9200TEU集裝箱船的總體設(shè)計(jì)

9200TEU集裝箱船的總體設(shè)計(jì)尹遜濱【摘要】The9200TEUcontainershipisanewPanamaMaxtypecontainershipdesignedbyCIMCOceanEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,LtdforCMACGMinFrance,thethirdlargestshippingcompanyintheworld.Thisarticlebrieflydescribesthemaindesignfeaturesoftheshipfromtheaspectsofmaindimension,generalarrangement,optimizationforhulllinesandcargoholdventilation,etc.TheshiphasbeendeliveredtotheshipowneronJune25,2014.%9200TEU集裝箱船是中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司為世界第三大航運(yùn)公司法國(guó)CMACGM航運(yùn)公司設(shè)計(jì)研發(fā)的一型新巴拿馬型集裝箱船.從主尺度論證、總體布置、型線優(yōu)化設(shè)計(jì)、貨艙通風(fēng)等方面介紹了該船的設(shè)計(jì)特點(diǎn).該船已于2014年6月25日成功交付船東.【期刊名稱】《船舶與海洋工程》【年(卷)，期】2015(031)004【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P5-9)【關(guān)鍵詞】集裝箱船;總體設(shè)計(jì);主尺度;型線優(yōu)化;貨艙通風(fēng)【作者】尹遜濱【作者單位】中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海201206【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U6620引言自集裝箱船問(wèn)世以來(lái)，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(jí)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)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(guó)公民投票正式通過(guò)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(lái)的長(zhǎng)294.1m、寬32.3m、吃水12.04m的限制，增加到長(zhǎng)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(lái)越多的船東開(kāi)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(lái)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(guó)對(duì)保護(hù)環(huán)境、防止污染的呼聲日益增長(zhǎng)，對(duì)污染源限制的要求越來(lái)越高。國(guó)際海事組織（IMO）2008年10月召開(kāi)會(huì)議對(duì)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(duì)NOx、SOx、CO2和顆粒物等含量均提出了嚴(yán)格要求；對(duì)不同轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，其中Tierl和TierH要求已分別于2000年和2011年起開(kāi)始執(zhí)行；TierB將于2016年1月1日起開(kāi)始生效。2011年7月，國(guó)際海事組織（IMO）在英國(guó)倫敦總部召開(kāi)了會(huì)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日及以后安方攵龍骨的400總噸及以上國(guó)際航行船舶。為應(yīng)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)范不斷實(shí)施，開(kāi)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(duì)巴拿馬運(yùn)河拓寬以及日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，法國(guó)達(dá)飛航運(yùn)公司（CMACGM）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(jí)戰(zhàn)略，結(jié)合法國(guó)船東CMACGM的緊迫需求，研究開(kāi)發(fā)了一型具有自主知識(shí)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(jiàn)圖1）。圖19200TEU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(hào)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(kāi)口雙殼結(jié)構(gòu)，雙層底的管弄布置在2號(hào)貨艙到6號(hào)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(hào)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“RussianStowage”。45英尺的集裝箱根據(jù)綁扎橋的布置可從第三或四層開(kāi)始裝載，但部分艙口蓋（Bay02,26,50）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(wú)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(hào)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(jiàn)表1）表1主尺度與要素總長(zhǎng)垂線間長(zhǎng)型寬設(shè)計(jì)吃水結(jié)構(gòu)吃水載重量（結(jié)構(gòu)吃水）燃油艙柴油艙淡水艙壓載水艙299.95m286.00m48.20m12.50m14.80m113800t液艙容積10500m3400m3500m330000m31.2裝載能力（見(jiàn)表2）表2裝載能力甲板上貨艙內(nèi)總計(jì)重箱數(shù)（14T/TEU）5594TEU3695TEU9289TEU7050TEU1.3主機(jī)、航速和續(xù)航力（見(jiàn)表3）表3主機(jī)航速和續(xù)航力主機(jī)型號(hào)MCRSMCRCSR服務(wù)航速（結(jié)構(gòu)吃水）續(xù)航力航區(qū)42687kWx75.3r/min22kn30000nmile無(wú)限航區(qū)47430kWx78r/minMANB&W9S90ME-C9.2TierII52290kWx84r/min1.4船級(jí)、規(guī)范、規(guī)則及公約該船入法國(guó)BV船級(jí)社，參照BV船級(jí)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(guó)際噪聲和振動(dòng)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(guó)為巴哈馬（Bahamas）。船級(jí)符號(hào)IHULL,MACH,ContainerShip,Unrestrictednavigation,VeriSTAR-HULLDFL25years,MON-SHAFT,AUT-PORT,AUT-UMS,FORS,INWATERSURVEY,SDS,ALP,LASHING,GREENPASSPORT,CLEANSHIP,WHISPII2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(kāi)始后不久，許多航運(yùn)企業(yè)和船級(jí)社就已根據(jù)公布的第三號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)<300m、船寬<49m、吃水24.5m。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(duì)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(wèn)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(yíng)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(yíng)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(zhǎng)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(guó)際海事組織（IMO）對(duì)綁扎橋設(shè)計(jì)新規(guī)范MSC.1/Circ.1352的情況下最短（見(jiàn)圖2）,最大程度壓縮船長(zhǎng)，以降低船舶的空船重量。圖29200TEU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(kāi)布置，與單島式集裝箱船相比在船長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)方向的長(zhǎng)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(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性（見(jiàn)圖3）。圖39200TEU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(zhǎng)286m，船寬48.2m，與常規(guī)集裝箱船的設(shè)計(jì)相比，其船長(zhǎng)較短，而船寬較寬，長(zhǎng)寬比只有5.9。設(shè)計(jì)航速要求非常高，其弗勞德數(shù)FU0.22。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(dòng)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(guò)CFD計(jì)算軟件進(jìn)行了水動(dòng)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(guó)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(wú)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(chǎng)，減小艏部興波從而減小船舶總阻力。通過(guò)與國(guó)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(jiàn)圖4）。圖49200TEU集裝箱船線型CFD計(jì)算優(yōu)化前后對(duì)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(guó)內(nèi)外水池的數(shù)據(jù)庫(kù)中均屬一流水平，可以滿足船東在規(guī)格書(shū)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(cè)速，測(cè)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(duì)于同樣大小的集裝箱船貨艙來(lái)說(shuō)，艙內(nèi)是否布置冷箱對(duì)貨艙通風(fēng)的設(shè)計(jì)影響非常大。以5號(hào)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(lái)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(duì)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?，?duì)冷箱的制冷效果不利，因此，貨艙內(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(jí)社的要求，最終確定貨艙的通風(fēng)量，進(jìn)而展開(kāi)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(jiàn)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(tái)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(tái)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(hào)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(wú)火花風(fēng)機(jī)；4、5、6、7號(hào)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(wú)火花型風(fēng)機(jī)；同時(shí)，在1、2、3號(hào)貨艙均配備了4臺(tái)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)，