未來(lái)大型集裝箱船發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)船級(jí)社 辛吉誠(chéng)

近年來(lái)，隨著國(guó)際海事組織一系列新公約陸續(xù)生效，特別是關(guān)于能效指數(shù)要求的全面生效對(duì)傳統(tǒng)的大型集裝箱船設(shè)計(jì)理念形成了一定沖擊。2013年大型集裝箱船MOL Comfort斷船事故也使得國(guó)際航運(yùn)界不得不重新審視船舶大型化所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。因此目前世界范圍內(nèi)新建的大型集裝箱船正呈現(xiàn)出一些與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念所不同的特點(diǎn)。

近年來(lái)新生效的國(guó)際公約、國(guó)際能源結(jié)構(gòu)與能源價(jià)格以及國(guó)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)都在影響大型集裝箱船的設(shè)計(jì)方案。在這些因素的共同作用下，未來(lái)大型集裝箱船的發(fā)展將呈現(xiàn)尺度增長(zhǎng)放緩、服務(wù)航速降低、船體型線及布置的改變的發(fā)展趨勢(shì)。

一是尺度增長(zhǎng)放緩。從規(guī)模化效應(yīng)的角度來(lái)看，船舶尺度越大，每單位貨物運(yùn)輸?shù)某杀驹降汀?guó)內(nèi)某班輪公司的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，一艘8000TEU的集裝箱船與兩艘4000TEU的集裝箱船相比，其運(yùn)輸成本可降低10% ～15%，其中燃料及人工費(fèi)用的減少是總成本得以下降的主要原因。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著高強(qiáng)度船體材料以及大功率船用發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)的日趨成熟，集裝箱船開(kāi)始正式邁入超大型化時(shí)代，從4000TEU到8000TEU，最終發(fā)展到18000TEU，集裝箱船的尺度在短短20年里擴(kuò)大了近5倍，單個(gè)集裝箱運(yùn)輸?shù)某杀疽蚕陆盗藢⒔?0%～47%，因此大型船舶帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著8000TEU以上超大型集裝箱船陸續(xù)投入歐亞航線，大型船舶在提升航運(yùn)總體經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也逐漸暴露了自身的不足。首先由于港口吃水及橋吊高度問(wèn)題，世界上能夠接納8000TEU以上集裝箱船的港口并不多，這在很大程度上限制了大型集裝箱船的營(yíng)運(yùn)范圍，導(dǎo)致適用大型集裝箱船的航線競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。其次，大型集裝箱船由于單艙尺度較大，貨物裝卸需要吊運(yùn)的次數(shù)相比中小型集裝箱船而言會(huì)更多，因此過(guò)大的尺度會(huì)對(duì)貨物的裝卸效率造成一定影響。另外，船舶的尺度越大，前期投入的資金也越多，這將在一定程度上影響到船東與造船廠的現(xiàn)金流。根據(jù)目前國(guó)際市場(chǎng)上集裝箱船的價(jià)格，一艘13000TEU集裝箱船的建造價(jià)格是一艘4000TEU集裝箱船的3倍左右。在目前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，全世界有實(shí)力建造這類船舶的船東和船廠只有寥寥幾家。

超大型集裝箱船的另一個(gè)問(wèn)題在于其風(fēng)險(xiǎn)過(guò)于集中，這是導(dǎo)致近年來(lái)國(guó)際航運(yùn)界提出適當(dāng)限制船舶尺度的最主要原因。一方面，大型船舶本身就具有較高的風(fēng)險(xiǎn)。隨著主尺度增加，船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、船體剛性、應(yīng)力集中、疲勞等問(wèn)題會(huì)更加突出，大大增加了船體結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，大型船舶由于體型過(guò)于龐大，操縱難度提高，在航行中發(fā)生事故的可能性也更高。從現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，大型船舶發(fā)生的碰撞事故的概率比中小型船舶要高出40%左右。另一方面，大型船舶本身運(yùn)載貨物的數(shù)量龐大，一旦發(fā)生海損后果會(huì)非常嚴(yán)重。2013年日本三井商船旗下的8000TEU大型集裝箱船MOL Comfort在印度洋航行中折斷，由此而引起的巨額海損理賠問(wèn)題至今尚未完全解決。由此可見(jiàn)，從經(jīng)濟(jì)及安全的角度來(lái)看船舶的主尺度并非越大越好。

從上面的分析可以看出，目前不少因素都制約了大型集裝箱船尺度的進(jìn)一步增大，因此未來(lái)大型集裝箱船主尺度繼續(xù)增加的可能性并不大。從目前國(guó)際造船市場(chǎng)的形勢(shì)來(lái)看，船東對(duì)于10000TEU以上的超大型集裝箱船下單也頗為慎重，大部分船東訂購(gòu)這類船舶的主要目的也并非為了提高經(jīng)濟(jì)效益。相比10000TEU以上的超大型集裝箱船而言，4000TEU左右的中型集裝箱船與8000TEU左右的大型集裝箱船更受船東青睞。二是服務(wù)航速降低。與傳統(tǒng)的雜貨運(yùn)輸相比，集裝箱船裝卸效率高，停靠港口時(shí)間短，提高航速有利于加快船舶周轉(zhuǎn)，提高船隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)集裝箱船以班輪模式運(yùn)行時(shí)還必須嚴(yán)格遵守公司對(duì)外公布的船期。因此航速較高、儲(chǔ)備功率富裕是傳統(tǒng)集裝箱船的重要特點(diǎn)之一。傳統(tǒng)大型集裝箱船的服務(wù)航速通常都在25節(jié)以上，最高航速一般都可以達(dá)到30節(jié)。然而，隨著世界范圍內(nèi)原油價(jià)格的不斷攀升，燃油消耗開(kāi)始成為航運(yùn)企業(yè)的主要成本之一。不少船東為降低燃料成本開(kāi)始嘗試在營(yíng)運(yùn)中降低航速，在訂購(gòu)新船方面也更傾向于低速、低油耗的船型，目前主流的集裝箱船最大設(shè)計(jì)航速已經(jīng)從原先的25節(jié)降低到22節(jié)左右，并有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)。

國(guó)際海事組織EEDI強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的全面生效是大型集裝箱船必須減速的另一個(gè)主要原因。盡管國(guó)際海事組織對(duì)于集裝箱船在載重量方面給予了30%的寬限，然而根據(jù)現(xiàn)行的EEDI計(jì)算方法分析，EEDI與船舶航速的二次方線性相關(guān)，因此船舶航速降低對(duì)于減少其EEDI值具有非常重要的意義。從這個(gè)角度來(lái)看，未來(lái)高航速的船舶將因難以滿足國(guó)際海事組織關(guān)于船舶能效方面的要求而逐漸退出國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)，低碳與減排將是未來(lái)大型集裝箱船設(shè)計(jì)與建造理念的主旋律。

新能源技術(shù)的采用也可能成為大型集裝箱船必須降速的原因之一。目前能夠用于船舶主推進(jìn)的新能源主要是氣體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。盡管氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及外形與傳統(tǒng)的低速柴油機(jī)并無(wú)太大差別，然而高溫爆燃及高壓噴射等技術(shù)問(wèn)題一直限制氣體發(fā)動(dòng)機(jī)功率的進(jìn)一步增加。目前世界上大部分采用氣體發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置的船舶不得不采用雙槳或電力推進(jìn)的動(dòng)力型式以彌補(bǔ)單機(jī)功率的不足，然而這種變通的方案又將導(dǎo)致船舶建造及維護(hù)成本的提高。對(duì)于將來(lái)計(jì)劃采用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置的船舶而言，在單機(jī)功率這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題未取得實(shí)質(zhì)性突破以前，只能在船速方面做出讓步。

日本三菱重工是近年來(lái)首次將低速理念引入大型集裝箱船設(shè)計(jì)領(lǐng)域的造船企業(yè)，該公司7500TEU系列集裝箱船設(shè)計(jì)航速僅21節(jié)。由于主機(jī)功率減小并采取大量節(jié)能措施，該系列產(chǎn)品在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)非常顯著。上海船廠船舶有限公司所研發(fā)的3500TEU系列集裝箱船在國(guó)內(nèi)同類型集裝箱船中率先采用降低航速的設(shè)計(jì)理念，在正常航行狀態(tài)下油耗遠(yuǎn)低于同級(jí)別的集裝箱船，因此該船型一經(jīng)推出就受到歐洲船東的普遍青睞，并在船市不景氣的大背景下獲得了大量訂單。隨著國(guó)際燃料價(jià)格的持續(xù)攀升及國(guó)際海事組織EEDI規(guī)則的強(qiáng)制生效，未來(lái)大型集裝箱船的航速還有可能繼續(xù)下降，節(jié)能環(huán)保型的船舶將更受市場(chǎng)歡迎。

三是船體型線改變。傳統(tǒng)的集裝箱船為確保其快速性通常采用首尾瘦削的型線設(shè)計(jì)，整個(gè)船長(zhǎng)范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有平行中體，這種設(shè)計(jì)方案在提高船舶總體阻力性能的同時(shí)也帶來(lái)了不少問(wèn)題。首先，集裝箱船屬于布置型船舶，船體空間屬于非常寶貴的資源。而過(guò)于瘦削型船，給船舶的整體布置帶來(lái)了很大困難。因此傳統(tǒng)集裝箱船總體艙容利用率并不高，特別是首尾線型較大的位置很多空間無(wú)法有效地用于貨物處所。再者，瘦削的船型導(dǎo)致整個(gè)船舶浮力集中在船中，而重力與貨物載荷則分布在全船范圍內(nèi)。因此集裝箱船的總縱強(qiáng)度問(wèn)題以及船體梁抗扭轉(zhuǎn)與剪切等結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題一直非常突出。最后，瘦削的船型設(shè)計(jì)將導(dǎo)致船舶的建造流程更加復(fù)雜，建造的周期及成本也顯著提升，這對(duì)船廠硬件設(shè)施及綜合管理能力提出了較高的要求。

航速較高的傳統(tǒng)集裝箱多采用較為瘦削的型線設(shè)計(jì)

航速較低的散貨船通常采用較豐滿的船型

未來(lái)大型集裝箱船船體型線可能發(fā)生的改變與船速的降低有著非常密切的關(guān)系。從船舶阻力成分的分布特點(diǎn)來(lái)看，船長(zhǎng)在300米左右的船舶當(dāng)航速降低到18節(jié)左右時(shí)粘性阻力所占的比例將迅速增加，因此未來(lái)大型集裝箱船可能會(huì)考慮采用在粘性阻力性能方面更有優(yōu)勢(shì)的豐滿型型線設(shè)計(jì)。豐滿的船型設(shè)計(jì)不僅可以改善船舶低速航行時(shí)的阻力性能，還能夠增加船舶貨艙容量，特別是首尾部貨艙的載貨量。這種型線設(shè)計(jì)方案還可以改善船舶整體受力情況，減少總縱強(qiáng)度方面的矛盾，進(jìn)而減少不必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)以降低空船重量。另外，當(dāng)型寬相同時(shí)豐滿的船型可以提供更大的橫傾回復(fù)力矩，這對(duì)于穩(wěn)性問(wèn)題突出的集裝箱船而言是非常有利的。由于豐滿的船型平行中體較多，因此在船舶建造過(guò)程中可以減少大量的工裝設(shè)施，大大降低船舶建造的成本與難度。因此，未來(lái)的集裝箱船在外形上很可能逐漸摒棄原先巡洋艦式的型式，向散貨船、油船的型式靠攏。

四是船舶布置的變化。航速的降低及型線的變化也將引起未來(lái)大型集裝箱船總體布置的變革。主推進(jìn)功率減少使得船舶可以安裝尺寸較小的主機(jī)，豐滿的船型也將使得船舶內(nèi)部空間更加寬敞，因此未來(lái)大型集裝箱船機(jī)艙區(qū)域的空間有望進(jìn)一步減少，以讓出更多位置給貨物區(qū)域。相對(duì)于原來(lái)瘦削的船型而言，同樣尺度的豐滿型集裝箱船的裝載量有望提高9%～15%，甚至更多。與此同時(shí)，由于豐滿船型內(nèi)部空間更為規(guī)則，對(duì)于單元件貨物的布置也將更加有利。

未來(lái)大型集裝箱船布置發(fā)生變化的另一個(gè)原因是由于船體型線變化而帶來(lái)的船舶總體受力狀況改善以及抗橫傾能力顯著提高。傳統(tǒng)集裝箱船浮力過(guò)分集中于船中，中拱明顯，總縱強(qiáng)度矛盾非常突出，往往需要通過(guò)壓載來(lái)調(diào)整船舶的總體受力情況。另外，大型集裝箱船裝有大量的甲板貨物，船舶重心偏高、橫向受風(fēng)面積大，而船舶自身回復(fù)力矩較小，因此需要在航行中通過(guò)壓載水提高其抗橫搖性能。而豐滿的船型可以有效地改善船舶總體受力狀況，同時(shí)在相同的主尺度條件下提供更大的回復(fù)力矩。因此這類集裝箱船所需的壓載水?dāng)?shù)量有望進(jìn)一步減小，將船上更多的空間分配給貨物。

然而，船舶航速的降低以及型線的豐滿不可避免地會(huì)帶來(lái)船舶操縱性能下降的問(wèn)題。對(duì)于靠泊作業(yè)頻繁的集裝箱船而言，可以采用更多的側(cè)推器以提高其低速狀態(tài)下的操縱性能。目前船型較為瘦削的大型集裝箱船均配備1臺(tái)首側(cè)推器以改善其在港口的操縱性能，而10000TEU以上的超大型集裝箱船往往會(huì)配備2臺(tái)。預(yù)計(jì)未來(lái)可能出現(xiàn)的豐滿型集裝箱船將會(huì)需要2 ～3個(gè)首側(cè)推器，必要時(shí)還需增加尾部側(cè)推器以提高其靠泊期間的操縱性能。

未來(lái)大型集裝箱船設(shè)計(jì)理念上可能發(fā)生的變化對(duì)于我國(guó)船企而言既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。從目前集裝箱船的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，中國(guó)船企可以從以下幾個(gè)方面著手準(zhǔn)備：

一是積極應(yīng)對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的采用。隨著世界范圍內(nèi)石油儲(chǔ)量日趨枯竭，將新能源用于船舶推進(jìn)對(duì)于造船企業(yè)而言已不再遙遠(yuǎn)。目前主要船用的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家已研發(fā)出不同類型的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，并已在船舶及海洋工程領(lǐng)域成功采用，氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)已日趨成熟。對(duì)于其他船舶而言，采用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)目前在技術(shù)上并不存在太大困難，然而這對(duì)于集裝箱船而言這確實(shí)是一個(gè)非常麻煩的問(wèn)題。

如何在船上儲(chǔ)存氣體燃料是集裝箱船采用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨的首要問(wèn)題。因?yàn)閭鹘y(tǒng)船用柴油機(jī)所需燃油通常采用液艙型式儲(chǔ)存，燃料艙可以在船上見(jiàn)縫插針地布置，船上空間能夠被充分地利用。然而氣體燃料多采用專用容器如低溫儲(chǔ)罐或壓力儲(chǔ)罐的方式進(jìn)行儲(chǔ)存，由于儲(chǔ)罐本身具有一定形狀，在船上布置存在一定的難度。對(duì)于散貨船、油船等甲板面積富裕的船舶，布置氣體燃料儲(chǔ)罐從理論上來(lái)說(shuō)并不麻煩。而集裝箱船屬于布置型船舶，船體及甲板空間是非常寶貴的資源，如何在布置氣體燃料儲(chǔ)罐的同時(shí)盡可能減少船舶載貨量的損失就成了一個(gè)非常麻煩的問(wèn)題。

氣體燃料使用的安全問(wèn)題也是制約集裝箱船采用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的重要原因之一。傳統(tǒng)的燃油發(fā)生泄漏后除容易著火以外并沒(méi)有其他風(fēng)險(xiǎn)，而氣體燃料一旦泄漏容易與空氣混合發(fā)生爆炸，因此氣體燃料相對(duì)燃油而言更加危險(xiǎn)，所采取的防爆及消防措施也更加嚴(yán)格。集裝箱船本身所需載運(yùn)的危險(xiǎn)品種類非常復(fù)雜，一旦采用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，將導(dǎo)致船上的安全及消防系統(tǒng)更加復(fù)雜。然而從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，船舶采用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是大勢(shì)所趨，因此中國(guó)船舶業(yè)在這方面應(yīng)當(dāng)有充分的準(zhǔn)備。

二是對(duì)大型集裝箱船造船市場(chǎng)發(fā)展形勢(shì)應(yīng)有充分的預(yù)期。傳統(tǒng)的大型集裝箱船屬于高技術(shù)、高附加值船型，這主要是由以下三個(gè)方面因素所決定的。首先傳統(tǒng)大型集裝箱船船型瘦削，線型復(fù)雜，船體建造難度較高。其次，傳統(tǒng)大型集裝箱船主機(jī)功率大，機(jī)艙施工及設(shè)備調(diào)試工作量大、難度高，中尾機(jī)型的設(shè)計(jì)也使得軸系施工更加復(fù)雜。最后，傳統(tǒng)大型集裝箱船總縱強(qiáng)度矛盾突出，甲板及艙口圍區(qū)域的材料厚度大，焊接難度高。正是由于這些原因，傳統(tǒng)的大型集裝箱船屬于船舶行業(yè)的中高端產(chǎn)品，目前全世界僅有日本、韓國(guó)以及中國(guó)的少數(shù)幾家大型造船廠具備建造大型集裝箱船的能力。

隨著大型集裝箱船減速化、豐滿化的發(fā)展趨勢(shì)，其本身所固有的建造難度也將略有下降。從理論上分析凡是能建造VLCC或好望角型散貨船的船廠將來(lái)都可能有能力建造大型集裝箱船，傳統(tǒng)大型集裝箱船建造廠家在這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷將不再明顯。從這個(gè)角度來(lái)看，未來(lái)集裝箱船的建造市場(chǎng)很可能會(huì)呈現(xiàn)出一種全新的格局。這對(duì)于我國(guó)船企而言無(wú)疑是一個(gè)重大利好消息，因?yàn)槲磥?lái)“低速豐滿”型式的集裝箱船在外形及動(dòng)力系統(tǒng)方面與大型散貨船并無(wú)太大區(qū)別，相對(duì)日韓而言我國(guó)船企在這類船舶的建造方面具有更豐富的經(jīng)驗(yàn)，在建造周期及價(jià)格方面也具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)于沒(méi)有建造過(guò)大型集裝箱船的船廠而言，厚板焊接及精度控制是集裝箱船建造的兩大難點(diǎn)。大型集裝箱船在甲板及艙口等敏感位置所采用的板材厚度比大型油船及散貨船要厚很多，這對(duì)于沒(méi)有厚板焊接經(jīng)驗(yàn)的船廠來(lái)說(shuō)是一個(gè)需要重點(diǎn)攻關(guān)的課題。由于集裝箱船運(yùn)輸?shù)氖菢?biāo)準(zhǔn)單元件，船體建造的精度將直接影響后續(xù)舾裝件的施工效率，進(jìn)而直接影響船舶整體建造周期，這點(diǎn)對(duì)于缺乏精度控制經(jīng)驗(yàn)的船廠而言也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

從目前世界主要船廠所獲得的訂單情況來(lái)看，大型集裝箱船的設(shè)計(jì)理念正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，未來(lái)大型集裝箱船的建造很可能呈現(xiàn)“平民化”的發(fā)展趨勢(shì)，這為中國(guó)船企的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了更多的選擇。然而值得注意的是。從目前的統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，2014年內(nèi)預(yù)計(jì)交付的13000 ～18000TEU集裝箱船有30艘之多，世界范圍內(nèi)集裝箱船運(yùn)力過(guò)剩的現(xiàn)象還將持續(xù)一定的時(shí)間。中國(guó)船企可以充分利用這段時(shí)間對(duì)自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)能力以及管理方式進(jìn)行調(diào)整，不斷提高自身的軟實(shí)力，為未來(lái)船市的全面復(fù)蘇做好充分的準(zhǔn)備。