20 000 TEU超大型集装箱船开发设计

陈 弓

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司， 江苏 南通 226005)

0 引 言

集装箱船是专门从事集装箱货物运输的船舶。第1代集装箱船出现于20世纪50年代，主要用途是横穿太平洋和大西洋的千箱级别集装箱船。随着科技的进步和经济的腾飞，集装箱船也在高速发展，箱量和运输效率也在不断提高。从集装箱船型诞生到发展至8 000 TEU花费约46年时间，然后仅用12年时间，船型尺度就从8 000 TEU 发展到20 000 TEU。

2008年金融危机以来，航运市场持续低迷，导致企业间竞争日趋激烈，为降低营运成本，近年来集装箱船日趋大型化并且该趋势成上升态势。2011年集装箱航运巨头马士基集团订造的3E级船开启新一轮集装箱船大型化趋势，在马士基集团的引领下，国内外多家知名班轮公司相继订造或者投入运营了20 000 TEU级别的超大型集装箱船。由于规模经济效应，大型集装箱船单船载箱量越大，单箱运输成本可实现下降。据研究，相对于12 500 TEU集装箱船，18 000 TEU集装箱船的单箱运输成本下降约12%[1]。考虑到集装箱船航运市场的激烈竞争和集装箱船的发展趋势，结合中远海运船舶所有人的需求，南通中远海运川崎船舶工程有限公司基于船厂丰富的集装箱船设计建造经验，于2015年自主研发出新一代大箱量、低油耗、智能化、节能环保型20 000 TEU超大集装箱船。

1 主尺度

南通中远海运川崎船舶工程有限公司建造交付的多系列集装箱船正运营于全球各大班轮航线，通过深入调研，构建系列船的航行记录数据库，通过大数据分析船舶主要运营吃水、操作航速等重要数据，结合船舶所有人提供的船舶服务航线、目标箱量和载重量等参数，经过优化、计算及与船舶所有人交流，最终决定本船主尺度如表1所示。

型宽设定为58.6 m，货舱内可装载21列集装箱，甲板上可装载23列集装箱，满足欧亚航线上主要集装箱码头桥吊外延长度的要求。考虑到集装箱标箱和高箱的区别，型深按照8层标箱加3层高箱的方案设计，比同类型船高0.2 m，船舶所有人可以根据货物高箱和标箱的情况自由选择货舱装载方式，提高装载灵活性。

主流20 000 TEU级别船的设计吃水一般为14.5 m，根据与船舶所有人的多次交流，结合实际航线运营情况，包括装箱量和载重量的营运数据，本船设计吃水设定为14.0 m，结构吃水设定为16.0 m。

南通中远海运川崎之前开发的集装箱船型，符合传统意义上的中高速船型的定义，最高航速通常能达到25 kn左右。近期通过实船数据反馈，船舶所有人出于节能考虑，实船中、低速航行的比例明显提高，船型开发时，考虑集装箱船赶班期的可能性，结合2方面因素的影响，本船的设计服务航速相对较高，设定为22.5 kn。

2 总体布置

为典型的单机单桨驱动，从事无限航区集装箱运输的超大型集装箱船，最上层甲板为连续平直上甲板，在艉部系泊甲板处下沉，艏部采用节能型球艏，无艏楼，艉部采用方尾，半平衡舵匹配舵球舵鳍节能系统。

采用居住区与机舱分离式双岛布置，居住区前布置4个货舱，居住区与机舱间布置5个货舱，机舱后布置1个货舱。在甲板上考虑2个45尺专用箱位，一个布置在机舱前侧，另一个布置在居住区后侧；甲板上布置23列11层集装箱，采用20尺和40尺箱混装形式，货舱内布置21列11层集装箱。该船总布置如图1所示。

图1 20 000 TEU超大型集装箱船外形

居住区布置在船中，而机舱则布置在艉部，燃油舱布置在居住区下方，是典型的双岛布置设计。其最大的优点是大幅改善驾驶室的视线，同时，货舱以及甲板上的装箱量可增加约5%，降低了居住区的噪声和振动水平。为使该船的装箱量最大化，居住区与机舱间的集装箱行数由初始设计的10行增加至11行。另一方面，由于集装箱船甲板大开口的构造特征，居住区和机舱双岛的距离提升，使得船体扭转应力及舱口围对角线变形控制成为设计制造的关键技术。

3 设计特点

本船是基于最新的国际法规、船级规范以及船舶所有人需求和运营条件，通过一年多的优化和验证，开发出的新一代技术先进、性能优秀的集装箱船，具有装箱量大、油耗低、安全可靠、绿色、环保、智能、可通过改造使用液化天然气(LNG)作为燃料等特点，能效设计指数(EEDI)提前满足10年后的Phase 3标准。各种设计特点见后文所述。

3.1 线型优化

采用最新的船体线型技术，运用数字化水池技术和模型水池试验等方法，对船体线型进行多轮优化设计。采用先进的球鼻艏形式，控制和降低兴波阻力，兼顾优化低速航行时的船舶性能，确保船舶在宽泛的航速范围内均有优异的推进性能。楔形船尾的节能设计，可以平稳螺旋桨产生的尾流和船体艉波，降低艉部的兴波阻力，同时提高艉部水流脱离速度，减少紊流的产生。配备如图2所示的舵球舵鳍系统，能减少螺旋桨毂帽后的低压区空间，对桨后的水流有良好的整流作用，从而减少紊流涡流引起的能量损失，同时能减轻尾流对舵和船尾的激振作用，综合提高推进性能。

图2 舵球舵鳍系统

3.2 LNG-Ready概念设计

LNG是清洁能源。日益严格的排放标准使船舶在排放控制区(ECA)的航行须更换低硫燃油或轻质柴油，而使用相对清洁的LNG燃料不仅可以满足该区域的排放标准，而且还可以节省低硫燃油或轻质柴油与LNG燃料间的差价导致的巨额燃料费用。 因此，采用LNG作为燃料越来越受到船舶所有人的关注。但是，考虑到目前大型集装箱船采用LNG燃料在技术上还不够完全成熟，经济效益还不具备压倒性优势，采用可在未来改造成使用LNG燃料的设计，即LNG-Ready设计，以满足特定航线的大容量LNG燃料舱未来安装，并充分研讨LNG管路、燃气供气系统设置的布置和空间预留、主副机在今后改装的可能等，满足船级社最新发布的GR(S)船级符号。在未来气体燃料基础设施到位、经济性可行的情况下，可改造转换成气体燃料运营。

3.3 装载灵活性

绑扎桥按照高箱进行设计，采用20英尺箱和40英尺箱混装模式，同时采用“外绑”方式，提高堆载荷重和甲板的装载能力，提高重箱、高箱的装载灵活性。

通过对货舱通风系统、冷箱供电系统、检修操作等详细研讨，考虑设置2个货舱装运冷藏集装箱，同时考虑多个危险货舱，基本涵盖所有类型的包装危险货物，提高船舶揽货能力和冷箱装载灵活度，同时冷箱布置在货舱内，降低倒箱作业的概率，节省在港时间。

货舱内和甲板上分别可装载11层集装箱，考虑到航线上可能出现的大桥通行限制，将雷达桅设计为可倾倒式，当经过对船舶净空高度有限制的区域时可临时降低天线高度以达通行要求，目前净空高度约68 m，满足船舶所有人预定的亚欧航线的通行要求。

3.4 安全可靠

2013年6月，日本商船三井MOL Comfort号集装箱船在距也门200英里(1英里=1.609 km)处发生事故，船舶从中间断成两截。日本国土交通省发布的最终调查结果[2]表明：船体断裂最早出现在船中底板，产生该损伤的主要原因是船体梁极限强度不足，未考虑侧压对双层底以及颤振对波浪弯矩的影响。IACS根据该船的调查结果以及其他一些事故推出了针对集装箱船的2个新的统一要求，分别是UR S11A和UR S34，生效日期为2016年7月1日。本船虽无须适用该最新要求，但是在设计过程中已经预先考虑了其中的要求。

集装箱船在水线以下的船体设计得很纤瘦。同时，为了在甲板位置获取更大的空间以装载更多的集装箱而造成艏部线型外飘严重，艏艉的外飘形状对波浪弯矩和扭矩具有非线性影响，实际的波浪弯矩分布与IACS规范要求值相差较大，本船通过非线性船舶运动分析来获得。

超大型集装箱船因其尺度大、航速高、船型艏部外飘和使用高强钢等因素，易于发生弹振和颤振。弹振将激起高频的应力循环，加剧船体结构的疲劳损伤，而颤振将使船体的波浪弯矩在某些瞬时明显增加，甚至超出规范设定的设计波浪弯矩。设计时，依据LR船级社提出的弹振颤振分析方法[3]分别对疲劳强度和船体梁极限强度进行专门评价。

为确保总纵强度和扭转强度，在舱口围及上甲板位置采用高强度厚板。为了确保船体梁整体安全，在材料的选择方面，纵向舱口围板和上甲板分别采用具有防止脆性裂纹传播特性的钢板，其中舱口围板为EH47S(CAT≤-10℃或Kca≥6 000 N/mm3/2at -10℃)，上甲板板为EH40S(CAT≤-10℃或Kca≥6 000 N/mm3/2at -10℃)。另外，根据日本船舶技术研究协会[4]的研究，对焊缝位置的断裂韧性值作了测试，确保在极厚板焊缝中存在肉眼可见的裂纹时，在船体梁所能承担的最大拉应力下，焊缝具备阻止裂纹进一步扩大生长的能力。

集装箱船航速高，易产生砰击损伤。采用二维切片理论，对船首尾砰击压力进行直接计算，对相关结果作砰击强度计算，防止砰击损伤。

3.5 智能化

本船实施互联网+航运，全船布置局域网。通过采集各种设备的运行参数，设置专用服务器对大数据进行处理，实时的数据处理能协助船员进行科学决策。

为帮助船舶所有人利用船舶性能数据节省燃

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油，同时减少成本和减轻污染气体的排放，配置能源监测管理系统。安装的特定传感器自动收集主机、副机、内部环境、外部环境、船舶运动参数等信息，基于前期的水池试验数据，以及对后期航行数据的学习，经过处理分析，给出最佳的航线、速度、转速、纵倾等一系列优化，使船舶达到最优的节能目标。

配备船岸数据通信系统，利用卫通系统与岸上进行实时数据传输，管理公司可利用岸基资源，结合洋流和气象信息的分析，实时管控船上状态，指导船员进行航线优化，必要时能实施远程培训。图3为本船船舶能效管理系统图。

图3 船舶能效管理系统

4 结 语

20 000 TEU超大型集装箱船是南通中远海运川崎依据船舶所有人要求和市场需求开发出的新一代装箱量大、油耗低的集装箱船。该船采用诸多新的节能技术、节能设备和各种优化手段，能耗水平远低于市场上同级别集装箱船，新船EEDI低于目前标准的50%左右，满足10年之后的排放标准。考虑目前主要的国际海运环保相关法规，包括压载水管理公约和拆船公约，总体设计非常绿色、环保，取得船级社的环保船级符号。在结构安全方面，结合科研院所、船级社的最新研究成果，考虑超大型集装箱船易于发生波激振动的特点，对该船的疲劳强度和极限强度作了充分研究。在新材料的使用方面，积极推动并协助钢厂开发出满足该船需要的具备止裂性能的高强度极厚板，并在船厂及研究所通过各种焊接试验，以确保材料及焊接工艺满足设计要求。

[1] 李源. 集装箱船大型化猜想 [J]. 中国船检，2014(9): 68-71.

[2] MLIT. Final Report of Committee on Large Container Ship Safety [R].2015.

[3] Lloyd’s Register. Guidance Notes on the Assessment of Global Design Loads of Large Container Ships and Other Ships Prone to Whipping and Springing [R]. 2014.

[4] 日本船舶技術研究協会. 超大型コンテナ船の構造安全対策の検討に係る調査研究報告書 [R]. 2009.