现代海运如何破解提速难

本刊特约记者 辛吉诚

尽管拥有运量大、投资少、成本低的优势，然而长期以来，速度过慢一直是海运物流模式的固有弱点。不过受过去技术条件的限制，以邮件、电报和电话为代表的传统通讯方式信息传递的效率与准确性也不高，这在一定程度上掩盖了海运效率低的不足。进入21世纪后，随着以互联网为代表的先进通讯技术的快速发展，现代商业信息的传递速度已经开始步入毫秒时代。与快速变化的市场行情相比，海运的低效率在某些国际货运的细分市场上已经开始变得难以接受。从这个角度来看，提高航速将是未来航运业创新发展的方向之一。

低速船型的繁荣与瓶颈

由于海上运输环境恶劣，船舶在海上航行时间越长，船上货物所面临的风险就越大。因此自船舶诞生之日起，提高航速一直是船舶设计师们努力的目标。古代帆船在顺风顺水时最高航速能达到20节左右，然而由于海上风力无法持续稳定，以风帆作为动力的海船航速时快时慢，平均下来只有8节左右。英国工业革命中的蒸汽机被成功用于船舶推进后，海上运输的速度开始逐渐提高到12节左右。随着船舶推进器与船体结构的不断优化，海上运输的效率开始进入快速提升的时代。第二次世界大战结束后，海上运输船舶的平均航速已超过20节。为适应当时海上快速货运的需求，一些集装箱船的设计航速已经突破了30节。

1973年的石油危机以及后续发生的一系列国际事件导致国际原油价格持续攀升，燃料开始逐渐成为航运业的主要成本。高昂的燃料开销让船东不得不考虑降速增效，船舶平均设计航速从二战后的20节下降到16节左右。在航速下降的大背景下，国际船舶设计理念开始发生实质性的转变。由于船舶航速较快时，兴波阻力在船身阻力中所占比重较大，因此传统货船大多采用军舰作为设计母型，这种瘦削的流线型船身设计能够在船舶快速航行时有效地减少兴波阻力。然而当船速下降到16节左右时，摩擦与粘性阻力开始成为船身阻力的主要组成部分，此时采用较为丰满型线设计的船舶阻力性能将更好。

丰满的型线设计彻底颠覆了原先船舶设计的理念，然而船东很快就体会到了这种转变所带来的优势。当船舶主尺度相同时，型线较为丰满的船型内部空间更大，能够装载更多的货物。与此同时，丰满的船舶浮力沿船长方向的分布更为均匀，这将有效地缓解较为瘦削的流线型船舶一直存在的空载中拱问题，船体构件尺寸也可以进一步减小，由此而减少的空船重量将转化为船舶的载重量。相对于原先瘦削的船型而言，丰满船型在稳性方面的优势也更加突出，宽大的船体为船身提供了更多的复原力矩，这使得船舶能在甲板上载运更多的货物。更为重要的是，随着低速柴油机技术的日趋成熟，与低航速相匹配的大功率低速柴油机能够燃烧劣质燃油，这将为船东节约至少一半的燃料开销，在高油价时代的优势尤为明显。低航速、丰满船型的设计理念让船舶的总体经济性有了非常显著的提升。

自20世纪70年代开始出现的低速丰满船型设计概念也为造船厂带来了很多意外的惊喜。丰满的型线让船舶内部，特别是首尾部分的空间更加充裕，这为船舶设计，特别是动力装置部分的设计带来了很大的便利。随着低速丰满船型技术的不断成熟，船舶主机开始从船舯移动到船艉，原先复杂的动力装置设计开始变得简单。与此同时，丰满的型线让船体结构施工中的平直部分显著地增加，这在简化了船体结构建造技术难度的同时也极大地提升了船舶建造的效率。从某种意义上来说，现代造船效率得以迅速提升与国际航运市场上船型的演变有着密不可分的关系。

随着低速丰满型的船舶逐渐成为国际航运市场上的主角，其固有的弱点也开始逐渐暴露出来。首先是对于采用班轮模式运作的定期航线，当遇到台风或恶劣海况需要绕行时，这些船舶往往由于航速过低而难以保证班期。同时，航速的下降使船东需要在航线上投入更多数量的船舶以弥补由于航速下降而损失的运力，这不仅导致船东在船舶采购方面的开销会进一步增加，由此引起的全球范围内船舶数量增加而导致的港口拥堵问题也开始成为国际物流效率的瓶颈。更为严重的是，航速下降直接导致了海上运输时间的延长，一些对运输时间有严格要求的货物开始流出航运市场转而选择其他运输方式。

未来排水型船舶提速的障碍

尽管提速可能是未来航运业创新发展的方向之一，然而从现代造船技术角度看，船舶提速还存在不少技术和法规方面的障碍。减少船身阻力与增加船舶主推进功率是提升船舶航速最主要的两个渠道。然而从船舶阻力成分在不同航速下的分布规律来看，当船舶航速与船长的比值超过一定数值时，船身阻力将随着航速的增加而迅速增大，继续提升船舶推进功率对于航速上升的贡献将非常有限。因此排水型船的航速在理论上存在一个极限值，目前航速最快的排水型船舶的最大航速曾达到过38节，而对于能够用于海运的大型船舶而言，实现满载30节以上的航速就已经非常不易了。

受目前材料性能与经济性的限制，船舶主机功率也存在理论上限。目前世界上最大功率的船用低速柴油机额定功率为80080千瓦，蒸汽轮机的单机功率还要更大一些，最大功率可达100000千瓦。然而蒸汽轮机低效率的特点决定了其经济性能难以适用于民用船舶。由此可见，在现有的动力装置技术条件下，考虑到经济性方面的因素，排水型大型船舶理论上的最高航速不宜超过30节，折合约54公里/小时。与货运汽车平均80公里/小时和货运列车平均120公里/小时的运输速度相比，将货运船舶航速提高到30节对于提升海运在快速物流细分市场上的竞争力意义不大。

船用燃料价格也在一定程度上制约了未来船舶的提速。随着石油资源的日趋枯竭，未来全球范围内的油气开采成本将持续攀升。受油田老化与环保要求提升的影响，目前中东地区近似于自喷井的石油开采总成本已经超过了10美元/桶，而位于深海地区的石油勘探与开采的成本始终保持在100美元/桶以上。根据预测，全世界范围内已探明的石油储量仅可供人类再使用40—60年，目前世界每年石油消费量是新勘探石油储量的4—5倍，且这些新勘探的油田多位于深海，开采的技术难度和成本都很高。从这个角度看，重返“百元时代”是未来油价发展的大趋势，而燃料价格的持续上涨将在很大程度上制约未来船舶的提速。

2017年在全球范围内推广的船舶能效监测机制也是未来船舶提速的障碍之一。随着全球范围内主要沿海国家对于环保问题的日益重视，加强控制船舶营运过程中二氧化碳排放的问题再次被提上议事日程。二氧化碳是目前公认的与全球范围内出现的温室效应关系最为密切的发动机排放物，而以碳氢化合物作为主要燃料的船舶理所当然地成为了海上碳排放的主要来源。目前国际海事界公认的是采用一种将船舶在单位航程上运输单位货物所消耗的燃油数量换算成碳排放当量的方法对船舶的二氧化碳排放状况进行评估，在这种评估体系下，船舶航速越快，运输单位货物所消耗的燃油就越多，未来船东可能需要缴纳的碳税也就越高。从这个角度来看，未来航运业的提速需要对船舶设计的理念有实质性的创新。

非排水型船或成未来高速海运的主力

挪威设计公司InSvivia Technologies（前Viking Ships）近期公布了一项新型快速集装箱船的概念设计方案。这一全新的船舶采用了小水线面双体船的船型设计，由4台涡轮喷气发动机推进，船长300米，吃水约17米，载箱量估计可达16500TEU。与常规排水型船舶相比，小水线面双体船由于水线部分面积较小，在高速航行时具有出色的阻力性能与更好的船身稳定性，其宽大的甲板空间也对载运大型甲板货物非常有利。InSvivia在其对外发布的一份报告中宣称，计算流体动力学（CFD）模拟结果显示该概念船航速有望突破80节，约150公里/小时。如果未来这一设计方案成为现实，海上运输效率不仅能够超越目前的常规公路与铁路运输，还可以凭借其低成本的优势与飞机和未来的高铁争夺快速货运的市场。

不过InSvivia的概念船目前还停留在理论阶段，真正运用于航运实践依然存在不小的难度。船体结构复杂，配载要求苛刻是制约InSvivia概念船发展的最主要因素。与常规的排水型船舶相比，小水线面双体船由于存在大量的不连续结构，船体受力情况更为复杂。因此该船型目前主要应用于军舰、客船、渡船、科考船等结构载荷变化较小的船舶。大型集装箱船在货物装卸过程中载荷变化明显，且重量在船体结构上的分布复杂，采用小水线面双体船的结构型式将极大地增加未来货物装卸过程中的配载难度。运营的经济性也是影响未来InSvivia概念船发展的关键因素之一。尽管InSvivia在其报告中声称该概念船相对常规集装箱船而言油耗将有望降低37%－74%，然而其涡轮喷气发动机所采用的是与航空发动机类似的高品质燃油，其价格是目前船用燃料油的4－6倍。另外，港口与航道适应性较差也将在一定程度上制约了InSvivia概念船的发展。通常15000TEU集装箱船的设计吃水在14－15米左右，而InSvivia概念船的设计吃水预计会超过17米。根据目前掌握的资料，InSvivia概念船的型宽估计在70米以上，而同级别集装箱船的型宽只有52米。从全球港口航道的实际情况来看，有能力接纳这类船舶的港口将会非常有限。

然而具体到未来快速物流的细分市场，以小水线面双体船作为母型的缩小版InSvivia概念船依然大有前途。如果船体结构的尺寸能够减小到一定程度，双体船结构复杂、承受可变载荷能力差、航道适应性不足的问题就会相对容易解决。由于尺度减小而丧失的货物载运能力和规模优势对于船舶在快速物流细分市场上的竞争力也不会有太大的影响。与飞机和火车相比，小型船舶在运输的数量和成本方面依然具有无可比拟的优势。未来气体燃料的推广也对以喷气涡轮发动机作为动力的InSvivia概念船提供了机遇。从技术角度看，用于气体燃料发动机和燃气涡轮发动机的气体燃料完全相同，不会存在类似不同品质的燃油价格差距过大的问题。更为重要的是，小水线面双体船并非排水型船舶，目前还没受到欧盟与国际海事组织关于船舶能效方面法定的约束，因此在国际快速物流市场方面的发展潜力非常可观。

对于全球范围内绝大多数造船厂而言，不连续结构连接和喷气涡轮动力装置施工将是未来快速集装箱船建造的最大技术障碍。小水线面双体船上下船体间的连接结构是全船受力的关键节点，对于尺度相对较大的货运船舶而言，仅仅依靠焊接技术将难以确保此类结构连接的有效性。因此可靠性更高的铆接技术未来很可能被重新引入造船业。与此同时，喷气式涡轮发动机的引入将彻底颠覆传统船舶动力装置施工的概念。与目前流行于民用船舶上的柴油机动力装置以及军舰上常见的燃气轮机动力装置相比，用于近海面的喷气涡轮式发动机对于施工工艺与船厂生产管理能力的要求更高，船舶建造过程中的风险也更大，这将进一步提升未来建造快速集装箱船的准入门槛。从这个角度来看，未来类似InSvivia概念船的快速集装箱船是不折不扣的高技术、高附加值船型。对于长期处于严冬的造船业而言，采用喷气涡轮模式推进的小水线面双体船或许是未来一个可能进行创新突围的方向。★