi)的壓載水更換率至少達到壓載水體積的95%以上，滿足D-1標(biāo)準(zhǔn)。同時，對于置換操作進行安全評估，包括完整穩(wěn)性和總縱強度的校核、螺旋槳的浸沒率、駕駛室可視范圍、艏部船體砰擊等。特別是對于散貨船型，壓載水置換過程中，艏部會出現(xiàn)較小的吃水，需要對置換過程進行優(yōu)化，船體結(jié)構(gòu)相應(yīng)加強，并在船舶裝載手冊中明確艏部的最小吃水。

(2)配備1套滿足D-2標(biāo)準(zhǔn)的壓載水處理裝置，機艙內(nèi)布置、壓載泵揚程、船舶電站容量等相應(yīng)調(diào)整等。根據(jù)船東的反饋，對于大靈便型散貨船，壓載水處理裝置通常考慮為美國海岸警衛(wèi)隊(USCG)型式認(rèn)可的系統(tǒng)，以滿足美國水域航行的要求。

5 結(jié)論

新一代綠色節(jié)能環(huán)保的超靈便型散貨船推向市場后，得到了客戶的充分認(rèn)可。本文對此船型的總布置方案、性能優(yōu)化設(shè)計、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行了總結(jié)，得到結(jié)論如下：

(1)船型的關(guān)鍵競爭力體現(xiàn)在節(jié)能和環(huán)保。通過型線的優(yōu)化、節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用，可在提高載重噸的同時降低油耗指標(biāo)。

(2)協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范通過經(jīng)驗公式和直接計算相結(jié)合的形式，校核結(jié)構(gòu)的屈服屈曲強度、疲勞強度、極限強度、殘存強度等，這也必將使結(jié)構(gòu)增強，鋼材重量增加。這些改變使得設(shè)計人員對于設(shè)計流程、結(jié)構(gòu)布置、節(jié)點設(shè)計等許多方面都要做出相應(yīng)的調(diào)整或改變。

(3)更安全、更環(huán)保的船舶，也意味著造船成本的增加，設(shè)計者要充分研讀規(guī)范，掌握好尺度，既要滿足規(guī)范法規(guī)的要求，又要考慮為造船成本降低多做貢獻，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)余量、選擇設(shè)備規(guī)格。