新型極地模塊運輸船總體設計綜述

夏討飯

（中遠海運重工技術研發中心，遼寧大連 116600）

0 引言

隨著世界經濟快速發展，區域經濟發展的不平衡也逐漸顯現。在工業產品方面，基于中國工業產品生產能力的快速提高和亞非拉落后國家的發展需求，以及全球“個性化”工業生產的推廣促進了整體貨物的運輸需求，能夠裝運大型貨物的甲板運輸船需求進一步上升。另一方面，石油天然氣開發在陸地和淺海水域已過度開發，人們的目光已逐漸從淺海到深海，以及近年在北極地區開發的大型天然氣項目，在這些深海和極地區域由于無法進行深度施工，要求油氣平臺的建設需要在陸地工廠進行組裝并整體運至目的地，可以高效、安全地載運這些特種模塊設備的模塊運輸船迎來了快速發展的契機。

模塊運輸船主要用于裝載大型海工、油氣模塊、發電設備、化工和煉油設備、重大基建設備等重大件整體貨物，具有全通無障礙型載貨甲板，可以采用滾裝或滑裝等不同的裝卸方式的特種船舶。本文介紹的21 000 DWT項目是中遠海運重工為荷蘭船東設計建造的適合于極地航行的模塊運輸船總體設計研究。

1 主要參數

模塊運輸船是典型布置地位型船舶，主尺度的確定主要是依據載貨甲板的面積所決定，本船主要服務于俄羅斯北部亞馬爾地區天然氣項目的開發，承擔大型模塊運輸任務，根據主要模塊的尺度要求，結合滿足規范和公約等要求進行設計，主尺度參數如表1所示。

表1 主要參數

本船入級 LR船級社，主要入級符號包括：Strengthened for heavy cargoes, Submersible to a depth of 1.5 m below cargo deck in harbor only, Ice-class 1A FS, Winterization H (-55oC), NAV1, CCS等。

2 總布置介紹

本船根據載運貨物屬性，要求具有滾裝、滑裝和吊裝3種不同裝卸方式的能力，載貨甲板要求具有全通無障礙形式，為了實現該功能，本船采用的是雙層甲板形式，甲板之間為1.5 m高的空艙，用于布置壓載艙室的透氣、溢流管系等。雙層甲板設計更適合裝卸貨物在甲板上反復焊接和切割而不會破壞壓載水艙。載貨甲板區域的系泊設備均采用凹入甲板下的方式進行布置，欄桿和艉部桅桿為可拆卸式。

在載貨甲板下全船設置有12道水密橫艙壁，3道水密縱艙壁。除了布置機艙、泵艙、推進器艙等必要的功能艙室外，剩余大部分空間主要布置為壓載水艙，總計有51個，大量充足的壓載水艙可以根據碼頭壓載及穩性計算的要求對船舶浮態進行合理調節。

上層建筑（包含駕駛室）位于船首，優勢是駕駛室視線不會因為裝載大件貨物而受影響。為了防止船舶在低溫環境中，甲板機械設備被冰雪覆蓋、冷凍，本船首部采用封閉式上層建筑，吊機和救生設備布置在艏樓甲板。詳細總布置如圖1所示。

圖1 總布置圖

3 線型設計優化

模塊運輸船的主尺度參數比較特殊，具有長寬比較小，寬度型深比較大，給線型優化帶來很大困難。而本船除了尺度比特殊性以外，同時還需要考慮1A級冰區航行船舶最小功率要求對型線設計的影響，加大了線型優化設計的難度。

首先，考慮是滿足浮態要求，本船的載貨甲板位于尾部，在滿載時重心靠后，所以相對于常規貨船浮心在中前位置不同，模塊運輸船的浮心位置位于船中之后。在中前部分采用平直型線型設計，確保船舶在冰區航行時的浮冰可以阻力更小，同時控制在設計水線面3/4船寬處的進流角，因為該角度對于最小功率的要求影響比較大，整個進流段長度設計1/2垂線間長。

其次，船首形式的選擇，在設計初期，采用的是垂直型艏（圖2），經過船模阻力快速性能試驗后，通過分析實驗結果以及同水池工作人員的研討，認為增加了一個小球艏后，可以得到更好的阻力性能。最終經CFD分析，減少阻力值為總阻力的5%～8%。

最后，對于在冰區航行船舶，本船在艏艉部考慮增加了冰刀等附體，以保護球鼻艏、舵和軸系等突出船體的部分，這些附體設置也導致船舶阻力略有增加。

圖2 線型優化對比

4 穩性計算

模塊裝備由于其尺寸大，質量重等貨物性質，使其在船舶載貨時整船的重心高度和受風面積變化很大，因此本船穩性計算主要考慮的滿載貨物狀態，設計難點包括以下幾點：

1）重心高度。在裝載大件貨物時，重心高度由于貨物的影響大幅增加，約為裝貨前的3倍。同時受風面積也隨之增加1倍左右，且型心高度增加3倍，貨物尺寸和重心高度對船舶穩性具有決定性的影響。

2）受風面積。除了重心高，貨物的受風面積大，型心高也是甲板運輸船貨物的特點，對穩性產生的不利影響非常明顯。在氣象衡準要求中，受風面積的不同計算結果差異很大。所以在設計初期考慮穩性對主尺度影響時，需要了解潛在貨物典型受風面積尺寸，確保裝載貨物后穩性計算滿足要求。

3）穩性衡準。由于本船特殊尺度特性（型寬大，型深小），船舶在較小橫傾角時甲板已開始入水，進而復原力臂很快達到最大值，這一橫傾角小于25°，無法滿足常規船舶“最大復原力臂對應橫傾角大于25°”的要求。因此根據IS CODE（2008）的要求，采用另外一個衡準“長寬比大于2.5的船舶，上述角度可調整為 15°”對本船進行穩性計算，實際工況計算總結發現，最大復原力臂對應角都在 20°左右。

5 壓載系統

本船壓載系統設計極其復雜，主要原因是相對于常規船舶，除了考慮常規船舶的要求外，還需要重點考慮采用滾裝或滑裝方式裝卸貨時，壓載水對浮態的快速調節能力，其主要特點如下：

1）艙室數量多。均勻布置大量壓載水艙，在裝卸貨物時根據載貨甲板與碼頭匹配情況對船舶吃水和橫傾狀態進行大范圍調整。本船壓載艙數量為51個。

2）管路設計復雜。除了配置常規的壓載系統外，為了防止船舶進行滾裝或滑裝作業時產生快速橫傾和縱傾，甲板運輸船的壓載系統還設計成左右任意2個壓載艙直接調駁，實現快速、靈活多變的調載。

3）壓載艙容量大。全船采用4臺壓載泵，每臺容量3 000 m3/h，壓載系統主管管徑最大設計為DN 1 000。

具體參數設計比較見表2。

表2 具體參數設計比較

6 冰區加強結構設計

本船結構設計需要同時滿足LR船級社1A和Winterization H兩個船級符號的要求。對于冰區加強船舶，根據規范要求，首先確定上冰帶水線（UIWL）和下冰帶水線（LIWL）。在確定冰帶水線后，依據本船選擇的1A冰級的要求，確定冰帶外板和冰帶肋骨的垂向范圍。其次，沿船長方向劃分整船縱向的冰帶范圍，根據規范要求，沿船長應分為艉部冰帶、舯部冰帶和艏部冰帶。根據不同冰帶區域的實際情況，考慮到船體梁的總縱強度對剖面模數的要求，對舯部冰帶和艉部冰帶范圍內采用縱骨架式的結構，冰帶縱骨間距為正常縱骨間距的一半。對艏部冰帶則采用橫骨架式的結構，冰帶肋骨間距為正常肋骨間距的一半。

圖3 冰帶設計圖（單位：mm）

7 防寒防凍措施介紹

7.1 船體材料

在低溫水線（cold waterline）以上的外板、與外板連接的強框架、艙壁以及扶強材，按照Winterization H的要求，根據結構類型，分為主要構件、次要構件以及特殊構件3個等級，針對不同等級，分別有材料厚度與材質的對應表格。為滿足本船極限溫度為?55℃的條件下，船體結構能夠正常使用，對上述區域結構的材質進行了重新設計，相應位置的材質較常規船舶至少提高了一個等級。據統計，約1 600 t的鋼結構增加材料等級，約占全船鋼結構重量的18%。

7.2 壓載艙的防凍措施

壓載艙的防凍措施一般有3種：加熱盤管、持續循環攪動系統和壓載艙空氣吹泡系統。該船壓載艙提供吹泡管。壓縮空氣經過減壓閥組減壓后，吹入壓載艙底部，帶動壓載水循環，從而實現壓載艙的防凍目的。同時，經過船廠的設計優化，在滿足設計工況的情況下，艙內吹泡管的總長得以大幅減少。

7.3 透氣和溢流管的防凍措施

原方案考慮船舶偶爾在低氣溫環境運行，壓載艙的空氣頭選用的是常規不帶加熱，后來經過分析船舶的運行溫度，為防止低溫環境下由于水霧結冰導致空氣頭阻塞，從而危害到艙室的透氣，所有空氣頭選用電加熱型，同時布置在夾層中的壓載溢流管線增加電伴熱，以保證管路的暢通。

7.4 露天環境設備系統的防凍措施

位于露天環境的管系，為防止設備系統冰凍，本船根據設備系統的不同功能要求，分別通過采用保護罩，增設圍壁處所，采取電伴熱系統等措施，確保船舶在低溫環境中露天設備可以正常運行。

7.5 舵系及甲板機械設備

本船舵的設計及其潤滑方面，通過特殊設計，滿足冰區航行及低溫的要求。吊機的筒體基座材質為耐低溫的高強鋼，根據低溫和板厚的要求，選擇采用 EH36。甲板上的救生艇、絞車等機械設備加裝了防寒防凍的保護罩及加熱器，滿足全船低溫環境航行和操作要求。

圖4 電加熱型空氣頭典型圖

8 結論

21 000 DWT模塊運輸船采用綠色、節能、環保、雙層全通無障礙載貨甲板設計方案，成功解決多項低溫環境船舶的設計難題，填補了國內極地航行模塊運輸船的技術空白。目前該系列船共4條已全部交付使用，并多次往返與亞馬爾氣田，船舶性能良好。該系列船型的成功設計和建造，打破了日本和韓國在模塊運輸船的壟斷地位，為中遠海運重工在特種船舶設計和建造方面積累了寶貴經驗。隨著模塊化工廠在能源、化工領域的廣泛應用，模塊運輸船將迎來新的快速發展機遇。