客滾船的十大技術挑戰與應對措施

田正軍， 吉春正， 吳 林， 俞 劍， 趙 勇， 趙自兵

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司， 上海 200137)

0 引 言

客滾船是指具有滾裝處所或特種處所的客船[1]，其糅合了滾裝船和客船2種船型的特征，形成了自己的特點，在設計和建造中存在很多挑戰，需予以深入研究。在某北歐船東訂造的客滾船(以下簡稱“本船”)的設計建造中，招商局郵輪研究院(上海)有限公司先后攻克了上百個技術難關，保證了首制船按期開工、順利交船。本文選取本船10項重大技術挑戰，簡述挑戰的成因和應對措施，為后續同類型船舶的設計建造提供參考。

1 十大技術挑戰與應對措施

1.1 快速性挑戰與應對措施

客滾船是典型的班輪，設計航速快、準點率要求高、裝機功率裕量大。由于法規對客滾船能效設計指數(Energy Efficiency Design Index,EEDI)的要求較為嚴苛[2]，同時客滾船機艙空間較為狹小，主機等關鍵設備的尺寸受限，需盡量減小裝機功率，因此，如何妥善解決快速性需求與裝機功率限制之間的矛盾是客滾船重大技術挑戰之一。本船委托歐洲設計公司進行線型設計，經優化后的線型被歐洲某世界著名水池評價為10 a內最佳線型，大幅提升了船舶的快速性，實現了主機推進功率的大幅下降。推進系統由通常的四主機變為兩主機，大機器變為小機器，有效降低了整船造價和運營成本，化解了快速性挑戰。

1.2 破艙穩性挑戰與應對措施

因滾裝處所的特殊布置或特殊要求，客滾船的穩性與客船相比呈現出了顯著的個性特征和獨特挑戰。就破艙穩性而言，客滾船首先要滿足《海上人命安全公約》對客船破艙穩性的要求，但較長底貨艙的存在給客滾船的破艙穩性帶來了巨大挑戰。其次，本船在歐盟水域運營，需滿足《國際航行客滾船甲板上浪特殊穩定性要求(斯德哥爾摩協定)》對主貨艙甲板上浪積水的特殊要求[3]，這往往是客滾船破艙穩性的臨界工況。最后，本船掛英國旗，需滿足掛旗國對破艙穩性浸水長度和B/5艙壁結構完整性等的特殊要求。本船化解此挑戰采取的措施有：

1) 在設計建造過程中建立完善的管控流程。在送審設計階段仔細進行穩性計算，要求將限界線和進水點細化到相應圖紙中；在生產設計階段嚴抓放樣落實，及時反饋因無法放樣而產生的差異并更新計算；在現場建造階段對進水點和環繞路徑進行復查并及時整改，有效管控技術風險。

2) 在設計后期遇到了橫貫進水不滿足法規要求的險情，可能會導致整個雙層底返工，經過仔細計算和詳細論證，采用連通管方案，避免重大返工。

1.3 空船重量控制挑戰與應對措施

客滾船具有空船重量占比大、重心變化敏感和穩性安全要求高等顯著特點，因此空船重量和重心控制是客滾船重大技術挑戰之一。本船化解此挑戰采取的措施有：

1) 建立完善的空船重量控制體系。在重量控制體系中，明確訂貨、設計、建造等各階段的管控要點和職責分工，以有的放矢并及時預警；在重量預估體系中，建立系統和整船雙級余量預估體系；在重量報告更新體系中，明確標記數據來源和變更歷史，使來源可靠、履歷清晰，為科學決策提供理論依據。

2) 推進各種減重方案論證。在設計建造過程中進行4輪100多項減重措施論證，涵蓋眾多新設計、新工藝和新材料運用，最終采納51項經濟可行的減重方案，有效化解重量和重心超標的風險。

3) 建立輕量化設計施工標準。借鑒國內外先進的客船設計建造經驗，經過仔細論證和分析提煉，形成一整套適用于客船的設計施工新標準，確保輕量化設計施工貫穿始終。

1.4 結構設計挑戰與應對措施

客滾船的結構形式復雜，高應力區和疲勞熱點遍布全船，結構與各專業接口多、協調復雜，重量控制敏感度和減振降噪要求高。因此，結構設計難度大、風險高是客滾船重大技術挑戰之一。本船化解此挑戰采取的措施有：

1) 系統梳理結構與各專業設計接口，主動協調、充分兼顧各專業訴求，以高效地固化結構設計。

2) 在制訂結構修改方案時，除了考慮結構強度和剛度以外，還綜合考慮重量優化、減振降噪、局部變形和功能使用等因素，保證方案合理準確，避免反復修改。

3) 充分運用全船結構分析優化結構設計。波浪載荷由直接計算獲得，減小環境載荷可有效減小構件的尺寸；通過有限元分析對主要構件的尺寸、關鍵連接節點和高應力區域進行優化，優化重量，控制風險。

1.5 減振降噪挑戰與應對措施

本船對舒適性和設備安全有嚴格的要求，不僅有COMF(V2) 入級符號對船內舒適度的明確要求，而且靠碼頭時對外部噪聲輻射有明確要求，還有VIBR入級符號對設備基座振動的明確要求。同時，由于振動噪聲預報和實測可能存在偏差，因此減振降噪是客滾船重大技術挑戰之一。本船化解此挑戰采取的措施有：

1) 仔細梳理振動噪聲預報的輸入條件，如船體結構剛度和振動噪聲激勵源等，以提升預報精度，使振動噪聲預報盡量與實船情況相符。

2) 全程跟蹤預報輸入條件的更新和輸出要求的落實。對于主機、輔機和風機等激勵源，消音器、內裝板和彈性吊架等減振降噪阻尼，根據實際訂貨，及時更新；對于要求增加的甲板阻尼、支柱結構和結構加強等，嚴格落實，確保減振降噪效果。

3) 仔細消化振動噪聲測量要求，提前安排各項內部測試和風險排查，并通過經驗分析和理論計算對個別不達標項進行事先整改，一次性通過所有振動噪聲測試。

1.6 滾裝設備挑戰與應對措施

客滾船為加快碼頭裝卸貨速度，一般采用雙層同時裝或卸的方式，且能艏進艉出、艉進艏出，避免船舶和貨車掉頭，因此船上一般設有艏門，該設備是客滾船的標志性設備。艏門的設計與建造面臨著結構設計復雜、施工區域狹窄、建造工藝復雜和安裝調試困難等難點，是客滾船重大技術挑戰之一。本船化解此挑戰采取的措施有：

1) 詳細考察港口設施，確保船用滾裝設備與碼頭設施匹配；在設計中，充分利用3D模型核查滾裝設備與結構之間的接口，提前發現干涉問題，消除風險。

2) 密切協調設計院的船體結構設計和廠家的滾裝設備設計，尤其是及時發現雙方的有限元分析所采用的鎖緊點彈性系數相差1個數量級，導致鎖緊力結果差異巨大，及時協調雙方更新計算，避免重大返工。

3) 攻克一系列滾裝設備制造和安裝工藝難題，尤其是艏門3D割縫工藝(要求不大于10 mm)和扭曲橡皮條安裝工藝等，實現艏門的制造和安裝一次性達標。

1.7 內裝工程挑戰與應對措施

客船內裝工程量巨大，是客船設計建造的核心，也是重大技術挑戰之一。本船化解此挑戰采取的措施有：

1) 創新項目管理模式。

在初期經過充分調研之后，戰略性決定與德國專業內裝公司成立合資公司，采取內裝區域集中管理模式，確保項目取得成功。這種設計管理模式的優勢在于：

(1) 內裝大包采用公司制管理，能確保項目進度、質量和成本達到最佳平衡；同時，利用國外總包公司先進成熟的管理模式、系統和技術，將其與本土團隊相結合，能在較高起點上開展項目實施。

(2) 各方形成項目利益共同體，內裝大包供應商既能代表船廠與國外船東和藝術設計師溝通內裝設計，又能順暢地與船廠技術團隊完成背景工程與內裝工程的協調，還能以設計和工藝為龍頭發展國內供應鏈，開發出符合歐洲品質標準的配套產品，從而降低建造成本。

(3) 首制船在國外技師的現場指導下，通過詳細的施工圖紙，讓本土工人打造出具有歐洲品質的產品。

2) 創新技術管理模式。

(1) 在內裝基本設計階段，既考慮表面的藝術呈現，使乘客擁有良好的乘船體驗，又考慮背后的技術設計，滿足規范規則的要求，通過不斷協調藝術設計師的藝術設計與設計公司的技術設計，保證雙方圖紙的一致性，實現藝術與技術協調統一;

(2) 在內裝詳細設計和生產設計階段，各方采用全程3D一體化設計，實現全球設計資源協同，保證船舶背景工程與內裝工程交界面接口準確，確保材料訂貨和施工計劃全面順利展開;

(3) 建立船東供品技術管理體系，全面梳理各設備的風水電氣需求和接口信息時間訴求，將多而雜的船東供品管理得井井有條。

1.8 推進系統挑戰與應對措施

推進系統是客滾船的核心系統，其可靠性對于班輪而言至關重要，是客滾船設計建造的核心挑戰之一。本船化解此挑戰采取的措施有：

1) 優化機艙布置。綜合考慮推進系統冗余和破艙穩性要求，采用前后機艙布置。機艙長度較短，空間狹窄。一方面對安全返港系統的設計原則(分隔、雙套、冗余和保護等)進行優化，減少設備配置，簡化系統管路；另一方面對機艙進行綜合布置優化，妥善布置設備和優化管線路徑，實現機艙最優化布置。

2) 攻關長軸系安裝工藝，消除軸系橫振風險。在設計中，及時發現設計公司的V型架和I型架剛度與廠家的假定剛度相差1個數量級的問題，通過詳細計算和仔細論證，排除共振風險。最終軸系運行狀態良好，振動和噪聲均未超標，且軸系效率較高，單槳模式下的船速(18.5 kn)就超過了運營航速(18.0 kn)。

1.9 空冷通設計挑戰與應對措施

與其他船型相比，客滾船貨艙區機械通風與上層建筑區域空調通風有其獨特的特點。

與貨滾船相比，客滾船的貨艙通風風道雖然也常藏于舷側強肋骨間，但存在很大不同：風道截止于居住區域下方，無法布置大型的風機房；艏部風道均位于角落處，空間狹小；受客船破艙穩性的影響，下貨艙進風口橫穿至船中，管道曲折。客滾船貨艙通風具有無風機房、空間狹小和管道曲折的特點，導致風機效率低、管道風阻大、風機功率大、風機噪聲高。為保證舒適性，需加長消音器，導致壓降進一步惡化，風機功率進一步加大。大的風機、長的消音器與狹小空間存在嚴重干涉，需妥善解決。

與郵船不同，客滾船的客艙多為4人標間，使用風機盤管并不能顯著降低新風量，因此大部分客滾船采用全新風系統，導致空調通風量巨大，進而導致進出風風道大，噪聲高，很難實現空調機室分布式布置，更多是在頂甲板分主豎區集中布置，這會導致風管數量多，需分上、中、下等3層布置，給空間布置帶來挑戰。

本船化解空冷通技術挑戰采取的措施有：

1) 在整個設計流程中多次進行計算和迭代，最終優化平衡。首先根據預估的風機壓力對風機進行初選型；然后根據風機噪聲參數對消音器進行初選型；接著根據生產設計模型進行壓降力計算，調整風機型號；隨后重新進行噪聲計算，調整消音器型號；最后核算壓降和噪聲，直至所有指標都在要求的范圍內。考慮到不可控風險，建議風機壓力有15%～20%的余量，噪聲有3～5 dB的余量。

2) 在空調風管布置中，采用詳細設計與生產設計一體化建模，優化風管路徑，減少設計施工工作量。

3) 大量運用橢圓風管，提高梁上減輕孔的利用率，減少結構修改量和環繞，縮短風管長度。

1.10 安全返港設計挑戰與應對措施

客船安全返港的法規要求只是一個目標性標準，并無詳細的描述性指導準則可用于具體設計中，加上安全返港設計從概念設計開始，貫穿設計、建造、調試和驗證全過程，是一項龐雜的系統工程，如何滿足安全返港要求成為客船新造船項目的重點難題之一[4]。本船化解此挑戰采取的措施有：

1) 在概念設計階段，提前考慮安全返港的設計策略。在此階段側重于規劃各類處所的基本布局并選擇安全區域，規劃重要系統管道/電纜主干路徑和設備布置方案，同時著重消化法規要求，并與船級社和船旗國溝通確認有無特殊要求。

2) 在基本設計階段，根據設計策略確定各系統的設計原則。該階段的關鍵是制定各安全返港系統的設計原則，說明本系統是如何實現故障備份和系統冗余的。

3) 在詳細設計階段，需把設計原則落實到每個系統的詳細設計中。該階段的關鍵是對詳細設計圖紙和安全返港文件進行相互印證和修改調整，建立安全返港模型并進行風險分析。

4) 在生產建造階段，主要跟蹤船東和船檢的意見、工藝改進等產生的修改。該階段需特別注意施工部門未按圖施工導致的施工路徑與放樣路徑不符的情況。

5) 在調試驗證階段，需確保設備和系統的各項功能順利實現，并分事故場景進行模擬丟失試驗，驗證實際場景與風險分析結果的一致性。該階段正式報驗時有船東、船檢和船旗國參與，需確保一次成功。

本船安全返港涉及19個系統、約4 000根電纜，通過有效管控，實現了一次通過所有檢驗。

2 結 語

本文選取客滾船設計建造過程中的十大技術挑戰，簡述了挑戰成因。同時，簡述了：通過線型優化，化解快速性挑戰；通過解決橫貫進水，化解破艙穩性挑戰；通過建立控制體系，化解重量控制挑戰；通過精準協調，化解結構設計挑戰；通過有效管控，化解減振降噪挑戰；通過工藝攻關，化解滾裝設備挑戰；通過管理創新，化解內裝工程挑戰；通過優化設計，化解推進系統挑戰；通過迭代優化，化解空冷通挑戰；通過技術管控體系，化解安全返港挑戰。