樊红元，杨 博，徐宜兵

(上海船舶设计研究院，上海 201203)

0 引 言

重型起重机多用途船揽货能力较强，尤其适合成套大型工程设备的运输[1]，并具有较强的市场适应能力。为适应垂直装载超高超重工程设备，敞口(无舱盖)多用途船的概念随之产生[2]。国际海事组织(IMO)对敞口船的规定仅为针对集装箱船的《敞口集装箱船检验暂行导则》(简称《暂行导则》)[3]，多用途船无相应的规范作为设计依据。业内实船建造的敞口多用途船多数入级挪威船级社(DNV)，具体审图检验依据参照《暂行导则》和船旗国主管当局要求及船级社针对敞口多用途船具体特点的一些特殊要求。为适应市场需求，DNV于2017年推出针对多用途船的附加船级符号“Hatchcoverless”，明确敞口多用途船设计规范，为业界敞口多用船研发设计提供依据。在此基础上，项目组对12 500 t重型起重机多用途船优化升级，开发12 500 t重型起重机敞口多用途船，增加敞口功能，提高船舶装载灵活性，增强揽货能力。

1 船型概况

该型船主尺度：总长，147.00 m；型宽，22.80 m；结构吃水，8.18 m；敞口吃水，7.00 m。该型船具有无限航区，主要用于长大件、超高件和重货运输，并可运输常规货物，如集装箱、散货和危险品等；绿色环保，无人机舱；配备MAN G型超长冲程柴油发动机、艏侧推进器、大直径高效定距桨；前倾艏柱加球鼻艏和方艉，驾驶室、起居处所和机舱位于艉部，设置艏楼和艉楼；上甲板为连续甲板，设置2个箱形结构货舱，货舱内底载荷为18.0 t/m2，第一货舱长为12.75 m，第二货舱长为76.50 m；第一货舱配备1对液压折叠式舱盖，第二货舱配备4对液压折叠式舱盖和1对吊离式舱盖组合；上甲板配备2台起重能力为250 t的重型起重机，联吊能力可达500 t。该型船配置2层活动式货舱二甲板，甲板可比货舱多装2列集装箱。

2 总体布置

该型船总体布置如图1所示。

图1 总体布置

货舱是船舶揽货能力的体现，方便装卸货，可装载长大件重货是该型船一大特色[4]。货舱开口尺寸和货舱底部相同，货物装载无盲区。第二货舱适合在舱内装载长大件重货，无舱盖设计可装载超高件。活动二甲板可用作移动横舱壁，根据需要将货舱分为2个或多个区域，使运载形式更加灵活。内底和舱壁无凸出设计可避免货损，便于装货。第一货舱配备的吊离式舱盖不仅可使用起重机操作吊离，而且可沿舱口围由电机驱动前后移动。很多大件，例如风车叶片和塔式起重机等，可直接放在舱盖上面运输。舱盖面积越大，装货越方便，经济效益越好。在通常设计下，舱盖外侧与舷边存在一定距离，该型船为充分利用边舱上方面积，在舱盖与舷侧之间设计载货平台，平台上表面与舱盖齐平，以此增加甲板载货面积。该型船配备货舱二甲板，在货舱内有2个高度位置。在水平搁置时货舱分为上下层，便于装运各种杂货。在作为移动横舱壁时共有4个位置，可将货舱沿船长方向分为不同区域，便于货物分票。在用于装载谷物时可有效降低谷物倾侧力矩，改善稳性。货舱二甲板具有多个存放位置，可存放在上层建筑前方、货舱舱盖上面、第一货舱内和第二货舱首部，这样可用于调节船舶浮态及船舶稳性，一举多得。

该型船左舷配备2台250 t能力的重型起重机，满足联吊距舷侧11.00 m位置处500 t货物的要求，整个起吊过程无浮箱平衡。重型起重机布置主要考虑如下问题：(1)吊臂覆盖集装箱、货舱二甲板和吊梁的位置；(2)在联吊时应考虑长大件货物的回转空间需求；(3)吊臂的托架布置，并核实舱盖打开是否相碰；(4)吊臂存放与货舱二甲板存放位置协调；(5)主钩存放方式。

3 敞口设计

3.1 敞口状态的吃水

船舶所有人提供的目标货物电缆卷车质量为1 205 t，长度为24.10 m，宽度为10.75 m，高度为26.60 m，货物重心为13.30 m。第二货舱敞口装载2个电缆卷车，如图2所示；第一货舱空。选用该工况作为基本工况，根据计算结果，7.00 m初步作为敞口吃水。需要通过耐波性模型试验、完整稳性计算和破损稳性计算确定7.00 m吃水下的干舷是否满足要求，需要校核7.00 m敞口吃水下的结构强度。

图2 电缆卷车装载示例

3.2 完整稳性和强度

船舶所有装载工况除满足IMO完整稳性的相关要求外，在满载状态下须假设所有开口货舱浸水至舱顶以上2.00 m，假设海水密度为1.025 t/m3，此时船舶的完整稳性应满足《经修正的1974年国际海上人命安全公约》(简称《SOLAS公约 1974》)第Ⅱ-1章B-1部分《国际航行海船法定检验技术规则》的残存横准(S=1)要求[5]。该型船的残存横准计算结果如表1所示，满足要求。

表1 残存衡准计算结果

强度是指完整浸水状态下的总纵和局部强度。完整浸水状态是指最不利的浸水情况，是一项重要的安全标准和设计原则[5]。规范要求满载加所有开口货舱浸水至舱顶以上2.00 m或浸水至排水舷口下沿，校核总纵强度和局部强度。由于规范要求浸水量不大，因此第二货舱浸水2.00 m工况和总纵弯矩与剪力低于设计吃水下的均质货物工况不需要额外考虑结构加强。

3.3 破损稳性

破损稳性是该型船难点之一。第二货舱超船长一半，货舱净开口17.60 m，占型宽77%。在发生破损后，第二货舱进水量较大，对概率破损稳性[6]提出较高要求。考虑典型装载工况的纵倾，按照《SOLAS公约 2009》要求，采取各种措施提高达到的分舱因数A值[7]，最大限度降低破损稳性对非敞口状态装载工况的极限初稳心高度hGM的影响。

敞口状态需要满足《SOLAS公约》破损稳性要求，部分吃水和敞口吃水下的货舱渗透率取0.90[8]，轻载营运吃水下的货舱渗透率取0.95，该要求高于非敞口状态。考虑敞口吃水较小，压载水裕量较大，可用于调纵倾，因此仅考虑平浮状态，无附加纵倾，以减少模型试验成本，并可满足营运要求。两舷A值均大于要求的分舱因数R值，敞口破损稳性计算结果如表2所示。

表2 敞口破损稳性计算结果

3.4 敞口耐波性模型试验

试验采用的波谱为JONSWAP谱，对于仅在限定海域营运的船舶，船级社允许采用其他波谱。根据规范要求，试验应在长峰不规则波中进行，应营造在最不利波浪周期情况下有义波高为8.50 m的波浪，由风引起海水飞溅的影响不用考虑。

试验的5个浪向为：随浪(0°/360°)；尾斜浪(45°/315°)；横浪(90°/270°)；首斜浪(135°/225°)；迎浪(180°)。至少应进行3个速度的模型试验：(1)首斜浪和迎浪中的最大持续船速；(2)随浪和尾斜浪中的最小操纵船速；(3)横浪中的零速(瘫船状态)。

船级社要求模型试验应采用自航无约束模型进行，航向不动，试验时间应至少对应实船时间1 h。模型试验的吃水取敞口吃水7.00 m。完整稳性和破损稳性确定最小的hGM值，与最不利波浪周期共振的hGM值进行比较，取两者中的大值作为最终的hGM值，此时在横摇时敞口货舱上浪进水量最大。在每个航次结束后，均将舱内上浪进水全部抽出并测量其体积，以排除试验过程中的积水对初稳心高度、惯性矩和排水量产生明显影响，同时记录船舶运动、航速、相对运动和舵角等数据。

为进一步减少上浪采取如下措施：(1)第一货舱常规设计，在敞口航行时货舱盖关闭；(2)艏部设置挡浪罩；(3)为减少迎浪工况和上浪进水，创造性地在挡浪罩上面额外增加1个挡浪板，如图3所示。

图3 新增挡浪板

船级社规范要求模型试验测得的敞口货舱每小时最大上浪进水量不超过敞口面积乘以400 mm/h。进水测量试验结果如表3所示，满足规范要求。结合完整稳性、强度和破损计算，该型船敞口吃水7.00 m选取合理，满足规范和实际营运需求。

3.5 敞口货舱的舱底水系统

规范要求舱底水系统应具备足够的排水能力，可排放如下5项中的较大者：(1)由模型试验结果确定航行状态下的每小时货舱最大上浪量；(2)不考虑防雨棚，100 mm/h的降雨量；(3)模型在横浪瘫船状态下耐波性试验所测得的每小时货舱上浪量乘以安全因数2；(4)最大敞口货舱内的消防所需要水量的133%；(5)相当于封闭货舱所需要的排量。应至少有3台舱底泵可用于排放货舱舱底水，在该类泵中至少有1台应具备不小于上述所要求的排量，至少有2台泵的组合排量不小于上述所要求的排量。结合表3，该型船配置1台500 m3/h应急舱底泵，2台450 m3/h压载泵兼舱底泵，满足规范要求。

表3 进水测量试验结果 mm/h

4 节能环保措施

(1)型线优化，艏部全参数化建模用于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析，3%以上收益；进行基于Operation Profile软件的多工况优化，兼顾常用工况快速性；德国汉堡水池(HSVA)评估结果优秀；丹麦力量科技(FORCE Technology)水池验证，船舶所有人高度评价。

(2)主机油耗低，选用MAN G型主机，最终日油耗约15.9 t/d。

(3)按照DNV的“CLEAN”和“SCRUBBER READY”等环保符号设计，满足硫氧化物(SOx)排放要求，配压载处理装置，并保留压载水溢流，满足《压载水管理及压载水管理计划编制指南(G4)：MEPC.306(73)》的应急措施要求，编制满足欧盟有害物质清单(Inventory of Hazardous Material，IHM)要求；能效设计指数(EEDI)满足Phase Ⅲ要求，能效指标先进。

(4)大胆采用节能技术，例如变频泵和变频风机。在海水冷却系统中，主海水冷却泵采用变频控制，可通过对海水温度和低温冷却淡水温度的监测，利用变频技术控制主海水冷却泵电机转速，降低消耗功率，达到节能目的。在机舱通风系统中，机舱风机采用变频控制，通过监测外界环境温度和机舱内温度，利用变频技术控制风机转速，降低消耗功率，达到节能目的。

(5)该型船使用箱式冷却器，管路单一，系统简单，效率较高[9]。

5 结 语

项目组研究某型节能环保重型起重机敞口多用途船，性能指标优秀，揽货能力强，尤其适合长大件重货运输。在总体布置方面，在第二货舱舱盖与舷侧之间设计载货平台，其载荷与相同区域的货舱盖相同，上表面平整，无任何凸出物，可实现超大工程设备的不拆解运输。考虑敞口航行的实际营运工况确定敞口状态的吃水为7.00 m，根据DNV规范校核敞口状态下的完整稳性、破损稳性和总纵强度，并通过敞口耐波性模型试验证明敞口状态吃水确定为7.00 m是合适的。为保证敞口航行安全，根据规范配备足够排水能力的舱底水系统。