靈便型非運木散貨船系列的優化設計

陳諦

摘 ? ?要：本文介紹了通過對系列船進行總體布置、船體結構、節能措施、設備選型等優化設計，在增大裝載量的情況下，降低建造成本，節能降耗成效顯著，滿足了環境保護的國際公約及船級社規則規范要求。

關鍵詞：靈便型散貨船;優化設計;節能降耗;減排;降低成本

中圖分類號：U674.17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces the optimal design of the general arrangement， hull structure， energy saving measures and equipment selection for series of handy non-timber bulk carrier， in the case of increasing the loading capacity， it reduces the construction cost， significantly improves the energy saving and consumption reduction indicators， meets the requirements of the international conventions on environmental protection and rules of the classification society.

Key words： Handy bulk carrier; Optimal design; Saving energy and lowering consumption; Emissions reduction; Cost reduction

1 ? ? 引言

我司的首制散貨船是32 500 DWT BC入級LR的運木散貨船;優化的船型有31 800 DWT BC入級BV的運木散貨船、37 000 DWT BC入級LR的大開口貨艙運木散貨船、39 000 DWT BC入級BV的非運木散貨船、39000 DWT BC入級CCS的運木散貨船、39 300 DWT BC入級BV的非運木散貨船、39 800 DWT BC入級LR的運木散貨船，以及滿足H-CSR（散貨船-油船協調共同結構規范）的40 000 DWT BC入級BV的非運木散貨船等。自2013年以來，我司建造的主要船型是為日本NISSHIN公司建造的非運木散貨船，得到了日本船東的高度認可，每年都給我司訂單。下面介紹靈便型非運木散貨船系列的優化設計。

2 ? ? 總體性能及布置的優化設計

2.1 ? 總體性能的優化

延續采用大開口BOX 箱型貨艙橫剖面，以提高裝卸貨效率和縮短碼頭周期;貨艙不設風暴壓載艙，貨艙艙口蓋不使用重型壓緊器，操作方便、經濟性提高、維護費用降低，即使在惡劣海況下也不需要裝載過多的壓載水，在滿足最小首吃水和螺旋槳浸沒要求的情況下，合理分布各壓載艙。例如，為了減小中拱彎矩，最大限度地減少首尖艙與尾尖艙壓載量。

2.2 ? 船舶主尺度的優化

型深從首制船的14.10 m優化到15.00 m、結構吃水由首制船的10.15 m優化到10.60 m;通過合理調整縱骨間距等方法優化結構布置，增大貨艙艙容和載重量。

2.3 ? 油艙布置的優化

為滿足船東加大低硫輕柴油（MGO）艙艙容的要求，增大了貨艙尾部的重燃油（HFO）艙的容積：將原機艙右舷的HFO艙改為MGO艙;HFO艙的數量由首制船的7個減少到4個;MDO艙由首制船的3個減少到1個;MGO艙與首制船相同為2個。

2.4 ? 壓載水艙的優化

將NO.2/3/4邊壓載水艙與對應的雙層底壓載水艙打通，在內底邊板相應位置開孔;全船壓載艙的數量從首制船的23個減少至12個，減少了閥門遙控蝶閥及液壓多芯管的數量及施工工作量，節約了勞務成本。

2.5 ? 舾裝布置的優化

人孔蓋從220套減少至180套;全船鋼質快速開啟水密門、風雨密門、不銹鋼駕駛室移門數量從59套減少至43套，全船鋼制直梯從310套減少至265套;全船鋼制直梯從33套減少至31套。

2.6 ? 其他方面的優化

取消球鼻首、尾部優化為折角線型;螺旋槳直徑由φ5 200 mm優化為φ6 000 mm;船員人數由首制船的30人減少至25人，減少了房間數量及相應的家具和衛生單元等;取消原NO.5貨艙后壁的橫傾水艙（左/右），洗艙水艙由中部布置改為左右布置，中部增加為應急消防泵艙。

3 ? ? 船體結構的優化設計

（1）全船分段劃分數量從首制船的145個分段減少至133個，減少了吊裝和轉運的工作量;

（2）貨艙區雙殼舷側結構由內底板至11800mm平臺之間的橫骨架結構改為縱骨架結構，增加了船梁的縱向抗彎能力及船體的總縱強度;

（3）通過分析舷墻的作用及參考類似船型布置，將尾部及中部舷墻改為欄桿，同時取消舷墻相對應的肘板，從而減輕了船體結構重量;

（4）由于無甲板運木功能，甲板桅屋由4個減少至2個;由于取消了中部壓載水艙，將貨艙的4個橫艙壁（2個為槽型結構、2個為平板箱型結構）全部改成槽型結構;貨艙區域大艙艙蓋的結構強度，由按照運木船的要求設計改為按照非運木船的要求設計。

4 ? ? 設備配置的優化設計

（1）推進主機：由首制船的MAN B&W 6S42MC-C7改型為MAN B&W 5S50ME-C9.7全電噴主機;SMCR由6 480 kW/136 r/min改為6 483 kW/101.4r/min;CSR由5 832 kW/131.3 r/min改為4 538 kW/99r/min;燃油消耗率由177.4 g/kW.h減少至155.6 g/kW.h，使日油耗從24.83 t/天減少至16.95 t/天;

（2）增加配置了經美國海岸警衛隊USCG認可的滿足G8壓載水公約的壓載水處理系統，船舶能順利航行在世界任何海域和停靠任何港口;

（3）由首制船主機和發電機組各1套燃油供油單元，改為主機和發電機組共用1套供油單元，節約了艙室空間、減少了管路布置、降低了建造成本;

（4）焚燒爐的容量由400 000 Kcal/h（465 kW） 改為180 000 Kcal/h（208 kW），節約了布置空間，降低采購成本;

（5）全船配置有3臺發電機，由于主機采用了高壓液控單元系統，高壓油泵的電機功率增加60 kW，每臺發電機的功率由首制船440 kW增加至560 kW，解決了電站容量不足而出現并車運行的問題。

5 ? ?節能降耗的優化設計

（1）船體線型、螺旋槳及其它節能裝置

船體線型延用我司39 000 DWT BC成熟的線型，配合采用專業公司通過優化設計的螺旋槳，最大限度地提高了大直徑低轉速螺旋槳的效率;采用在舵葉上增加舵球的低成本節能裝置。

（2）發電機廢氣進入鍋爐

按照常規設計發電機廢氣是不進入鍋爐，3臺發電機的排煙管對應分別配3個消音器，全船所用蒸汽全部來源于主機廢氣和鍋爐燒燃油。優化后采用兩臺發電機排氣進入鍋爐以后，3臺發電機只配1個消音器，全船所用蒸汽來源于主機廢氣、發電機廢氣和鍋爐燒燃油;船舶正常航行時通常只運行1臺560 kW發電機組，發電機組的廢氣加熱鍋爐水可產生0.7 MPa、170 ℃約200 kg/h的飽和蒸汽，按鍋爐燒1 kg/h燃油產生約13 kg/h蒸汽計算，則可節約燃油約15 kg/h。

6 ? ?適用最新環境保護的規范、法規與公約要求

6.1 ? 滿足船舶能效設計指數（EEDI）要求

EEDI最終認可值為4.53，比要求基準值6.17降低約26.6%，已達到了相關法規Ⅱ階段（2020年以后）的要求。

6.2 ?滿足硫氧化物（SOx）與氮氧化物（NOx）排放控制要求

主機與發電機可選擇燃燒重油（HFO）、普通船用柴油（MDO）、低硫輕柴油（MGO）等多種油品，且滿足Tier II階段的排放要求。國際海事組織（IMO）的“限硫令”要求從2020年1月1日起生效，所有船舶必須使用硫含量不超過0.5%m / m的燃料。

6.3 ? 滿足壓載水公約的排放要求

該船配備了符合IMO 制定的《壓載水管理系統批準導則》（G8 導則）（MEPC 174（58））認可的壓載水處理裝置，在該公約正式生效前已滿足相關要求。

6.4 ? 滿足香港公約的綠色環保要求

安裝到船上的所有設備和材料均滿足香港拆船公約，船廠向船東提供了IHM有害物質清單、無石棉聲明、供應商的符合聲明及材料聲明，并獲得了船級社頒發的綠色環保證書。

7 ? ?結構重量的輕量化設計

7.1 ? 高強度鋼的使用

與BV深入合作對全船的結構進行了系統的優化，適當提高使用高強度鋼的比例以減輕重量。例如，縱桁和肋板的端部、外板、船底縱骨、船首抨擊區域等一些應力集中區域采用高強鋼。

7.2 ? 橫艙壁與澳梯的設計

貨艙橫艙壁取消常規設置的底凳以方便裝貨;壓槽采用新型的等腰梯形設計;非螺旋型澳梯嵌入橫艙壁中，既減少鋼材用量又可對澳梯形成保護，同時貨艙內部無明顯突出結構。

7.3 ? 內底板區域強度優化

深入分析市場上類似船型的內底板結構強度，發現內底板強度偏強，采取適當措施優化內底板強度設計。

7.4 ? 首部艙室布置與結構優化

防撞艙壁距首垂線的距離較前期39 000 DWT船減少1.20 m，一方面增加了貨艙艙容，另一方面減少了首尖艙的壓載水量;將原首部的空艙與首尖艙合并，以彌補壓載水量的不足。優化后減少了一個空艙，從而減少了相關結構與艙室舾裝及管系系統。

8 ? ?詳細設計中的技術重點與難點

8.1 ?貨艙之間橫艙壁設置底凳及底壓載艙進入底凳的通道

根據船東使用要求：在橫艙壁底凳與管弄之間設置了400×600的通孔和直梯，在橫艙壁底凳與雙層底壓載艙之間設置了Φ450的檢修人孔;由于管弄舾裝件很多，設計時需綜合布置這個通道，同時考慮管弄變大導致的破艙穩性的變化以及管弄風機的風量是否足夠等。

8.2 ? 應急消防泵艙的布置

由于取消了貨艙區甲板下通道，且本船尾部無法布置應急消防泵艙，故在No.5貨艙后面的左右2個洗艙水艙之間分出空間，布置獨立的應急消防泵艙。

8.3 ? 舷邊壓載水艙的進入通道

由于No.2、3、4舷邊壓載艙（左/右）很難在主甲板厚板區域設置進艙人孔。為滿足船東后續維護要求，在主甲板靠船中避開厚板區域每個艙布置了一個400×600的A型人孔蓋進入No.2，3，4舷邊壓載艙（左/右），在船舶裝貨時也能進壓載艙檢查艙內情況，同時克服了甲板受力、甲板面管系眾多、布置困難等因素。

8.4 ? 桅房的單邊布置及抓斗的布置

在設計過程中需要統籌考慮甲板吊的布置、澳梯通道布置、桅房布置，以及艙蓋打開位置是否碰到抓斗、甲板下加強結構等，同時要考慮保護抓斗附近的管系和電纜等，以免被抓斗碰壞。

8.5 ? 首樓甲板下艙室及甲板面錨系泊及桅桿布置

根據防撞艙壁調整后情況，將首樓內部木匠房合并到水手長儲藏室，對其它布置及通道等也作了相應的優化設計：首樓甲板面積減小后將錨泊與系泊設備重新布置，尤其是對錨系設備進行全面優化;錨鏈艙圍壁型式由原設計與No.1貨艙共壁隧道型優化為獨立圓柱型，減少了共壁上的加強結構并避免了錨鏈收放過程可能對貨艙壁的撞擊風險。

8.6 ? 船舶艙室布置

（1）主甲板辦公室旁布置貯藏室，使辦公室形狀更規則、內部布置更合理;

（2）機艙出口衛生間、輪機更衣室、甲板部更衣室、防油污器材庫、氧氣乙炔間等做了不同程度的優化，布置更合理實用。

8.7 ? 艙室降噪與防腐

（1）B甲板機艙風機增加隔音罩，大幅減少生活區的噪音;

（2）船員餐廳角落增加隔離空間以降低機艙噪音對餐廳的影響;

（3）船體外板及壓載艙犧牲陽極保護，采用毒性更低、產生電流量更大的陽極鋁塊代替原陽極鋅塊;

（4）通過對照明系統及電纜敷設的優化：大量采用的LED節能燈;全船電纜由首制船的約90 m減少至63 m。

9 ? ?生產設計中的技術重點與難點

（1）對貨艙區雙層底左右舷的分段接頭位置進行改進，使得在搭載階段的左右舷合攏縫的精度達到較高水平，大幅減少了搭載后開刀調平的工作量;

（2）鋼材采用混套料，材料利用率進一步提高，鋼材一次利用率達到91.14%的歷史最高程度;

（3）充分考慮結構通道布置、貨艙甲板面管系布置、貨艙管系布置、上建內裝及通風布置等設計優化;

（4）按階段、分區域、分施工部門編制圖紙、托盤，為滿足PSPC要求及減輕船塢碼頭工作量，做到能夠工序前置的盡量前置。

10 ? 結束語

通過不斷優化主機選型和螺旋槳配置，在設計吃水9.50 m時航速接近14.0 kn，主機油耗減少至17.37 t/天，較首制船32 500 DWT BC減少約30%。

詳細設計在滿足規則規范的前提下，不斷改進和優化結構設計、艙室布置、設備選型，在圖紙送/退審環節中加強與船級社審圖人員的溝通，減少了設計成本，改善了施工的工藝性。

生產設計采用Tribon軟件進行三維建模、合理套料，在同一設計平臺上進行專業間協調和干涉檢查，并與生產部門進行多次模型評審，將評審意見落實并修改生產設計，從而減少設計不合理和施工中的返工：鋼材利用率從首制船的82.55%增加至92.28%;管材利用率從首制船的78.65%增加至98.97%;全船管子實際放樣率由首制船的83.25%增加至95.9%;全船鐵舾件分段預舾裝率從首制船的69.85%增加至86.55%;全船進塢前鐵舾件分段預舾裝率從首制船的81.53%增加至91.30%。

參考文獻

[1]中國船級社.壓載水公約實施建議[M]. 北京 2013.

[2]中國船級社.壓載水管理系統型式認可指南[M].北京 ， 2013.

[3]中國船級社.船舶能效設計指數（EEDI）驗證指南.北京， 2012.