4600TEU集装箱船总体设计

王 冬 杨 军 肖留勇

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

随着2006年巴拿马运河拓宽决议的正式通过，使得船宽大于标准巴拿马型船宽（32.2 m）的集装箱船通过巴拿马运河成为可能。该拓宽规划的通过给世界航运界、造船界带来了巨大的影响，多家船厂和设计公司纷纷推出各种“新巴拿马型”船舶，以期抓住市场机遇，争夺造船订单［1］。

4 600 TEU集装箱船正是为了紧跟市场动态，由上海船舶研究设计院（SDARI）自主开发设计的新一代集装箱船。该船型的船宽为37.3 m，略大于标准巴拿马型船宽，甲板上相对能够多装载2列集装箱，业界称之为“迷你超巴拿马型”。值得一提的是，该船型推出恰逢全球金融危机，集装箱船航运受到巨大冲击，而4 600 TEU作为世界上第一个获得该类新型集装箱船建造订单的项目，是当时黯淡低迷的集装箱船新造船市场上的亮点。

1 主尺度及主要参数

该船采用常规单机单桨推进，设计吃水下服务航速23.1 kn，续航力为18 400 n mile，可航行于全球各大港口，航线灵活便捷。全船布置7个货舱，除可以装载普通货物外还可以装载冷藏集装箱和危险品集装箱货物。甲板上设置绑扎桥，有效提高船东营运时舱口盖上的集装箱堆重。燃油舱以深舱形式布置在货舱一端，采用闭式溢流设计，安全环保。有效装箱数多，结构吃水下14 t重箱数达到3 640 TEU，与名义箱数比值达到77.9%，具有良好的经济性。该船压载水量大幅降低，14 t重箱工况下，除携带必须用于调整横倾的压载水外，基本可以做到无压载水，大大降低了船员交换处理压载水的工作量以及船东营运成本，提升船舶的经济性。全船总布置如图1所示。

图1 4 600 TEU总布置示意图

2 关键技术

2.1 线型设计

4 600 TEU集装箱船的尺度特点是长宽比L/B较大，宽度吃水比B/T很大，方形系数Cb在集装箱船中属于适中，傅氏数Fn相对较高。参比SDARI集装箱船数据库（见表1），在分析了数据库相似线型及性能的条件下，选取G型船作为母型船。

表1 数据库中方型系数相近的集装箱船参数对比

以此为母型船变换得到初步线型。在充分对比分析相关船型的基础上，按照线型设计和船模试验积累的经验对线型进行了局部修改，并且按照主机配置和螺旋桨叶梢间隙的要求，修改尾部的外形轮廓。集装箱船属于布置型船舶，甲板上需要装载大量集装箱，意味着对横稳性高KM要求较高，以满足完整稳性的要求，所以集装箱船尾部的满载水线普遍比较宽，再结合傅氏数的大小，分析相关船型的剩余阻力曲线，确定该线型有如下特征：首部横剖面形状偏V型；浮心较一般线型更加后移；注意尾部纵剖线的斜率以兼顾快速性、稳性和适航性的要求。

在得到满足布置要求的初步线型后，我们利用FRAMEWORK和SHIPFLOW软件对其进行CFD的计算与优化，提高目标船的快速性能（见图2）。通过分析在国内水池进行的初始线型的船模试验结果，对线型进行二次优化和修改，确定了最终的船体线型。

图2 改型与原型的波形比较

优化后的线型在德国的汉堡水池（HSVA）进行了船模试验。试验结果显示，阻力下降十分显著，剩余阻力系数Cr在设计航速23 kn上比母型船降低25%，同时推力减额t减小，推进效率提高了8.5%，航速达到预期的23.1 kn，并略有节余。优化后的线型在HSVA的数据库中位于优秀线型的行列（见图3）。

图3 与HSVA数据库相似线型Pd比较

由图3可见，经过优化的4 600 TEU集装箱船线型的收到功率比HSVA水池内相似线型的阻力平均水平更低。

2.2 总布置设计

该船属于常规集装箱船，机舱布置在船体中尾部，全船沿船长方向一共布置7个货舱，总体布置上虽然与传统设计相比并无太多差别，但由于其B/T值较大，加之新的SOLAS2009规范生效对设计造成的影响，因此一些布置细节还是有其特点的。

2.2.1 最佳型深选取

对于宽体船来说，大倾角稳性是一个需要重视的问题，特别是保证船舶在30°～40°范围内有足够的稳性，确定一个合适的型深至关重要。考虑到过大的型深会增加空船重量和重心高度，甲板上的集装箱重心高度也会相应提高，因此经过相关的计算平衡，最终确定型深为19.6 m，并且尾部也没有设置常见的尾部下沉甲板，在尾部水线以上保留足够的储备浮力。这样无论是对于大倾角稳性还是破舱稳性都比较有利。此外，取消设置尾沉甲板也有利于阻止海盗登船袭击。

2.2.2 船员安全通道设计

该船的货舱采用大开口双壳箱形结构，边舱二甲板上设有纵通走道，并且在走道中设置可以直接进入每一货舱的水密门。这在实际航行中对于船员进货舱检查非常方便和安全。

2.2.3 最小压载水设计

该船属于宽体集装箱船，稳性相对富裕，在日常运营工况中所需压载水较少，例如该船在14 t重箱满载工况中，所需要的压载水总量仅为932 t，压载水量大大降低。因此在压载舱设计时，首尾两个尖舱均设置为空舱而不是常规的压载舱，既可以降低船舶总纵弯矩，又可以减少船厂压载水舱保护涂层施工和管系放样的工作量，降低建造成本。

2.3 破舱稳性研究

随着SOLAS2009规范的生效，船级社对集装箱船的破舱稳性要求变得更加严格。破舱稳性与船舶的装载性能是一对互相制约的矛盾，破舱稳性对于初始GM值的要求是越大越好，但GM越大，则对船舶的装载完整稳性要求越高，实际的装载表现也就会越差。因此想要提高集装箱船的14 t重箱数指标，就需要仔细考虑如何能够降低满足破舱稳性要求的初始GM值。基于这种考虑，该船在总体设计中采取了以下措施：在边舱两侧走道中增加一些水密门；限制甲板上空气管、通风等开口的放样位置；在燃油溢流系统和管弄设计时，通过在关键位置设置遥控阀和尽量延伸管弄长度，以避免发生连续进水，从而影响破舱稳性。

此外，根据德国劳氏船级社的最新解释，对于二冲程主机机舱布置，双层底视为非水密。当主机滑油循环舱破损时，水会沿着滑油管进入主机，进而导致机舱也跟着破损进水。如果主机滑油循环舱的底板距船底高度不能满足大于B/20的要求时［2］，船级社将认为这一区域的双层底不满足规范要求，需要核算机舱双层底破损，而且通常还会连带到机舱前货舱区压载舱的一起破损，破损横倾会进一步加剧。从目前SDARI已经计算送审的几型船的结果来看，这一条往往在决定满足破舱稳性的最小GM值时起主导作用。

最后经过多次反复核算，确认该船满足破舱稳性要求的GM值在结构吃水时为0.66 m，对应的14 t重箱数可以达到3 640 TEU，与该船的名义箱数比值达到77.9%，优于同级别国内外方案。

2.4 燃油舱布置设计

为了满足MARPOL公约关于燃油舱保护的强制要求，该船的燃油和柴油储存舱设置在第1、3、5和第6货舱的后端壁处，一共设置4组燃油深舱，横向延伸至纵舱壁，底部延伸至双层底，从而与船体外板形成双壳保护，进而最大限度满足燃油舱保护要求。另外，集装箱船中拱弯矩是最突出的问题，这种布置可以适当降低整船的总纵弯距水平。

由于该船首尾油舱在舭部区域不能满足距外板的距离要求，因此还需要利用溢流概率法计算验证燃油舱保护［3］。结果表明：

油舱容量：C=5 458 m3

舷侧破损溢油量：OMS=56.5 m3

底部破损溢油量：OMB=47.2 m3

获得的泄油量参数OM=（0.4 OMS+0.6 OMB）/C=0.009 327≤0.01

判断：合格

3 与国际同类产品比较

该船是世界上第一型宽体中型超巴拿马型集装箱船，在开发初期没有合适的参考船可以对比，韩国和日本也没有推出类似的船型，因此只针对总长、主机功率比较接近的4 250 TEU集装箱船做一个比较，见表2。后者作为标准巴拿马型的经典船型在过去若干年内占据了大多数的市场份额，是该级别集装箱船中的明星船型，具有较强的代表性。

由表2对比可见，4 600 TEU集装箱船作为一种新型宽体集装箱船，相比标准巴拿马型集装箱船载重量、名义箱数以及14 t重箱有效装箱数均得到大幅提高；在主机功率基本相同的情况下，虽然航速有所降低，但是折合到每14 t重箱每单位航速的油耗也大幅降低；需要携带的压载水大幅降低，大大降低了船员交换处理压载水的工作量和处理成本；油耗经济性和营运经济性相比传统4 250 TEU集装箱船均有较大提高。

表2 与国际同类产品对比

4 结语

该船作为世界上第一艘获得实船建造订单的该类船型，开启了“迷你超巴拿马型”集装箱船设计的先河，树立了宽体集装箱船设计的新理念。通过该船的设计，SDARI掌握了该型船的核心设计技术，并陆续为其他船东设计了3 800 TEU、4 800 TEU以及5 000 TEU等一系列中型宽体集装箱船，创造了良好的经济和社会效益。

［1］侯立平，徐文宇，赵志高.迷你超巴拿马型集装箱船的特点与趋势［J］.上海造船，2010（1）：25-26.

［2］国际海上人命安全公约 ［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］MARPOL 防污公约［S］.北京：人民交通出版社，2006.