无压载船型技术动态

1、无压载船型技术动态the Technical Trend of No-ballast Ship Type姓 名： 李加钦 专 业： 船舶与海洋工程 学 号： 31308011 完成日期： 2013年10月30日 大连理工大学Dalian University of Technology前言压载水对于船舶的安全航行有着举足轻重的作用。但是近些年来，随着世界航运市场的繁荣以及船舶大型化的发展趋势，船舶压载水所带来的问题越来越多，破坏性也越来越大，严重的影响了海洋环境以及人类的健康。据不完全统计，每年约有近百亿吨船舶压载水在全世界范围内转运。由于压载水的破坏性极强，因此要怎样处理好这些压载水已经成为

2、了一个世界性的难题。随着国际海事组织对船舶压载水处理的技术指标不断提高，压载水的处理成本越来越高。2004 年 2 月 IMO 通 过 了“国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约”。该公约要求船舶压载水应在公海进行置换或者在船上安装压载水处理装置, 以防止压载水中外来物种的传播。在海上置换压载水的方法是不可行的, 因为在船舶平衡发生变化时, 这样做既费时间又会生严重的横倾危险。目前, 许多压载水处理装置在等待 IMO 的认可, 它们大多数比较昂贵和运行费用高而且无经济效益, 因为船舶载运的是毫无价值的海水。因此，IMO对船舶压载水怎样处理得当不断的在全世界范围内收集建议，其中的绝大部分都是建议从

3、压载水的源头就开始对压载水严格控制，如设置压载水集中采集区域，或者是在压载水上船之前就对其进行处理，尽量减少有害生物上船的机会，这样就可以大大减小有害生物的入侵几率。除此之外，目前正在加以研究的其它处理方法主要有：物理处理法；机械处理法；化学处理法；生物处理法。上述几种方法没有一种处理技术能够完全满足IMO提出的安全、实用、经济、有效且环境容许这五项标准，而且压载水的处理大大的增加了船舶的营运成本，所以直到目前为止都尚未有商品化的成型技术或产品可直接使用且达到IMO技术指标。面对在压载水处理问题上的各种不尽如人意以及绿色船舶理念的不断深入人心，许多国家的船舶专家纷纷将目光转向了能否设计出一种无

4、压载水船舶，使得船舶在空载航行状态下无须压载水，同时又满足船舶各项性能的要求，而且在船舶建造的时候就无需布置压载水舱，从根本上消除被认为污染源的压载水。在这种情况下，一种全新的无压载水船舶设计理念孕育而生。当今世界主流的无压载船型理论主要有：美国密西根大学研发设计的贯通流系统船体（Through-Flow System Hull）；日本造船研究中心（SRC）提出的无压载水船舶（NOBS）和超低压载水船舶（MIBS）理念，即V型船体设计；以及荷兰代尔夫特大学试造的单一结构船体。本文着重介绍当今世界上最主流的三种无压载船型理论以及无压载船型的实际应用。关键词：压载水 无压载船型 贯通流船体 NOB

5、S MIBS 单一结构船体一、 无压载船型理论贯通流船体技术美国密西根大学米歇尔·帕森思（Michael Parsons）博士于 2004 年在美国造船与轮机工程师协会年会上发表论文，专门谈到了无压载水舱船舶的项目设计课题，并且特别讨论了贯通流船体（Through Flow System Hull）技术。所谓贯通流船体，就是用来替代传统型压载水舱的水线以下的纵向结构。其设计思路是取消压载水舱，代之以两条可以打开的大型管道即水流箱。当船舶空载航行时，将大型管道的前后盖打开，海水就从船首进口处涌入，再迅速地从船尾排水口排出，保持船舶平衡，从而起到减少船舶浮力、增加吃水和减轻载荷的作用；当

6、船舶载货航行时，关上前后盖并将海水放掉，此时的大型管道又起到增加浮力的作用。其模型如图1所示。图1.贯通流船体模型这种设计概念，利用船舷和船艇进出口水流的不同压力，控制贯通压载水舱内的水流速度。在贯通流压载水舱内穿越而过的始终是当地海域的海水，确保贯通流系统压载水舱不会把某地的海水带到另外地方，从而符合国际海事组织有关海洋环境保护的种种规定。毫无疑问，所谓贯通流系统船身，是迄今革新意义最大的造船理念。其最大的特点是保留事实上的压载水舱，只不过把压载水舱内的死水变成前进后排的纵向贯流的活水，从而从根本上解决压载水舱把微生物、污染物等等在全球海洋带来带去的扩散问题。美国密西根大学成功研发出的这种无

7、压载水舱货船模型，经水动力试验研究结果表明，这种船舶不仅能保持良好的稳性，而且由于船底安装的两条大型管道中海水自前向后流动，水流对螺旋桨推进器可起到有助于加速旋转的作用，能提高航速并达到节省燃油和减排的目的。试验结果还表明，这种船型最多可以节省 73%的船舶动力。这种贯通流系统船身中的压载水舱的最大缺点，是增加航行船舶的阻力，从而增加船舶动力所必须的燃料的消耗量，降低船舶推动力效率。另外，尽管改成贯通流系统，压载水舱仍然占有船舶的相当大空间，而且由于船舶结构的需要，除了纵向压水舱外，还得保留部分无法改为贯通流系统的横向结构的压载水舱，而这些与传统船舶压水舱毫无两样的压载水舱内的水仍然会把污染物

8、、沉淀物和微生物等等在世界海洋中到处带来带去。目前，贯通流系统船身造船专家们，在集中力量攻克这个难关，把主要精力放在尽量压缩一时无法彻底取消的横向结构压水舱的容积，也就是尽量减少船舶所载运的封闭压舱水量，尽量扩大贯通流压载水舱的功能。帕森斯博士指出，通过进一步改进流体动力设计，这些问题大部分都可以得到解决。日本NOBS和MIBS理论2001年日本造船技术中心提出了一种完全不需要搭载压载水的无压载水船舶（NOBS）的概念方案。2003年，为了最终能进行实船建造，该方案被列入国家工程项目，由国土交通省指导，旧运输设施整备事业团、铁道建设运输设施整备支援机构和日本财团提供援助，日本造船研究协会正式开

9、始了研究开发。2005年该研究工作由日本船舶技术研究协会接手，委托日本造船技术中心、三菱重工、IHIMU和日本海事协会继续进行。对于NOBS船，首先要研究是否有这样一种船型，在无压载水的情况下能够保证一定的吃水，让船舶能够安全航行。最后的研究结论表明，采用V型船底的倾斜式船型，也能在空载无压载水的情况下保证必要的吃水，同时加大船体宽度，以弥补在满载吃水时减少的排水量，如图3所示。主尺度的其他数据，除船深略浅外，船体长度、满载吃水和载货量则与常规船型保持一致。图2.具有倾斜船底的NOBS船型图3.NOBS船型与常规船型的比较该无压载水船舶科研项目可从一个新的角度来解决如何防止压载水中外来物种传播

10、的问题,但这一创新的无压载水船舶理念排除了通常船舶所必需的压载水( 尽管设有 2 个小型备用压载水舱用于纵倾调整和应付极度海况)。而目前, 许多公司及研究中心却还在通过对压载水进行诸如紫外线辐射、生化处理、臭氧脱氧、电离化处理、气旋分离、水动力空化、脉冲过滤等方法来解决该问题。无压载水船舶的设计通过增加船舶的宽度和采用横向斜坡型船底, 可使船舶在卸载的情况下也能保持足够的吃水, 因而无需昂贵的压载水处理装置及其相应的运行费用。就苏伊士最大型油船而言, 建议的船底坡度为 15.2度, 吃水为 3 米; 而 VLCC 的船底坡度则为 10.8 度, 吃水为 3.10米。另外, 为了分布排水量, 船

11、的首尾区域采用了肥大型船体并配置了一只较小型的更为有效的螺旋桨。就压载水而言, 集装箱船要比散货运输船和油船容易得多,因为它几乎总是满载而很少需要大量压载, 只有在空载状态下需要用压载水增加吃水。这是为了保持船舶所需的安全吃水, 通过保持船舶的结构完整性, 避免首柱底部海浪的砰击和螺旋桨的飞车来控制船舶的航行。研究人员选定的对象船型是无压载水化后获益最大的大型油船（苏伊士型和VLCC）。研究目标是使NOBS型油船在无压载水、空载状态下与常规船型的有压载水、空载状态（搭载相当于满载排水量30% 40%的压载水）相比具有相同的推进效率和适航性，以及满足必要的经济性。随后研究人员制作了数艘长6.2米

12、的模型船，对其进行静水中的推进效率、波浪载荷等相关水池试验，并得出以下结论。1）NOBS船在空载状态下，其首柱底部的海浪砰击频率和冲击压力，以及螺旋桨空转的情况，与同条件下常规船型相同。2）在船体结构强度方面，满足日本海事协会的最新结构标准油船的结构强度准则。3）与常规船型相比，NOBS船在满载状态下的推进效率略有恶化，但是空载状态下有了大幅改善，从总体来看提升了6%的推进效率。4）操纵性方面，NOBS船具有优良的航向稳定性，并满足IMO的操纵性能标准。5）由于NOBS船加宽了船体宽度，纵向弯矩也有所加大，这增加了船体结构的重量，建造成本有所上升，但是实际上可用提高推进效率来弥补这方面的不利因

13、素。苏伊士油船和VLCC分别由三菱重工和IHIMU设计，最终船体布置图则如图4和图5所示。图4.NOBS型苏伊士油船的布置图图5.NOBS型VLCC的布置图推进效率输出功率方面，船模试验的结果表明苏伊士型降低了5% 7%，VLCC降 低 了6 7%，平均降低了6%以上。图6所示为功率曲线图，细线代表常规船型的性能，取同类船的平均值。如图所示，NOBS船在满载时所需推进功率稍有增加，但是在空载航行时由于已不需要大量的压载水，十分节省能源。另外，从螺旋桨的伴流分布测算结果来看，倾斜船底并未产生异常伴流，船底周围流场的圆周方向变化十分平稳。图6.功率曲线图波浪中的性能研究人员采用切片法计算船体在波浪

14、中的纵摇运动，配合模型试验得出的结果是，NOBS船型的纵摇情况与常规船型相同。另外自由横摇试验的结果是，NOBS船的横摇周期较小，约为常规船型的2/3。并且NOBS船即使安装了舭龙骨，其横摇特性也没有显著变化。图7为计算和试验结果与常规船型的对比。图7.波浪中纵摇特性对比波浪纵向弯矩特性对4米的船模在规则波和不规则波中进行模型试验得出的结果如图8所示，图中的分别代表常规船和NOBS船型的满载状态，为空载状态。实线、点线为来自海浪砰击载荷推定系统的计算结果（采用不会引起海浪砰击的微波高来计算，刚体）。满载状态下NOBS船的纵向弯矩较常规船型大。而在空载状态下，规则波中的试验结果表明NOBS船的纵

15、向弯矩与常规船型相当，在不规则波中则略小。图8.船体纵向弯矩特性波浪中首柱底部海浪的砰击和航行阻力增量常规船型在搭载压载水时，船首的吃水能保证不会露出船底。NOBS船在空载状态下船首吃水在3米左右，采用V型船首形状，使其在砰击水面时砰击力较小。图9为不规则波中砰击压力测算结果，横轴为波数，纵轴为该波数下的最大砰击压力。NOBS船与常规船型并没有太大的差异，但是船首吃水方面，NOBS船为3米，常规船型为5.84米，从这点上来看，采用V型船首的NOBS船在应对砰击压力方面性能较为优秀。后来在规则波中的试验表明，NOBS船的空载状态首柱底部海浪的砰击压力与常规船型搭载压载水状态的砰击压力相当。不过横

16、摇和纵摇同时发生的情况下，是否会引起海浪砰击呢？为此，对空载状态下的NOBS船做了斜向规则波的波浪试验。结果表明，即使波长、波向发生了变化，其砰击压力的最大值与波向在=180°（首波）时相同。为了测试遭遇极端暴风雨天气时的航行安全性，要加深NOBS船的船首吃水，为此搭载了相当于常规船型压载水量的1/4压载水，对首柱底部海浪的砰击压力进行了试验。结果表明让NOBS船空载状态时和暴风雨压载水状态时受到同一冲击压力，其最高波高限制平均增加了1.5米，这相当于常规船型的重压载状态另外，作为实船性能评价之一，对NOBS船进行了不规则波中的航行阻力增量试验。结果是，NOBS船满载状态下的阻力增量

17、与常规船型相比增大了14%，而空载状态下减小了17%，综合来看可以认为大致持平。图9. 不规则波中首柱底部海浪的砰击压力试验结果操纵性能图10为NOBS型苏伊士油船与其他肥大型船的稳态转向特性对比。如图所示常规肥大型船的稳态转向特性有时十分不稳定，NOBS型则十分稳定，NOBS船则不足。图10稳态转向特性对比虽然NOBS船型是无需任何压载水的革命性船型，并且具有很高的可行性。不过其肥大型船身，龙骨平坦的部分宽度较小，船底倾斜度较大，这些问题在实际建造中可能十分有难度，具备NOBS船建造能力的船坞设备、接岸设施等基础设施的问题需要进一步解决。为了能早日实现无压载水船舶的实船建造，人们寄望于先建造

18、出符合现有基础设施能力的船型。为此，开发出了一款在不改变常规船型主尺度的基础上可大量减少压载水装载的船型，这就是超低压载水船（MIBS）。如图11所示，龙骨的宽度较宽，船底倾斜度也控制在较小的范围内。图11.三种船型剖面的比较MIBS船的研究为日本国土交通省的“减少船舶二氧化碳排放技术的研究开发计划”之一，由大岛造船所和名村造船所自2009年起开始进行，日本财团和日本船舶技术研究协会也提供了援助，主要在日本造船技术中心进行水池试验。研究 人 员 选 择收 益 最 大 的VLCC和 散 货作为开发对象，并以能够直接投入生产为目标展开研发工作。NOBS船型是以零压载水为目标，主要都是以肥大型尺度为

19、研究对象，不过根据主尺度选择的不同，诞生了各种版本。研究人员考虑到基础设施和航运方面的要求，结合必要的压载水量和节能需求来决定最终的主尺度。以此为基础，MIBS船的开发对象选择了几组主尺度，并经过了CFD模拟后，制作了数艘长6.2米的模型船进行了水池试验。各船型的效果图如图12所示。图12.MIBS船型效果图MIBS船的开发工作已进入最终阶段，以目前所发表的研究内容来看， MIBS船与常规船型相比减少了60% 70%的压载水用量，功率消耗则降低了12% 15%。荷兰单一结构船体由荷兰研究人员提出的单一结构船体型船舶目前已在代尔夫特理工大学（TU Delft）试造成功。该型船的设计理念和日本的N

20、OBS相似，也以改变船体浮性达到无压载水的目的。特点就是通过在船底部位设置一个内凹，也可看做将船底中线附近的船体部分移到两边船舷处，从外形上看有点像双体船，但实际上还是单体结构。采用该型设计后，船舶在轻载时也可拥有较深的吃水，避免了螺旋桨飞车等情况，保证了航行时的稳定性。不过由于船体与水的接触面增大，因此与传统船型相比水阻将较大，油耗也将有所增加，但对于某些船型来说还是比较适用的。同时，该型船船底两侧采用的向下“蝉翼”设计，可产生空气润滑作用，从而减小了部分阻力。此外，该型船的发动机废气排放并非向上排放到空中，而是向下通过船底凹处向船尾方向排放，在发挥其所谓空气润滑功能的同时，也使得废气中的二

21、氧化碳、一氧化碳、各种颗粒污染物和硫化物溶解在海水中，从而减少了对海洋空气和港口码头环境所造成的危害船身的设计方案，其船底从货舱区域就开始设置一个向后开放的内凹，形状犹如一只倒置的前封后开的拖鞋。这种船型可以促使船舶轻载时产生较大的水尺; 但是这种设计方案的缺点是与传统船型相比，其船身湿面积大幅度扩大，通过船底两侧向下排放发动机废气所产生的空气润滑作用，使得这一不足之处可以降到低限度; 还可让废气中的二氧化碳、一氧化碳、各种颗粒污染物和硫化物溶解在海水中，从而减少船舶对空气和港口环境所造成的威胁。目前这种单一结构船身型船舶已经在荷兰代尔夫特大学试造成功，其载重量为4 000 t，船速为14 k

22、n，没有压水舱，从试航检测来看，基本上达到所谓真正无压舱水船舶的标准。二、 无压载船型的实际应用近日，由浙江华韵海运有限公司和广东湛江富达船务（油运）有限公司联合投资、宁波东方船舶修造有限公司建造的2x6,500DWT和2x4,500DWT NOBS油船的建造合同正式签署，标志着全球首制“无海水压载船（NOBS）”将在中国宁波东方船厂诞生。NOBS油船挂新加坡旗，入级法国船级社（BV），带GREEN SHIP（I）和EEDI（I）附加标志，其设计已提交BV上海审图中心审批。该船计划于2013年底前交船，并将投入营运于新加坡及东南亚，用于海上燃料供应及运输。NOBS是广州市协尔达船舶设计有限公司历时三年创新研发、并已取得中华人民共和国国家知识产权局专利证书、目前世界上尚未有现船的新船型。NOBS共有四个船型专利，包括“NOBS油船”、“NOBS化学品船”、“NOBS散货船”以及“NOBS集装箱船”。6,500DWT和4,500DWT NOBS油船为NOBS油船之一，具有可