新建集装箱船空船重量控制的措施探讨_顾彪.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言近年来，全球探索低碳转型发展绿色航运的进程加快，对船舶节能减排和绿色环保要求不断提高。国际海事组织（IMO）已于 2011 年 7 月通过 MARPOL 公约附则修正案，并于 2023 年 1 月 1 日起强制实施，船舶能效设计指数（EEDI）成为衡量船舶节能环保性能的指标。集装箱船作为三大主要船型，日益朝着大型化、快速化、标准化方向发展。随着国际贸易发展和国家碳达峰碳中、多式联运、运输结构调整等战略的深入实施，集装箱船运输具有更广阔的发展前景，但也面临最严格的（最低）的 EEDI 值。降低 EEDI 主要有增加载重量、降低主机功率、优化航速等技术途径。在船舶主尺度、线型、航速和排水量等技术性能指标确定的情况下，要增加载重量则必须有效降低船舶的空船重量。船舶 EEDI 计算分析表明，如降低 10%的空船重量可转化增加 8%的载重量。有效控制集装箱船空船重量还具有保障船舶安全性能、提高船舶运营效率、降低船舶建造成本、增强市场竞争力等现实意义。1 影响空船重量控制的因素相较其他货船，集装箱船线型瘦削、结构复杂、制造难度大，且货物系固特有的导轨架、箱柱、绑扎桥等舾装件种类多、数量大，多为金属材质，整体重量非常大，因此空船重量控制难度较大。和世界先进造船厂同类型集装箱船对比，我国设计建造的中大型集装箱船在空船新建集装箱船空船重量控制的措施探讨顾 彪1，孟 轶2（1.江苏海事局，江苏 南京 210009 2.中国船级社广州分社，广东 广州 510235）摘 要：船舶载重量是船舶能效的重要技术指标，集装箱船在绿色航运的大背景下，通过控制空船重量增加载重量非常重要。本文分析船舶设计和建造过程中影响空船重量控制的因素，并基于新建集装箱船项目，对空船重量控制提出了具体实施措施，以期为集装箱船舶设计和建造的重量控制提供指引和参考。关键词：集装箱船；空船重量；船舶设计中图分类号：U664.81 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.024 引用格式 顾彪.新建集装箱船空船重量控制的措施探讨 J.船舶物资与市场,2023,31(3):77-79.重量方面偏重约 6.5%左右1，在降低空船重量能力上还有提升空间。1.1 船舶设计经验不足船舶设计是集成总体、结构、轮机、内装、电气、舾装等多个专业的系统工程，设计整体水平直接影响船舶的质量。在船舶初步设计和设计阶段，在船体结构布置、舱室分布、设备选型等方面进行细致的工作，便可很大程度上决定了空船重量。生产设计的要求很严格，该阶段要能够准确估算船舶结构、设备、管系、电气、舾装等重量，施工期间在满足规范和使用要求的前提下，要及时进行优化布置、减轻重量、跟踪控制。1.2 总体和内装设计欠佳舱室、上层建筑及相关结构件尺寸过大，设备选型过于保守等都会增加空船重量2。设备布置未充分考虑管路走线，也可能造成管系用量增加。1.3 舾装重量控制不严格舾装重量在集装箱船空船重量中占比较高，严格控制舾装设备重量对于空船重量控制能起到重要作用。集装箱船大型铁舾装件比如货舱舱口盖、绑扎桥，集装箱导轨，甲板箱柱等重量可达到几千吨，因此对大型舾装件的选购应考虑重量因素并对大型舾装结构进行减重优化。1.4 高强度钢使用率偏低高强度钢材的使用可以有效减小船舶构件尺寸，减轻船体重量。目前，国内造船企业使用高强度钢的比例约为 40%60%，日本和韩国造船企业的高强度钢使用率高达 80%90%。收稿日期：2023-03-05作者简介：顾彪（1983-），男，本科，注册验船师，研究方向为船舶检验。船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 78 1.5 建造重量控制不到位船舶建造强调过程质量控制。生产建造阶段如果不注意空船重量控制，不严格控制钢材使用、不按照焊接工艺流程焊接，随意增加结构件，临时使用支撑件不及时拆除，不规范实施称重记录等，往往会导致空船重量的不当增加。2 空船重量控制的措施2.1 船体结构重量控制船体结构重量是船舶空船重量的重要部分。对集装箱船船型而言，船体结构的重量占据了空船重量的 65%70%，在空船重量控制中也是最重要的部分。1）钢板公差控制。按照中国船级社材料与焊接规范第 1 篇第 3 章 3.1.3.4（2）款的规定：各类船体结构用钢板和宽扁钢，除用于运输散装化学品或液化气体的受压容器和独立液货舱结构者外，其母钢板（指由一个锭或坯上直接轧制而成，未进行切割的钢板）应进行厚度测量，其测量的算术平均值应不低于钢板的名义厚度，个别测量点的负偏差应不超过 0.3 mm3。钢厂生产的船用钢板最终交货状态普遍为正公差。经某项目钢板到货验证测量结果显示，厚度正公差平均达到了 3%。对于 7000 TEU 的集装箱船船体结构用钢在 20000 t 左右，板材的正公差带来的增量有 400 t 左右。因此，在订购板材时可以参考各钢板制造厂板材产品的公差控制情况，在订货方面给予考虑。这是船舶建造阶段对于船舶空船重量控制最重要的一环。2）提高高强钢使用比例。适当提高高强钢的使用率，可以降低船体钢材重量在空船重量中的占比。使用高强度钢材甚至超高强度钢材替代普通碳素钢，钢材重量可 减轻约12%15%，高强度钢折算普通钢参数如表1所示。表 1 高强度钢折算普通钢4系数普通钢高强度钢 HT32高强度钢 HT36材料系数 K10.780.72板厚 kt0.88 t0.85 t构建剖面模数w0.78 w0.72 w目前各箱数船舶的大致钢材用量和高强钢用量及占比统计，如表 2 所示。表 2 集装箱船钢材用量和高强度钢用量占比类别2000TEU5500TEU7000TEU10000TEU20000TEU空船重量中结构钢占比66%67%70%69%72%结构钢材中高强钢占比51%80%68%75%77%3）优化局部船体结构。在保证结构强度和功能要求的基础上，在船舶生产设计和施工中，可考虑以下措施优化局部船体结构，减少冗余重量：部分非强力舱壁可使用压筋板代替板材型材组合结构，以减轻舱壁重量；大型肘板使用圆弧形肘板；采用立柱设计，减少横梁或者纵桁的跨距，减小横梁尺寸，减轻重量；优化上层建筑分区，尽可能减少使用钢制围壁；各设备舱的中间平台设计为格栅结构替代钢制平台；在非水密分隔舱壁、中间平台，双层底结构等在保证结构强度基础上，合理增设减轻孔；分段制作时，扁钢、T 型材纵骨等小组件的装备顺序后置采用拉入法，减少补板数量；尽可能减少铸钢件的使用，以减少结构重量和材料成本。2.2 焊接控制焊接材料的重量大概占钢材使用重量的 2%，对接焊对空船重量的影响甚微，因此主要控制角焊缝对空船重量的影响。以集装箱船为例，钢材使用量为10000 t 时，角接焊缝的长度约为 300 km，按照焊脚尺寸 6 mm 来计算，全船角焊接使用焊材量为 43 t。以某项目实际测量为例，该项目角焊焊脚尺寸普遍偏大 15%，全船角焊焊接总量将增加 25%，按照 6 mm 角焊计算，以 10000 t 钢材使用 43 t 焊材量计算，增加重量 10 t 左右。可见严格控制焊脚尺寸可以减轻部分空船重量，同时也节约了大量焊材。在焊接设计方面，目前集装箱船上层建筑可在大部分区域选择间断焊设计，焊接重量与双面连续焊比较可减少 50%75%。同时减小了焊接热输入量，对上层建筑薄板平直度也有益处。2.3 舾装控制1）优化大型舾装件，如在货舱最下层的货箱导轨，可以从距内底较近的高度优化到上一层箱体以下 300 mm，不影响装卸箱的同时可以减轻几十吨的重量。2）甲板边支撑箱柱可优化为方管形式，可有效减小重量约 40%，并有利于满足通道宽度的要求。3）除了规范要求的大型设备基座，甲板下加强按照规范要求及有限元计算外，其余设备的基座避免使用惯用的经验设计，转为进行有限元计算优化，满足强度和振动要求，以减轻重量。4）管系支架方面也应按照船标要求的尺寸和间距进行设置，避免增加过多的支架。5）货舱内大量通风管道避免使用钢板卷制风管，可使用螺旋风管。避免使用组合式结构风管，多采用独立式薄壁风管。6）货舱内底板、平台板的理论线由传统的向下设置改为向上设置，从理论面上保持上表面的平齐，以便减少部分货箱调整板的厚度。第 3 期 79 7）电缆托架方面也应按照船标的要求尺寸和间距进行设置，设置多种托架宽度，部分区域可以使用轻质材料托架。8）严格按照使用位置选择舾装件标准，避免使用高等级舾装件，同级里选择较轻的材质或类型。如风雨密门或者舷窗，舱口盖等舾装件产品都有着不同类型、等级和应用位置。9）系泊设备方面，可以采用大抓力锚或超大抓力锚，锚的重量较普通无杆锚可以减轻 25%50%。采用高等级锚链，减小锚链直径，降低锚链重量。10）机器处所内地台板支架优化，非 A 类机械处所的地台板可采用铝合金材质；各类平台按需求设置成网板或者铝合金平台板。11）优化小型舾装件设计，如舱口盖上通风观察孔的扶梯，原设计为每个位置设计有扶手和踏板，不仅增加了空船重量，且影响了通道的通过性。优化为移动式梯子后，减轻了几吨的空船重量，还保证了舷侧通道 600 mm 的通过性要求。2.4 内装材料控制1）上层建筑内装采用铝蜂窝板，对比岩棉板的减重可以达到 20%左右。内装板的面板采用铝质结构可以比钢质减轻 50%左右。2）舱室内的家具制作材料尽量选择轻质板材，比如铝蜂窝板相较多层板可减重 60%左右。3）上层建筑地板尽量采用水火矫平，需要采用地板敷料处所尽可能采用轻质地板敷料。如传统水泥敷料密度为 2.5 t/m3，轻质敷料如环氧地板敷料，密度为 1 t/m3，减重效果明显。4）电缆托架在起居处所可采用网状电缆托架，在无防火要求的区域，可采用其它合金或者玻璃纤维等轻质复合材料。5）卫生单元、舱室门、座椅等大批量内装部件，采购时应考虑重量因素。6）甲板防火分隔可在下层顶部敷设防火绝缘以替代上层敷设防火敷料。7）绝缘材料方面目前常用的隔音隔热岩棉重量为 4 kg/m2，使用新型超轻矿物棉，重量仅为 1.2 kg/m2。每 1000 m2减重量 2.8 t，减重效果可达 70%。同样新型防火绝缘材料的减重效果也能达到 45%。8）内装施工主要施工区域为上层建筑，集装箱船的上层建筑较其它船舶上层建筑更高，内装控制主要减少的是水线以上区域的重量，这有助于降低船舶的重心高度，提升船舶的航行稳定性。2.5 设备选型1）在进行主机、发电机包括应急发电机、锅炉、舵机等大型设备选型时，首先避免功能或者功率过剩，其次考虑在其功率裕度和性能要求接近或者在满足要求的区间，进行重量的比较选择，根据实际情况选择最优化的设备。据某项目曾进行的设备重量分析统计，在同样满足设计需求的情况下，可选设备的重量偏差可达到 20%。2）考虑到船上各类阀体、泵浦及其配套的电动机数量众多，在进行泵浦及电动机的选型时也应考虑其成套重量。比如同种材料、压力等级和通径的情况下，蝶阀比截止阀的重量要轻 40%75%。2.6 其它措施1）可通过有限元计算，对各区域的结构进行强度校核计算，并进行局部结构优化。对于结构强度富裕的区域，可在满足规范要求的前提下进行构件折减，以减轻部分空船重量。2）相同横截面积下，球扁钢、扁钢比不等边角钢具有较高的剖面模数。因此，船体次要结构尽量采用球扁钢，降低部分空船重量。3）船舶上应用了大量的管系，除了按照规范要求选取管子厚度直径，避免冗余外，还可以进行建模优化管系走向，减少管系用量。同时可以采用轻质材料的管系，比如部分管系可使用铜镍合金管，在同样外径的情况下，如果采用铜镍合金管系厚度可以减少 50%左右，按密度折算后大概可以减轻重量 35%左右。部分管系可以采用玻璃钢管系，玻璃钢的密度是钢质密度的 24%。另外，在规范允许使用的位置满足相应条件，可以使用塑料管进行减重。3 结语空船重量控制是建造一艘满足设计要求、检验规范、能效指标的船舶必不可少的步骤。船舶设计和建造的各个阶段，都有众多的因素影响着重量控制。只有纵览全局、协同配合、精益求精才能实现重量控制的共同目标，从而更好地适应节能环保时代要求，满足船舶安全运营需要，不断提高市场竞争力。参考文献：1 马乔一,杨可明.4700TEU 船空船重量控制分析研究及实施方案 J.船舶工程,2016,38(2):23-28.2 李囡.提高船舶钢材利用率的方法探讨 J.船舶物资与市场,2023,31(1):4-6.3 中国船级社.材料与焊接规范 S.2021.4 中国船级社.钢质海船入级规范 S.2012.顾彪，等：新建集装箱船空船重量控制的措施探讨