400000 DWT礦砂船總體設(shè)計淺談

白紹雋 陳 剛

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 200032)

0 前言

近幾年，以鐵礦石為主的散貨運輸需求的旺盛帶動了大型礦砂船和散貨船建造市場的異?；钴S。上海船舶研究設(shè)計院自2007年起開始研發(fā)目前世界上最大載重量的400000 DWT礦砂船，經(jīng)過一年多的前期開發(fā)及與船東的多輪艱苦談判，2008年8月船東與船廠正式簽定建造合同。

1 主要尺度及參數(shù)

400000 DWT礦砂船是巴西淡水河谷自己籌資建造符合自己使用要求的中國最大型礦砂船（CHINAMAX），主要為巴西出口至中國的鐵礦石運輸服務(wù)。對于超大型礦砂船來說，載重量越大，則經(jīng)濟性越好。而船的主尺度主要取決于輸出和輸入港的航道、港口水深、碼頭條件等因素。

淡水河谷的礦石碼頭主要有兩個——圖巴朗港和PDM港。巴西港口對船舶尺度的限制，見表1。圖巴朗港最大吃水約23 m（20 m+潮高），由水線到貨艙蓋頂?shù)拇翱諝獬运?6 m。PDM港最大吃水23 m，空氣吃水 22.4 m，裝載機最大臂長約 46.3 m。

卸貨港以曹妃甸首鋼礦石碼頭為參照，碼頭泊位要求船舶總長不超過360 m，航道水深要求吃水22 m～23 m。

本船的型深主要取決于碼頭前沿的水深和碼頭裝卸設(shè)備所允許的空氣吃水，當然也必須滿足國際載重線公約的要求。對于超大型礦砂船，由于貨物密度大，要求的貨艙容積小，沒有必要采用較大的型深，可以采用比B型干舷小的干舷，即B-60型或B-100型干舷來核定型深。由于PDM港要求空氣吃水較小，需要合理的控制型深；同時，由于本船尺度非常大，雖然超大型礦砂船滿足國際載重線公約要求的船首最小高度沒有困難，但是首部儲備浮力對超大型船舶要求過高，綜上考慮，采用B-100型干舷比較適合，這樣相對B-60干舷，型深可以減少0.8 m，首樓高度可以減少1 m。

表1 巴西港口對船舶尺度的限制

綜合考慮了港口航道、碼頭和規(guī)范對尺度的限制后，400000 DWT礦砂船的主要尺度參數(shù)取為：

由于400000 DWT礦砂船是目前世界上噸位最大的船舶，長度超過了350 m，船寬達65 m，長寬比僅5.43，非常肥大，給設(shè)計工作帶來許多難點。經(jīng)過設(shè)計者的努力，關(guān)鍵技術(shù)問題都得到了很好的解決。

2 船舶線型研究

2.1 快速性研究

本船合同要求的快速性指標：

合同要求在設(shè)計吃水22.0 m、主機CSR功率、15%海上儲備、無風無浪時航速不小于14.8 kn。

400000 DWT礦砂船為超大型且特別肥大的船型，在主尺度的限制下，載重量達到400000 DWT是非常困難的，為此需要盡量加大方形系數(shù)。本船L/B小、方形系數(shù)大，線型設(shè)計是需要重點解決的問題之一。

為了達到預(yù)定的載重量和航速，在原有優(yōu)秀超大散貨船線型的基礎(chǔ)上，采用了垂直型船首，適當加大了首部線型肥胖度；對尾部線型則保持流線的平順以提高推進效率，從而達到良好的快速性。同時利用CFD程序進行了多方案線型設(shè)計優(yōu)化，選取最優(yōu)的方案進行船模試驗，在MARINTEK的試驗表明，快速性是很好的，航速達到了預(yù)期目標，在設(shè)計吃水時服務(wù)航速達到14.87 kn。

2.2 操縱性研究

本船屬于典型的肥大粗短的超大船型，其操縱性特征表現(xiàn)為“回轉(zhuǎn)性尚可，但航向穩(wěn)定性與應(yīng)舵性差”。本船的操縱性必須滿足IMO MSC.137（76）決議——“船舶操縱性標準”。 所謂航向不穩(wěn)定的船，是指在直航中當受到外力作用從原航向偏轉(zhuǎn)時，即使取消了外力，或給以相反方向的外力，船的偏轉(zhuǎn)也很難停下來，這樣的船對操舵的應(yīng)舵性也差。在港內(nèi)低速前進時，其航向穩(wěn)定性和操縱性會進一步下降。本船如何滿足MSC.137（76）的要求也是一個技術(shù)難點（L/B小、Cb大），從初步船模操縱性試驗結(jié)果來看未能滿足IMO要求。經(jīng)過嘗試不同的首尾線型組合及不同的舵葉線型，最終確定以不改變船體線型為前提，通過在船尾加裝穩(wěn)定鰭、增加舵面積、結(jié)合高效舵線型、在底部安裝止流板等方法，來改善操縱性，并最終通過試驗得到了很好的驗證，詳見表2。

2.3 耐波性試驗分析

從巴西到中國路途遙遠，途經(jīng)大西洋、印度洋及太平洋，海況復(fù)雜。船東為了盡量減少船舶在波浪中的阻力，見圖1。降低油耗產(chǎn)生的航運成本，要求在本船的設(shè)計中進行耐波性分析，包括試驗和計算分析。內(nèi)容包括進行在規(guī)則波上頂浪、斜頂浪、橫浪、尾斜浪和隨浪試驗以及按照本船所經(jīng)航線上各水域不規(guī)則波譜進行不規(guī)則波試驗，并按線性和非線性理論進行附加波浪阻力計算。MARINTEK試驗及對結(jié)果的計算分析證明，本船L/B小、方形系數(shù)大、直鼻首等特點的非常規(guī)線型在風浪中的性能與常規(guī)線型并無大的區(qū)別。

圖1 巴西至中國航線波譜圖

3 總布置的設(shè)計和優(yōu)化

3.1 貨艙形式及裝卸貨的優(yōu)化

本船的船東對裝卸貨效率有非常高的要求。對裝貨過程提出了單艙裝載——即在貨艙裝載過程中，全部完成了某個艙的裝載之后再進行其他艙的裝載，直到全部貨艙裝滿。這樣做可以有效減少裝貨機移動時間，提高裝貨效率，但是也對船體結(jié)構(gòu)強度提出了更高要求，給設(shè)計帶來了很大的難度。 目前，淡水河谷礦石碼頭的裝貨機的裝貨速度已經(jīng)達到了16000 t/h，也就是在短時間內(nèi)單個貨艙就會堆積大量貨物。一方面要保證結(jié)構(gòu)上局部強度和船體總縱強度不超過規(guī)范許用值，另一方面又要保證整個船舶的浮態(tài)不會超過吃水和空氣吃水，同時還要保證壓載水的及時排空，避免延遲裝載。綜合以上各個因素的考慮，運用統(tǒng)籌學(xué)原理，最終得到了最優(yōu)的裝貨與排壓載水之間的排列組合?？偛贾脠D見圖2。

表2 操縱性試驗初步結(jié)果

圖2 400000 DWT“CHINAMAX”總布置圖

提高卸貨效率最有效的方法就是盡量減少貨艙死角。本船的設(shè)計中主要采用以下兩個方法減少死角：1）增大貨艙艙口，一個貨艙設(shè)一個艙蓋，這樣使得單個貨艙蓋的面積超過600 m2，是目前世界上最大的單艙艙蓋；2）減小貨艙底面積，設(shè)置大傾斜角的縱艙壁，本船縱艙壁傾斜角達到了77°，同時在每個貨艙前后端設(shè)置大跨度底墩。

通過這兩個方法，使得貨艙開口的面積占到貨艙底面積的85%，第一艙和第七艙甚至已經(jīng)超過了100%，大大減少了卸貨死角。使用這種非常規(guī)設(shè)計，極大地方便了船東的營運，但對貨艙段的結(jié)構(gòu)設(shè)計、艙口蓋的布置都帶來了很大的挑戰(zhàn)。

3.2 壓載水的合理配置

在壓載水處理要求生效日益臨近的背景下，設(shè)置過多的壓載水勢必在以后會增加船東在壓載水處理上的成本支出。本船在開發(fā)設(shè)計之初就考慮到了這個問題，結(jié)合壓載水艙數(shù)量的設(shè)置、艙室的劃分和布置。經(jīng)過上百種方案的計算比較，最終確定把第二和第六貨艙段的邊艙設(shè)置成空艙，而未采用全部設(shè)置壓載水艙的方案，有效地把本船的壓載水總量控制在190000 m3左右，遠遠低于同類型礦砂船的壓載水量——如，388000噸級礦砂船全部邊艙用于壓載艙，其壓載艙總量為280000 m3。而在此壓載狀態(tài)下，船舶的浮態(tài)也是合理的。 壓載水量的減少，一方面可以縮短排放和灌注壓載水的時間，減少壓載水處理量，降低能耗，另一方面也可滿足巴西港口裝礦高速率的要求（裝礦速率為16000 t/h）。

3.3 破艙穩(wěn)性的計算分析

本船采用B-100型干舷，所以按載重線公約B-100型干舷的要求計算任意兩艙破損后的破艙穩(wěn)性。SOLAS新的修正案對2009年1月1日以后新造船生效，在分艙部分提出：船舶設(shè)置雙層底應(yīng)達到兩舷，如果雙層底沒有達到兩舷，則必須計算證明沒有雙層底保護的艙室破損以后也能滿足SOLAS的要求。這對于礦砂船破艙穩(wěn)性計算影響很大，需要在破艙穩(wěn)性計算中考慮兩個壓載艙及雙層底空艙的同時破損，進水量非常大，對穩(wěn)性非常不利。在設(shè)計中經(jīng)過對雙層底空艙水密艙壁位置的仔細調(diào)整、計算，發(fā)現(xiàn)設(shè)置全通的空艙反而比設(shè)置水密艙壁更容易滿足破艙穩(wěn)性。

4 結(jié)語

400000 DWT超大型礦砂船被船東命名為 “中國最大型”（CHINAMAX），它的研發(fā)成功，標志著我院超大型礦砂船的設(shè)計能力又上了一個新臺階。此系列第一艘船已于2009年9月開工，預(yù)計2011年3月將正式交付船東使用。