无压载水船舶设计理念

中船集团七○八所 祁 斌

据报道，每年全球船舶携带的压载水超过120亿吨，平均每立方米压载水有浮游动植物1.1亿个，已被确认约有500种生物物种是由船舶压载水传播入侵。因此，船舶压载水特别是远洋船舶压载水的随意排放，已被全球环保基金组织（GEF）列为海洋面临的“四大危害”之一。

图1：压载水排放流程

图2：传统船体、NOBS船体、“Monomaran”船体比较图

船舶压载水是为了保证船舶航行时的稳定性而采取的一种手段，虽说这是必须的，但所带来的危害却也是巨大的，除了给海洋环境带来污染外，还会耗费大量的人力、物力。如何在不使用压载水的情况下确保船舶航行时的稳定性，这一课题无疑成为了各方研究人员现阶段的重点目标。就目前而言，较为人们所熟知的无压载水船舶理念有三种，分别为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）理念、荷兰代尔夫特大学试造的单一结构船体（Monomaran）。其中，日本和荷兰的无压载水理念较相近，均是以改变船体浮性以达到无压载水目的。

—— 贯通流系统船体

美国贯通流系统船体可谓是目前各类无压载水船舶设计中最有创意的一种，最早由密歇根大学于2001年提出其概念设计，并于2004年申请了专利，其实验假想对象为远洋散货船。

该项目的经费由美国大湖海事研究所提供，其目标就是既可阻止压载水中的非本土生物入侵，又无需使用昂贵的杀菌设备。严格来讲，该型设计并不是“纯”无压载水船舶，而是采用“活水”以达到压载目的。具体来讲，就是在其水线下拥有一个由大型管道组成的管路网络，海水从船首进入，船尾排出，并形成稳定的流场。从某种意义上来说，这种船舶更像潜艇，部分船体是开放的，流动缓慢的海水始终充满了整个船底部以取代压载水的作用。由于采用的始终是当地海域的海水，因此不会造成外来物种入侵这一情况，从而满足IMO的相关规定。

从结构上来讲，为了在稳定性、安全性、装载量等方面同于典型远洋散货船，该型设计在船体结构方面需做出不少改变，如为了能布置足够的压载水管路，内底就需要有所增高，如此一来，为了确保足够的装载量，船深必然也随之加大，见图4。因此，该型设计并不适合于旧船改造，而只适合于新船建造。主要性能参数为，水线长195.5米；最大船宽23.76米；至主甲板深16米；满载吃水10.7米；方形系数0.841米。

成本方面，从最新的船模试验结果及计算机模拟试验来看，以1艘灵便型散货船为例，由于贯通流系统船体所用钢材稍多，因此船体建造成本也将有所上升，另外新系统中管路、水闸等费用也将另计。不过由于传统压载系统和压载水处理系统将不再需要，因此总的来看成本将有所下降。

贯通流系统船体的最大缺点是增加了船舶航行中的阻力，进而降低了船舶的动力效率。不过由于从船尾排出的水使进入螺旋桨的水流变得更平滑，从而可提高一些推进效率，但从最新的模拟试验结果来看，效果并不明显。如假设该船运载谷物类货物往返美国五大湖至欧洲鹿特丹，船舶动力方面与灵便型散货船相比，需求降低保守估计为1.6%，来回可节省燃油费用约3.9万美元/年。另外，由于无需进行压载水处理，该方面的费用可节省约7.8万美元/年。总体来看，货物运输成本每吨可减少约1美元，经济性稍好。

报道称，美国圣劳伦斯运河开发公司已在2008年3月开始履行压载水管理方面的新规范，与市场上费用昂贵的压载水处理系统相比，这种无压载水船舶应该是一种经济可行的方案。

图3：贯通流系统船体示意图

图4：典型远洋散货船和贯通流系统船结构比较

—— NOBS

日本NOBS理念的开发起始于2001年，由日本造船研究中心（SRC）提出。2003年，该项目在设计方面的研究开发进入新阶段，开始了历时3年的水池试验联合项目。该项目由日本船舶技术研究协会主持，日本基金会支持，合作伙伴包括三菱重工（MHI）、石川岛播磨重工（IHI）、SRC以及NK等。项目主要目的为：在满足所有标准要求及安全性、适航性等相关规范，并在保证经济性的情况下，研究并确定NOBS理念的可行性。

NOBS理念完全不同于之前的压载水管理方法，它是对船体的一种重新设计。主要通过采用横向倾斜船底设计，使中线的位置比拥有较方、较平坦船底的传统商船更深，从而实现空船在不使用压载水的情况下也可拥有足够的吃水深度以避免船首砰击和螺旋桨飞车，同时也可充分确保船舶在大多数海况下的安全。不过船上也将设置2个小型备用压载舱以应对极端海况。采用该设计后，船体排水量将有所下降，而长、宽及吃水方面在设计时就比传统船型更大。由于NOBS从外形上看比较像英文字母“V”，因此也被人们称之为V型船体（V-shaped hull）。NOBS理念的关键优势在于它可为船东省去昂贵的压载水处理系统及之后的相关维护费用。

该项目中，一系列水池试验的假想对象为苏伊士型油船和VLCC，8个采用特殊设计的模型其载重量与苏伊士型和VLCC相同，试验中的一些重点结论如下。

水池试验中，采用NOBS设计理念的模型可在不使用压载水的情况下航行于远洋环境中（正常海况），相当于传统船型压载舱处于30～40%舱容状况。在恶劣海况时也能保持安全航行，相当于传统油船压载舱处于25%舱容状况。

虽然传统船型在负载情况下的推进性能比NOBS稍好一些，但在空载情况时，NOBS的航行性能则比传统船型更好。两种情况综合后的结果显示，NOBS的平均航行性能比传统船型要高出6.4%。因此，相比传统船型，NOBS在主机动力和油耗方面平均可节省至少5%的能源，同时也降低了环境污染。

NOBS理念中，纵材、横材和疲劳强度特性分析所采用的软件为NK开发的初始船体（PrimeShip-Hull）。结果表明，NOBS船体结构拥有足够的强度，满足所有相关标准和规范。

将NOBS的运动性、波阻性以及波浪中的纵向弯矩与传统船舶作比较后得出，其适航性满足要求，操纵性也满足IMO相关标准。

NOBS更宽的船体将更有利于船舶对抗摇摆、维持平衡，比传统船型更大的横摇阻尼系数可让设计人员不必再考虑舭龙骨。

由于船体的加宽和船体某些区域的结构加强，建造NOBS所需钢材也将增加10%左右。不过油耗的减少、推进性能的提升，以及压载水处理系统费用的节省足以弥补结构材料上的损失。

通过上述结论，开发者认为NOBS这一革命性的理念确实满足并超越了其最初的预期目标。最显著的一点就在于，无压载水理念可避免压载水在不同海域之间的转移，从而不会造成有机生物的入侵。

尽管试验采用船型仅为油船，NOBS理念若要应用于其它诸如散货船、集装箱船等船型上还需更多的研究，不过单就目前的研究结果来看，NOBS理念在船舶压载方面仍具有较广大的发展前景。同样，NOBS也非常有望成为下一代新型环保船型。

图5：各种载况下船体应力评估

—— 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，载重量4000吨，船速14节。该型船的设计理念和日本的NOBS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。

另外，据代尔夫特方面称，该型船未来可能采用1～2个吊舱推进器，目前试航检测的各种设计参数基本达到预期目标。

总体来看，目前无压载水船舶的研究开发已取得了一定的成果，但距离投入实际生产还有着一定距离，研究试验工作仍在不断进行。另外，不论是美国、日本，还是荷兰，由于还不能完全控制无压载水船舶的倾斜运动，因此均做不到完全无压载水这一地步。相信随着技术的发展和进步，既环保又经济的无压载水船舶将越来越趋于完美。在人们越来越重视环保这一大环境下，无压载水船舶无疑将成为未来主要环保船型的研究方向。