夏討飯 曹 凱 張志強(qiáng)

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工 技術(shù)研發(fā)中心 大連116600）

引 言

甲板運(yùn)輸船主要用于運(yùn)輸不可分解的、大件尺寸的整體貨物，包括海工模塊、大型發(fā)電設(shè)備、化工和煉油設(shè)備、重大基建設(shè)備、衛(wèi)星和軍事裝備以及拖船、駁船等，屬于高附加值的特種船舶。其具有載貨甲板面積大、貨物涵蓋范圍廣、整體貨物運(yùn)輸和裝卸便捷等優(yōu)點(diǎn)?；诩装暹\(yùn)輸船上述功能特點(diǎn)，其總體設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)主要包括：

（1）總體布置怎樣實(shí)現(xiàn)全通無障礙載貨甲板；

（2）特殊主尺度對型線優(yōu)化設(shè)計(jì)的限制；

（3）如何通過合理分艙等設(shè)計(jì)，滿足載運(yùn)整體大件貨物穩(wěn)性要求；

（4）壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足快速調(diào)載和碼頭裝卸貨物的需求；

（5）其他技術(shù)難點(diǎn)，如載貨區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、推進(jìn)系統(tǒng)和動(dòng)力定位配置等。

筆者通過對比分析該船型與常規(guī)船型的差異，總結(jié)出該船型的總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 船型特點(diǎn)及難點(diǎn)設(shè)計(jì)分析

1.1 主尺度特征

甲板運(yùn)輸船僅在甲板上載運(yùn)貨物，屬于布置地位型船舶，貨物尺寸大小決定整船的主尺度。

甲板運(yùn)輸船主尺度一般具有以下特點(diǎn)：

（1）船寬大

由于載運(yùn)單件貨物的重心高度在甲板以上可達(dá)30 m或更高，因此需要有足夠大的船寬和水線面面積來提供充足的復(fù)原力矩以滿足穩(wěn)性要求。

（2）型深小

為降低船舶整體的重心高度，在保證穩(wěn)性和壓載艙容積滿足要求的前提下，應(yīng)選擇較小的型深。較小的型深也可使船舶能夠適應(yīng)更多的現(xiàn)有碼頭設(shè)施，實(shí)現(xiàn)載貨甲板與碼頭基本平齊的裝卸載要求。

（3）主尺度比差異

甲板運(yùn)輸船船寬大、吃水淺，船舶的長寬比通常很?。s為4），而寬深比和寬度吃水比則通常較大（約為常規(guī)船型的2倍）。特殊的主尺度比給線型的設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來巨大挑戰(zhàn)。

不同船型主尺度比參見表1。

表1 不同船型主尺度比

1.2 線型設(shè)計(jì)和水動(dòng)力性能

線型設(shè)計(jì)對船舶的主要影響包括快速性能和操作性能，對于甲板運(yùn)輸船，還需要重點(diǎn)考慮其船長短、船寬大、型深小的船型主尺度特點(diǎn)。因此，首部采用進(jìn)水角小的線型并設(shè)置球鼻首，避免波浪對船首的抨擊影響；尾部采用平坦的方型設(shè)計(jì)，便于提供寬敞的載貨甲板。

甲板運(yùn)輸船的主尺度與船體阻力和快速性相比，并不十分理想。船體有效功率大，而螺旋槳直徑卻非常小，不僅影響船舶快速性，給船體線型設(shè)計(jì)也帶來很大挑戰(zhàn)。

甲板運(yùn)輸船由于長寬比很小，故具有較好的回轉(zhuǎn)性能，但其船寬和吃水較大，因此船舶航向的穩(wěn)定性較差。針對如此特殊的主尺度比，甲板運(yùn)輸船通常會(huì)在尾部設(shè)置呆木。

由于特殊的線型設(shè)計(jì)，使甲板運(yùn)輸船在快速性、操縱性和適航性等水動(dòng)力性能方面，與常規(guī)船型具有明顯差異，所以在設(shè)計(jì)初期很難憑借經(jīng)驗(yàn)獲得準(zhǔn)確的判斷和結(jié)果，通常需要采用CFD和船模試驗(yàn)相結(jié)合，通過CFD進(jìn)行多輪計(jì)算和比較，再結(jié)合模型試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，最終確定較優(yōu)的線型。

甲板運(yùn)輸船型線圖（橫剖面）參見圖1 。

圖1 甲板運(yùn)輸船型線圖（橫剖面）

1.3 完整穩(wěn)性的主要影響因素

船舶穩(wěn)性是衡量船舶是否可以在海上安全航行的基本條件之一。甲板運(yùn)輸船由于其特殊的主尺度和重大件貨物運(yùn)輸?shù)脑颍渫暾€(wěn)性的主要影響因素可歸納為以下方面：

（1）重心高度的影響

在裝載大件貨物時(shí)，全船重心高度因受貨物影響而大幅增加（約為裝貨前的3倍）；與此同時(shí)，受風(fēng)面積也隨之增加約1倍，且形心高度增加3倍。由此可見，貨物的尺寸和重心高度對船舶穩(wěn)性具有決定性的影響。

（2）受風(fēng)面積的影響

除重心高度外，受風(fēng)面積大、形心高也是甲板運(yùn)輸船所裝載貨物的典型特點(diǎn)，對穩(wěn)性產(chǎn)生的不利影響非常明顯。在氣象衡準(zhǔn)要求中，受風(fēng)面積不同導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差異很大。所以在設(shè)計(jì)初期考慮穩(wěn)性對主尺度影響時(shí)，需要了解潛在貨物典型受風(fēng)面積尺寸，確保裝載貨物后穩(wěn)性計(jì)算滿足要求。

（3）穩(wěn)性衡準(zhǔn)的影響

由于甲板運(yùn)輸船特殊的尺度比特性（船寬大、型深小），在橫傾角較小時(shí)，甲板已開始進(jìn)水，進(jìn)而復(fù)原力臂很快達(dá)到最大值。由于對應(yīng)的橫傾角一般小于25°，無法滿足常規(guī)船舶“最大復(fù)原力臂對應(yīng)橫傾角大于25°”的要求。因此，該船型只能滿足另一個(gè)衡準(zhǔn)“長寬比大于2.5的船舶，上述角度可調(diào)整為15°”，其他衡準(zhǔn)則作為替代要求。

除在海上航行的基本穩(wěn)性要求外，在碼頭進(jìn)行滾裝或滑裝過程中的穩(wěn)性和強(qiáng)度計(jì)算也非常重要，尤其是在側(cè)向裝載時(shí)。此時(shí)，由于貨物在側(cè)向裝載過程中對船舶產(chǎn)生較大的橫傾力矩，為防止船舶產(chǎn)生較大橫傾角而發(fā)生貨物傾覆事故，船舶要求配備具有快速調(diào)載能力的壓載系統(tǒng)，以確保在滾裝或滑裝過程中船舶的安全性。圖2為甲板運(yùn)輸船在碼頭裝卸貨物。

圖2 甲板運(yùn)輸船在碼頭裝卸貨物

1.4 總布置特點(diǎn)

甲板運(yùn)輸船的貨物具有尺寸大、質(zhì)量大、重心高、受風(fēng)面積大的特性，這就要求船舶除了具有寬敞的載貨甲板以及良好的穩(wěn)性和操作性，對船舶的總體布置也具有獨(dú)特要求。從外形上看，載貨甲板位于船尾，便于貨物從船尾或舷側(cè)進(jìn)行裝卸作業(yè)；居住艙室和駕駛室位于船首，視域較好，而且居住艙室遠(yuǎn)離尾部振動(dòng)源，舒適性較高。

高首樓且全通無障礙的載貨甲板是甲板運(yùn)輸船總布置方面的基本特征之一，因此對于船舶的布置有著諸多限制。通過對甲板下方壓載水艙透氣帽的特殊布置，采用包括可拆卸式、專用管隧和雙層甲板等不同的設(shè)計(jì)形式，可達(dá)到全通無障礙的目的。其他主要的布置特點(diǎn)包括：載貨甲板區(qū)域所有舾裝設(shè)備均采用嵌入式布置，保證載貨甲板所有區(qū)域無障礙；甲板設(shè)計(jì)載荷大，增加板厚以適合裝卸貨物在甲板上反復(fù)焊接和切割；首尾的通道連接主機(jī)艙、輔機(jī)艙、舵機(jī)艙和泵艙等艙室，一般設(shè)置1～2條貫穿首尾的縱向通道。

壓載管系設(shè)計(jì)需要滿足復(fù)雜的壓載工況調(diào)整。由于管系繁多，故在布置上需要考慮管系聯(lián)通對于破損穩(wěn)性的影響，盡量通過合理布置和走向控制，解決相互聯(lián)通帶來的穩(wěn)性問題。

在推進(jìn)系統(tǒng)布置方面，因船寬大、吃水小，故多采用雙機(jī)、雙槳、雙舵設(shè)計(jì)，有利于操縱性能。首部一般設(shè)置有1～2個(gè)首側(cè)推，尾部根據(jù)使用要求，適當(dāng)增設(shè)尾側(cè)推。如有動(dòng)力定位要求，首部還會(huì)考慮設(shè)置可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。

甲板運(yùn)輸船典型布置側(cè)視圖如圖3所示。

圖3 甲板運(yùn)輸船典型布置側(cè)視圖

1.5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

從船型特點(diǎn)來看，甲板運(yùn)輸船具有開敞無障礙貨物甲板，沒有貨艙開口，縱向結(jié)構(gòu)具有良好的完整性和連續(xù)性，易于滿足總縱強(qiáng)度要求。不過，由于裝載的大件貨物具有質(zhì)量大、形狀不規(guī)則等特點(diǎn)，因此確定甲板載荷比常規(guī)船舶更復(fù)雜，在設(shè)計(jì)初期需要與船東一起對貨物質(zhì)量、大小、運(yùn)輸車輛的自重、工作載荷以及輪印大小、軸間距等信息進(jìn)行溝通確認(rèn)。綜合貨物屬性、裝卸方式和裝卸設(shè)備等因素，合理地進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)布置非常關(guān)鍵。

在結(jié)構(gòu)布置方面（如主要支撐艙壁的位置、縱骨間距等）要充分考慮上述信息。在計(jì)算工況的選擇方面，碼頭工況要考慮滾裝和滑裝兩種不同的裝載工況，根據(jù)裝載的步驟來設(shè)計(jì)。航行工況的選擇則要根據(jù)不同的貨物質(zhì)量、形狀和裝載位置，按照不同的甲板載荷類型來加載。所以，設(shè)計(jì)初期綜合貨物屬性、裝卸方式和裝卸設(shè)備等因素，合理布置全船結(jié)構(gòu)構(gòu)件非常關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)是壓載管系穿過艙壁對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。貨物甲板下方大量壓載管需要穿過主要的支撐艙壁，壓載管系布置較為復(fù)雜。支管多且口徑大，需要在主要支撐艙壁大量開孔，在高應(yīng)力區(qū)會(huì)對局部強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。因此，在設(shè)計(jì)初期首先應(yīng)對壓載管系進(jìn)行合理布置，并且在有限元建模分析中充分考慮開孔對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響；然后合理選擇穿艙位置，使管系避開應(yīng)力集中區(qū)域，并能均勻地進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)；最后在開孔位置進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)（包括采用雙面扁鋼加強(qiáng)，兩根扶強(qiáng)材之間增加扁鋼等方式），對局部強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償。此外，對于直徑超過200 mm的開孔，均應(yīng)在結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)識出來，并在有限元分析模型中體現(xiàn)。如果按常規(guī)船舶設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段才開始考慮管系布置對結(jié)構(gòu)的影響，則有可能造成已建分段的返工以及鋼板的重新訂貨等問題，不僅影響工期和成本，甚至影響船舶的最終安全。

1.6 壓載系統(tǒng)

甲板運(yùn)輸船的壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)除考慮常規(guī)船舶浮態(tài)調(diào)整和尾部螺旋槳浸沒的要求外，碼頭裝卸貨時(shí)對壓載水水量和調(diào)節(jié)速度兩方面的能力是衡量船舶性能指標(biāo)之一，也是該船型的主要特點(diǎn)。為滿足裝卸貨特殊功能要求，壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)極其復(fù)雜。一般采用多個(gè)壓載泵艙的布置形式，同時(shí)具有兩套以上的壓載主管路，每個(gè)管路都有獨(dú)立的海水閥箱，不同主管路形成循環(huán)聯(lián)通，可根據(jù)需求進(jìn)行快速、靈活調(diào)載。

圖4為甲板運(yùn)輸船壓載系統(tǒng)原理圖。

圖4 甲板運(yùn)輸船壓載系統(tǒng)原理圖

甲板運(yùn)輸船壓載系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：

（1）艙室數(shù)量多

均勻布置大量壓載水艙，在裝卸貨物時(shí)根據(jù)載貨甲板與碼頭匹配情況對船舶吃水和橫傾狀態(tài)進(jìn)行大范圍調(diào)整。一艘2萬噸級的甲板運(yùn)輸船，壓載艙數(shù)量約為50個(gè)。

（2）管路設(shè)計(jì)復(fù)雜

除配置常規(guī)的壓載系統(tǒng)外，為防止船舶進(jìn)行滾裝或滑裝作業(yè)時(shí)產(chǎn)生快速橫傾和縱傾，甲板運(yùn)輸船的壓載系統(tǒng)還設(shè)計(jì)成任意兩個(gè)壓載艙直接駁運(yùn)，實(shí)現(xiàn)快速操作、靈活多變的調(diào)載。

（3）容量大

全船一般會(huì)設(shè)置3～4臺壓載泵，每臺容量2 500～3 000 m3/h，壓載系統(tǒng)主管管徑最大設(shè)計(jì)為DN1000，多臺壓載泵可同時(shí)進(jìn)行排壓載作業(yè)。

（4）控制復(fù)雜

首先是壓載艙數(shù)量多，壓載艙之間可以相互駁運(yùn)，整船的壓載遙控閥數(shù)量多；其次是壓載泵數(shù)量多，壓載管系復(fù)雜。每個(gè)艙都具備多種排載方案，全船壓載系統(tǒng)控制較為復(fù)雜。

兩種船型壓載系統(tǒng)參數(shù)比較參見表2。

表2 兩種船型壓載系統(tǒng)參數(shù)比較

1.7 透氣、溢流系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)無障礙全通形式的載貨甲板，壓載艙的透氣溢流管不能直接布置在載貨甲板上，必須采用特殊設(shè)計(jì)形式，解決方式主要包括以下四種：

（1）雙層甲板設(shè)計(jì)

壓載艙的空氣頭布置在雙層甲板之間。為避免壓載艙內(nèi)的海水溢流到這個(gè)中間夾層，壓載艙額外設(shè)置一套溢流管管路，同時(shí)空氣頭選用壓載艙溢流關(guān)閉式。

（2）集中管隧設(shè)計(jì)

壓載艙的空氣頭集中布置在管道中，再由管道與首部開敞區(qū)域相連接，達(dá)到透氣的目的。同時(shí)在船舶首尾適合區(qū)域設(shè)置適當(dāng)?shù)囊缌髋摚允占缌鞴芰鞒龅膲狠d水。這樣不僅有利于節(jié)約布置空間，還可大幅減少溢流管的布置。

（3）獨(dú)立式設(shè)計(jì)

將每個(gè)壓載艙的透氣溢流管分別布置在首部區(qū)域（載貨甲板靠近居住艙室處所），在排壓載過程中無需控制，但因布置空間大、管系多，施工難度增加。

（4）可拆式設(shè)計(jì)

每個(gè)壓載艙內(nèi)的透氣溢流管直接布置在甲板舷側(cè)位置，并選用可拆卸式的透氣溢流帽，在裝卸貨時(shí)將其移除。該方式布置簡單，但后期操作較為復(fù)雜，需要投入大量人力和時(shí)間，不利于快速作業(yè)的要求。

1.8 推進(jìn)系統(tǒng)

甲板運(yùn)輸船淺吃水、大型寬的特點(diǎn)決定了該船型的航向穩(wěn)定性較差，而在營運(yùn)過程中又要求其具有較好的操縱性能，所以通常采用雙機(jī)雙槳設(shè)計(jì)。目前商船在推進(jìn)方式通常有兩種選擇：常規(guī)柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)推進(jìn)方式或者電力驅(qū)動(dòng)推進(jìn)方式，兩種方式在技術(shù)上都已非常成熟。在投資成本上，電力推進(jìn)方式比常規(guī)推進(jìn)方式昂貴不少；但是在布置方面，前者卻具有明顯優(yōu)勢。首先，采用多臺柴油發(fā)電機(jī)較之于柴油低速主機(jī)，體積小、布置方便，適合型深小的船型；其次，除發(fā)電機(jī)需要布置在船首的機(jī)艙內(nèi)，變頻器、變壓器和電動(dòng)機(jī)等通過主干電纜連接，均可靈活布置于船尾。此外，電力推進(jìn)還可以提高船舶的操縱性能，減小噪聲和振動(dòng)，因此，采用電力推進(jìn)方式更為合適。

2 結(jié) 論

甲板運(yùn)輸船將在大型基礎(chǔ)設(shè)施和工廠的建設(shè)、油氣田的開發(fā)等工業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)承擔(dān)中間產(chǎn)品運(yùn)輸任務(wù)。本文通過介紹該船型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為類似船型總體設(shè)計(jì)提供參考。不過，后期將面臨如何實(shí)現(xiàn)全通無障礙型載貨甲板的功能，如何實(shí)現(xiàn)載貨尺寸最大化并且提高貨物在碼頭的裝卸效率，以及優(yōu)化型線設(shè)計(jì)和壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多挑戰(zhàn)。這也是總體設(shè)計(jì)人員將面臨的一個(gè)重要難題。