無壓載船型技術(shù)動態(tài)

1、無壓載船型技術(shù)動態(tài)the Technical Trend of No-ballast Ship Type姓 名： 李加欽 專 業(yè)： 船舶與海洋工程 學(xué) 號： 31308011 完成日期： 2013年10月30日 大連理工大學(xué)Dalian University of Technology前言壓載水對于船舶的安全航行有著舉足輕重的作用。但是近些年來，隨著世界航運市場的繁榮以及船舶大型化的發(fā)展趨勢，船舶壓載水所帶來的問題越來越多，破壞性也越來越大，嚴重的影響了海洋環(huán)境以及人類的健康。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年約有近百億噸船舶壓載水在全世界范圍內(nèi)轉(zhuǎn)運。由于壓載水的破壞性極強，因此要怎樣處理好這些壓載水已經(jīng)成為

2、了一個世界性的難題。隨著國際海事組織對船舶壓載水處理的技術(shù)指標(biāo)不斷提高，壓載水的處理成本越來越高。2004 年 2 月 IMO 通 過 了“國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約”。該公約要求船舶壓載水應(yīng)在公海進行置換或者在船上安裝壓載水處理裝置, 以防止壓載水中外來物種的傳播。在海上置換壓載水的方法是不可行的, 因為在船舶平衡發(fā)生變化時, 這樣做既費時間又會生嚴重的橫傾危險。目前, 許多壓載水處理裝置在等待 IMO 的認可, 它們大多數(shù)比較昂貴和運行費用高而且無經(jīng)濟效益, 因為船舶載運的是毫無價值的海水。因此，IMO對船舶壓載水怎樣處理得當(dāng)不斷的在全世界范圍內(nèi)收集建議，其中的絕大部分都是建議從

3、壓載水的源頭就開始對壓載水嚴格控制，如設(shè)置壓載水集中采集區(qū)域，或者是在壓載水上船之前就對其進行處理，盡量減少有害生物上船的機會，這樣就可以大大減小有害生物的入侵幾率。除此之外，目前正在加以研究的其它處理方法主要有：物理處理法；機械處理法；化學(xué)處理法；生物處理法。上述幾種方法沒有一種處理技術(shù)能夠完全滿足IMO提出的安全、實用、經(jīng)濟、有效且環(huán)境容許這五項標(biāo)準(zhǔn)，而且壓載水的處理大大的增加了船舶的營運成本，所以直到目前為止都尚未有商品化的成型技術(shù)或產(chǎn)品可直接使用且達到IMO技術(shù)指標(biāo)。面對在壓載水處理問題上的各種不盡如人意以及綠色船舶理念的不斷深入人心，許多國家的船舶專家紛紛將目光轉(zhuǎn)向了能否設(shè)計出一種無

4、壓載水船舶，使得船舶在空載航行狀態(tài)下無須壓載水，同時又滿足船舶各項性能的要求，而且在船舶建造的時候就無需布置壓載水艙，從根本上消除被認為污染源的壓載水。在這種情況下，一種全新的無壓載水船舶設(shè)計理念孕育而生。當(dāng)今世界主流的無壓載船型理論主要有：美國密西根大學(xué)研發(fā)設(shè)計的貫通流系統(tǒng)船體（Through-Flow System Hull）；日本造船研究中心（SRC）提出的無壓載水船舶（NOBS）和超低壓載水船舶（MIBS）理念，即V型船體設(shè)計；以及荷蘭代爾夫特大學(xué)試造的單一結(jié)構(gòu)船體。本文著重介紹當(dāng)今世界上最主流的三種無壓載船型理論以及無壓載船型的實際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：壓載水 無壓載船型 貫通流船體 NOB

5、S MIBS 單一結(jié)構(gòu)船體一、 無壓載船型理論貫通流船體技術(shù)美國密西根大學(xué)米歇爾·帕森思（Michael Parsons）博士于 2004 年在美國造船與輪機工程師協(xié)會年會上發(fā)表論文，專門談到了無壓載水艙船舶的項目設(shè)計課題，并且特別討論了貫通流船體（Through Flow System Hull）技術(shù)。所謂貫通流船體，就是用來替代傳統(tǒng)型壓載水艙的水線以下的縱向結(jié)構(gòu)。其設(shè)計思路是取消壓載水艙，代之以兩條可以打開的大型管道即水流箱。當(dāng)船舶空載航行時，將大型管道的前后蓋打開，海水就從船首進口處涌入，再迅速地從船尾排水口排出，保持船舶平衡，從而起到減少船舶浮力、增加吃水和減輕載荷的作用；當(dāng)

6、船舶載貨航行時，關(guān)上前后蓋并將海水放掉，此時的大型管道又起到增加浮力的作用。其模型如圖1所示。圖1.貫通流船體模型這種設(shè)計概念，利用船舷和船艇進出口水流的不同壓力，控制貫通壓載水艙內(nèi)的水流速度。在貫通流壓載水艙內(nèi)穿越而過的始終是當(dāng)?shù)睾Ｓ虻暮Ｋ_保貫通流系統(tǒng)壓載水艙不會把某地的海水帶到另外地方，從而符合國際海事組織有關(guān)海洋環(huán)境保護的種種規(guī)定。毫無疑問，所謂貫通流系統(tǒng)船身，是迄今革新意義最大的造船理念。其最大的特點是保留事實上的壓載水艙，只不過把壓載水艙內(nèi)的死水變成前進后排的縱向貫流的活水，從而從根本上解決壓載水艙把微生物、污染物等等在全球海洋帶來帶去的擴散問題。美國密西根大學(xué)成功研發(fā)出的這種無

7、壓載水艙貨船模型，經(jīng)水動力試驗研究結(jié)果表明，這種船舶不僅能保持良好的穩(wěn)性，而且由于船底安裝的兩條大型管道中海水自前向后流動，水流對螺旋槳推進器可起到有助于加速旋轉(zhuǎn)的作用，能提高航速并達到節(jié)省燃油和減排的目的。試驗結(jié)果還表明，這種船型最多可以節(jié)省 73%的船舶動力。這種貫通流系統(tǒng)船身中的壓載水艙的最大缺點，是增加航行船舶的阻力，從而增加船舶動力所必須的燃料的消耗量，降低船舶推動力效率。另外，盡管改成貫通流系統(tǒng)，壓載水艙仍然占有船舶的相當(dāng)大空間，而且由于船舶結(jié)構(gòu)的需要，除了縱向壓水艙外，還得保留部分無法改為貫通流系統(tǒng)的橫向結(jié)構(gòu)的壓載水艙，而這些與傳統(tǒng)船舶壓水艙毫無兩樣的壓載水艙內(nèi)的水仍然會把污染物

8、、沉淀物和微生物等等在世界海洋中到處帶來帶去。目前，貫通流系統(tǒng)船身造船專家們，在集中力量攻克這個難關(guān)，把主要精力放在盡量壓縮一時無法徹底取消的橫向結(jié)構(gòu)壓水艙的容積，也就是盡量減少船舶所載運的封閉壓艙水量，盡量擴大貫通流壓載水艙的功能。帕森斯博士指出，通過進一步改進流體動力設(shè)計，這些問題大部分都可以得到解決。日本NOBS和MIBS理論2001年日本造船技術(shù)中心提出了一種完全不需要搭載壓載水的無壓載水船舶（NOBS）的概念方案。2003年，為了最終能進行實船建造，該方案被列入國家工程項目，由國土交通省指導(dǎo)，舊運輸設(shè)施整備事業(yè)團、鐵道建設(shè)運輸設(shè)施整備支援機構(gòu)和日本財團提供援助，日本造船研究協(xié)會正式開

9、始了研究開發(fā)。2005年該研究工作由日本船舶技術(shù)研究協(xié)會接手，委托日本造船技術(shù)中心、三菱重工、IHIMU和日本海事協(xié)會繼續(xù)進行。對于NOBS船，首先要研究是否有這樣一種船型，在無壓載水的情況下能夠保證一定的吃水，讓船舶能夠安全航行。最后的研究結(jié)論表明，采用V型船底的傾斜式船型，也能在空載無壓載水的情況下保證必要的吃水，同時加大船體寬度，以彌補在滿載吃水時減少的排水量，如圖3所示。主尺度的其他數(shù)據(jù)，除船深略淺外，船體長度、滿載吃水和載貨量則與常規(guī)船型保持一致。圖2.具有傾斜船底的NOBS船型圖3.NOBS船型與常規(guī)船型的比較該無壓載水船舶科研項目可從一個新的角度來解決如何防止壓載水中外來物種傳播

10、的問題,但這一創(chuàng)新的無壓載水船舶理念排除了通常船舶所必需的壓載水( 盡管設(shè)有 2 個小型備用壓載水艙用于縱傾調(diào)整和應(yīng)付極度海況)。而目前, 許多公司及研究中心卻還在通過對壓載水進行諸如紫外線輻射、生化處理、臭氧脫氧、電離化處理、氣旋分離、水動力空化、脈沖過濾等方法來解決該問題。無壓載水船舶的設(shè)計通過增加船舶的寬度和采用橫向斜坡型船底, 可使船舶在卸載的情況下也能保持足夠的吃水, 因而無需昂貴的壓載水處理裝置及其相應(yīng)的運行費用。就蘇伊士最大型油船而言, 建議的船底坡度為 15.2度, 吃水為 3 米; 而 VLCC 的船底坡度則為 10.8 度, 吃水為 3.10米。另外, 為了分布排水量, 船

11、的首尾區(qū)域采用了肥大型船體并配置了一只較小型的更為有效的螺旋槳。就壓載水而言, 集裝箱船要比散貨運輸船和油船容易得多,因為它幾乎總是滿載而很少需要大量壓載, 只有在空載狀態(tài)下需要用壓載水增加吃水。這是為了保持船舶所需的安全吃水, 通過保持船舶的結(jié)構(gòu)完整性, 避免首柱底部海浪的砰擊和螺旋槳的飛車來控制船舶的航行。研究人員選定的對象船型是無壓載水化后獲益最大的大型油船（蘇伊士型和VLCC）。研究目標(biāo)是使NOBS型油船在無壓載水、空載狀態(tài)下與常規(guī)船型的有壓載水、空載狀態(tài)（搭載相當(dāng)于滿載排水量30% 40%的壓載水）相比具有相同的推進效率和適航性，以及滿足必要的經(jīng)濟性。隨后研究人員制作了數(shù)艘長6.2米

12、的模型船，對其進行靜水中的推進效率、波浪載荷等相關(guān)水池試驗，并得出以下結(jié)論。1）NOBS船在空載狀態(tài)下，其首柱底部的海浪砰擊頻率和沖擊壓力，以及螺旋槳空轉(zhuǎn)的情況，與同條件下常規(guī)船型相同。2）在船體結(jié)構(gòu)強度方面，滿足日本海事協(xié)會的最新結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)油船的結(jié)構(gòu)強度準(zhǔn)則。3）與常規(guī)船型相比，NOBS船在滿載狀態(tài)下的推進效率略有惡化，但是空載狀態(tài)下有了大幅改善，從總體來看提升了6%的推進效率。4）操縱性方面，NOBS船具有優(yōu)良的航向穩(wěn)定性，并滿足IMO的操縱性能標(biāo)準(zhǔn)。5）由于NOBS船加寬了船體寬度，縱向彎矩也有所加大，這增加了船體結(jié)構(gòu)的重量，建造成本有所上升，但是實際上可用提高推進效率來彌補這方面的不利因

13、素。蘇伊士油船和VLCC分別由三菱重工和IHIMU設(shè)計，最終船體布置圖則如圖4和圖5所示。圖4.NOBS型蘇伊士油船的布置圖圖5.NOBS型VLCC的布置圖推進效率輸出功率方面，船模試驗的結(jié)果表明蘇伊士型降低了5% 7%，VLCC降 低 了6 7%，平均降低了6%以上。圖6所示為功率曲線圖，細線代表常規(guī)船型的性能，取同類船的平均值。如圖所示，NOBS船在滿載時所需推進功率稍有增加，但是在空載航行時由于已不需要大量的壓載水，十分節(jié)省能源。另外，從螺旋槳的伴流分布測算結(jié)果來看，傾斜船底并未產(chǎn)生異常伴流，船底周圍流場的圓周方向變化十分平穩(wěn)。圖6.功率曲線圖波浪中的性能研究人員采用切片法計算船體在波浪

14、中的縱搖運動，配合模型試驗得出的結(jié)果是，NOBS船型的縱搖情況與常規(guī)船型相同。另外自由橫搖試驗的結(jié)果是，NOBS船的橫搖周期較小，約為常規(guī)船型的2/3。并且NOBS船即使安裝了舭龍骨，其橫搖特性也沒有顯著變化。圖7為計算和試驗結(jié)果與常規(guī)船型的對比。圖7.波浪中縱搖特性對比波浪縱向彎矩特性對4米的船模在規(guī)則波和不規(guī)則波中進行模型試驗得出的結(jié)果如圖8所示，圖中的分別代表常規(guī)船和NOBS船型的滿載狀態(tài)，為空載狀態(tài)。實線、點線為來自海浪砰擊載荷推定系統(tǒng)的計算結(jié)果（采用不會引起海浪砰擊的微波高來計算，剛體）。滿載狀態(tài)下NOBS船的縱向彎矩較常規(guī)船型大。而在空載狀態(tài)下，規(guī)則波中的試驗結(jié)果表明NOBS船的縱

15、向彎矩與常規(guī)船型相當(dāng)，在不規(guī)則波中則略小。圖8.船體縱向彎矩特性波浪中首柱底部海浪的砰擊和航行阻力增量常規(guī)船型在搭載壓載水時，船首的吃水能保證不會露出船底。NOBS船在空載狀態(tài)下船首吃水在3米左右，采用V型船首形狀，使其在砰擊水面時砰擊力較小。圖9為不規(guī)則波中砰擊壓力測算結(jié)果，橫軸為波數(shù)，縱軸為該波數(shù)下的最大砰擊壓力。NOBS船與常規(guī)船型并沒有太大的差異，但是船首吃水方面，NOBS船為3米，常規(guī)船型為5.84米，從這點上來看，采用V型船首的NOBS船在應(yīng)對砰擊壓力方面性能較為優(yōu)秀。后來在規(guī)則波中的試驗表明，NOBS船的空載狀態(tài)首柱底部海浪的砰擊壓力與常規(guī)船型搭載壓載水狀態(tài)的砰擊壓力相當(dāng)。不過橫

16、搖和縱搖同時發(fā)生的情況下，是否會引起海浪砰擊呢？為此，對空載狀態(tài)下的NOBS船做了斜向規(guī)則波的波浪試驗。結(jié)果表明，即使波長、波向發(fā)生了變化，其砰擊壓力的最大值與波向在=180°（首波）時相同。為了測試遭遇極端暴風(fēng)雨天氣時的航行安全性，要加深NOBS船的船首吃水，為此搭載了相當(dāng)于常規(guī)船型壓載水量的1/4壓載水，對首柱底部海浪的砰擊壓力進行了試驗。結(jié)果表明讓NOBS船空載狀態(tài)時和暴風(fēng)雨壓載水狀態(tài)時受到同一沖擊壓力，其最高波高限制平均增加了1.5米，這相當(dāng)于常規(guī)船型的重壓載狀態(tài)另外，作為實船性能評價之一，對NOBS船進行了不規(guī)則波中的航行阻力增量試驗。結(jié)果是，NOBS船滿載狀態(tài)下的阻力增量

17、與常規(guī)船型相比增大了14%，而空載狀態(tài)下減小了17%，綜合來看可以認為大致持平。圖9. 不規(guī)則波中首柱底部海浪的砰擊壓力試驗結(jié)果操縱性能圖10為NOBS型蘇伊士油船與其他肥大型船的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性對比。如圖所示常規(guī)肥大型船的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性有時十分不穩(wěn)定，NOBS型則十分穩(wěn)定，NOBS船則不足。圖10穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性對比雖然NOBS船型是無需任何壓載水的革命性船型，并且具有很高的可行性。不過其肥大型船身，龍骨平坦的部分寬度較小，船底傾斜度較大，這些問題在實際建造中可能十分有難度，具備NOBS船建造能力的船塢設(shè)備、接岸設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施的問題需要進一步解決。為了能早日實現(xiàn)無壓載水船舶的實船建造，人們寄望于先建造

18、出符合現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施能力的船型。為此，開發(fā)出了一款在不改變常規(guī)船型主尺度的基礎(chǔ)上可大量減少壓載水裝載的船型，這就是超低壓載水船（MIBS）。如圖11所示，龍骨的寬度較寬，船底傾斜度也控制在較小的范圍內(nèi)。圖11.三種船型剖面的比較MIBS船的研究為日本國土交通省的“減少船舶二氧化碳排放技術(shù)的研究開發(fā)計劃”之一，由大島造船所和名村造船所自2009年起開始進行，日本財團和日本船舶技術(shù)研究協(xié)會也提供了援助，主要在日本造船技術(shù)中心進行水池試驗。研究 人 員 選 擇收 益 最 大 的VLCC和 散 貨作為開發(fā)對象，并以能夠直接投入生產(chǎn)為目標(biāo)展開研發(fā)工作。NOBS船型是以零壓載水為目標(biāo)，主要都是以肥大型尺度為

19、研究對象，不過根據(jù)主尺度選擇的不同，誕生了各種版本。研究人員考慮到基礎(chǔ)設(shè)施和航運方面的要求，結(jié)合必要的壓載水量和節(jié)能需求來決定最終的主尺度。以此為基礎(chǔ)，MIBS船的開發(fā)對象選擇了幾組主尺度，并經(jīng)過了CFD模擬后，制作了數(shù)艘長6.2米的模型船進行了水池試驗。各船型的效果圖如圖12所示。圖12.MIBS船型效果圖MIBS船的開發(fā)工作已進入最終階段，以目前所發(fā)表的研究內(nèi)容來看， MIBS船與常規(guī)船型相比減少了60% 70%的壓載水用量，功率消耗則降低了12% 15%。荷蘭單一結(jié)構(gòu)船體由荷蘭研究人員提出的單一結(jié)構(gòu)船體型船舶目前已在代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）試造成功。該型船的設(shè)計理念和日本的N

20、OBS相似，也以改變船體浮性達到無壓載水的目的。特點就是通過在船底部位設(shè)置一個內(nèi)凹，也可看做將船底中線附近的船體部分移到兩邊船舷處，從外形上看有點像雙體船，但實際上還是單體結(jié)構(gòu)。采用該型設(shè)計后，船舶在輕載時也可擁有較深的吃水，避免了螺旋槳飛車等情況，保證了航行時的穩(wěn)定性。不過由于船體與水的接觸面增大，因此與傳統(tǒng)船型相比水阻將較大，油耗也將有所增加，但對于某些船型來說還是比較適用的。同時，該型船船底兩側(cè)采用的向下“蟬翼”設(shè)計，可產(chǎn)生空氣潤滑作用，從而減小了部分阻力。此外，該型船的發(fā)動機廢氣排放并非向上排放到空中，而是向下通過船底凹處向船尾方向排放，在發(fā)揮其所謂空氣潤滑功能的同時，也使得廢氣中的二

21、氧化碳、一氧化碳、各種顆粒污染物和硫化物溶解在海水中，從而減少了對海洋空氣和港口碼頭環(huán)境所造成的危害船身的設(shè)計方案，其船底從貨艙區(qū)域就開始設(shè)置一個向后開放的內(nèi)凹，形狀猶如一只倒置的前封后開的拖鞋。這種船型可以促使船舶輕載時產(chǎn)生較大的水尺; 但是這種設(shè)計方案的缺點是與傳統(tǒng)船型相比，其船身濕面積大幅度擴大，通過船底兩側(cè)向下排放發(fā)動機廢氣所產(chǎn)生的空氣潤滑作用，使得這一不足之處可以降到低限度; 還可讓廢氣中的二氧化碳、一氧化碳、各種顆粒污染物和硫化物溶解在海水中，從而減少船舶對空氣和港口環(huán)境所造成的威脅。目前這種單一結(jié)構(gòu)船身型船舶已經(jīng)在荷蘭代爾夫特大學(xué)試造成功，其載重量為4 000 t，船速為14 k

22、n，沒有壓水艙，從試航檢測來看，基本上達到所謂真正無壓艙水船舶的標(biāo)準(zhǔn)。二、 無壓載船型的實際應(yīng)用近日，由浙江華韻海運有限公司和廣東湛江富達船務(wù)（油運）有限公司聯(lián)合投資、寧波東方船舶修造有限公司建造的2x6,500DWT和2x4,500DWT NOBS油船的建造合同正式簽署，標(biāo)志著全球首制“無海水壓載船（NOBS）”將在中國寧波東方船廠誕生。NOBS油船掛新加坡旗，入級法國船級社（BV），帶GREEN SHIP（I）和EEDI（I）附加標(biāo)志，其設(shè)計已提交BV上海審圖中心審批。該船計劃于2013年底前交船，并將投入營運于新加坡及東南亞，用于海上燃料供應(yīng)及運輸。NOBS是廣州市協(xié)爾達船舶設(shè)計有限公司歷時三年創(chuàng)新研發(fā)、并已取得中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利證書、目前世界上尚未有現(xiàn)船的新船型。NOBS共有四個船型專利，包括“NOBS油船”、“NOBS化學(xué)品船”、“NOBS散貨船”以及“NOBS集裝箱船”。6,500DWT和4,500DWT NOBS油船為NOBS油船之一，具有可