9200TEU 集裝箱船的總體設(shè)計(jì)

尹 遜 濱

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 201206）

0 引 言

自集裝箱船問世以來，其大型化的腳步就從未停歇，每新一代集裝箱船的載運(yùn)能力均比上一代更完善。大型集裝箱船隊(duì)升級換代極快，是世界商船隊(duì)中發(fā)展最迅猛、活力最旺盛、平均船齡最年輕的海運(yùn)船隊(duì)。在當(dāng)前世界航運(yùn)市場競爭日益激烈的情況下，集裝箱船的大型化具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性效益，受到規(guī)模效益的驅(qū)使，集裝箱船的尺度越來越大。集裝箱船的運(yùn)輸不斷朝著集約化、大型化方向發(fā)展。

2006年10月22日，巴拿馬全國公民投票正式通過了巴拿馬運(yùn)河的拓寬議案。巴拿馬運(yùn)河拓寬后，通行船舶的最大尺寸可由原來的長 294.1m、寬32.3m、吃水 12.04m的限制，增加到長366m，寬49m，吃水15.2m。巴拿馬運(yùn)河的擴(kuò)建，將從根本上改變?nèi)虼?duì)的船型結(jié)構(gòu)，越來越多的船東開始選擇載箱量和載重量更大、經(jīng)濟(jì)效益更好的新巴拿馬型船來更換傳統(tǒng)巴拿馬型船，以獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，世界各國對保護(hù)環(huán)境、防止污染的呼聲日益增長，對污染源限制的要求越來越高。國際海事組織（IMO）2008年10月召開會議對船舶廢氣排放提出了進(jìn)一步的要求，并頒布了分階段實(shí)施的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，針對 NOx、SOx、CO2和顆粒物等含量均提出了嚴(yán)格要求；對不同轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，其中TierⅠ和TierⅡ要求已分別于2000年和2011年起開始執(zhí)行；TierⅢ將于2016年1月1日起開始生效。2011年7月，國際海事組織（IMO）在英國倫敦總部召開了會議，確立了船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）和船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）兩項(xiàng)船舶能效標(biāo)準(zhǔn)，適用于2013年1月1日及以后安放龍骨的400總噸及以上國際航行船舶。為應(yīng)對新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)范不斷實(shí)施，開發(fā)低能耗、低排放、低污染、高能效的“綠色船舶”是造船業(yè)發(fā)展的必由之路。

2012年9月，為應(yīng)對巴拿馬運(yùn)河拓寬以及日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，法國達(dá)飛航運(yùn)公司（CMA CGM）準(zhǔn)備建造 10艘綠色、節(jié)能、環(huán)保的新巴拿馬型集裝箱船，以投入新辟航線。中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司基于中集集團(tuán)的轉(zhuǎn)型升級戰(zhàn)略，結(jié)合法國船東CMA CGM的緊迫需求，研究開發(fā)了一型具有自主知識產(chǎn)權(quán)，符合節(jié)能環(huán)保要求的新巴拿馬型9200TEU集裝箱船[1]。

1 船型概況

9200TEU集裝箱船為單機(jī)單槳、低速重型柴油機(jī)推進(jìn)，適合于全球航行的全格柵新巴拿馬型集裝箱船。該船線型為傾斜艏柱帶球鼻和方艉，艏部布置了側(cè)推器，以改善操縱性能。全船布置了兩層連續(xù)甲板，上甲板艏部設(shè)有艏樓，艉部設(shè)計(jì)為凹陷的系泊甲板。二甲板設(shè)為干舷甲板，同時(shí)在二甲板兩側(cè)設(shè)有縱向通道。該船起居處所及駕駛室設(shè)置在船中部，機(jī)艙布置在船的中后部，屬于典型的雙島式集裝箱船（見圖1）。

圖1 9200TEU集裝箱船總布置

該船共設(shè)置7個(gè)貨艙，上層建筑之前以及機(jī)艙與上層建筑之間分別設(shè)3個(gè)貨艙，7號貨艙布置在機(jī)艙后部，所有貨艙全部設(shè)有雙層底，均為大開口雙殼結(jié)構(gòu)，雙層底的管弄布置在2號貨艙到6號貨艙之間。壓載水艙布置在舷側(cè)雙殼和雙層底，防橫傾水艙設(shè)置在船中的4號貨艙左右兩舷。艏艉尖艙均為空艙。

9200TEU船屬于新巴拿馬型集裝箱船，船寬為48.2m，甲板上可裝載19列（row）集裝箱，貨艙內(nèi)可裝載17列集裝箱。甲板上最多可堆裝9層集裝箱，可裝載20英尺、40英尺及45英尺集裝箱，20英尺集裝箱裝載的方式采用“Russian Stowage”。45英尺的集裝箱根據(jù)綁扎橋的布置可從第三或四層開始裝載，但部分艙口蓋（Bay 02，26，50）經(jīng)特別設(shè)計(jì)后，從第一層起即可裝載 45英尺集裝箱。貨艙內(nèi)可以堆放 9層集裝箱，其中包括6層8.5英尺高的集裝箱和3層9.5英尺高度的集裝箱，8.5英尺和9.5英尺的集裝箱可實(shí)現(xiàn)無序堆裝；貨艙內(nèi)設(shè)有裝載40英尺集裝箱的導(dǎo)軌架，也可用作裝載兩只20英尺集裝箱。1、2、3號貨艙和全船甲板上可以按有關(guān)規(guī)定裝載載有危險(xiǎn)貨品的集裝箱。全船可裝載1458個(gè)40英尺自冷式冷藏集裝箱，分別布置在甲板上和各貨艙內(nèi)（甲板上858FEU，貨艙內(nèi)600FEU）。

1.1 主尺度與要素（見表1）

表1 主尺度與要素

1.2 裝載能力（見表2）

表2 裝載能力

1.3 主機(jī)、航速和續(xù)航力（見表3）

表3 主機(jī)航速和續(xù)航力

1.4 船級、規(guī)范、規(guī)則及公約

該船入法國BV船級社，參照BV船級社頒布的現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足IMO在簽合同時(shí)生效的一切公約以及國際噪聲和振動標(biāo)準(zhǔn)，還滿足蘇伊士運(yùn)河現(xiàn)行規(guī)則等，同時(shí)考慮了巴拿馬運(yùn)河拓寬后需要適用的規(guī)則。船旗國為巴哈馬（Bahamas）。

2 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 主尺度選取

隨著巴拿馬運(yùn)河船閘的擴(kuò)建，依據(jù)巴拿馬運(yùn)河船閘最大通航能力設(shè)計(jì)的巴拿馬型船設(shè)計(jì)方案也隨之改變，新巴拿馬型船應(yīng)運(yùn)而生。巴拿馬運(yùn)河擴(kuò)建工程開始后不久，許多航運(yùn)企業(yè)和船級社就已根據(jù)公布的第三號船閘尺寸設(shè)計(jì)出與之匹配的新巴拿馬型船。巴拿馬運(yùn)河拓寬后，通行船舶的最大尺寸為長 366m，寬49m，吃水15.2m。49m船寬將能使集裝箱船甲板布置19列集裝箱，裝載標(biāo)準(zhǔn)尺寸的新巴拿馬型船，裝箱量將從目前巴拿馬最大型集裝箱船的4250～5300TEU增至8800～12000TEU。若新型船艙蓋上集裝箱采取“城堡式堆放”，最大裝箱量可突破13000TEU。

由于港口和航道條件的限制，以船長366m為主尺度極限設(shè)計(jì)的新巴拿馬型船并不適合美東地區(qū)港口。適用美東航線的集裝箱船應(yīng)控制在總長<300m、船寬<49m、吃水≈14.5m。在該尺度下，集裝箱船載重可達(dá)110000t，載箱量一般為8800～9200TEU。綜合巴拿馬運(yùn)河以及美東航線港口對于尺度的限制條件，同時(shí)參考同類型船，最終確定了該船的主尺度。

2.2 總布置設(shè)計(jì)

上層建筑布置在船中，而機(jī)艙棚則布置在舯后部，是典型的雙島布置設(shè)計(jì)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是大大改善了駕駛室的駕駛視線，同時(shí)可以使裝箱量增加400TEU以上，使該船的裝箱量大大提高。同時(shí)，雙島布置設(shè)計(jì)還解決了集裝箱船所需巨大燃油艙的布置問題。根據(jù)新的燃油艙保護(hù)規(guī)范的要求，燃油艙一般需采用雙殼設(shè)計(jì)，如果采用單島布置設(shè)計(jì)，巨大的燃油艙必然要占用部分的貨艙容積；但在采用了雙島布置設(shè)計(jì)之后，上層建筑之下的空間可以布置燃油艙，燃油艙不需要再占用貨艙容積。而且上層建筑布置在船中，大大降低了船舶運(yùn)營時(shí)的總縱彎矩，可以降低船舶的空船重量，同時(shí)提高了船舶營運(yùn)時(shí)的安全性。

集裝箱船是布置型船，即其主尺度取決于集裝箱尺度，特別在船長方向，為此與綁扎系統(tǒng)設(shè)計(jì)公司密切聯(lián)系，盡量壓縮綁扎所需間距，使艙口間的距離在滿足國際海事組織（IMO）對綁扎橋設(shè)計(jì)新規(guī)范MSC.1/Circ.1352的情況下最短（見圖2），最大程度壓縮船長，以降低船舶的空船重量。

圖2 9200TEU集裝箱船綁扎橋設(shè)計(jì)

另一方面，由于9200TEU集裝箱船的上層建筑與機(jī)艙棚分開布置，與單島式集裝箱船相比在船長方向所占空間較大，在盡可能壓縮艏部錨泊和尾部系泊設(shè)備布置空間后，如機(jī)艙備件吊機(jī)采用一般設(shè)計(jì)，即布置在機(jī)艙棚后的情況下，機(jī)艙棚前面的空間僅可裝載一個(gè)20英尺的集裝箱。為了增加載箱量，對于機(jī)艙吊物口的布置進(jìn)行了特殊處理，即壓縮煙囪在船長方向的長度，將機(jī)艙吊物口布置在機(jī)艙棚C甲板的前部，而機(jī)艙備件吊機(jī)布置在更高的 F甲板，這樣節(jié)約的機(jī)艙吊物口的空間使機(jī)艙棚前布置一個(gè) 40英尺的集裝箱，如此設(shè)計(jì)使集裝箱裝載量增加169TEU，大大提高了其營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性（見圖3）。

圖3 9200TEU集裝箱船機(jī)艙備品吊的設(shè)計(jì)

2.3 型線優(yōu)化設(shè)計(jì)

垂線間長286m，船寬48.2m，與常規(guī)集裝箱船的設(shè)計(jì)相比，其船長較短，而船寬較寬，長寬比只有5.9。設(shè)計(jì)航速要求非常高，其弗勞德數(shù)Fr≈0.22。因此，型線設(shè)計(jì)難度非常大。首先，選取一型具有非常優(yōu)秀的水動力性能，與該船的主尺度比L/B及B/T等指標(biāo)均較為相近集裝箱船線型為基礎(chǔ)，以此線型為母型進(jìn)行相似變換得出初步線型。在完成初步線型設(shè)計(jì)后，通過 CFD計(jì)算軟件進(jìn)行了水動力性能計(jì)算[2]。CFD計(jì)算結(jié)果顯示，初始線型在球首和首肩部分別存在明顯的低壓區(qū)（圖4），經(jīng)與國內(nèi)外多家著名船模拖曳水池專家討論，分析認(rèn)為：由于母型船的弗勞德數(shù)值大，方型系數(shù)較小，所以設(shè)計(jì)吃水處的艏部水線呈凹形，這樣的水線設(shè)計(jì)可以減小波浪高壓區(qū)沿水平方向的分力，從而可以減小興波阻力。與母型船相比，弗勞德數(shù)較小，而方型系數(shù)較大，興波阻力在總阻力中所占的比值減小，而壓阻的比值增加，原水線的設(shè)計(jì)無法達(dá)到減小船舶阻力的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此考慮增加球艏面積，降低球艏高度，改變球艏區(qū)域的流場，減小艏部興波從而減小船舶總阻力。通過與國內(nèi)外著名船模拖曳水池合作，運(yùn)用 CFD軟件不斷優(yōu)化計(jì)算，反復(fù)論證其阻力性能，最終得到了一型非常優(yōu)秀的可以滿足船東要求的設(shè)計(jì)線型（見圖4）。

圖4 9200TEU集裝箱船線型CFD計(jì)算優(yōu)化前后對比

2013年9月在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所（SSSRI）采用經(jīng)CFD優(yōu)化的最終型線制作船模，并進(jìn)行了該船設(shè)計(jì)槳的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該船的航速在結(jié)構(gòu)吃水14.8m、主機(jī)功率90%SMCR、帶有15%海上裕度的情況下，服務(wù)航速可達(dá) 22.19kn，其阻力推進(jìn)性能在國內(nèi)外水池的數(shù)據(jù)庫中均屬一流水平，可以滿足船東在規(guī)格書中的航速指標(biāo)要求。2013年5月9200TEU集裝箱船的首制船進(jìn)行了試航測速，測速結(jié)果顯示該船結(jié)構(gòu)吃水的航速在采用ITTC方法修正后實(shí)際可達(dá)22.28kn。

2.4 貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)

該船裝載有1458個(gè)40英尺自冷式冷藏集裝箱，其中甲板上布置冷箱858FEU，其余600個(gè)冷箱分別布置在7個(gè)貨艙內(nèi)。對于同樣大小的集裝箱船貨艙來說，艙內(nèi)是否布置冷箱對貨艙通風(fēng)的設(shè)計(jì)影響非常大。以5號貨艙為例：如果艙內(nèi)不布置冷箱，貨艙的通風(fēng)量約為60000m3/h；但貨艙內(nèi)布置100多個(gè)冷箱之后，貨艙的通風(fēng)量達(dá)到了480000m3/h左右，兩者所需的通風(fēng)量相差8倍之多。由于通風(fēng)量的顯著增加，整個(gè)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)所需的風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和通風(fēng)蓋也同比增多，給貨艙的通風(fēng)設(shè)計(jì)與布置帶來了相當(dāng)大的難度[3]，因此，必須合理設(shè)計(jì)貨艙通風(fēng)以保證貨艙內(nèi)冷藏集裝箱的制冷裝置可以正常運(yùn)行。

首先，在進(jìn)行冷藏箱布置時(shí)，需考慮以下幾點(diǎn)：1) 在橫隔艙中間留出貨艙梯的布置空間，作為通道，即貨艙中間一列不布置冷箱；2) 由于通常在二甲板布置風(fēng)機(jī)，對二甲板以上的冷箱供風(fēng)較為困難，同時(shí)因?yàn)樨浥擁敳渴菬崃烤奂?，對冷箱的制冷效果不利，因此，貨艙?nèi)最上兩層不布置冷箱；3) 因?yàn)槔洳貕嚎s機(jī)需要維修和保養(yǎng)，必須保留適當(dāng)?shù)木S修空間以及操作便利性，貨艙的左右舷最外兩列以及最底層不布置冷箱；4) 盡量規(guī)避熱源，與燃油艙室緊鄰處避免布置冷箱。然后，根據(jù)貨艙內(nèi)冷藏箱的數(shù)量結(jié)合船東船級社的要求，最終確定貨艙的通風(fēng)量，進(jìn)而展開整個(gè)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

貨艙通風(fēng)系統(tǒng)（見圖5）采用直立式軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)馬達(dá)都帶有空間加熱器，每一臺風(fēng)機(jī)接一路總管，一路總管最多有12個(gè)送風(fēng)口，負(fù)責(zé)兩列冷箱的送風(fēng)。系統(tǒng)中單臺風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量約為40000m3/h，風(fēng)機(jī)和風(fēng)管的最大直徑是1000mm[3]。由于1、2、3號貨艙既要堆放冷箱又要堆放危險(xiǎn)品，因此艙內(nèi)配置的風(fēng)機(jī)為防爆型無火花風(fēng)機(jī)；4、5、6、7號貨艙不堆放危險(xiǎn)品而僅堆放冷箱，因此艙內(nèi)配置的風(fēng)機(jī)是無火花型風(fēng)機(jī)；同時(shí)，在1、2、3號貨艙均配備了4臺可逆風(fēng)機(jī)，當(dāng)貨艙內(nèi)裝載危險(xiǎn)品或者貨艙內(nèi)釋放CO2以后，這些可逆風(fēng)機(jī)將運(yùn)行于抽風(fēng)狀態(tài)，將艙內(nèi)的有害氣體排往艙外。本船采用機(jī)械送風(fēng)，自然排風(fēng)，排風(fēng)口布置于貨艙艙口蓋的外側(cè)，并設(shè)置百葉窗和密封蓋，一般天氣狀況下，排風(fēng)口打開；遇風(fēng)暴天，密封蓋關(guān)閉，以確保航行安全。

圖5 9200TEU集裝箱船貨艙通風(fēng)布置

貨艙的橫隔艙寬度為 1850mm，而布 置在貨艙二甲板的風(fēng)機(jī)最大直徑為 1000mm。貨艙二甲板是安裝和檢修設(shè)備的主要平臺，根據(jù)船級社對貨艙通道的要求，進(jìn)出貨艙的主要通道寬度≥600mm。因此，在布置風(fēng)機(jī)時(shí)盡量將風(fēng)機(jī)向后壁靠，風(fēng)機(jī)的外緣與后壁結(jié)構(gòu)之間僅留出焊接底座和擰螺栓所需的最小尺寸，如此布置方可使冷箱一側(cè)的最小通道寬度達(dá)到 602mm，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，本船集裝箱送風(fēng)口設(shè)計(jì)成柔性連接，以滿足高、標(biāo)箱無序裝載的要求。

3 結(jié) 語

9200TEU集裝箱船是中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)的一型具有先進(jìn)性、前瞻性和創(chuàng)新性的新巴拿馬型集裝箱船，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到同類型船舶的國際先進(jìn)水平。研發(fā)的9200TEU集裝箱首制船已由大連船舶重工集團(tuán)公司完成建造，并于2014年6月25日成功交付船東（CMA CGM）使用，其優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和建造水準(zhǔn)，受到了船東的高度評價(jià)。為進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)19000TEU、20000TEU超大型集裝箱船奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 胡安康，尹遜濱，余建偉. 9200TEU集裝箱船的設(shè)計(jì)特點(diǎn). 船舶工程. 2013 (S2): 3-5.

[2] 左德權(quán), 尹遜濱, 陳曉瑩. 13000TEU超大型集裝箱船總體性能設(shè)計(jì)[J]. 上海造船, 2009 (3):26-28.

[3] 李菊芬，胡思平，王寶軍. 大型集裝箱船貨艙通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì). 船舶工程. 2013 (S2): 19-22.