江苏内河集装箱船标准船型设计分析

于全虎 张 平

（江苏省船舶设计研究所有限公司 镇江212003）

引 言

江苏省位于我国东部沿海的长江和淮河下游长三角地区，内河航道里程和密度均居全国省级区域首位，内河航运十分发达［1］。京杭运河江苏段连接微山湖、骆马湖、洪泽湖、高邮湖和太湖等水体，贯穿长江和淮河两大水系，是江苏“两纵四横”干线航道网最重要的部分。［2］京杭运河江苏段日通行船舶超过5 000 艘，已开通省内连云港、徐州、淮安、扬州、太仓、南京及上海等航线，其中至外高桥、洋山港支线的定期班轮直接对接“一带一路”海运市场。［3］江苏良好的港航基础设施及经济发展水平具备发展内河集装箱运输的优越条件，但现有的内河集装箱运输船型吨级、尺度等各异性较为突出，船型标准亟待统一。本文通过对物流需求及航道、码头实际情况调研，分析总结内河集装箱船的技术要点，完成了48 TEU、64 TEU 和96 TEU标准集装箱船设计。

1 京杭运河集装箱船标准船型主尺度标准

交通运输部2012 年公布《京杭运河、淮河水系过闸运输船舶标准船型主尺度系列》（简称“2012版主尺度系列”）替代交通部2005 年公布的《京杭运河运输船舶标准船型主尺度系列》（简称“2005版主尺度系列”），对标准船型主尺度系列进行优化和完善，其中“京杭运河、沙颍河-淮河干线过闸集装箱船标准船型主尺度系列”见表1。

2019 年，国家市场监督管理总局和中国国家标准化管理委员会提出《内河过闸运输船舶标准船型主尺度系列-第2 部分：京杭运河、淮河水系》（GB38030.2-2019）（简称“2019 版主尺度系列”），其中“京杭运河、沙颍河-淮河干线过闸集装箱船标准船型主尺度系列”见表2。

表1 京杭运河、沙颍河-淮河干线过闸集装箱船标准船型主尺度系列

表2 京杭运河、沙颍河-淮河干线过闸集装箱船标准船型主尺度系列

2 京杭运河江苏段集装箱运输基础设施状况

“2012 版主尺度系列”是充分考虑通航技术条件、航道差异性和干支流的互通性等因素，遵循船型与船闸及等级航道等通航基础设施相匹配，简化尺度系列档次并兼顾船型优选及实用性，与相关国家标准、交通运输行业标准和政策相协调，经多方案技术经济优化论证形成，但随着近年航道与码头设施建设发展，已难以很好适应江苏内河航运发展需求。

（1）江苏省在“十五”至“十二五”期间连续投入巨资进行内河航道建设与整治，航道基础条件得到很大提升，京杭运河苏北段达到二级航道标准，常年维护通航水深4 m、航道底宽60 m、航道最小弯曲半径大于450 m；苏南段达到三级航道标准，常年维护通航水深3.2 m、航道底宽45 m、航道最小弯曲半径大于380 m。京杭运河苏北段主要通航船闸11 座，闸宽23 m、长230 m、最小门槛水深5 m；苏南段主要通航船闸1 座，闸宽23 m、长230 m、最小门槛水深4 m。［4］

（2）江苏省内河沿岸码头设施经过多年建设也得到很大提升，京杭运河苏北段原有码头集装箱装卸桥吊的吊臂长度最多只能吊装4 列集装箱，现在部分已能吊装5 列甚至6 列集装箱，码头建设规模也快速提升，为集装箱船标准船型主尺度加大提供了硬件条件。

“2012 版主尺度系列”限制最大船舶总长68 m、船舶总宽13.8 m、最大设计吃水3.0 m，不能充分利用当前航道通航能力和码头装卸能力，京杭运河集装箱标准船型主尺度系列存在优化空间。交通运输部2017 年在“交通运输部关于修订《京杭运河通航管理办法（试行）》的通知”（简称“通航办法2017”）中将2006 年印发的《京杭运河通航管理办法（试行）》（简称“通航办法2006”）第五条进行修订，对“在京杭运河航行的集装箱船、滚装货船和江海直达特定航线船舶”的主尺度限制进行调整（见表3），与“2019 版主尺度系列”相协调。

表3 《京杭运河通航管理办法（试行）》对集装箱船主尺度限制的调整m

3 京杭运河江苏段集装箱船应用现状

3.1 船型概述

京杭运河江苏段航道水深普遍较浅，且受季节性因素影响较大；风浪较小，船舶航行性能受风浪影响小；跨河桥梁和建筑物较多，船舶水线以上高度需要控制。集装箱船普遍采用浅吃水肥大型敞口船，艏部线型丰满，进流段较短；类驳船型艉；低干舷；较大型船一般双机双桨推进，低速操纵性能较好；主甲板上舱室布置采用首驾驶室及尾部上层建筑一层或一层局部升高的布置方式。

3.2 船型主要特点

（1）出于控制船舶总长和加大货舱长度的需要，将船首和船尾部长度缩短，从而导致机舱、船员舱等舱室和锚泊设备布置空间不足，船员舱室面积过小、床铺不足且舒适性差。

（2）航行船舶密度大，对船舶操纵性要求高，一般选择双机双桨推进方式。

（3）对于中小型船舶，船舶总推进功率尽可能控制在500 kW 以下以降低轮机部配员要求；船舶总吨尽可能控制在1 000 以内以降低甲板部门的配员要求。

（4）船舶航行浅水阻力效应明显，加之考虑运输距离较短及待闸时间，设计航速集中在12～15 km/h。

（5）部分主尺度较大的船舶在机舱以上部位也布置2 只集装箱，在集装箱周边的空位布置船员舱室。这种布置方式存在明显弊端：机舱上方的甲板面积并不宽裕，布置2 只集装箱再加上留空面积后还需布置厨房、餐厅、卫生间和船员室，空间局促且只能压缩舱室空间和牺牲乘员舒适性，同时船舶满箱装载状态下货物重心后移影响船舶浮态调节。

3.3 集装箱物流发展概况

京杭运河江苏段苏北港口至长江沿线港口集装箱运输船以54～96 TEU 船型为主，货物主要为粮食、元明粉、盐、陶瓷、玻璃、板材等；苏南港口至上海外高桥港区集装箱运输船以16～45 TEU船型为主，货物主要为纺织原料、食品原料和建材。装载黄沙等建材时，20 TEU 箱子的总重可达27～28 t。

2018 年6 月投入营运的“汉唐上海”号124 TEU 集装箱船的营运航线从苏高新港开始，经由京杭运河、芜申运河、黄浦江、长江口，最后通过海区到达洋山深水港，实现了河-江-海高效联运新模式。2019 年6 月国务院发布的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》提出规划建设南通通州湾长江集装箱运输新出海口。预计至2035 年，通州湾港区集装箱吞吐能力有望超1 500 万TEU，江海直达集装箱船型迎来了新的发展机遇。

4 江苏内河集装箱船标准船型设计要点

4.1 船舶主尺度

船舶主尺度首先要符合航道尺度的限制，航道的水深、宽度和弯曲半径分别限制船舶吃水、船宽及船长。通常船舶总长可取为航道弯曲半径的1/4～1/3，船舶与航道上限制船宽的船闸两边间隙至少为5%～10%船舶总宽，船舶最大吃水需在航道水深基础上预留0.2 m 以上的富裕水深。参照《内河通航标准》（GB50139-2014）对船舶的最大宽度、最大长度和吃水限制，作为干线航道网内航行的集装箱专用船，应该以三级、二级航道对应的航道条件、船闸尺度和桥梁高度等限制条件，并结合船舶总体布置、操纵性、船舶造价、船舶阻力、货舱长度要求、稳性及适航性等方面综合考虑。船舶水线以上高度则以京杭运河江苏段全线通航净高7 m 为限。

4.2 舱室布置

内河船舶设计中，通常将船员居住环境置于从属地位，但如何在有限的船舶空间条件下改善舱室环境，理应引起足够的重视。良好的居住和工作舱室环境应具备舒适型、私密性、人性化布置以及较完善的生活设施等，舱室外也应有一定的活动空间。

4.3 船体结构

4.3.1 基本结构

内河集装箱船属大舱口船，货舱区的结构按照《钢质内河船舶建造规范》（2016）（简称船舶规范）要求可以设计成“双底双舷”、“双底单舷顶部设抗扭箱”、“单底单舷”、“单底双舷”等多种结构形式，综合目前实船应用和船舶规范要求，船舶基本结构形式推荐设计成：货舱区双底、双舷结构；甲板、舷侧（含内舷）、船底（含内底）采用纵骨架结构；船首、船尾结构采用横骨架结构，以保证船舶的总纵强度和扭转强度。

4.3.2 重点部位结构加强

甲板部位在舱口角隅处、开口两侧甲板边走道的舱口盖和人孔盖开口处因结构突变易产生应力集中现象；舱内在箱底角部位因集中载荷会导致局部结构过载；在螺旋桨上方的船底板、主机尾轴穿过船体的地方、锚链筒出口处的外板因振动和冲击载荷会产生结构疲劳现象等，需根据各局部结构的强度要求针对性加强。

4.3.3 结构优化

结构设计中各板材和构件的厚度及尺寸可在满足船舶规范要求的前提下保留合适的安全裕度。通过有限元软件对全船特别是货舱部位的结构进行优化设计，降低船舶建造钢材用量和制造成本，利于市场推广。

4.4 船舶线型

一般内河机动货船常采用尖头方尾线型，为提高装载量，方形系数要达到0.85 以上。为保证尾部螺旋桨供水，尾部去流角尽可能控制在15°或以下，防止出现水流分离现象；同时采用拖泥装置保护舵、桨系统，以加大桨径来提高推进效率。

对于国内外内河船型常见的尖型艏、勺型艏、非对称双尾鳍船型、导流鳍支架尾船型以及鱼尾舵等，通过船模试验和CFD 优化研究［5-6］表明：

（1）船舶首部轮廓对阻力性能的影响较小，尖型艏阻力略低于勺型艏且相差不大。尖型艏设计的重点在艏部进流角与水线曲率变化合理配合；勺型艏设计重点在艏部纵剖线与水线合理配合。

（2）双尾鳍船型阻力比导流鳍支架尾船型减少7%～9%，因而阻力推进和快速性能更优。双尾鳍船型回转直径小于后者，航向稳定性和操纵性更好。双尾鳍船型与鱼尾舵组合具有优良的操纵性。

（3）欧洲内河船舶常用的导流鳍支架尾船型一般配套导管桨，对于螺旋桨负荷不大的情况应用常规螺旋桨可降低船舶阻力11%～14%。

（4）内河集装箱船属低速肥大船型，兴波阻力占总阻力比例较低，设置球鼻艏起到的消波作用微弱。采用直首可降低船首压阻力，在船长固定前提下有利于增加船舶水线长而减小艏部波浪反射。

4.5 船舶推进与航速

一般单桨船的推进效率高于双桨船，但采用双机双桨可使船舶推进总功率得到分解输出，相应减小螺旋桨的最佳设计直径，对浅吃水船舶限制桨径更有利。内河航道弯曲狭窄、船舶密度大，相互交汇和超越较为普遍，要求船舶有良好的操纵性和控制能力。通常装载能力45 TEU 集装箱以上船舶的尺度与航道尺度相比已属于大型船舶，需要更好的操纵性。船舶两个推进轴间距越大，产生的转船力矩越大，船舶的操纵性也就越好。不过间距过大则桨叶叶梢接近舷外，容易受损，桨叶空载时露出水线的尺寸更大而效率降低更多。内河集装箱船的船宽相对船长数值较大，船舶方形系数很大且船尾横剖型线平直，加大轴间距可获得舷侧来流的补充而提高螺旋桨效率，轴间距为船宽的40%～45%较为合适。双桨外旋设计可减少水体漂浮物进入螺旋桨和船体间隙；而且当两桨转向相反时，会分别在船两侧产生始终与桨推力产生的转船力矩同向的附加力矩，提高了船舶的操控性。内河船舶为提高装载量会充分利用航道水深，内河航道的河床情况复杂，特别是在枯水季，极易造成船体擦底及舵、桨损坏。因此，设置足够刚度和强度的舵托在船体擦底前接触河床，可有效保护舵、桨免受河床的冲击损坏，螺旋桨的桨径可以相对更大，效率更高。

通常航道水深在小于船舶吃水4 倍时，就可能出现浅水效应，小于2 倍时会产生明显影响。京杭运河水深相对通航船舶吃水已属于明显的浅水航道，水深傅氏数（）＜1.0 时为亚临界速度区［7］，船舶航速较低时兴波阻力与深水时基本相同；航速较高时兴波阻力增加较明显。船舶在浅水缓流航道的极限航速对应的水深傅氏数可取为0.7～0.75［8］，则各种临界航速计算如下页表4 所示。内河集装箱船一般运输大宗低价值货物为主，对速度要求并不高，加之运河通航船舶密度较高且受待闸时间影响，限制船舶的经济航速在13～15 km/h范围。

4.6 集装箱系固

集装箱船由于风浪的影响和惯性作用产生具有加速度的随机摇荡运动，船上的集装箱受到同样的加速度作用产生惯性力，惯性力的大小与船舶的运动参数及集装箱重量有关。船舶规范对集装箱单箱所受的横向和垂向水平分力，以及各层集装箱端壁上的横向扭变力、集装箱箱角压力等均有具体计算要求，可根据受力情况采用角锁紧、绑扎装置或二者的组合进行有效系固绑扎，以保证集装箱不会出现横向滑移甚至掉落。初始设计集装箱船系固系统需要预估最危险配载工况下可能出现的最大初稳心高度，使绑扎方式满足一定初稳心高度的适用范围，为最终设计的初稳心高度变化预留调整空间。［9］

表4 京杭运河通航集装箱船临界航速km/h

堆垛高度不超过舱口围板时，集装箱层间采用堆锥垂向连接以约束集装箱的横向和纵向滑移。舱口围板与紧邻的集装箱角柱间安放木楔，顶层集装箱用桥锁横向连接，与舱壁一起约束堆垛的整体横向位移和翻倒，舱口围板、舱壁和集装箱自重可约束垂向脱位；堆垛高度超出舱口围板时，舱口高度以下的集装箱层间用堆锥垂向连接。舱口以上的集装箱层间外侧用扭锁垂向连接，内侧用堆锥垂向连接以约束外侧集装箱垂向脱位。舱口围板与相邻集装箱角柱间安放木楔，顶层集装箱用桥锁横向连接，若无法安装桥锁可采用柔性绑索整剁横向绑扎，约束堆垛整体及堆垛内列间横向位移和扭变。［10］

4.7 船舶振动

内河浅吃水的限制使内河船螺旋桨叶梢与船外壳的间距较小，螺旋桨激发的脉动压力较大且易引起船尾部振动。浅水效应和船舶轻载时常出现螺旋桨出水导致的空泡现象，会使桨产生更大的激振力。内河船螺旋桨出于成本考虑，常存在加工精度不高、重心偏差和叶面粗糙等现象，从而产生不平衡力矩。双桨推进方式作用在船尾部的表面力非常大，也易引起船尾振动。［11］适当加强船尾部结构强度和刚度，并增强设备集中安装处及其邻近结构的强度，增大螺旋桨叶梢间隙，合理选择螺旋桨叶数和转速，注意控制螺旋桨和轴系加工及安装工艺精度等举措，都能有效控制船舶振动。

4.8 装载与船舶航态

船舶航态对阻力、快速性和能耗具有较大影响，可通过数值模拟方法绘制集装箱船在系列载况和常用航速下不同纵倾角对应的船舶阻力曲线，计算分析出船舶阻力最小时的纵倾。装载时通过一定的配重策略或压载水调节使船舶浮态接近最佳纵倾角，以降低船舶航行阻力，实现节能减排。［12］

4.9 新能源动力应用

目前江苏约有92 艘运营的LNG 动力船舶，占全国营运LNG 动力船舶总数的1/3。自2019 年6月起，LNG 动力船舶可以向长江三峡通航管理局申请过闸，内河船舶应用LNG 步伐进一步加快。此外，船用储能装置如动力锂电池等新能源技术也已在内河货运船舶上逐步试验应用。2016 年大连玉柴能源有限公司开发建造的“运河之星2000e-鲁济宁货6937”集散两用船交付，满足中国船级社“绿色动力船-II”；2017 年交付的500 吨级电力推进货船“浙湖州货1625”由锂电池+超级电容动力模组供能，同时设置风力和太阳能发电设备提供船上生活辅助用电。预计新能源内河集装箱船的发展将是大势所趋。

5 江苏内河集装箱船标准船型设计实例

48 TEU、64 TEU 和96 TEU 三型集装箱船标准船型的设计是根据江苏内河港航设施和物流运输的发展情况，结合《京杭大运河标准集装箱船主尺度系列研究》成果转化要求，重点在船舶主尺度符合大型化、标准化的发展趋势，降低造价和建造技术难度，利于市场推广运用。江苏内河集装箱船标准船型主要参数见表5。该类双机双桨推进的尾机型敞口集装箱船为浅吃水肥大船型，尖头方尾、艏部线型丰满，并采取首驾驶、单底、单舷、单甲板（货舱区为双底、双舷）以及NACA 型舵。96 TEU 集装箱船总布置图如图1 所示。

表5 江苏内河集装箱船标准船型主要参数

图1 96 TEU标准集装箱船总布置图

6 结 语

《江苏省内河集装箱发展行动计划（2018～2020年）》提出，江苏省将着力实施集装箱船型标准化提升等六大工程。48 TEU 型、64 TEU 型和96 TEU型集装箱船的标准船型分别应用于京杭运河江苏段的苏南和苏北航线，以完善标准船型的主尺度和适应水运市场需求为主要目标，采用较传统的基础运输船型设计思路。随着江-海直达与河-江-海直达集装箱运输航线迅速发展以及运输船舶的大型化，采用小球艏、双尾鳍线型降低船舶阻力提高推进性能；鱼尾舵和首侧推改善船舶操纵性；LNG、动力电池等清洁能源及电力推进方式降低排放和噪声；基于船联网的远程监控系统监测船舶的经济性等技术，研发满足相关主尺度系列要求和EEDI 的绿色节能型集装箱船将是很重要的发展方向。