62 000 DWT大型多用途船开发设计

王亚磊，林绍华，郑庆国，丁超

(1.上海船舶研究设计院，上海 201203；2上海招商明华船务有限公司，上海 200120；3.中波轮船股份公司，上海 200002)

立足航运公司对货物的运输需求，综合考虑港口货源供给量、港口操作限制,以及费用因素，并结合长件货货物种类调研，确定船舶主尺度，针对大型多用途船的船型特点，对多工况下的快速性能、长货舱分舱与货舱盖、克令吊布置等因素相互联系、结构轻量化、火灾探测系统等方面进行分析，旨在将杂货船和小型多用途船的特点结合起来，实现大吨位多用途船兼顾重大件货和散货的功能。

1 船型特点

在船舶主尺度选取方面，6万 t级别的Ultramax船型深受市场欢迎，其适港性强，主要码头都可以靠泊。相比于4万、5万 t级别的灵便型船型，本船规模效应更明显，投资回报率更大，同时6万 t级别的多用途船十分贴合航运公司的营运需求。

通过总体方案设计研究，从多用途船规范规则的适用性、总布置方案，以及节能技术等方面开展，完成多用途船舶总体方案的开发设计。本船型的主要参数见表1。

表1 船舶主要参数

该船型可以提升航运公司的揽货能力，能够装载谷物、煤炭、钢卷、高铁机车、风电设备塔筒叶片、大型工程件、集装箱、纸浆等多类货物。为了满足货品的装载需求，该船型具备以下的特点。

1)箱式货舱，双壳双底设计，共5个货舱，其中第5货舱为长货舱，舱长约40 m。

2)货舱舱盖为液压折叠式，提高装卸效率。

3)货舱内设多层吊离式二甲板，每块二甲板的尺寸相同，可以互相替换。

4)露天甲板面平整连续，具有长166 m，宽30 m的有效装货区域。

5)配有4台边克令吊，其中2台克令吊最大工作负荷150 t，联吊作业可达300 t。

6)配有除湿系统，可满足全船纸浆的除湿要求，保证纸浆运输质量。

7)具有隔舱装载功能，保证散货装载的灵活性。

2 多工况线型优化

设计重点关注多用途船的布置特色和营运特点。首先，由于本船的5个货舱分舱不均匀，在所有货舱均质满载和隔舱均质满载的2种工况的纵向重心位置不同，需要平衡两者的重心位置，然后据此确定浮心位置；其次，本船的营运特点是兼顾设备件杂货和散货工况，设备件杂件货种类繁多，装载工况吃水变化大，而散货工况的吃水比较稳定，因此在线型设计是采用多工况优化技术，保证本船在多个吃水下的综合快速性能最优。

采用CAESES参数化建模软件，对线型进行了多轮的优化，包括浮心位置、排水量的纵向分部、首部的UV优化，目标在于得到最小的兴波阻力[1]。而对尾部线型进行半参建模，并结合黏流计算进行优化，目标在于获得最小的总阻力和最佳的桨盘面伴流场。通过调整参数化建模方案和变换策略，在一定的时间区间内得到更多的有效变化线型，从而获取到更优的方案。

3 总布置特征

3.1 货舱分舱布局

货舱分舱为了确定货舱的数量和舱长。货舱的数量主取决于船舶稳性和强度，舱长根据市场上主流的设备货、长件货品以及集装箱布置空间要求[2]，同时还需要考虑二甲板可以互相替换，舱长和单块二甲板长度尽量为整倍数关系。

类似尺度的散货船多为5个货舱，从货物尺寸的角度，选择均匀分舱的方法显然行不通，因此有3种方案。

1)方案一。3货舱方案由于货舱过大，破损进水量大导致无法满足破舱稳性。

2)方案二。4货舱方案如果采用均匀分舱，则无法实现散货隔舱装载的功能。1个长货舱加3个普通货舱的方法，当装载散货时，可以将二甲板作为谷物横舱壁，这样就可以解决谷物稳性和隔舱装载的问题。但该长货舱舱口过大，如果采用纯液压折叠舱盖，会浪费很大的舱间舱容，如果货舱前后两端采用液压折叠舱盖，中间为吊离式舱盖，会带来2个问题：①2种形式的舱盖搭接密性问题；②吊离舱盖影响装卸效率。另外由于本船有载运纸浆块的功能，货舱过长影响纸浆堆放和除湿。

3)方案三。5货舱方案采用1个长货舱、2个普通货舱和2个短货舱组合。长货舱舱长40 m、宽27.5 m，满足了高铁机车、风电设备塔筒这些长件货的尺寸要求。该货舱布置在货舱段的中部，对浮态影响不大。考虑到货舱段首尾线型开始收缩，因此将2个短货舱布置在该区域，把完整箱式无台阶的区域留给其他3个货舱。且第二至第五货舱的二甲板数量都为整数。见图1。

图1 货舱划分和二甲板布局

3.2 货舱舱盖设计

由于本船采用为液压折叠舱盖，该舱盖形式比其他的货舱舱盖形式效率高。比如，吊离式舱盖需要克令吊起吊转运，有时还要搁放在码头，延长了港口靠泊时间；背载式舱盖虽然操作方便，但无法实现所有舱口同时开启进行装卸，也影响效率。

对于液压折叠舱盖虽然具备装卸效率高的优势，但同样也具有明显的短板，舱口之间要有足够大的空间，保证液压举臂油缸布置及舱盖开启后前后舱盖不会碰到。如果采用散货船的槽型舱壁，那么舱口之间的主甲板下方存在共8档长度的暗舱；如果采用传统多用途船的板式双壳舱壁，与舱口围保持一致，没有暗舱，损失约11 000 m3的舱容，约占总舱容的15%。因此，货舱舱盖和横舱壁设计需要尽可能减少暗舱和舱容损失。

由于暗舱过大，影响件杂货、纸浆块、二甲板的吊运，因此设计中模拟了纸浆块和二甲板的装卸过程，保证货物的起吊中心点在舱口范围以内。据此确定了每个货舱单侧暗舱长度为2档。同时，压缩舱盖开启后占据的空间，在保证一定建造误差的前提下，尽可能使前后舱盖面贴近，并优化舱盖的设计，减少舱盖厚度。采用这种布置形式可以将8档的横舱壁压缩为3档，既可减少货舱舱容损失，同时2档暗舱也不影响货物装卸。

由于长货舱的舱盖盖板比其他货舱更长，单块盖板最大长度约12 m，且大开口舱盖更重，采用一舷双铰链3套举臂油缸，即两舷一共4个端铰链6套举臂油缸支撑起2块12 m盖板，前后相邻货舱盖的举臂油缸错位布置，保证舱口之间的横向通道。

3.3 克令吊布置

由于基建设备大型化，船用吊的起重能力越来越高，本船共布置4台边克令吊，其中2台克令吊最大起吊能力达到150 t，联吊可达到300 t，前后2台克令吊最大起吊能力80 t。

克令吊布置在左舷，为了便于货物吊运，应尽量避免克令吊设置在货舱中部区域[3]。但考虑到如果货物过长，从左舷起吊操作不便，因此会考虑右舷靠泊装卸，要求吊臂能够覆盖右舷约8 m的范围。这样的布置在小型多用途船上比较常见，但本船的船宽32.26 m，需要更长的吊臂，要解决吊臂搁放的问题。吊臂从No.1吊往No.4吊依次搁放，最后1台克令吊的吊臂正好搭在上建桥翼处。克令吊的布置位置可调节范围非常小，并考虑到克令吊的位置应避开货舱中部区域，No.2和No.3吊的联吊工作区域尽量在第三长货舱的中间。因此，克令吊布置和货舱分舱需要统筹布局。

休斯敦、新奥尔良港是美国主要的粮食码头，有过桥空气吃水高度不超过42 m限制，由于本船采用边克令吊布置，克令吊本体的最大直径约5 m，处在舱口范围以内。筒体布置和克令吊本体的中心线不重合，两者采用变截面连接。但长货舱液压折叠舱盖盖板太长，开启路径轨迹线需要与边克令吊筒体的变截面折点保持合理的安全间隙。因此No.2和No.3吊与第三长货舱的布置需要相互协调。将二号吊移出货舱舱口范围外，三号吊布置考虑二号吊的吊臂隔放。舱盖盖板不对称分块，前大后小，小盖板尺寸取决于筒体折点高度。见图2。

图2 货舱舱盖、克令吊布置

4 结构的设计优化

第三货舱为长货舱设计最大限度的实现装载长件货的功能，但同时也给结构设计带来了一定的难度。本船被授予HC(A), Holds 2,4 may be empty的船级符号[4]，即具有隔舱装载的功能。

对于此类船舶，货舱的强框架设置通常有2种形式：“三三式”和“二四式”[5]。“三三式”，即双层底肋板，舷侧强框架均采用3个肋骨间距来设置；“二四式”，双层底肋板二档肋骨间距，舷侧强框架四档肋骨间距[6]。

“三三式”是舷侧多2道强框，可以增加大开口货舱的横向强度，减小扭转变形，特别是控制舱口围处变形；“二四式”双层底多2道肋板，可以减少板格跨距，不仅可以减少内底板板厚，还能够对舱内重货提供了有效的支撑[7]。

本船在设计上突破常规均匀的强框分布形式，综合采用了“三三式”和“二四式”2种强框布置形式，见图3。对于第三长货舱而言，隔舱装载时，单舱装货量占全船装货量约50%，对内底的强度是巨大的考验。通过对双层底肋板3档和4档肋骨间距的2种布置形式进行对比，发现4档肋骨间距方案更合理，整个舱段的强框架重量更轻。而对其他4个小货舱，如果仍然采用“二四式”，内底板板厚并没有大幅度减少，而船底和舷侧的强框数量多于“三三式”，因此采用“三三式”设计能达到钢料的最优化。通过该船的方案对比，可以看到，针对不同货舱的特点，采用合理的强框布置形式，是非常有效的结构轻量化设计手段。

图3 货舱强框布局

5 货舱火灾探测系统设计

根据IMO MSC 292(87)要求货舱火灾探测系统每只烟气吸口的覆盖半径为12 m，且货舱设有二甲板，盖板将货舱分隔为2个区域，上、下货舱区域需要分别布置火灾探测烟气吸口。

本船货舱为大口开设计，货舱宽约27.5 m，第2,3,4货舱长度均超过了24 m，烟气吸口布置在横舱壁或纵舱壁上，总会存在盲区，无法覆盖整个货舱范围，见图4。当货舱铺设二甲板时，如何为二甲板以下货舱空间提供火灾探测系统，是设计中遇到的难题，在类似船型上也是首次出现。

图4 烟气吸口的覆盖半径(常规设计)

本船创新性地采用了预埋抽烟管路接口并配置软管接头的方法，即在纵舱壁上预留抽烟管路的接口，略高于二甲板盖板工作位置，纵向位于2块盖板的间隙处。其工作原理：当二甲板铺设完毕，将软管一端接头与纵舱壁的抽烟管路接口连接，软管另一端接头与可拆式的烟气吸口连接，将烟气吸口布置在船中区域，并固定在两块盖板的间隙处。这样就消除了货舱过大带来的探测盲区问题，见图5。

图5 货舱火灾探测系统原方案与解决方案对比

6 结论

1)该船型的线性设计需要综合考虑多个吃水工况，浮心要兼顾件杂货和散货的装载情况。

2)不均匀分舱与液压货舱盖、二甲板、甲板克令吊等因素“环环相扣”，总体布置需要统筹考虑。采用不对称的液压舱盖盖板可以解决舱盖开启路径和边克令吊干涉问题。

3)长货舱、隔舱装载功能影响内底强度，应该根据不同货舱的特点，采用合理的强框布置形式，实现结构轻量化。

4)采用预埋抽烟管路接口并配置软管接头的方法，可以解决货舱过长、过宽时，火灾探测系统布置存在盲点的问题。