江海直达船关键技术及应用研究综述.pdf

第 25 卷第 3 期武汉交通职业学院学报2023 年 9 月Vol.25 No.3Journal of Wuhan Technical College of CommunicationsSep.2023-2 -收稿日期:2023-08-25作者简介:王一雯(1990-),女,湖北武汉人,武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心助理研究员,博士,从事船舶结构安全可靠性研究。吴卫国(1960-),男,湖北黄冈人,武汉理工大学船舶与海洋工程国家重点学科首席教授,博士生导师,武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心总工程师,从事船舶与海洋工程结构安全性与可靠性研究。江海直达船关键技术及应用研究综述王一雯 吴卫国(武汉理工大学,湖北 武汉 430063)摘 要:江海直达运输具有独特的优势,在航运中发挥重要的作用。随着国家发展长江黄金水道高质量发展新战略的提出,对江海直达船也提出了节能环保、经济高效的要求。通过攻克新一代江海直达船型的主要关键技术难题,进一步提高江海直达船的运输效率和经济效益,同时降低对环境的影响。对长江经济带建设和“一带一路”建设、武汉长江航运中心建设和舟山江海联运服务中心建设等国家重大战略实施具有重要的支撑作用。江海直达船的产业化,可解决长江上大量老龄高耗船的换代,有效地节能减排,促进内河航运的发展。关键词:江海直达船舶;大型化;宽扁型 中图分类号:U674.1文章编号:1672-9846-(2023)03-0002-05 DOI:10.3969/j.issn.1672-9846.2023.03.001开 放科学(资源服务)标识码(OSID):一、引言江海直达船是一种为了提高江海运输效率而发展的船型。2018 年 11 月 16 日,阳逻港二期码头举行了一场盛大的仪式,庆祝国内首艘江海直达1140 型集装箱示范船“汉海1 号”的首航,标志着阳逻港迈开了迈向千箱级集装箱轮船的新篇章。作为长江中上游目前航行的最大集装箱船,此次首航在武汉航运史上具有重大的意义。与市场上现有的同类船型相比,示范船型在节能环保方面取得了显著进展,具备低耗能、低污染的特点,降低了 20%以上的单箱平均日油耗,完美地体现了节能环保的理念,因此被评为“2018 年全球明星船舶”。自从“汉海 1 号”营运以来,“汉海2 号”“汉海 3 号”“汉海 7 号”“汉海 5 号”等陆续投入运营,宣告武汉千箱级船队正式成形,组建起长江上的复兴号班列,标志着江海联运实现跨越式发展,这也标志着推动长江内河航运新变革的进程中,江海直达船型再迈坚实一步。本文旨在系统地综述江海直达船的关键技术研究及其应用,可以为相关领域的研究人员和实践提供参考。二、江海直达船发展概述(一)江海直达船江海直达船是一种基于江船和海船的创新船舶,它满足了中国船级社的“双规”要求,即同时符合国内航行海船入级规范(海规)和钢质内河船舶建造规范(内规)。通过集成创新,江海直达船在设计和建造过程中考虑了海船和江船的特点和要求。它能够在内河和海洋航行,兼有江船的操纵性能和海船的稳定性、耐波性、结构强度性能。在运营中,存在一种仅满足海洋规范要求的纯海船进入内河,这种类型的船只被归类为“海进江”型船舶。江海直达船不仅能在海上特定区域安全航第 25 卷总第 99 期武汉交通职业学院学报2023 年第 3 期-3 -行,也能适应江(河)航道水深、航道宽度等通航条件,是江海联运的重要运载工具之一;是提高运输效率、实现长江黄金水道价值的重要载体,具备在江河和海洋两种水域中直接运输,而无需转运货物或转换船舶的能力。江海直达船舶通常是针对特定的水域设计和建造的,需要具备适应不同水域环境的特殊设计和配置。船舶尺寸的选择和船体类型也依据不同水域的要求进行优化,以保证在江河和海洋航行时的适航性、安全性与经济性。(二)江海直达船发展历程1.国外发展二十世纪中叶,“远洋沿海内河”直达运输是欧洲各国航运界一直追求的目标。直达运输可避免货物在河口港中转,有利于减轻河口港的疏运压力。加快货物周转,减少货损货差。对煤矿石等大宗散货能明显减少对江水及环境的污染,对化学品、各种液货等危险品由于减少转载使运输更加安全可靠。欧洲各国在莱茵河和韦塞尔河、美国的密西西比河以及俄罗斯的伏尔加河等的江海直达运输开始迅速发展。莱茵河是欧洲最重要的通航河流,经过整治的干支流航道,可通行13507000 吨级的海轮,货运总量(德国段)达 2亿吨左右,是世界上航运价值及利用效率最高的河流1。当前国外的江海直达船所面临海况不及我国江海直达船舶出海所面临的海况复杂,且由于江段航道的限制导致国外江海直达船型偏小,欧洲内河流域江海直达航线图和欧洲埃姆斯河的江海直达船如图 1 所示。图 1 欧洲内河流域江海直达航线图和欧洲埃姆斯河的江海直达船 2.国内发展内河船在海域航行时,由于遭遇海况的复杂性波浪载荷相对较大,影响结构安全可靠性;同时由于沿江桥梁限高以及航道水深等限制条件,型深及吃水均受限,海船若经长江航道抵达内陆城市,需减载航行至长江下游港口再分卸及转运至多艘内河船,称之为江海联运。该方式不仅耗时长、货损率高以及运营成本高,并且多环节中转也易造成流域环境的污染,不利于长江黄金水道航运的绿色发展以及生态保护2。相比于传统江海联运模式,不经过中转码头而直接连通内河和沿海航线的江海直达运输具有中间运输环节少、运达速度快以及货差货损低等优点,每吨材料的运输费可节约 10%20%3,我国内河航道路线图和航行于长江中上游最大集装箱船“汉海 1号”如图 2 所示。与国外成熟的江海联运模式相比,我国的江海直达运输在 2010 年后才开始迅速发展。李克强总理在 2014 年的国务院常务会议上提出,要继续提升长江黄金水道的功能,推广江海直达船型,鼓励发展节能环保型船舶。2016 年,国务院批准了关于规划舟山市为江海联运服务中心的建设方案,并提出了加快江海直达船型研制与推广应用的要求。2017 年 4 月,交通运输部发布了关于推进特定航线江海直达运输发展的意见。2018年 8 月,交通运输部又发布了深入推进长江经济带多式联运发展三年行动计划,提出要尽快完善江海直达运输系统。因此,加快江海直达运输的发展,是推进我国交通供给侧结构性改革以及建设现代化综合运输体系的重要内容。王一雯,吴卫国:江海直达船关键技术及应用研究综述-4 -图 2 我国内河航道路线图和航行于长江中上游最大集装箱船“汉海 1 号”同时,长江经济带横跨我国东部、中部和西部三个主要地区,涵盖了全国 11 个省市。截至2016 年,该地区的人口和经济规模均占全国的40%以上,并且逐年增长。作为我国重要的经济动力源泉和工业制造基地,长江经济带在经济发展和战略地位方面具有显著的优势,并被列为国家发展战略。2017 年 2 月 16 日,交通运输部发布了关于推进长江经济带江海直达运输发展的意见(征求意见稿),指出江海直达运输能够有效提升长江黄金水道的运输效率,在综合运输系统中发挥着重要作用4。2018 年 2 月国家正式批复武汉长江中游航运中心总体规划,规划中指出武汉长江中游航运中心将着力实现“三中心、一门户”的战略定位。但是长江运输船舶缺乏统一技术标准,“海船难进江,江船难出海”是长江航运产业发展面临的瓶颈之一。开发载量大、节能环保的江海直达新船型,完成目前长江老旧船舶的更新换代,实现江海联运,可有效推进长江航运产业发展,促进经济增长空间从沿海向内陆拓展并带动中上游腹地发展,优化沿江产业结构形成新的区域增长极,从而推动长江上、中、下游地区协调发展。2018 年 4 月,习近平总书记在湖北武汉主持了一场座谈会,就如何深入推动长江经济带发展发表了重要讲话。在贯彻实施我国“一带一路”建设的大背景下,长江经济带作为海上丝绸之路向内陆延伸的重要依托,具有独特的优势。长江经济带和海上丝绸之路的协同发展需要强大的物流运输能力作为支撑,因此江海联运模式的战略优势更为显著。开发江海直达节能环保船这类新船型,将为长江黄金水道以及“一带一路”建设提供重要的物流支持5。三、江海直达船舶的关键技术及研究受长江航道特别是中游航道水深的限制,新一代江海直达船型因大型化而呈宽、浅、肥大的特点,常规船型难以满足性能要求,必须采用理论与试验相结合的研究方法,攻克宽扁、浅吃水船型在安全技术、节能技术、绿色技术应用等方面的关键技术难题,以达到安全、降耗和环保的目标6。(一)新一代江海直达船型解决的主要关键技术难题当前新一代江海直达船型解决的主要关键技术难题主要有以下几个方面。1.“设计建造检验”规范法规体系仍属空白。目前仍然缺少针对我国复杂海况和内河航道的江海直达船强度标准。2.江海直达船型宽扁化、大型化技术尚未形第 25 卷总第 99 期武汉交通职业学院学报2023 年第 3 期-5 -成,且存在困境。由于自然航道的限制,江海直达船宽深比严重受限,开发的江海直达船型呈宽扁、首尾丰满、平行中体相对较长的特点,需要对船舶的首尾线型进行优化设计7。同时江海直达船型的快速性、江段操纵性和海段耐波性存在矛盾,需要降低阻力和砰击载荷,提出宽扁船型快速性、江段操纵性和海段耐波性的综合优化技术。3.江海直达船型结构轻量化设计方法尚未建立,结构安全可靠性与轻量化的矛盾需要得到统一。考虑宽扁船型波激砰击颤振响应分析难题,保证结构安全性;校核江海直达船型的极限承载能力以及疲劳强度。4.节能环保措施与方法亟待提升。江海直达船型属于宽扁肥大船型,一般采用双尾鳍形式,航行过程中螺旋桨桨盘面来流不均匀,表现出强烈的非线性。针对船型特点开发的相关节能附体,改善来流品质。开发出具备适伴流、抗空泡、低振的高效螺旋桨是有效降低能耗的关键。(二)主要研究工作内容1.构建江海直达船舶的“设计建造检验”规范法规体系,填补国内外研究空白,从而为江海直达船舶的设计与制造提供了根本依据。在研究中,根据江海直达船型特点和航线波浪载荷特性,运用数值模拟、实船与模型实验技术,研究在超规范宽深比(B/D)条件下船体结构承受各种复杂载荷的极限承载能力,确定船体结构安全与轻量化设计准则,以求突破江海直达船舶现有规范最大宽深比(B/D)的限制,从而实现江海直达船舶的大型化,并提出了江海直达船舶强度校核标准。2.“宜江宜海”船型技术研究。开展首型、尾型参数对快速性影响研究,在研究中通过首型方案的数值模拟与试验,得到不同艏型、首部纵/横向曲率、排水体积垂向分布对船舶绕流场与阻力的影响,同时考虑尾鳍间距、尾鳍角度、预旋、体积比等参数对船舶快速性影响。发明低阻、抗砰击首型,结合低阻、低推力减额、高推进效率的外旋双尾鳍尾型。针对宽扁型江海直达船舶对江段灵活操纵性、海段优异耐波性以及降低砰击载荷的需求,研究中结合高精度水池试验、精细化流场显示的数值模拟、船舶水动力最优化技术,发明了具有低阻抗砰击垂直首型、低推力减额高推进效率预旋双尾鳍尾型等技术特点的宽扁肥大江海直达船线型,有效协调船型参数在江段快速性、操纵性与海段耐波性之间的矛盾。3.建立安全可靠的结构轻量化技术,江海直达船舶载荷结构一体化设计方法。创新性地建立了船体复杂结构水弹塑性分析方法、变频变幅载荷作用下疲劳强度分析及评估方法、波激及砰击作用下动响应分析方法以及结构优化设计方法。解决宽扁船型疲劳强度评估的关键技术难题,针对江海直达船型所受江段载荷幅值较小、海段载荷幅值较大的特点,通过引入“航线影响因子”和“非线性载荷耦合损伤因子”等参量,表征了江海段载荷交互作用和高低频载荷叠加导致的耦合损伤对疲劳性能的影响,从而提出江海直达船体结构疲劳强度分析方法和评估准则。在安全可靠前提下进行轻量化结构设计,针对宽扁型江海直达船结构极限承载能力和安全储备分析的需求,结合非线性有限元、结构畸变相似模型设计与试验等手段,建立宽扁船型船体结构极限强度与构件尺寸的数学模型与极限强度分析的试验与数值计算方法,从而获得安全可靠的轻量化船体结构。4.江海直达船高效推进技术。创新构建宽扁江海直达船舶粘性绕流场分析系统,建立江海直达船综合节能方法。应用计及自由面、浅水效应、船舶航态以及船桨耦合的粘性绕流场,进行伴流场特性分析,发明导流鳍、毂帽鳍等节能附体以及适伴流、抗空泡、低振、高效螺旋桨,有效实现节能减排。根据水池试验和数值方法得到的江海直达船尾部流场分布特征和规律,结合适伴流的螺旋桨设计方法发明设计桨前导流鳍系统。通过该系统的流场控制可以提高螺旋桨来流质量,提升推进效率,同时减缓了伴流不均匀导致的螺旋桨叶片负荷脉动及其导致的振动问题。基于环流理论并结合尾型及桨盘面处流场细节构建了高效螺旋桨设计平台,设计中采用了叶稍卸载、大侧斜、抗空泡剖面等技术,能够有效地解决江海直达船型桨盘处轴向、周向伴流不均匀导致的螺旋桨负荷周期性变化引起的推进效率不高、诱导船体振动与噪声的问题。5.长效防污高效减阻技术。创新地将石墨烯和纳米油结合实现长效防污、高效减阻的表面涂王一雯,吴卫国:江海直达船关键技术及应用研究综述-6 -层通过气流量自适应智能控制,在船底形成均匀气层,有效减小摩擦阻力。表面减阻可实现节能10%以上。上述江海直达船舶的关键技术研究不仅适用于特定航线的船型,基础共性的技术同样能够为将来的新航线和新船型的开发提供支持。四、江海直达船发展面临的挑战及未来发展趋势随着江海直达运输需求的不断增长,规范中的两条特定航线显然无法满足长江经济带的发展需求,未来江海直达航线将不断向深远海发展。以武汉新港为例,江海直达航线将延伸至韩日乃至东南亚地区,如图 3 所示。随着海段航线的延伸,江海直达船遭遇海上风浪载荷作用时间越长,结构强度的问题也愈加严重。图 3 武汉新港“江海直达船”航线示意由于江海直达运输船需要既能适应内河弯曲狭窄和浅水航道,又要能适应海上较大风浪、有良好的稳性和结构强度,同时还受到长江航道上桥梁的限高和水深的限制,江海直达船的总体设计思路与海船、内河船在设计思想上也是不同的8-9。未来新型的江海直达船会向宽扁化、肥大型方向发展。宽扁型江海直达船舶既在江段航行又在海域航行,其遭遇波浪环境变化范围较大10,并且由于其非常规船型结构特点,开展宽扁型船体结构在非线性波浪载荷下的结构安全可靠性分析研究,对该新船型的设计优化以及安全性评估具有重要的意义11。由于没有专门的江海直达船的设计规范,其主尺度的要求和船体结构方面的设计,主要是按照钢质海船入级规范12中的规范进行设计和校核的。传统江海直达船与海船并没有较大的差别,由于钢质海船入级规范对船舶主尺度的限制主要是考虑海船在海上航行时的安全性,因此这种船型并没用充分地考虑内河环境的因素,从而导致江海直达船的经济性并未充分发挥。如果按照海船规范中对主尺度的要求进行设计,那么江海通航船型由于型宽受到规范的限制,并不能满足江海直达船大型化的发展趋势。鉴于此,2017 年中国船级社(CCS)颁布了特定航线江海通航船舶建造规范13。基于特定航线江海通航船舶的风浪条件,对船舶总纵强度、扭转强度等方面提出了相关要求。然而,目前仍缺乏针对江海直达船特定航线的疲劳校核方法。CCS 发 布 的 船 体 结 构 疲 劳 强 度 指 南(2015)考虑了不同航区对船体结构疲劳强度的影响,并提供了针对船舶在特定航区航行的修正系数。然而,对于江海通航船舶,其航线特点是在沿海和内河之间交替航行,即江海直达船需要频繁穿越不同航区。CCS 规范中并未提供针对此类部分运营周期航行于内河的特殊航线下的修正系数。由于船舶在不同航线下所处的波浪环境不同,疲劳载荷谱也存在差异,因此船舶的疲劳寿命也会因此而有所不同。因此,建议对江海直达船进行疲劳校核时,应考虑其交替航行于沿海和内河的特点,开发适用于此类船舶的疲劳校核方法14。当前,江海直达船的发展趋势主要表现在以下几个方面。首先,船舶技术的不断创新使得江海直达船的运载能力和效率得到了显著提升。其次,政府的支持政策和投资对江海直达船的发展起到了积极的推动作用。再次,新一代信息技术的应用使得江海直达船的运输管理更加智能化和高效化。最后,经济全球化的发展和贸易需求的增长也为江海直达船的发展提供了良好的机遇。五、总结与展望在当前全球经济一体化的背景下,江海直达船作为一种新兴的物流运输方式,具有广阔的发展空间和潜力。宽扁型江海直达船舶成功产业化,将极大地提升长江干线的航运能力,实现长江数以万计的老龄、高耗、低效船舶的更新换代,将产生万亿级的产业市场价值,具有巨大的经济和社会效益。通过解决新一代江海直达船型“设计建造检验”规范法规体系、宽扁化大型化技术、(下转第 45 页)第 25 卷总第 99 期武汉交通职业学院学报2023 年第 3 期-45 -注释:交通运输部网友留言EB/OL,https:/ 周振超,黄洪凯.中国条块体制的内涵意蕴与独特功能J.学术界,2023(01):57.2 黄海华.新行政处罚法的若干制度发展J.中国法律评论,2021(03):53-54.3 袁雪石.中华人民共和国行政处罚法释义M.北京:中国法制出版社,2021:134.4 刘连泰.行政处罚中择一重罚规则的体系化阐释J.法学研究,2022(01):44.5 吴鹏.“联合执法”应纳入法治的轨道J.云南大学学报(法学版),2005(06):25.6 章剑生.行政罚款适用规则的体系性解释:基于行政处罚法第 29 条展开的分析J.政法论坛,2022,40(04):25.7 王希禹.法条竞合与想象竞合的区分与适用J.浙江万里学院学报,2020,30(01):45-46.8 陈兴良.口授刑法学M.北京:中国人民大学出版社,2007:372.9 张明楷.法条竞合与想象竞合的区分J.法学研究,2016,38(01):129-140.10 黄竹智.行政处罚法(2021 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