20 000 TEU超大型集裝箱船開發設計

陳 弓

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司， 江蘇 南通 226005)

0 引 言

集裝箱船是專門從事集裝箱貨物運輸的船舶。第1代集裝箱船出現于20世紀50年代，主要用途是橫穿太平洋和大西洋的千箱級別集裝箱船。隨著科技的進步和經濟的騰飛，集裝箱船也在高速發展，箱量和運輸效率也在不斷提高。從集裝箱船型誕生到發展至8 000 TEU花費約46年時間，然后僅用12年時間，船型尺度就從8 000 TEU 發展到20 000 TEU。

2008年金融危機以來，航運市場持續低迷，導致企業間競爭日趨激烈，為降低營運成本，近年來集裝箱船日趨大型化并且該趨勢成上升態勢。2011年集裝箱航運巨頭馬士基集團訂造的3E級船開啟新一輪集裝箱船大型化趨勢，在馬士基集團的引領下，國內外多家知名班輪公司相繼訂造或者投入運營了20 000 TEU級別的超大型集裝箱船。由于規模經濟效應，大型集裝箱船單船載箱量越大，單箱運輸成本可實現下降。據研究，相對于12 500 TEU集裝箱船，18 000 TEU集裝箱船的單箱運輸成本下降約12%[1]。考慮到集裝箱船航運市場的激烈競爭和集裝箱船的發展趨勢，結合中遠海運船舶所有人的需求，南通中遠海運川崎船舶工程有限公司基于船廠豐富的集裝箱船設計建造經驗，于2015年自主研發出新一代大箱量、低油耗、智能化、節能環保型20 000 TEU超大集裝箱船。

1 主尺度

南通中遠海運川崎船舶工程有限公司建造交付的多系列集裝箱船正運營于全球各大班輪航線，通過深入調研，構建系列船的航行記錄數據庫，通過大數據分析船舶主要運營吃水、操作航速等重要數據，結合船舶所有人提供的船舶服務航線、目標箱量和載重量等參數，經過優化、計算及與船舶所有人交流，最終決定本船主尺度如表1所示。

型寬設定為58.6 m，貨艙內可裝載21列集裝箱，甲板上可裝載23列集裝箱，滿足歐亞航線上主要集裝箱碼頭橋吊外延長度的要求。考慮到集裝箱標箱和高箱的區別，型深按照8層標箱加3層高箱的方案設計，比同類型船高0.2 m，船舶所有人可以根據貨物高箱和標箱的情況自由選擇貨艙裝載方式，提高裝載靈活性。

主流20 000 TEU級別船的設計吃水一般為14.5 m，根據與船舶所有人的多次交流，結合實際航線運營情況，包括裝箱量和載重量的營運數據，本船設計吃水設定為14.0 m，結構吃水設定為16.0 m。

南通中遠海運川崎之前開發的集裝箱船型，符合傳統意義上的中高速船型的定義，最高航速通常能達到25 kn左右。近期通過實船數據反饋，船舶所有人出于節能考慮，實船中、低速航行的比例明顯提高，船型開發時，考慮集裝箱船趕班期的可能性，結合2方面因素的影響，本船的設計服務航速相對較高，設定為22.5 kn。

2 總體布置

為典型的單機單槳驅動，從事無限航區集裝箱運輸的超大型集裝箱船，最上層甲板為連續平直上甲板，在艉部系泊甲板處下沉，艏部采用節能型球艏，無艏樓，艉部采用方尾，半平衡舵匹配舵球舵鰭節能系統。

采用居住區與機艙分離式雙島布置，居住區前布置4個貨艙，居住區與機艙間布置5個貨艙，機艙后布置1個貨艙。在甲板上考慮2個45尺專用箱位，一個布置在機艙前側，另一個布置在居住區后側；甲板上布置23列11層集裝箱，采用20尺和40尺箱混裝形式，貨艙內布置21列11層集裝箱。該船總布置如圖1所示。

圖1 20 000 TEU超大型集裝箱船外形

居住區布置在船中，而機艙則布置在艉部，燃油艙布置在居住區下方，是典型的雙島布置設計。其最大的優點是大幅改善駕駛室的視線，同時，貨艙以及甲板上的裝箱量可增加約5%，降低了居住區的噪聲和振動水平。為使該船的裝箱量最大化，居住區與機艙間的集裝箱行數由初始設計的10行增加至11行。另一方面，由于集裝箱船甲板大開口的構造特征，居住區和機艙雙島的距離提升，使得船體扭轉應力及艙口圍對角線變形控制成為設計制造的關鍵技術。

3 設計特點

本船是基于最新的國際法規、船級規范以及船舶所有人需求和運營條件，通過一年多的優化和驗證，開發出的新一代技術先進、性能優秀的集裝箱船，具有裝箱量大、油耗低、安全可靠、綠色、環保、智能、可通過改造使用液化天然氣(LNG)作為燃料等特點，能效設計指數(EEDI)提前滿足10年后的Phase 3標準。各種設計特點見后文所述。

3.1 線型優化

采用最新的船體線型技術，運用數字化水池技術和模型水池試驗等方法，對船體線型進行多輪優化設計。采用先進的球鼻艏形式，控制和降低興波阻力，兼顧優化低速航行時的船舶性能，確保船舶在寬泛的航速范圍內均有優異的推進性能。楔形船尾的節能設計，可以平穩螺旋槳產生的尾流和船體艉波，降低艉部的興波阻力，同時提高艉部水流脫離速度，減少紊流的產生。配備如圖2所示的舵球舵鰭系統，能減少螺旋槳轂帽后的低壓區空間，對槳后的水流有良好的整流作用，從而減少紊流渦流引起的能量損失，同時能減輕尾流對舵和船尾的激振作用，綜合提高推進性能。

圖2 舵球舵鰭系統

3.2 LNG-Ready概念設計

LNG是清潔能源。日益嚴格的排放標準使船舶在排放控制區(ECA)的航行須更換低硫燃油或輕質柴油，而使用相對清潔的LNG燃料不僅可以滿足該區域的排放標準，而且還可以節省低硫燃油或輕質柴油與LNG燃料間的差價導致的巨額燃料費用。 因此，采用LNG作為燃料越來越受到船舶所有人的關注。但是，考慮到目前大型集裝箱船采用LNG燃料在技術上還不夠完全成熟，經濟效益還不具備壓倒性優勢，采用可在未來改造成使用LNG燃料的設計，即LNG-Ready設計，以滿足特定航線的大容量LNG燃料艙未來安裝，并充分研討LNG管路、燃氣供氣系統設置的布置和空間預留、主副機在今后改裝的可能等，滿足船級社最新發布的GR(S)船級符號。在未來氣體燃料基礎設施到位、經濟性可行的情況下，可改造轉換成氣體燃料運營。

3.3 裝載靈活性

綁扎橋按照高箱進行設計，采用20英尺箱和40英尺箱混裝模式，同時采用“外綁”方式，提高堆載荷重和甲板的裝載能力，提高重箱、高箱的裝載靈活性。

通過對貨艙通風系統、冷箱供電系統、檢修操作等詳細研討，考慮設置2個貨艙裝運冷藏集裝箱，同時考慮多個危險貨艙，基本涵蓋所有類型的包裝危險貨物，提高船舶攬貨能力和冷箱裝載靈活度，同時冷箱布置在貨艙內，降低倒箱作業的概率，節省在港時間。

貨艙內和甲板上分別可裝載11層集裝箱，考慮到航線上可能出現的大橋通行限制，將雷達桅設計為可傾倒式，當經過對船舶凈空高度有限制的區域時可臨時降低天線高度以達通行要求，目前凈空高度約68 m，滿足船舶所有人預定的亞歐航線的通行要求。

3.4 安全可靠

2013年6月，日本商船三井MOL Comfort號集裝箱船在距也門200英里(1英里=1.609 km)處發生事故，船舶從中間斷成兩截。日本國土交通省發布的最終調查結果[2]表明：船體斷裂最早出現在船中底板，產生該損傷的主要原因是船體梁極限強度不足，未考慮側壓對雙層底以及顫振對波浪彎矩的影響。IACS根據該船的調查結果以及其他一些事故推出了針對集裝箱船的2個新的統一要求，分別是UR S11A和UR S34，生效日期為2016年7月1日。本船雖無須適用該最新要求，但是在設計過程中已經預先考慮了其中的要求。

集裝箱船在水線以下的船體設計得很纖瘦。同時，為了在甲板位置獲取更大的空間以裝載更多的集裝箱而造成艏部線型外飄嚴重，艏艉的外飄形狀對波浪彎矩和扭矩具有非線性影響，實際的波浪彎矩分布與IACS規范要求值相差較大，本船通過非線性船舶運動分析來獲得。

超大型集裝箱船因其尺度大、航速高、船型艏部外飄和使用高強鋼等因素，易于發生彈振和顫振。彈振將激起高頻的應力循環，加劇船體結構的疲勞損傷，而顫振將使船體的波浪彎矩在某些瞬時明顯增加，甚至超出規范設定的設計波浪彎矩。設計時，依據LR船級社提出的彈振顫振分析方法[3]分別對疲勞強度和船體梁極限強度進行專門評價。

為確保總縱強度和扭轉強度，在艙口圍及上甲板位置采用高強度厚板。為了確保船體梁整體安全，在材料的選擇方面，縱向艙口圍板和上甲板分別采用具有防止脆性裂紋傳播特性的鋼板，其中艙口圍板為EH47S(CAT≤-10℃或Kca≥6 000 N/mm3/2at -10℃)，上甲板板為EH40S(CAT≤-10℃或Kca≥6 000 N/mm3/2at -10℃)。另外，根據日本船舶技術研究協會[4]的研究，對焊縫位置的斷裂韌性值作了測試，確保在極厚板焊縫中存在肉眼可見的裂紋時，在船體梁所能承擔的最大拉應力下，焊縫具備阻止裂紋進一步擴大生長的能力。

集裝箱船航速高，易產生砰擊損傷。采用二維切片理論，對船首尾砰擊壓力進行直接計算，對相關結果作砰擊強度計算，防止砰擊損傷。

3.5 智能化

本船實施互聯網+航運，全船布置局域網。通過采集各種設備的運行參數，設置專用服務器對大數據進行處理，實時的數據處理能協助船員進行科學決策。

為幫助船舶所有人利用船舶性能數據節省燃

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油，同時減少成本和減輕污染氣體的排放，配置能源監測管理系統。安裝的特定傳感器自動收集主機、副機、內部環境、外部環境、船舶運動參數等信息，基于前期的水池試驗數據，以及對后期航行數據的學習，經過處理分析，給出最佳的航線、速度、轉速、縱傾等一系列優化，使船舶達到最優的節能目標。

配備船岸數據通信系統，利用衛通系統與岸上進行實時數據傳輸，管理公司可利用岸基資源，結合洋流和氣象信息的分析，實時管控船上狀態，指導船員進行航線優化，必要時能實施遠程培訓。圖3為本船船舶能效管理系統圖。

圖3 船舶能效管理系統

4 結 語

20 000 TEU超大型集裝箱船是南通中遠海運川崎依據船舶所有人要求和市場需求開發出的新一代裝箱量大、油耗低的集裝箱船。該船采用諸多新的節能技術、節能設備和各種優化手段，能耗水平遠低于市場上同級別集裝箱船，新船EEDI低于目前標準的50%左右，滿足10年之后的排放標準。考慮目前主要的國際海運環保相關法規，包括壓載水管理公約和拆船公約，總體設計非常綠色、環保，取得船級社的環保船級符號。在結構安全方面，結合科研院所、船級社的最新研究成果，考慮超大型集裝箱船易于發生波激振動的特點，對該船的疲勞強度和極限強度作了充分研究。在新材料的使用方面，積極推動并協助鋼廠開發出滿足該船需要的具備止裂性能的高強度極厚板，并在船廠及研究所通過各種焊接試驗，以確保材料及焊接工藝滿足設計要求。

[1] 李源. 集裝箱船大型化猜想 [J]. 中國船檢，2014(9): 68-71.

[2] MLIT. Final Report of Committee on Large Container Ship Safety [R].2015.

[3] Lloyd’s Register. Guidance Notes on the Assessment of Global Design Loads of Large Container Ships and Other Ships Prone to Whipping and Springing [R]. 2014.

[4] 日本船舶技術研究協會. 超大型コンテナ船の構造安全対策の検討に係る調査研究報告書 [R]. 2009.