6 600 TEU集裝箱船球鼻艏的優化方法

黃 杰

(上海華潤大東船務工程有限公司，上海 202155)

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6 600 TEU集裝箱船球鼻艏的優化方法

黃 杰

(上海華潤大東船務工程有限公司，上海 202155)

基于適合集裝箱高速航行的球鼻艏在低速航行時減阻效果差的問題, 對6 600 TEU集裝箱船球鼻艏進行了優化。優化后的球鼻艏形狀為尖瘦形,低速航行時能有效降低興波阻力,節能效果明顯。

集裝箱船；球鼻艏；興波阻力；節能減排

0 引言

集裝箱船舶球鼻艏的作用是使球艏產生的興波與船體產生的興波相抵消，從而達到降低興波阻力的目的。但球鼻艏只在設計航速下產生正效應，即船舶只有在設計航速下航行時，球鼻艏才能有效地降低興波阻力，否則阻力更大。

航運公司為達到節能減排的目的，可以采取多種措施，如更換主機，在螺旋槳前安裝導流罩，水線以下油漆使用有機硅，低速航行等，低速航行是其中非常有效的手段之一。低速航行時要求的航速為15～18 kn，而適合于高速航行的球鼻艏在低速航行狀態下不僅不能降低阻力，甚至會增加阻力，因此必須對原球鼻艏進行優化，以適應低速航行。

本文對上海華潤大東船務工程有限公司承建完工的63條球鼻艏改裝工程中比較具有代表性的6 600 TEU集裝箱船進行研究。首先分析了新舊球鼻艏的特性，其次完成了新球鼻艏的生產設計，最終確定了球鼻艏進出塢的方案設計。

1 新舊球鼻艏特性分析

6 600 TEU集裝箱船主要參數為：船長301 m，船寬40 m，型深24.6 m，設計吃水12.0 m，設計航速25.0 kn。船東綜合運營數據，發現船舶航速在15.6 kn時能夠收到較好的經濟效益，要求設計公司在此條件下對球鼻艏線型進行優化。優化后的球鼻艏與原球鼻艏相比，在寬度方向上的曲率有很大的改變。原船的設計航速是25 kn，在此航速下，其球艏必須比較圓潤才能使其產生作用，這樣可以保證低壓區的存在，且與水面距離適中。當航速降低之后，艏部興波情況就會發生改變，此時適合高航速的圓潤型球鼻艏將會產生較大的興波，還會對艉部流場產生較大的影響，反而起到負作用。如果優化球鼻艏寬度方向的曲率，由圓潤形改為尖瘦形，并使球鼻艏端部降低，長度增長，就會使船舶在低速航行時的阻力性能明顯得到改進。

1.1 新舊球鼻艏直觀對比

圖1為某公司3種型號球鼻艏外形直觀對比。圖中，在低速航行(15 kn)狀態下，A形式的球鼻艏節能效果最好，B形式的球鼻艏(原船型號)效果次之，而C形式的球鼻艏效果最差。

1.2 新舊球鼻艏線形對比

新舊球鼻艏線形對比如圖2所示。通過圖2看出，相對于原船，優化后的球鼻艏線形有了很大的改變，寬度方向更瘦削，艏端更低，長度更長。

1.3 優化后的球鼻艏性能

球鼻艏優化后的船舶不適合高速航行，卻能夠在低速航行時顯著改善降低興波阻力及艉部的流場情況。關于這些效果，可以從以下幾項實驗計算所得到的結果中看到。

(1)當航速為19.0 kn時，吃水分別為9.0 m和12.0 m時的波浪狀況如圖3、圖4所示。

(2)航速16 kn時的波形狀況如圖5所示，航速25 kn時的波形狀況如圖6所示。

從圖3、圖4可以看出，當吃水為9 m和12 m時，采用優化球鼻艏的船舶，其艏艉的波浪高度明顯低于優化前的船舶，從而有效地降低興波阻力；從圖5、圖6可以看出，在9 m和12 m吃水狀態下，航速為25 kn時的艏部波形比航速為16 kn時的更尖銳、瘦削，且高航速時的艉部興波很大，而在低航速時艉部幾乎無興波。

(3)圖7表示吃水在9、12、13.5 m時，船體阻力與船舶航速的關系曲線。從圖7可以看出，船體阻力隨著航速的增加而增大，特別是在20 kn以后，增速顯著加大；圖8表示在4種吃水狀態下船舶航速與燃油節省的關系曲線。圖8中，隨著航速的增加，燃油節省效果越來越不理想。燃油節省效果與裝載狀況和航行速度密切相關。

(4)低速航速時，球鼻艏優化前后的燃油節省率分別見表1和表2。

表1 低速航行下球鼻艏優化前燃油節省率

表2 低速航行下球鼻艏優化后燃油節省率

從圖3～圖8以及表1和表2所得實船航行數據研究發現，低速航行對節能減排的效果是非常明顯的。原型船在低速航行時可以達到3.8%的節能效果，而目標船采用優化后的球鼻艏之后能夠達到5.9%的節能效果。但是原型船要達到表中所示節能效果，必須采用最佳縱傾方式，而最佳的縱傾位置一般在艏傾2 m處。要調節到縱傾位置須打入大量的壓載水，但又不能保證所有的傾斜狀態能調整到艏傾2 m。采用優化后的球鼻艏目標船，進行很小的浮態調整就可以達到甚至超過原型船最佳縱傾時的效果，從而避免了頻繁調節浮態所帶來的人力、財力、物力的消耗，且優化后的船舶如果再配合浮態調整，那么節能效果可以達到8%～13%。

2 新球鼻艏的生產設計和施工

2.1 生產設計

根據實驗數據以及設計任務書，首先進行線形設計和結構設計，然后根據設計圖紙進行生產設計，繪制施工圖，光順線型，外板放樣，準備板材，加工制作樣箱樣板等一系列工作。在進行生產設計時必須注意以下幾點：

(1)要根據準備的板材狀況認真確定板縫位置，盡可能提高板材利用率。

(2)要特別注意艏柱板轉圓弧位置的節點處理，此處零件加工難度較大。要綜合考慮公司的加工能力，現場裝配難易，施工人員施工方便性。

(3)要特別注意焊接節點的要求，以保證滿足相關規范，保證船體密性與強度；要特別注意分段劃分方式，綜合考慮公司場地、起吊能力、施工精度控制的難易來劃分分段。目前，施工時將球鼻艏分段在中間平臺處劃分為上下2個分段，上分段正造，下分段借助平臺反造。

(4)要特別注意重量重心的計算準確度，以便正確確定吊環的大小和位置。

(5)要特別注意進出塢的方案確定，盡可能節省寶貴的塢期。

(6)要注意分段總組時支撐的高度與姿態控制，確定高度時要綜合考慮所進船塢的塢墩高度和分段進塢合攏所使用的工裝件高度。一般分段上口合攏縫處要與原船保留150～200 mm的空檔。

(7)分段總組時的姿態須高度豎直，水平度良好，不能有縱傾、橫傾、橫搖的情況，否則塢內合攏時將花費很大的人力物力，最重要的是要浪費緊張的塢期，很難將其順利調整到位。

2.2 施工注意事項

由于新制球鼻艏的線型與設計線型是否相符，直接影響到改裝后船舶節能減排的效果，所以制作球鼻艏分段時，外板線形必須優先保證；嚴格控制分段制作周期，保證船舶在進廠之前完成分段的油漆噴涂及合攏工作；分段制作時，尤其要保證大合攏環形對接縫以及上口水平對接縫與原船的吻合度，相差太大會直接影響改裝周期；所有工裝件，包括吊環、支撐位置與高度、材料規格必須嚴格按照圖紙施工；船舶進廠后，如果是先靠泊碼頭，可以在進塢之前在合攏縫位置對大部分結構進行切割，適當在靠后位置保留1～2道強框架，在上部保留1層平臺即可。拆除原球鼻艏的吊環在此時也可以裝配焊接到位，這樣可以節省半天以上的塢期。

2.3 施工工藝流程

(1)根據設計圖紙繪制施工圖，放樣下料加工。加工時外板線形曲率要保證滿足精度要求，減少分段制作階段的裝配工作量。

(2)施工隊伍按照施工圖紙制作分段，完成后送噴涂房進行油漆作業。

(3)在船舶進廠前完成分段的總組。

(4)船舶進廠后，根據圖紙對內部結構可以提前進行劃線切割，拆舊用吊環安裝到位，以減少塢內工作量。

(5)船舶進塢后，精度管理人員對外板環縫進行精準劃線，拆舊用托架牽引到正確位置，安裝支撐管子等工裝件。切割完成后，將原球艏拉離現場。

(6)將拆除原球鼻艏的施工流程反向操作一遍，完成新制球艏的安裝。拆除馬板以及管子支撐，進行油漆修補等作業，整個球鼻艏改裝工程完成。

3 球鼻艏進出塢方案設計

目前，本文介紹的進出塢方案通常采用4～6部牽引小車沿著預先鋪設的軌道，將分段牽引至指定的位置。采用此方案對球鼻艏進行改裝，從船舶進塢開始劃線到鋼結構工程結構性完工報驗結束，一般可將周期控制在5 d之內。

4 結語

節能減排是全球各個行業的大趨勢。集裝箱船球鼻艏改裝經歷了2013年底到2016年中的一段高潮之后，受到國際油價的低位震蕩，改裝后的經濟效益已經沒有前幾年那般明顯。但是節能減排不僅能夠降低成本，對控制二氧化碳的排放也是至關重要的，所以球鼻艏改裝工程還有很大的市場潛力。

[1] 王中，盧曉平. 水面艦船加裝減阻節能球鼻艏研究[J]. 水動力學研究與進展，2006，21(6)：789-795.

2017-02-07

黃杰(1986—)，男，工程師，主要從事船舶修理與設計工作。

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