12 000 DWT江海直达型顶推组合体总体设计要点

邰宜峰，樊向东

(1.上海船舶研究设计院，上海 201203;2.中远海运散货运输有限公司，广州 510220)

顶推组合体船型作为一种货物运输船型在内河及沿海水域时有应用。该船型具有机动性强，推船和驳船可以分开，推船主机利用率高；结构简单，造价比一般的自航船低15%～30%；船员少、劳动生产率高，运输成本较低等优点[1]。但由于这类船型建造、使用的数量较少，为此，以为中远海运集团设计的12 000 DWT江海直达型顶推组合体船型为例，从船型总体设计的角度阐述该种船型的运输方式论证、船型尺度选择、主要技术要求及船体线型快速性优化等船型总体设计要点。

1 顶推组合体运输方式论证

1.1 自然条件

1)气象。项目工程区临近大西洋，属热带季风气候，年平均气温27.3 ℃。

2)波浪。内河。Fatala河自渡船码头向河口逐渐展宽，至分叉处单一河道宽达2 km左右。在Fatala河流口外受外海波浪影响明显，在峡道口内波浪的影响作用明显减弱，至Boffa港渡船码头附近外海波浪影响较小。

外海。根据欧洲中期预报中心ECMWF波浪数据统计可得：Boffa近海波高基本不超过1.0 m，约占全年的91.23%。

1.2 船队规模测算

该江海直达顶推组合体船队的航道分为外海航道和内河航道两段。在内河航道与外海航道的交界河口处有约5 km长的人工航道，驳船在该航道段需单向通航。同时，从河口向内河段12 n mile需要乘潮。并且驳船在内河航道段航行时，受涨、落潮流速影响，航行速度也不同。因此，运输船队的规模不能简单按照装卸作业时间和航行速度推算，需综合考虑船舶在内河码头或外海过驳平台的操作时间、船舶在内河码头和外海过驳平台之间的航行及等潮时间、年作业天数以及系统需要完成的年转运量。

项目运量目标为1 200 万t/年，年作业标准为10.25个月，标准月运量约为117 万t，考虑不平衡系数1.1，则每标准月运量约为130 万t。旱季7个月，每月完成130 万t；雨季5个月，每月完成约84.5 万t。如果船队规模在旱季繁忙时期能够达到每月130 万t的吞吐量目标，则可以认为船队运输能力能够完成雨季每月84.5 万t的吞吐量。按照上述因素测算的不同推船、驳船组合所能完成的吞吐量见表1。

表1 各过驳船队规模完成吞吐量

测算结果表明：当配备5艘拖船和9艘驳船时，26 d内能够完成的能力为94.5 万t/月；拖船为5艘时，驳船配备再多(例如，10艘、11艘、……)，整个系统也只能达到94.5万t/月的能力。

当配备6艘拖船和9艘驳船时，作业26 d内能够完成的能力为99.0 万t/月；配备6艘拖船和11艘驳船时，系统能力113.3 万t/月；再增加驳船数量(例如，12艘、13艘、……)，整个系统也只能达到113.3 万t/月的能力。

根据上述测算结果，配备8艘拖船和12艘12 000 t级驳船时，即可满足旱季每月130 万t的要求。

1.3 顶推组合体船型与自航驳船型经济性论证

根据该项目年转运需求，采用12 000 DWT甲板驳船将铝矾土从内河码头转运至过驳平台。甲板驳船分自航和非自航2种形式，这2种形式的甲板驳船有其各自特点。

根据仿真分析结果，如完成年转运1 200 万t铝矾土的目标，转运船队需配置8艘拖船和12艘非自航驳船或12艘自航驳船。考虑船队的正常维护保养、以及船舶机动性，确保实际作业时能够完成运量目标等因素，实际配置9艘拖船和13艘非自航驳。

本方案自航驳与非自航驳2种方式的经济性对比，见表2。

表2 自航驳和非自航驳船方案比较

综合比较，选择顶推轮+非自航驳船的顶推组合体船型方案。

2 顶推组合体船型方案设计

2.1 主尺度研究

1)船长。顶推组合体船长受船舶快速性、经济性及营运港口对船舶尺度限制等多方面因素的影响，需要综合平衡考虑。在快速性方面，长宽比尽可能大些对减少船舶的兴波阻力有利，但过大的长宽比对船舶的稳性及操纵回转性会带来不利影响。在经济性方面，船长越大，船舶的空船重量及总吨位将增加，对船舶的经济性不利。由于组合体是由顶推船和货驳组合而成，因此组合体的船长还需要考虑顶推船和货驳单独运行时的船舶性能。

2)船宽。由于顶推组合体的最大船宽是由货驳的船宽来决定的，因此在选择顶推组合体船宽时优先考虑货驳的舱容、船体稳性及码头装卸机的工作覆盖半径的要求。

3)吃水。顶推组合体船舶的干舷为B型干舷，属于富余干舷，因此干舷要求对吃水的选择影响不大。吃水主要与快速性、载重量、航道及码头吃水限制等因素有关。在船长、船宽及载重量等指标确定的前提下，吃水的变化影响到船体方形系数的变化，进而影响到船舶快速性指标。考虑到内河航道的枯洪期，一般将江海船设计成变吃水。按内河航道限制吃水作为设计吃水[2]。

4)型深。在满足布置要求及干舷、稳性的前提下，组合体船舶的型深应尽可能低，以最大限度的降低建造成本和空船的重量重心。

综合上述的各种因素及项目的使用要求，确定顶推组合体的主要尺度如下。

总长：约139.0 m。

型宽：30.0 m。

型深：7.5 m。

夏季载重线吃水：4.86 m。

总布置图示意于图1。

图1 12 000 DWT顶推组合体总布置示意

2.2 顶推装置形式选择

顶推装置按不同作业方式分为有缆联接和无缆联接2类；按不同联接方式分为非整体式、半整体式和整体式3类。目前国内外最常见的顶推船联接形式的功能描述、优缺点，以及适用场合见表3。

表3 常见顶推联接形式总结表

运输航段一部分为江，一部分为海，且海上条件较好，风3.3 m/s，浪高1.2 m，相当于中国内河规范中规定B级航区J2级航段。因此，从本船的使用基本要求出发，凹槽钢缆式与铰接2销式(ATB)均可适用，而整体式的联接并不合适。

尽管相对于非整体式来说，ATB的成本较高，但其对环境的高适应性、联接的快速性、推船-驳船的耐波性以及可靠性是非整体联接方式完全无法比拟的。因此，结合目标顶推船的作业功能要求和安全性出发，ATB的联接方式更为适合。

顶推装置连接销的位置，特别是纵向位置，对连接力及船组运动有重要影响。当两销式连接时，横向销位向推船船首移动时，将使两销船组驳船的运动幅值显著增加；而横向销位向后移动，移至～50%Lpp处，此时销位接近推船的重心，推船的纵向自由运动对驳船的纵向运动影响很小。因此，对于两销式的纵向位置建议应布置在距推船首柱为(0.21～0.24)Lpp，(Lpp为推船的垂线间长)。

2.3 船型方案的主要技术要求

本船挂方便旗、入级中国船级社，主要的技术按中国船级社《非国际航行海船法定检验指南》的相关要求进行设计。相对于常规船型而言，由于顶推组合体涉及2种船型的组合，因此在设计时需要对组合体-驳船、组合体-推船，以及组合体自身3种船型分别在稳性、消防、救生、锚系泊、驾驶室视线等方面进行单独考虑[3]。

1)稳性。本船的稳性核算参照IMO IS CODE 2008的有关要求，同时满足中国船级社对于Articulated Connection PB Combination-Pusher/Tug的船级符号对稳性的要求。顶推组合体、顶推船和货驳分别作为单独船核算稳性，稳性核算考虑海上自由航行、海上拖带航行及港内拖带航行3种工况。

2)干舷及布置。顶推船和货驳分别作为单独船其干舷应满足挂旗国的有关要求，同时货驳的干舷和船首高度还应不小于组合体视为单独普通货船所要求的干舷和船首高度。

为保证推船与驳船之间人员通行的顺畅，在驳船尾部和顶推船首部之间应设有在任何情况下船员能安全通行的通道。

特别需注意，货驳的防撞舱壁位置应以顶推组合体的长度为基准进行计算，而不能仅仅以驳船的船长来确定。

3)救生设备配置。顶推组合体救生设备的配置以顶推船和货驳分别作为单独船来进行考虑。

4)锚系泊设备配置。组合体中的推船按单独船的要求进行锚系泊设备的配置，但舵和操舵装置的规格应以顶推组合体作为单独船进行考虑。组合体中货驳的锚系泊设备按顶推组合体作为单独船进行考虑。

5)驾驶室视线。组合体中的推船其驾驶室视线除了要满足自身作为单独船的技术要求，还应考虑组合体作为单独船时的视线要求。由于货驳采用的是甲板驳的形式，货舱在货驳的甲板上，因此为满足组合体的视线要求，推船的驾驶室位置通常较普通推船要高。

考虑到货驳在回程时空载，货驳应设置足够的压载水舱以改善空载航行性能[4]。

3 顶推组合体船体线型优化

货物转运采用顶推船+货驳的组合体形式进行，在货物年转运量、船舶航行时间一定的前提下，优化推船和驳船组合体的船体阻力/推进性能，提高组合体单位功耗下的航速，可提高项目的整体工程经济性。

江海直达船须航行于江河和海上，其船型设计必须考虑同时适应江河和大海航行的需要[5]。在项目的前期设计中，通过专业的水动力软件对组合体模型在静水下的船体阻力进行优化，着重考虑降低驳船阻力、改善推船尾部流场提高螺旋桨效率，以及降低驳船与推船组合体连接处的流场相互干扰的影响。

对于驳船线型，由于船舶尺度的限制以及对载货量的要求，在线型设计时进行了两组方案的对比，见图2。

图2 驳船2组方案线型对比

优化方案采用垂直艏线型，这样可在有限的船舶尺度下提高船舶的排水量，并调整优化货驳前肩处的线型。顶推组合体-驳船2组方案的波高及水线分布见图3、4。

图3 驳船两组方案波高对比

图4 驳船两组方案动压、水线分布

从波高对比曲线中可以看出，前肩处的波谷有了较大幅度的减小，并且整个船身范围内的水线更加平坦，兴波情况大大改善。

对于推船线型，在满足装载的前提下优化尾部线型。采用纵流线型，使水线肩部削廋、改善尾部流场。顶推组合体-推船的线型见图5。

图5 推船线型

同时需注意的是，当推船和驳船凹槽长度一定时，影响连接部位阻力的重要因素就是凹槽的形状及推船与驳船的间隙。因此，建议推船与驳船的联结区域可以依据两船横剖面面积曲线间的耦合情况进行优化设计，并将推船与驳船的后体部分一并考虑，作为船队的去流段进行线型设计[6]。

经船模试验验证：在主机85%MCR(1 800×2 HP)，考虑0.95轴系效率，15%海上风浪储备下，顶推组合体(推船+驳船)在设计吃水工况下航速可达8.5 kn，满足整个转运系统对货驳的航速要求。

4 结论

江海直达型顶推组合体船型在造价、船员配置、物料装卸货时间上与自航船相比具有独特的优势，因此在货物由内河过驳至海上的物流系统中有着良好的应用前景。

12 000 DWT江海直达型顶推组合体船型的设计综合考虑了港口条件、航道航线、经济性、技术安全性、总体布置等多种因素，通过船型论证、船型优化确定了组合体的船型尺度，优化降低了船体阻力。经实船验证，船型各项性能指标优良。