37 000 DWT沥青船总体设计思路

王国强 吴晓莲

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

2015年12月，由上海船舶研究设计院（SDARI）设计的37 000 DWT沥青船在中航鼎衡造船有限公司交付美国SARGENT MARINE公司。该船是目前世界上运营的最大独立货罐沥青船。该船于2016年3月完成了首航，市场反应强烈，引发后续其他船东的问讯与订造。目前，已有新的船东订造2艘37 000 DWT沥青船。该船已被世界重要船型杂志《SIGNIFICANT SHIPS OF 2015》录入。

1 总布置分析

1.1 货舱

1.1.1 货舱型式的比较

37 000 DWT沥青船最高设计温度170℃，在航运过程中沥青温度需要保持在140～150℃以维持一定的流动性［1］，因此货舱必须具备良好的隔热措施，有效地防止热量散失，保持液货的温度；同时必须有效地阻止热量传递到主船体结构上，避免降低船体结构的机械性能。此外，还要保持货舱周围的环境处于正常的温度范围，提供一个安全的工作环境。

首先应考虑独立货罐与整体货罐哪个更适合该船，经济性更好。

1）该船为沥青船，但同时也要满足船东需装载闪点＞60℃成品油的要求，所以在布置上需要理清IMO防污染公约对成品油船的要求和法国船级社（BV）规范对闪点＞60℃的成品油船及沥青船的要求，明确规范对成品油—沥青船的界定。按照BV规范对沥青营运船的划分，给予该船Oil Tanker－Asphalt Carrier的船级符号，所以在需要满足闪点＞60℃的成品油船的要求。该船船长L＞150 m，航行于无限航区，对于船长超过150 m的带Oil Tanker船级符号的常规液货船，需要满足CSR共同规范的要求。但如果该船液货舱为独立货罐，主船体部分与货罐结构是分离的，就不需要满足符合CSR的油船的典型特征，省却了很多CSR强度校核要求的结构加强和抗腐蚀结构重量。

2）独立式的货罐在沥青保温方面效果更佳，货罐的六个面均可敷设绝缘，并有绝缘垫块支撑而非与货罐一体的主船体钢结构支撑，避免了钢结构的热量传导损失和高热量对周围结构的影响。

3）独立货罐结构不计入总纵强度，仅承受货物本身压力，结构相对较简单，施工也更容易。

4）整体式货罐需要布置隔离舱来保证保温效果，较独立货罐增加了与主船体的连接结构，更为复杂，结构重量也会增加。

5）沥青温度较高，冷态和热态下货罐会有一定的变形，采用独立货罐不会造成因货罐的变形对主船体结构的连带影响。

综合以上原因，该船选择独立货罐型式的货舱结构，如图1所示。

图1 货舱典型横剖面

37 000 DWT沥青运输船的货舱设计为独立式货舱，分别布置在前后分布的两个单独的封闭空间内。其中每个封闭空间分为2个可独立建造的货舱单元，每个单元布置4个货舱，全船共有16个货舱，如图2所示。

图2 货舱分舱

该船货舱结构布置满足MARPOL 2011附则Ⅰ第19条和第23条的要求。货舱为单底双壳。舷侧满足MARPOL 2011附则Ⅰ第18条对专用压载舱的要求，压载水量在压载工况下需要满足吃水、纵倾的浮态要求，同时也要达到船东要求的35 500 m3的货舱舱容。内壳、货罐的布置要综合考虑，尤其是第1、第4单元内的液货罐，要结合船体型线布置折板，充分利用空间，综合考虑压载水和货油舱容积，使其都能够满足要求。货罐及内壳的布置还需要考虑结构布置，折点、定位需要与结构协调一致。

1.1.2 货舱隔离

1）货罐与压载舱之间设有隔离空舱，方便布置货罐绝缘并保证人员检修的空间。按照BV关于沥青船设计指南“DNC ND95_301”的要求，保证最小600 mm的隔离空间。该船考虑在此距离上再加80 mm的货罐绝缘敷层，最终隔离空间为680 mm。由于该指南并非法定执行文件，所以对该距离的考虑还可以参考IACS的“GC6货舱空间”中关于液化气船货舱检验空间的要求，最小可以做到450 mm，对此船级社也可以接受。但考虑到该船较大，货舱上下距离也远，所以600 mm的上下通行空间有必要保留。另外，货舱侧壁与外板之间的距离根据MARPOL 2011附则I第19条的要求保证最小2.0 m的宽度。

2）货舱区主船体结构不设双层底，为单底结构，既方便压载管系及底部货罐垫块的安装检修，同时也能够减轻空船重量。货罐底部与船底外板之间的距离根据MARPOL 2011附则I第19条的要求保证最小2.0 m的空间。

1.2 泵舱布置

沥青船的危险区域基本都限定在有货区域，没有扩展，所以在机舱与货舱之间可以仅考虑一定的空舱隔离即可，对隔离距离没有具体要求。将泵舱布置在货舱中部，这样的管系布置比泵舱设计在机舱前部简单高效，可以减少管系因热膨胀引起的变形量。另外，由于沥青温度较高，整个货油泵也会随之温度较高，所以泵舱远离机舱，布置在货舱中央比较合理。

2 空船重量控制

空船重量直接影响载货量，因此控制空船重量至关重要。

1）控制首尾尖舱的压载水量。该船最初设计最大中拱弯矩为1 450 000 kN·m，出现在压载工况下，在装货工况下弯矩并不大。出于对该船经济性的考虑，将船端压载舱重新进行布置，减小端部压载，从而能够较大降低总纵弯矩。最终弯矩可降至1 200 000 kN·m左右，有效地减小结构重量。

2）取消步桥。根据载重线公约第25条要求，该船尾楼通往船首的通道可以是甲板走道，不一定是步桥。该船船宽较大，布置左右走道空间充足，所以取消步桥布置。

3）控制恶劣工况。工况的选择需经船东的认可，并在方案设计阶段就给予确认。该船规格书谈判阶段船东确认无左右舷货舱对称隔舱装载，货品较为单一。因此，不必为刻意满足这种工况而增大弯矩剪力的设计值，增加空船重量，使船舶的营运成本增加。但是这种情况也需要适当考虑多变的货品装载，所以“品”字形装载就成了比较适合的工况。这种装载工况其实是左右货舱错位隔舱装载，能够避免左右货舱对称隔舱装载的恶劣情况，从一定程度控制了结构重量，降低了船舶建造成本。

4）通过有限元分析细化结构。建立舱段有限元，进行有限元计算分析，并对结构细节进行细网格计算，将结构加强用在需要的位置。

5）货舱单元间横舱壁水密壁布置成非水密。基于破舱稳性核算的结果，将该船No.1与No.2货舱单元之间相通，No.3与No.4货舱单元之间相通，并没有布置成水密横舱壁，从而可以减少一部分结构重量。

3 快速性

该船船体型线如图3所示，船体肥大，首部型线为U型，尾部型线较为开阔。通过船模试验证明，设计吃水及结构吃水下剩余阻力曲线在Fr=0.18时较为接近，这也是该船U型型线特征所决定的。这一点也说明从设计吃水到结构吃水阻力增加平缓，不突兀，能保证船舶营运中满载的情况下阻力不至于过分增加而与设计吃水状态差距太大。

图3 船体型线

根据规格书要求，在主机CSR（85%CMCR）工况（5 440 kW×93.8 r/min））下，不带节能装置，要求航速达到 14 kn；或在 CSR（81%CMCR）工况（5 184 kW×92.3 r/min）下，带节能装置，要求航速达到14 kn。想要达到14 kn的航速指标难度都较大，所以需要对船体线型进行充分的优化。

该船通过CFD手段对线型进行分析优化，改善首部进流和尾部伴流，使得该船的阻力和推进性能超过预期。

同时采用扇形导管改善桨前流场，采用消涡鳍消除尾涡，提高了螺旋桨效率。经过对节能装置的多次试验并优化，最终在EEDI吃水下75%CMCR功率点水池试验节能效果达到5.7%。在CSR工况下带节能装置试验航速为14.18 kn，满足了设计要求。

4 分舱与稳性

4.1 破损分舱

该船破舱稳性采用确定性计算方法，船长L的任意一段的纵向分隔如果发生破损，残余稳性都要满足MARPOL公约要求的破舱稳性衡准。纵向破损区域的划分以水密横舱壁为界，船首端有两道横舱壁，对端部破损较为有利。货舱区以泵舱前后端壁为界分为水密的两部分，尾部与机舱也以水密横舱壁分隔，破损区域的划分比较整齐，如图4所示。由于是确定性破舱，所以要重点关注区域连带破损情况下的残余稳性，尤其是船端区域连带破损的情况，比如左舷舷侧、首尖舱、首空舱、首压载舱、No.1货舱（左）、No.1和No.2单元隔离空舱、No.1边压载舱（左）同时破损后的情况，如图5所示。

图4 破损分舱图示

图5 首段破损进水图示

一般情况下，单底货舱在破舱稳性计算中与双层底相差较远。该船在布置单底时，将货罐的最小高度控制在MARPOL公约要求的底部破损范围B/15之外，不至于底部破损连带货舱。为了方便货油管系布置，货舱端部需要布置膨胀节，所以第1、2单元之间和第3、4单元之间的横舱壁布置成非水密。这对破舱稳性的影响较大，会产生不同区域的连带进水，处理的方法就是将货罐布置在MARPOL公约定义的垂向破损区域以外。

4.2 完整稳性

该船完整稳性满足MARPOL附则I防止油污染规则第4章第27款的完整稳性衡准，同时满足完整稳性规则IS Code 2008的稳性衡准。值得注意的是，根据MARPOL Reg28.4.4的要求，需要考虑液舱自由液面5°横倾修正。对于B型干舷的液货船来说，完整稳性较容易满足。

5 货舱加热及保温

沥青船所装载的沥青必须是以液态形式运输，因此需要沥青的加热及保温。一般情况下，普通沥青在130℃以上保持水样流动性，装卸货时温度保持在150～170℃之间保证卸货效率。所以该船最大货舱设计温度为170℃，比较符合船东需求。如果保温温度太低，沥青容易重新凝固，造成卸油困难；如果加热温度过高，不仅浪费能源，而且有可能造成沥青性能发生改变，造成部分设备损坏；过高的温度还会引起沥青中残存的轻馏分大量蒸发，这些闪点很低的气体极大地增加了船舶的危险［2］。

该船采用舱内加热方式，通过舱内的加热盘管来实现对货油加热。这种加热方式系统简单、热效率高且成本较低。但缺点是货油舱底部的蛇形加热盘管庞大，且有一定的重量，相比较外部加热，减少了很多管系热量损失，具有一定的优势。

37 000 DWT沥青船采用给独立货罐外围敷设保温材料保证24 h温降不大于4 K，以达到良好的保温效果，并且货舱底部通过绝缘垫块大幅降低高温沥青货罐向船底结构的传热损耗热量，也能避免高温对船体结构的影响。

6 能效设计指数（EEDI）控制

EEDI——IMO推出的船舶能效设计指数，用CO2排放与运载能力的比值来表示，反映的是船舶装载每吨货物每航行1 n mile所排放的CO2的质量［g.（DWT.n mile）－1］。EEDI的基本计算形态见式（1）。

式中：P——主机75%额定功率，kW；

Δ——EEDI吃水下的排水量，t；

v——主机功率P下的航速，kn；

f——修正系数；

Cf——燃油碳转换系数；

SFC——主机油耗，g/kg

由式（1）可以较为直观地看到，船舶消耗同等功率的情况下，载重量、航速越大，EEDI值越小，即排放的CO2越少。基于此分析，对该船降低EEDI值采取如下措施：

1）降低空船重量，增大载重量。

2）减小船身阻力，提高航速。

3）主机合理选型降低油耗。通过降低主机转速以提高螺旋桨效率，并将主机常用功率点选在主机油耗曲线的低位，降低主机单位功率油耗，这样可以降低该船推进油耗。在实际的营运当中，在班轮周期不紧张的情况下，很多船东在近海航段往往主动降低航速以期油耗更低，此时，主机会处于部分负荷甚至低负荷的状态，于是在满足船舶推进需求的功率下，适当把主机降功率使用，既能减小装船功率获得经济的油耗，又能获得较理想的EEDI值。该船最终EEDI计算值低于基线26.3%，达到了二阶段排放标准。

7 结语

本文对总布置分析、空船重量控制、快速性、分舱与稳性、货舱加热及保温、EEDI控制等6方面进行分析，阐述中大型沥青船的总体设计中，需综合考虑的几个重要方面的因素，实现符合市场要求的船型设计。

作为目前世界上最大独立货罐沥青船，重点理清规范规则对不同货罐型式的要求和对船舶建造成本的影响，综合考虑该尺度船的货罐布置型式的优势。通过CFD分析、线型优化、加装节能装置等方式提高快速性；降低空船重量，降低能耗，提升船舶营运的经济性。从布置上保证稳性满足公约要求，特别是货罐布置位置对破舱稳性的影响。沥青船货罐在加热及保温上的设计思想直接影响以后货物的营运，要与船东充分沟通确认。采取哪些措施降低EEDI值也是新船设计需要重点考虑的方面。通过该船的研究和设计，使我们掌握了沥青船的船型特点及设计要点，也为开发设计新型沥青船积累了重要经验。