12 500 t重型起重機敞口多用途船設計

樊紅元，楊 博，徐宜兵

(上海船舶設計研究院，上海 201203)

0 引 言

重型起重機多用途船攬貨能力較強，尤其適合成套大型工程設備的運輸[1]，并具有較強的市場適應能力。為適應垂直裝載超高超重工程設備，敞口(無艙蓋)多用途船的概念隨之產生[2]。國際海事組織(IMO)對敞口船的規(guī)定僅為針對集裝箱船的《敞口集裝箱船檢驗暫行導則》(簡稱《暫行導則》)[3]，多用途船無相應的規(guī)范作為設計依據(jù)。業(yè)內實船建造的敞口多用途船多數(shù)入級挪威船級社(DNV)，具體審圖檢驗依據(jù)參照《暫行導則》和船旗國主管當局要求及船級社針對敞口多用途船具體特點的一些特殊要求。為適應市場需求，DNV于2017年推出針對多用途船的附加船級符號“Hatchcoverless”，明確敞口多用途船設計規(guī)范，為業(yè)界敞口多用船研發(fā)設計提供依據(jù)。在此基礎上，項目組對12 500 t重型起重機多用途船優(yōu)化升級，開發(fā)12 500 t重型起重機敞口多用途船，增加敞口功能，提高船舶裝載靈活性，增強攬貨能力。

1 船型概況

該型船主尺度：總長，147.00 m；型寬，22.80 m；結構吃水，8.18 m；敞口吃水，7.00 m。該型船具有無限航區(qū)，主要用于長大件、超高件和重貨運輸，并可運輸常規(guī)貨物，如集裝箱、散貨和危險品等；綠色環(huán)保，無人機艙；配備MAN G型超長沖程柴油發(fā)動機、艏側推進器、大直徑高效定距槳；前傾艏柱加球鼻艏和方艉，駕駛室、起居處所和機艙位于艉部，設置艏樓和艉樓；上甲板為連續(xù)甲板，設置2個箱形結構貨艙，貨艙內底載荷為18.0 t/m2，第一貨艙長為12.75 m，第二貨艙長為76.50 m；第一貨艙配備1對液壓折疊式艙蓋，第二貨艙配備4對液壓折疊式艙蓋和1對吊離式艙蓋組合；上甲板配備2臺起重能力為250 t的重型起重機，聯(lián)吊能力可達500 t。該型船配置2層活動式貨艙二甲板，甲板可比貨艙多裝2列集裝箱。

2 總體布置

該型船總體布置如圖1所示。

圖1 總體布置

貨艙是船舶攬貨能力的體現(xiàn)，方便裝卸貨，可裝載長大件重貨是該型船一大特色[4]。貨艙開口尺寸和貨艙底部相同，貨物裝載無盲區(qū)。第二貨艙適合在艙內裝載長大件重貨，無艙蓋設計可裝載超高件。活動二甲板可用作移動橫艙壁，根據(jù)需要將貨艙分為2個或多個區(qū)域，使運載形式更加靈活。內底和艙壁無凸出設計可避免貨損，便于裝貨。第一貨艙配備的吊離式艙蓋不僅可使用起重機操作吊離，而且可沿艙口圍由電機驅動前后移動。很多大件，例如風車葉片和塔式起重機等，可直接放在艙蓋上面運輸。艙蓋面積越大，裝貨越方便，經(jīng)濟效益越好。在通常設計下，艙蓋外側與舷邊存在一定距離，該型船為充分利用邊艙上方面積，在艙蓋與舷側之間設計載貨平臺，平臺上表面與艙蓋齊平，以此增加甲板載貨面積。該型船配備貨艙二甲板，在貨艙內有2個高度位置。在水平擱置時貨艙分為上下層，便于裝運各種雜貨。在作為移動橫艙壁時共有4個位置，可將貨艙沿船長方向分為不同區(qū)域，便于貨物分票。在用于裝載谷物時可有效降低谷物傾側力矩，改善穩(wěn)性。貨艙二甲板具有多個存放位置，可存放在上層建筑前方、貨艙艙蓋上面、第一貨艙內和第二貨艙首部，這樣可用于調節(jié)船舶浮態(tài)及船舶穩(wěn)性，一舉多得。

該型船左舷配備2臺250 t能力的重型起重機，滿足聯(lián)吊距舷側11.00 m位置處500 t貨物的要求，整個起吊過程無浮箱平衡。重型起重機布置主要考慮如下問題：(1)吊臂覆蓋集裝箱、貨艙二甲板和吊梁的位置；(2)在聯(lián)吊時應考慮長大件貨物的回轉空間需求；(3)吊臂的托架布置，并核實艙蓋打開是否相碰；(4)吊臂存放與貨艙二甲板存放位置協(xié)調；(5)主鉤存放方式。

3 敞口設計

3.1 敞口狀態(tài)的吃水

船舶所有人提供的目標貨物電纜卷車質量為1 205 t，長度為24.10 m，寬度為10.75 m，高度為26.60 m，貨物重心為13.30 m。第二貨艙敞口裝載2個電纜卷車，如圖2所示；第一貨艙空。選用該工況作為基本工況，根據(jù)計算結果，7.00 m初步作為敞口吃水。需要通過耐波性模型試驗、完整穩(wěn)性計算和破損穩(wěn)性計算確定7.00 m吃水下的干舷是否滿足要求，需要校核7.00 m敞口吃水下的結構強度。

圖2 電纜卷車裝載示例

3.2 完整穩(wěn)性和強度

船舶所有裝載工況除滿足IMO完整穩(wěn)性的相關要求外，在滿載狀態(tài)下須假設所有開口貨艙浸水至艙頂以上2.00 m，假設海水密度為1.025 t/m3，此時船舶的完整穩(wěn)性應滿足《經(jīng)修正的1974年國際海上人命安全公約》(簡稱《SOLAS公約 1974》)第Ⅱ-1章B-1部分《國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則》的殘存橫準(S=1)要求[5]。該型船的殘存橫準計算結果如表1所示，滿足要求。

表1 殘存衡準計算結果

強度是指完整浸水狀態(tài)下的總縱和局部強度。完整浸水狀態(tài)是指最不利的浸水情況，是一項重要的安全標準和設計原則[5]。規(guī)范要求滿載加所有開口貨艙浸水至艙頂以上2.00 m或浸水至排水舷口下沿，校核總縱強度和局部強度。由于規(guī)范要求浸水量不大，因此第二貨艙浸水2.00 m工況和總縱彎矩與剪力低于設計吃水下的均質貨物工況不需要額外考慮結構加強。

3.3 破損穩(wěn)性

破損穩(wěn)性是該型船難點之一。第二貨艙超船長一半，貨艙凈開口17.60 m，占型寬77%。在發(fā)生破損后，第二貨艙進水量較大，對概率破損穩(wěn)性[6]提出較高要求。考慮典型裝載工況的縱傾，按照《SOLAS公約 2009》要求，采取各種措施提高達到的分艙因數(shù)A值[7]，最大限度降低破損穩(wěn)性對非敞口狀態(tài)裝載工況的極限初穩(wěn)心高度hGM的影響。

敞口狀態(tài)需要滿足《SOLAS公約》破損穩(wěn)性要求，部分吃水和敞口吃水下的貨艙滲透率取0.90[8]，輕載營運吃水下的貨艙滲透率取0.95，該要求高于非敞口狀態(tài)。考慮敞口吃水較小，壓載水裕量較大，可用于調縱傾，因此僅考慮平浮狀態(tài)，無附加縱傾，以減少模型試驗成本，并可滿足營運要求。兩舷A值均大于要求的分艙因數(shù)R值，敞口破損穩(wěn)性計算結果如表2所示。

表2 敞口破損穩(wěn)性計算結果

3.4 敞口耐波性模型試驗

試驗采用的波譜為JONSWAP譜，對于僅在限定海域營運的船舶，船級社允許采用其他波譜。根據(jù)規(guī)范要求，試驗應在長峰不規(guī)則波中進行，應營造在最不利波浪周期情況下有義波高為8.50 m的波浪，由風引起海水飛濺的影響不用考慮。

試驗的5個浪向為：隨浪(0°/360°)；尾斜浪(45°/315°)；橫浪(90°/270°)；首斜浪(135°/225°)；迎浪(180°)。至少應進行3個速度的模型試驗：(1)首斜浪和迎浪中的最大持續(xù)船速；(2)隨浪和尾斜浪中的最小操縱船速；(3)橫浪中的零速(癱船狀態(tài))。

船級社要求模型試驗應采用自航無約束模型進行，航向不動，試驗時間應至少對應實船時間1 h。模型試驗的吃水取敞口吃水7.00 m。完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性確定最小的hGM值，與最不利波浪周期共振的hGM值進行比較，取兩者中的大值作為最終的hGM值，此時在橫搖時敞口貨艙上浪進水量最大。在每個航次結束后，均將艙內上浪進水全部抽出并測量其體積，以排除試驗過程中的積水對初穩(wěn)心高度、慣性矩和排水量產生明顯影響，同時記錄船舶運動、航速、相對運動和舵角等數(shù)據(jù)。

為進一步減少上浪采取如下措施：(1)第一貨艙常規(guī)設計，在敞口航行時貨艙蓋關閉；(2)艏部設置擋浪罩；(3)為減少迎浪工況和上浪進水，創(chuàng)造性地在擋浪罩上面額外增加1個擋浪板，如圖3所示。

圖3 新增擋浪板

船級社規(guī)范要求模型試驗測得的敞口貨艙每小時最大上浪進水量不超過敞口面積乘以400 mm/h。進水測量試驗結果如表3所示，滿足規(guī)范要求。結合完整穩(wěn)性、強度和破損計算，該型船敞口吃水7.00 m選取合理，滿足規(guī)范和實際營運需求。

3.5 敞口貨艙的艙底水系統(tǒng)

規(guī)范要求艙底水系統(tǒng)應具備足夠的排水能力，可排放如下5項中的較大者：(1)由模型試驗結果確定航行狀態(tài)下的每小時貨艙最大上浪量；(2)不考慮防雨棚，100 mm/h的降雨量；(3)模型在橫浪癱船狀態(tài)下耐波性試驗所測得的每小時貨艙上浪量乘以安全因數(shù)2；(4)最大敞口貨艙內的消防所需要水量的133%；(5)相當于封閉貨艙所需要的排量。應至少有3臺艙底泵可用于排放貨艙艙底水，在該類泵中至少有1臺應具備不小于上述所要求的排量，至少有2臺泵的組合排量不小于上述所要求的排量。結合表3，該型船配置1臺500 m3/h應急艙底泵，2臺450 m3/h壓載泵兼艙底泵，滿足規(guī)范要求。

表3 進水測量試驗結果 mm/h

4 節(jié)能環(huán)保措施

(1)型線優(yōu)化，艏部全參數(shù)化建模用于計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析，3%以上收益；進行基于Operation Profile軟件的多工況優(yōu)化，兼顧常用工況快速性；德國漢堡水池(HSVA)評估結果優(yōu)秀；丹麥力量科技(FORCE Technology)水池驗證，船舶所有人高度評價。

(2)主機油耗低，選用MAN G型主機，最終日油耗約15.9 t/d。

(3)按照DNV的“CLEAN”和“SCRUBBER READY”等環(huán)保符號設計，滿足硫氧化物(SOx)排放要求，配壓載處理裝置，并保留壓載水溢流，滿足《壓載水管理及壓載水管理計劃編制指南(G4)：MEPC.306(73)》的應急措施要求，編制滿足歐盟有害物質清單(Inventory of Hazardous Material，IHM)要求；能效設計指數(shù)(EEDI)滿足Phase Ⅲ要求，能效指標先進。

(4)大膽采用節(jié)能技術，例如變頻泵和變頻風機。在海水冷卻系統(tǒng)中，主海水冷卻泵采用變頻控制，可通過對海水溫度和低溫冷卻淡水溫度的監(jiān)測，利用變頻技術控制主海水冷卻泵電機轉速，降低消耗功率，達到節(jié)能目的。在機艙通風系統(tǒng)中，機艙風機采用變頻控制，通過監(jiān)測外界環(huán)境溫度和機艙內溫度，利用變頻技術控制風機轉速，降低消耗功率，達到節(jié)能目的。

(5)該型船使用箱式冷卻器，管路單一，系統(tǒng)簡單，效率較高[9]。

5 結 語

項目組研究某型節(jié)能環(huán)保重型起重機敞口多用途船，性能指標優(yōu)秀，攬貨能力強，尤其適合長大件重貨運輸。在總體布置方面，在第二貨艙艙蓋與舷側之間設計載貨平臺，其載荷與相同區(qū)域的貨艙蓋相同，上表面平整，無任何凸出物，可實現(xiàn)超大工程設備的不拆解運輸。考慮敞口航行的實際營運工況確定敞口狀態(tài)的吃水為7.00 m，根據(jù)DNV規(guī)范校核敞口狀態(tài)下的完整穩(wěn)性、破損穩(wěn)性和總縱強度，并通過敞口耐波性模型試驗證明敞口狀態(tài)吃水確定為7.00 m是合適的。為保證敞口航行安全，根據(jù)規(guī)范配備足夠排水能力的艙底水系統(tǒng)。