20.6万DWT散货船前期开发概述

次洪恩

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

对散货船进行分类时，广义上通常将12万～20万DWT的散货船称为好望角型散货船（Capesize Bulk Carrier），将超过20万DWT的散货船定义为超大型散货船 VLBC（Very Large Bulk Carrier）。由于超大型散货船以前多用于运输矿砂，因此一般称为超大型矿砂船（VLOC）［1］。

2003年，日本Universal船厂交付了一艘20万吨级的散货船。与专用矿砂船不同，该船形式上更接近好望角型散货船，而且，其最初主要用于从澳大利亚纽卡斯尔港运输煤炭到日本，因此被称为“纽卡斯尔最大型船（Newcastlemax）”或“濑户内海最大型船（Setouchmax）”。该型船载重量范围为20.3万～20.8万DWT、总长小于300 m、型宽50 m、设计吃水约 16.10 m、结构吃水约 18.30 m［1-3］。

1 开发概况

该船为单螺旋桨、低速柴油机推进的远洋航区单舷侧散货船，适用于装载矿石、煤、谷物、铝矾土等散货。该船为具有艏楼、垂直型艏柱、单层连续甲板、方艉的船型，所有居住舱室包括驾驶桥楼及推进装置设置在船艉。

1.1 主尺度

该船总长LOA≤300 m、型宽B=50 m，这是澳大利亚纽卡斯尔港对船舶主尺度的要求；设计吃水为16.10 m，符合进入日本濑户内海的限制要求［2］。

1.2 船级符号

该船入英国船级社（LR），船级符号为：

LR+100A1 Bulk Carrier，CSR，BC-A，Holds Nos.2，4，6 and 8 may be empty，Grab［25］，ESP，ShipRight（CM，ACS （B）），LI，*IWS，with the descriptive notes‘ShipRight （BWMP （S），SCM），Part Higher Tensile Steel’，+LMC，UMS

1.3 主要特点

1.3.1 舱 容

超大型散货船一般运输矿砂等重货，对舱容的要求不高，但对该船型而言，煤炭同样为主要货品。由于煤炭的积载因数较大，舱容成为煤炭运输时限制载重量的一个主要因素。为增大舱容，通过专业协调，合理调整双层底高度和货舱艏艉段折角位置，最终货舱舱容达到要求。

表1 主机选型比较表

1.3.2 载重量

该船的载重量达20.6万DWT，而对应的吃水为18.30 m，此吃水适应较多的港口条件。过大的吃水将会受到港口条件限制，无法满载航行，因此对该船型而言，并不能简单通过增加吃水来增加其有效载重量。

1.3.3 经济性

由于燃油价格的上涨，使得船东对燃油成本更加关注。对集装箱船等中高速船而言，可以通过适当降低船速以减少燃油消耗；但对散货船而言，再降低航速将失去竞争力。

该船前期选择6种不同主机方案进行比较，见表1。 在目标功率范围内，MAN B&W和Wärtsilä均有合适机型。然而Wärtsilä机型转速较高，功率也略高，非电喷机及标准增压器的电喷机综合油耗没有优势。使用特种增压器的机型虽然综合油耗最低，但其购置成本以及维护成本高，也非最优方案。比较MAN B&W三种方案后发现，Mark 8机型可满足NOX排放TireⅡ的要求，而且通过降功率使用，综合油耗更低。此外，考虑到成本，没有选择电喷机，而最终选择MAN B&W 6S70MC-C8。

1.3.4 操纵性

该船为肥大船型，操纵性问题应予以足够重视［4］，设计中可通过适当增加舵面积来提高操纵性。该船的舵面积比接近1.7%，能确保良好的操纵性。

2 设计难点及解决方案

作为常规散货船，仅就设计而言，并没有太多技术难点，因此最重要的就是技术指标。该船有两处技术难点：第一个是快速性指标，该船需要兼顾设计吃水和结构吃水的航速；第二个是控制空船重量。下文将对这两点分别论述。

2.1 快速性

该船为肥大型船，为达到快速性指标要求，对线型提出了较高的要求。该船未按常规设置球艏，而是选用直立艏柱。这样可以加长水线长度，合理优化半进流角，降低前肩兴波。同时艏部没有外飘，能够减小出入水时对船体外板的砰击。在压载航行时，没有球艏出入水，可以在一定程度上减小阻力。直立艏柱在不同吃水条件下阻力变化不大，在不同的装载工况下都有较好的阻力性能。而船模试验结果证实该船具有非常优越的阻力性能。

在设计初期，运用从荷兰水池MARIN引进的CFD计算软件GMS和RAPID进行线型设计和优化，得到一个阻力性能比较优越的初步线型；随后又请MARIN对线型进行了两轮优化（鉴于该船阻力性能优越，因此MARIN重点对尾部线型进行优化）。在优化时将结构吃水的航速与设计吃水的航速置于同等重要的位置，最终设计桨的预报航速达到了设计指标要求。

2.2 空船质量

为达到设计的载重量，需要对空船质量进行有效的控制。该船的结构质量占空船质量的80%以上，因此控制结构质量成为控制空船质量的主要内容。为此主要采取以下措施：

（1）对货舱段进行分舱优化，降低设计弯矩，同时兼顾工艺要求，尽量简化工艺；

（2）强化精细分析，在满足强度和疲劳的前提下，减轻结构钢料质量；

（3）采用NAPA STEEL软件进行三维建模，准确计算结构质量及高强度钢比例。

对总体专业而言，主要是控制合理的分舱，降低设计弯矩，从源头控制结构质量。对货舱区进行分舱优化，首先需要确定货舱区的前后端位置。由于货舱后端与机舱相连，因此主机确定以后，机舱前端壁位置基本可以固定。该船的机舱长度与好望角型船基本相同，并且预留了压载水处理装置的空间。而前端的位置受较多因素控制，包括艏楼位置、锚链舱以及系泊布置等。一般而言，货舱段越长对弯矩控制越有利，但前端受上述因素影响不可能无限制前移，而且艏部线型较窄，对舱容的贡献较小。

确定货舱区前后端壁以后，随即可对分舱进行优化。根据CSR规范要求［5］，需要考虑完整工况和货舱进水工况下的船体强度。虽然进水工况下的波浪弯矩是完整工况下波浪弯矩的80%，但是对该船而言，进水工况的弯矩远大于完整工况，实际的结构设计限制基本都是进水工况。中拱最大值一般出现在压载出港第9舱进水或隔舱装载工况第1舱或第2舱进水；中垂最大值一般出现在均匀装载工况第5或第6舱进水，而且进水工况的中垂弯矩远大于中拱弯矩，因此中垂成为结构设计的限制因素。

在进行分舱调整时，不仅需要考虑如何降低弯矩，同时还需考虑结构强框的位置、施工工艺等问题。影响进水工况弯矩的主要因素包括舱容、分舱位置等。

常规散货船分舱一般中间舱段货舱长度相同，仅首尾货舱稍长或稍短，此类设计的优点是中间货舱段舱容相同，施工建造工艺方便。但中间货舱进水工况下的中垂弯矩较大。对该船而言，若按此设计，则第5舱、第6舱进水时的中垂弯矩成为结构的限制弯矩。结构质量增加较多，并不是优化选择。

该船的中垂弯矩包络线对应的初始工况为均质载荷。通过对中垂弯矩包络线的分析发现，若包络线在最大值附近近似为水平（见图1），则可证明，当中间几个舱进水后，产生的最大中垂值基本一致，并不会因某一个舱的进水中垂而限制整船的进水弯矩。由此，说明该分舱充分利用了结构构件，对空船质量控制较有利；相反，如果中垂包络线的最大值出现在某一较小范围内，则证明不同的货舱进水产生的弯矩差异较大。如果该弯矩成为结构的设计弯矩，说明该分舱并未充分利用结构构件。

图1 不同分舱方案弯矩值比较

经过多方案比较，最终选择了分舱方案3，该方案同时兼顾施工工艺和降低弯矩的要求，且最大限度加大货舱容积。虽然中拱最大值和剪力最大值有一定增加，但减小了中垂的最大值，对控制结构质量起到了积极的作用。图2为三种不同分舱方案的剪力值比较。

图2 不同分舱方案剪力值比较

3 结 论

由于该船型的载重量比普通好望角型散货船高10%～15%，因此，单位质量货物运输成本比好望角型更低，该船型也因此而受到较多船东的青睐。截至2010年4月，共有8个国家和地区的船东订购该型船约35艘［1］。该船型由于具有较大的货舱舱容、较低的燃油消耗、较高的航速、以及能够适应更多港口的吃水，因此在澳大利亚-中国航线以及澳大利亚-日本航线具有更大的竞争优势。

［1］IHS.The swift rise of Newcastlemax［J］.IHS Fairplay，22 April 2010：10

［2］MAN Diesel&Turbo.Propulsion Trends in Bulk Carriers［EB/OL］.MAN B&W Diesel Group Copenhagen，Denmark，2006［2012-08-23］.http：//www.mandieselturbo.com/Papers/Propulsion_trends_in_bulk_carriers.

［3］PWCS.KOORAGANG COAL TERMINAL［EB/OL］.［2012-08-23］http：//www.pwcs.com.au/pages/terminals/kooragang.php.

［4］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册：总体分册［M］.北京：国防工业出版社，1998：515.

［5］BV.Common Structural Rules for Bulk Carriers［M］.International Association of Classification Societies Ltd.July 2010.