無壓載水艙船型開發(fā)和前景分析

顧 雅 娟

（中國(guó)船級(jí)社上海審圖中心，上海 200135）

0 引 言

由于運(yùn)營(yíng)船舶壓載水艙中的海水排放，引發(fā)了外來生物入侵的問題。不清潔的壓載水已被國(guó)際環(huán)境保護(hù)委員會(huì)列為海洋污染的四大危害源之一。全球每年排出的壓載水大約有100億噸左右，壓載水及其沉淀物的無控制大量排放對(duì)環(huán)境、人體健康、財(cái)產(chǎn)和資源造成嚴(yán)重危害[1]。為此，國(guó)際海事組織（IMO）制定了《2004年船舶壓載水及沉積物控制和管理國(guó)際公約》（簡(jiǎn)稱“壓載水公約”）以及相關(guān)實(shí)施導(dǎo)則。

隨著壓載水公約生效期的日益逼近，壓載水管理系統(tǒng)（BWMS）的研制受到關(guān)注。然而由于港口國(guó)對(duì)運(yùn)營(yíng)船舶壓載水的取樣分析方法與BWMS認(rèn)可方法存在不一致，極有可能壓載水雖經(jīng)BWMS處理，但仍在港口國(guó)取樣檢查時(shí)不符合壓載水排放性能標(biāo)準(zhǔn)（D-2標(biāo)準(zhǔn)）。船東期待的是有否壓載水處理的替代方法。

1 無壓載水艙船型的開發(fā)

傳統(tǒng)船舶的壓載水艙具有兩大缺陷：1) 船舶空載時(shí)必須攜帶大量壓載水，使排水量大幅增加，主機(jī)的油耗也必然會(huì)大幅增加；2) 壓載海水在目的港直接排放，引發(fā)了外來生物入侵的問題。

為了解決壓載水帶來非本土水生物種的問題，國(guó)外一直在研究壓載水處理的替代方法，如：壓載艙內(nèi)裝淡水、溢流式壓載系統(tǒng)等。近年來無壓載水艙船型的開發(fā)極具創(chuàng)意并已取得了成效。

1.1 貫通流船體

美國(guó)密西根大學(xué)米歇爾·帕森思（Michael Parsons）博士于2004年在美國(guó)造船與輪機(jī)工程師協(xié)會(huì)年會(huì)上發(fā)表論文，專門談到了無壓載水艙船舶[2]的項(xiàng)目設(shè)計(jì)課題，并且特別討論了貫通流船體（Through Flow System Hull）技術(shù)[3,4]。所謂貫通流船體，就是用來替代傳統(tǒng)型壓載水艙的水線以下的縱向結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)思路是取消壓載水艙，代之以兩條可以打開的大型管道即水流箱。當(dāng)船舶空載航行時(shí)，將大型管道的前后蓋打開，海水就從船首進(jìn)口處涌入，再迅速地從船尾排水口排出，保持船舶平衡，從而起到減少船舶浮力、增加吃水和減輕載荷的作用；當(dāng)船舶載貨航行時(shí)，關(guān)上前后蓋并將海水放掉，此時(shí)的大型管道又起到增加浮力的作用。這種設(shè)計(jì)概念，利用船首和船尾進(jìn)出口水流的不同壓力，控制貫通水流箱的水流速度。而在貫通流水流箱內(nèi)穿越而過的海水始終是當(dāng)?shù)睾Ｓ蛑械暮Ｋ?，基本上不?huì)把海水從一個(gè)地方帶到另一個(gè)地方，從而滿足IMO有關(guān)海洋環(huán)境保護(hù)的規(guī)定。

美國(guó)密西根大學(xué)成功研發(fā)出的這種無壓載水艙貨船模型，經(jīng)水動(dòng)力試驗(yàn)研究結(jié)果表明，這種船舶不僅能保持良好的穩(wěn)性，而且由于船底安裝的兩條大型管道中海水自前向后流動(dòng)，水流對(duì)螺旋槳推進(jìn)器可起到有助于加速旋轉(zhuǎn)的作用，能提高航速并達(dá)到節(jié)省燃油和減排的目的。試驗(yàn)結(jié)果還表明，這種船型最多可以節(jié)省73%的船舶動(dòng)力。

貫通流船體的最大缺點(diǎn)是盡管采用了貫通流系統(tǒng)，但還得保留部分傳統(tǒng)的壓載水艙。目前研究人員正在集中力量攻克這個(gè)難關(guān)，盡量減少船舶所載運(yùn)的封閉壓艙水量，盡量擴(kuò)大貫通流壓載水艙的功能。帕森斯博士指出，通過進(jìn)一步改進(jìn)流體動(dòng)力設(shè)計(jì)，這些問題大部分都可以得到解決。

1.2 V型船體

日本研究機(jī)構(gòu)提出的V型船體（V-Shaped Hull）無壓載水艙超大型油船（VLCC）的最大特點(diǎn)是船舶的下半部分的船體更加細(xì)長(zhǎng)，船底呈明顯向下突出的V型，促使無壓載水艙船舶吃水深度足夠支撐船舶空載時(shí)的重量。造船專家們初步推選出兩種無壓載水艙船舶設(shè)計(jì)方案。代號(hào)為“最佳型”的第1種無壓載水艙船體設(shè)計(jì)方案的主要目的，是設(shè)計(jì)建造在無水深限制航道（如波斯灣）航運(yùn)的無壓載水艙船舶。其船體型深35m，最大寬度56m，滿載吃水27m，載貨量超過30萬t；代號(hào)為“馬六甲型”的第2種無壓載水艙船體設(shè)計(jì)方案的主要目的，就是建造適用于從波斯灣經(jīng)過限制水深的馬六甲海峽航行至遠(yuǎn)東地區(qū)（中國(guó)、日本、韓國(guó)）的船舶。其船身最大寬度可達(dá)79m，型深30m，滿載吃水21m，載貨量為28萬t。

日本無海水壓載船（NOBS）設(shè)計(jì)建造研究所認(rèn)為，V型船體無壓載水艙油船的適航性和運(yùn)營(yíng)性已經(jīng)達(dá)到IMO的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。通過計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)初步證實(shí)，“最佳型”無壓載水艙VLCC可以在風(fēng)浪不大的海洋上十分順利地航行；而“馬六甲型”無壓載水艙VLCC的航行情況較差，原因是其船體加寬后造成船底部分在水中深度不足。其實(shí)，這兩種無壓載水艙VLCC都設(shè)有備用壓載水艙，一旦遇到惡劣天氣，仍需分別打進(jìn)1.5萬t和3.5萬t壓載水，以增加其航行時(shí)的穩(wěn)性，確保船舶安全。而在同樣環(huán)境下，傳統(tǒng)VLCC則必須裝載至少8萬t壓載水才能達(dá)到《國(guó)際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）所規(guī)定的船舶最小吃水的要求。由此可見，所謂無壓載水油船的優(yōu)勢(shì)還是十分明顯的。尤其是設(shè)計(jì)理念并沒有被所謂“無壓載水艙”所約束，在船體內(nèi)還是安排了備用壓載水艙，可以在航行中根據(jù)天氣和風(fēng)浪情況靈活地決定在備用水艙中打進(jìn)多少壓載水，以確保其船體的安全穩(wěn)性。

對(duì)于低速船而言，黏性阻力占船舶總阻力的90%以上，從雷諾定律可以看出，黏性阻力與船體的濕表面積成正比關(guān)系。V型船體的設(shè)計(jì)理念就是最大限度地讓船體水線以下的部分瘦身，以達(dá)到減少船舶航行時(shí)的阻力。其中“最佳型”無壓載水艙VLCC減少約33%的阻力，“馬六甲型”無壓載水艙VLCC減少約25%阻力，可以明顯節(jié)約航行時(shí)所需要的燃料。

2 開發(fā)研究實(shí)例

國(guó)內(nèi)已成功開發(fā)出載重量為6500t的無海水壓載油船，并獲國(guó)家專利局頒發(fā)的專利。

該船適合于無限航區(qū)航行；載運(yùn)閃點(diǎn)低于60℃的散裝重燃油、柴油等成品油。雙定距螺旋槳由雙中速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)；圓形舭部、球鼻首、底部升高的全焊接鋼結(jié)構(gòu)；貨油艙部分為雙殼體。該船一改傳統(tǒng)的平直船底，改用V型船底構(gòu)造，見圖1，優(yōu)化后的型線見圖2。無須設(shè)置專用海水壓載艙（即免設(shè)船舶專用壓載水系統(tǒng)以及壓載水處理裝置），輔以燃油、淡水艙的適宜布置以及型線的優(yōu)化處理，以滿足空載航行時(shí)的艏、艉吃水需要。

圖1 線型優(yōu)化

圖2 船體構(gòu)造

表1列出了具有相同載重量的無海水壓載船型與常規(guī)船型的主要技術(shù)參數(shù)的比較。

表1 主要技術(shù)參數(shù)的比較

由表1比較可知該船的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)利益是：

1) 規(guī)避了IMO《國(guó)際船舶壓載水和沉積物管理與控制公約》；

2) 規(guī)避了《所有類型船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側(cè)處所保護(hù)涂層性能標(biāo)準(zhǔn)》（PSPC）的強(qiáng)制要求；

3) 貨油艙相應(yīng)采用V型底，使清艙、掃艙更加容易；

4) 采用V型底減少了水下的濕表面積，從而減少了船體黏性阻力，具有節(jié)能效果；

5) 由于免除了PSPC及縮短建造周期；免設(shè)船舶專用壓載水系統(tǒng)；免設(shè)船舶壓載水處理裝置；對(duì)于冰區(qū)航行船舶，還免設(shè)壓載水艙加熱系統(tǒng)，因此，粗略估計(jì)無海水壓載船型的新造船成本與常規(guī)船型相比，節(jié)約5%～10%；

6) 由于無海水污染，從而規(guī)避港口對(duì)海水污染索賠及扣船風(fēng)險(xiǎn)；空載航速可提高約10%～15%，滿載航速可提高約 2%～3%；節(jié)省壓載水艙的操作成本；壓載水艙無沉積物；對(duì)冰區(qū)航行船舶，節(jié)省壓載水艙加熱的成本；節(jié)約貨油艙加熱的能耗；貨油艙殘余率幾乎為零，容易清艙，因此，無海水壓載船型的營(yíng)運(yùn)成本與常規(guī)船型相比，可以節(jié)約6%～8%；

7) 壓載水艙海損時(shí)，無需PSPC修復(fù)；節(jié)約壓載水系統(tǒng)的維護(hù)成本；節(jié)省清理壓載水艙沉積物的成本，所以無海水壓載船型的修船成本也明顯低于常規(guī)船型。

值得指出的是：盡管V型船底的抗底部砰擊性能要優(yōu)于常規(guī)平直底部，但在設(shè)計(jì)中仍應(yīng)同常規(guī)船型一樣考慮船首底部砰擊加強(qiáng)。另外，橫搖周期比常規(guī)船型要小，特別是空載的橫搖周期僅為8s。而V型船底的空載吃水可調(diào)節(jié)范圍較小。因此，要特別關(guān)注惡劣風(fēng)浪條件下的搖擺性能。

3 應(yīng)用前景

貫通流船體，極具新創(chuàng)意。從技術(shù)思路看是可行的，在空載時(shí)能起到壓載作用，海水污染程度最小。但目前各國(guó)的研究仍處于起步階段，有些技術(shù)細(xì)節(jié)還不夠成熟。V型船體的無壓載水艙船型有望最先應(yīng)用到實(shí)際工程中。V型船體設(shè)計(jì)，盡管在大海上遇到狂風(fēng)大浪時(shí)還是需要打進(jìn)小部分的壓載水，以確保其穩(wěn)性和安全，但還是在相當(dāng)程度上減少了壓載水所帶來的種種問題。

可見，迄今還沒有一種完全可從根本上消除壓載水且可以實(shí)際使用的船舶設(shè)計(jì)方案，只是盡可能減少污染。例如貫流系統(tǒng)壓載水艙內(nèi)壁還是會(huì)留有少量的海洋生物、微生物和沉淀物。

4 結(jié) 語(yǔ)

毫無疑問，無壓載水艙船型概念的提出是具有革新性的創(chuàng)舉，它必將最大程度地解決壓載水的污染問題，還可降低能效以及營(yíng)運(yùn)成本?？傊?，盡管目前還必須大量依賴壓載水處理技術(shù)，但是無壓載水艙船舶航行于海洋之中在不久的將來就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。

[1] 趙橋生. 無壓載水艙船舶的研究進(jìn)展[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2009, 31 (7)： 17-19.

[2] Kotinis M D.Development and investigation of the ballast free ship concept [D]. USA： University of Michigan, 2005.

[3] 張榮忠. 國(guó)外關(guān)于無壓載水艙船舶的探索[J]. 航海技術(shù)，2005, (5)： 64-66.

[4] 冷翠華. 無壓載水艙船舶加速駛來[N]. 中國(guó)船舶報(bào)，2008-09-03(3).

[5] 張榮忠. 日本造船研究所船舶無壓載艙水革新設(shè)計(jì)[J]. 世界海運(yùn)，2007, 30(2)： 31-33.