12 000 DWT江海直達(dá)型頂推組合體總體設(shè)計要點

邰宜峰，樊向東

(1.上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203;2.中遠(yuǎn)海運散貨運輸有限公司，廣州 510220)

頂推組合體船型作為一種貨物運輸船型在內(nèi)河及沿海水域時有應(yīng)用。該船型具有機動性強，推船和駁船可以分開，推船主機利用率高；結(jié)構(gòu)簡單，造價比一般的自航船低15%～30%；船員少、勞動生產(chǎn)率高，運輸成本較低等優(yōu)點[1]。但由于這類船型建造、使用的數(shù)量較少，為此，以為中遠(yuǎn)海運集團(tuán)設(shè)計的12 000 DWT江海直達(dá)型頂推組合體船型為例，從船型總體設(shè)計的角度闡述該種船型的運輸方式論證、船型尺度選擇、主要技術(shù)要求及船體線型快速性優(yōu)化等船型總體設(shè)計要點。

1 頂推組合體運輸方式論證

1.1 自然條件

1)氣象。項目工程區(qū)臨近大西洋，屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫27.3 ℃。

2)波浪。內(nèi)河。Fatala河自渡船碼頭向河口逐漸展寬，至分叉處單一河道寬達(dá)2 km左右。在Fatala河流口外受外海波浪影響明顯，在峽道口內(nèi)波浪的影響作用明顯減弱，至Boffa港渡船碼頭附近外海波浪影響較小。

外海。根據(jù)歐洲中期預(yù)報中心ECMWF波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計可得：Boffa近海波高基本不超過1.0 m，約占全年的91.23%。

1.2 船隊規(guī)模測算

該江海直達(dá)頂推組合體船隊的航道分為外海航道和內(nèi)河航道兩段。在內(nèi)河航道與外海航道的交界河口處有約5 km長的人工航道，駁船在該航道段需單向通航。同時，從河口向內(nèi)河段12 n mile需要乘潮。并且駁船在內(nèi)河航道段航行時，受漲、落潮流速影響，航行速度也不同。因此，運輸船隊的規(guī)模不能簡單按照裝卸作業(yè)時間和航行速度推算，需綜合考慮船舶在內(nèi)河碼頭或外海過駁平臺的操作時間、船舶在內(nèi)河碼頭和外海過駁平臺之間的航行及等潮時間、年作業(yè)天數(shù)以及系統(tǒng)需要完成的年轉(zhuǎn)運量。

項目運量目標(biāo)為1 200 萬t/年，年作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為10.25個月，標(biāo)準(zhǔn)月運量約為117 萬t，考慮不平衡系數(shù)1.1，則每標(biāo)準(zhǔn)月運量約為130 萬t。旱季7個月，每月完成130 萬t；雨季5個月，每月完成約84.5 萬t。如果船隊規(guī)模在旱季繁忙時期能夠達(dá)到每月130 萬t的吞吐量目標(biāo)，則可以認(rèn)為船隊運輸能力能夠完成雨季每月84.5 萬t的吞吐量。按照上述因素測算的不同推船、駁船組合所能完成的吞吐量見表1。

表1 各過駁船隊規(guī)模完成吞吐量

測算結(jié)果表明：當(dāng)配備5艘拖船和9艘駁船時，26 d內(nèi)能夠完成的能力為94.5 萬t/月；拖船為5艘時，駁船配備再多(例如，10艘、11艘、……)，整個系統(tǒng)也只能達(dá)到94.5萬t/月的能力。

當(dāng)配備6艘拖船和9艘駁船時，作業(yè)26 d內(nèi)能夠完成的能力為99.0 萬t/月；配備6艘拖船和11艘駁船時，系統(tǒng)能力113.3 萬t/月；再增加駁船數(shù)量(例如，12艘、13艘、……)，整個系統(tǒng)也只能達(dá)到113.3 萬t/月的能力。

根據(jù)上述測算結(jié)果，配備8艘拖船和12艘12 000 t級駁船時，即可滿足旱季每月130 萬t的要求。

1.3 頂推組合體船型與自航駁船型經(jīng)濟性論證

根據(jù)該項目年轉(zhuǎn)運需求，采用12 000 DWT甲板駁船將鋁礬土從內(nèi)河碼頭轉(zhuǎn)運至過駁平臺。甲板駁船分自航和非自航2種形式，這2種形式的甲板駁船有其各自特點。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，如完成年轉(zhuǎn)運1 200 萬t鋁礬土的目標(biāo)，轉(zhuǎn)運船隊需配置8艘拖船和12艘非自航駁船或12艘自航駁船。考慮船隊的正常維護(hù)保養(yǎng)、以及船舶機動性，確保實際作業(yè)時能夠完成運量目標(biāo)等因素，實際配置9艘拖船和13艘非自航駁。

本方案自航駁與非自航駁2種方式的經(jīng)濟性對比，見表2。

表2 自航駁和非自航駁船方案比較

綜合比較，選擇頂推輪+非自航駁船的頂推組合體船型方案。

2 頂推組合體船型方案設(shè)計

2.1 主尺度研究

1)船長。頂推組合體船長受船舶快速性、經(jīng)濟性及營運港口對船舶尺度限制等多方面因素的影響，需要綜合平衡考慮。在快速性方面，長寬比盡可能大些對減少船舶的興波阻力有利，但過大的長寬比對船舶的穩(wěn)性及操縱回轉(zhuǎn)性會帶來不利影響。在經(jīng)濟性方面，船長越大，船舶的空船重量及總噸位將增加，對船舶的經(jīng)濟性不利。由于組合體是由頂推船和貨駁組合而成，因此組合體的船長還需要考慮頂推船和貨駁單獨運行時的船舶性能。

2)船寬。由于頂推組合體的最大船寬是由貨駁的船寬來決定的，因此在選擇頂推組合體船寬時優(yōu)先考慮貨駁的艙容、船體穩(wěn)性及碼頭裝卸機的工作覆蓋半徑的要求。

3)吃水。頂推組合體船舶的干舷為B型干舷，屬于富余干舷，因此干舷要求對吃水的選擇影響不大。吃水主要與快速性、載重量、航道及碼頭吃水限制等因素有關(guān)。在船長、船寬及載重量等指標(biāo)確定的前提下，吃水的變化影響到船體方形系數(shù)的變化，進(jìn)而影響到船舶快速性指標(biāo)。考慮到內(nèi)河航道的枯洪期，一般將江海船設(shè)計成變吃水。按內(nèi)河航道限制吃水作為設(shè)計吃水[2]。

4)型深。在滿足布置要求及干舷、穩(wěn)性的前提下，組合體船舶的型深應(yīng)盡可能低，以最大限度的降低建造成本和空船的重量重心。

綜合上述的各種因素及項目的使用要求，確定頂推組合體的主要尺度如下。

總長：約139.0 m。

型寬：30.0 m。

型深：7.5 m。

夏季載重線吃水：4.86 m。

總布置圖示意于圖1。

圖1 12 000 DWT頂推組合體總布置示意

2.2 頂推裝置形式選擇

頂推裝置按不同作業(yè)方式分為有纜聯(lián)接和無纜聯(lián)接2類；按不同聯(lián)接方式分為非整體式、半整體式和整體式3類。目前國內(nèi)外最常見的頂推船聯(lián)接形式的功能描述、優(yōu)缺點，以及適用場合見表3。

表3 常見頂推聯(lián)接形式總結(jié)表

運輸航段一部分為江，一部分為海，且海上條件較好，風(fēng)3.3 m/s，浪高1.2 m，相當(dāng)于中國內(nèi)河規(guī)范中規(guī)定B級航區(qū)J2級航段。因此，從本船的使用基本要求出發(fā)，凹槽鋼纜式與鉸接2銷式(ATB)均可適用，而整體式的聯(lián)接并不合適。

盡管相對于非整體式來說，ATB的成本較高，但其對環(huán)境的高適應(yīng)性、聯(lián)接的快速性、推船-駁船的耐波性以及可靠性是非整體聯(lián)接方式完全無法比擬的。因此，結(jié)合目標(biāo)頂推船的作業(yè)功能要求和安全性出發(fā)，ATB的聯(lián)接方式更為適合。

頂推裝置連接銷的位置，特別是縱向位置，對連接力及船組運動有重要影響。當(dāng)兩銷式連接時，橫向銷位向推船船首移動時，將使兩銷船組駁船的運動幅值顯著增加；而橫向銷位向后移動，移至～50%Lpp處，此時銷位接近推船的重心，推船的縱向自由運動對駁船的縱向運動影響很小。因此，對于兩銷式的縱向位置建議應(yīng)布置在距推船首柱為(0.21～0.24)Lpp，(Lpp為推船的垂線間長)。

2.3 船型方案的主要技術(shù)要求

本船掛方便旗、入級中國船級社，主要的技術(shù)按中國船級社《非國際航行海船法定檢驗指南》的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計。相對于常規(guī)船型而言，由于頂推組合體涉及2種船型的組合，因此在設(shè)計時需要對組合體-駁船、組合體-推船，以及組合體自身3種船型分別在穩(wěn)性、消防、救生、錨系泊、駕駛室視線等方面進(jìn)行單獨考慮[3]。

1)穩(wěn)性。本船的穩(wěn)性核算參照IMO IS CODE 2008的有關(guān)要求，同時滿足中國船級社對于Articulated Connection PB Combination-Pusher/Tug的船級符號對穩(wěn)性的要求。頂推組合體、頂推船和貨駁分別作為單獨船核算穩(wěn)性，穩(wěn)性核算考慮海上自由航行、海上拖帶航行及港內(nèi)拖帶航行3種工況。

2)干舷及布置。頂推船和貨駁分別作為單獨船其干舷應(yīng)滿足掛旗國的有關(guān)要求，同時貨駁的干舷和船首高度還應(yīng)不小于組合體視為單獨普通貨船所要求的干舷和船首高度。

為保證推船與駁船之間人員通行的順暢，在駁船尾部和頂推船首部之間應(yīng)設(shè)有在任何情況下船員能安全通行的通道。

特別需注意，貨駁的防撞艙壁位置應(yīng)以頂推組合體的長度為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，而不能僅僅以駁船的船長來確定。

3)救生設(shè)備配置。頂推組合體救生設(shè)備的配置以頂推船和貨駁分別作為單獨船來進(jìn)行考慮。

4)錨系泊設(shè)備配置。組合體中的推船按單獨船的要求進(jìn)行錨系泊設(shè)備的配置，但舵和操舵裝置的規(guī)格應(yīng)以頂推組合體作為單獨船進(jìn)行考慮。組合體中貨駁的錨系泊設(shè)備按頂推組合體作為單獨船進(jìn)行考慮。

5)駕駛室視線。組合體中的推船其駕駛室視線除了要滿足自身作為單獨船的技術(shù)要求，還應(yīng)考慮組合體作為單獨船時的視線要求。由于貨駁采用的是甲板駁的形式，貨艙在貨駁的甲板上，因此為滿足組合體的視線要求，推船的駕駛室位置通常較普通推船要高。

考慮到貨駁在回程時空載，貨駁應(yīng)設(shè)置足夠的壓載水艙以改善空載航行性能[4]。

3 頂推組合體船體線型優(yōu)化

貨物轉(zhuǎn)運采用頂推船+貨駁的組合體形式進(jìn)行，在貨物年轉(zhuǎn)運量、船舶航行時間一定的前提下，優(yōu)化推船和駁船組合體的船體阻力/推進(jìn)性能，提高組合體單位功耗下的航速，可提高項目的整體工程經(jīng)濟性。

江海直達(dá)船須航行于江河和海上，其船型設(shè)計必須考慮同時適應(yīng)江河和大海航行的需要[5]。在項目的前期設(shè)計中，通過專業(yè)的水動力軟件對組合體模型在靜水下的船體阻力進(jìn)行優(yōu)化，著重考慮降低駁船阻力、改善推船尾部流場提高螺旋槳效率，以及降低駁船與推船組合體連接處的流場相互干擾的影響。

對于駁船線型，由于船舶尺度的限制以及對載貨量的要求，在線型設(shè)計時進(jìn)行了兩組方案的對比，見圖2。

圖2 駁船2組方案線型對比

優(yōu)化方案采用垂直艏線型，這樣可在有限的船舶尺度下提高船舶的排水量，并調(diào)整優(yōu)化貨駁前肩處的線型。頂推組合體-駁船2組方案的波高及水線分布見圖3、4。

圖3 駁船兩組方案波高對比

圖4 駁船兩組方案動壓、水線分布

從波高對比曲線中可以看出，前肩處的波谷有了較大幅度的減小，并且整個船身范圍內(nèi)的水線更加平坦，興波情況大大改善。

對于推船線型，在滿足裝載的前提下優(yōu)化尾部線型。采用縱流線型，使水線肩部削廋、改善尾部流場。頂推組合體-推船的線型見圖5。

圖5 推船線型

同時需注意的是，當(dāng)推船和駁船凹槽長度一定時，影響連接部位阻力的重要因素就是凹槽的形狀及推船與駁船的間隙。因此，建議推船與駁船的聯(lián)結(jié)區(qū)域可以依據(jù)兩船橫剖面面積曲線間的耦合情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并將推船與駁船的后體部分一并考慮，作為船隊的去流段進(jìn)行線型設(shè)計[6]。

經(jīng)船模試驗驗證：在主機85%MCR(1 800×2 HP)，考慮0.95軸系效率，15%海上風(fēng)浪儲備下，頂推組合體(推船+駁船)在設(shè)計吃水工況下航速可達(dá)8.5 kn，滿足整個轉(zhuǎn)運系統(tǒng)對貨駁的航速要求。

4 結(jié)論

江海直達(dá)型頂推組合體船型在造價、船員配置、物料裝卸貨時間上與自航船相比具有獨特的優(yōu)勢，因此在貨物由內(nèi)河過駁至海上的物流系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

12 000 DWT江海直達(dá)型頂推組合體船型的設(shè)計綜合考慮了港口條件、航道航線、經(jīng)濟性、技術(shù)安全性、總體布置等多種因素，通過船型論證、船型優(yōu)化確定了組合體的船型尺度，優(yōu)化降低了船體阻力。經(jīng)實船驗證，船型各項性能指標(biāo)優(yōu)良。