800 TEU敞口集装箱船总体设计

刘东旭

（上海欧得利船舶工程有限公司，上海 200023）

0 引言

敞口集装箱船系指一种特殊设计的集装箱船，其一个或多个货舱没有设置舱口盖[1]。具有装卸效率高、停泊时间短和港口费用低的特点。该800 TEU项目的营运方为印度尼西亚船东，其营运航线较短，需经常停港，因此这类船型对该船东而言具有较大的经济优势。

但此类船型由于在部分或全部集装箱货舱内没有任何密闭措施，因此航行过程中易因风雨或甲板上浪而导致货舱浸水。货舱内的积水，经由舱底水系统排出船外。但在极端情况下，积水难以及时排出，则影响船体的稳性和总纵强度，甚至严重威胁到船舶的安全。

船舶的甲板上浪主要是由船舶与海浪和波之间的相对运动引起的，这与干舷高度、吃水以及其他必要的挡浪设施密切相关。合理的干舷高度能够尽量减小甲板的上浪量，使船舶具有充裕的稳性，并获得尽可能多的载重量。因此，合理地核定最小干舷高度对于船舶设计具有十分重要的意义。该船干舷经由《敞口集装箱船法定检验技术暂行规则（2008）》中所要求的耐波性试验（上浪试验）所决定，对同类型的船舶设计具有一定的参考价值。

1 船舶概况

1.1 概述

本文所研究的船系山东黄海船厂为印尼船东建造的敞口集装箱船，主要航行于我国珠江口以南水域以及东南亚海域的沿海各港口，设计航区为1类航区（近海航区），现已交付3艘。

本船建造为钢质单甲板、单机单桨推进的尾机型船舶。设有垂直船首，半悬挂舵和舵球，以提升推进性能。船首设置满足法规要求的艏楼，可作为挡浪设施，船尾设置尾楼及5层甲板室。

全船共设有5个集装箱货舱，其中在第1货舱、第2货舱设置吊离式舱口盖，可装载危险货物、危险品，舱盖上可装载9列集装箱。第3货舱、第4货舱、第5货舱为敞口型式，舱内可装载7列集装箱。货舱内设有符合敞口货舱要求的消防系统和舱底水系统。

1.2 主尺度

本船主尺度及主要技术指标如下。

1）总长：约为146 m；垂线间长：142.2 m；型宽：23.25 m；型深：10.5 m；设计吃水：6.5 m；结构吃水：6.5 m；载重量：13 2 t；定员：20人。

2）主机：三菱 6UEC33LSE-C2；MCR：3 990 kW×133.3 r/min；服务航速：13.00 kn；续航力：5 000 nm（1 nm＝1.852 km）。

3）集装箱装载：20 ft为816 TEU/54 FEU；40 ft为403 FEU/54 FEU。

1.3 船级符号

本船入中国船级社（CCS）船级，并获取船级符号：

1）CSA Open-Top Container Ship; R1; Loading Computer (S, I); In-Water Survey。

2）CSM MCC。

1.4 总布置图

图1是本船总布置图的侧视图和主甲板视图，以简要显示本船的布置。

图1 总布置图

2 干舷

2.1 干舷核定方法

敞口集装箱船由于货舱不设置舱口盖，使得货舱空间不具有储备浮力，因而这类船舶不能依据《国际载重线公约》核定载重线[3]。《敞口集装箱船法定检验技术暂行规则2008》则制定了等效措施。对于敞口集装箱船，有限航区船舶的最小干舷可选择以下两者之一来确定，取所选一种方法中，分别由 3个因素所决定的干舷中的较大者[1]。

1）由耐波性特性（模型试验）、完整稳性和结构强度确定，或

2）由最小形状干舷、完整稳性和结构强度确定。

对于本船，如按最小形状干舷的方法进行勘划，其最小干舷按近海航区要求如式（1）

式中：L为量自龙骨板上缘的最小型深85%处水线总长的96%，或沿该水线从首柱前缘至舵杆中心的长度，取 142.2 m；F为最小形状干舷，计算可知F=4.977 m。

对于本船，如按照《国内航行海船法定检验技术规则》（2011）第3篇第3章对B型船舶干舷的要求，计算所得的最小夏季干舷，应为2 309 mm，与按照最小形状干舷计算的数值相差太多。如按此方法核定干舷，会制约满载吃水、载重量和装箱数，进而严重影响船舶的经济性能。因此，在实际设计过程中，考虑采用第一种方法，即使用耐波性特性模型试验（上浪试验）测量甲板上浪量的方法来核定干舷。上浪试验需测量可能上浪到每个货舱的最大每小时上浪量数据，这一数据应不超过法规规定的每小时进水高度乘以舱口开敞面积。对于本船而言，近海航区允许的敞口货舱每小时进水高度为300 mm/h。

借鉴其他类似船型，并综合考虑法规的最小干舷和船首高度要求、船东设计指标、完整稳性和结构强度等，初步将该船的夏季干舷确定为4 020 mm，即夏季载重吃水 6.5 m。这一吃水比最小形状干舷核定的夏季载重吃水超出约1 m，载重量可增加约3 070 t，换成装载 20 ft（1 ft＝0.304 8 m）的 14 t的均箱，可增加约220箱装箱数，能够极大提升经济性能。故采用此吃水和干舷，来进行上浪试验，并通过上浪试验测量的数据最终确定本船的干舷。

2.2 耐波性特性模型试验（上浪试验）程序

本船的耐波特性模型试验（上浪试验）在非规则波条件下进行，船舶运动响应的采集使用了六自由度非接触式光学运动测量设备，以测量船舶在波浪中的升沉、纵摇、横摇、艏摇等自由运动。试验船模带桨和舵，通过控制舵机和螺旋桨来实现自航，以满足自航无拘束模型的要求。船模上装有小型摄像机，用来观测各个敞口货舱甲板上浪的进水情况。

船模缩尺比为44（图2），主尺度参数见表1。船首的1货舱、2货舱设有舱口盖，根据法规要求，在模型试验中，这2个货舱可模拟为关闭舱口盖以及假定海水不进入舱内，舱口盖上可模拟装载2层集装箱。其他货舱为敞口货舱，从艏向艉编号依次为3A、3B、4A、4B和5。试验中，为布置仪器，将3B和4A这2个货舱设置成了一个整舱，并对试验数据进行处理。

表1 船舶/船模主尺度

试验进行迎浪（180°）、艏斜浪（135°）、艉斜浪（45°）、随浪（0°）和横浪（90°）5个浪向的不规则波试验，不规则波的波谱采用ITTC双参数谱。根据法规要求，将近海航区航行船舶的试验有义波高取为 7.5 m，并基于理论计算选取最不利的波浪周期为10 s。其中，迎浪和艏斜浪以最大持续船速进行试验，随浪和艉斜浪以最小操纵船速进行试验，横浪则以0航速，即船舶无动力状态进行试验。每一工况对应的试验时间至少对应于实船时间1 h。

最大持续航速为考虑船舶在规则波中航行时，阻力增加所造成失速后的最大服务航速。根据静水中模型试验预报的航速获取相对应的螺旋桨转速，并在上浪试验的迎浪和首斜浪试验中通过保持这一螺旋桨转速，来测量失速后的最大持续船速。试验中测得的迎浪最大持续航速为8.4 kn，首斜浪最大持续航速为9.68 kn。

最小操纵船速则根据最小推进功率导则MEPC.1/Circ.850来计算，船舶最小安全航行速度定义如下[4]：Vs＝max[4，Vck=Vref－10×(AR%－0.9%)]。其中，最小基准航向保持速度Vref根据导则基于插值得到，取为 6.903 kn。AR%为按宽度影响修正的侧面浸水面积百分比，本船取为1.003。故最终计算得到的最小操纵航速为5.87 kn。

试验时的装载情况下，对应于设计纵倾的最大装载吃水取为6.5 m。试验时所取的重心高度KG，应对应于船舶营运中可能出现的实际值。基于安全考虑，在实际船舶营运工况的重心高度基础上，增加了部分裕度，取为10 m。

试验中，需要测量每个敞口货舱在不同浪向和相应航速下的进水量，还需测量不同状态下的船舶运动和航速等参数。船舶运动包含升沉、纵摇和横摇等。每一不同浪向试验结束后，需将进入货舱内的水抽出并测量，以核算各个货舱的每小时最大上浪量。

2.3 耐波性特性模型试验（上浪试验）结果

本船的耐波特性模型试验（上浪试验）由上海船舶运输科学研究所水池负责，在上海交通大学海洋深水试验水池中完成。试验测量结果分为船舶运动与航速、货舱上浪量2个部分。

不同浪向及相应航速下，船舶运动及航速的测量数据如表2所示。不同浪向及相应航速下，各个货舱的上浪量的测量数据如表3所示。

表2 船舶运动及航速测量数据（实船）

表3 货舱上浪量测量数据（实船）

通过以上试验测量数据，可以看出货舱的最大进水量，出现在首斜浪工况下的货舱3B和4A内，为134.42 mm/h，小于法规要求的300 mm/h。因此，最小夏季干舷勘划在对应吃水6.5 m处，可满足试验及其他的相关要求。

3 完整稳性与总纵强度

3.1 完整稳性要求

敞口集装箱船的完整稳性，除需满足《国内航行海船法定检验技术规则（2011）》第4篇第7章对相应航区集装箱船的要求外，还需满足《敞口集装箱船法定检验技术暂行规则（2008）》对于货舱浸水后的完整浸水稳性要求。

对近海航区船舶而言，各个载货工况下，浸水后的完整浸水稳性应满足以下衡准[1]。

1）稳性范围应不小于20°，且非风雨密关闭的开口，包括通风筒、门、舱口的淹没角均应大于此角度。

2）符合上述1）规定的稳性范围内的最大正复原力臂值应不小于0.1 m。

3.2 敞口货舱假定浸水

对于各载货工况，需假定在货舱内满载集装箱时发生浸水。浸水的渗透率取为 0.7，水的密度为1.025 t/m3，浸水的重心高度为浸水区域的形心高度。舱内自由液面需考虑集装箱之间空隙被水环绕，并假定此空隙沿开敞货舱全长均匀分布[1]。对于近海航区船舶，敞口货舱的假定浸水高度为舱深的85%。本船各敞口货舱的假定浸水量如表4所示。

表4 敞口货舱假定浸水量

3.3 典型装载工况与浸水工况对比

敞口货舱浸水后，重量会集中于货舱区域，且产生较大的自由液面，进而将对船舶的稳性及总纵强度造成较大影响。以本船装载20 ft TEU×24 t的典型工况为例，对比分析装载工况浸水前后的变化。

在此装载工况浸水后，可以从表5看出，吃水会增加约 2.1 m，使得干舷降低，储备浮力减少，体现在稳性上，并减小最大复原力臂（减小约40%）。浸水重量的重心偏低，会使整船的重心高度减少，因此对初稳性高的影响较小，初稳性高仅减小0.05 m。浸水前后的复原力臂曲线对比见图3，图3a)为浸水前，图3b)为浸水后。

表5 装载工况浸水前后稳性对比

图3 货舱浸水前后复原力臂曲线对比

浸水前后的总纵强度的变化比较明显（表6）。浸水前，弯矩为中拱状态；浸水后，则变为了中垂状态。这是浸水后重量载荷集中于货舱区域所致。在实际的设计过程中，需在结构设计时充分考虑这一变化特点。在工况的调配时，也需注意集装箱的装载和压载水的配置，需要同时满足浸水前后总纵强度和完整稳性的要求。浸水前后的总纵强度对比如图4所示，图4a)为浸水前，图4b)为浸水后。

表6 装载工况浸水前后总纵强度对比

图4 货舱浸水前后总纵强度对比

4 其他

4.1 挡浪设施

本船在货舱前部，设有高度2.8 m的艏楼，以作为挡浪设施。艏楼顶端距离夏季水线的高度为7 m。艏楼顶端的高度应同时满足法规对于最小船首高度和挡浪板顶端高度的要求。

按《国内航行海船法定检验技术规则》（2011），最小船首高度应不小于式（2）中的要求[2]。

式中：Cb为方形系数，取值不小于0.68；L为船长，m；Fb为最小船首高度，mm，计算可得数值4 842 mm。由此，艏楼高度可满足要求。

按《敞口集装箱船法定检验技术暂行规则（2008）》，挡浪板顶端距夏季水线高度应不小于如表7所示。

表7 挡浪板顶端距夏季水线高度表

艏楼后端距首垂线距离为11.8 m，经插值得挡浪板的高度要求为 6.152 m。由此可见，艏楼高度满足要求。

4.2 货舱舱底排水系统

对于敞口集装箱船，货舱容易因甲板上浪或风雨而产生积水，因此货舱的舱底排水系统应具有足够的排水能力，且需按相关法规要求配置舱底泵并设计舱底排水系统。

舱底泵的排水能力需满足以下5项要求的最大值（括号本船实际计算数值）。

1）由综合模型试验确定的海上航行状态下最大的每小时货舱上浪量（100.4 m3/h）。

2）每小时100 mm的降雨量（115.2 m3/h）。

3）模型在横浪无订立状态下耐波性试验所测得的货舱每小时上浪量乘以2（134.2 m3/h）。

4）最大敞口货舱所需要的排量（331.0 m3/h）。

5）相当于封闭货舱所需要的排量（113.0 m3/h）。

结合以上 5项而言，最大值为第 4）项，即331.0 m3/h。本船实际配置了3台排量为380 m3/h的舱底泵，可满足最大要求。同时，为考虑船舶在纵倾和横倾状态下均可有效排水，在每个货舱都设有前后左右4个污水井，并通过支管与布置在双层底管弄里的舱底水总管相连接。

5 结论

有限航区敞口集装箱船通过上浪试验的方法来核定干舷，虽然海事局的法规内对此已有相关规定，但对实船项目进行试验在国内尚属首次。试验前期，与中国船级社上海规范所以及上海船舶运输研究所水池的专家们一同对试验程序和相关参数进行了充分的论证，并通过试验获取了宝贵的经验和数据。对今后设计相关船型具有一定的参考价值。