16萬t級(jí)蘇伊士型原油船新一代開發(fā)研究

羅亞萍

(江蘇熔盛重工集團(tuán)有限公司,江蘇南通 226532)

1 項(xiàng)目研究背景

15.6 萬 t蘇伊士型油船是江蘇熔盛重工集團(tuán)有限公司品牌產(chǎn)品,由希臘CARDIFF航運(yùn)公司委托建造。蘇伊士型油船是世界原油運(yùn)輸?shù)闹髁Υ?通過2年多的努力,完成了首制15.6萬t蘇伊士型油船的研究、設(shè)計(jì)、制造、系泊試驗(yàn)、傾斜試驗(yàn)、航行試驗(yàn),各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到當(dāng)前國際先進(jìn)水平,具有廣泛的社會(huì)效益和顯著的經(jīng)濟(jì)效益,受到船東的好評(píng),為后續(xù)船的建造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)資料。

16萬 t級(jí)蘇伊士型原油船的開發(fā)研究重點(diǎn)是如何提高船舶的經(jīng)濟(jì)性、安全性、綠色環(huán)保性。整個(gè)新一代的研發(fā)設(shè)計(jì)需要考慮到油運(yùn)碼頭參數(shù)有無較大變化,航運(yùn)路線有無變化等各方面因素,同時(shí)也要保證蘇伊士型油輪設(shè)計(jì)的延續(xù)性、完整性。在保持船長(zhǎng)、船寬不變的基礎(chǔ)上,通過增加吃水和方形系數(shù)達(dá)到增加載重量,并在主機(jī)功率不變的情況下,保持航速相同的目的,真正做到節(jié)能減排、綠色環(huán)保。

2 項(xiàng)目研究目的

通過對(duì)16萬 t級(jí)蘇伊士型原油船的船型及性能優(yōu)化研究,分艙及穩(wěn)性優(yōu)化設(shè)計(jì),提高船舶的經(jīng)濟(jì)性和安全性。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)全船進(jìn)行有限元分析,提高船舶的疲勞強(qiáng)度和振動(dòng)性能。此外,經(jīng)過專業(yè)綜合平衡分析,解決機(jī)電系統(tǒng)優(yōu)化配置和機(jī)艙綜合布置優(yōu)化、操作系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,滿足柴油機(jī)最新排放標(biāo)準(zhǔn)(IMO MARPOL ANNEX VI),減少氮氧化物、硫化物、顆粒等,使柴油機(jī)包括主機(jī)、主發(fā)電機(jī)組等的氮氧化物排放從TIER I(17.0 g/kW?h)減少至TIER II(14.36 g/kW?h)。同時(shí),增加壓載水處理系統(tǒng),殺死壓載海水中的微生物,降低壓載水排放破壞海域生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。總之,通過不同的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,真正做到節(jié)能減排、綠色環(huán)保,滿足最新國際規(guī)范、公約要求。該項(xiàng)目取得的研究成果可在16萬t級(jí)蘇伊士型原油船等工程設(shè)計(jì)建造中應(yīng)用,為我國批量設(shè)計(jì)建造 16萬 t級(jí)蘇伊士型原油船奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

由于世界原油供應(yīng)越來越依賴于中東地區(qū),因此中東地區(qū)作為世界原油出口的主導(dǎo)地位將日益加強(qiáng)。而亞太地區(qū)又將是世界原油需求增長(zhǎng)最為強(qiáng)勁的地區(qū),消費(fèi)量超過北美,成為世界第一大石油消費(fèi)區(qū);從亞太地區(qū)石油供應(yīng)情況來看,主要產(chǎn)油國增產(chǎn)乏力,供需缺口將進(jìn)一步加大,因此未來亞洲地區(qū)將成為世界原油進(jìn)口的主要地區(qū),中東至亞太航線運(yùn)量和占中東地區(qū)的出口份額也將隨之快速增長(zhǎng)。

根據(jù)國際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)的要求,2010年前將淘汰所有單殼油輪。各造船企業(yè)未來 2年也將主要精力放在新訂油船的建造上。根據(jù)世界油輪船隊(duì)向大型化發(fā)展的趨勢(shì),16萬 t級(jí)蘇伊士型油船將成為各航運(yùn)公司更新?lián)Q代的主力船型。

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

眾所周知,石油是戰(zhàn)略資源,穩(wěn)定的石油供給是一個(gè)石油消費(fèi)大國的安全保障,過多地依賴外輪運(yùn)輸石油對(duì)維護(hù)中國的石油安全很不利。因此,盡快改善中國油船船隊(duì)規(guī)模小、噸位小、船型結(jié)構(gòu)不合理等問題,大力發(fā)展16萬DWT及以上的大型油船,加快油船船隊(duì)規(guī)模結(jié)構(gòu)的調(diào)整力度,以增強(qiáng)中國油船船隊(duì)的競(jìng)爭(zhēng)力成為當(dāng)務(wù)之急。

4 必要性分析

16萬 t級(jí)蘇伊士型原油船精品船型是市場(chǎng)需求大、技術(shù)基礎(chǔ)好的主流船型,以提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、突出品牌效應(yīng)、擴(kuò)大市場(chǎng)占有率和增加效益為出發(fā)點(diǎn),在15.6萬t油船批量建造基礎(chǔ)上,針對(duì)提高船舶安全性、綠色環(huán)保性、營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性和使用舒適性的系統(tǒng)設(shè)計(jì),開展精細(xì)化設(shè)計(jì)、船型優(yōu)化和系列化研究,滿足新的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以及即將實(shí)行的設(shè)計(jì)能效指數(shù)EEDI等指標(biāo),將16萬t級(jí)蘇伊士型原油船打造成技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、質(zhì)量、適造性、性價(jià)比等各方面指標(biāo)都達(dá)到世界同類產(chǎn)品先進(jìn)水平的精品船型。

5 主要研究?jī)?nèi)容

5.1 總體設(shè)計(jì)方案研究

(1)數(shù)字化開發(fā)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

針對(duì)大型油船的特點(diǎn),進(jìn)行 16萬t級(jí)蘇伊士型原油船三維數(shù)字化總體研發(fā)設(shè)計(jì),制定科學(xué)合理的管理標(biāo)準(zhǔn)、工作標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn),在多平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)全面的產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享與有效管理,形成設(shè)計(jì)集成平臺(tái),建立 16萬 t級(jí)油船設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)主尺度優(yōu)化研究

在收集分析國內(nèi)外大型優(yōu)良油船船型資料的基礎(chǔ)上,以公司批量建造的15.6萬t級(jí)油船為參考船型,綜合船東的要求并通過性能分析和經(jīng)濟(jì)論證,確定16萬t級(jí)蘇伊士型油船的主尺度。

主尺度優(yōu)化研究旨在保持母型船船長(zhǎng)、船寬不變的情況下,通過增加吃水和方形系數(shù),達(dá)到增加載重量的目標(biāo);并在主機(jī)功率不變的情況下,航速相同。

(3)型線設(shè)計(jì)優(yōu)化

結(jié)合性能和船舶總布置要求開展線型優(yōu)化設(shè)計(jì),利用船型及性能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和船舶設(shè)計(jì)軟件建立該船三維數(shù)字化船體線型,并完成線型優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

(4)螺旋槳設(shè)計(jì)優(yōu)化

本船螺旋槳設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)流理論,采用升力線理論計(jì)算程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。用該方法可以分別選擇各半徑處最適宜的螺距和切面形狀,以考慮到船后伴流場(chǎng)不均勻性影響,因而對(duì)于螺旋槳的空泡和激振力問題能進(jìn)行比較充分地考慮。并且對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的螺旋槳進(jìn)行空泡、激振力測(cè)試試驗(yàn)。

(5)快速性、操縱性及適航性優(yōu)化試驗(yàn)研究

應(yīng)用在船舶快速性能、阻力性能和推進(jìn)性能的研究成果,通過阻力及推進(jìn)理論,對(duì)該船的水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值分析和計(jì)算,得到相應(yīng)的航海性能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),并結(jié)合船模試驗(yàn),對(duì)該船設(shè)計(jì)性能進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步優(yōu)化。

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究

在16萬t級(jí)油船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,控制空船重量既能減少鋼材消耗,降低造價(jià),又能增加載重量,提高航運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益,意義重大。本船在母型船的基礎(chǔ)上,將通過增大型深和吃水,經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),增加新船的載重量。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究采用直接計(jì)算法,結(jié)合數(shù)字化建模和規(guī)范要求,在綜合考慮彎曲強(qiáng)度、剪力、穩(wěn)定性及疲勞強(qiáng)度的情況下,使增加的空船重量最小化。

5.3 輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

蘇伊士油輪是比較成熟的油輪,但隨著船舶技術(shù)的更新,國際法規(guī)和地方法規(guī)關(guān)于節(jié)能、環(huán)保、綠色造船的要求越來越嚴(yán)格,對(duì)船舶設(shè)備及系統(tǒng)有更高的要求。16萬 t級(jí)在輪機(jī)方面主要有以下改進(jìn),使該船更具有環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

(1)機(jī)艙和泵艙空間布置的優(yōu)化研究

對(duì)于機(jī)艙和泵艙的布置,應(yīng)從增大使用面積的角度出發(fā),在相同主機(jī)和航速的條件下盡可能增加船舶載重量。

16萬 t級(jí)油輪通過對(duì)機(jī)艙和泵艙布置的優(yōu)化處理,機(jī)艙和泵艙內(nèi)的設(shè)備布置更便于操作,更加緊湊;系統(tǒng)布置更符合原理,更簡(jiǎn)潔,達(dá)到減少機(jī)艙和泵艙空間,增加貨艙容積的效果。在不增加主機(jī)功率情況下,增加船舶運(yùn)輸能力,提高運(yùn)輸效率,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益。

(2)船舶減排研究

隨著國際海事組織IMO減排行動(dòng)提速,如何從各方面能最經(jīng)濟(jì)有效和最大程度地避免或減少和控制各種污染,成為急需解決的問題。減少船舶 SOX排放量的最有效的途徑是使用低硫燃油或替代燃料。16萬 t級(jí)油輪為船用汽油進(jìn)入主機(jī)、輔機(jī)和鍋爐時(shí)的黏度等問題確定了解決方案。

(3)壓載水處理研究

船舶壓載水是船舶離岸時(shí)攜帶用于船舶穩(wěn)定平衡的壓載物,船舶到岸時(shí)為空出噸位,必須將壓載水排入到岸國的海域中,由船舶排放壓載水引發(fā)的外來生物入侵已成為海洋中有害生物傳播的主要途徑。

隨著世界航運(yùn)業(yè)的發(fā)展,船舶壓載水問題給全球海洋環(huán)境帶來一定程度的威脅,引起人們高度重視,配置有效處理船舶壓載水系統(tǒng)將成為船舶進(jìn)入他國港口的“通行證”。16萬 t級(jí)油輪研究采用高效、低成本、不產(chǎn)生二次污染的壓載水處理系統(tǒng)。

5.4 環(huán)保材料選型研究

目前世界日益重視對(duì)環(huán)境的保護(hù)。在船舶行業(yè),IMO于2003年 12月提出了一份關(guān)于船舶拆解綱領(lǐng)文件(A962(23)Guidelines on Ship Recycling),旨在減少拆船過程中對(duì)環(huán)境的污染。設(shè)計(jì) 16萬 t級(jí)油輪時(shí),充分考慮船舶的建造、營(yíng)運(yùn)以及拆解等整個(gè)生命過程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響,引入“綠色造船”的設(shè)計(jì)理念,即對(duì)造船的材料、零部件按照IMO、國際航運(yùn)工會(huì)、國際勞工組織等相關(guān)要求進(jìn)行嚴(yán)格的選型研究。這些選型由船級(jí)社認(rèn)證,盡可能減少船舶在整個(gè)生命周期過程中對(duì)環(huán)境的污染。

在保證船舶安全性能的基礎(chǔ)上,盡可能選擇安全環(huán)保和可回收的材料以及減少選擇已知的對(duì)健康和環(huán)境構(gòu)成潛在危害的物質(zhì)。遵守國際公約及規(guī)范,凡是《關(guān)于持久性有機(jī)污染物(POPs)的斯德哥爾摩公約》、《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》以及《控制船舶有害防污底系統(tǒng)國際公約》等禁止或限制使用的有害物質(zhì),都絕對(duì)禁止選用。

6 16萬t級(jí)原油船主要技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目的研發(fā)采取船廠、院所、專業(yè)設(shè)備公司結(jié)合的新的模式,堅(jiān)持“產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合,堅(jiān)持船型開發(fā)和關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)相結(jié)合,充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),全面掌握新一代 16萬 t級(jí)主流蘇伊士型原油輪設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),并達(dá)到當(dāng)前世界先進(jìn)水平。16萬 t級(jí)原油船總布置圖如圖 1所示。其主要技術(shù)指標(biāo)為:

圖1 16萬t級(jí)原油船總布置圖

7 研究成果及成果形式

本項(xiàng)目針對(duì)目標(biāo)船型的優(yōu)化方案分別進(jìn)行計(jì)算、分析,通過試驗(yàn)比較,選擇了一個(gè)較優(yōu)方案,完成了規(guī)格書要求的所有內(nèi)容。研究成果包括:

(1)建立 16萬 t級(jí)油船設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。通過總體、結(jié)構(gòu)、輪機(jī)、電氣、環(huán)保等方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的研究,建立完整的16萬t級(jí)油船設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)完成 16萬 t級(jí)油船送審圖紙?jiān)O(shè)計(jì),并通過船級(jí)社審查。

(3)撰寫 16萬 t級(jí)蘇伊士型原油船主尺度選擇、線型優(yōu)化、水動(dòng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞分析、自動(dòng)化系統(tǒng)配置等方面的專題研究報(bào)告。

(4)申請(qǐng)發(fā)明專利 1～2項(xiàng),實(shí)用新型專利 2～3項(xiàng)。

(5)通過項(xiàng)目實(shí)施,培養(yǎng)高級(jí)工程師 4名,工程師8名。