12000 DWT多用途散貨船開發設計

焦宇清

（上海船舶研究設計院,上海 200032）

0 前 言

12000 DWT多用途散貨船是我院為德國船東KREY、BELUGA和BOCKSTIEGEL開發設計的現代新型多用途散貨船，分別在江州、江東和青山三個船廠建造共16艘，其中船東BOCKSTIEGEL的船稍有改型。本船從2001年下半年開始設計，三個船廠分別于2002年5月、12月、2003年3月開工建造，其首制船分別于2004年2月、4月、6月順利交付船東。載重量、航速在內的主要性能指標均達到合同要求，船東對本船型的開發設計表示滿意。

本船型不同于常規散貨船，兼備了散貨船和多用途船的特征，其主要特點是尺度和噸位不大，但是功能多、設備多、布置緊湊、結構復雜，滿足船東多種需要，適合全球航行，并滿足巴拿馬、圣勞倫斯等航道的通航要求。本船的設計，在有限的尺度和空間內，實現了盡可能多的功能，使船東的貨運需要得到了最大程度的滿足，是體現了當代先進設計理念的新型多用途散貨船。

1 開發和設計概況

12000 DWT多用途散貨船是一艘單機單槳、柴油機推進的現代化多用途散貨船，適合于全球航行，用于運載礦砂、煤、谷物、鐵礦砂、礬土、鹽、水泥等散裝貨物，以及集裝箱、鋼卷、雜貨、木材及森林產品、重貨和大件，并適合于裝載危險品。

本船線型設有傾斜船首帶球鼻和方尾，采用可調槳，并設有首側推器，操縱性良好。機艙、起居處所及駕駛室位于尾部，設有完整的尾樓和首樓。上甲板以下從船首到船尾依次設有五道水密橫艙壁將全船分隔成首尖艙、3個貨艙、機艙和尾尖艙。分隔貨艙的水密橫艙壁采用箱形結構，內部設為燃油艙和貨艙通道。貨艙采用大開口雙殼箱形結構，邊艙內設有二甲板，雙層底作重貨加強。其中第二貨艙長達42 m，適于裝載特殊規格的大件貨物。上甲板舷邊設有兩臺起重能力達120 t的克林吊，可以聯吊240 t的重貨。本船設有活動二甲板兼谷物艙壁，便于裝載雜貨和谷物，總布置圖見圖1。

本船按照德國勞氏船級社頒布的現行規范進行設計，除滿足正式簽訂合同時生效的一切國際公約及修正案的要求之外，還滿足巴拿馬運河航行規則、圣勞倫斯航道規則等要求。

本船的主要尺度和參數如下：

圖1 總布置圖

2 主要設計特點

本船合同名稱為散貨船，但除了航速較低，符合散貨船的特征外，其他方面如載運貨物品種、總體分艙布局、貨艙結構形式、甲板舾裝設備等，均具有多用途船的典型特征，這種船型通常被稱為多用途散貨船。因為要兼顧散貨船和多用途船的要求，設計上具有較大難度。本船的主要設計特點是尺度和噸位不大，但是功能多、設備多、布置緊湊、結構復雜，可謂“麻雀雖小、五臟俱全”。在總體布置和性能方面具有如下主要設計特點。

2.1 主尺度和外形尺寸

本船適合全球航行。由于可能經常出入圣勞倫斯航道（見圖2），因此船東要求本船的主尺度及外形輪廓必須滿足圣勞倫斯航道規則的要求。按照規則，船舶的最大寬度不得超過23.8 m，水線以上的高度不得超過35.5 m，船舶任一舷靠閘墻時船殼及上層建筑的任何部分不得超過船閘限界線。本船的主要尺度、克林吊位置和上層建筑高度受到此要求限制。

本船的船寬按照貨艙內裝7列集裝箱，加上適當的邊艙寬度，并不超過圣勞倫斯航道要求確定。型深按照貨艙內裝4層集裝箱其中包括兩層高箱，及適當的雙層底高度確定。

2.2 超長的箱形貨艙

本船的貨艙設計為雙殼大開口箱形貨艙，符合現代多用途散貨船的發展趨勢，同時也充分滿足了船東裝運多種貨物的要求。為了在貨運市場上具有更強的攬貨能力，船東希望本船能夠裝載包括卷筒紙在內的各種貨物，因而要求貨艙內是光滑平整的，沒有臺階和斜角。按照這一要求，我們將貨艙形式設計為箱形貨艙，第一艙和第三艙雙層底適當抬高，同時以適當的線型相配合，避免底部斜角的產生。貨艙內的各種綁扎件、通道門、通風件、固定照明燈具和梯道等均為埋入式的，不突出于艙壁外，保證了貨艙內壁的平整。甲板上設大開口，艙口圍和貨艙尺寸保持一致，便于大件貨物的吊入。

圖2 圣勞倫斯航道船舶尺度方塊圖

本船的三個貨艙不是均勻劃分的，第二艙特別長，達到42 m，這是船東的特別要求，也是本船最主要的設計特點之一。這樣長的貨艙，即使在更大尺度的船上也很少見，比如七到八萬噸級的巴拿馬型散貨船，其貨艙長度通常也只有三十多米。超長的貨艙使得船東能夠裝運特殊規格的超大貨物，成為其在航運市場上引以自豪的一大優勢。超長貨艙對船體性能特別是破艙穩性會帶來不利影響，我們采取了合理有效的補償措施加以改善（見3.11）。

2.3 活動二甲板兼谷物艙壁

為了便于裝運多種貨物，本船的設計采用了活動二甲板兼谷物艙壁。該二甲板為調離式，水平擱置在貨艙內時將貨艙上下分隔，便于裝運各種雜貨。二甲板在第一、第三艙內設有一個高度位置，其高度適合在其下方裝載兩層集裝箱；在第二艙內按照船東要求設有三個不同高度位置，便于裝載不同高度的雜貨，進一步提高了使用上的靈活性。二甲板也可垂直放置在第二艙內做谷物艙壁，將42 m長的貨艙縱向分隔成三個小艙，按照需要靈活裝載谷物。由于一個大艙被分隔成三個小艙，減小了谷物傾側力矩，有效地改善了裝載谷物時的穩性。二甲板不用時收藏在上甲板上、上層建筑前端，并用導軌加以安全可靠的固定。二甲板的使用，大大提高了本船裝運貨物的靈活性。

2.4 貨艙通風筒與危險品裝載

本船能夠裝載1～8類危險品。為確保安全，危險品的裝載對貨艙通風有很高的要求。本船在上甲板上設計了4.5 m高的貨艙通風筒。按照規范規定，這樣高的通風筒可以不設關閉裝置，即在海上航行時即使遇上大風浪，通風筒也不必關閉，貨艙可以始終保持有效的通風。這樣的設計進一步確保了裝載危險品的安全性，也是船東的特別要求。

該通風筒設計為可拆式，當船東需要在艙口蓋上裝載大件貨物時可以將其拆下避免與貨物相碰。

2.5 單邊克林吊及相關布置

由于甲板面積的限制，艙口蓋打開時占據了艙口圍以內幾乎所有的甲板面積，沒有多余的面積放置克林吊，因此本船的兩臺克林吊均設置在舷邊?？肆值醯鬃O置在邊艙上方，緊靠左舷設置，中間留有人員通道。由于要滿足圣勞倫斯航道規則對船舶外形尺寸的要求，克林吊偏向內側，并且高度受到限制：高度過高超出圣勞倫斯限界線，高度過低則可能與艙口蓋打開時碰撞。通過計算和繪圖確定出克林吊合適的位置。

由于采用重吊，外形尺寸較大，對駕駛室視線形成較大的阻擋。為了改善視線，駕駛室采用不對稱布置，駕控臺偏向右舷，與克林吊錯開，以減小觀察點正前方的遮擋?？肆值鯏R置時的高度控制在兩倍船長視線所要求的限制線內，以免吊臂形成大面積的遮擋。

2.6 緊湊的甲板設備布置

由于甲板上貨艙開口特別大，剩余的甲板面積很小，因此甲板上的布置顯得非常緊湊，各種設備相互之間需要良好的配合和準確的相對位置以免沖突和碰撞。

船寬21.0 m，貨艙開口17.5 m，達到83%；邊艙僅1.75 m，扣除艙口圍肘板后剩余可用于設置克林吊底座的寬度不足1.2 m，并要在中間保留至少0.6 m的通道。第一、二艙之間僅4檔肋位，第二、三艙之間僅6檔肋位，艙口蓋打開以后幾乎沒有多少剩余面積。

在有限的甲板面積內要布置較多的設備：艙口蓋及打開空間、克林吊及底座、貨艙通風筒、集裝箱立柱、二甲板收藏位置、舷梯等。這些設備相互之間可能發生位置的沖突和打開時的碰撞：艙口蓋和通風筒、艙口蓋和克林吊、克林吊底座和艙口圍、集裝箱立柱和舷梯，并且所有這些設備都對人員通道形成了障礙。

根據這些設備的尺寸，經過仔細的核算和反復的調整確定了合適的位置，很多設備之間的間隙已經很小，如艙口蓋打開過程中與克林吊底座之間的最小間隙只有200 mm左右，艙口蓋打開時和通風筒只有幾十毫米間隙，克林吊離圣勞倫斯限界線僅3 mm余量。所剩無幾的余量表明布置上的潛力已得到充分發揮，船東的使用需要得到了最大程度的滿足。

2.7 原始橫傾的平衡

由于單邊克林吊的設計，本船的重量是左右不對稱的，存在橫傾調整的需要。不對稱的重量來源于克林吊、底座及相應部位的船體結構加強。根據計算，不對稱力矩超過3000 t·m，如果不采取措施調整，將產生10°左右的原始橫傾，不但大量機械設備不能正常工作，還對船舶的穩性帶來嚴重影響，危及船舶安全。為此我們采取了以下措施來進行平衡：

a）貨艙間的箱形燃油艙采用不對稱布置，右舷全部做燃油艙；左舷只保留較小的燃油艙并盡量靠船中，其余做貨艙通道和儲藏室；

b）機艙內的油艙盡量布置在右舷；

c）航行過程中由于油水的消耗，在右舷的壓載水艙內添加壓載水來繼續保持平衡。

用油水艙來平衡原始橫傾是本船的設計特色。當然也可以用加壓載水或不對稱裝貨來解決，但各有缺點：加壓載水會額外占用載重量，從而減少裝貨量；不對稱裝貨要事先進行詳細和準確的計算并嚴格按指定位置裝載，操作上有難度，并且對單一貨種并不適用。而用油水艙平衡原始橫傾，既不額外占用載重量，對裝貨操作也不附加任何限制條件，從而完美地解決了由克林吊引起的原始橫傾問題。

2.8 重貨吊裝與橫傾調整

本船尺度雖然不大，但是船東需要在船上裝載重貨和大件，因此本船的設計采用了兩臺起重能力達120 t的重吊，并且借助大型吊梁可以聯吊240 t的重貨。240 t重貨起吊時會產生很大的橫傾力矩，其最大力臂是由兩個吊的間距、最大起吊半徑及吊梁長度決定，達到近20 m，從而產生4800 t·m左右的橫傾力矩，引起的橫傾角將超過15°。因此進行有效和可靠的橫傾調整是必須的，見圖3。

圖3 重貨吊裝示意圖

本船使用兩對邊壓載水艙來進行橫傾調整，吊裝過程中的壓載水調撥過程見下表。從狀態1到狀態2，即克林吊負荷從0逐漸增加到240 t、重貨被逐漸提起的過程中，壓載水由左舷向右舷調撥；從狀態2到狀態3，即重貨提離地面以后，從碼頭慢慢向貨艙移動的過程中，壓載水再進行反向調撥。

壓載水艙序 狀 態 第二、第三左邊艙第二、第三右邊艙重貨位置 克林吊負荷1起吊前，準備狀態 50% 50% 碼頭上 02起吊中，重貨提離地面0%100%碼頭上離開地面2×120 t 3吊裝到位，重貨進艙50%50%貨艙內中心線處2×120 t

由于壓載水調撥的速度有限，重貨的吊裝將是一個十分緩慢的過程。我們曾向船東建議使用專用的防橫傾系統，以便提高效率和簡化操作，但船東從控制成本考慮沒有采納。

需要特別提到的是，240 t重貨提起時屬于懸掛重量，對穩性會產生類似于自由液面的不利影響，其效果相當于將貨物重心升高到吊臂頂端。計算表明，其高度超過50 m，GM值損失在1 m左右。因此我們對船東和船廠做了專門的提醒，必須在保證有充足的壓載水、并事先經過計算確保穩性的前提下才能進行重貨的吊裝或試驗。

2.9 空船重量的控制

從設計的初始階段起，我們就對本船的空船重量進行了嚴格有效的控制，以確保船東對載重量的要求。本船的結構和布置較多地具備多用途船的特征，具有設備多、布置緊湊、結構復雜的特點，必然引起空船重量的增加。按照我們的經驗，同樣尺度的常規散貨船，其空船重量應在4800 t左右；但本船與此相比會有較大程度的增加，主要有以下幾個原因：

a）設備及附件自重較重，如重吊及底座、大面積的艙口蓋、大量的二甲板支座；

b）由設備引起的結構加強，如位于舷邊的重吊、二甲板收藏和支撐位置的加強等；

c）為避免因貨艙大開口并且超長而引起大的艙口變形，艙口圍做了極大的特別加強；

d）較高的冰區等級（E3），需要較大的冰區加強；

e）雙層底重貨加強。

考慮到以上因素，我們估算出空船重量為5180t。傾斜試驗結果與此極為接近，三個船廠建造的四型船（各自的首制船）的結果分別是5132.6 t、5186.2 t、5255.9 t、5135.6 t， 平 均 5177.6 t， 僅 相 差 2.4 t（0.05%）。

2.10 裝載工況和穩性

除了規范要求的用于校核穩性的基本工況以外，我們還根據船東實際需要，選擇了具有代表性的一些貨種和裝載方式，作為附加的典型裝載工況提供給船東。見下表：

序號 裝載工況 作用和目的LD08/09 均質散貨，短途 較少的油水，裝更多的貨LD10/11 集裝箱，艙內和甲板上 確定最大重箱數LD12/13 木材，艙內和甲板上 確定木材的最大裝載量LD14/15 鋼卷，艙內 鋼卷的最大數量及堆裝方式LD16/17 雜貨，使用二甲板 二甲板使用最大負荷的情況檢驗5小艙間隔裝載的強度LD20/2116 t/m2重貨和普通散貨混裝LD18/19間隔裝，用谷物艙壁分隔最大的中垂彎矩和雙層底載荷LD22/23240 t重貨吊裝 安全吊裝重貨的方法和程序

集裝箱裝載計算中，按照穩性要求確定的最大重箱數（平均箱重14 t）達到534箱，占全部箱位的80%，高于同類型船舶。

在進行谷物裝載時，如果所裝谷物的積載因數較小，不能將長達42 m的第二貨艙裝滿，將會產生巨大的谷物傾側力矩，難以滿足谷物穩性要求。因此利用活動式谷物艙壁將第二貨艙分隔成三個小艙，以便在任何一種裝載工況下都能保持只有一個小艙為部分裝載狀態，從而減小谷物傾側力矩（較小到1/3），確保谷物裝載工況的穩性和安全。

由于主甲板上安裝了兩臺重吊，并且因為貨艙大開口而且超長的緣故，艙口圍做了極大的加強，同時二甲板不使用時也要堆放收藏在主甲板上，這些因素使得本船的空船重心較同類型的常規船高出1 m左右，對穩性帶來不利影響，滿足穩性要求成為設計中需要十分注意的問題。

2.11 破艙穩性

對散貨船或多用途船而言，破艙穩性通常不是設計中需要特別注意的難點，但是本船卻具有特殊性。為了便于裝運超長超大的貨物，本船采用了第二貨艙特別長的特殊分艙方式，對破艙穩性產生了十分不利的影響。由于第二貨艙的巨大艙容，一旦破損進水，進水量非常大，難以維持足夠的剩余穩性，生存概率接近于零，不能對分艙指數產生足夠的貢獻。因此本船的設計，破艙穩性成為一個突出的問題。我們采取了以下措施加以改善：

a）貨艙段設計為雙殼結構，貨艙外設足夠寬的邊艙；

b）邊艙內設水密的二甲板，利用水平分隔來增加對分艙指數的貢獻；

c）第二貨艙外的邊艙分成前后兩個，提高其分艙程度；

d）邊艙上部的抗扭箱不按常規前后貫通，而是進行水密分隔；

e）嚴格控制空氣管等非水密開口的位置和高度；

f）計算中加大縱向分區數量，增加三區破損情況的計算。

計算結果表明，采取以上措施，本船的破艙穩性能夠滿足規范要求，但是沒有多大余量（R=0.5013，A=0.5125）。滿足要求同時不留大的余量是一種先進的設計思想，表明破艙穩性的潛力已得到充分發揮，并利用它達到了設置超長貨艙、滿足貨運需要的目的，使本船的總體性能得到了提升。

從萬噸級散貨船的發展趨勢來看，船東傾向于喜歡數量更少但更大的貨艙，既方便裝運大件貨物，又便于管理，提高裝卸速度。我院九十年代設計的12000 DWT散貨船有四個貨艙，現在發展到三艙，將來還有向兩艙發展的趨勢。隨著貨艙數量的減少，破艙穩性問題更顯突出，加大了設計難度。

3 結語

本船型的開發設計成功與船東的嚴格要求有密切的關系。船東對本船的功能和性能指標有著十分苛刻的要求，并且很多要求是在設計進程中不斷添加出來的，例如普通吊改重吊、二甲板數量由一艙增加到三艙、高度位置由一個增加到三個、主機改型、燃油艙加大、航速提高等，這對我們的設計帶來很大的困難，引起反復多次的修改。但也正是由于船東的高標準嚴要求，才促使我們對設計方案進行深入的研究和不斷的優化，將本船的性能發揮到了極致，也使本船的設計擁有了較高的技術含量和先進性。

本船型是我院在萬噸級散貨船領域開發出的全新船型，其突出的特點和優越的性能在世界航運市場獲得廣泛的贊同。來自多個船東的大量訂單和后續訂造計劃，以及其他船東的不斷詢價，表明了本船型在技術上的領先優勢和在市場上的受歡迎程度。