无压载水舱船型开发和前景分析

2013-09-27顾雅娟

船舶与海洋工程 2013年2期

顾雅娟

（中国船级社上海审图中心，上海 200135）

0 引言

由于运营船舶压载水舱中的海水排放，引发了外来生物入侵的问题。不清洁的压载水已被国际环境保护委员会列为海洋污染的四大危害源之一。全球每年排出的压载水大约有100亿吨左右，压载水及其沉淀物的无控制大量排放对环境、人体健康、财产和资源造成严重危害[1]。为此，国际海事组织（IMO）制定了《2004年船舶压载水及沉积物控制和管理国际公约》（简称“压载水公约”）以及相关实施导则。

随着压载水公约生效期的日益逼近，压载水管理系统（BWMS）的研制受到关注。然而由于港口国对运营船舶压载水的取样分析方法与BWMS认可方法存在不一致，极有可能压载水虽经BWMS处理，但仍在港口国取样检查时不符合压载水排放性能标准（D-2标准）。船东期待的是有否压载水处理的替代方法。

1 无压载水舱船型的开发

传统船舶的压载水舱具有两大缺陷：1) 船舶空载时必须携带大量压载水，使排水量大幅增加，主机的油耗也必然会大幅增加；2) 压载海水在目的港直接排放，引发了外来生物入侵的问题。

为了解决压载水带来非本土水生物种的问题，国外一直在研究压载水处理的替代方法，如：压载舱内装淡水、溢流式压载系统等。近年来无压载水舱船型的开发极具创意并已取得了成效。

1.1 贯通流船体

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[2]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[3,4]。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。这种设计概念，利用船首和船尾进出口水流的不同压力，控制贯通水流箱的水流速度。而在贯通流水流箱内穿越而过的海水始终是当地海域中的海水，基本上不会把海水从一个地方带到另一个地方，从而满足IMO有关海洋环境保护的规定。

美国密西根大学成功研发出的这种无压载水舱货船模型，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。

贯通流船体的最大缺点是尽管采用了贯通流系统，但还得保留部分传统的压载水舱。目前研究人员正在集中力量攻克这个难关，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。

1.2 V型船体

日本研究机构提出的V型船体（V-Shaped Hull）无压载水舱超大型油船（VLCC）的最大特点是船舶的下半部分的船体更加细长，船底呈明显向下突出的V型，促使无压载水舱船舶吃水深度足够支撑船舶空载时的重量。造船专家们初步推选出两种无压载水舱船舶设计方案。代号为“最佳型”的第1种无压载水舱船体设计方案的主要目的，是设计建造在无水深限制航道（如波斯湾）航运的无压载水舱船舶。其船体型深35m，最大宽度56m，满载吃水27m，载货量超过30万t；代号为“马六甲型”的第2种无压载水舱船体设计方案的主要目的，就是建造适用于从波斯湾经过限制水深的马六甲海峡航行至远东地区（中国、日本、韩国）的船舶。其船身最大宽度可达79m，型深30m，满载吃水21m，载货量为28万t。

日本无海水压载船（NOBS）设计建造研究所认为，V型船体无压载水舱油船的适航性和运营性已经达到IMO的法规标准。通过计算机模拟试验初步证实，“最佳型”无压载水舱VLCC可以在风浪不大的海洋上十分顺利地航行；而“马六甲型”无压载水舱VLCC的航行情况较差，原因是其船体加宽后造成船底部分在水中深度不足。其实，这两种无压载水舱VLCC都设有备用压载水舱，一旦遇到恶劣天气，仍需分别打进1.5万t和3.5万t压载水，以增加其航行时的稳性，确保船舶安全。而在同样环境下，传统VLCC则必须装载至少8万t压载水才能达到《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）所规定的船舶最小吃水的要求。由此可见，所谓无压载水油船的优势还是十分明显的。尤其是设计理念并没有被所谓“无压载水舱”所约束，在船体内还是安排了备用压载水舱，可以在航行中根据天气和风浪情况灵活地决定在备用水舱中打进多少压载水，以确保其船体的安全稳性。

对于低速船而言，黏性阻力占船舶总阻力的90%以上，从雷诺定律可以看出，黏性阻力与船体的湿表面积成正比关系。V型船体的设计理念就是最大限度地让船体水线以下的部分瘦身，以达到减少船舶航行时的阻力。其中“最佳型”无压载水舱VLCC减少约33%的阻力，“马六甲型”无压载水舱VLCC减少约25%阻力，可以明显节约航行时所需要的燃料。

2 开发研究实例

国内已成功开发出载重量为6500t的无海水压载油船，并获国家专利局颁发的专利。

该船适合于无限航区航行；载运闪点低于60℃的散装重燃油、柴油等成品油。双定距螺旋桨由双中速柴油机驱动；圆形舭部、球鼻首、底部升高的全焊接钢结构；货油舱部分为双壳体。该船一改传统的平直船底，改用V型船底构造，见图1，优化后的型线见图2。无须设置专用海水压载舱（即免设船舶专用压载水系统以及压载水处理装置），辅以燃油、淡水舱的适宜布置以及型线的优化处理，以满足空载航行时的艏、艉吃水需要。

图1 线型优化

图2 船体构造

表1列出了具有相同载重量的无海水压载船型与常规船型的主要技术参数的比较。

表1 主要技术参数的比较

由表1比较可知该船的优势和经济利益是：

1) 规避了IMO《国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约》；

2) 规避了《所有类型船舶专用海水压载舱和散货船双舷侧处所保护涂层性能标准》（PSPC）的强制要求；

3) 货油舱相应采用V型底，使清舱、扫舱更加容易；

4) 采用V型底减少了水下的湿表面积，从而减少了船体黏性阻力，具有节能效果；

5) 由于免除了PSPC及缩短建造周期；免设船舶专用压载水系统；免设船舶压载水处理装置；对于冰区航行船舶，还免设压载水舱加热系统，因此，粗略估计无海水压载船型的新造船成本与常规船型相比，节约5%～10%；

6) 由于无海水污染，从而规避港口对海水污染索赔及扣船风险；空载航速可提高约10%～15%，满载航速可提高约 2%～3%；节省压载水舱的操作成本；压载水舱无沉积物；对冰区航行船舶，节省压载水舱加热的成本；节约货油舱加热的能耗；货油舱残余率几乎为零，容易清舱，因此，无海水压载船型的营运成本与常规船型相比，可以节约6%～8%；

7) 压载水舱海损时，无需PSPC修复；节约压载水系统的维护成本；节省清理压载水舱沉积物的成本，所以无海水压载船型的修船成本也明显低于常规船型。

值得指出的是：尽管V型船底的抗底部砰击性能要优于常规平直底部，但在设计中仍应同常规船型一样考虑船首底部砰击加强。另外，横摇周期比常规船型要小，特别是空载的横摇周期仅为8s。而V型船底的空载吃水可调节范围较小。因此，要特别关注恶劣风浪条件下的摇摆性能。

3 应用前景

贯通流船体，极具新创意。从技术思路看是可行的，在空载时能起到压载作用，海水污染程度最小。但目前各国的研究仍处于起步阶段，有些技术细节还不够成熟。V型船体的无压载水舱船型有望最先应用到实际工程中。V型船体设计，尽管在大海上遇到狂风大浪时还是需要打进小部分的压载水，以确保其稳性和安全，但还是在相当程度上减少了压载水所带来的种种问题。

可见，迄今还没有一种完全可从根本上消除压载水且可以实际使用的船舶设计方案，只是尽可能减少污染。例如贯流系统压载水舱内壁还是会留有少量的海洋生物、微生物和沉淀物。