超大型集裝箱船的發展趨勢與質量控制要點

孫曉東　胡曉芳

摘 要：隨著國際范圍內燃油價格的不斷攀升以及國際海事組織關于航運能效設計指數強制標準的全面生效，作為海上貨運主力的集裝箱船在設計理念上發生了很大的變化。本文針對當代集裝箱船所呈現出的技術特點，結合作者船廠實際建造經驗以及未來超大型集裝箱船的發展趨勢，從船舶結構特點以及船舶建造工藝兩個方面對超大型集裝箱船的質量控制要點進行了歸納總結，為今后新船型的研發及設計提供參考。

關鍵詞：集裝箱船 結構設計 質量控制

相對傳統的干雜貨船而言，以標準運輸單元進行運輸的集裝箱運輸具有更便捷、更高效、更安全的特點，因此集裝箱船逐漸取代傳統意義上的干雜貨船開始成為海上運輸的主力。從規模效應的觀點來看，船舶的主尺度越大其經濟效益方面的優勢就越明顯，進入20世紀90年代以來，隨著高強度船體材料以及大功率船用發動機等關鍵技術的逐漸成熟，集裝箱船開始正式邁入大型化時代，并逐步呈現出一些全新的發展趨勢。隨著近年來國際經濟形勢的復蘇以及IMO節能減排法令的強制生效，大型集裝箱船再次成為了國際航運界關注的焦點。

當代集裝箱船的發展趨勢及所面臨的問題

進入21世紀以來，集裝箱船已經從最初的3500TEU、4700TEU發展到目前的8000TEU、10000TEU、14000TEU，目前能裝載18000TEU的超大型集裝箱船也正在研發的過程中。隨著船舶主尺度的不斷增大，當代超大型集裝箱船開始呈現出一些新特點。

目前國際船舶航運市場上的集裝箱船主要呈現出大型化、經濟化、環保化的發展趨勢。從現有的船型來看，8000TEU以上的集裝箱船船長普遍超過350m，14000TEU的船長已接近400m。從實際營運狀況來看，單航次所裝載的集裝箱越多，單個集裝箱的運輸成本就越低。因此，隨著高強度材料及焊接技術的迅速發展，未來的集裝箱船的主尺度還有可能繼續擴大。而船舶主尺度的迅速擴大必然導致船舶結構強度、船體剛性、應力集中、疲勞等問題更加突出。2013年6月20日，日本三菱重工建造的8000箱型集裝箱船MOL Comfort在印度洋的惡劣海況中折斷就是由于設計階段對大型船舶局部結構強度的特點認識不足所致。因此合理的結構型式與建造工藝是超大型集裝箱船在建造過程中需要特別關注的問題。

隨著世界范圍內原油價格的不斷攀升，燃油消耗開始成為航運企業的最主要成本，因此船東在選擇船型時更傾向于低速、低油耗的設計方案，目前主流集裝箱船的最大設計航速已經從原先的25節降低到18節甚至更低。隨著EEDI的全面生效，集裝箱船的減速已是大勢所趨。在這個背景下，當代集裝箱船開始逐漸采用較豐滿的型線設計，以改善船舶低速航行時的阻力性能并增加船舶貨艙容量，特別是首尾部貨艙的載貨量。這類設計理念將導致船舶首尾部的靜水彎矩及貨物載荷的增加，使得船體強度問題更加突出。

現代超大型集裝箱船的結構特點

與傳統大型集裝箱船相比，現代超大型集裝箱船船體結構的設計針對其強度問題突出的特點進行了調整。為減輕空船重量，高強度鋼材在大型船舶上的應用非常廣泛。而與傳統的大型集裝箱船相比，現代超大型集裝箱船的高強度材料使用的范圍更大，強度等級也更高。以10000TEU為例，整個船體結構除了在船尾的局部區域使用E級普通強度鋼外，其余部位均采用32及36級高強度鋼。而在艙口圍等高應力區域甚至采用68EH40高強度鋼，幾乎整個船體結構均有高強度材料構成。高強度鋼的廣泛使用將導致船舶建造過程中原材料的管理更加復雜，因為材料種類越多，發生錯用、混用的可能性就越大。同時相對普通低碳鋼而言，高強度剛的焊接性能較差，對焊接工藝及焊工技能的要求也更高。

傳統的集裝箱船為確保其快速性通常采用首尾瘦削的型線設計，整個船舶浮力集中在船中而重力則分布在全船范圍內，因此船舶的總縱強度一直是船體結構的主要矛盾，而局部強度的問題并不突出。而當代超大型集裝箱船開始采用較為豐滿的船型設計，通過增加裝載量以及減速來降低其能效指數。這種船型設計方案將導致船體結構的受力狀況更加復雜，局部強度也不容忽視。上世紀90年代初國內某船廠所研發的某型低速集裝箱船在投入營運后陸續發生了首部艙口結構開裂的事故就是由于設計既建造階段忽視了局部強度所致。因此，當代超大型集裝箱船在設計及建造的過程中，應當在關注總體強度問題的同時更加關注其局部強度問題。

超大型集裝箱船建造質量控制要點

集裝箱船結構型式復雜，不同位置的結構型式具有其固有的特點，因此建造過程中所需要關注的問題也不盡相同，具體可分為雙層底、舷側、甲板與艙口圍以及橫艙壁等區域：

1、雙層底與舭部區域

超大型集裝箱船位于雙層底區域肋板扶強材與內底板及外板縱骨連接部位的根部由于長期受外部水動壓力和縱向載荷的應力作用，容易產生疲勞損壞。因此大部分采用軟址結構以降低局部應力，在船舶建造過程中應確保這些軟址形狀與設計一致，焊接時應注意焊道的起弧點和熄弧點應盡可能遠離扶強材址端和根部。扶強材與縱骨間的角焊縫應成型光滑，包角焊成型良好，不應有咬邊和切口等易造成應力集中加劇的焊接缺陷。

位于貨艙內部的縱艙壁與舭部邊艙連接區域由于長期受周期性外部水動壓力、貨物慣性載荷和船體梁載荷的合成應力作用，存在較大的應力集中，因此這些位置通常不應開孔。如確實因為工藝性問題不可避免地開設R孔，也應在施工結束后將開孔區域打磨光順并加裝扇形嵌入板封閉該孔，以避免該位置因為疲勞應力而發生損壞。

2、舷側與抗扭箱區域

為提高船舶整體經濟效益，增加集裝箱裝載數量，集裝箱船舷側會存在大量的箱格結構。這些箱格結構會導致舷側內部縱骨的不連續性。船舶的舷側橫隔板加強筋與舷側外板縱骨及其內縱壁縱骨連接處的址端由于承受外部水動壓力和船體梁總體載荷交替變化產生的應力，容易疲勞。實踐中可在疲勞應力強烈的區域可采用全焊透的方式連接，以延長該區域的使用壽命。

抗扭箱為集裝箱船的特有結構型式，起到承受總縱彎曲和艙口位置抗扭曲的重要作用。橫艙壁與抗扭箱連接處的應力較高，此處多采用深熔焊或全熔透的焊接型式以降低疲勞裂紋的產生。在實際施工中應注意甲板縱骨與主甲板的焊接，因此處多為厚板結構，所以定位焊必須具有足夠的長度，否則焊接時候縱骨變形產生的應力較大，容易產生裂紋。

3、主甲板與艙口圍區域

集裝箱船甲板面積有限，因此主甲板與艙口圍區域多采用厚板結構，以確保船舶的總體強度。在艙口角隅處采用盡可能大的圓弧過渡并采用更高等級及厚度的鋼材，以避免艙口角隅位置的應力集中。由于超大型集裝箱船的艙口角隅范圍往往很大，因此在角隅插入板上應避免任何開孔（如通風筒、空氣管和測深管的開孔），并且保證艙口角隅處鑲嵌板圓弧自由邊倒角光滑圓整，必要時可以通過打磨進行修正。鑲嵌板與主甲板焊接時應注意焊道的起弧點和熄弧點應盡可能遠離角隅，焊道與母材之間應有良好的過渡，焊接完工后焊縫表面應打磨光順以避免應力集中。集裝箱船舾裝施工量很大，在后續施工中應特別注意對艙口角隅位置的保護，避免艙口角隅的自由邊在后續施工過程中損壞。

大部分集裝箱船由于甲板面積有限都會將艙口圍設計成全船連續的型式，以增加甲板位置承受總縱強度的能力。當船舶中垂或中拱時艙口圍將承受全船最大的彎曲應力，因此其結構形式及焊接質量尤為重要。以10000TEU集裝箱船為例，船舯艙口圍面板選用了62E40高強度鋼，板材厚度依次向艏艉遞減。在艏艉艙口圍處采用延伸過渡肘板使縱向艙口圍板的應力得到有效釋放。通常艙口圍端部肘板趾端部分應力最為集中，在施工中應確保趾端的型式與設計圖紙一致，并在整個肘板范圍內采用全焊透型式焊接，以提高該位置抗疲勞性能。艙口圍腹板位置的流水孔也是整個艙口圍區域的薄弱環節，通常其下方500mm范圍內的甲板縱骨或縱艙壁位置也應采用全焊透焊接，以避免該位置結構因疲勞而過早失效。

4、橫艙壁區域

集裝箱船的橫艙壁可分為上部及下部兩個部分。上部與縱艙壁連接處多為箱形結構，艙壁水平桁與縱艙壁連接的肘板處結構受總縱彎曲和扭轉應力作用，應力變化范圍較大，通常采用軟趾和大的圓弧肘板相結合的過渡結構以減小相交結構處的折角，提高抗疲勞性能。而艙壁下部與內底板連接處受力傳遞的作用，產生較大的壓應力通常在艙壁下面的實肋板與內底連接位置采用深熔焊或全熔透的焊接型式，以提高這類位置的承載能力。

結束語

從目前世界主要船廠所獲得的訂單情況來看，集裝箱船的設計理念已經有了很大的改變。本文結合目前世界超大型集裝箱船的發展趨勢及作者實踐經驗介紹了當代集裝箱船的結構特點和重點區域，希望能讓大家對超大型集裝箱船有一個更直觀的了解，在設計、建造和檢驗上對重點區域能有更準確的把握。

（第一作者單位：中國船級社上海分社）