船舶尺度和船體形狀影響因素

魏洪斌

摘 要：本文對影響船舶尺度的航道港口限制、貿(mào)易流動性、運河船閘的限制、船舶運輸市場、造價和船廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計因素進行分析，對影響船體形狀的因素、船舶的裝載量、航速和船舶造價進行了探討。

關(guān)鍵詞：船舶尺度 船舶形狀 因素分析

船舶尺度

經(jīng)濟性是決定船舶尺度的關(guān)鍵因素，大船比小船的單位運輸成本低，船舶越大，經(jīng)濟性越好。同樣，單位載貨量的船舶造價，也是大船優(yōu)于小船。30萬載重噸的超大型油輪（VLCC）新船造價為1億美元左右，然而阿芙拉型（AFRAMAX） 船舶10萬載重噸造價為0.5億美元左右，VLCC的運輸量是AFAMAX的三倍，但是在造價方面卻是兩倍。以兩倍的價格換取三倍的運量，單從這點考慮，船東必然選擇建造大船。但是實際上航行的船舶并非只有一種尺度船舶，除了經(jīng)濟性之外，還有其他影響船舶大小的因素，包含以下幾個方面：航道港口限制、貿(mào)易流動性、運河船閘的限制、船舶運輸市場、造價和船廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

1、航道港口的限制

經(jīng)濟性驅(qū)動船舶尺寸逐漸增加的主要驅(qū)動，由于船舶航行的外界環(huán)境條件——航道港口的幾何尺寸因素限制，使得船舶尺寸不能無限增加。首要的限制因素是航道和港口碼頭對船舶吃水限制。船舶吃水是船舶設(shè)計的關(guān)鍵因素，船舶設(shè)計時會根據(jù)航行過程中的最淺水深和港口條件限定吃水，避免船舶在航道航行、港口裝載過程中或航行過程中會盡量船底接觸海底，以免造成船底破損船艙進水。吃水限制作為船舶的主要尺寸，限制了船舶可以選擇的設(shè)計方案，進而影響了船舶其他的主尺度參數(shù)。對于航道和港口，為了可以滿足大噸位船舶的停靠，采取挖深的方法，由此而帶來大量的花費，因此通常情況下是船舶限制設(shè)計吃水滿足航道和港口的水深條件。

2、貿(mào)易的流動性

船舶航線的會隨貨物的貿(mào)易流動而改變，船舶出發(fā)和到達港口也隨之改變，船舶的大小需要盡可能多滿足貿(mào)易航線上各個港口對船舶吃水的限制。使得船舶不會因為航線的改變，港口吃水的限制，導(dǎo)致船舶無法滿載到港和出港。

3、運河船閘的限制

航線通過蘇伊士運河和巴拿馬運河的船舶，受到航線上運河船閘尺寸和水深對船舶主尺度的限制。船舶的主尺度直接關(guān)系到，能否滿載航行通過運河航道。蘇伊士運河，是國際油運的重要通道，同時也是亞洲至歐洲集裝箱運輸航線的必經(jīng)之路，有必要考慮運河船閘對船舶主尺度的限制。蘇伊士船型（Suezmax），以蘇伊士運河通航條件為上限，適合船舶滿載航行通過蘇伊士運河。有世界橋梁之稱的巴拿馬運河，有運河通航條件為上限巴拿馬船型（Panamax）。然而運河的擴建，同樣會反作用于船舶運輸市場，進而影響船舶的大小。巴拿馬政府為了增加運河船閘可通行船舶尺度，提高船舶通過量，滿足超巴拿馬船型（Post Panamax）通過的要求。2007年對運河啟動擴建項目，在項目完工后適合通過新巴拿馬船型。巴拿馬運河管理局2013年發(fā)布的《Vessel requirements for new Panamax》中對新巴拿馬船型（new panama vessel）給出了主尺度范圍，其船舶吃水15.2 米，船長366 米， 船寬49 米，集裝箱船載箱量最高達到12000TEU。

4、船舶運輸市場

船舶運輸市場因素影響著船舶的大小。貨物運輸需求多少是運輸市場的活躍度主要體現(xiàn)，是影響船舶大小的關(guān)鍵性因素。影響船舶運輸貨物需求的因素是商品的流動，包含進口商品和外貿(mào)商品。對于商品外貿(mào)，本國的生產(chǎn)的產(chǎn)品在滿足國內(nèi)消費的同時，產(chǎn)生產(chǎn)品剩余，剩余的產(chǎn)品需要流通到國外，對船舶運輸產(chǎn)生了需求。貨物的生產(chǎn)率，本國消耗后的貨物剩余量，倉庫的儲存能力，船舶造價，港口水深，泊位的尺寸，以上因素決定了建造多大的船舶。

5、造價

對于船舶造價，建造更大或者裝載量更多的船舶，需要更大花費，因此如果沒有對外貿(mào)易增加的趨勢，帶動大量的貨物運輸需求，船東不會花費更高的價格建造大船。

6、船廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

船廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，以市場標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，為滿足船東的普遍需求而制定。建造一艘符合市場規(guī)律的船舶與建造一艘奇怪尺寸的船舶相比，建造價格更低，船舶更符合貿(mào)易的需要，銷售的渠道更廣。對于一些為了滿足特殊項目運輸需要而建造的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計船舶，一旦項目取消，這些船舶將要面對無法在正常市場銷售的困境。船東買船時，他同樣會考慮到船舶的經(jīng)濟效益包括初始投資效益和船舶的運輸經(jīng)營效益。新建的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計船舶至少要與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)船舶在經(jīng)濟效益上持平，更優(yōu)于現(xiàn)有的船舶才能促使船東購買。

經(jīng)濟性對船舶尺寸增加的往往不是線性正相關(guān)的影響。一個例子是超級巨型油輪（ULCC），載重噸范圍從最初的32萬噸上升到56萬噸。諾克·耐維斯號（Knock Nevis）是當(dāng)時最大的油輪，載重噸達到564650噸。這些大船被用于從中東運輸大量的原油到美國和歐洲。ULCC船隊的數(shù)量在1982年到1983年間快速上升到百艘以上，在1990年間有小幅回落。但是在今天油輪運輸市場上，50萬t以上油船近年已經(jīng)淘汰。有分析表明是由于蘇伊士運河的關(guān)閉和開放對其造成的影響，蘇伊士運河的關(guān)閉，波斯灣運往西歐、北美的原油被迫繞道好望角，航程延長近半，選擇ULCC具有規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)。蘇伊士運河開放，超級巨型油輪失去其規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，逐漸被Suezmax所取代。也有分析稱，一艘ULCC一次可以載運3-5百萬桶石油，而正是如此大的運量，使得ULCC無法適應(yīng)油品市場價格行情的改變，貨主會選擇Suezmax，以避免油價的大跌。兩種分析共同點，都是從獲取經(jīng)濟效益出發(fā)，選擇尺度更小的Suezmax。

船舶的尺度受以上因素制約的同時，還需要面對以下三方面重要問題。首先由于大型船舶單位貨運運營成本及燃料消耗的降低是以船舶滿載為前提的，船舶裝載量達到一定程度以上船公司才能保本經(jīng)營，因此大型、超大型船舶適合在貨源穩(wěn)定充足的航線上進行運輸經(jīng)營。此外，大型船舶受到航道港口條件的限值，僅能掛靠數(shù)量有限的港口。同時大尺度船舶的一旦出現(xiàn)事故，救援和應(yīng)急保障技術(shù)也受到挑戰(zhàn)。

船體形狀

船體的形狀主要受三方面因素影響，船舶的裝載量，航速和船舶造價。其中貨物的裝載能力和水動力特性兩方面因素，影響了船體的阻力，進而影響了發(fā)動機的功率和船舶的航速。最后一項同時也是重要的一項影響因素是造價。其他影響因素包含適航性、穩(wěn)性和操縱性。

1、貨物裝載量

為了獲取最大的貨物裝載量，通常會選擇建造矩形船體，也就是方形系數(shù)大的船型。船舶的方形系數(shù)越大，船體的船艙內(nèi)可以盡可能多的裝載貨物，這種船體形狀特別適合散貨船采用。然而該類船型不適用于較高的航速。從水動力特性角度分析，由于該類船型一般采取平板形狀的船頭和船尾，在船頭和船體的連接部位有凸起的邊緣，對水流的平穩(wěn)流動有干擾作用，會產(chǎn)生了額外的阻力，所以該類船型一般航速較低。

2、航速

高航速船舶的船體形狀不同于最大裝載量的船型。船體的形狀會是細(xì)長型，船首會是尖形，船尾是圓形。通過船首切入水，減少阻力，細(xì)長沒有凸起邊緣的船體使得水光順的流過，圓形的船尾減少水離開船體表面旋渦的產(chǎn)生。然而由于船體內(nèi)艙室體積受到船體形狀的影響較大，細(xì)長船型不適合裝載大量的貨物。

3、造價

船舶的造價，包含購買船體外表面鋼板的費用和鋼板彎曲加工的費用。高航速的船舶，船體外表面彎曲形狀多，需要彎曲和加工的鋼板操作復(fù)雜工序多，因此建造費用會明顯高于船體形狀單一簡單的矩形船舶。建造大船與建造小船相比，需要使用更多的鋼板，與小船相比，會減少鋼板加工費用占總造價的比重，因此花費鋼板的成本價格獲得更多的船舶裝載量，大船單位載重量的船舶造價低于小船。

船體形狀主要由船舶的設(shè)計目的所決定。設(shè)計的出發(fā)點不同，最終導(dǎo)致船體形狀明顯不同。散貨船主要是為了減少單位載重量貨物的運輸費用，因此船體形狀設(shè)計出發(fā)點更關(guān)注貨物的裝載量。集裝箱船正好相反，速度是設(shè)計的關(guān)鍵因素，因此會選用更加流線的細(xì)長船型。舉兩個例子，馬士基航運公司的集裝箱船，艾瑪馬士基（Emma Maersk）號，挪威油輪公司前線航運公司（Frontline），29.7萬噸超級油輪（VLCC）“皇后”（Front Queen）號，兩艘巨型船舶在主尺度方面有些相似性，但在船體形狀方面有著明顯的不同。這兩艘船舶有著各自的船體形狀。VLCC是盡可能的矩形，然而集裝箱船是光順的細(xì)長船型。

結(jié)語

船舶的能效與船舶主尺度是密切相關(guān)的。船舶主尺度，對船體的形狀有決定性的影響，而船體的形狀又對船舶的節(jié)能減排有顯著的影響。研究船舶尺度和形狀的影響因素，為提高船舶的能效，合理的優(yōu)化船舶尺度和船舶形狀提供可參考的基礎(chǔ)。

（作者單位：交通運輸部水運科學(xué)研究院））