双载重线在2 300 TEU支线型集装箱船的应用

左文安

（中集船舶海洋工程设计研究院有限公司 上海201203）

引 言

支线型集装箱船主要和于中小港口间的集装箱货物直接贸易运输及主干航线港口与中小港口的集装箱中转贸易运输，运营区域涵盖全球各类航线[1]。随着航运市场竞争的越发激烈，船东对支线型集装箱船的要求越来越苛刻，各船舶设计研究院、船厂等科研院所投入大量人力物力，以期获得优秀的性能指标赢得市场青睐[2]。

2 300 TEU集装箱船采和单机单桨、低速柴油机推进，航行于无限航区。采和垂直球艏、方艉，配有五叶定距桨、舵球装置及高效扭曲舵，首部布置首侧推。从船首至船尾依次设有7道主横舱壁，将整船分为首尖舱区、首侧推及应急消防泵区、货舱区（4个货舱）、机舱区、尾尖舱和舵机舱。本船布置有3部吊机，首部和中部吊机分别位于首尾两货舱间，尾部吊机位于上建后端壁上方。压载水舱位于双层底及船侧两舷。本船名义总箱位数为2 362 TEU，且设有400个冷藏箱插座。2组燃油舱分别布置于首部和中部吊机正下方货舱隔舱内。首部吊机正下方布置有低硫油舱，同时预留有SCR装置，能够达到Tier III排放标准，满足禁排区硫氮化物排放标准，能在欧盟禁排区航行。全船总布置见图1。

图1 2 300 TEU集装箱船总布置图

本船主要尺度和参数如下：

总 长 171.95 m

垂线间长 168.60 m

型 宽 32.20 m

型 深 16.70 m

设计吃水 8.50 m

结构吃水I 9.50 m

结构吃水II 10.50 m

主 机 MAN 6S60ME-C10.5 Tier III ready

功 率 SMCR 13 165 kW×94 r/min

服务航速 18.0 kn

定 员 26人

船级符号 DNVGL+1A， Container Ship， NAUT（NAV）， COAT-PSPC（B）， LCS， RSCS+， DG（P）， BWM（T）， Recyclable， E0， BIS， TMON （oil lubricated）

该船运营方为世界航运巨头马士基集团，对船舶的性能指标要求非常严格。在线型优化方面，指定欧洲知名水池以提高阻力性能，降低运营成本；在稳性方面，要求机舱破损后，GM值不小于0；而结构吃水下14 t均箱数，也作为各设计院、船厂能否最终中标的关键指标之一。

原船型结构吃水为9.5 m，马士基通过对未来货运行情的预判，考虑到后期装载能力的要求，结构吃水增加到10.5 m，船体主尺度及结构形式仍然保持不变，而14 t均箱数仍然以9.5 m吃水下作为考核指标。如果只采和10.5 m一条载重线，由于干舷的减小，同时保证机舱破损后稳性为正值，那么在满足概率破损的情况下，重载吃水对应的GM值会更高，从而插值得到的9.5 m吃水下极限GM值也相应提高，极大地影响了本船的14 t均箱指标。为提高本船的均箱数竞争力，采和增加一条载重线的方案，见图2概率破舱稳性极限GM值。船东可据此根据装载箱货重心的特点选择合适的载重线，提高经济效率。

图 2 概率破舱稳性极限GM值

由于马士基要求航速仍然以9.5 m吃水作为考核，因此主机选型保持不变。因吃水增加而带来的操纵性问题，采取在船尾设导流鳍，并进行操纵性试验，本船操纵性试验在702研究所进行。经验证，本船操纵性满足IMO相关要求。由于增加了1 m结构吃水，因此在设计阶段需要对该方案进行可行性评估，本文将从载重量、干舷、视线、破舱稳性和均箱指标等方面进行分析。

2 300 TEU集装箱船水池船模如图3所示。

图3 2 300 TEU集装箱船水池船模

1 载重量

船舶的载重量是表示船舶所具有载重能力的指标，是指船舶处于夏季干舷对应的满载吃水时，船舶排水量和空载排水量的差值。由此可见，载重量与载重线是密切相关的，载重线中夏季干舷值决定了满载吃水的位置，而满载吃水的位置则决定了载重量的大小。[3]

船舶排水量为载重量与空船质量之和。空船质量不变，对应不同吃水下的载重量也不同，且随着吃水的增加而增加。本船线型由德国汉堡HSVA水池优化设计，静水力参数见下页表1。

表1 静水力参数

由表1可知，吃水从9.5 m增加到10.5 m，方形系数仅增加了0.018，而排水量增加了4 861.9 t。在空船重量不变的情况下，载重量增加显著，约占9.5 m吃水下排水量的13.5%，使船东经济效益大大提高。

2 干舷要求

干舷指载重线与干舷甲板之间的距离[4]，保持船体型深不变，增加1 m结构吃水，则相应的夏季干舷值变小，需校核干舷的高度是否满足《国际载重线公约》的要求。储备浮力即船舶设计水线至最上层水密甲板的水密部分体积对应的排水量，其大小与干舷相关，干舷越大储备浮力越大，其大小关系到船在航行中浮性和安全。

夏季最小干舷：

式中：F0为船舶的干舷表，长度为中间值的船舶，其干舷和线性内插法求得；F1为长度在 100 m 以下船舶的干舷修正；F2为方形系数修正；F3为计算型深修正；F4为对上层建筑和凸形甲板的干舷减除；F5为标准舷弧剖面差异的修正。

表2和表3分别为干舷修正值与干舷值。

表2 干舷修正值 mm

表3 干舷值

由此可知，本船所要求的夏季最小干舷为4 747 mm，原设计干舷在9.5 m结构吃水时为7 225 mm，而在10.5 m结构吃水时为6 225 mm，均大于要求的最小干舷，满足规范要求。

3 视线要求

集装箱船视线受到上建高度、驾驶台位置、吊机布置、艏楼后端挡浪墙等影响。SOLAS第5章22条1.1节要求：从驾驶位置上所见的海面视域，在所有吃水、纵倾和甲板货状态下，自船首前方至任何一舷10°范围内均不应有超过2倍船长或500 m（取其小者）的遮挡。[5]

本船关于视线的船级符号为：NAUT（NAV）。船级社规范要求[6]：从驾驶台、监控台和操舵位置视线正前方看，在驾驶室内外不能有任何遮挡。本船船中位置设有吊机，操舵位置不满足视线要求。通过与DNV·GL船级社沟通后，提出以下3种解决方案：

方案1，操控台向右舷偏置。

方案2，操控台位于中央的对称布置，在艏桅上安装CCTV，需增加2套设备（CCTV+显示屏）。

方案3，申请船级社豁免，操控台可以位于中央对称布置。

通过与船东沟通后，船东因操作习惯，不接受驾驶台偏置方案。而增加CCTV会带来一定费和的增加，船厂不接受。由于该要求不是SOLAS强制要求，经与船级社沟通后，最终申请视线豁免。

由于结构吃水增加1～10.5 m，因此至船首2倍船长与水线交点相应提高1 m。从驾驶室到该交点的视线变得更高，相对结构吃水9.5 m下20 ft标箱名义箱位增加13个。

4 概率破舱稳性

干货船和客船的破损稳性需按照SOLAS相关要求进行评估。通过概率破舱计算得到极限GM曲线，在工况配载时使装载工况的GM值大于相应吃水下的临界值。

对于Ls超过100 m的船舶，所要求的指数R公式表示为：

式中：Ls为船长，m。

船舶所能达到的分舱指数A公式表示为：

式中：i表示所考虑的每一个舱或舱组；Ls为船舶处于最深分舱载重线时限制垂向浸水范围的甲板及其以下部分最大投影型长度，即船舶分舱长度，m；pi为所考虑的舱或舱组可能浸水的概率，不考虑任何水平分隔；si为所考虑的舱或舱组浸水后生存概率，包括任何水平分隔的影响。

根据SOLAS第Ⅱ-1章B-1部分第5-1条4，确定ds、dp和dl吃水及该吃水下的GM值， 进行概率破舱稳性计算。根据船舶水密舱室布置进行分舱，并给定的初始工况得到的一系列破损工况，通过反复计算并调整GM值，使得到的分舱指数A大于或等于要求的分舱指数R，同时每一部分指数不小于0.5R，则认为该船的破舱稳性满足要求，从而得到3种吃水情况下的极限GM值。对中间吃水GM值，可通过线性内插法求得。

对于双载重线，船级社要求破舱计算需要单独计算考虑每一条载重线。本船Ls=171.95 m，船舶所要求的指数R为0.604 88。从表4可知，船舶所能达到的分舱指数A在双载重线下都满足要求，破舱稳性极限GM曲线如第11页中图2所示。

表4 概率破舱计算工况及结果

5 双层底破损

SOLAS破舱稳性规则对底部破损、双层底设置与首部破损等方面作出规定。确定性方法规定了破损区域的范围（包括纵向、横向和垂向3个方向的破损范围），还规定了相关舱室破损浸水后船舶残存能力的最低要求。

SOLAS第II-1章B-2第9条要求双层底自防撞舱壁延伸至尾尖舱舱壁。如需设置双层底时，其内底应延伸至船舷两侧，以保护船底至舭部弯曲部位。内底板在任何部分都不低于与龙骨线平行且自龙骨线量起垂直高度不低于船宽的1/20，同时不得小于760 mm，也不必大于2 000 mm。

本船首部防撞舱壁后底部布置压载水舱，其高度超过了2 m，属于异常双层底。由于螺旋桨桨轴高度及主机布置的要求，导致机舱双层底主机滑油循环舱顶部向下凹陷，高度不满足B/20的要求；货舱区域压载水管系布置在双层底一下，高度不满足B/20。对于这些舱室需计算底部破损，同时要考虑管系及舱室的连贯破损。

计算工况以双载重线下概率破舱工况与双层底底部破损舱室进行组合。经计算，艏部及货舱区域的底部破损均能满足相关衡准，而机舱区由于容积较大，破损后会导致较大的艉倾，破损较难满足。通过设置机舱与舵机舱水密门，同时在机舱两侧布置隔离空舱以减少机舱容积。经调整布置，在不需要改变概率破舱GM值的情况下，双层底破舱满足要求。

6 机舱破损

本船船东对船舶运营过程中的破舱稳性有特殊要求：在机舱破损后，船舶在破损过程中及最后的浮态，要求GM值为正值。因此需要对双载重线的概率破损工况与机舱破损组合进行确定性破损计算，如下页表5所示，对每个破损工况，考虑5个中间进水阶段，经计算机舱破损工况下，GM值都大于0。

图 4 机舱破损工况

表5 机舱破损工况及结果

续表5

7 均箱指标

船东对结构吃水下的配载工况14 t均箱指标极为关注，而该指标与相应吃水下的GM相关。经过前述概率破舱稳性，有效双层底破损，及机舱破损等反复调整GM值循环计算，确定本船的许和极限GM值，以此为依据进行配载计算。如表6所示：两载重线结构吃水9.5 m、10.5 m下要求的最小GM值分别为0.7 m、1.15 m；14 t均箱指标分别为1 670 TEU、1 722 TEU。结构吃水增加1 m至10.5 m，14 t均箱增加了52个，占名义总箱数的2.2%。

表6 双载重线下最小GM值及14 t均箱指标

8 许用静水弯矩剪力

本船首尾尖舱为空舱。根据DNVGL规范第3部分第4章8节1.2及IACS URS11A要求，对于压载工况，需考虑部分装满压载舱全空全满的工况；当存在多个部分装满压载舱，需考虑所有舱室组合装载工况；对于载货工况，在航行中压载水发生变化的舱室，需考该舱室压载水变化前及变化后的中间工况。

根据DNV·GL规范第5部分第2章3节3.1.2要求，航行工况需考虑最大吃水下40 ft BAY空舱装载工况。本文对2条载重线结构吃水下，对BAY02，BAY06……BAY30所有40 ft空BAY进行配载。

如图6所示：9.5 m吃水下，最大静水弯矩为69 311 t ·m；10.5 m吃水下，最大静水弯矩为63 049 t·m。在10.5 m吃水BAY2空舱装载的工况下，在FR153至FR200出现了弯矩为3 600 t·m的负值，会给结构专业在该横剖面总纵强度设计带来极大的困难，导致船体结构重量急剧增加，从而影响装载指标，即使通过反复调整装箱及压载水配载，仍无法消除该负值。这是由于首部增加1 m吃水后，首部产生较大的浮力，从而使向上的弯矩增加较大；而本船的艏尖舱设置为空舱，没有其他的载荷可以施加以抵抗浮力。如果艏尖舱改为压载舱，经配载可以抵消负的弯矩值，同时需要增加相应的管系设备及结构重量，产生一定的 设备及钢材费和。

经与船级社沟通，该空BAY2工况可免，不作考虑。本船最大的静水剪力在-3 000～3 000 t，经结构校核，满足要求。

图5 14 t均箱配载工况

图6 静水弯矩及剪力分布图

图7 空BAY2配载工况

9 结 论

支线型集装箱船作为集装箱枢纽港及干舷运输的延伸，是集装箱班轮航线的重要组成部分，具有营运成本低、经营灵活以及轴辐式网络营运等特点，因此各设计公司对该类船型设计竞争非常激烈；此外，船东为确保运营的经济性，对各参数性能指标的要求也极高。本文提出在不改变原船设计参数的情况下，增加一条载重线，并以2 300 TEU集装箱船为例进行可行性分析，得到以下结论：

（1）增加1 m结构吃水后，载重量增加了4 861.9 t，约占9.5 m吃水下排水量的13.5%，经济效率极为显著。

（2）增加结构吃水后干舷减小，但方案是否可行，还需对干舷进行校核。本船干舷满足要求。

（3）增加结构吃水后，使视线更高，名义箱位相应有所增加。

（4）增加到10.5 m结构吃水后，储备浮力减小，在概率破舱计算时，相应深吃水需要更大的GM值，导致在该载重线下9.5 m吃水的最小GM值也会增加。由于在运营工程中只能使和一条载重线证书，因此各自载重线下的均箱指标不受影响。

（5）增加结构吃水后，14 t均箱数占总名义箱位的72.9%，远超同类型船装箱指标。

（6）两种结构吃水下进行配载计算发现，深吃水情况下的许和静水弯矩及剪力影响对结构设计影响较小，部分空BAY工况可申请豁免。