62 000 DWT大型多用途船開發設計

王亞磊，林紹華，鄭慶國，丁超

(1.上海船舶研究設計院，上海 201203；2上海招商明華船務有限公司，上海 200120；3.中波輪船股份公司，上海 200002)

立足航運公司對貨物的運輸需求，綜合考慮港口貨源供給量、港口操作限制,以及費用因素，并結合長件貨貨物種類調研，確定船舶主尺度，針對大型多用途船的船型特點，對多工況下的快速性能、長貨艙分艙與貨艙蓋、克令吊布置等因素相互聯系、結構輕量化、火災探測系統等方面進行分析，旨在將雜貨船和小型多用途船的特點結合起來，實現大噸位多用途船兼顧重大件貨和散貨的功能。

1 船型特點

在船舶主尺度選取方面，6萬 t級別的Ultramax船型深受市場歡迎，其適港性強，主要碼頭都可以靠泊。相比于4萬、5萬 t級別的靈便型船型，本船規模效應更明顯，投資回報率更大，同時6萬 t級別的多用途船十分貼合航運公司的營運需求。

通過總體方案設計研究，從多用途船規范規則的適用性、總布置方案，以及節能技術等方面開展，完成多用途船舶總體方案的開發設計。本船型的主要參數見表1。

表1 船舶主要參數

該船型可以提升航運公司的攬貨能力，能夠裝載谷物、煤炭、鋼卷、高鐵機車、風電設備塔筒葉片、大型工程件、集裝箱、紙漿等多類貨物。為了滿足貨品的裝載需求，該船型具備以下的特點。

1)箱式貨艙，雙殼雙底設計，共5個貨艙，其中第5貨艙為長貨艙，艙長約40 m。

2)貨艙艙蓋為液壓折疊式，提高裝卸效率。

3)貨艙內設多層吊離式二甲板，每塊二甲板的尺寸相同，可以互相替換。

4)露天甲板面平整連續，具有長166 m，寬30 m的有效裝貨區域。

5)配有4臺邊克令吊，其中2臺克令吊最大工作負荷150 t，聯吊作業可達300 t。

6)配有除濕系統，可滿足全船紙漿的除濕要求，保證紙漿運輸質量。

7)具有隔艙裝載功能，保證散貨裝載的靈活性。

2 多工況線型優化

設計重點關注多用途船的布置特色和營運特點。首先，由于本船的5個貨艙分艙不均勻，在所有貨艙均質滿載和隔艙均質滿載的2種工況的縱向重心位置不同，需要平衡兩者的重心位置，然后據此確定浮心位置；其次，本船的營運特點是兼顧設備件雜貨和散貨工況，設備件雜件貨種類繁多，裝載工況吃水變化大，而散貨工況的吃水比較穩定，因此在線型設計是采用多工況優化技術，保證本船在多個吃水下的綜合快速性能最優。

采用CAESES參數化建模軟件，對線型進行了多輪的優化，包括浮心位置、排水量的縱向分部、首部的UV優化，目標在于得到最小的興波阻力[1]。而對尾部線型進行半參建模，并結合黏流計算進行優化，目標在于獲得最小的總阻力和最佳的槳盤面伴流場。通過調整參數化建模方案和變換策略，在一定的時間區間內得到更多的有效變化線型，從而獲取到更優的方案。

3 總布置特征

3.1 貨艙分艙布局

貨艙分艙為了確定貨艙的數量和艙長。貨艙的數量主取決于船舶穩性和強度，艙長根據市場上主流的設備貨、長件貨品以及集裝箱布置空間要求[2]，同時還需要考慮二甲板可以互相替換，艙長和單塊二甲板長度盡量為整倍數關系。

類似尺度的散貨船多為5個貨艙，從貨物尺寸的角度，選擇均勻分艙的方法顯然行不通，因此有3種方案。

1)方案一。3貨艙方案由于貨艙過大，破損進水量大導致無法滿足破艙穩性。

2)方案二。4貨艙方案如果采用均勻分艙，則無法實現散貨隔艙裝載的功能。1個長貨艙加3個普通貨艙的方法，當裝載散貨時，可以將二甲板作為谷物橫艙壁，這樣就可以解決谷物穩性和隔艙裝載的問題。但該長貨艙艙口過大，如果采用純液壓折疊艙蓋，會浪費很大的艙間艙容，如果貨艙前后兩端采用液壓折疊艙蓋，中間為吊離式艙蓋，會帶來2個問題：①2種形式的艙蓋搭接密性問題；②吊離艙蓋影響裝卸效率。另外由于本船有載運紙漿塊的功能，貨艙過長影響紙漿堆放和除濕。

3)方案三。5貨艙方案采用1個長貨艙、2個普通貨艙和2個短貨艙組合。長貨艙艙長40 m、寬27.5 m，滿足了高鐵機車、風電設備塔筒這些長件貨的尺寸要求。該貨艙布置在貨艙段的中部，對浮態影響不大。考慮到貨艙段首尾線型開始收縮，因此將2個短貨艙布置在該區域，把完整箱式無臺階的區域留給其他3個貨艙。且第二至第五貨艙的二甲板數量都為整數。見圖1。

圖1 貨艙劃分和二甲板布局

3.2 貨艙艙蓋設計

由于本船采用為液壓折疊艙蓋，該艙蓋形式比其他的貨艙艙蓋形式效率高。比如，吊離式艙蓋需要克令吊起吊轉運，有時還要擱放在碼頭，延長了港口靠泊時間；背載式艙蓋雖然操作方便，但無法實現所有艙口同時開啟進行裝卸，也影響效率。

對于液壓折疊艙蓋雖然具備裝卸效率高的優勢，但同樣也具有明顯的短板，艙口之間要有足夠大的空間，保證液壓舉臂油缸布置及艙蓋開啟后前后艙蓋不會碰到。如果采用散貨船的槽型艙壁，那么艙口之間的主甲板下方存在共8檔長度的暗艙；如果采用傳統多用途船的板式雙殼艙壁，與艙口圍保持一致，沒有暗艙，損失約11 000 m3的艙容，約占總艙容的15%。因此，貨艙艙蓋和橫艙壁設計需要盡可能減少暗艙和艙容損失。

由于暗艙過大，影響件雜貨、紙漿塊、二甲板的吊運，因此設計中模擬了紙漿塊和二甲板的裝卸過程，保證貨物的起吊中心點在艙口范圍以內。據此確定了每個貨艙單側暗艙長度為2檔。同時，壓縮艙蓋開啟后占據的空間，在保證一定建造誤差的前提下，盡可能使前后艙蓋面貼近，并優化艙蓋的設計，減少艙蓋厚度。采用這種布置形式可以將8檔的橫艙壁壓縮為3檔，既可減少貨艙艙容損失，同時2檔暗艙也不影響貨物裝卸。

由于長貨艙的艙蓋蓋板比其他貨艙更長，單塊蓋板最大長度約12 m，且大開口艙蓋更重，采用一舷雙鉸鏈3套舉臂油缸，即兩舷一共4個端鉸鏈6套舉臂油缸支撐起2塊12 m蓋板，前后相鄰貨艙蓋的舉臂油缸錯位布置，保證艙口之間的橫向通道。

3.3 克令吊布置

由于基建設備大型化，船用吊的起重能力越來越高，本船共布置4臺邊克令吊，其中2臺克令吊最大起吊能力達到150 t，聯吊可達到300 t，前后2臺克令吊最大起吊能力80 t。

克令吊布置在左舷，為了便于貨物吊運，應盡量避免克令吊設置在貨艙中部區域[3]。但考慮到如果貨物過長，從左舷起吊操作不便，因此會考慮右舷靠泊裝卸，要求吊臂能夠覆蓋右舷約8 m的范圍。這樣的布置在小型多用途船上比較常見，但本船的船寬32.26 m，需要更長的吊臂，要解決吊臂擱放的問題。吊臂從No.1吊往No.4吊依次擱放，最后1臺克令吊的吊臂正好搭在上建橋翼處。克令吊的布置位置可調節范圍非常小，并考慮到克令吊的位置應避開貨艙中部區域，No.2和No.3吊的聯吊工作區域盡量在第三長貨艙的中間。因此，克令吊布置和貨艙分艙需要統籌布局。

休斯敦、新奧爾良港是美國主要的糧食碼頭，有過橋空氣吃水高度不超過42 m限制，由于本船采用邊克令吊布置，克令吊本體的最大直徑約5 m，處在艙口范圍以內。筒體布置和克令吊本體的中心線不重合，兩者采用變截面連接。但長貨艙液壓折疊艙蓋蓋板太長，開啟路徑軌跡線需要與邊克令吊筒體的變截面折點保持合理的安全間隙。因此No.2和No.3吊與第三長貨艙的布置需要相互協調。將二號吊移出貨艙艙口范圍外，三號吊布置考慮二號吊的吊臂隔放。艙蓋蓋板不對稱分塊，前大后小，小蓋板尺寸取決于筒體折點高度。見圖2。

圖2 貨艙艙蓋、克令吊布置

4 結構的設計優化

第三貨艙為長貨艙設計最大限度的實現裝載長件貨的功能，但同時也給結構設計帶來了一定的難度。本船被授予HC(A), Holds 2,4 may be empty的船級符號[4]，即具有隔艙裝載的功能。

對于此類船舶，貨艙的強框架設置通常有2種形式：“三三式”和“二四式”[5]。“三三式”，即雙層底肋板，舷側強框架均采用3個肋骨間距來設置；“二四式”，雙層底肋板二檔肋骨間距，舷側強框架四檔肋骨間距[6]。

“三三式”是舷側多2道強框，可以增加大開口貨艙的橫向強度，減小扭轉變形，特別是控制艙口圍處變形；“二四式”雙層底多2道肋板，可以減少板格跨距，不僅可以減少內底板板厚，還能夠對艙內重貨提供了有效的支撐[7]。

本船在設計上突破常規均勻的強框分布形式，綜合采用了“三三式”和“二四式”2種強框布置形式，見圖3。對于第三長貨艙而言，隔艙裝載時，單艙裝貨量占全船裝貨量約50%，對內底的強度是巨大的考驗。通過對雙層底肋板3檔和4檔肋骨間距的2種布置形式進行對比，發現4檔肋骨間距方案更合理，整個艙段的強框架重量更輕。而對其他4個小貨艙，如果仍然采用“二四式”，內底板板厚并沒有大幅度減少，而船底和舷側的強框數量多于“三三式”，因此采用“三三式”設計能達到鋼料的最優化。通過該船的方案對比，可以看到，針對不同貨艙的特點，采用合理的強框布置形式，是非常有效的結構輕量化設計手段。

圖3 貨艙強框布局

5 貨艙火災探測系統設計

根據IMO MSC 292(87)要求貨艙火災探測系統每只煙氣吸口的覆蓋半徑為12 m，且貨艙設有二甲板，蓋板將貨艙分隔為2個區域，上、下貨艙區域需要分別布置火災探測煙氣吸口。

本船貨艙為大口開設計，貨艙寬約27.5 m，第2,3,4貨艙長度均超過了24 m，煙氣吸口布置在橫艙壁或縱艙壁上，總會存在盲區，無法覆蓋整個貨艙范圍，見圖4。當貨艙鋪設二甲板時，如何為二甲板以下貨艙空間提供火災探測系統，是設計中遇到的難題，在類似船型上也是首次出現。

圖4 煙氣吸口的覆蓋半徑(常規設計)

本船創新性地采用了預埋抽煙管路接口并配置軟管接頭的方法，即在縱艙壁上預留抽煙管路的接口，略高于二甲板蓋板工作位置，縱向位于2塊蓋板的間隙處。其工作原理：當二甲板鋪設完畢，將軟管一端接頭與縱艙壁的抽煙管路接口連接，軟管另一端接頭與可拆式的煙氣吸口連接，將煙氣吸口布置在船中區域，并固定在兩塊蓋板的間隙處。這樣就消除了貨艙過大帶來的探測盲區問題，見圖5。

圖5 貨艙火災探測系統原方案與解決方案對比

6 結論

1)該船型的線性設計需要綜合考慮多個吃水工況，浮心要兼顧件雜貨和散貨的裝載情況。

2)不均勻分艙與液壓貨艙蓋、二甲板、甲板克令吊等因素“環環相扣”，總體布置需要統籌考慮。采用不對稱的液壓艙蓋蓋板可以解決艙蓋開啟路徑和邊克令吊干涉問題。

3)長貨艙、隔艙裝載功能影響內底強度，應該根據不同貨艙的特點，采用合理的強框布置形式，實現結構輕量化。

4)采用預埋抽煙管路接口并配置軟管接頭的方法，可以解決貨艙過長、過寬時，火災探測系統布置存在盲點的問題。