大开口箱形货舱多用途船总体设计

孙海晓，赵耀中，孙海素

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前 言

多用途船因其自身设备齐全、分舱灵活、可载运货品种类多，具备较强的揽货能力，可应对复杂多变的航运市场环境。 8 800 DWT 多用途船由上海船舶研究设计院设计、 宜昌达门船舶有限公司承建， 于2022 年2 月交付船东上海长江轮船有限公司使用。

该多用途船是一型单机单桨、低速柴油机驱动的可全球航行的多用途船， 适合装载各类包装货、件杂货、大型工程件，以及煤、矿石等散装货品，具备《国际海运危险货物规则》（IMDG Code）第1～9 类危险品的装载能力，货舱盖上可载运集装箱。 采用S-bow 直立隐形球首低阻线型，匹配高效螺旋桨，船舶快速性优秀。 设首楼和尾楼，包括驾驶室在内的起居处所布置在船尾。 上甲板以下，首部设首尖舱、淡水舱和首侧推舱，中部货舱区域布置两个大开口箱型货舱，第一货舱口长25.9 m、宽15.3 m，第二货舱口长50.4 m、宽15.3 m。货舱间的抗扭箱兼做燃油深舱，双层底和双舷侧设有压载水舱。 船尾为机舱和尾尖舱。 货舱配备液压折叠舱盖，其表面形成一个长度超过80 m 的无遮蔽载货平台。 在货舱左侧设两台最大起吊能力为50 t 的甲板起重机，具备联吊100 t 的能力。 总体布置如图1 所示，主要技术参数如下：

图1 总布置图

该船挂旗国：中国；CCS 船级，入级符号：CCS ★CSA General Dry Cargo Ship，Double Side Skin；Strengthened for Heavy Cargoes；Ice Class B；Grab*（20）；PSPC（B）；SOLAS II-2 Reg.19；Loading Computer（S，I）；In-Water Survey；

★CSM MCC；G-ECO（BWM（T））。

1 线型设计与主机选型

根据营运需要，船东要求服务航速不低于12 kn且主机日均油耗不超过8.0 t，并应具有足够的功率储备，以应对恶劣海况的影响。 该船采用上海船舶研究设计院新近开发的优秀线型作为母型，见图2，结合布置要求，进行优化设计：

图2 线型CFD 模型（上为母型船，下为目标船）

1） 根据多用途船货品种类繁多、实际营运中吃水范围较大的特点，采用S-bow 直立船首，可改善船舶非平浮状态由球首导致的阻力增加，同时兼顾其他吃水的快速性能，不会出现典型球首线型在设计吃水以外可能出现的阻力陡增情况；

2） 为实现箱形货舱设计，线型设计中减小中横剖面系数，使得排水量尽量向首尾两端分布，增加平行中体长度，液压折叠舱盖要求货舱开口宽度前后一致，因此水线以上部分线型在保证无抨击风险的前提下采用外飘设计，满足液压折叠舱盖布置和系泊布置要求，见图3；

图3 线型横剖面（虚线为母型船，实线为目标船）

3） 借助CFD 手段，优化进流段、去流段以及水线形状，优化螺旋桨前端线型，将排水量更多集中到螺旋桨以上部分，改善螺旋桨伴流，保证良好的快速性能。

从图4 的自由面波形以看出，从中部开始一直延续至尾部，目标船线型的兴波更加平缓。 经CFD验证，尽管目标船排水量较母型船增加1.78%，但有效功率较母型船仍降低了1.63%。

图4 自由面波形对比（上为母型船，下为目标船）

基于优化后的船舶线型， 满足船舶航速条件下，主机选型可考虑：

1）中速机方案，如广柴8G26 机型；

2）低速机方案，如MAN 5S35ME-B9.7 机型。

两种主机机型方案对比见表1。

表1 主机选型方案对比表

相比于中速柴油机方案，采用低速机方案在营运过程中具有良好的经济性，主要体现在：

1）低速机较中速机单位油耗降低近10%；

2）低速机螺旋桨转速低，螺旋桨推进效率高；

3）低速机不需配置齿轮箱，轴系效率高；

4）低速机主机长度较短，有利于增加货舱舱容；

5） 低速机主机最大持续输出功率较高，保证了船东要求的足够功率储备要求。

该船主机采用了更加节能环保的低速柴油机MAN B&W 5S35ME-B9.7，日油耗仅为8.0 t，较中速机方案降低了近16.7%。

除优化线型阻力外，设计中采用多项节能环保措施，主要有：设置首侧推盖，消除首侧推船体开孔导致的阻力增加；配备400 A 岸电箱，在港口码头停泊时使用岸电可有效减少废气排放和噪声污染；燃油舱设隔离空舱， 满足MARPOL 附则Ⅰ中第12A的要求；压载水处理装置等。 经船模试验验证，设计航速达到12.28 kn，超出设计要求。 完工状态EEDI的达到值低于基线28.9%， 远超过EEDI 第3 阶段（降低15.21%）要求，能效指标非常先进。

2 总体布置

2.1 适货性设计

多用途船通常都有偶尔载运散货的需求， 根据MSC.277（85）要求，对于此类船应满足双壳散货船货舱距离的要求，以往类似尺度和方形系数的船舶，只能通过船舶内壳倾斜或者设置台阶满足要求， 但内壳倾斜或设置台阶会对载运包装以及件杂货带来诸多不便，受舱内形状的影响货舱空间利用率不高。

为适合包装货和件杂货的运输， 两个货舱尽可能地设计为大开口箱型货舱。 该船方形系数较小，不足0.76， 船东要求第二货舱长度达到50.0 m 以上且形状尽量规整，通过协调线型设计和总布置方案，第二货舱采用全箱型设计，货舱规整且无装卸盲区，舱长达到了50.4 m，尤其适合装载大型工程件，突破了较小方形系数船舶内壳采用倾斜或者台阶型式的限制，为船东装货带来了极大的便利，获得了船东高度认可，见图5。第一货舱长28.7 m，货舱前端随线型适当内缩。 因该舱前端布置折叠舱盖占据较大空间，设计时通过综合优化首部布局合理减少长度， 使得该舱前端盲区不超2.8 m，方便货物装卸。 货舱内底设计均布载荷为16.0 t/m2，并适用20 t 抓斗操作。

图5 大开口箱形货舱尾端横剖面图

在第二货舱配备一层活动二甲板，设2 个安放高度，营运时可根据货物尺寸调整安放位置，增加货舱的空间利用率和装载灵活性。 设计了两个活动二甲板的堆放位置， 当货舱内装载长大件货物时，可全部堆放在上层建筑前端确保足够的货舱长度，如果装货许可， 还可部分堆放于第二货舱前端，减少绑扎工作量。

为将载货空间最大化，尾部上层建筑紧凑设计且尽量靠后布置，首楼也合理缩短。 货舱盖设计均布载荷为4.0 t/m2，适合装载各种甲板货物。 根据船东要求， 舱盖上仅设有128 个20 英尺标准集装箱箱位，配备120 个冷藏集装箱插座，具备一定的冷链运输能力。 根据船舶布置方案，实际舱盖上具备370 个标准集装箱的载运能力， 如舱内也可载运集装箱，全船可具备610 个标准集装箱的载运能力。

为提高船舶揽货能力， 保证船舶良好的浮态，适应内河航道航行，通过方案对比，将淡水储存舱设置在首部，位于防撞舱壁后方、首侧推舱上方。 这种设计方案可保证船舶从出港到到港均能保持良好的浮态，中途不需要补充额外的压载水，同时有利于降低船体总纵弯矩，保证船舶安全，见表2。 机舱内设日用淡水舱，供日常淡水使用需求。

表2 首部/尾部淡水舱方案对比

2.2 起货设备与舱盖系统

该船营运范围涵盖岛礁区域， 部分码头的设施不完善。 为提高码头适应性，在上甲板左舷设两台最大起吊能力为50 t 的起重机，最大工作半径26 m，可覆盖整个货舱、 露天载货区以及活动二甲板堆放区，并具备联吊100 t 的能力，能轻松应对不同货物的装卸要求。

No.1 起重机吊臂搁放在首部桁架式支柱上，No.2起重机吊臂搁放于驾驶室桥翼左侧。 为尽可能减少起重机塔身和吊臂引起的驾驶室扇形盲区， 根据CCS 的要求，控制吊臂高度使之低于驾驶室向前视线。 在满足货物装载要求的前提下尽量降低起重机高度，有利于船舶稳性。 对多用途船而言，起重机吊臂高度设置还需统筹考虑折叠舱盖的收藏高度，避免相互干涉。

考虑到两个货舱的舱口较长，假若采用吊离式舱盖，因分块较多，启闭舱盖时逐个起吊费时费力，还需要考虑船上或码头的堆放位置，而采用液压式折叠舱盖，启闭速度更快、更方便，但构造要复杂得多，增加维护的难度与费用。 船东经过权衡，最终采用液压式折叠舱盖。

该船舱盖的设计需考虑舱盖收藏位置对货舱长度和盲区的影响，同时应避免同起重机基座和吊臂相互干涉。 第一货舱舱盖折叠方式可采用前后两折或前四折2 种备选方案， 如采用前后两折方案，虽然舱盖设计和维护要更简便，但该舱后面的舱盖启闭将与No.1 起重机基座干涉。 第二货舱舱口较长，舱盖折叠方式可采用前四后二或前二后四2 种备选方案。 采用前二后四方案，两货舱之间的间隔更小，有利于增加货舱长度。

2.3 机舱布置

该船采用低速柴油机推进，冷藏集装箱数量较多， 配置2 台650 kW 和1 台400 kW 发电机组，均布置在机舱。 因尾部线型快速收窄，机舱空间狭小，给机舱布置带来较大难度。 该船将燃油澄清舱和日用舱嵌入到储存舱内，同时保留燃油储存舱与货舱的隔离，避免燃油澄清舱和日用舱高温传递到货舱危及货舱内装载的危险货品。 利用上层建筑前方空间，增设甲板室作为机舱区域的一部分，用作存储二氧化碳和空气瓶，同时甲板室顶用于堆放货舱二甲板活动舱盖。 机舱布置简图见图6。

图6 机舱布置简图

3 船舶稳性

3.1 联吊稳性

IMO 决议MSC.415（97）对2008 IS Code 中B 部分推荐性衡准的修正案增加了对用于起重作业的船舶起吊工况以及重物失落工况稳性校核的要求，适用于2020 年1 月1 日及之后铺设龙骨或是改造为起重作业的船舶。为保证船舶营运安全，该船按照MSC.415（97）推荐的稳性衡准要求进行校核。

起吊工况考核2 台起重机联吊时的情况，按照起吊顺序校核4 种工况：

1）起吊准备；

2）重物吊起；

3）重物经过舷侧；

4）重物装船。

起吊工况满足以下稳性衡准要求：

1）IS Code 中A 部分对于完整稳性的要求；

2） 船舶横倾角度，不超过起重设备允许的工作角度，由设备资料确定，一般为5°；

3） 该船通常为码头作业，属于遮蔽海域，船舶剩余干舷不小于0.50 m。

重物失落工况稳性衡准要求： 遮蔽海域起重作业，重物失落后的复原力臂曲线上，曲线从平衡位置到进水角度（或稳性丧失角度，取小者）下的面积大于从重物失落前横倾角度到平衡位置下的面积。

通过计算，该船完全满足联吊稳性要求。 MSC.415（97）决议并没有明确重物失落时船舶的装载情况， 通常考核船舶在空船压载状态下起重作业，这种情况下船舶重心较低，稳性较好，该船空船压载时重物失落工况的复原力臂曲线如图7 所示，图中A2部分面积达到了A1部分面积的58 倍。 图8 为船舶满载进行起重作业时重物失落工况的复原力臂曲线，图中A2部分面积为A1部分面积的5.6 倍，表明船舶满载进行起重作业时发生重物失落后的危险程度远大于压载状态的起重作业。

图7 空船压载状态重物失落工况复原力臂曲线

图8 满载状态重物失落工况复原力臂曲线

3.2 破舱稳性

破舱稳性不仅关系到船舶的安全性能，同时还会影响船舶的装载灵活性。 该船货舱总长度较大，占到全船总长的近70%， 且第二货舱长度达到50.40 m，因此货舱区域进水量较大，对破舱稳性的要求更高。IMO 决议MSC.421（98）SOLAS 修正案修订了概率性破舱稳性计算方法， 适用于2020 年1月1 日之后签订建造合同的船舶。 对于干货船，主要有：

1）压载吃水状态纵倾修订前要求船舶按照实际纵倾进行计算，修订后可按照虚拟纵倾；

2） 达到的分舱指数加权计算中，修订前公式按照某一纵倾状态进行加权，修订后将某一吃水下的所有纵倾状态计算的部分指数值进行比较，取最小值进行加权。

破舱稳性和船舶装载情况密切相关，通常由船舶的装载情况确定破舱稳性计算假定GM （初稳性高）许用值，然后进一步对船舶进行分舱优化，使得船舶的分舱满足假定GM 值下的破舱稳性。 该船载运集装箱时，集装箱装载重心位置较高，船舶整体GM 值最小。 该船仅舱盖上装载128 个集装箱，且以冷藏集装箱为主，单个箱重较轻，舱内不装集装箱。因此在确定破舱稳性假定GM 许用值时， 并没有参考母型船来降低结构吃水下的许用GM 值， 而是有意识地提高结构吃水下的许用GM 值， 保证船舶结构吃水下的航行安全。 同时尽量降低压载和部分吃水时的许用GM 值，见图9，目的是在这些工况下船舶营运时可尽量减少船舶压载水用量，提高船舶的能效水平。 船舶倾斜试验后，重量重心位置已确定，此时船舶已基本建造完成，此时可进一步降低破舱稳性许用GM 值，从而提高船舶的装载灵活性，为船东带来更大用船便利，见图9。

图9 许用GM 值（含母型船）

表4 列出了该船按照MSC.421（98）修订前和修订后破舱稳性左舷破损计算结果，按照修订后方法计算的分舱指数较采用修订前破舱概率方法有所降低，应引起足够重视。 如在总布置中采用了淡水舱设置在尾部的方案，还根据纵倾变化，增加压载吃水虚拟纵倾下分舱指数计算，并选取分舱指数最小的压载吃水工况进行加权计算。

表4 破舱稳性计算结果（左舷）

3.3 分舱优化

该船在分舱设置中，兼顾破舱稳性和压载水管理操作，主要采取以下优化性措施：

1） 由于首部线型尖瘦，货舱可利用率不高，适当增加首尖舱长度，以增加端部破舱在概率性破舱稳性计算中计入的破损概率比重，对提高整体分舱指数较有利；

2） 尾部舵机舱和机舱设置水密门，保证尾部端部破损对整体分舱指数的贡献；

3）边舱设置水密二甲板，位置略高于结构吃水，生存概率计算时可计入水平分隔以上处所不进水概率的缩减因数，有利于提高货舱区域破损后的生存概率；

4） 货舱区域共设置5 对边压载舱，其中，第一货舱区域设置2 对边压载舱， 第二货舱区域设置3对边压载舱， 由于靠近首尾端部的压载舱破损时，引起船舶横倾时还会引起船舶纵倾，相关开孔更容易被淹没，因此压载舱采用非等长度设置，尽量减小靠近船舶两端处边压载舱长度，减小该区域破损进水量， 保证靠近端部区域破损后的生存概率，从而提高整体生存概率；

5） 破舱稳性计算中，底部压载舱破损对破损后横倾力矩增加较少，为简化船东对压载水管理和操作步骤，尽量减少底部压载舱的分隔，将第三和第四边压载舱下对应的底部压载合并，共设置四对底压载舱， 优化后计算达到的分舱指数虽有所减小，但仍可满足破舱稳性要求，见表5。

表5 四对/五对底压载舱对应的分舱指数

4 结 语

8 800 DWT 多用途船采用大开口箱形货舱设计，功能齐全、适装货品多、性能指标优秀，满足最新法规要求，是新一代绿色环保、实用经济的多用途船，其技术性能指标均达到或高于合同要求，EEDI 的达到值低于基线28.9%，远超过第3 阶段（降低15.21%）要求，特别是EEDI 能效指标非常先进而远超过第3 阶段（降低15.21%）要求。该船投入营运后情况良好，得到了船东的高度认可。

围绕多用途船总体布置、线型设计、分舱优化、起重设备、舱盖布置、完整稳性和破舱稳性法规新要求等方面，较为系统地论述大开口多用途运输船总体设计方面的主要特点。