圭亞那型2 300 TEU集裝箱船優化設計

任奕舟，王彩蓮，張維毅

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

長期以來，受限于居高不下的雙邊關稅壁壘，南美與歐洲之間的貿易往來持續低迷。自南美洲南方共同市場組織與歐盟自由貿易協定[1]正式生效后，這兩大區域將組成世界上最大的自由貿易區。此前，受貿易需求和南美東北部港口、航道吃水限制，該航線上運營的集裝箱船普遍為1 500 TEU以下的小型集裝箱船，近幾年來，隨著雙向貿易持續回暖，該航線上先后涌現出了1 700 TEU和2 100 TEU級集裝箱船。2 300 TEU集裝箱船，適應該航線淺吃水等特定要求，在船體尺度、裝箱數、冷箱數等層面較上一代圭亞那型集裝箱船進一步提升。

1 航線和船型特點

2 300 TEU集裝箱船運營“歐洲—加勒比—圭亞那—巴西”航線(見圖1)(以下簡稱“歐洲—加勒比—南美北部”航線)。南向航線主要承運歐洲工業制品；北向航線主要承運拉美農產品和畜牧產品，部分季節冷藏集裝箱運載數占比超過總運載箱數的1/3[2]。該航線停靠的加勒比和南美東北海岸港口基礎條件有限，航道狹窄水淺，對船舶的港口適應性要求較高。

圖1 “歐洲—加勒比—圭亞那—巴西”航線

2 300 TEU集裝箱船為鋼質單甲板、單槳、低速柴油機推進，無限航區的集裝箱專用運輸船，設有直立型船艏，5個貨艙，方艉，生活樓、駕駛室及機艙居艉部，甲板上配置3臺吊機，入BV(法國船級社)船級。貨艙內設3層高箱、3層標箱平臺，高箱和標箱可按任意順序靈活裝載。全船總箱位數2 296 TEU，設有600個冷藏集裝箱插座。除傳統的20 ft和40 ft集裝箱外，甲板還可裝載45、48、53 ft集裝箱。重箱(平均14 t)裝載1 650 TEU，占總箱數的72%。所有貨艙和甲板以上均可裝載危險品。

2 船型設計關鍵技術

2.1 航線特征匹配設計

針對停靠的部分港口基礎設施較有限的特點，配備3臺甲板吊機，覆蓋全船所有箱位，裝卸貨不需要岸吊輔助。為合理利用吊機的覆蓋范圍，采用艉機型布局，所有甲板上箱位均布置在上層建筑之前。與傳統的中艉機型布局相比，上建之后沒有箱位，無需布置吊機，整體布置更經濟、合理。

航線中部分港口受水文條件限制，航道狀況復雜。部分航道狹窄，且吃水較淺。加之由于港口裝卸貨自動化程度較低，速度較慢，航道中船舶較為擁擠。考慮到上述因素，配置艏艉2個側推器。與傳統舵系操縱相比，艏艉側推器在狹窄航道、近岸航區等限制水域的操縱性能更為靈活，提高了本船在港口航道中的操縱性。

鑒于北向航線主要承運水果、畜牧產品等易腐產品，本船配置了600個冷藏集裝箱插座。為配合冷藏集裝箱的使用，貨艙底設置縱貫式污水井，從而可在不同船體姿態下均充分收集冷藏集裝箱產生的冷凝水。

2.2 水動力優化

2.2.1 優化工況選取

集裝箱船的實際營運工況(吃水、航速)與航線方向、季節更替、停靠港口限制、貿易需求等緊密相關，在其全運營周期的不同時段內，吃水和航速區別非常大。為力求使優化結果貼近營運實際狀態，本船線型優化不僅關注合同航速下的性能，還收集了目前營運于目標航線主要的近似尺度集裝箱船的吃水與航速比例數據，構成預估的營運工況比例,見圖2。

基于預估的營運工況，選取其中占比例較高，具有代表性的工況，優化多吃水、多航速下典型工況的性能，從而優化本船全運營周期內的能耗。由圖2可見，T1/V2、T1/V3、T2/V3三個工況占比較高，合計預估營運時間比超過90%。因此，優化工況以上述3個工況為主，同時兼顧合同航速工況(T3/V4)。

圖2 預估營運工況比例

2.2.2 艉部優化

對艉部線型，采用CFD計算的方法，分別評估艉部浸沒、U型變化、V型變化和艉球形狀對各營運工況水動力性能的影響。以艉部浸沒為例，控制其他優化元素不變，根據5種浸沒率生成5個艉部線型見圖3，分別計算這5個線型在3個目標優化工況下的功率P1、P2和P3，按營運時間比例，對3個工況下的功率進行加權平均，分別得到這5個線型在3個工況下的加權平均功率Pw。

圖3 艉部線型特征變化

Pw=P1·W1+P2·W2+P3·W3

(1)

式中：W1，W2，W3依次為3個優化工況的運營時間比例。

以Pw作為評判指標，比較艉部浸沒的影響。Pw越小，即代表水動力性能越優異。以此類推，進行各優化元素的橫向對比。

經過計算評估，減小艉封板浸沒和艉球寬度可改善水動力性能，V型變化相比U型變化更有利于性能優化。對上述元素分別選取對應加權平均功率Pw最低的參數，將其組合后生成優化后的艉部線型，計算驗證顯示，艉部優化結果相比初始設計加權功率下降1.7%。

2.2.3 艏部優化

對艏部線型，評估常規球鼻艏、帶隱形球艏的直立艏和常規直立艏3個方案，見圖4。

圖4 艏部線型變化

初步計算結果顯示，常規直立艏在淺吃水區間優化結果優異，但在設計吃水處阻力性能欠缺，無法滿足合同航速要求。因此后續對常規球鼻艏和帶隱形球艏的直立艏進行進一步優化。

分別對球艏(隱形球艏)的高度和寬度進行系列變化，生成相應的艏部線型，評估其對阻力性能的影響，方式與艉部優化類似。最終比較結果顯示，適當加寬、降低的帶隱形球艏的直立艏阻力性能最優。將其與已優化完成的艉部線型結合，完成進一步驗證。

2.2.4 線型優化結果和驗證

最終的線型優化以3個典型工況的結果加權平均。相較初始線型，綜合各營運工況，平均可優化4.0%，合同航速處可優化3.2%。

船模試驗驗證，線型預報航速與上述結果相符。本型3艘實船實測航速平均為20.2 kn，在同級別船中快速性優勢突出。

為進一步評價整體優化效果，采用綜合優化評價指標——每箱每海里能耗指數[3]J，進一步對線型優化結果進行橫向對比。

J=PD/(nTEU·V)

(2)

式中：PD為收到功率，kW；nTEU為14 t裝箱數；v為航速，kn。該指數在傳統評價指標的基礎上融入了“裝箱數”這一貼近集裝箱船營運實際的裝載指標，反映的評價信息更貼近實際需求。本船能耗指數J為0.38，比同航線2 100和1 700 TEU分別低7.7%和30.5%，能耗優勢明顯。

2.3 縱傾優化

縱傾優化是指通過調整船舶的縱傾，使船舶在某些特定航態下減小船舶阻力，從而減少能耗。該優化方式不增加額外的節能裝置，也不需要改變船體構造，可以在不降低船舶載貨量和降低航速的前提下節約能耗。

以模型試驗的方式進行縱傾優化分析。試驗分4組，每1組試驗中平均吃水不變，分別調節船模的縱傾，測定船模在相同吃水、不同縱傾下，功率與航速的相對關系。再依次比較不同縱傾對功率的影響。試驗縱傾及吃水見表1。

表1 不同吃水條件下的縱傾試驗值 m

試驗結果見圖5(以平吃水為基準)。

圖5 縱傾優化結果

在9.5 m和7.5 m平均吃水下，適當艏傾可減小所需功率約4%～7%不等，而艉傾會導致所需功率上升；在8.5 m和6.5 m平均吃水下，艏傾和艉傾均會導致所需功率上升。該結果可為實際運營縱傾調載提供參考。

2.4 縱傾范圍拓展

按照集裝箱船設計慣例，縱傾涵蓋破艙計算3吃水縱傾±0.05Ls范圍(如圖6中的“基礎縱傾范圍”)。這樣的縱傾范圍可保障船舶的基礎配載和航行需求，但尚存在一定缺陷。首先，基礎縱傾范圍僅涵蓋0.1Ls，縱傾帶寬比較狹窄，對于集裝箱貨物裝載，尤其是多港口貨物調載產生了限制；其次，較為有限的縱傾范圍限制了縱傾優化成果的轉化，無法調整到能耗最優的浮態；再者，基礎縱傾在淺吃水區間艉傾較大，不符合圭亞那型集裝箱船停靠的各港口的吃水要求。

圖6 縱傾拓展范圍

基于上述因素，將縱傾范圍適當拓展，滿足結構吃水和中間吃水下縱傾-3～2 m，6.0 m以上平吃水。進行縱傾拓展過程中，以1%Ls為步長，生成不同縱傾的初始工況，使上述生成工況涵蓋的縱傾范圍(±0.05Ls)相互連接，再計算上述所有初始工況下的破艙穩性，從而滿足縱傾拓展要求，可豐富營運過程中裝載的便利程度。近期各類船型，多個項目中，都有船東提出類似縱傾拓展的需求，未來有發展為優化方向的趨勢。

2.5 窄邊艙設計

為了最大限度挖掘貨艙內裝箱能力，采用窄邊艙設計，貨艙內可裝載12列標準集裝箱，比同型寬常規設計多1列，與艏艉貨艙處線型優化成果相疊加，艙內箱位與近似主尺度、方形系數的箱船相比平均高10%。

與此同時，窄邊艙設計也有挑戰。根據BV規范[4]，貨艙開口寬度與型寬之比大于0.7,即為大開口型船，而本船該比值達到了0.91，已與超大型集裝箱船20 000 TEU級別的數值相當。由此，船舶上半部分結構剛度較差，艙口圍角隅、主甲板角隅等區域應力集中，容易產生疲勞問題。為此，采用負角隅形式(見圖7)，并在保障箱位設計的基礎上適當增大角隅半徑，改善了角隅的疲勞強度。

圖7 典型負角隅

除了結構疲勞外，窄邊艙設計對舷側綜合布置也有更高的要求。鑒于邊艙寬度僅1.4 m，甲板上艙口圍頂板外側到舷側的距離不到1m。為保障AMSA要求的通行所需的600 mm空間，對引水員斜梯進行特別設計，將其所占寬度壓縮，并取消所處位置的箱柱，從而滿足通行空間的要求。

二甲板舷側通道的布置同樣頗具挑戰。對于常規的支線集裝箱船，冷箱配電箱和風機啟動器一般布置在舷側通道內。本船由于舷側通道狹窄，空間無法滿足常規布置的要求。通過優化內部設計，合理統籌分配，適當增加配電箱的數量，從而盡可能壓縮單個冷箱配電箱的厚度，使其滿足通道內600 mm的通行空間需求。與冷箱配電箱相比，風機啟動器由于初始體積更為龐大，布置困難更為突出，單純壓縮厚度已無法滿足通道的寬度要求。經過綜合考慮，將風機啟動器移位布置在水密艙壁中燃油艙頂部的區域。由于下方燃油艙使用時溫度較高，在燃油艙頂部增設了隔離空艙，并在該區域設置機械通風，保障風機啟動器的正常工作。

2.6 振動和噪聲控制

本船屬艉機型總布置，型深低，吃水淺，貨艙開口比大，高強度鋼比例大，這些因素使得船體剛度下降。另一方面，本船在近似尺度集裝箱船中航速、主機功率和螺旋槳轉速偏高，螺旋槳與上層建筑距離較近，上述因素均對本船振動控制存在不利影響。

為控制振動風險，建立本船的三維有限元模型，進行全船自由振動和受迫振動分析，計算壓載工況和滿載工況下的振動響應。計算結果顯示，上建部分點位存在一定超標隱患。為此，對上建局部圍壁位置進行調整，使舷側艙壁盡量保持垂向對齊，增加局部圍壁板厚。見圖8，盡量將功能間布置在下層甲板，將住艙布置在上層甲板。右舷在住艙和機艙棚之間設置隔離空艙，限制機艙棚產生的振動和噪聲傳播；左舷利用梯道，起到與隔離空艙近似的減振降噪功能。試航過程中，對上層建筑和機艙中的55個振動測試點的振動響應進行了測量，全部滿足ISO 6954:2000(E) 的要求。

圖8 上建橫剖面示意

本船須滿足海安會MSC.337(91)決議通過的《船上噪聲等級規則》。相較于原噪聲規則IMO A.468，該規則對船舶居住處所的噪聲級限值降低了5 dB(A)，對整體噪聲控制提出了更高的要求。本船上層建筑位于艉部機艙正上方，由于型深較低，噪聲源與上建艙室距離較近，加之主機功率較高，存在噪聲超標的風險。因此，基于能量有限元法進行主要艙室的噪聲預報分析。結果顯示，A甲板醫務室預計噪聲58 dB(A)，超出限值3 dB(A)，主要的噪聲來源為機艙主機、發電機等設備傳遞而來的結構噪聲。由于功能性限制，無法調整醫務室的布置位置，故考慮在甲板上表面敷設浮動地板，在圍壁及天花板處敷設隔聲阻尼材料，控制結構噪聲傳遞。經過實船試航驗證，醫務室實測值小于55 dB(A)，滿足規范要求。

3 船型對比

2 300 TEU集裝箱船目前已投入運營，反饋良好。與該航線的同時期船型(2 100 TEU)和傳統船型(1 700 TEU)進行主要性能的對比，見表2。

表2 “歐洲—加勒比—南美北部”航線主要集裝箱船性能對比

與“歐洲—加勒比—南美北部”航線的主要船型相比，在滿足淺吃水等特定要求的基礎上，2 300 TEU在裝箱數、冷箱數、航速、能耗指數等多項性能指標[5]優秀。

4 結論

可見，為“歐洲—加勒比—南美北部”航線訂制的新一代圭亞那型2 300 TEU集裝箱船，能耗指標領先；在契合航線港口淺吃水要求的前提下，裝箱數、冷箱數、均箱數等指標較之該航線已有船型較大提升，成為該航線上極具競爭力的新一代船型。