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集装箱船到底可以造多大?

作者:佚名  来源:船舶商务网  浏览量:1990  时间:2015/3/12 21:02:51

船舶商务网:

近年来集装箱船尺寸的增大超乎想象。该趋势会否继续?或是超过某极限值船舶并发生断裂?必须从专业角度认真探讨这个问题。

对于单箱边际收益的追逐推动着集装箱船的大型化趋势,以致超巴拿马型集装箱船的设计获得巨大成功。目前载箱量达到19000 TEU的船舶已经投入营运,20000 TEU型船建造合同已经签订,更大型集装箱船正在研发中。

这些庞然大物的尺寸令人震惊,更大船舶将接踵而至。近几年来,集装箱船尺寸的增大超乎想象。这个趋势会否继续?或是超过某极限值船舶并发生断裂?我们必须从专业角度认真探讨这个问题。答案的复杂程度远超问题本身,首先,由于一些现实因素,今天的巨轮只能在特定航线营运,如巴拿马运河目前和未来的船闸宽度、南美港口的吃水和对船长的限制以及纽约港口的空高限制等;其次,当市场出现对20000 TEU以上型船需求时,技术上的挑战依然存在,特别是来自船体上部最大钢板厚度的挑战。在特定的限值范围内,目前的设计可以加长或加宽,其他扩大方案需要创新布局。故在尝试建造更大型集装箱船前,必须考量若干项物理标准,而极限值的设定须多次深入调研才可确定。

日前,《航运交易公报》记者采访DNV GL全球业务总监杨欧乐(Jan-Olaf Probst)。作为船型特别是集装箱船型研究专家,杨欧乐对大型集装箱船的技术、运营以及发展有着深入的思考,这正是基于DNV GL合并后在集装箱船领域的超凡实力。去年,全球签约订造的集装箱船,按艘数计48.2%入级DNV GL,按吨位计则有57.5%入级DNV GL;全球目前所有正在营运的集装箱船,按艘数计42.9%入级DNV GL,按吨位计则有43.1%入级DNV GL。目前,DNV GL合并后的集装箱船共同规范将在4月份进行业界聆听和意见听证活动,7月1日预计可以公布,有望在明年1月1日生效。

已有设计与试验

杨欧乐向《航运交易公报》记者展示了目前市场上18000TEU及以上型船的4种设计。比较4种设计方案中涉及的船舶主要尺寸,实际上大同小异。船舶总长控制在400米之内,型宽控制在60米之内,设计吃水在14.5米之内,结构吃水均在16米(见表1)。

杨欧乐表示,18000TEU及以上型船通常都是双岛型设计。烟囱后部布置4排40尺箱;机舱与甲板室之间区域布置5个2×40尺箱堆垛的货舱;货舱布置12层标准箱或11层高箱,舱面上布置10层。杨欧乐强调:“这种布置适用于使用单发动机的船舶,可以说双岛型设计对大型集装箱船可装载能力提升产生了积极影响。”

所谓双岛型设计,就是驾驶室和居住区位于船舶前部,机舱位于船舶后部,燃油舱布置在居住区下方(常规集装箱船驾驶室和机舱位于船舶后部)。驾驶室位于前部,大幅度改善视线,且与居住区布置在机舱上方的方案比较,该方案船首区域的集装箱装载量可增加5%~6%,居住区噪声和振动水平也较低。因为驾驶室与机舱分离,相当于在船体增加一个横向支撑,可改善船体的扭转强度,减少船体重量。

从18200TEU、19450TEU、20400TEU、21360TEU以及22410TEU5种船型来看,基本上还是处于常规的集装箱堆垛行/列布局,调整幅度并不大(见表2)。杨欧乐表示:“前两种船型目前已经投入市场运营,对后3种船型,DNV GL也进行过测试,是可行的设计。”

杨欧乐表示:“若不改变现有的典型箱船的结构布置,钢板强度在现有条件上,只能做到22400TEU。若要达到24000TEU以上,必须在结构布局上有创新。”换句话说,目前由于技术条件限制,船长限制在400米、载箱量限制在22400TEU,但未来这一情况有可能被突破。

重要技术尺寸

参数1: 船长

标准集装箱长度决定了船体加长的级差以及对货舱间隙和典型横舱壁宽度的影响,而箱船U型敞开式横截面致使船体上部钢板受到影响。在18000 TEU型船上,船体上部板材厚度为80~95 毫米。高强钢板厚度存在技术极限值,同时底部区域的总体强度限制了470 N/mm2钢的使用。

假设18000 TEU型船仅配备1台主机,烟囱后方布置4行40尺箱,烟囱与甲板室之间布置11行40尺箱,可行的加长方案为在机舱前方增加1行40尺箱,加上机舱上方的小型货舱能形成1个包含两项标准40尺箱的货舱,该方案将使船舶拥有25行40尺箱以及411.5米的总长。杨欧乐表示:“这个长度通过标准布置能够实现,但若超出这个长度,就必须研究开发创新横截面布置。但是需要提醒的是,该尺寸船舶可能无法在某些港口停泊或者转向,因为造船企业显然还受制于港口限令、回船尺度以及码头长度等。”

参数2: 船宽

对于目前的降速航行船舶,过去因考虑发动机功率而限制船宽将不再是问题,新的长宽比已经切实可行。许多造船企业开始建造可以保证相同标箱量的短宽型船舶,此举能降低建造成本,这是考虑当今成本压力的重要因素。

标准集装箱尺度、导轨和间隙决定了船体加宽的差值:2.5米。从强度角度看,船体加宽对波浪弯矩和静水弯矩的影响是线性的。换言之,对目前的设计进行加宽对总纵强度的影响比船舶加长小得多。此外,船体加宽能增加的标箱量多于船体加长。

然而也有不利因素,即船体加宽会加重船舶两舷沿不同纵向方向的翘曲变形,这将加剧舱口盖的移动,导致支撑垫磨损,增加维护成本或要求高强度舱口盖。此外,翘曲变形会影响货舱内以及舱口盖上方集装箱与绑扎桥之间的相互作用。为控制这种影响,设计人员将甲板室移至前方区域,使甲板室下方形成封闭强力结构,最后产生双岛式设计。与目前的加长设计相比,加宽方案从强度角度而言更有可行性。

作用于集装箱船的横摇与横向加速度取决于船宽,它们会对绑扎设备允许载荷以及船桥甲板上的人员产生影响。故设计人员增加绑扎桥的高度,允许高层堆垛较重集装箱或者减少横摇产生的横向力对低层集装箱造成的横向扭变载荷,增加船宽意味着标称箱量将与实际载箱量不同。另外,某些集装箱码头的桥吊只可外延60米,这是当前加宽设计前必须考虑的因素,特别是部署大型集装箱船的亚欧航线。

参数3: 船深

船深取决于货舱箱数、舱口盖高度以及顶层集装箱与舱口盖底边之间的距离。此外,上层甲板与舱口盖顶之间至少2米高的通道必须保持畅通。通常有两种可行的集装箱布置方案:10层高箱,总高28.96米,或11层标准箱,总高28.5米。最终高度差异仅为459毫米,这意味着大部分设计货舱都能容纳10层高箱。

根据ISO 1496/1,货舱底层集装箱允许堆垛192吨(基于最大垂直加速度1.8g),等同于40尺箱平均重量为31吨,或者当堆载是11层时,平均重量为28吨,相当于典型的14吨均箱装载工况。然而,此装载工况是船东与造船企业之间订立合同的关键内容。造船企业和设计人员在增加货舱层数或者船深时常常犹豫不决,因为这会导致货舱最大集装箱载荷异于14吨最大均箱装载工况。

集装箱船可以分析三种不同的吃水概念:设计、结构和营运吃水。传统上,设计吃水用于航速和载货量等合同条目;结构吃水是所有国际法规和船级社规范的基础;不同的营运吃水用于计算不同装载工况的燃油消耗。13000 TEU型船的设计吃水介于14.0~14.5米,而结构吃水一般为15.5~16.5米。

然而,船体加宽的同时保持其船深和吃水会降低附加干舷值,因此有必要安装防风雨舱口盖,但将导致额外的维护作业和成本。船东应慎重考虑是否需要较大结构吃水,或者是否可以通过较大的方形系数和较小吃水来达到相同载重吨。

参数4: 净空高度

舱口盖上方集装箱数量上限受集装箱强度的限制,与船深相似,主要不同之处在于船舶横摇产生的横向扭变载荷——在货舱内因导轨的存在而无此现象,此影响可以通过较高绑扎桥(目前最高为三层)和不同的堆垛装置消除。多年来,通过1层、2层和3层绑扎桥的分别安装,舱口盖上方集装箱堆垛层数逐步从8层上升到9或10层。必须注意的是,由于底层集装箱强度的限制,堆垛总载荷只能略微增加,但是堆垛的重量分布可以调整。现已有舱口盖上方11层集装箱堆垛设计的船舶等待交付,另一个要素是舱口盖上方集装箱层数将进一步增加甲板室乃至船桥甲板的高度,这将影响横向加速度以及船员的安全,因此有必要安装类似VLCC上采用的指挥位置的保护性结构。

大阪、香港和汉堡港口桥梁的限制、亚欧航线上某些港口桥吊下的净空高度限制也是应纳入考虑范围的限制因素。

 

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