大開口箱形貨艙多用途船總體設計

孫海曉，趙耀中，孫海素

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

多用途船因其自身設備齊全、分艙靈活、可載運貨品種類多，具備較強的攬貨能力，可應對復雜多變的航運市場環境。 8 800 DWT 多用途船由上海船舶研究設計院設計、 宜昌達門船舶有限公司承建， 于2022 年2 月交付船東上海長江輪船有限公司使用。

該多用途船是一型單機單槳、低速柴油機驅動的可全球航行的多用途船， 適合裝載各類包裝貨、件雜貨、大型工程件，以及煤、礦石等散裝貨品，具備《國際海運危險貨物規則》（IMDG Code）第1～9 類危險品的裝載能力，貨艙蓋上可載運集裝箱。 采用S-bow 直立隱形球首低阻線型，匹配高效螺旋槳，船舶快速性優秀。 設首樓和尾樓，包括駕駛室在內的起居處所布置在船尾。 上甲板以下，首部設首尖艙、淡水艙和首側推艙，中部貨艙區域布置兩個大開口箱型貨艙，第一貨艙口長25.9 m、寬15.3 m，第二貨艙口長50.4 m、寬15.3 m。貨艙間的抗扭箱兼做燃油深艙，雙層底和雙舷側設有壓載水艙。 船尾為機艙和尾尖艙。 貨艙配備液壓折疊艙蓋，其表面形成一個長度超過80 m 的無遮蔽載貨平臺。 在貨艙左側設兩臺最大起吊能力為50 t 的甲板起重機，具備聯吊100 t 的能力。 總體布置如圖1 所示，主要技術參數如下：

圖1 總布置圖

該船掛旗國：中國；CCS 船級，入級符號：CCS ★CSA General Dry Cargo Ship，Double Side Skin；Strengthened for Heavy Cargoes；Ice Class B；Grab*（20）；PSPC（B）；SOLAS II-2 Reg.19；Loading Computer（S，I）；In-Water Survey；

★CSM MCC；G-ECO（BWM（T））。

1 線型設計與主機選型

根據營運需要，船東要求服務航速不低于12 kn且主機日均油耗不超過8.0 t，并應具有足夠的功率儲備，以應對惡劣海況的影響。 該船采用上海船舶研究設計院新近開發的優秀線型作為母型，見圖2，結合布置要求，進行優化設計：

圖2 線型CFD 模型（上為母型船，下為目標船）

1） 根據多用途船貨品種類繁多、實際營運中吃水范圍較大的特點，采用S-bow 直立船首，可改善船舶非平浮狀態由球首導致的阻力增加，同時兼顧其他吃水的快速性能，不會出現典型球首線型在設計吃水以外可能出現的阻力陡增情況；

2） 為實現箱形貨艙設計，線型設計中減小中橫剖面系數，使得排水量盡量向首尾兩端分布，增加平行中體長度，液壓折疊艙蓋要求貨艙開口寬度前后一致，因此水線以上部分線型在保證無抨擊風險的前提下采用外飄設計，滿足液壓折疊艙蓋布置和系泊布置要求，見圖3；

圖3 線型橫剖面（虛線為母型船，實線為目標船）

3） 借助CFD 手段，優化進流段、去流段以及水線形狀，優化螺旋槳前端線型，將排水量更多集中到螺旋槳以上部分，改善螺旋槳伴流，保證良好的快速性能。

從圖4 的自由面波形以看出，從中部開始一直延續至尾部，目標船線型的興波更加平緩。 經CFD驗證，盡管目標船排水量較母型船增加1.78%，但有效功率較母型船仍降低了1.63%。

圖4 自由面波形對比（上為母型船，下為目標船）

基于優化后的船舶線型， 滿足船舶航速條件下，主機選型可考慮：

1）中速機方案，如廣柴8G26 機型；

2）低速機方案，如MAN 5S35ME-B9.7 機型。

兩種主機機型方案對比見表1。

表1 主機選型方案對比表

相比于中速柴油機方案，采用低速機方案在營運過程中具有良好的經濟性，主要體現在：

1）低速機較中速機單位油耗降低近10%；

2）低速機螺旋槳轉速低，螺旋槳推進效率高；

3）低速機不需配置齒輪箱，軸系效率高；

4）低速機主機長度較短，有利于增加貨艙艙容；

5） 低速機主機最大持續輸出功率較高，保證了船東要求的足夠功率儲備要求。

該船主機采用了更加節能環保的低速柴油機MAN B&W 5S35ME-B9.7，日油耗僅為8.0 t，較中速機方案降低了近16.7%。

除優化線型阻力外，設計中采用多項節能環保措施，主要有：設置首側推蓋，消除首側推船體開孔導致的阻力增加；配備400 A 岸電箱，在港口碼頭停泊時使用岸電可有效減少廢氣排放和噪聲污染；燃油艙設隔離空艙， 滿足MARPOL 附則Ⅰ中第12A的要求；壓載水處理裝置等。 經船模試驗驗證，設計航速達到12.28 kn，超出設計要求。 完工狀態EEDI的達到值低于基線28.9%， 遠超過EEDI 第3 階段（降低15.21%）要求，能效指標非常先進。

2 總體布置

2.1 適貨性設計

多用途船通常都有偶爾載運散貨的需求， 根據MSC.277（85）要求，對于此類船應滿足雙殼散貨船貨艙距離的要求，以往類似尺度和方形系數的船舶，只能通過船舶內殼傾斜或者設置臺階滿足要求， 但內殼傾斜或設置臺階會對載運包裝以及件雜貨帶來諸多不便，受艙內形狀的影響貨艙空間利用率不高。

為適合包裝貨和件雜貨的運輸， 兩個貨艙盡可能地設計為大開口箱型貨艙。 該船方形系數較小，不足0.76， 船東要求第二貨艙長度達到50.0 m 以上且形狀盡量規整，通過協調線型設計和總布置方案，第二貨艙采用全箱型設計，貨艙規整且無裝卸盲區，艙長達到了50.4 m，尤其適合裝載大型工程件，突破了較小方形系數船舶內殼采用傾斜或者臺階型式的限制，為船東裝貨帶來了極大的便利，獲得了船東高度認可，見圖5。第一貨艙長28.7 m，貨艙前端隨線型適當內縮。 因該艙前端布置折疊艙蓋占據較大空間，設計時通過綜合優化首部布局合理減少長度， 使得該艙前端盲區不超2.8 m，方便貨物裝卸。 貨艙內底設計均布載荷為16.0 t/m2，并適用20 t 抓斗操作。

圖5 大開口箱形貨艙尾端橫剖面圖

在第二貨艙配備一層活動二甲板，設2 個安放高度，營運時可根據貨物尺寸調整安放位置，增加貨艙的空間利用率和裝載靈活性。 設計了兩個活動二甲板的堆放位置， 當貨艙內裝載長大件貨物時，可全部堆放在上層建筑前端確保足夠的貨艙長度，如果裝貨許可， 還可部分堆放于第二貨艙前端，減少綁扎工作量。

為將載貨空間最大化，尾部上層建筑緊湊設計且盡量靠后布置，首樓也合理縮短。 貨艙蓋設計均布載荷為4.0 t/m2，適合裝載各種甲板貨物。 根據船東要求， 艙蓋上僅設有128 個20 英尺標準集裝箱箱位，配備120 個冷藏集裝箱插座，具備一定的冷鏈運輸能力。 根據船舶布置方案，實際艙蓋上具備370 個標準集裝箱的載運能力， 如艙內也可載運集裝箱，全船可具備610 個標準集裝箱的載運能力。

為提高船舶攬貨能力， 保證船舶良好的浮態，適應內河航道航行，通過方案對比，將淡水儲存艙設置在首部，位于防撞艙壁后方、首側推艙上方。 這種設計方案可保證船舶從出港到到港均能保持良好的浮態，中途不需要補充額外的壓載水，同時有利于降低船體總縱彎矩，保證船舶安全，見表2。 機艙內設日用淡水艙，供日常淡水使用需求。

表2 首部/尾部淡水艙方案對比

2.2 起貨設備與艙蓋系統

該船營運范圍涵蓋島礁區域， 部分碼頭的設施不完善。 為提高碼頭適應性，在上甲板左舷設兩臺最大起吊能力為50 t 的起重機，最大工作半徑26 m，可覆蓋整個貨艙、 露天載貨區以及活動二甲板堆放區，并具備聯吊100 t 的能力，能輕松應對不同貨物的裝卸要求。

No.1 起重機吊臂擱放在首部桁架式支柱上，No.2起重機吊臂擱放于駕駛室橋翼左側。 為盡可能減少起重機塔身和吊臂引起的駕駛室扇形盲區， 根據CCS 的要求，控制吊臂高度使之低于駕駛室向前視線。 在滿足貨物裝載要求的前提下盡量降低起重機高度，有利于船舶穩性。 對多用途船而言，起重機吊臂高度設置還需統籌考慮折疊艙蓋的收藏高度，避免相互干涉。

考慮到兩個貨艙的艙口較長，假若采用吊離式艙蓋，因分塊較多，啟閉艙蓋時逐個起吊費時費力，還需要考慮船上或碼頭的堆放位置，而采用液壓式折疊艙蓋，啟閉速度更快、更方便，但構造要復雜得多，增加維護的難度與費用。 船東經過權衡，最終采用液壓式折疊艙蓋。

該船艙蓋的設計需考慮艙蓋收藏位置對貨艙長度和盲區的影響，同時應避免同起重機基座和吊臂相互干涉。 第一貨艙艙蓋折疊方式可采用前后兩折或前四折2 種備選方案， 如采用前后兩折方案，雖然艙蓋設計和維護要更簡便，但該艙后面的艙蓋啟閉將與No.1 起重機基座干涉。 第二貨艙艙口較長，艙蓋折疊方式可采用前四后二或前二后四2 種備選方案。 采用前二后四方案，兩貨艙之間的間隔更小，有利于增加貨艙長度。

2.3 機艙布置

該船采用低速柴油機推進，冷藏集裝箱數量較多， 配置2 臺650 kW 和1 臺400 kW 發電機組，均布置在機艙。 因尾部線型快速收窄，機艙空間狹小，給機艙布置帶來較大難度。 該船將燃油澄清艙和日用艙嵌入到儲存艙內，同時保留燃油儲存艙與貨艙的隔離，避免燃油澄清艙和日用艙高溫傳遞到貨艙危及貨艙內裝載的危險貨品。 利用上層建筑前方空間，增設甲板室作為機艙區域的一部分，用作存儲二氧化碳和空氣瓶，同時甲板室頂用于堆放貨艙二甲板活動艙蓋。 機艙布置簡圖見圖6。

圖6 機艙布置簡圖

3 船舶穩性

3.1 聯吊穩性

IMO 決議MSC.415（97）對2008 IS Code 中B 部分推薦性衡準的修正案增加了對用于起重作業的船舶起吊工況以及重物失落工況穩性校核的要求，適用于2020 年1 月1 日及之后鋪設龍骨或是改造為起重作業的船舶。為保證船舶營運安全，該船按照MSC.415（97）推薦的穩性衡準要求進行校核。

起吊工況考核2 臺起重機聯吊時的情況，按照起吊順序校核4 種工況：

1）起吊準備；

2）重物吊起；

3）重物經過舷側；

4）重物裝船。

起吊工況滿足以下穩性衡準要求：

1）IS Code 中A 部分對于完整穩性的要求；

2） 船舶橫傾角度，不超過起重設備允許的工作角度，由設備資料確定，一般為5°；

3） 該船通常為碼頭作業，屬于遮蔽海域，船舶剩余干舷不小于0.50 m。

重物失落工況穩性衡準要求： 遮蔽海域起重作業，重物失落后的復原力臂曲線上，曲線從平衡位置到進水角度（或穩性喪失角度，取小者）下的面積大于從重物失落前橫傾角度到平衡位置下的面積。

通過計算，該船完全滿足聯吊穩性要求。 MSC.415（97）決議并沒有明確重物失落時船舶的裝載情況， 通?？己舜霸诳沾瑝狠d狀態下起重作業，這種情況下船舶重心較低，穩性較好，該船空船壓載時重物失落工況的復原力臂曲線如圖7 所示，圖中A2部分面積達到了A1部分面積的58 倍。 圖8 為船舶滿載進行起重作業時重物失落工況的復原力臂曲線，圖中A2部分面積為A1部分面積的5.6 倍，表明船舶滿載進行起重作業時發生重物失落后的危險程度遠大于壓載狀態的起重作業。

圖7 空船壓載狀態重物失落工況復原力臂曲線

圖8 滿載狀態重物失落工況復原力臂曲線

3.2 破艙穩性

破艙穩性不僅關系到船舶的安全性能，同時還會影響船舶的裝載靈活性。 該船貨艙總長度較大，占到全船總長的近70%， 且第二貨艙長度達到50.40 m，因此貨艙區域進水量較大，對破艙穩性的要求更高。IMO 決議MSC.421（98）SOLAS 修正案修訂了概率性破艙穩性計算方法， 適用于2020 年1月1 日之后簽訂建造合同的船舶。 對于干貨船，主要有：

1）壓載吃水狀態縱傾修訂前要求船舶按照實際縱傾進行計算，修訂后可按照虛擬縱傾；

2） 達到的分艙指數加權計算中，修訂前公式按照某一縱傾狀態進行加權，修訂后將某一吃水下的所有縱傾狀態計算的部分指數值進行比較，取最小值進行加權。

破艙穩性和船舶裝載情況密切相關，通常由船舶的裝載情況確定破艙穩性計算假定GM （初穩性高）許用值，然后進一步對船舶進行分艙優化，使得船舶的分艙滿足假定GM 值下的破艙穩性。 該船載運集裝箱時，集裝箱裝載重心位置較高，船舶整體GM 值最小。 該船僅艙蓋上裝載128 個集裝箱，且以冷藏集裝箱為主，單個箱重較輕，艙內不裝集裝箱。因此在確定破艙穩性假定GM 許用值時， 并沒有參考母型船來降低結構吃水下的許用GM 值， 而是有意識地提高結構吃水下的許用GM 值， 保證船舶結構吃水下的航行安全。 同時盡量降低壓載和部分吃水時的許用GM 值，見圖9，目的是在這些工況下船舶營運時可盡量減少船舶壓載水用量，提高船舶的能效水平。 船舶傾斜試驗后，重量重心位置已確定，此時船舶已基本建造完成，此時可進一步降低破艙穩性許用GM 值，從而提高船舶的裝載靈活性，為船東帶來更大用船便利，見圖9。

圖9 許用GM 值（含母型船）

表4 列出了該船按照MSC.421（98）修訂前和修訂后破艙穩性左舷破損計算結果，按照修訂后方法計算的分艙指數較采用修訂前破艙概率方法有所降低，應引起足夠重視。 如在總布置中采用了淡水艙設置在尾部的方案，還根據縱傾變化，增加壓載吃水虛擬縱傾下分艙指數計算，并選取分艙指數最小的壓載吃水工況進行加權計算。

表4 破艙穩性計算結果（左舷）

3.3 分艙優化

該船在分艙設置中，兼顧破艙穩性和壓載水管理操作，主要采取以下優化性措施：

1） 由于首部線型尖瘦，貨艙可利用率不高，適當增加首尖艙長度，以增加端部破艙在概率性破艙穩性計算中計入的破損概率比重，對提高整體分艙指數較有利；

2） 尾部舵機艙和機艙設置水密門，保證尾部端部破損對整體分艙指數的貢獻；

3）邊艙設置水密二甲板，位置略高于結構吃水，生存概率計算時可計入水平分隔以上處所不進水概率的縮減因數，有利于提高貨艙區域破損后的生存概率；

4） 貨艙區域共設置5 對邊壓載艙，其中，第一貨艙區域設置2 對邊壓載艙， 第二貨艙區域設置3對邊壓載艙， 由于靠近首尾端部的壓載艙破損時，引起船舶橫傾時還會引起船舶縱傾，相關開孔更容易被淹沒，因此壓載艙采用非等長度設置，盡量減小靠近船舶兩端處邊壓載艙長度，減小該區域破損進水量， 保證靠近端部區域破損后的生存概率，從而提高整體生存概率；

5） 破艙穩性計算中，底部壓載艙破損對破損后橫傾力矩增加較少，為簡化船東對壓載水管理和操作步驟，盡量減少底部壓載艙的分隔，將第三和第四邊壓載艙下對應的底部壓載合并，共設置四對底壓載艙， 優化后計算達到的分艙指數雖有所減小，但仍可滿足破艙穩性要求，見表5。

表5 四對/五對底壓載艙對應的分艙指數

4 結 語

8 800 DWT 多用途船采用大開口箱形貨艙設計，功能齊全、適裝貨品多、性能指標優秀，滿足最新法規要求，是新一代綠色環保、實用經濟的多用途船，其技術性能指標均達到或高于合同要求，EEDI 的達到值低于基線28.9%，遠超過第3 階段（降低15.21%）要求，特別是EEDI 能效指標非常先進而遠超過第3 階段（降低15.21%）要求。該船投入營運后情況良好，得到了船東的高度認可。

圍繞多用途船總體布置、線型設計、分艙優化、起重設備、艙蓋布置、完整穩性和破艙穩性法規新要求等方面，較為系統地論述大開口多用途運輸船總體設計方面的主要特點。