集裝箱船可以造多大

劉俊

對(duì) 于單箱邊際收益的追逐推動(dòng)著集裝箱船的大型化趨勢(shì)，以致超巴拿馬型集裝箱船的設(shè)計(jì)獲得巨大成功。目前載箱量達(dá)到19000 TEU的船舶已經(jīng)投入營(yíng)運(yùn)，20000 TEU型船建造合同已經(jīng)簽訂，更大型集裝箱船正在研發(fā)中。

這些龐然大物的尺寸令人震驚，更大船舶將接踵而至。近幾年來，集裝箱船尺寸的增大超乎想象。這個(gè)趨勢(shì)會(huì)否繼續(xù)？或是超過某極限值船舶并發(fā)生斷裂？我們必須從專業(yè)角度認(rèn)真探討這個(gè)問題。答案的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超問題本身，首先，由于一些現(xiàn)實(shí)因素，今天的巨輪只能在特定航線營(yíng)運(yùn)，如巴拿馬運(yùn)河目前和未來的船閘寬度、南美港口的吃水和對(duì)船長(zhǎng)的限制以及紐約港口的空高限制等;其次，當(dāng)市場(chǎng)出現(xiàn)對(duì)20000 TEU以上型船需求時(shí)，技術(shù)上的挑戰(zhàn)依然存在，特別是來自船體上部最大鋼板厚度的挑戰(zhàn)。在特定的限值范圍內(nèi)，目前的設(shè)計(jì)可以加長(zhǎng)或加寬，其他擴(kuò)大方案需要?jiǎng)?chuàng)新布局。故在嘗試建造更大型集裝箱船前，必須考量若干項(xiàng)物理標(biāo)準(zhǔn)，而極限值的設(shè)定須多次深入調(diào)研才可確定。

日前，《航運(yùn)交易公報(bào)》記者采訪DNV GL全球業(yè)務(wù)總監(jiān)楊歐樂（Jan-Olaf Probst）。作為船型特別是集裝箱船型研究專家，楊歐樂對(duì)大型集裝箱船的技術(shù)、運(yùn)營(yíng)以及發(fā)展有著深入的思考，這正是基于DNV GL合并后在集裝箱船領(lǐng)域的超凡實(shí)力。去年，全球簽約訂造的集裝箱船，按艘數(shù)計(jì)48.2%入級(jí)DNV GL，按噸位計(jì)則有57.5%入級(jí)DNV GL;全球目前所有正在營(yíng)運(yùn)的集裝箱船，按艘數(shù)計(jì)42.9%入級(jí)DNV GL，按噸位計(jì)則有43.1%入級(jí)DNV GL。目前，DNV GL合并后的集裝箱船共同規(guī)范將在4月份進(jìn)行業(yè)界聆聽和意見聽證活動(dòng)，7月1日預(yù)計(jì)可以公布，有望在明年1月1日生效。

已有設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊歐樂向《航運(yùn)交易公報(bào)》記者展示了目前市場(chǎng)上18000TEU及以上型船的4種設(shè)計(jì)。比較4種設(shè)計(jì)方案中涉及的船舶主要尺寸，實(shí)際上大同小異。船舶總長(zhǎng)控制在400米之內(nèi)，型寬控制在60米之內(nèi)，設(shè)計(jì)吃水在14.5米之內(nèi)，結(jié)構(gòu)吃水均在16米（見表1）。

楊歐樂表示，18000TEU及以上型船通常都是雙島型設(shè)計(jì)。煙囪后部布置4排40尺箱;機(jī)艙與甲板室之間區(qū)域布置5個(gè)2×40尺箱堆垛的貨艙;貨艙布置12層標(biāo)準(zhǔn)箱或11層高箱，艙面上布置10層。楊歐樂強(qiáng)調(diào)：“這種布置適用于使用單發(fā)動(dòng)機(jī)的船舶，可以說雙島型設(shè)計(jì)對(duì)大型集裝箱船可裝載能力提升產(chǎn)生了積極影響。”

所謂雙島型設(shè)計(jì)，就是駕駛室和居住區(qū)位于船舶前部，機(jī)艙位于船舶后部，燃油艙布置在居住區(qū)下方（常規(guī)集裝箱船駕駛室和機(jī)艙位于船舶后部）。駕駛室位于前部，大幅度改善視線，且與居住區(qū)布置在機(jī)艙上方的方案比較，該方案船首區(qū)域的集裝箱裝載量可增加5%～6%，居住區(qū)噪聲和振動(dòng)水平也較低。因?yàn)轳{駛室與機(jī)艙分離，相當(dāng)于在船體增加一個(gè)橫向支撐，可改善船體的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，減少船體重量。

從18200TEU、19450TEU、20400TEU、21360TEU以及22410TEU5種船型來看，基本上還是處于常規(guī)的集裝箱堆垛行/列布局，調(diào)整幅度并不大（見表2）。楊歐樂表示：“前兩種船型目前已經(jīng)投入市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，對(duì)后3種船型，DNV GL也進(jìn)行過測(cè)試，是可行的設(shè)計(jì)。”

楊歐樂表示：“若不改變現(xiàn)有的典型箱船的結(jié)構(gòu)布置，鋼板強(qiáng)度在現(xiàn)有條件上，只能做到22400TEU。若要達(dá)到24000TEU以上，必須在結(jié)構(gòu)布局上有創(chuàng)新?！睋Q句話說，目前由于技術(shù)條件限制，船長(zhǎng)限制在400米、載箱量限制在22400TEU，但未來這一情況有可能被突破。

重要技術(shù)尺寸

參數(shù)1： 船長(zhǎng)

標(biāo)準(zhǔn)集裝箱長(zhǎng)度決定了船體加長(zhǎng)的級(jí)差以及對(duì)貨艙間隙和典型橫艙壁寬度的影響，而箱船U型敞開式橫截面致使船體上部鋼板受到影響。在18000 TEU型船上，船體上部板材厚度為80～95 毫米。高強(qiáng)鋼板厚度存在技術(shù)極限值，同時(shí)底部區(qū)域的總體強(qiáng)度限制了470 N/mm2鋼的使用。

假設(shè)18000 TEU型船僅配備1臺(tái)主機(jī)，煙囪后方布置4行40尺箱，煙囪與甲板室之間布置11行40尺箱，可行的加長(zhǎng)方案為在機(jī)艙前方增加1行40尺箱，加上機(jī)艙上方的小型貨艙能形成1個(gè)包含兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)40尺箱的貨艙，該方案將使船舶擁有25行40尺箱以及411.5米的總長(zhǎng)。楊歐樂表示：“這個(gè)長(zhǎng)度通過標(biāo)準(zhǔn)布置能夠?qū)崿F(xiàn)，但若超出這個(gè)長(zhǎng)度，就必須研究開發(fā)創(chuàng)新橫截面布置。但是需要提醒的是，該尺寸船舶可能無法在某些港口停泊或者轉(zhuǎn)向，因?yàn)樵齑髽I(yè)顯然還受制于港口限令、回船尺度以及碼頭長(zhǎng)度等?！?/p>

參數(shù)2： 船寬

對(duì)于目前的降速航行船舶，過去因考慮發(fā)動(dòng)機(jī)功率而限制船寬將不再是問題，新的長(zhǎng)寬比已經(jīng)切實(shí)可行。許多造船企業(yè)開始建造可以保證相同標(biāo)箱量的短寬型船舶，此舉能降低建造成本，這是考慮當(dāng)今成本壓力的重要因素。

標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺度、導(dǎo)軌和間隙決定了船體加寬的差值：2.5米。從強(qiáng)度角度看，船體加寬對(duì)波浪彎矩和靜水彎矩的影響是線性的。換言之，對(duì)目前的設(shè)計(jì)進(jìn)行加寬對(duì)總縱強(qiáng)度的影響比船舶加長(zhǎng)小得多。此外，船體加寬能增加的標(biāo)箱量多于船體加長(zhǎng)。

然而也有不利因素，即船體加寬會(huì)加重船舶兩舷沿不同縱向方向的翹曲變形，這將加劇艙口蓋的移動(dòng)，導(dǎo)致支撐墊磨損，增加維護(hù)成本或要求高強(qiáng)度艙口蓋。此外，翹曲變形會(huì)影響貨艙內(nèi)以及艙口蓋上方集裝箱與綁扎橋之間的相互作用。為控制這種影響，設(shè)計(jì)人員將甲板室移至前方區(qū)域，使甲板室下方形成封閉強(qiáng)力結(jié)構(gòu)，最后產(chǎn)生雙島式設(shè)計(jì)。與目前的加長(zhǎng)設(shè)計(jì)相比，加寬方案從強(qiáng)度角度而言更有可行性。

作用于集裝箱船的橫搖與橫向加速度取決于船寬，它們會(huì)對(duì)綁扎設(shè)備允許載荷以及船橋甲板上的人員產(chǎn)生影響。故設(shè)計(jì)人員增加綁扎橋的高度，允許高層堆垛較重集裝箱或者減少橫搖產(chǎn)生的橫向力對(duì)低層集裝箱造成的橫向扭變載荷，增加船寬意味著標(biāo)稱箱量將與實(shí)際載箱量不同。另外，某些集裝箱碼頭的橋吊只可外延60米，這是當(dāng)前加寬設(shè)計(jì)前必須考慮的因素，特別是部署大型集裝箱船的亞歐航線。endprint

參數(shù)3： 船深

船深取決于貨艙箱數(shù)、艙口蓋高度以及頂層集裝箱與艙口蓋底邊之間的距離。此外，上層甲板與艙口蓋頂之間至少2米高的通道必須保持暢通。通常有兩種可行的集裝箱布置方案：10層高箱，總高28.96米，或11層標(biāo)準(zhǔn)箱，總高28.5米。最終高度差異僅為459毫米，這意味著大部分設(shè)計(jì)貨艙都能容納10層高箱。

根據(jù)ISO 1496/1，貨艙底層集裝箱允許堆垛192噸（基于最大垂直加速度1.8g），等同于40尺箱平均重量為31噸，或者當(dāng)堆載是11層時(shí)，平均重量為28噸，相當(dāng)于典型的14噸均箱裝載工況。然而，此裝載工況是船東與造船企業(yè)之間訂立合同的關(guān)鍵內(nèi)容。造船企業(yè)和設(shè)計(jì)人員在增加貨艙層數(shù)或者船深時(shí)常常猶豫不決，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致貨艙最大集裝箱載荷異于14噸最大均箱裝載工況。

集裝箱船可以分析三種不同的吃水概念：設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和營(yíng)運(yùn)吃水。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)吃水用于航速和載貨量等合同條目;結(jié)構(gòu)吃水是所有國(guó)際法規(guī)和船級(jí)社規(guī)范的基礎(chǔ);不同的營(yíng)運(yùn)吃水用于計(jì)算不同裝載工況的燃油消耗。13000 TEU型船的設(shè)計(jì)吃水介于14.0～14.5米，而結(jié)構(gòu)吃水一般為15.5～16.5米。

然而，船體加寬的同時(shí)保持其船深和吃水會(huì)降低附加干舷值，因此有必要安裝防風(fēng)雨艙口蓋，但將導(dǎo)致額外的維護(hù)作業(yè)和成本。船東應(yīng)慎重考慮是否需要較大結(jié)構(gòu)吃水，或者是否可以通過較大的方形系數(shù)和較小吃水來達(dá)到相同載重噸。

參數(shù)4： 凈空高度

艙口蓋上方集裝箱數(shù)量上限受集裝箱強(qiáng)度的限制，與船深相似，主要不同之處在于船舶橫搖產(chǎn)生的橫向扭變載荷——在貨艙內(nèi)因?qū)к壍拇嬖诙鵁o此現(xiàn)象，此影響可以通過較高綁扎橋（目前最高為三層）和不同的堆垛裝置消除。多年來，通過1層、2層和3層綁扎橋的分別安裝，艙口蓋上方集裝箱堆垛層數(shù)逐步從8層上升到9或10層。必須注意的是，由于底層集裝箱強(qiáng)度的限制，堆垛總載荷只能略微增加，但是堆垛的重量分布可以調(diào)整。現(xiàn)已有艙口蓋上方11層集裝箱堆垛設(shè)計(jì)的船舶等待交付，另一個(gè)要素是艙口蓋上方集裝箱層數(shù)將進(jìn)一步增加甲板室乃至船橋甲板的高度，這將影響橫向加速度以及船員的安全，因此有必要安裝類似VLCC上采用的指揮位置的保護(hù)性結(jié)構(gòu)。

大阪、香港和漢堡港口橋梁的限制、亞歐航線上某些港口橋吊下的凈空高度限制也是應(yīng)納入考慮范圍的限制因素。endprint