江苏新型内河集装箱船型发展研究

于全虎，倪　国

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)



江苏新型内河集装箱船型发展研究

于全虎，倪国

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

摘要：针对现行京杭运河与长江联运的集装箱船舶大多是由长江部分集装箱船舶淘汰而来，或是由普通干散货船改装而成，船型匹配较差，缺乏先进船型的现状，结合江苏省水上运输和航道改造发展的实际情况，研究探讨了新型江河联运集装箱船舶的关键技术，并对其中的船型开发进行了重点研究，研究分析了新船型的主要技术参数，展望了推广应用这种新船型的前景。

关键词：内河船联运；集装箱船；船型；标准化

中图分类号：U662.2

文献标志码：A

0引言

江苏内河营运水域主要为长江、京杭运河及其支流，还包括洪泽湖等湖区，京杭大运河与长江“十”字交叉构成了我国长江中下游黄金大动脉水道。近年来，江苏省航道系统全力加快航道建设步伐，对京杭运河江苏段全线进行升级、扩容、提速，使得运河航道的通行能力得到了很大提升。由于京杭运河与长江联合运输的重要地位在苏北乃至整个江苏省日益凸显，使得江河联合运输的船舶种类和数量需求也越来越多，特别是集装箱船舶。而现行京杭运河与长江联运的很多集装箱船舶是由长江部分集装箱船舶淘汰而来，或是由普通干散货船改装而成，存在运作效率低，运输成本高，集装箱仓位利用率低，航行速度相对较慢，净重吨位小，能耗高和环保性差等问题。这些问题主要是由于现行的集装箱船舶的船型匹配较差、没有为其专项研究先进船型导致的，而《京杭运河运输船舶标准船型主尺度系列》中的集装箱船型标准没有考虑到实际运作中的江河联运部分，本文重点研究的是适应京杭运河和长江联运的新型标准集装箱船，研究提高船舶装载箱数量，以及通过优化操纵性，提高综合运输技术经济指标，适应京杭运河率先实现船型标准化的要求，最大限度地优化、发挥标准化内河渠化航道的使用价值。

1江苏新型内河集装箱船型现状分析

淮安是运河沿线集装箱运输量较大的地区，主要航线为淮安、宿迁、济宁、蚌埠—上海(外高桥)，航区为A类航区，货源以内贸为主，内贸货源主要为资源类货物：粮食、盐、磷粉等矿物，要考虑到外贸的快速发展，将来货源可能以外贸为主。现有的最大的江河联运集装箱船满载吃水4 m，最大装箱量为20 t标准箱54 TEU(3层装载)，或30 t标准箱45 TEU(3层装载)，空载时在长江内无限高(京杭运河桥梁限高7.6 m)时，最大装空箱量为72 TEU。

现有的集装箱船如将型宽加大到横向装3层，最大装箱量可达到20 t标准箱84 TEU(高度方向3层装载)，即船舶主尺度为总长68～72 m，分7个舱，船宽13.2～13.6 m，型深4.4 m。长江上海水域(吴淞口)6级风时浪高0.8~1.2 m，防风浪要求保留1.0 m干舷计算，满载吃水为3.4 m。采用如上主尺度的集装箱船除枯水季节在高邮老大桥水域内航行会受到限制(实际水深3.5 m)外，在京杭运河其他航段(枯水季节3.6 m)均不受限制航行。现存的内河航道运营集装箱船一般采用艏驾驶室的布置方式。

2新型内河集装箱船型关键技术分析

2.1　船型特点

受内河航道水深较浅、风浪较小的限制，包括集装箱船在内的具有大开口货舱的运输船型表现为吃水浅，船宽比大，干舷较小，型深较浅，货舱区无舱盖。由于以前内河运输船型尺度普遍较小，一般采用横骨架式，受此传统影响，现有内河运输船型也较多采用横骨架式。内河集装箱船受尺度以及内河集装箱货源集散量的限制，装箱数比较少，一般约在36～150箱之间，少有200箱级或超过的。例如湘江水系的第4代集装箱船“湘远10”号，船长87 m，宽13.4 m，主机总功率为770 kW。珠江水系的典型集装箱船型有900吨级，72 TEU 的多用途货船，该船的总长49.9 m，型宽12.8 m，型深3.8 m，吃水2.65 m。

2.2　船长和船宽限制

根据交通运输部2006年6月20日颁布的《京杭运河通航管理办法(试行)》(2006年8月1日起实施)规定：“进入二级航段的单船，其船舶总长不得大于67.6 m，总宽不得大于15.4 m”，综合考虑船舶总长应控制在不大于67.6 m(65～68 m)，船宽不超过15.4 m，船舶可装载集装箱数约为86 TEU左右，箱数采用双数可以方便800 mm(40 in)大箱配载。

2.3　船舶结构强度

船舶结构方面，通过设高双层底，以便在不装集装箱时可以装散货。

货舱如果采用大开口加横梁支撑的形式，虽然可以增加船舶碰擦时对货舱变形的控制，但对集装箱的装卸效率会有影响，不考虑采用。现在长江中营运的集装箱船普遍都不设横梁。

货舱区采用双舷到底的结构形式。一般情况下无需再设抗扭箱即可满足结构强度要求，货舱区域是否设抗扭箱由综合计算考虑决定。

现有集装箱船的集装箱卡口强度均不足。据调查，2005年～2010年间建造的集装箱船的集装箱卡口普遍损坏，这是新一代集装箱船设计时需要格外考虑加强的问题。

2.4　舱室高度控制

新型集装箱船如能达到既控制高度又减少视野盲区的效果，可不设液压升降驾驶室，节约费用的同时减少营运期间的维护工作。考虑到运河桥梁限高，艉部舱室不宜设2层，可以在设1层舱室的基础上增加箱位。

2.5　集装箱装载与布置方式

(1)按照相关规定，不论是500 mm(20 in)、800 mm(40 in)标准箱，重量(箱重+货重)均不能超过30.48 t。内贸货源的集装箱往往为超重集装箱， 正常箱重应为20～23 t，超重箱可达到25～30 t，因此1 400载重吨集装箱船一般只能装超重箱45 TEU。这种装载方式使得货舱中的仓位还有空的，但船舶载重量已达到船舶设计最大载重量，这时通过配载来提高仓位利用率，如2层500 mm(20 in)箱加第3层800 mm(40 in)箱的装载形式(高度方向)。

(2)内河桥梁高度限制集装箱只能放3层，不能放4层，而且放4层时旁风影响太大。

(3)现在内河码头装卸集装箱一般使用龙门吊，伸臂长度为4.06 m，横向装4排集装箱会有伸臂长度不够的问题。

2.6　推进及操纵

江河联运集装箱船主机应考虑设双机，单机功率为330 kW左右，航速可达到14～15 km/h，否则难以控制船舶。

船舶的自重不足以将艏部放首侧推的位置完全没入水中，因此不建议通过装设首侧推来提高船舶的可操纵性，而且装设首侧推影响船舶总体造价。

2.7　防污染

京杭运河沿岸目前普遍未设有油污水和生活污水接收装置，但作为新一代集装箱船必须符合京杭运河相关法规、规范的要求，即做到零排放。

2.8　船员配备

参照海事部门对船员等级配备的要求，新一代江河联运集装箱船总吨应控制在1 600以下，以减少船舶营运人员费用，获取更大的建造市场空间。

3内河新型集装箱船型研究

3.1　船型定义

本船为集散两用货船，设计航行于苏北大运河水域和长江水域，主要用于载运集装箱及各类干杂货，也可载运少量限制范围内的危险品集装箱货物。86 TEU集装箱船总布置图和实船图片分别如图1、图2所示。

3.2　船舶主要要素选择

3.2.1船长的选择

根据国内外经验、船模试验及实船航行验证，提高长宽比L/B，适当放大方形系数Cb是限制性航道中提高船舶航行经济性的有效措施。

船长的大小关系到船舶的总体布置、阻力、操纵性及船舶造价等因素。从改善船舶阻力推进特性的角度考虑，应尽可能选择对减少阻力有利的船长。

由于本船为主要航行于京杭运河苏北段水域和长江水域的集散两用货船，京杭运河货运船舶的傅汝德数Fn通常都小于0.2，故属于低速船的范围。低速船的总阻力成分主要由摩擦阻力和剩余阻力构成，摩擦阻力占其中的70%~80%，为总阻力的主要成分。当排水量一定时，随着船长的增加，使浸水面积增加，因而摩擦阻力相应增加。虽然剩余阻力有所下降，但摩擦阻力显著增加，换言之，随着船长增加，低速船的剩余阻力的下降值比摩擦阻力的增加值要小，总阻力反增加，因此船长的选择应遵循阻力最小的原则，以降低船舶的运行成本，提高船舶的经济性。此外，船长的选择还要考虑船舶的航道条件、布置需要和船舶的造价等因素。在满足航道要求的情况下，船舶长度的选择，主要考虑满足布置的要求，满足经济要求为次要因素，造价则要尽可能低。另外，为了最大限度地利用京杭运河苏北段的现有航行能力，本船设计装载集装箱沿长度方向的数量为7列，需要的货舱舱口长为43.45 m。结合机舱等的布置要求，实取本船水线长为66.8 m，总长约为67.6 m，既满足阻力性能的要求，也满足布置要求，船舶的造价也相对较低，较好地兼顾了船型功能性要求和技术经济性。

图1　86 TEU集装箱船总布置图

图2　86 TEU集装箱船实船图片

3.2.2吃水及型深的选择

吃水的选择，在满足船舶载重要求的条件下，需要充分利用航道水深条件，采用大直径螺旋桨，提高螺旋桨的效率，同时考虑船舶在空载加压载航行条件下船舶吃水能满足螺旋桨的最小吃水要求。《内河通航标准》(GB 50139—2004)航道等级与富余水深对照表见表1。

Ⅱ级限制航道水深H=4.0 m，根据H=T+ΔH(H为航道水深，T为船舶吃水，ΔH为航道富余水深)，设计吃水应在3.6~3.7 m。考虑到随着水运事业的进一步发展，京杭运河苏北段今后的通航能力有进一步提高的可能，加之这一航段所运载集装箱货物通常以百货及粮食等为主，装满载集装箱，其总载重量也不会达到最大吃水的实情，因此选择3.7 m吃水具有一定的前瞻性。

表1　航道等级与富裕水深对照表

型深的选择主要考虑船舶布置的要求、货舱容积的要求、规范对船舶干舷、稳性要求等综合因素，实取本船型深为4.40 m。

3.2.3型宽的选择

船宽的选择主要应从满足稳性、阻力、航道限制和布置要求等方面来考虑。船舶的横稳半径与船宽的平方成正比，增加船宽会使船舶的初稳性增大，对内河船舶的安全性有利。从阻力角度看，对于以摩擦阻力为主的内河低速船来说，船宽的增加对摩擦阻力的影响并不明显。据此考虑到本船为航行于京杭运河船舶，船舶的吃水变化余地不大，那么船宽的选择主要考虑适当地减小船长船宽比L/B的值，增大船宽吃水比B/d的值，在相同排水体积的情况下，船舶的方形系数值得以下降，这样不但船舶的总阻力得以减少，而且有利于船体结构重量的减轻和降低造价，同时船宽的增大将提高船舶的稳性。结合本船沿船宽度方向装载4行集装箱的布置要求，通过船闸时所受船闸宽度的限制等综合因素，实取本船型宽为13.6 m。

3.2.4艏艉型设计

本船型定位为内河集装箱船，航速较低，采用箱形货舱设计，加之需要优化装箱数量，导致艏部线型较为突出，不利于降低阻力。同时由于采用艏驾驶室布置方式，艏甲板要有足够平面面积来满足驾驶室和锚泊设备的布置要求；而较小的吃水又限制了型深，这给艏部线型设计带来难度。尖形船舶艏部设计重点是艏部进流段角与水线曲率变化率的优化结合，前提是控制流水线曲率变化较为和顺，同时减少艏部进流角，促使水流向船侧流动尽可能顺畅。双艉船型的设计通过双艉倾角、双艉间距、双艉纵横剖面形状等的参数的选取、优化控制，达到抑制艉部水流的不利流动，改善艉流场，从而降低航行阻力，提高船舶推进效率的目的。

3.2.5集装箱布置

集装箱货舱采用无舱盖形式。由于限制性航道上船闸、桥梁等通行高度限制，层数上只能布置3层集装箱，货舱布置方式为沿船长方向(纵向)布置成7列，沿高度方向(垂向)布置成3层，沿宽度方向(横向)布置成4排，同时机舱上方的甲板上布置成1列×2排×1层，共86 TEU。为满足装箱数及布置需要，集装箱舱口长度设计为43.45 m，宽度设计为10.2 m。

3.2.6均箱重选择

平均箱重是作为运输主体的船东极为关注的指标。结合当前内河航道集装箱船的运载状况，以及京杭运河苏北段集装箱运输的实际需求，取最大箱重取为24.5 t(含空箱及箱内货物)，是船东比较满意的箱重指标。

4结语

通过上述的研究分析可以看出，研发综合经济、技术性能优良的江河联运新型集装箱船从船型技术研发上已不存在难以克服的问题，集散两用型集装箱船由于长江、运河沿线货源充足，经济性可以预见也是不错的，具有良好的市场推广价值。

86 TEU集装箱船是目前可在京杭运河航行的最大型的集装箱船，装箱数多，单箱运输成本低，通过技术提升保证了操纵、安全性能良好，可充分发挥水运在交通运输中的优势，降低运输成本，提高运输效益。通过船舶标准化可提高单一船型批量，减少开发和建造成本，又可得到性能优良的船型。随着航道等级提升工程的开展，良好的基础设施条件使得大型化、性能优越的船型在船运业具有更好的市场前景。

参考文献：

[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京：人民交通出版社，2014.

[2]中国海事局.内河船舶法定检验技术规则[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]GB 50139—2004，内河通航标准[S].

作者简介：于全虎(1974—)，男，高级工程师，从事船舶科研与设计工作；倪国(1963—)，男，高级工程师，从事船舶科研与设计工作。

收稿日期：2015-05-06

基金项目：江苏省内河航运安全绿色关键技术研究重大专项(2013Y02)