9200TEU集装箱船的总体设计

9200TEU集装箱船的总体设计尹逊滨【摘要】The9200TEUcontainershipisanewPanamaMaxtypecontainershipdesignedbyCIMCOceanEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,LtdforCMACGMinFrance,thethirdlargestshippingcompanyintheworld.Thisarticlebrieflydescribesthemaindesignfeaturesoftheshipfromtheaspectsofmaindimension,generalarrangement,optimizationforhulllinesandcargoholdventilation,etc.TheshiphasbeendeliveredtotheshipowneronJune25,2014.%9200TEU集装箱船是中集船舶海洋工程设计研究院有限公司为世界第三大航运公司法国CMACGM航运公司设计研发的一型新巴拿马型集装箱船.从主尺度论证、总体布置、型线优化设计、货舱通风等方面介绍了该船的设计特点.该船已于2014年6月25日成功交付船东.【期刊名称】《船舶与海洋工程》【年(卷)，期】2015(031)004【总页数】5页(P5-9)【关键词】集装箱船;总体设计;主尺度;型线优化;货舱通风【作者】尹逊滨【作者单位】中集船舶海洋工程设计研究院有限公司，上海201206【正文语种】中文【中图分类】U6620引言自集装箱船问世以来，其大型化的脚步就从未停歇，每新一代集装箱船的载运能力均比上一代更完善。大型集装箱船队升级换代极快，是世界商船队中发展最迅猛、活力最旺盛、平均船龄最年轻的海运船队。在当前世界航运市场竞争日益激烈的情况下，集装箱船的大型化具有明显的规模经济性效益，受到规模效益的驱使，集装箱船的尺度越来越大。集装箱船的运输不断朝着集约化、大型化方向发展。2006年10月22日，巴拿马全国公民投票正式通过了巴拿马运河的拓宽议案。巴拿马运河拓宽后，通行船舶的最大尺寸可由原来的长294.1m、宽32.3m、吃水12.04m的限制，增加到长366m，宽49m，吃水15.2m。巴拿马运河的扩建，将从根本上改变全球船队的船型结构，越来越多的船东开始选择载箱量和载重量更大、经济效益更好的新巴拿马型船来更换传统巴拿马型船，以获取更大的经济效益。随着全球温室效应的加剧，世界各国对保护环境、防止污染的呼声日益增长，对污染源限制的要求越来越高。国际海事组织（IMO）2008年10月召开会议对船舶废气排放提出了进一步的要求，并颁布了分阶段实施的废气排放标准，针对NOx、SOx、CO2和颗粒物等含量均提出了严格要求；对不同转速柴油机的NOx排放标准，其中Tierl和TierH要求已分别于2000年和2011年起开始执行；TierB将于2016年1月1日起开始生效。2011年7月，国际海事组织（IMO）在英国伦敦总部召开了会议，确立了船舶能效设计指数（EEDI）和船舶能效管理计划（SEEMP）两项船舶能效标准，适用于2013年1月1日及以后安方攵龙骨的400总吨及以上国际航行船舶。为应对新标准、新规范不断实施，开发低能耗、低排放、低污染、高能效的“绿色船舶”是造船业发展的必由之路。2012年9月，为应对巴拿马运河拓宽以及日益严格的环保要求，法国达飞航运公司（CMACGM）准备建造10艘绿色、节能、环保的新巴拿马型集装箱船，以投入新辟航线。中集船舶海洋工程设计研究院有限公司基于中集集团的转型升级战略，结合法国船东CMACGM的紧迫需求，研究开发了一型具有自主知识产权，符合节能环保要求的新巴拿马型9200TEU集装箱船［1］。1船型概况9200TEU集装箱船为单机单桨、低速重型柴油机推进，适合于全球航行的全格栅新巴拿马型集装箱船。该船线型为倾斜艏柱带球鼻和方艉，艏部布置了侧推器，以改善操纵性能。全船布置了两层连续甲板，上甲板艏部设有艏楼，艉部设计为凹陷的系泊甲板。二甲板设为干舷甲板，同时在二甲板两侧设有纵向通道。该船起居处所及驾驶室设置在船中部，机舱布置在船的中后部，属于典型的双岛式集装箱船（见图1）。图19200TEU集装箱船总布置该船共设置7个货舱，上层建筑之前以及机舱与上层建筑之间分别设3个货舱，7号货舱布置在机舱后部，所有货舱全部设有双层底，均为大开口双壳结构，双层底的管弄布置在2号货舱到6号货舱之间。压载水舱布置在舷侧双壳和双层底，防横倾水舱设置在船中的4号货舱左右两舷。艏艉尖舱均为空舱。9200TEU船属于新巴拿马型集装箱船，船宽为48.2m，甲板上可装载19列（row）集装箱，货舱内可装载17列集装箱。甲板上最多可堆装9层集装箱，可装载20英尺、40英尺及45英尺集装箱，20英尺集装箱装载的方式采用“RussianStowage”。45英尺的集装箱根据绑扎桥的布置可从第三或四层开始装载，但部分舱口盖（Bay02,26,50）经特别设计后，从第一层起即可装载45英尺集装箱。货舱内可以堆放9层集装箱，其中包括6层8.5英尺高的集装箱和3层9.5英尺高度的集装箱，8.5英尺和9.5英尺的集装箱可实现无序堆装；货舱内设有装载40英尺集装箱的导轨架，也可用作装载两只20英尺集装箱。1、2、3号货舱和全船甲板上可以按有关规定装载载有危险货品的集装箱。全船可装载1458个40英尺自冷式冷藏集装箱，分别布置在甲板上和各货舱内（甲板上858FEU，货舱内600FEU）。1.1主尺度与要素（见表1）表1主尺度与要素总长垂线间长型宽设计吃水结构吃水载重量（结构吃水）燃油舱柴油舱淡水舱压载水舱299.95m286.00m48.20m12.50m14.80m113800t液舱容积10500m3400m3500m330000m31.2装载能力（见表2）表2装载能力甲板上货舱内总计重箱数（14T/TEU）5594TEU3695TEU9289TEU7050TEU1.3主机、航速和续航力（见表3）表3主机航速和续航力主机型号MCRSMCRCSR服务航速（结构吃水）续航力航区42687kWx75.3r/min22kn30000nmile无限航区47430kWx78r/minMANB&W9S90ME-C9.2TierII52290kWx84r/min1.4船级、规范、规则及公约该船入法国BV船级社，参照BV船级社颁布的现行规范进行设计，满足IMO在签合同时生效的一切公约以及国际噪声和振动标准，还满足苏伊士运河现行规则等，同时考虑了巴拿马运河拓宽后需要适用的规则。船旗国为巴哈马（Bahamas）。船级符号IHULL,MACH,ContainerShip,Unrestrictednavigation,VeriSTAR-HULLDFL25years,MON-SHAFT,AUT-PORT,AUT-UMS,FORS,INWATERSURVEY,SDS,ALP,LASHING,GREENPASSPORT,CLEANSHIP,WHISPII2主要设计特点2.1主尺度选取随着巴拿马运河船闸的扩建，依据巴拿马运河船闸最大通航能力设计的巴拿马型船设计方案也随之改变，新巴拿马型船应运而生。巴拿马运河扩建工程开始后不久，许多航运企业和船级社就已根据公布的第三号船闸尺寸设计出与之匹配的新巴拿马型船。巴拿马运河拓宽后，通行船舶的最大尺寸为长366m，宽49m，吃水15.2m。49m船宽将能使集装箱船甲板布置19列集装箱，装载标准尺寸的新巴拿马型船，装箱量将从目前巴拿马最大型集装箱船的4250~5300TEU增至8800~12000TEU。若新型船舱盖上集装箱采取〃城堡式堆放”，最大装箱量可突破13000TEU。由于港口和航道条件的限制，以船长366m为主尺度极限设计的新巴拿马型船并不适合美东地区港口。适用美东航线的集装箱船应控制在总长<300m、船宽<49m、吃水24.5m。在该尺度下，集装箱船载重可达110000t，载箱量一般为8800~9200TEU。综合巴拿马运河以及美东航线港口对于尺度的限制条件，同时参考同类型船，最终确定了该船的主尺度。2.2总布置设计上层建筑布置在船中，而机舱棚则布置在舯后部，是典型的双岛布置设计。其最大的优点是大大改善了驾驶室的驾驶视线，同时可以使装箱量增加400TEU以上，使该船的装箱量大大提高。同时，双岛布置设计还解决了集装箱船所需巨大燃油舱的布置问题。根据新的燃油舱保护规范的要求，燃油舱一般需采用双壳设计，如果采用单岛布置设计，巨大的燃油舱必然要占用部分的货舱容积；但在采用了双岛布置设计之后，上层建筑之下的空间可以布置燃油舱，燃油舱不需要再占用货舱容积。而且上层建筑布置在船中，大大降低了船舶运营时的总纵弯矩，可以降低船舶的空船重量，同时提高了船舶营运时的安全性。集装箱船是布置型船，即其主尺度取决于集装箱尺度，特别在船长方向，为此与绑扎系统设计公司密切联系，尽量压缩绑扎所需间距，使舱口间的距离在满足国际海事组织（IMO）对绑扎桥设计新规范MSC.1/Circ.1352的情况下最短（见图2）,最大程度压缩船长，以降低船舶的空船重量。图29200TEU集装箱船绑扎桥设计另一方面，由于9200TEU集装箱船的上层建筑与机舱棚分开布置，与单岛式集装箱船相比在船长方向所占空间较大，在尽可能压缩艏部锚泊和尾部系泊设备布置空间后，如机舱备件吊机采用一般设计，即布置在机舱棚后的情况下，机舱棚前面的空间仅可装载一个20英尺的集装箱。为了增加载箱量，对于机舱吊物口的布置进行了特殊处理，即压缩烟囱在船长方向的长度，将机舱吊物口布置在机舱棚C甲板的前部，而机舱备件吊机布置在更高的F甲板，这样节约的机舱吊物口的空间使机舱棚前布置一个40英尺的集装箱，如此设计使集装箱装载量增加169TEU，大大提高了其营运经济性（见图3）。图39200TEU集装箱船机舱备品吊的设计2.3型线优化设计垂线间长286m，船宽48.2m，与常规集装箱船的设计相比，其船长较短，而船宽较宽，长宽比只有5.9。设计航速要求非常高，其弗劳德数FU0.22。因此，型线设计难度非常大。首先，选取一型具有非常优秀的水动力性能，与该船的主尺度比L/B及B/T等指标均较为相近集装箱船线型为基础，以此线型为母型进行相似变换得出初步线型。在完成初步线型设计后，通过CFD计算软件进行了水动力性能计算［2］。CFD计算结果显示，初始线型在球首和首肩部分别存在明显的低压区（图4）,经与国内外多家著名船模拖曳水池专家讨论，分析认为：由于母型船的弗劳德数值大，方型系数较小，所以设计吃水处的艏部水线呈凹形，这样的水线设计可以减小波浪高压区沿水平方向的分力，从而可以减小兴波阻力。与母型船相比，弗劳德数较小，而方型系数较大，兴波阻力在总阻力中所占的比值减小，而压阻的比值增加，原水线的设计无法达到减小船舶阻力的设计目标。因此考虑增加球艏面积，降低球艏高度，改变球艏区域的流场，减小艏部兴波从而减小船舶总阻力。通过与国内外著名船模拖曳水池合作，运用CFD软件不断优化计算，反复论证其阻力性能，最终得到了一型非常优秀的可以满足船东要求的设计线型（见图4）。图49200TEU集装箱船线型CFD计算优化前后对比2013年9月在上海船舶运输科学研究所（SSSRI）采用经CFD优化的最终型线制作船模，并进行了该船设计桨的模型试验。试验结果表明，该船的航速在结构吃水14.8m、主机功率90%SMCR、带有15%海上裕度的情况下，服务航速可达22.19kn，其阻力推进性能在国内外水池的数据库中均属一流水平，可以满足船东在规格书中的航速指标要求。2013年5月9200TEU集装箱船的首制船进行了试航测速，测速结果显示该船结构吃水的航速在采用ITTC方法修正后实际可达22.28kn。2.4货舱通风设计该船装载有1458个40英尺自冷式冷藏集装箱，其中甲板上布置冷箱858FEU，其余600个冷箱分别布置在7个货舱内。对于同样大小的集装箱船货舱来说，舱内是否布置冷箱对货舱通风的设计影响非常大。以5号货舱为例：如果舱内不布置冷箱，货舱的通风量约为60000m3/h；但货舱内布置100多个冷箱之后，货舱的通风量达到了480000m3/h左右，两者所需的通风量相差8倍之多。由于通风量的显著增加，整个货舱通风系统所需的风机、风管和通风盖也同比增多，给货舱的通风设计与布置带来了相当大的难度［3］，因此，必须合理设计货舱通风以保证货舱内冷藏集装箱的制冷装置可以正常运行。首先，在进行冷藏箱布置时，需考虑以下几点：1）在横隔舱中间留出货舱梯的布置空间，作为通道，即货舱中间一列不布置冷箱；2）由于通常在二甲板布置风机，对二甲板以上的冷箱供风较为困难，同时因为货舱顶部是热量聚集处，对冷箱的制冷效果不利，因此，货舱内最上两层不布置冷箱；3）因为冷藏压缩机需要维修和保养，必须保留适当的维修空间以及操作便利性，货舱的左右舷最外两列以及最底层不布置冷箱；4）尽量规避热源，与燃油舱室紧邻处避免布置冷箱。然后，根据货舱内冷藏箱的数量结合船东船级社的要求，最终确定货舱的通风量，进而展开整个货舱通风系统的设计。货舱通风系统（见图5）采用直立式轴流风机，风机马达都带有空间加热器，每一台风机接一路总管，一路总管最多有12个送风口，负责两列冷箱的送风。系统中单台风机最大风量约为40000m3/h，风机和风管的最大直径是1000mm[3]。由于1、2、3号货舱既要堆放冷箱又要堆放危险品，因此舱内配置的风机为防爆型无火花风机；4、5、6、7号货舱不堆放危险品而仅堆放冷箱，因此舱内配置的风机是无火花型风机；同时，在1、2、3号货舱均配备了4台可逆风机，当货舱内装载危险品或者货舱内释放CO2以后，这些可逆风机将运行于抽风状态，将舱内的有害气体排往舱外。本船采用机械送风，自然排风，排风口布置于货舱舱口盖的外侧，