基于目标船舶结构规范的超灵便型散货船设计

陆明锋

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

0 引言

当前，世界航运市场总体处于低位盘整阶段。一方面，燃油价格从相对低位慢慢上扬，运费也在极度探底之后企稳回升，航运企业景气状况明显好转，干散货航运企业盈利状况大幅改善。另一方面，国际海事组织(IMO)积极发挥引领作用，各项节能环保规范陆续出台生效，对船舶的节能环保要求日益严格。在此市场背景下，相关设计院、船厂陆续推出多种新船型设计。在开发设计中，使用CFD软件优化型线[1]，提高船舶效率；研究协调共同结构规范(HCSR)[2]以保证船舶结构安全等。

为抢占市场先机，提高产品竞争力而打造的新一代绿色节能环保型散货船，系统研究了船舶主尺度、总体布置、推进性能、船体结构、主辅机器设备等方面，使得该船型具有油耗低、载重量大、货舱装载容积大、结构安全、环保等特点，船舶设计能效指数(EEDI)满足2020年以后签约建造的要求，其他相关指标均满足最新国际环境规范要求。

1 主尺度

此次开发新船型时，通过调研散货航运市场和船东客户的使用反馈意见，综合考虑船舶推进性能、总体布置要求、营运航线、装卸货码头等实际条件，对本船的主尺度及主要技术指标进行论证研究，并优化调整。

本船主尺度具体如下：

总长

小于199.9 m

垂线间长

197.0 m

型宽

32.2 m

型深

19.4 m

设计吃水

13.5 m

结构吃水

13.5 m

服务航速

13.8 kn

载重吨

约63 500 t

主机型号

MAN B&W6S50ME-C9.5

最大功率(MCO)

7 390 kW

转速

89 r/min

船级符号

NK, NS* (CSR, Bulk Carrier-Type A, BC-XII, GRAB 20, PSPC-WBT), (ESP) and MNS* (M0)

或者其他船级社同等船级符号。

虽然巴拿马运河船闸通行宽度已经大为提高，考虑到船型的延续性，本船仍采用总长小于200 m和船宽32.2 m的设计方案。另外，大灵便型散货船营运中为更多装载至满载吃水航行，因此本船的设计吃水和满载吃水统一至13.5 m，以突出优化船舶满载航行时的性能，提高船舶载货量。

2 总体布置设计

2.1 总体布置

本船属于平直甲板、方形船艉、垂直船艏的散货船，满足最新的协调共同结构规范(HCSR)，适航于无限航区，可装运铁矿石、煤炭、谷物和钢卷等货物，也可根据船东实际需求升级规格以满足危险品货物运输。为尽可能提高船体推进性能，降低燃油消耗，本船艉部加装了多种节能装置，如带反向翼的半导流管、舵球舵翼装置等，机舱、推进装置、居住舱室和驾驶桥楼设置在船体后部。本船的总体布置示意见图1。货舱区域分割成5个货舱。除艏艉尖舱和机舱区域的6号压载舱外，5个货舱周边的双层底、底边舱和顶边舱空间也布置了5对压载舱。本船配备了3对燃油舱、1对柴油舱。5号货舱顶边舱中的油舱外侧的双壳部分设计为污水舱，用以收集甲板雨水、货舱洗舱水及居住区生活废水。本船配备4台300 kN的克令吊、5对折叠式舱盖，能满足大灵便型散货船装卸货物的要求。

①—1号燃油舱(左、右)；②—4号顶边压载舱(左、右)；③—3号顶边压载舱(左、右)；④—2号顶边压载舱(左、右)；⑤—1号顶边压载舱(左、右)；⑥—3号燃油舱(左、右)；⑦—6号压载舱(左、右)；⑧—机舱；⑨—艉尖舱；⑩—柴油舱(右)

2.2 燃油舱布置

根据国际防止船舶造成污染公约(MARPOL)修正案Reg.12A要求，船上所有燃油舱均须满足双壳的布置要求。为尽可能地有效利用船体内部空间，提高货舱装载容积，前一代大灵便型散货船设计中，除机舱区域布置1对燃油舱外，在4号和5号货舱区域的顶边柜内各布置了1对燃油舱。通过对船东的回访，了解到为灵活应对低迷的航运市场，大灵便型散货船甲板装货的要求相当普遍，结合考虑到后期甲板维护的便利性，本船在5号货舱顶边舱内布置了1对燃油舱。同时为了提供足够的续航力，5号货舱和机舱前壁之间增加了1对燃油深舱。出于通行和建造便利性的考虑，燃油舱双壳宽度设定为1.2 m。2号和3号燃油舱之间设置有利于管系穿行的隔间，以方便污水收集管、蒸汽管线等的布置。

前一代大灵便型散货船的柴油舱布置在机舱燃油舱内。根据船东反馈，燃油舱加热时，低硫柴油存在被过度加热的可能性。为了避免出现相同的问题，本船将柴油舱布置在舵机间，并将其分隔成2个小舱。

2.3 服务航速

船舶航速既要满足快速性的需求，又是影响船舶能效设计指标的重要因素，决定了后期船舶运营经济性，因此，合理设定船舶服务航速要结合两方面的需求。根据从不同船东处收集到的大灵便型散货船实船营运数据分析结果看，大部分时间船舶是以低于设计航速的状态在航行，可见降速航行已成为船东应对低迷市场、控制船舶营运成本的常态措施。另外，由于航速与船舶推进功率的指数关系，降低航速也是提高船舶能效设计指标的一个非常有效的方法。本船服务航速设定时，同时参考了各船型的服务航速与方形系数的统计图谱，最终将服务航速设定为13.8 kn。在增大船舶载重吨指标的基础上，保持较好的船舶推进性能水平。

2.4 总纵强度

本船装载工况除了实际营运中的铁矿石、煤炭、谷物、钢卷等装载工况外，还包括协调共同结构规范中对BC-A散货船的强度校核要求工况。通过对装载工况的研究，本船完整状态下的静水中拱弯矩的最大值一般出现在压载出港工况，最大中垂值则出现在重压载到港工况，装载货物工况产生的静水弯矩相对较小。在保证船体安全程度的前提下，为提高船体许用设计弯矩的利用率，合理降低结构重量，对上述出现最大、最小静水弯矩的压载工况进行了多方案对比研究发现：一方面通过调整艏尖舱的布置方式，减少了中拱弯矩5%左右；另一方面通过重压载工况的压载水分布优化，中垂弯矩降低了20%左右。优化前后弯矩包络线比较见图2。采用上述措施后，与前一代大灵便型散货船相比，本船的货物装载能力增加了约5%，而且设计许用弯矩值有较明显降低，初步估算可节约钢材重量约1%。

图2 优化前后弯矩包络线比较

3 节能设计

3.1 线型优化

船舶推进性能的优劣，决定了船型的市场竞争力。为提高船型设计的生命力，本船型开发时，重点对船体型线进行优化。采用最新的船体线型技术，运用数字化水池技术(CFD)和模型水池试验等方法，对船体型线进行了多轮优化设计。通过采用垂直球鼻艏的形式，在不过多增加兴波阻力的情况下，本船的满载排水量得到了一定的增加，满足了船东加大载重量的需求。

3.2 舵球舵翼装置

为改善螺旋桨后尾流，减少毂涡的产生，本船螺旋桨后方将安装舵球舵翼节能装置(Rudder Bulb System with Fins，RBS-F)，见图3。通过该装置，能将螺旋桨后尾流的旋转动能转换为向前的推力，并有效减小螺旋桨毂帽后的低压空间，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，同时又能减轻尾流对舵和船艉的激振作用，综合提高船舶推进效率。根据船模试验结果，安装该装置后，预计可提高推进效率3%～5%。

图3 舵球舵翼装置

3.3 半整流导管装置

为优化螺旋桨进流伴流，本船在螺旋桨前端加装了半整流导管(Semi-duct)，见图4。该装置由半圆形导流罩和三片反向鳍组成，利用半圆形导流罩调整流入螺旋桨的水流，同时对导流罩也产生推力，提高推进效率；反向鳍可产生与螺旋桨旋转方向相反的水流，减少螺旋桨后方的回转流，提高螺旋桨的推进效率。根据模型试验结果分析，采用该装置后，预计可以提高推进效率3%～4%。

图4 半整流导管装置

4 主要规范

4.1 协调结构共同规范

为了解决共同结构规范(CSR)中对油船和散货船的应用维护问题和不协调问题，满足工业界、船东的需求，特别是IMO的目标型船舶建造标准(GBS)的要求，国际船级社协会(IACS)于2014年3月正式发布了协调共同结构规范(HCSR)。HCSR对油船和散货船的强度要求不低于原CSR的要求。HCSR适用于2015年7月1日及之后签约的长度不小于90 m的散货船及不小于150 m的双壳油轮。

依据HCSR规范对设计海况、标准装载工况、静态和动态载荷、结构净尺寸、结构疲劳及局部和总纵强度衡准等的要求，对本船的结构尺寸进行了分析、计算和确定。相对于CSR的散货船，有以下几方面较明显的变化：

(1)大灵便型散货船增加了斜浪时的等效设计波用来确定动载荷。

(2)与前船相比，内底板纵骨、中纵桁等结构的尺寸由在港工况决定，这是由于HCSR中采用了与油船共同结构规范(CSR-OT)类似的评估方法。虽然在港工况下不考虑动载荷，但是相应的衡准也下降，约为航行工况的80%。

(3)由于采用了新的闭合公式法评估屈曲强度，本船的舷侧肋骨尺寸基本由屈曲强度决定，货舱单壳区域的板厚相对前船增加1.5 mm左右。

(4)对于大灵便型散货船来说，钢卷是常见的货种之一。由于钢卷与货舱内底板接触面积小，单位面积重量大，货舱内底板的板厚和纵骨尺寸往往由钢卷装载工况决定。相对于CSR-BC，在钢卷装载工况相同的情况下，HCSR对内底板的板厚和纵骨尺寸的要求有所下降。

(5)根据GBS的要求，增加了碰撞和搁浅工况下的残存强度计算要求，但是对船体强度基本没有影响。

(6)前船只需对船中部分货舱结构进行有限元计算方法评估，本船的有限元评估范围扩大到整个货舱区，包括粗网格、细网格、疲劳精细网格评估，设计工作量显著上升。

(7)疲劳强度计算时选取的载荷概率水平由10-4改为10-2。这是由于10-2概率水平下，不同的Weibull形状参数的选取对疲劳寿命计算结果的影响较小。另外，疲劳计算工况下的静水弯矩不再根据实际装载手册选取，而是直接由HCSR 给出许用静水弯矩的一定比例作为疲劳计算工况下的静水弯矩设定值。

(8)IMO基于GBS对HCSR的功能性要求作了符合性审查。提出了以下几点需要改进的地方：增大迎浪和随浪工况下的浪向修正系数；疲劳计算时船长小于200 m的BC-B和BC-A船增加重压载工况下的时间比；疲劳计算时结构件暴露于腐蚀环境下的时间翻倍等。虽然工业界有不少反对声音，IACS还是根据要求推出了紧急规范变更通知(URCN1)。经过对本船的研究，URCN1对船体梁总纵屈服强度、极限强度、残存强度没有影响，但是对局部屈服强度、屈曲强度、疲劳强度等有一定影响。

4.2 氮氧化物排放规则和对策

随着全球海事界对有害物质排放要求日益严格，特别是船舶航行在限制排放区域(Emission Control Area，ECA)、美国加勒比海和加利福尼亚区域，要求船舶有更低的废气排放，促使船东采用各种措施应对全球、区域和本地立法的要求。

根据IMO要求，对于2016年1月1日及之后建造的船舶，船舶安装超过130 kW(不在港口使用的应急发电机除外)的柴油机需要满足氮氧化物(NOx)排放三次规则的要求。本船采用MAN 6S50ME-C9.5-EGRBP机型，主机采用废气再循环方式(Exhaust Gas Recirculation，EGR)系统。根据氮氧化物的形成原理，在燃料燃烧产生高温高压的条件下，由空气中的氮气和氧气通过化学反应而产生的，为了减少这种化学过程，就需要降低燃烧反应温度。据此，MAN公司研究了废气再循环(EGR)。此系统为MAN公司的专利产品，原理为主机燃烧过程中，将主机产生的一部分废气清洁后作为扫气空气送入气缸内，进机气体中氧气量减少，同时燃烧温度下降，破坏了氮氧化物的形成条件，从而抑制氮氧化物的产生，以达到排放三次规则的要求。

发电机采用选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)系统来满足氮氧化物排放三次规则的要求，其原理是在发电机排烟管中设置催化还原反应装置，将发电机废气中的氮氧化物排入反应罐中，与尿素溶液发生化学反应，分解排烟中的NOx，降低排烟中的NOx含量，以达到氮氧化物排放三次规则的要求。

4.3 硫氧化物排放规则和对策

根据IMO海洋环境保护委员会(MEPC)72次会议讨论的结果，IMO再次确认，从2020年1月1日起，在全球海域即将执行0.5%硫含量的排放要求。目前，降低硫氧化物(SOx)排放的主要途径有：使用低硫燃油、安装废气处理装置、使用液化天然气燃料(Liquefied Natural Gas，LNG)。

针对目前主要硫氧化物排放控制区限制要求,结合船东在船舶营运方面的要求,本船基于满足规则使用要求以及ISO 8217：2017标准的低硫燃油(粘度： 2.0 mm2/s及以上，40 ℃，硫含量：最大1.0%)作为硫排放限制区域的对策，设计主要包括配备螺杆泵、冷却器，以及设置专用的低硫燃油舱、柴油舱和高低碱值的汽缸油舱等。同时为了满足即将执行的IMO要求全球0.5%硫含量的排放要求，结合船东使用超过0.5%硫含量的燃油的要求，采用安装开式的SOx洗涤塔作为应对措施，并且也考虑采用清洁能源(液化天然气)作为SOx和NOx排放要求的应对措施。

4.4 能效设计指数

为促进船舶减少CO2排放，新船能效设计指数(Energy Efficiency Design Index，EEDI)作为衡量船舶CO2排量的指数，已于IMO MEPC62会议作为MARPOL Annex VI的修改被采用。该法规设定了EEDI的基准值，从2013年1月1日起签署合同的新造船舶需要满足不同的阶段要求。经初步测算，目前本船的EEDI设计值相对基线值的冗余度超过25%，已满足Phase 2(到2024年为止)的要求。

4.5 压载水管理公约

2016年9月8日，随着芬兰批准接受《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》(简称《压载水管理公约》)，该公约将于2017年9月8日正式生效。船舶需要对压载水进行相应的处理，以移除压载水中的外来生物，避免压载水对当地海洋环境带来生物污染。

根据公约要求，本船提供对策如下：

(1)根据压载水管理计划(BWMP)，船舶在航行途中采用逐一置换法，使压载舱内的压载水更换率至少达到压载水体积的95%以上，满足D-1标准。同时，对于置换操作进行安全评估，包括完整稳性和总纵强度的校核、螺旋桨的浸没率、驾驶室可视范围、艏部船体砰击等。特别是对于散货船型，压载水置换过程中，艏部会出现较小的吃水，需要对置换过程进行优化，船体结构相应加强，并在船舶装载手册中明确艏部的最小吃水。

(2)配备1套满足D-2标准的压载水处理装置，机舱内布置、压载泵扬程、船舶电站容量等相应调整等。根据船东的反馈，对于大灵便型散货船，压载水处理装置通常考虑为美国海岸警卫队(USCG)型式认可的系统，以满足美国水域航行的要求。

5 结论

新一代绿色节能环保的超灵便型散货船推向市场后，得到了客户的充分认可。本文对此船型的总布置方案、性能优化设计、船体结构设计等方面进行了总结，得到结论如下：

(1)船型的关键竞争力体现在节能和环保。通过型线的优化、节能设备的应用，可在提高载重吨的同时降低油耗指标。

(2)协调结构共同规范通过经验公式和直接计算相结合的形式，校核结构的屈服屈曲强度、疲劳强度、极限强度、残存强度等，这也必将使结构增强，钢材重量增加。这些改变使得设计人员对于设计流程、结构布置、节点设计等许多方面都要做出相应的调整或改变。

(3)更安全、更环保的船舶，也意味着造船成本的增加，设计者要充分研读规范，掌握好尺度，既要满足规范法规的要求，又要考虑为造船成本降低多做贡献，合理设计结构余量、选择设备规格。