集装箱船大型化猜想

李 源

集装箱船发展相当迅速，从船型诞生到发展至8000TEU花了46年时间，然后仅用了11年时间，船型尺度从8000TEU发展到18000TEU。还记得29年前建造的4300TEU，当时由于船太宽无法通过巴拿马运河，被称为超巴拿马型船舶。而今天的造船业已经在讨论无法通过苏伊士运河，以及刚刚能通过马六甲海峡的30000TEU巨型集装箱船。那么，集装箱船大型化的极限在哪里呢？

研究表明，随着集装箱船装箱量越来越大，船舶航行时和在港时的单位成本呈现明显下降的趋势。以表1中所列的四种船型为例，18000TEU集装箱船与12500TEU集装箱船相比航行时的单位成本下降了12%，当达到24000TEU时，相比12500TEU的船型，航行时的单位成本将下降23%。在港时的单位成本下降幅度虽不如航行时，但也是随着船型尺度的增长而递减。

图1 大型集装箱船的规模经济（航行时美元/天）

过去的十几年里，燃油价格持续上涨，但是运费率几乎保持不变，使得集装箱航运市场的竞争压力越来越大。于是千方百计地追求运营成本的下降成为集装箱航运公司的首要目标。

此外，18000TEU集装箱船运输单位集装箱产生的CO2比亚欧航线上的平均水平下降了一半。随着国际公约对船舶环保性能的要求日趋严格，航运公司也在想方设法地减少碳排放。这两个因素促使航运公司纷纷转向大型、超大型集装箱船。

相对而言，大型集装箱船的航行限制较多，灵活性不高。因为尺度巨大，需要考虑通行航道、船闸、操纵空间、吃水限制、潮汐限制以及港口设施等因素，全世界目前仅20 ～25个港口能靠泊18000TEU的超大型箱船。基本上任何希望停泊这些超大型箱船的港口都必须对基础设施进行升级改造，如港口疏浚和建造长伸距集装箱起重机等码头设施。

表1 四种超大型集装箱船的运营成本比较

即使港口条件完全符合要求，在实际操作中，仍然会面临利用率不高等问题。如新加坡PSA 港的实际经验显示，目前18000TEU 级集装箱船长度通常在400 米左右，同时操作两艘这样的超大型集装箱船至少会有90米长的泊位是浪费的，导致了泊位利用率不高。如果是较小型的船舶，同样长度的码头可以同时靠泊三艘。

另外，要想让大船完全发挥出燃油效率的优势，必须满载航行，如果大船仅半载航行，那还不如满载航行的中小型船舶经济性高。

造船界从2008年就开始提出建造22000TEU巨型集装箱船的计划，但至今仍未有实船建造。不过业内人士还是对集装箱船尺度的发展做了一些预测。有分析认为，最早2018年市场上就会出现22000 TEU集装箱船。

图2：集装箱船发展趋势预测

集装箱船的特点使得该船型尺度的变化与装载集装箱的行数、列数以及层数的变化密切相关。以18000TEU集装箱船为例，船长为400米，船宽为58.6米，吃水16米，可装载20英尺的标准集装箱23列。如果将其船长加长，纵向增加一个货舱，即可装载标准集装箱26行，23列，这时船长增至429.2米（基本上每增加一行，船长增加14.6米），船宽和吃水保持不变，那么装载量可达20760TEU。

如果考虑在横向增加一列集装箱，可以装载24列，则船长保持不变，船宽增加至61.2米（每增加一列，船宽增加2.5米左右），这时装载量约为20750TEU。如果增加两列集装箱，可以装载25列，船宽将增至63.8米，装载量增加为21700TEU。

如果说，即使集装箱船达到24000TEU时，规模经济效应仍然存在，也就是说这种巨型集装箱船仍然会有市场需求。那么，集装箱船是否可以一直大下去吗？会不会出现哪些限制因素呢？

图3：18000TEU集装箱船增加一个货舱时的装载情况

图4：18000TEU集装箱船增加一列及两列集装箱时的装载情况

根据船舶设计的特点，总结了巨型集装箱船的主要限制因素：一是超大的船体尺度导致船体强度不够，影响到船舶的安全性；二是发动机和推进装置是否足以驱动巨型船舶；三是海上航道、大桥以及港口条件对船舶尺度发展的限制；四是使用LNG清洁能源对巨型集装箱船的影响；五是海上的恶劣气候对巨型箱船航行安全性的影响；六是市场因素。

首先来说船体强度。船舶尺度主要有船长、船宽、吃水和深度。其中船长影响船舶的总纵强度，且船长变量对总纵强度的影响呈平方效应，属于对船体强度影响最大的一个参数。船宽影响船舶的横向强度，船宽变量对船体强度的影响呈线性，船宽加大还会增加横舱壁变形的风险，并且增加横摇加速度。目前以马士基“3E”级船为代表的超大型集装箱船均采用驾驶桥楼与机舱分离，并将驾驶桥楼前移的设计特点，这样布置可允许驾驶桥楼前方的集装箱堆叠得更高，同时仍保持足够的可视性，另一方面也有助于减小船舶的纵向弯曲力矩，增加船体强度。如果船长和船宽进一步增加，需要采取更多的措施和创新性的设计确保拥有足够的船体强度。

超大型集装箱船普遍采用厚度为100mm的钢板，要制造出厚度大大高于100mm的低碳钢板非常困难，因此船体极限总纵强度还受限于钢板的厚度。

另外，水动力方面，在集装箱船大型化的过程中需要对波激振动、冲荡以及参数横摇进行更多的研究，并需要进行实船测量以确保在船舶的全生命周期均具备足够的结构强度。

其次是推进系统。过去，集装箱船都要求以较高的航速航行，最高航速通常达到25 ～26节，现在为了节省燃油，集装箱船大多低速航行，最高航速为21 ～23节。

如果船舶尺度继续增大，但保持低速航行，那么采取单桨设计仍然可行。不过由于动力传递至螺旋桨（由于吃水和空泡的原因，螺旋桨直径被限制在9米左右）过程中的实际困难，尽管船体尺度增加，也不太可能使用比目前大得多的发动机。

但假如今后集装箱船要求以较高航速航行，仍采用单桨，螺旋桨负荷会增加，并且空泡和腐蚀现象也会增加。比较可行的方法是采用双桨设计，这将无可避免地增加建造成本，并需要特殊设计。双桨设计会产生更大的湿表面积、更高的摩擦阻力和效率更低的尾流场，但是由于每个螺旋桨的负荷变小，螺旋桨的效率也会提升，这个方法可以弥补船体形状的不足，因此相比之下是一种较为有效的设计。

另一种更具创新性的方法是对转推进概念，在单桨后面安装一个方位吊舱。这种解决方案机械复杂程度更高，目前尚未经过大量试验验证，并且由于吊舱在主螺旋桨后方高度不稳定的水流中持续不断的旋转，还可能会产生大量空泡。

第三看基础设施。主要包括海上航道、桥梁以及港口条件。苏伊士运河的吃水限制为16米，通行18000TEU的箱船已经是极限（18000TEU左右的集装箱船结构吃水为16米，设计吃水为14.5米）。马士基的“3E”级船舶运营的主要航线就是经苏伊士运河的亚欧航线，如果船舶进一步大型化，只能考虑通过吃水限制为21米的马六甲海峡。不过有消息称，为了迎接更大型的船舶通行，埃及政府计划投资1500亿美元拓宽苏伊士运河，并提高吃水限制。

图5：采用柴油主机和双燃料主机对集装箱船装箱量影响的对比

桥梁的净空高直接限制了通行船舶的高度。船长和船宽直接受到港口条件的限制，如转船池直径、码头长度限制了船长尺度，而港口吊的伸距限制了船宽尺度。

第四看LNG燃料对集装箱船装箱量的影响。由于使用LNG燃料需要更大的燃料舱，因此会减少同尺度船舶的装箱量。以下三种方案均按40天航程计算，图5中左图是只使用HFO，中图是33天航程使用HFO，7天使用LNG，右图是7天航程使用HFO，33天使用LNG。可见LNG燃料占的比例越高，装箱量将越少。

第五是海上航行安全性。虽然并非船舶越大，风险越大，但一旦发生风险，大船的损失将比中小型船舶大得多。2013年6月，日本商船三井“MOl Comfort”号集装箱船在也门200英里处发生事故，船舶从中间断成两截。“MOL Comfort”号是日本三菱重工2008年建造的8000箱型集装箱船，船长316米，宽46米，排水量9万吨。事故发生时船舶约装载4500个集装箱。商船三井发布的公告称，“恶劣气候使船舶从中部断裂，海水进入货舱”。事故发生海域当时有高达6米的强浪。

初步调查结果表明，裂缝最早出现在船中央的底部，这点从进水情况也得到了证实。尽管仍没有官方的调查结果，但业内人士认为，集装箱船在海上遭遇强浪会加剧中拱现象，非常考验船体的总纵强度，如果在设计建造时，没有采取有效的措施使船舶拥有足够的总纵强度，那么恶劣气候会增加断裂的风险。

值得注意的是2006年下水以来，新一代14000TEU以上的集装箱船还未遭遇过与上述事故类似的恶劣气候。很重要的一个因素是许多班轮公司采用了根据天气定航线技术。班轮公司的陆上气象中心可以向海上航行的船舶提供及时更新的精确信息，船舶可以很容易地调整航线来避开恶劣气候。

第六是市场因素。超大型集装箱船的概念起源于经济繁荣的时代，前提是市场对集装箱运力需求旺盛。但是2008年爆发金融危机以来，世界经济一直处于低迷，集装箱航运市场运力增幅大于需求增幅，总体形势是运力过剩。在这种形势下大力投资超大型集装箱船，扩建基础设施，难以产生较好的回报，还会进一步增加市场压力，使市场复苏步伐放缓。

从设计技术的角度来看，18000TEU级绝不是集装箱船的极限值，现代造船技术完全能建造出更大型的集装箱船。技术日新月异，以超乎人类想象的速度在发展。当1996年有学者断言，集装箱船的大型化之路将止步于6000 ～6800TEU时，应该很难想象17年后诞生了18000TEU的集装箱船吧。当然船舶并非越大越好，大船对港口、转运和货量的要求更高，当大到一定程度，会遭遇规模效应的天花板。从原油船的发展历史中我们可以发现，上世纪70年代，原油船也曾经历过大型化的发展历程，70年代后期，最大的原油船已接近60万载重吨，但是随后市场对巨型原油船的兴趣骤减，最终原油船的尺度保持在最合理的32万载重吨左右。很难预测集装箱船最终会发展到多大，但一定是综合考虑设计技术、建造技术、安全性和经济性得出的最佳方案。