河南省内河标准化船舶技术与经济研究*

于全虎 孟德臣 张 平 张化英 戴雪良

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.河南省交通运输厅航务局，河南 郑州 450016)

河南省内河标准化船舶技术与经济研究*

于全虎1孟德臣2张 平1张化英2戴雪良1

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.河南省交通运输厅航务局，河南 郑州 450016)

基于河南省内河特定航道边界条件分析，通过研究内河货运船舶的主尺度、线型、推进与操纵性等要素，提出全高小和大宽深比船型技术方向，对其技术和经济性进行了研究；同时对标准船型的机电设计和设备选型原则(包括LNG动力应用)进行了阐述，并有针对性地分析视频监控系统、测深系统、船舶与桥梁避撞系统等可能会纳入标准船舶技术标准的信息化技术，为研发适应河南省主要干、支流航道的新型标准化船舶系列提供技术支撑。最后在非标准船型现状分析基础上提出标准船型研发的基本经济技术原则和成果，认为河南省标准船型系列的研发将有利于改善船队结构，提高船舶技术标准，促进内河航道、船闸等基础设施的利用率，减少水质、噪音等环境污染。

河南省；标准化船舶；技术与经济

河南省内河水运发展历史悠久，全省共有河流493条(流域面积100km2以上)，主要有沙颍河、淮河、唐白河等，河道总里程达26245km，具有发展内河水运优越的自然条件。“十三五”时期，河南省内河水运具体规划将重点改扩建沙颍河、淮河、唐白河等内河水运工程，建设内河航道304km，新增港口泊位42个，到“十三五”末通航里程将达到1855km，形成和铁路、公路等主通道和主枢纽相连接，与淮河水系、长江水系等水网地区相贯通的“上连下通”内河水运发展格局。本文研究目的是为了适应河南省航道升级改造工程，充分发挥等级航道的通过能力，为研发适应省内主要干、支流航道及桥梁环境的新型标准化船舶系列提供经济技术支撑，为提升河南省内河航运经济效益提供技术保障、促进河南省船舶回船籍港。

1 通航基础条件

影响航道通航基础条件的要素是航道水位、宽度、弯曲半径、跨航道建筑物的净空高度等，分别决定了通航船舶(船队)的吃水、宽度、长度以及空载水线以上船体固定高度等；另外，船闸的平面尺度和水深条件也会影响船舶的通过性。

1.1 航道边界条件影响因素

以往标准船型研究过程中，船舶吃水通常是按航道水深减去富裕水深来选定，使得船舶尺度偏小，船舶装载量明显小于航运市场上已有船舶的装载量，造成部分标准船型向社会推广时，得不到船民的呼应。实际上航道的最低通航水位在全年中所占天数比例非常低，只在极端天气条件下或严重枯水时才会出现，其他时间段航道水位会明显大于航道水深。

富裕水深为船舶航行下沉量及触底安全富裕量之和，影响富裕水深的影响因素很多，船舶航行速度、船舶长、宽尺度，以及风浪情况都是影响因子，海事部门颁布的“船舶航行富裕水深管理规定”原则上要求富裕水深应不低于船舶吃水的10%；航道宽度主要影响船宽的选取，如考虑船舶在航道中调头，则对船长也有影响。

1.2 跨河建筑物净空高度

跨河建筑物主要有桥梁、渡槽、管道、电缆工程等设施，通航净空高度是指设计最高通航水位至建筑物底部(如桥梁底部)的垂直距离[1]，《内河通航标准》规定Ⅳ级、Ⅴ级航道跨河建筑物的通航净空高度应达到8m以上，但实际情况难以达到，尤其是穿过城市的航道一般难以符合要求，本项目实际选取的净空高度标准为：5m(中型船舶)和7m(大型船舶)。

1.3 船闸条件

沙颍河航道沙河漯河至平顶山段闸室条件：

闸室有效长度×口门宽×门槛水深=120m×12m×3.2m；

沙颍河航道周口至漯河段闸室条件：

闸室有效长度×口门宽×门槛水深=120m×18m×3.5m；

沙颍河航道周口至省界段闸室条件：

闸室有效长度×口门宽×门槛水深=260m×23m×4.5m。

2 标准船型总体技术分析

2.1 船舶主尺度参数

船舶主尺度首先要符合航道条件的要求，航道的宽度、水位、弯曲半径值分别限制了船宽、吃水及船长的选择。最大船宽应不超过航道宽度的1/4；船舶最大吃水应在航道水位条件下留有安全航行富裕水深；船舶最大长度取值应不超过航道弯曲半径的1/3到1/4之间，如航道宽度富裕且船队操纵性能理想，也可不超过1/2。按照船舶大型化发展的思路，船舶主尺度参数的选择考虑取航道尺度允许的上限值。考虑到船舶在航道中的调头，航道宽度对单船长度选择也有一定的影响，因此单船长度应不超过航道宽度(删除部分内容)。此外，船舶主尺度的确定还要考虑船闸的限制，船闸两端及两侧的预留间隙应取相应船长和船宽的各5%～10%，船底留0.2m以上的间隙，根据船闸闸室长度来假设如何编组船舶(含船队)，取得理想的一次进闸船舶数量最多，提高船闸通过率。同时船舶的总长、总宽应符合《京杭运河、淮河水系过闸运输船舶标准船型主尺度系列》的要求。

(1)船长L的选择

船长的选择是基于船舶总体布置、操纵性、船舶造价、船舶阻力、货舱舱容等方面的综合考虑，其中船舶阻力的考虑影响最大。

(2)船宽B的选择

船宽的选择是基于船舶总体布置、船舶稳性、货舱舱容等方面的综合考虑，船宽的增加给船舶机舱、货舱及船员舱室的布置会带来有利影响，同时对船舶稳性特别是初稳性的提高有利，当然，船宽过大也会引起横摇加剧，导致适航性不佳。

(3)型深D和吃水d的选择

船舶型深的选择是船舶强度、干舷、船舶大倾角稳性、货舱舱容的综合考虑，干舷在满足货舱舱容的前提下符合中国海事局相关法规[2]要求的最低要求即可。

以往部分标准船型以航道水深作为吃水限制条件，留下富裕吃水后剩余的就是船舶的满载吃水，这样的选择结果使得船舶的满载排水量偏小，船舶载货量明显小于实际运营船舶的载货量。如果按航道的实际水位情况进行选择，适当加大船舶吃水，在枯水期水位很低时采用限载航行，控制船舶吃水，防止船舶擦底、坐底现象发生；正常水位时船舶以较大吃水航行，载货量明显加大，可以有效提高船舶的营运经济性。

2.2 船舶线型

在满足一定的布置和装载要求条件下，线型的优劣直接影响到船舶的快速性、操纵性和耐波性指标。本项目研究的船型主要航行于内河A、B级航区，以B级航道为主，船舶傅氏数Fr一般小于0.2，属于低速船范畴，其所受摩擦阻力占主要比例，兴波阻力和粘压阻力(形状阻力)占次要比例[3]。

(1)船舶摩擦阻力控制

内河货船在船舶排水体积和吃水参数一定的条件下，减小船长、增加船宽对减小浸水面积有显著作用，可以有效地减小船舶摩擦阻力。当然船长减小会带来其他阻力的相应增加，总体上船长的减小会使船舶总阻力相应减小。

(2)船舶兴波阻力控制

选择合理的船型参数(包括船长和菱形系数)以及进流段长度避免发生肩波的不利干扰；设计合适的首位型线；制造有利的波系干扰，让首尾波产生有利干扰。

(3)船舶粘压阻力控制

保持去流段足够长度，后体收缩缓和；避免船体曲率变化过大，在横剖面面积曲线上，前肩不过于隆起、后肩不过于内凹，降低肩部产生漩涡增加的粘压阻力。

2.3 船舶推进与操纵性

(1)螺旋桨

螺旋桨和船体的相互作用表现为船体形成的速度场和螺旋桨形成的速度场之间的相互影响，通常用伴流、推力减额、相对旋转效率来反映螺旋桨和船体间的相互作用。

①螺旋桨类型。常规内河运输船型选用B系列螺旋桨和AU系列螺旋桨没有本质区别，由于速度范围在低速船区间，一般不选用高恩系列螺旋桨。

②螺旋桨叶数。螺旋桨叶数与桨直径、效率、空泡性能和船体振动有关。一般主机功率在200kW以下或桨径在1.3m以下时选择3叶桨比较合适；主机功率在300kW以上时选择4叶桨比较合适。在选择叶数时应避免叶频与轴系和船体的自然频率相等或相近，同时也应尽量避免主机气缸数、冲程数与叶数相等或恰为其整数倍。

③螺旋桨直径及桨毂直径。通常螺旋桨直径越大、转速越低则效率越高，但需考虑与船体尾部型线的配合，保持足够的间隙，桨叶叶梢与船底板的间隙至少要大于0.12倍的螺旋桨直径，以避免产生过大的激振力，且船速越高，间隙值越大。毂径比小于0.22时，毂径对桨的影响可以忽略不计，如大于0.22时就须作螺距修正。

(2)推进方式

在保持主机功率及转速不变的条件下，采用双机双桨可使螺旋桨获得更高的效率。这是由于主机的功率得到了分解，螺旋桨最佳直径也相应减小，在浅水船舶或螺旋桨直径受到限制的情况下效果较好。此外，内河航道弯曲狭窄、船舶密度大，要求船舶有良好的操纵性和控制能力，才能保证航行安全。

双桨轴间距一般取船宽的35%～40%或至少大于2倍的桨叶直径比较合适，如果船宽相对船长尺度较大，并且船舶方形系数很大、船尾横剖型线平直时，桨前水流主要沿着船底纵剖线流动，加大轴间距不但不会降低推进效率，反而由于获得舷侧来流的补充，推进效率进一步提高，这时轴间距选择在船宽的40%～45%范围内更加合适。

在双桨船的旋向选择上，双桨外旋的船更易于操纵，这是因为外旋桨会产生局部附加的转船力矩，增强了船舶控制能力，采用双桨外旋还可以减少水面漂浮物进入螺旋桨和船体间间隙。

3 全高小和大宽深比船型研究

3.1 全高小和大宽深比船型概述

内河航道由于受到地理条件的限制，特别是过河建筑物的影响，一般水上高度都难以满足《内河通航标准》的要求。目前由于运力过剩、运价长期低迷，为了提高经济性，船民在资金允许的前提下尽可能建造载重吨位大的船舶，以装载更多的货物来降低货运成本、提高收益，造成船舶实际装载吨位超过《内河通航标准》推荐的装载吨位。大吨位的船型在内河航道中航行面临的一个现实问题就是超高，特别是船舶空载时水上部分高度难以控制。因此，在河南省标准化船舶技术研究时提出了“全高小、大宽深比”的要求，即船舶水线以上部分高度要小，“船宽/型深”要适当大的原则。

控制船舶空载水上固定高度的常规方法主要有控制干舷高度、设置压载舱、桅杆可倒、前置驾驶室、升降驾驶室、甲板室沉降设计等。

3.2 小长宽比和大宽深比船型技术和经济性分析

货运船舶的排水量等于载货量、空船重量、油水重量、消耗性备品重量之和，其中油水重量和消耗性备品根据续航力要求确定，是必须配备的固定重量，跟船舶尺度没有任何关系，只取决于航程的需求。在同样的排水量条件下尽可能提高装载能力，或者在同等装载条件下尽可能减少钢材的消耗，是重要的技术经济指标。

船舶空船重量由船体钢料重量、木作舾装重量、机电设备重量组成，船舶空船重量直接影响船舶的装载能力。其中木作舾装重量主要取决于规范[4]和法规[2]的相应要求、机电设备重量主要取决于船舶自身的任务要求，其重量大小变化余地较小，而船体钢料重量则取决于船舶结构形式和船舶尺度比的选择，其中影响最大的是船长L，其次是型宽B、型深D和方形系数Cb。

如果大宽深比与常规宽深比船型进行比较，首先在船舶阻力性能上，增加船宽产生的摩擦阻力增值明显小于增加船长带来的阻力增值，在同样排水量条件下增加船宽的优点是用比较低的阻力增值可以获得比较高的载货收益。需要注意的是，现行船舶规范[4]对最大宽深比有限制条件，过大的宽深比会带来船舶横强度的要求，为了满足高的横强度要求，需要增大构件的尺寸或者构件厚度，会消耗更多的钢料；过大的宽深比也可能带来船舶稳性指标的不足，因为内河货运船型的干舷值都非常小，一般都是满足船舶法规[2]的最低要求，宽深比过大时，会让船舶的进水角变小，从而影响稳性指标，以至于不能满足法规[2]的要求。

4 标准船型机电部分简析

4.1 机电部分基本原则

标准船型机电部分设计及设备选型以安全、经济、环保为基本原则，结合考虑河南省航道和航运业的现有情况及发展规划、船民的传统习惯等，作为长期营运的货运船舶，机电系统设计和相应的设备选型首先满足船舶主推进的需要，突出航运安全性，同时兼顾实用性、经济性和可靠性。对不影响船舶安全性和基本性能的方面，如生活系统等适当简化配置，同时为今后船员依据自身习惯在不影响标准船型基本要求的基础上作适当变动留有一定的空间。

船舶应用LNG能源是国家现在及将来都大力推进的重点产业政策之一，河南省内河船舶使用LNG新能源动力符合国内外船舶动力能源发展的新趋势，对河南省加快发展综合绿色交通运输业具有积极意义。本系列标准船型采用模块化研发理念，在所有船型上都充分考虑了LNG动力应用的技术储备。

4.2 船电技术展望

本系列标准船型的通讯导航及无线电设备主要包括AIS系统、雷达系统、外通和内通系统等，这里不再赘述，下面就内河货运船舶目前不常用或尚处于研究阶段，但今后随着经济技术发展，可能会纳入标准化船舶技术标准的船电技术、设备进行简要论述。

(1)视频监控系统

视频监控系统对于航行防撞、防盗、防污染以及管理监控等方面都起到非常重要的作用。内河航道狭小、弯曲多，船舶密度大，易发碰撞、碰擦事故，视频监控系统可提高驾驶视野，降低雷达和了望盲区，减少航行事故；离靠码头时，视频监控系统可实现船头、船尾、两舷和泊位周围环境及船只情况的实时全景式观察，减少靠泊碰撞事故。船舶在码头停靠或待闸期间，有可能发生非船上许可人员擅自登船的现象，给船舶带来安全隐患，视频监控系统有效杜绝了此类现象的发生。该系统目前在内河普通货船上的配备比例不高。

(2)测深系统

目前各地方航道系统都加大了对航道的养护力度，航道施工频繁，加之内河航道本身水文情况较为复杂，为加强船舶的航行安全性，可以设置测深仪，用于实时监测船舶所处航道的水深情况，避免船舶擦底现象，该系统目前在内河普通货船上的配备比例不高。

(3)船舶与桥梁避撞系统

由于历史原因，内河桥梁高度已成为内河船舶大型化的瓶颈，为了避免船舶与桥梁产生剐蹭和撞击，除了在航道升级时同步升级桥梁高度以及限制通航船舶高度，有必要研究船舶与桥梁避撞技术，设置预警系统对船舶的可能撞击提前进行预警，国内已开展了相关预警防撞技术研究[5-8]。据网络信息佛山喜讯科技有关技术人员提出一种防止船舶碰撞桥梁预警系统，有船舶超高激光监测报警，航道偏离超声波测距预警，桥梁高精度移位预警等一系列针对桥梁的船舶预警系统。当前船舶桥梁避撞系统还没有已推广使用的产品，这里仅作技术性讨论。

5 经济技术分析

5.1 现有非标准化船舶现状

根据通过颖上船闸的697艘船舶的资料显示：近年来沙颍河沿线货运船舶发展速度明显加快，目前沙颍河货运船舶绝大多数为单船，少数为拖带船队，基本没有顶推船队。500t级以下船舶所占比例较小，不到25%；500～800t级船舶比例约占50%；800～1000t级船舶比例约占15%。在船型尺度方面，500t级总长基本在45m以内，型宽8.3m以内，全高5m以内，吃水最大为3m；800t级总长基本在50m以内，型宽8.3～9.5m间，全高6.5m以内，吃水最大为3.19m；1000t级总长基本在65m以内，型宽10.8m以内，全高大于7m,吃水超过3.3m。近年来建造的一些吨位较大的典型船舶尺度参数见表1所示。

表 1 典型非标准船舶主要参数表

目前河南省内河营运船舶尺度比较杂乱，给航运管理、船舶过闸编组带来困难,同时船舶载货量偏小，在目前运价较为低迷的情况下营运效益较差。

5.2 标准船型研发经济技术原则

(1)参考已有的科研成果和经验

自2006年交通运输部发布《全国内河船型标准化发展纲要》以来，在政府相关部门的组织下，长江干线及主要支流、京杭运河及长江三角洲水网主要航道、珠江干线、黑龙江水系主要河流包括松花江干流上都先后展开了标准运输船型的研究推广工作，这些科研成果中的经验值得借鉴。

(2)新船型的开发应紧密结合市场调研

新的船型要有良好的技术形态，体现在船舶的阻力性能、推进性能、操纵性能、适航性能等方面技术指标优秀，新船型还要有良好的经济性能，要具备运量大、能耗低、劳动生产率高等优势，发展被船民和市场广泛接受欢迎的标准船型。

(3)尽可能推荐与航道相适应的最大船型

同类型船舶在相同运距条件下总是遵循载重吨位越大，单位营运成本越低，发展载重吨位大的船舶可以充分挖掘航道的潜力，有效地提高航道通过能力，提高水资源利用率；在运输能力不变的前提下，发展大吨位船舶，可以减少航道中航行船舶的数量，改善航道拥挤程度，提高安全航行系数。

(4)符合国家行业政策

交通运输部颁布的《内河通航标准》(GB50 319-2014)统一了内河通航技术要求，促进了内河通航的标准化和现代化，充分发挥了我国内河水运优势，适应了交通运输发展需要。该标准规定了不同等级航道的航道尺度和配套船闸的有效尺度，以及在航道里航行的船舶尺度。本系列标准船型的主尺度必须符合《内河通航标准》和《京杭运河、淮河水系过闸运输船舶标准船型主尺度系列》的相关要求，分别满足沙颍河和淮河干线航道上的省内和省际运输，兼顾等级偏低的涡河、沱河等支流航道上省内的区间运输。

5.3 研发的标准化船舶

根据上述技术及经济分析，通过主尺度要素研究，结合航运市场调研，确定船舶的装载量，再综合考虑航速要求选择内河运输船舶常用的6160系列柴油作为推进主机，先期研发的4型标准化船型见表2所示。

表 2 标准船型要素表

6 结语

河南省标准船舶技术与经济研究综合考虑了交通运输部相关标准船型技术标准，以及河南省内河航运具体情况。基于该项研究成果的标准船型的推广实施，将有利于改善河南省内河货运船舶的结构，提高营运船舶的技术标准、运行效率和服务质量，促进航运安全，同时促进内河航道、船闸等基础设施的利用率和通航能力，减少对河流水质、沿岸噪音等环境污染。随着河南省新建船舶的标准化，船型和吨位杂乱的旧船将逐步淘汰，营运船舶的结构将得到明显优化。

[1]GB50139—2014，内河通航标准[S].

[2]中国海事局.内河船舶法定检验技术规则[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3]盛振邦，刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2010.

[4]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京：人民交通出版社，2016.

[5]丁洪影.基于激光测距原理的船舶防撞系统研制[D].长春：吉林大学，2007.

[6]桑凌志，毛喆，张文娟，等.内河多桥梁水域船舶安全航行预警系统实现[J].中国航海，2014，37(4)：34-39.

[7]张文娟.桥区船舶航行风险预警系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[8]王淑，任慧，云霄.通航桥梁主动防船撞系统及其性能分析[J].中国公路学报，2012，25(6)：94-100.

10.3969/j.issn.1672-9846.2017.03.016

U662.2；F552.7

A

1672-9846(2017)03-0088-06

2017-07-25

河南省交通运输科技项目“河南省内河运输船舶标准船型开发研究”(编号：2016B3)。

于全虎(1974-)，男，陕西咸阳人，江苏省船舶设计研究所有限公司高级工程师，主要从事船舶科研与设计。孟德臣(1963-)，男，河南宁陵人，河南省交通运输厅航务局研究员级高级工程师，主要从事港航工程勘测设计和建设管理工作。张 平(1966-)，男，江苏扬州人，江苏省船舶设计研究所有限公司研究员级高级工程师，主要从事船舶科研与设计。张化英(1978-)，男，山东东阿人，河南省交通运输厅航务局工程师，主要从事船舶设计、船舶检验、海事安全监管。戴雪良(1963-)，男，江苏吴江人，江苏省船舶设计研究所有限公司研究员级高级工程师，主要从事船舶研究与科研管理。