集裝箱船大型化猜想

李 源

集裝箱船發(fā)展相當(dāng)迅速，從船型誕生到發(fā)展至8000TEU花了46年時(shí)間，然后僅用了11年時(shí)間，船型尺度從8000TEU發(fā)展到18000TEU。還記得29年前建造的4300TEU，當(dāng)時(shí)由于船太寬無法通過巴拿馬運(yùn)河，被稱為超巴拿馬型船舶。而今天的造船業(yè)已經(jīng)在討論無法通過蘇伊士運(yùn)河，以及剛剛能通過馬六甲海峽的30000TEU巨型集裝箱船。那么，集裝箱船大型化的極限在哪里呢？

研究表明，隨著集裝箱船裝箱量越來越大，船舶航行時(shí)和在港時(shí)的單位成本呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。以表1中所列的四種船型為例，18000TEU集裝箱船與12500TEU集裝箱船相比航行時(shí)的單位成本下降了12%，當(dāng)達(dá)到24000TEU時(shí)，相比12500TEU的船型，航行時(shí)的單位成本將下降23%。在港時(shí)的單位成本下降幅度雖不如航行時(shí)，但也是隨著船型尺度的增長而遞減。

圖1 大型集裝箱船的規(guī)模經(jīng)濟(jì)（航行時(shí)美元/天）

過去的十幾年里，燃油價(jià)格持續(xù)上漲，但是運(yùn)費(fèi)率幾乎保持不變，使得集裝箱航運(yùn)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力越來越大。于是千方百計(jì)地追求運(yùn)營成本的下降成為集裝箱航運(yùn)公司的首要目標(biāo)。

此外，18000TEU集裝箱船運(yùn)輸單位集裝箱產(chǎn)生的CO2比亞歐航線上的平均水平下降了一半。隨著國際公約對(duì)船舶環(huán)保性能的要求日趨嚴(yán)格，航運(yùn)公司也在想方設(shè)法地減少碳排放。這兩個(gè)因素促使航運(yùn)公司紛紛轉(zhuǎn)向大型、超大型集裝箱船。

相對(duì)而言，大型集裝箱船的航行限制較多，靈活性不高。因?yàn)槌叨染薮?，需要考慮通行航道、船閘、操縱空間、吃水限制、潮汐限制以及港口設(shè)施等因素，全世界目前僅20 ～25個(gè)港口能靠泊18000TEU的超大型箱船?；旧先魏蜗Ｍ２催@些超大型箱船的港口都必須對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造，如港口疏浚和建造長伸距集裝箱起重機(jī)等碼頭設(shè)施。

表1 四種超大型集裝箱船的運(yùn)營成本比較

即使港口條件完全符合要求，在實(shí)際操作中，仍然會(huì)面臨利用率不高等問題。如新加坡PSA 港的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)顯示，目前18000TEU 級(jí)集裝箱船長度通常在400 米左右，同時(shí)操作兩艘這樣的超大型集裝箱船至少會(huì)有90米長的泊位是浪費(fèi)的，導(dǎo)致了泊位利用率不高。如果是較小型的船舶，同樣長度的碼頭可以同時(shí)靠泊三艘。

另外，要想讓大船完全發(fā)揮出燃油效率的優(yōu)勢(shì)，必須滿載航行，如果大船僅半載航行，那還不如滿載航行的中小型船舶經(jīng)濟(jì)性高。

造船界從2008年就開始提出建造22000TEU巨型集裝箱船的計(jì)劃，但至今仍未有實(shí)船建造。不過業(yè)內(nèi)人士還是對(duì)集裝箱船尺度的發(fā)展做了一些預(yù)測(cè)。有分析認(rèn)為，最早2018年市場(chǎng)上就會(huì)出現(xiàn)22000 TEU集裝箱船。

圖2：集裝箱船發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

集裝箱船的特點(diǎn)使得該船型尺度的變化與裝載集裝箱的行數(shù)、列數(shù)以及層數(shù)的變化密切相關(guān)。以18000TEU集裝箱船為例，船長為400米，船寬為58.6米，吃水16米，可裝載20英尺的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱23列。如果將其船長加長，縱向增加一個(gè)貨艙，即可裝載標(biāo)準(zhǔn)集裝箱26行，23列，這時(shí)船長增至429.2米（基本上每增加一行，船長增加14.6米），船寬和吃水保持不變，那么裝載量可達(dá)20760TEU。

如果考慮在橫向增加一列集裝箱，可以裝載24列，則船長保持不變，船寬增加至61.2米（每增加一列，船寬增加2.5米左右），這時(shí)裝載量約為20750TEU。如果增加兩列集裝箱，可以裝載25列，船寬將增至63.8米，裝載量增加為21700TEU。

如果說，即使集裝箱船達(dá)到24000TEU時(shí)，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)仍然存在，也就是說這種巨型集裝箱船仍然會(huì)有市場(chǎng)需求。那么，集裝箱船是否可以一直大下去嗎？會(huì)不會(huì)出現(xiàn)哪些限制因素呢？

圖3：18000TEU集裝箱船增加一個(gè)貨艙時(shí)的裝載情況

圖4：18000TEU集裝箱船增加一列及兩列集裝箱時(shí)的裝載情況

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，總結(jié)了巨型集裝箱船的主要限制因素：一是超大的船體尺度導(dǎo)致船體強(qiáng)度不夠，影響到船舶的安全性；二是發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)裝置是否足以驅(qū)動(dòng)巨型船舶；三是海上航道、大橋以及港口條件對(duì)船舶尺度發(fā)展的限制；四是使用LNG清潔能源對(duì)巨型集裝箱船的影響；五是海上的惡劣氣候?qū)扌拖浯叫邪踩缘挠绊?；六是市?chǎng)因素。

首先來說船體強(qiáng)度。船舶尺度主要有船長、船寬、吃水和深度。其中船長影響船舶的總縱強(qiáng)度，且船長變量對(duì)總縱強(qiáng)度的影響呈平方效應(yīng)，屬于對(duì)船體強(qiáng)度影響最大的一個(gè)參數(shù)。船寬影響船舶的橫向強(qiáng)度，船寬變量對(duì)船體強(qiáng)度的影響呈線性，船寬加大還會(huì)增加橫艙壁變形的風(fēng)險(xiǎn)，并且增加橫搖加速度。目前以馬士基“3E”級(jí)船為代表的超大型集裝箱船均采用駕駛橋樓與機(jī)艙分離，并將駕駛橋樓前移的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，這樣布置可允許駕駛橋樓前方的集裝箱堆疊得更高，同時(shí)仍保持足夠的可視性，另一方面也有助于減小船舶的縱向彎曲力矩，增加船體強(qiáng)度。如果船長和船寬進(jìn)一步增加，需要采取更多的措施和創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)確保擁有足夠的船體強(qiáng)度。

超大型集裝箱船普遍采用厚度為100mm的鋼板，要制造出厚度大大高于100mm的低碳鋼板非常困難，因此船體極限總縱強(qiáng)度還受限于鋼板的厚度。

另外，水動(dòng)力方面，在集裝箱船大型化的過程中需要對(duì)波激振動(dòng)、沖蕩以及參數(shù)橫搖進(jìn)行更多的研究，并需要進(jìn)行實(shí)船測(cè)量以確保在船舶的全生命周期均具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

其次是推進(jìn)系統(tǒng)。過去，集裝箱船都要求以較高的航速航行，最高航速通常達(dá)到25 ～26節(jié)，現(xiàn)在為了節(jié)省燃油，集裝箱船大多低速航行，最高航速為21 ～23節(jié)。

如果船舶尺度繼續(xù)增大，但保持低速航行，那么采取單槳設(shè)計(jì)仍然可行。不過由于動(dòng)力傳遞至螺旋槳（由于吃水和空泡的原因，螺旋槳直徑被限制在9米左右）過程中的實(shí)際困難，盡管船體尺度增加，也不太可能使用比目前大得多的發(fā)動(dòng)機(jī)。

但假如今后集裝箱船要求以較高航速航行，仍采用單槳，螺旋槳負(fù)荷會(huì)增加，并且空泡和腐蝕現(xiàn)象也會(huì)增加。比較可行的方法是采用雙槳設(shè)計(jì)，這將無可避免地增加建造成本，并需要特殊設(shè)計(jì)。雙槳設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生更大的濕表面積、更高的摩擦阻力和效率更低的尾流場(chǎng)，但是由于每個(gè)螺旋槳的負(fù)荷變小，螺旋槳的效率也會(huì)提升，這個(gè)方法可以彌補(bǔ)船體形狀的不足，因此相比之下是一種較為有效的設(shè)計(jì)。

另一種更具創(chuàng)新性的方法是對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)概念，在單槳后面安裝一個(gè)方位吊艙。這種解決方案機(jī)械復(fù)雜程度更高，目前尚未經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，并且由于吊艙在主螺旋槳后方高度不穩(wěn)定的水流中持續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)，還可能會(huì)產(chǎn)生大量空泡。

第三看基礎(chǔ)設(shè)施。主要包括海上航道、橋梁以及港口條件。蘇伊士運(yùn)河的吃水限制為16米，通行18000TEU的箱船已經(jīng)是極限（18000TEU左右的集裝箱船結(jié)構(gòu)吃水為16米，設(shè)計(jì)吃水為14.5米）。馬士基的“3E”級(jí)船舶運(yùn)營的主要航線就是經(jīng)蘇伊士運(yùn)河的亞歐航線，如果船舶進(jìn)一步大型化，只能考慮通過吃水限制為21米的馬六甲海峽。不過有消息稱，為了迎接更大型的船舶通行，埃及政府計(jì)劃投資1500億美元拓寬蘇伊士運(yùn)河，并提高吃水限制。

圖5：采用柴油主機(jī)和雙燃料主機(jī)對(duì)集裝箱船裝箱量影響的對(duì)比

橋梁的凈空高直接限制了通行船舶的高度。船長和船寬直接受到港口條件的限制，如轉(zhuǎn)船池直徑、碼頭長度限制了船長尺度，而港口吊的伸距限制了船寬尺度。

第四看LNG燃料對(duì)集裝箱船裝箱量的影響。由于使用LNG燃料需要更大的燃料艙，因此會(huì)減少同尺度船舶的裝箱量。以下三種方案均按40天航程計(jì)算，圖5中左圖是只使用HFO，中圖是33天航程使用HFO，7天使用LNG，右圖是7天航程使用HFO，33天使用LNG?？梢奓NG燃料占的比例越高，裝箱量將越少。

第五是海上航行安全性。雖然并非船舶越大，風(fēng)險(xiǎn)越大，但一旦發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，大船的損失將比中小型船舶大得多。2013年6月，日本商船三井“MOl Comfort”號(hào)集裝箱船在也門200英里處發(fā)生事故，船舶從中間斷成兩截?！癕OL Comfort”號(hào)是日本三菱重工2008年建造的8000箱型集裝箱船，船長316米，寬46米，排水量9萬噸。事故發(fā)生時(shí)船舶約裝載4500個(gè)集裝箱。商船三井發(fā)布的公告稱，“惡劣氣候使船舶從中部斷裂，海水進(jìn)入貨艙”。事故發(fā)生海域當(dāng)時(shí)有高達(dá)6米的強(qiáng)浪。

初步調(diào)查結(jié)果表明，裂縫最早出現(xiàn)在船中央的底部，這點(diǎn)從進(jìn)水情況也得到了證實(shí)。盡管仍沒有官方的調(diào)查結(jié)果，但業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，集裝箱船在海上遭遇強(qiáng)浪會(huì)加劇中拱現(xiàn)象，非常考驗(yàn)船體的總縱強(qiáng)度，如果在設(shè)計(jì)建造時(shí)，沒有采取有效的措施使船舶擁有足夠的總縱強(qiáng)度，那么惡劣氣候會(huì)增加斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

值得注意的是2006年下水以來，新一代14000TEU以上的集裝箱船還未遭遇過與上述事故類似的惡劣氣候。很重要的一個(gè)因素是許多班輪公司采用了根據(jù)天氣定航線技術(shù)。班輪公司的陸上氣象中心可以向海上航行的船舶提供及時(shí)更新的精確信息，船舶可以很容易地調(diào)整航線來避開惡劣氣候。

第六是市場(chǎng)因素。超大型集裝箱船的概念起源于經(jīng)濟(jì)繁榮的時(shí)代，前提是市場(chǎng)對(duì)集裝箱運(yùn)力需求旺盛。但是2008年爆發(fā)金融危機(jī)以來，世界經(jīng)濟(jì)一直處于低迷，集裝箱航運(yùn)市場(chǎng)運(yùn)力增幅大于需求增幅，總體形勢(shì)是運(yùn)力過剩。在這種形勢(shì)下大力投資超大型集裝箱船，擴(kuò)建基礎(chǔ)設(shè)施，難以產(chǎn)生較好的回報(bào)，還會(huì)進(jìn)一步增加市場(chǎng)壓力，使市場(chǎng)復(fù)蘇步伐放緩。

從設(shè)計(jì)技術(shù)的角度來看，18000TEU級(jí)絕不是集裝箱船的極限值，現(xiàn)代造船技術(shù)完全能建造出更大型的集裝箱船。技術(shù)日新月異，以超乎人類想象的速度在發(fā)展。當(dāng)1996年有學(xué)者斷言，集裝箱船的大型化之路將止步于6000 ～6800TEU時(shí)，應(yīng)該很難想象17年后誕生了18000TEU的集裝箱船吧。當(dāng)然船舶并非越大越好，大船對(duì)港口、轉(zhuǎn)運(yùn)和貨量的要求更高，當(dāng)大到一定程度，會(huì)遭遇規(guī)模效應(yīng)的天花板。從原油船的發(fā)展歷史中我們可以發(fā)現(xiàn)，上世紀(jì)70年代，原油船也曾經(jīng)歷過大型化的發(fā)展歷程，70年代后期，最大的原油船已接近60萬載重噸，但是隨后市場(chǎng)對(duì)巨型原油船的興趣驟減，最終原油船的尺度保持在最合理的32萬載重噸左右。很難預(yù)測(cè)集裝箱船最終會(huì)發(fā)展到多大，但一定是綜合考慮設(shè)計(jì)技術(shù)、建造技術(shù)、安全性和經(jīng)濟(jì)性得出的最佳方案。