黄 杰

(上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155)



6 600 TEU集装箱船球鼻艏的优化方法

黄 杰

(上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155)

基于适合集装箱高速航行的球鼻艏在低速航行时减阻效果差的问题, 对6 600 TEU集装箱船球鼻艏进行了优化。优化后的球鼻艏形状为尖瘦形,低速航行时能有效降低兴波阻力,节能效果明显。

集装箱船；球鼻艏；兴波阻力；节能减排

0 引言

集装箱船舶球鼻艏的作用是使球艏产生的兴波与船体产生的兴波相抵消，从而达到降低兴波阻力的目的。但球鼻艏只在设计航速下产生正效应，即船舶只有在设计航速下航行时，球鼻艏才能有效地降低兴波阻力，否则阻力更大。

航运公司为达到节能减排的目的，可以采取多种措施，如更换主机，在螺旋桨前安装导流罩，水线以下油漆使用有机硅，低速航行等，低速航行是其中非常有效的手段之一。低速航行时要求的航速为15～18 kn，而适合于高速航行的球鼻艏在低速航行状态下不仅不能降低阻力，甚至会增加阻力，因此必须对原球鼻艏进行优化，以适应低速航行。

本文对上海华润大东船务工程有限公司承建完工的63条球鼻艏改装工程中比较具有代表性的6 600 TEU集装箱船进行研究。首先分析了新旧球鼻艏的特性，其次完成了新球鼻艏的生产设计，最终确定了球鼻艏进出坞的方案设计。

1 新旧球鼻艏特性分析

6 600 TEU集装箱船主要参数为：船长301 m，船宽40 m，型深24.6 m，设计吃水12.0 m，设计航速25.0 kn。船东综合运营数据，发现船舶航速在15.6 kn时能够收到较好的经济效益，要求设计公司在此条件下对球鼻艏线型进行优化。优化后的球鼻艏与原球鼻艏相比，在宽度方向上的曲率有很大的改变。原船的设计航速是25 kn，在此航速下，其球艏必须比较圆润才能使其产生作用，这样可以保证低压区的存在，且与水面距离适中。当航速降低之后，艏部兴波情况就会发生改变，此时适合高航速的圆润型球鼻艏将会产生较大的兴波，还会对艉部流场产生较大的影响，反而起到负作用。如果优化球鼻艏宽度方向的曲率，由圆润形改为尖瘦形，并使球鼻艏端部降低，长度增长，就会使船舶在低速航行时的阻力性能明显得到改进。

1.1 新旧球鼻艏直观对比

图1为某公司3种型号球鼻艏外形直观对比。图中，在低速航行(15 kn)状态下，A形式的球鼻艏节能效果最好，B形式的球鼻艏(原船型号)效果次之，而C形式的球鼻艏效果最差。

1.2 新旧球鼻艏线形对比

新旧球鼻艏线形对比如图2所示。通过图2看出，相对于原船，优化后的球鼻艏线形有了很大的改变，宽度方向更瘦削，艏端更低，长度更长。

1.3 优化后的球鼻艏性能

球鼻艏优化后的船舶不适合高速航行，却能够在低速航行时显著改善降低兴波阻力及艉部的流场情况。关于这些效果，可以从以下几项实验计算所得到的结果中看到。

(1)当航速为19.0 kn时，吃水分别为9.0 m和12.0 m时的波浪状况如图3、图4所示。

(2)航速16 kn时的波形状况如图5所示，航速25 kn时的波形状况如图6所示。

从图3、图4可以看出，当吃水为9 m和12 m时，采用优化球鼻艏的船舶，其艏艉的波浪高度明显低于优化前的船舶，从而有效地降低兴波阻力；从图5、图6可以看出，在9 m和12 m吃水状态下，航速为25 kn时的艏部波形比航速为16 kn时的更尖锐、瘦削，且高航速时的艉部兴波很大，而在低航速时艉部几乎无兴波。

(3)图7表示吃水在9、12、13.5 m时，船体阻力与船舶航速的关系曲线。从图7可以看出，船体阻力随着航速的增加而增大，特别是在20 kn以后，增速显著加大；图8表示在4种吃水状态下船舶航速与燃油节省的关系曲线。图8中，随着航速的增加，燃油节省效果越来越不理想。燃油节省效果与装载状况和航行速度密切相关。

(4)低速航速时，球鼻艏优化前后的燃油节省率分别见表1和表2。

表1 低速航行下球鼻艏优化前燃油节省率

表2 低速航行下球鼻艏优化后燃油节省率

从图3～图8以及表1和表2所得实船航行数据研究发现，低速航行对节能减排的效果是非常明显的。原型船在低速航行时可以达到3.8%的节能效果，而目标船采用优化后的球鼻艏之后能够达到5.9%的节能效果。但是原型船要达到表中所示节能效果，必须采用最佳纵倾方式，而最佳的纵倾位置一般在艏倾2 m处。要调节到纵倾位置须打入大量的压载水，但又不能保证所有的倾斜状态能调整到艏倾2 m。采用优化后的球鼻艏目标船，进行很小的浮态调整就可以达到甚至超过原型船最佳纵倾时的效果，从而避免了频繁调节浮态所带来的人力、财力、物力的消耗，且优化后的船舶如果再配合浮态调整，那么节能效果可以达到8%～13%。

2 新球鼻艏的生产设计和施工

2.1 生产设计

根据实验数据以及设计任务书，首先进行线形设计和结构设计，然后根据设计图纸进行生产设计，绘制施工图，光顺线型，外板放样，准备板材，加工制作样箱样板等一系列工作。在进行生产设计时必须注意以下几点：

(1)要根据准备的板材状况认真确定板缝位置，尽可能提高板材利用率。

(2)要特别注意艏柱板转圆弧位置的节点处理，此处零件加工难度较大。要综合考虑公司的加工能力，现场装配难易，施工人员施工方便性。

(3)要特别注意焊接节点的要求，以保证满足相关规范，保证船体密性与强度；要特别注意分段划分方式，综合考虑公司场地、起吊能力、施工精度控制的难易来划分分段。目前，施工时将球鼻艏分段在中间平台处划分为上下2个分段，上分段正造，下分段借助平台反造。

(4)要特别注意重量重心的计算准确度，以便正确确定吊环的大小和位置。

(5)要特别注意进出坞的方案确定，尽可能节省宝贵的坞期。

(6)要注意分段总组时支撑的高度与姿态控制，确定高度时要综合考虑所进船坞的坞墩高度和分段进坞合拢所使用的工装件高度。一般分段上口合拢缝处要与原船保留150～200 mm的空档。

(7)分段总组时的姿态须高度竖直，水平度良好，不能有纵倾、横倾、横摇的情况，否则坞内合拢时将花费很大的人力物力，最重要的是要浪费紧张的坞期，很难将其顺利调整到位。

2.2 施工注意事项

由于新制球鼻艏的线型与设计线型是否相符，直接影响到改装后船舶节能减排的效果，所以制作球鼻艏分段时，外板线形必须优先保证；严格控制分段制作周期，保证船舶在进厂之前完成分段的油漆喷涂及合拢工作；分段制作时，尤其要保证大合拢环形对接缝以及上口水平对接缝与原船的吻合度，相差太大会直接影响改装周期；所有工装件，包括吊环、支撑位置与高度、材料规格必须严格按照图纸施工；船舶进厂后，如果是先靠泊码头，可以在进坞之前在合拢缝位置对大部分结构进行切割，适当在靠后位置保留1～2道强框架，在上部保留1层平台即可。拆除原球鼻艏的吊环在此时也可以装配焊接到位，这样可以节省半天以上的坞期。

2.3 施工工艺流程

(1)根据设计图纸绘制施工图，放样下料加工。加工时外板线形曲率要保证满足精度要求，减少分段制作阶段的装配工作量。

(2)施工队伍按照施工图纸制作分段，完成后送喷涂房进行油漆作业。

(3)在船舶进厂前完成分段的总组。

(4)船舶进厂后，根据图纸对内部结构可以提前进行划线切割，拆旧用吊环安装到位，以减少坞内工作量。

(5)船舶进坞后，精度管理人员对外板环缝进行精准划线，拆旧用托架牵引到正确位置，安装支撑管子等工装件。切割完成后，将原球艏拉离现场。

(6)将拆除原球鼻艏的施工流程反向操作一遍，完成新制球艏的安装。拆除马板以及管子支撑，进行油漆修补等作业，整个球鼻艏改装工程完成。

3 球鼻艏进出坞方案设计

目前，本文介绍的进出坞方案通常采用4～6部牵引小车沿着预先铺设的轨道，将分段牵引至指定的位置。采用此方案对球鼻艏进行改装，从船舶进坞开始划线到钢结构工程结构性完工报验结束，一般可将周期控制在5 d之内。

4 结语

节能减排是全球各个行业的大趋势。集装箱船球鼻艏改装经历了2013年底到2016年中的一段高潮之后，受到国际油价的低位震荡，改装后的经济效益已经没有前几年那般明显。但是节能减排不仅能够降低成本，对控制二氧化碳的排放也是至关重要的，所以球鼻艏改装工程还有很大的市场潜力。

[1] 王中，卢晓平. 水面舰船加装减阻节能球鼻艏研究[J]. 水动力学研究与进展，2006，21(6)：789-795.

2017-02-07

黄杰(1986—)，男，工程师，主要从事船舶修理与设计工作。

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