礦砂船

礦砂船船型介紹

40 萬噸超大型礦砂船CHINAMAX 是由上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）為國(guó)際三大鐵礦石巨頭之一的巴西淡水河谷礦業(yè)有限公司開發(fā)的一種新船型。關(guān)于振動(dòng)研究一般都集中于集裝箱船和LNG 等船型，這些船由于振動(dòng)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)振動(dòng)性能指標(biāo)提出了較高的要求。作為世界上最大礦砂船CHINAMAX 的首制船，為了全面評(píng)估該船的振動(dòng)性能，船東對(duì)振動(dòng)計(jì)算提出了很高的要求。事實(shí)上本船型由于自身噸位過大的特點(diǎn)，的確可能存在比較嚴(yán)重的振動(dòng)災(zāi)害。

考慮到經(jīng)濟(jì)性，本船型在同類船舶中航速較快，選用的主機(jī)功率大，質(zhì)量大，輸出力矩也比較大。原始設(shè)計(jì)中基于發(fā)動(dòng)機(jī)廠商的推薦，主機(jī)雙側(cè)均未加橫撐，留下了比較大的安全隱患，須通過計(jì)算加以驗(yàn)證。在現(xiàn)有同類實(shí)船中，橋樓甲板兩翼由于進(jìn)港等操作需要，按照規(guī)范必須延伸到舷側(cè)，延伸長(zhǎng)度一般很長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)上異常薄弱，這樣就引發(fā)了很多振動(dòng)問題。對(duì)于本船來說，這一問題尤其明顯，因?yàn)橐獫M足舾裝要求，橋樓甲板處上層建筑寬度僅有15.2m，這樣兩翼長(zhǎng)度各達(dá)到了創(chuàng)記錄的24.5m，必須要精細(xì)計(jì)算該處的振動(dòng)性能。考慮到作為震源的螺旋槳和主機(jī)發(fā)出的激勵(lì)傳遞到兩翼，要涵蓋艉部，機(jī)艙，上層建筑的幾乎所有區(qū)域，本船型要求精細(xì)建模計(jì)算的范圍是比較廣的。

由于本船噸位大，對(duì)強(qiáng)度要求非常高，全船大部分區(qū)域型材尺寸都很大。基于此，螺旋槳和主機(jī)作為常規(guī)振源，對(duì)本船大部分的結(jié)構(gòu)影響是很有限的。大噸位船舶固有頻率肯定非常低，而海浪的固有頻率一般為0.4~0.5Hz，這樣海浪的彈振和拍振對(duì)于本船型中部型材的疲勞壽命將會(huì)有非常大的影響。為此，船東提出在挪威MARINTEC 針對(duì)本船型做海浪的彈振和拍振試驗(yàn)。作為開展這項(xiàng)試驗(yàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，必須在先期精確計(jì)算出本船型滿載和壓載條件下的兩節(jié)點(diǎn)垂向固有頻率?；诒敬瓦@些特點(diǎn)和船東的要求，就要求通過全船有限元分析來校核全船振動(dòng)特性和艉部，機(jī)艙，上層建筑等部位的振動(dòng)預(yù)報(bào)，還要對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行局部模態(tài)分析以避開主要激勵(lì)源頻率。

礦砂船有限元模型

使用SDARI 引進(jìn)的大型有限元建模計(jì)算軟件PATRAN/NASTRAN 建立有限元模型。本船因?yàn)橐缶_計(jì)算出整個(gè)艉部（包括船尾，舵，上層建筑，機(jī)艙）的響應(yīng)特性，必須要對(duì)這個(gè)區(qū)域精細(xì)建模以反映該區(qū)域的所有結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。另一方面本次計(jì)算還擔(dān)負(fù)著給彈振和拍振試驗(yàn)提供精確的全船兩節(jié)點(diǎn)垂向固有頻率的任務(wù)，這樣，貨艙區(qū)和首部雖然不用精細(xì)建模，但是也不能象普通振動(dòng)計(jì)算那樣用一根船體梁來模擬。

主船體板如甲板、艙壁、圍壁、肋板、外板等采用三節(jié)點(diǎn)或者4 節(jié)點(diǎn)板單元模型；桁材，扶強(qiáng)材以及加強(qiáng)筋采用帶有彎曲要素的梁?jiǎn)卧M；一些特殊結(jié)構(gòu)如尾部鑄鋼件采用體單元模擬，并且用MPC 連接以解決體單元板單元自由度不匹配的問題。對(duì)于前面所述的細(xì)化區(qū)域網(wǎng)格大小采用縱骨間距 ×肋距，以期盡可能反映所有結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。對(duì)于貨艙區(qū)和首部采用強(qiáng)框間距的網(wǎng)格尺寸，使之在不失精確度的前提下最大程度地節(jié)省計(jì)算機(jī)和人力成本。

礦砂船質(zhì)量分布

和強(qiáng)度計(jì)算不同，振動(dòng)計(jì)算不僅要考慮結(jié)構(gòu)剛度，而且要考慮船舶質(zhì)量，兩者對(duì)于振動(dòng)計(jì)算結(jié)果的影響是并重的。從質(zhì)量組成考慮，可以分為空船質(zhì)量和裝載質(zhì)量?jī)纱箢惪紤]?？沾|(zhì)量又可以分為結(jié)構(gòu)質(zhì)量和非結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)深?。裝載質(zhì)量也必須分為滿載質(zhì)量和壓載質(zhì)量?jī)深愝d況加以分析，然而無論哪種載況，裝載質(zhì)量又都必須考慮船舶載重量和船體的附加水質(zhì)量。下面分別加以分析。

模型細(xì)化部分對(duì)于質(zhì)量模擬的仿真度要求是非常高的。基于此，這部分模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量不采取任何常規(guī)配重的方法，比如修改不同部位的結(jié)構(gòu)密度，配點(diǎn)質(zhì)量等等方法。本文對(duì)于這部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量采用了開孔板厚折減，板縫線平均板厚等辦法用以仿真結(jié)構(gòu)質(zhì)量的空間分布。經(jīng)過測(cè)算，有限元結(jié)構(gòu)重量?jī)H比實(shí)船小2%，但是船體模型空間剛度和質(zhì)量的分布得到了較好的模擬。對(duì)于貨艙區(qū)和首部的粗模區(qū)域，采取了調(diào)整該區(qū)域密度分布的方法使之結(jié)構(gòu)質(zhì)量和實(shí)船基本一致，并且質(zhì)量分布也在一定程度上滿足工程計(jì)算要求。

船舶質(zhì)量的組成中不僅有鋼組成的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，也包括甲板敷料，舾裝件，輪機(jī)件等非結(jié)構(gòu)質(zhì)量。這些非結(jié)構(gòu)質(zhì)量既可以采用板，梁等單元自帶的用單位面積（長(zhǎng)度）附帶質(zhì)量表述的非結(jié)構(gòu)質(zhì)量模擬，也可以用質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量模擬。具體采用哪種方法可以靈活運(yùn)用，但基本原則是一要盡可能模擬質(zhì)量的空間分布（質(zhì)心分布），二是避免大質(zhì)量區(qū)域集中，以免計(jì)算時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量突變，造成結(jié)果失真。

主機(jī)的模擬也是這次計(jì)算的重點(diǎn)。為了真實(shí)反映主機(jī)機(jī)架的剛度特性，有些船級(jí)社如GL 已開發(fā)出較為成熟的軟件。該軟件采用平面應(yīng)力單元將柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很好地模擬出來并且實(shí)現(xiàn)了模塊化。使用時(shí)可以方便地將主機(jī)有限元模型整合到整船模型中去。這樣不僅便于振動(dòng)響應(yīng)時(shí)施加激振力矩，而且能準(zhǔn)確計(jì)算出主機(jī)機(jī)架和雙層底組成的系統(tǒng)的固有頻率，看有無和主機(jī)激勵(lì)發(fā)生共振的可能性。然而對(duì)于本項(xiàng)目而言要做到這些并不容易，因?yàn)楂@得廠商的主機(jī)結(jié)構(gòu)圖紙是不太現(xiàn)實(shí)的。值得注意的是，對(duì)于大型低速柴油機(jī)而言，主機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)剛度對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響很小。這是由于主機(jī)質(zhì)量非常大，剛度也很大，發(fā)生的振動(dòng)是近乎純彎曲型振動(dòng)而非剪切型振動(dòng)。對(duì)這種類型的振動(dòng)起決定因素的是支撐結(jié)構(gòu)的剛度而不是振動(dòng)結(jié)構(gòu)物本身的剛度；應(yīng)用到這次計(jì)算中，起決定因素的是雙層底的剛度而不是主機(jī)機(jī)架本身的剛度，即使將主機(jī)模擬成剛體也僅僅會(huì)帶來最多5%的誤差?；谶@條原理，我們用板、梁、點(diǎn)單元來模擬主機(jī)機(jī)架，保證總剛度，外形尺寸及質(zhì)心三向坐標(biāo)和主機(jī)規(guī)格書中給出的一致；并且對(duì)主機(jī)和雙層底組成的系統(tǒng)做局部模態(tài)分析。

裝載質(zhì)量的變化對(duì)于船體振動(dòng)模態(tài)會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。目前國(guó)際上對(duì)于振動(dòng)計(jì)算都要求針對(duì)滿載和壓載兩種極端載況分別做振動(dòng)分析。滿載時(shí)要模擬貨物，壓載時(shí)要模擬壓載水。一般采用集中質(zhì)量單元或者實(shí)體單元來模擬這些質(zhì)量，本例全部采用實(shí)體單元來模擬貨物和壓載水質(zhì)量。另外，本文還在水密邊界采用集中質(zhì)量單元來模擬燃油，淡水等物資。

附連水質(zhì)量是振動(dòng)計(jì)算中不能忽視的一個(gè)要素。通常采用基于Lewis 經(jīng)驗(yàn)公式的三維勢(shì)流理論或者基于流固耦合分析的源匯分布法進(jìn)行計(jì)算。本文采取了后者，以使計(jì)算盡量精確。MSC/NASTRAN運(yùn)用Helmholtz 源匯分布方法來求解Laplace 方程。在該方法中將流體的作用和結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)表示為分布在流固邊界面上的脈動(dòng)源，進(jìn)一步離散成有限個(gè)源點(diǎn)。源強(qiáng)的值決定了分布源所產(chǎn)生的速度勢(shì)和有效壓力，進(jìn)而反推出質(zhì)量矩陣，得到附連水質(zhì)量的準(zhǔn)確分布。本例在運(yùn)用該法時(shí)通過定義濕表面單元和吃水高度，并且將首尾吃水縱傾一并考慮，準(zhǔn)確定義了兩種載況下的附連水質(zhì)量。

礦砂船主要激勵(lì)

船體振動(dòng)激勵(lì)主要有螺旋槳、主機(jī)和海浪。螺旋槳激勵(lì)分為軸承力,舵力和表面脈動(dòng)壓力；主機(jī)激勵(lì)分為1，2 階不平衡力矩和H，X，L 型激勵(lì)；海浪則有彈振和拍振激勵(lì)。按照常規(guī)最主要的激勵(lì)源是螺旋槳葉頻和倍葉頻脈動(dòng)壓力；主機(jī)的2 階不平衡力矩和H,X 型激勵(lì)；其他激勵(lì)與之相比甚小，可以忽略不計(jì)。本次計(jì)算采用這些常規(guī)激勵(lì)。當(dāng)然，40W 噸VLOC 的特殊性在于船體過大，總振動(dòng)頻率過低，故有可能在海浪激勵(lì)下發(fā)生較大的振動(dòng)。這方面已經(jīng)通過在挪威進(jìn)行的彈振和拍振試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，不在本文討論范圍之內(nèi).

螺旋槳激勵(lì)

螺旋槳誘導(dǎo)的對(duì)船體尾部表面的脈動(dòng)壓力是船體振動(dòng)最主要的激勵(lì)源之一，可分為非空泡螺旋槳和空泡螺旋槳產(chǎn)生的壓力。目前一般采用經(jīng)驗(yàn)公式、模型試驗(yàn)和CFD 理論計(jì)算這幾種方法。經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，但準(zhǔn)確度不是太高。模型實(shí)驗(yàn)雖然準(zhǔn)確，但只可能得到船尾脈動(dòng)壓力峰值，而如果要得到壓力分布，則需要的測(cè)點(diǎn)太多，實(shí)際操作是不現(xiàn)實(shí)的。CFD 理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，但是成本高昂，而且空泡汽化破裂過程是非常難以模擬的。即使是CFD 計(jì)算也需要結(jié)合模型試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整參數(shù)，工程上運(yùn)用該方法代價(jià)太大，除非潛艇，豪華郵輪等特種船舶，否則不適合推廣運(yùn)用。

本次計(jì)算中結(jié)合模型試驗(yàn)修正Holden 回歸經(jīng)驗(yàn)公式，以此來計(jì)算螺旋槳脈動(dòng)壓力。作為目前最為廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式，即Holden 法，是DNV 于1979 年在72 條實(shí)船上總結(jié)出來的回歸經(jīng)驗(yàn)公式。該法操作簡(jiǎn)便，能夠分別模擬空泡螺旋槳和非空泡螺旋槳產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力并將其合成，并且壓力作用范圍波及全船濕表面，不象絕大多數(shù)類似經(jīng)驗(yàn)公式只能模擬出螺旋槳上方D×D 范圍內(nèi)的壓力，計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，且非常適合有限元加載。本文結(jié)合MARINTEC 水池模型實(shí)驗(yàn)，修正了該公式的幾項(xiàng)重要伴流參數(shù)使得螺旋槳上方脈動(dòng)壓力和實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近并留有一定的安全余量。本文還運(yùn)用PCL 對(duì)PATRAN 進(jìn)行二次開發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了Holden 法的加載，壓載情況類似，限于篇幅，就不再給出了。

礦砂船振動(dòng)計(jì)算

整船振動(dòng)評(píng)估

對(duì)于整船振動(dòng)的評(píng)估首先是計(jì)算整船的固有頻率，然后將它和主要的激勵(lì)頻率對(duì)比，看它是否能避開主要的激勵(lì)頻率。由于本船噸位很大，前幾階固有頻率肯定非常低，所以不可能發(fā)生因?yàn)槁菪龢椭鳈C(jī)激勵(lì)引起的全船總振動(dòng)，這里主要考察海浪為激勵(lì)源的總振動(dòng)評(píng)估，這已在挪威進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)檢驗(yàn)，這里不再贅述。

阻尼

阻尼在自由振動(dòng)計(jì)算中沒有用處，在時(shí)域響應(yīng)計(jì)算中作用有限，但是在本文的頻域響應(yīng)計(jì)算中卻有著重要的作用。眾所周知，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)特性中，振幅取決于力學(xué)品質(zhì)因素Q，該值越大，則共振時(shí)產(chǎn)生的振幅越劇烈。根據(jù)式Q=ωM/R，此處ω為圓頻率，M 為振動(dòng)參與質(zhì)量，R 為阻尼。我們可以得出結(jié)論：在結(jié)構(gòu)固有頻率和振型都得到確認(rèn)的情況下，共振時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)幅度將完全取決于阻尼和激振力的大小。且阻尼越小，振動(dòng)越劇烈。

阻尼可視為粘性阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼和摩擦阻尼的合成。其中占主導(dǎo)因素的結(jié)構(gòu)阻尼機(jī)理至今還不清楚，難以量化；粘性阻尼可以通過水動(dòng)力分析得到；摩擦阻尼在動(dòng)力學(xué)分析中一般不考慮。因?yàn)樽枘嶂的壳斑€不可能通過數(shù)值計(jì)算得到，一般采用經(jīng)驗(yàn)的臨界阻尼值來設(shè)置。真實(shí)的臨界阻尼值隨著頻率的升高而增大，不同船級(jí)社有不同的阻尼的推薦值。因?yàn)槭鞘字拼诒容^分析了幾家船級(jí)社的推薦值后，本文選取了偏于安全的由ABS 推薦的恒定臨界阻尼值1.5%。

礦砂船結(jié)論

通過對(duì)40 萬噸礦砂船全船和局部的振動(dòng)研究，可得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于總振動(dòng)的預(yù)報(bào)采用強(qiáng)框間距的粗網(wǎng)格建模是合理的，但是用于局部振動(dòng)的預(yù)報(bào)計(jì)算誤差比較嚴(yán)重。計(jì)算中嘗試在重點(diǎn)區(qū)域用縱骨間距的細(xì)網(wǎng)格建模，并且合理分配節(jié)點(diǎn)剛度和質(zhì)量，避免剛度突變和質(zhì)量突變，最大限度減少了局部模態(tài)的數(shù)目和影響；并且在計(jì)算中運(yùn)用了靜態(tài)凝聚方法來觀察所要考察的局部模態(tài)。結(jié)果證明該方法行之有效而且計(jì)算準(zhǔn)確。

（2）振動(dòng)載荷分為原發(fā)性載荷比如螺旋槳葉頻、倍葉頻激振力和主機(jī)不平衡力矩等，以及繼發(fā)性載荷如主機(jī)H、X、L 型機(jī)架振動(dòng)等。對(duì)于繼發(fā)性載荷不能簡(jiǎn)單將載荷加載在船體上，必須考慮二次振源本身的特性，計(jì)算中發(fā)現(xiàn)必須將主機(jī)本身的剛度，質(zhì)量和主機(jī)船體連接剛度模擬準(zhǔn)確，才能得到H 型振動(dòng)等繼發(fā)性載荷對(duì)船體的真實(shí)影響。

（3）船舶振動(dòng)時(shí)，舷外水也隨之振動(dòng)，因此需要考慮附加水質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。傳統(tǒng)的Lewis 法只適用于有限低階次振動(dòng)的附連水質(zhì)量計(jì)算，基于流固耦合分析的源匯分布法能突破這個(gè)限制，并且計(jì)算精度也有一定提升。

（4）大功率低速柴油機(jī)的主機(jī)機(jī)架振動(dòng)是目前大噸位船舶最主要的振源之一，在主機(jī)頂部和主船體之間添加橫撐是目前針對(duì)此類振動(dòng)的首選對(duì)策。橫撐種類、數(shù)量、剛度和橫撐所接觸的船體剛度都有特定的要求，這些要求因船而異，因主機(jī)型號(hào)而異。這些參數(shù)要求可以通過有限元計(jì)算得到。如果這些要求得不到滿足，那么安裝橫撐不僅不能減小船體振動(dòng)，甚至有可能加劇振動(dòng)。

礦砂船船型設(shè)計(jì)

我國(guó)作為一個(gè)航運(yùn)大國(guó)，遠(yuǎn)洋船舶運(yùn)輸動(dòng)力主要以燃油為主；隨著國(guó)際能源緊張、石油價(jià)格飛漲，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與燃油的供需矛盾日益突出。同時(shí)，國(guó)際組織對(duì)航運(yùn)業(yè)減排要求的提高，以燃油為動(dòng)力的商船面臨新的選擇，亟需可替代能源去適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求。

核動(dòng)力船舶以其無溫室氣體排放的顯著優(yōu)點(diǎn)逐步受到人們的重視。然而，發(fā)展和使用核動(dòng)力商船需要巨大的投資成本。因此，分析和比較核動(dòng)力商船與普通燃油商船的運(yùn)行成本，是核動(dòng)力商船的投入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵前提。目前，國(guó)外關(guān)于核動(dòng)力商船經(jīng)濟(jì)性分析與論述的研究相對(duì)較少，至今國(guó)內(nèi)尚未有相關(guān)論述及研究的報(bào)道。本文以38.8 萬噸礦砂船為目標(biāo)船型，將普通燃油礦砂船與核燃料富集度分別為4.45%和16.5%的核動(dòng)力礦砂船在全壽命周期內(nèi)的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析、比較和總結(jié)，為核動(dòng)力礦砂船的經(jīng)濟(jì)可行性奠定基礎(chǔ)。

礦砂船費(fèi)用分析

1.1 目標(biāo)船型

核動(dòng)力商船的成功應(yīng)用，首先必須要求核動(dòng)力商船在經(jīng)濟(jì)上是可行的（即：運(yùn)行成本小于或等于普通燃油商船）。核動(dòng)力商船應(yīng)用的潛在目標(biāo)船型主要包括：集裝箱船，礦砂船，油船等大型運(yùn)輸船舶。本文以38.8 萬噸礦砂船為目標(biāo)船型，全壽命周期為25 年。

1.2 運(yùn)行費(fèi)用主要構(gòu)成

商船運(yùn)行費(fèi)用主要分為三類：

（1）建造投資費(fèi)用。它包括船舶動(dòng)力裝置投資費(fèi)用與船體整體投資費(fèi)用，其中商船整體投資費(fèi)用應(yīng)含有銀行5%的利息。同時(shí)船的拆卸回收費(fèi)用需在建造費(fèi)用中扣除。對(duì)于核動(dòng)力商船，建造投資費(fèi)用還包含退役費(fèi)用。

（2）燃料費(fèi)用。對(duì)于普通商船，燃料費(fèi)用為重油燃燒的費(fèi)用，核動(dòng)力商船燃料費(fèi)用為核燃料燃燒的費(fèi)用。其中核燃料分為富集度4.45%和16.5%兩種類型。關(guān)于核燃料的后處理費(fèi)用，目前只有美國(guó)和法國(guó)具有相對(duì)成熟的后處理技術(shù)，國(guó)際上還未形成核燃料后處理費(fèi)用的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)還未掌握核燃料后處理技術(shù)。與此同時(shí)，相比我國(guó)陸上大型核電站，核動(dòng)力船舶核燃料量較少，核燃料的后處理可歸入國(guó)家核電站核燃料統(tǒng)一處理（深埋）。因此，核動(dòng)力船的核燃料后處理費(fèi)用較低，核燃料的費(fèi)用計(jì)算中暫不考慮核燃料的后處理費(fèi)用。

（3）運(yùn)行與管理費(fèi)用。運(yùn)行與管理費(fèi)用包含很多內(nèi)容，主要以人員工資、折舊費(fèi)和維修費(fèi)用為主。此外，核動(dòng)力商船運(yùn)行與管理費(fèi)用還包括換料費(fèi)。全壽命周期運(yùn)行費(fèi)用為建造投資費(fèi)用（含利息）、燃料成本費(fèi)用和運(yùn)行管理費(fèi)用之和。

1.3 影響因素

商船的運(yùn)行費(fèi)用應(yīng)為全壽命周期的運(yùn)行費(fèi)用。由于國(guó)際能源供應(yīng)形勢(shì)的轉(zhuǎn)變，油價(jià)的變化被認(rèn)為是商船運(yùn)行費(fèi)用中變化幅度最大的因素。但是，在全壽命周期內(nèi)，鑒于普通商船與核動(dòng)力商船運(yùn)行費(fèi)用之間的比較，通常須要假定油價(jià)是固定不變，本文中的油價(jià)假定為480 美元/t，即80 美元/桶（2011年國(guó)際石油價(jià)格約為100 美元/桶）。除此之外，商船建造投資償還銀行利息會(huì)提高商船的運(yùn)行費(fèi)用；核燃料價(jià)格與商船的運(yùn)行管理費(fèi)用的波動(dòng)同樣也會(huì)對(duì)商船運(yùn)行費(fèi)用產(chǎn)生影響。這些影響商船運(yùn)行費(fèi)用的因素，本文中都做了相應(yīng)假設(shè)。

礦砂船運(yùn)行費(fèi)用估算

2.1 建造投資費(fèi)用計(jì)算

（1）船舶動(dòng)力裝置投資費(fèi)用據(jù)某廠的資料，普通礦砂船動(dòng)力推進(jìn)裝置及相關(guān)設(shè)備價(jià)格為1 314 萬美元，折合約9 000 萬元人民幣。核燃料富集度分別為4.45%和16.5%的核動(dòng)力礦砂船核動(dòng)力裝置的建造費(fèi)用相同。核動(dòng)力裝置投資按每千瓦投資費(fèi)用計(jì)算，目前俄羅斯巴爾迪斯造船廠在建的海上浮動(dòng)核電站功率為70MW，成本為2.32 億美元，折合每千瓦的投資為3 314 美元。根據(jù)相關(guān)資料，散貨船核動(dòng)力裝置投資每千瓦約為3 500 美元。綜合上述資料并結(jié)合我國(guó)實(shí)情，核動(dòng)力礦砂船核動(dòng)力裝置每千瓦投資應(yīng)約為3 000 美元，功率為2.94 萬千瓦的礦砂船核動(dòng)力裝置投資費(fèi)用約為9 000 萬美元。

（2）船體建造費(fèi)用普通礦砂船與核動(dòng)力礦砂船船體結(jié)構(gòu)有所不同，但其投資費(fèi)用相差較小，假定船體建造費(fèi)用都約1 億美元。

（3）銀行利息費(fèi)用船舶動(dòng)力裝置與船體建造費(fèi)用之和為設(shè)備總投資額。銀行年利息按5%進(jìn)行計(jì)算，且假定10 年內(nèi)償還所有債務(wù)。

（4）拆卸回收費(fèi)。拆卸回收費(fèi)是指船舶退役后，拆卸該船所得收益。燃油礦砂船拆卸回收費(fèi)用為1 000 萬美元，核動(dòng)力礦砂船為2 000 萬美元。

（5）退役費(fèi)用。燃油礦砂船無退役費(fèi)用，核動(dòng)力礦砂船退役費(fèi)用約為4 500 萬美元。

2.2 燃料費(fèi)用計(jì)算

普通燃油礦砂船燃料費(fèi)用計(jì)算

油價(jià)：假定礦砂船全壽命周期內(nèi)燃油價(jià)格為 480 美元/噸，即 80 美元/桶。耗油量：該礦砂船日耗油量96 t，每航次運(yùn)行無數(shù)為70d，考慮往返航線船舶載重量的不同，礦砂船往返一次所需油耗近似為該船滿負(fù)荷運(yùn)行60 d 所耗油量。每年預(yù)計(jì)可運(yùn)行5 航次，則每年運(yùn)行天數(shù)為300 d。每年耗油量為(2.88×10) t。燃油成本：每年燃油成本約為1 382 萬美元，全壽命周期內(nèi)燃油成本約為3.456 億美元。2.2.2 核動(dòng)力礦砂船核燃料費(fèi)用計(jì)算

（1）核燃料價(jià)格。

核燃料價(jià)格主要包括核燃料循環(huán)的前端和后端，核燃料循環(huán)的前端主要是核燃料組件的生產(chǎn)，核燃料循環(huán)的后端主要是乏燃料的后處理。核燃料組件的生產(chǎn)包括：原料購(gòu)置、轉(zhuǎn)換、濃縮、元件制造四個(gè)階段。本文的核燃料價(jià)格暫不考慮乏燃料后處理。4.45%富集度核燃料價(jià)格計(jì)算：1kg 富集度為4.45%的核燃料需消耗約10kg 天然鈾，分離功約為6.0SWU（貧料中，U235 的含量為0.3%）。?。禾烊烩檰蝺r(jià)為50 美元/磅，元件制造費(fèi)為400 美元/kg、轉(zhuǎn)換費(fèi)為3.2 美元/ kg，分離功費(fèi)為110 美元/(kg·SWU) 。經(jīng)計(jì)算富集度為4.45%的核燃料單價(jià)約為2000 美元/kg。16.5%富集度核燃料價(jià)格計(jì)算：1kg 富集度為16.5%的核燃料需消耗約39kg 天然鈾，分離功約為30SWU。經(jīng)計(jì)算富集度為16.5%的核燃料單價(jià)約為8 600 美元/kg。

（2）核燃料消耗量。

核燃料消耗量主要與壓水堆的輸出功率、鈾燃耗深度、熱效率以及運(yùn)行的天數(shù)有關(guān)。4.45%富集度核燃料消耗量計(jì)算：在已建造的核動(dòng)力商船中，核燃料燃耗深度約為7 000MWd/ t，核燃料的富集度約為4%左右（如：陸奧為3.99%，薩瓦納為4.4%，奧拓漢為4.03%)。奧拓漢的最大輸出軸功率為8MW，堆芯壽期為500d（滿功率），裝料量約為2.98 t 。根據(jù)目前可應(yīng)用于船舶的壓水堆技術(shù)水平，核燃料約為4%時(shí)，燃耗深度可達(dá)到30G Wd/t。核動(dòng)力礦砂船推進(jìn)功率為2.94×10kW，鈾濃度約為4.45%，熱效率為25%。換料周期為2 年。普通燃油船舶每年滿功率運(yùn)行天數(shù)為300 天，核動(dòng)力裝置燃料的填裝量應(yīng)考慮核燃料功率的持續(xù)性，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)留有一定的裕量，假定每年滿功率運(yùn)行365 天。經(jīng)計(jì)算，礦砂船核動(dòng)力裝置換料量約為2.88 t。16.5%富集度核燃料消耗量計(jì)算：核動(dòng)力礦砂船推進(jìn)功率為2.94×10kW，鈾濃度約為16.5%，燃耗為95GWd/t，熱效率為25%，換料周期為5 年。經(jīng)計(jì)算，礦砂船核動(dòng)力裝置換料量約為2.274 t。

（3）核燃料成本：

4.45%富集度核燃料全壽命周期成本計(jì)算：每2 年核燃料成本約為576 萬美元，全壽命周期25 年內(nèi)核燃料成本約為7 200 萬美元。16.5%富集度核燃料全壽命周期成本計(jì)算：5 年核燃料成本約為1 955.7 萬美元，全壽命周期25 年內(nèi)核燃料成本約為9 778.5 萬美元。

2.3 運(yùn)行與管理費(fèi)用計(jì)算

2.3.1 燃油礦砂船運(yùn)行與管理費(fèi)用

人員管理費(fèi)用：若燃油礦砂船約有20 名船員，平均每人每年4 萬美元（折合約24 萬人民幣），每年該船人員總工資80 萬美元，全壽命周期內(nèi)人員工資為2 000 萬美元。維修費(fèi)用：普通遠(yuǎn)洋船舶維修費(fèi)用占船舶固定費(fèi)用（不含燃油費(fèi)用）15%，大型礦砂船維修費(fèi)用占船舶固定費(fèi)用應(yīng)較低，全壽命周期維修費(fèi)用約為：2 200 萬美元。折舊費(fèi)：根據(jù)相關(guān)資料，以直線折舊法來計(jì)算船舶營(yíng)運(yùn)的折舊費(fèi)，若船舶到計(jì)劃使用年限的殘值為新船造價(jià)的10%，則折舊費(fèi)約為9 000 萬美元。

2.3.2 核動(dòng)力礦砂船運(yùn)行與管理費(fèi)用

（1）核燃料富集度為4.45%的核動(dòng)力礦砂船運(yùn)行與管理費(fèi)用人員管理費(fèi)用

若核動(dòng)力礦砂船約有25 名船員，平均每人每年5 萬美元（30 萬人民幣），每年該船人員總工資125 萬美元，全壽命周期內(nèi)人員工資3 125 萬美元。換料費(fèi)用：核動(dòng)力船舶每1~2 年進(jìn)行一次核燃料更換，每次更換大約須要600 萬美元，持續(xù)時(shí)間為35~40 天。全壽命周期內(nèi)換料費(fèi)約為9 000 萬美元。維修費(fèi)用：核動(dòng)力礦砂船的維修費(fèi)用應(yīng)包括船體維修和核動(dòng)力裝置維修。船體維修假定與普通燃油礦砂船維修費(fèi)用相同，核動(dòng)力裝置維修采用核電站維修費(fèi)用比例1.35%。全壽命周期維修費(fèi)用約為3 500 美元。折舊費(fèi)：由于核動(dòng)力船舶的折舊費(fèi)未見相關(guān)資料論述，在計(jì)算過程中，參照普通船舶的折舊方法，以直線折舊法計(jì)算，又由于核動(dòng)力裝置退役費(fèi)用已包含，故此處核動(dòng)力船舶折舊費(fèi)中所包括的核動(dòng)力裝置折舊費(fèi)用較低，經(jīng)計(jì)算全壽命周期折舊費(fèi)用約為1 億美元。

（2）核燃料富集度為16.5%的核動(dòng)力礦砂船運(yùn)行與管理費(fèi)用

核燃料富集度為16.5%的核動(dòng)力礦砂船人員管理費(fèi)用和維修費(fèi)用與核燃料富集度為4.45%的核動(dòng)力礦砂船相同，分別為3 125 萬美元和3 500 萬美元。換料費(fèi)用：核動(dòng)力船舶每5 年進(jìn)行一次核燃料更換，每次更換大約600 萬美元，持續(xù)時(shí)間為35~40天。全壽命周期內(nèi)換料費(fèi)3 000 萬美元。人員管理費(fèi)用、維修費(fèi)用和折舊費(fèi)與核燃料富集度為4.45%的核動(dòng)力礦砂船費(fèi)用相同。

2.4 全壽命周期運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

全壽命周期運(yùn)行費(fèi)用為全壽命周期建造總投資（含利息）、全壽命周期燃料費(fèi)和全壽命周期運(yùn)行管理費(fèi)用之和。

礦砂船經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)上述分析，核動(dòng)力礦砂船與燃油礦砂船全壽命周期運(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)核動(dòng)力礦砂船與燃油礦砂船全壽命周期運(yùn)行費(fèi)用數(shù)據(jù)表和經(jīng)濟(jì)性分析圖，可以得出以下結(jié)論：

（1）在全壽命周期內(nèi)，核動(dòng)力礦砂船相比燃油礦砂船具有較好的經(jīng)濟(jì)性：核燃料富集度為4.45%的核動(dòng)力礦砂船相比燃油礦砂船，其運(yùn)行費(fèi)約有5%的節(jié)?。缓巳剂细患葹?6.5%的核動(dòng)力礦砂船相比燃油礦砂船，約有10%的節(jié)省。

（2）核動(dòng)力礦砂船建造總投資（含利息）費(fèi)用約為普通燃油礦砂船建造總投資（含利息）費(fèi)用的2倍。其中核動(dòng)力礦砂船船的新建投資大約占總運(yùn)行費(fèi)用的50%。

（3）普通燃油礦砂船全壽命周期燃料成本費(fèi)用比核動(dòng)力礦砂船全壽命周期燃料成本費(fèi)用大，且燃料費(fèi)用比例會(huì)隨油價(jià)的變化而劇烈變化。一般而言，普通燃油船的燃油成本占總成本的比例超過50%，若油價(jià)上漲30%，可導(dǎo)致總成本上漲接近15%。

（4）核動(dòng)力礦砂船全壽命周期運(yùn)行與管理費(fèi)用比普通燃油礦砂船運(yùn)行與管理費(fèi)用大，其中富集度為4.45%核動(dòng)力礦砂船的換料費(fèi)用是富集度16.5%核動(dòng)力礦砂船換料費(fèi)用的1.3 倍。

（5）核燃料富集度為16.5%的核動(dòng)力礦砂船相對(duì)核燃料富集度為4.45%的核動(dòng)力礦砂船有較高的核燃料費(fèi)用，而運(yùn)行與管理費(fèi)用中的換料費(fèi)用相對(duì)較低；綜合來看，核燃料富集度為16.5%的核動(dòng)力礦砂船比核燃料富集度為4.45%的核動(dòng)力礦砂船具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

（6）通過對(duì)富集度為4.45%的核動(dòng)力礦砂船與普通燃油礦砂船全壽命周期內(nèi)運(yùn)行成本費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算分析，得出：當(dāng)油價(jià)高于450 美元/ t 時(shí)，核動(dòng)力礦砂船船25 年全壽命周期內(nèi)的總運(yùn)行成本低于傳統(tǒng)礦砂船的總運(yùn)行成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

礦砂船結(jié)論

對(duì)不同核燃料富集度的核動(dòng)力礦砂船與普通燃油礦砂船全壽命周期內(nèi)運(yùn)行成本費(fèi)用進(jìn)行了分析。可以看出：核動(dòng)力礦砂船全壽命周期內(nèi)的總運(yùn)行成本低于傳統(tǒng)礦砂船的總運(yùn)行成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，若核動(dòng)力礦砂船采用較高富集度的核燃料，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。此外，核動(dòng)力船舶能以較少的核燃料消耗，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋船舶高速化運(yùn)營(yíng)。相比之下，普通燃油船舶若航速增加，油耗將大幅上漲。由此可見，隨著國(guó)際石油價(jià)格的飛漲，核動(dòng)力船舶相比普通燃油船舶具有較好的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨著國(guó)際對(duì)節(jié)能減排要求的不斷提高，核動(dòng)力船舶在減排方面也具有重要的意義。

礦砂船需求

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)鐵礦石的需求迅速增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)運(yùn)輸鐵礦石專用礦砂船的需求也日益旺盛，加之船舶大型化規(guī)模效應(yīng)的推動(dòng)、航道條件的改善和港口建設(shè)的發(fā)展為礦砂船大型化奠定了基礎(chǔ),大型礦砂船市場(chǎng)逐步升溫,訂單和新造船的數(shù)量明顯增多。僅在2007年，國(guó)內(nèi)23萬噸和30萬噸礦砂船的訂造總數(shù)就達(dá)16艘。與此同時(shí)，作為全球最大鐵礦石生產(chǎn)商和出口商的巴西淡水河谷礦業(yè)集團(tuán)公司，正在計(jì)劃建造35艘40萬噸超大型礦砂船，使其總運(yùn)力超過1 000萬噸，以便降低鐵礦石運(yùn)輸成本、掌控鐵礦石議價(jià)主動(dòng)權(quán)和實(shí)現(xiàn)對(duì)整條產(chǎn)業(yè)鏈的控制。因此，為了參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，掌握鐵礦石的海上運(yùn)輸權(quán)，我國(guó)研究和開發(fā)大型礦砂船具有重要意義。

大型礦砂船（Very Large Ore Carrier，簡(jiǎn)稱VLOC）是運(yùn)輸鐵礦石的專用船舶。由于SOLAS和國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)對(duì)散貨船的定義角度不同,礦砂船不列在IACS制定的結(jié)構(gòu)共同規(guī)范（CSR）的使用范圍之內(nèi)，因此礦砂船的設(shè)計(jì)無需滿足結(jié)構(gòu)共同規(guī)范。但其尺度大、載重量大、經(jīng)濟(jì)性高的自身特點(diǎn)決定了該船型設(shè)計(jì)的特殊性。本文將以30萬噸礦砂船的開發(fā)設(shè)計(jì)為例闡述VLOC的主要船型特點(diǎn)。

礦砂船主尺度及要素

VLOC 運(yùn)載貨品單一，停泊港口及碼頭設(shè)施對(duì)船舶主尺度有一定的限制，又由于主要航行于巴西、澳大利亞至中國(guó)、日本、遠(yuǎn)東、地中海地區(qū)和部分歐洲國(guó)家的航線上，因此，大型礦砂船為特定用途、特定航線和特定設(shè)計(jì)船型。30萬噸VLOC 的主尺度選擇除考慮經(jīng)濟(jì)性外，還要重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)港口/碼頭的相關(guān)資料：

（1）允許靠泊的船舶最大載重量；

（2）允許靠泊的船舶總長(zhǎng)；

（3）航道和碼頭所允許的船舶最大吃水；

（4）碼頭裝貨設(shè)備對(duì)船舶air draft（船舶貨艙口至水線的高度）的限制；

（5）碼頭裝/卸貨設(shè)備的數(shù)量及抓斗能力；

（6）裝載機(jī)的裝載速率；

（7）碼頭裝/卸貨設(shè)備對(duì)船寬的限制。

該船主尺度選取參照了國(guó)外建造的30 萬噸級(jí)VLOC 的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)船東要求，考慮到可以停靠大多數(shù)裝/卸貨港，將目標(biāo)船的總長(zhǎng)限制在330.0m 以內(nèi)。為了提高船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，在型深不變的基礎(chǔ)上，盡量增加吃水，采用B-100 干舷，并通過合理的分艙滿足破艙要求。最終，將結(jié)構(gòu)吃水增大到22.1m，載重量達(dá)到315 000 噸。通過主尺度的對(duì)比分析，確定該船的主尺度要素。

礦砂船線型設(shè)計(jì)

該船在主尺度限制的前提下，為達(dá)到載重量指標(biāo)，就盡量增大方形系數(shù)，這給線型設(shè)計(jì)帶來一定的困難。采用低速肥大型船常規(guī)的球鼻、球尾線型設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的阻力和推進(jìn)性能，其平行舯體的長(zhǎng)度接近兩柱間長(zhǎng)的1/3。由于受到總長(zhǎng)的限制，最大限度地縮短球鼻長(zhǎng)度，并優(yōu)化其形狀，使前端呈豎直狀?？紤]該船滿載工況下合理的縱傾范圍（~1% L_pp）和改善尾部伴流場(chǎng)，參考一般肥大型船設(shè)計(jì)吃水下的縱向浮心位置L_CB，并根據(jù)空船重量及重心位置和浮態(tài)情況，選擇最佳的L_CB（舯前2~4%L_pp）。

該船在既定方形系數(shù)和縱向浮心位置前提下，通過改變前后體的浮力分布，借助CFD 計(jì)算工具優(yōu)化線型，降低阻力并提高推進(jìn)性能，在確?？焖傩缘耐瑫r(shí)，兼顧良好的操縱性能。優(yōu)化后的型線，在瑞典SSPA 水池進(jìn)行了船模試驗(yàn)，預(yù)估實(shí)船在考核條件下的航速為15.04kn。首制船的試航結(jié)果證實(shí)了這一結(jié)論。該型船首制船交付后實(shí)際營(yíng)運(yùn)情況表明，與同類船相比，該型船航速較高，油耗較低，經(jīng)濟(jì)性良好。

礦砂船總布置

該船主甲板以下由水密橫艙壁劃分為：首尖艙（空）、貨艙區(qū)、機(jī)艙區(qū)和尾尖艙（空）。機(jī)艙區(qū)上部設(shè)8 層甲板室（含駕駛室），首部設(shè)1 層首樓。共設(shè)兩對(duì)雙殼結(jié)構(gòu)的燃油深艙，其中一對(duì)布置在機(jī)艙，另一對(duì)設(shè)在貨艙區(qū)后部邊空艙內(nèi)。

3.1 貨艙

VLOC 在滿載工況時(shí)出現(xiàn)最大靜水中垂彎矩。該船在船長(zhǎng)確定的前提下，力求貨艙長(zhǎng)度盡可能大，以達(dá)到分散貨物重量降低中垂彎矩的目的。一般而言，30 萬噸級(jí)VLOC 的貨艙數(shù)為5~7 個(gè)，艙口數(shù)為6~10 個(gè)，貨艙數(shù)/艙口數(shù)的不同組合有5 / 8、5 / 10、6 / 6、7 / 7 等。針對(duì)貨艙劃分，該船采用7 貨艙/7 艙口和5 貨艙/8 艙口兩個(gè)方案比較選優(yōu)的方法來確定最終方案。通過比較發(fā)現(xiàn)，5 貨艙/8 艙口有如下優(yōu)點(diǎn)：其一，從營(yíng)運(yùn)角度來講，貨艙數(shù)量少，有利于縮短卸貨后的清艙時(shí)間。其二，裝/卸貨步驟、時(shí)間和裝運(yùn)2 票貨的靈活性與7 貨艙方案相似。其三，從建造成本來講，槽形橫艙壁數(shù)量少，簡(jiǎn)化了建造工藝。最終，該船通過4 道貨艙槽形橫艙壁，將貨艙區(qū)劃分為5 個(gè)貨艙，中部3 個(gè)貨艙長(zhǎng)度相同，首尾貨艙稍短。共設(shè)8 個(gè)艙口，中間3 個(gè)貨艙各設(shè)2 個(gè)艙口，首尾貨艙各設(shè)1 個(gè)艙口。每艙口各設(shè)1 個(gè)艙口蓋，且尺度相同，艙口蓋為單邊開啟，開啟方式為電動(dòng)液壓。

3.2 壓載水艙

由于鐵礦石密度大，與載重量相當(dāng)?shù)腣LCC 相比，VLOC 的貨艙容積約為前者的50%，而可以用作壓載水艙的邊艙要富余許多。VLOC 船型壓載水艙的合理規(guī)劃，要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）在滿足各種裝載要求情況下，壓載水艙容積盡量小；

（2）滿足IACS UR S11 對(duì)壓載工況的縱傾值和壓載水艙不滿艙的相關(guān)要求；

（3）滿足碼頭裝載機(jī)對(duì)壓載到港工況船舶的air draft 要求；

（4）盡量降低壓載工況和壓載水置換工況的中拱彎矩。

該船通過大量的組合計(jì)算，并適當(dāng)調(diào)整邊艙橫艙壁的位置，確定了合適的壓載水艙的數(shù)量及分布。貨艙區(qū)的邊艙共分為10 對(duì)，其中8 對(duì)為壓載水艙，總?cè)莘e約182 000m，其余2 對(duì)為空艙。壓載水艙的分布確保所有壓載工況最多出現(xiàn)1 對(duì)不滿艙。該船設(shè)置了3 種壓載工況供船東實(shí)際應(yīng)用：輕壓載工況（light ballast）、正常壓載工況(normal ballast) 和風(fēng)暴壓載工況(heavy ballast)?？筛鶕?jù)海況及航行情況，只需注入或排空1 對(duì)或2 對(duì)艙就可實(shí)現(xiàn)不同壓載工況之間的轉(zhuǎn)換：即由輕壓載工況改變到正常壓載工況時(shí)，只需在輕壓載工況下將No.2 后壓載艙（左和右）打滿即可實(shí)現(xiàn)；同樣，由正常壓載工況轉(zhuǎn)換為風(fēng)暴壓載工況時(shí)，只需在正常壓載工況下將 No.3 后壓載艙（左和右）打滿即可實(shí)現(xiàn)；反之，只要排空相應(yīng)壓載艙即可。三種壓載到港工況均滿足裝貨港的浮態(tài)和air draft 要求。另外，壓載水艙優(yōu)選過程中，通過大量試算，合理選用不同壓載工況的壓載水艙的數(shù)量及分布，盡量降低總縱彎矩。最終規(guī)劃的壓載水艙方案與最初的方案相比，使該船最大中拱彎矩的設(shè)計(jì)值約降低5%。

3.3 燃油深艙

根據(jù)續(xù)航力要求，該船攜帶的燃油總量約8 600m。如果全部放在機(jī)艙區(qū)，會(huì)給機(jī)艙布置帶來一定困難，同時(shí)對(duì)船舶浮態(tài)和彎矩的影響也較大。為此，將2 對(duì)燃油深艙中的1 對(duì)設(shè)在機(jī)艙，另1 對(duì)深艙布置在貨艙區(qū)后部的邊空艙內(nèi)。燃油艙設(shè)雙底雙殼保護(hù)。

礦砂船裝卸貨

VLOC裝/卸貨效率是船東關(guān)注的重點(diǎn)之一，甚至有些船東提出Single Pass Loading（每個(gè)貨艙或艙口一次性完成裝載）要求，這在7貨艙/7艙口的VLOC上較容易實(shí)現(xiàn)，如果貨艙數(shù)量為5個(gè)或6個(gè)則較難做到。為了提高裝卸貨效率，VLOC的裝卸貨程序需優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量一次裝完一個(gè)貨艙或艙口，減少裝載機(jī)的移動(dòng)次數(shù)和時(shí)間。這主要從以下幾個(gè)方面入手考慮：

（1）在滿足總縱強(qiáng)度基礎(chǔ)上進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；

（2）控制整個(gè)裝載過程中的船舶浮態(tài)，避免大縱傾的產(chǎn)生，重點(diǎn)關(guān)注裝載過程中的碼頭air draft 的限制；

（3）滿足cargo mass curve（裝載量曲線）對(duì)貨艙裝貨量與吃水的限制條件；

（4）確保壓載水的排空速率與裝載速率相匹配，避免出現(xiàn)裝貨須等待壓載水排空的情況，造成延遲裝載。

通過多種組合計(jì)算與分析，對(duì)該船裝/卸貨程序進(jìn)行了優(yōu)化，并總結(jié)出5貨艙/8艙口大型礦砂船裝卸貨的規(guī)律。在總縱強(qiáng)度不變的條件下，適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度，可大大簡(jiǎn)化裝卸貨步驟，提高裝貨效率。通過對(duì)比選優(yōu)，使該船裝/卸貨時(shí)壓載水自首向尾依次排空，沒有前后壓載水艙穿插排放或單艙多次排放的情況，并且將整個(gè)過程的縱傾控制在1% L_pp之內(nèi)，這不僅方便了實(shí)際操作，而且有效降低了裝料臂的移動(dòng)次數(shù)，提高了營(yíng)運(yùn)效率。

礦砂船空船重量

空船重量是船舶設(shè)計(jì)者、船廠和船東共同關(guān)注的指標(biāo)，是船舶設(shè)計(jì)水平的重要體現(xiàn)，直接涉及船廠和船東的經(jīng)濟(jì)效益。本船在設(shè)計(jì)之初，就從貨艙及艙口數(shù)量的選取、壓載水艙合理分布、總縱強(qiáng)度控制和高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例等方面入手進(jìn)行綜合考慮，盡量降低空船重量。為了控制結(jié)構(gòu)重量，本船對(duì)包括所有結(jié)構(gòu)在內(nèi)的分區(qū)域艙段進(jìn)行有限元分析，通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺度優(yōu)化等對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該型船的首制船傾斜試驗(yàn)結(jié)果表明，與國(guó)內(nèi)同等噸位的礦砂船相比，該船結(jié)構(gòu)重量約輕15%；日本建造的30 萬噸級(jí)VLOC 每噸結(jié)構(gòu)重量所對(duì)應(yīng)的載重量約為9.7 噸，與其相比，本船的相應(yīng)指標(biāo)略高于該值。該船的空船重量指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平

礦砂船船型特點(diǎn)

通過30 萬噸礦砂船的開發(fā)，并參考相關(guān)資料，將大型礦砂船的主要船型特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）艏樓長(zhǎng)度和高度的設(shè)置值得關(guān)注。艏樓長(zhǎng)度只要滿足載重線公約對(duì)艏樓有效長(zhǎng)度的要求即可，如果進(jìn)一步加大，可能會(huì)影響艏部貨艙艙口蓋的布置。而高度的設(shè)置要充分考慮對(duì)視線的影響，由此可能導(dǎo)致生活樓層高度加大或?qū)訑?shù)增多。

（2）壓載水艙優(yōu)化布置是需要重點(diǎn)解決的難題。大型礦砂船的邊艙寬、容積大，合理確定邊壓載水艙的數(shù)量和分布，不僅要考慮船舶浮態(tài)、破艙要求、壓載到港工況下碼頭裝貨設(shè)備對(duì)船舶air draf 的限制，還需要關(guān)注壓載水置換或壓載水處理的能量消耗以及總縱強(qiáng)度。尤其需要重點(diǎn)關(guān)注壓載工況出現(xiàn)的某1 對(duì)或2 對(duì)壓載水艙不滿的情況，需要增加全空和全滿狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算，而非常繁瑣。因此，VLOC 壓載水艙的確定要經(jīng)過大量計(jì)算比較才能優(yōu)選出合理方案。

（3）要求裝/卸貨程序簡(jiǎn)便、易操作。提高VLOC 裝/卸貨效率是大型礦砂船設(shè)計(jì)需要突破的難題之一，尤其是達(dá)到Single Pass Loading 要求。除了對(duì)貨艙數(shù)量和艙口數(shù)量進(jìn)行論證優(yōu)選外，還要考慮艙口面積和艙底面積以及縱艙壁傾斜角度等方面的設(shè)計(jì)，盡量減小卸貨死角。通過采取局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、控制船舶浮態(tài)、實(shí)現(xiàn)壓載水排空速率與裝載速率的匹配、減少裝載機(jī)移動(dòng)次數(shù)和時(shí)間等措施，優(yōu)化裝/卸貨程序，提高船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。

礦砂船7結(jié)語

鐵礦石進(jìn)口是我國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展的命脈，掌控鐵礦石的海上運(yùn)輸權(quán)關(guān)系到行業(yè)安全和未來發(fā)展。大型礦砂船作為鐵礦石運(yùn)輸?shù)闹匾b備，其設(shè)計(jì)、研究具有深遠(yuǎn)的意義。論文闡述了30萬噸礦砂船的主尺度要素、船級(jí)符號(hào)、線型設(shè)計(jì)、總布置和裝/卸貨程序優(yōu)化等方面的內(nèi)容，并總結(jié)了大型礦砂船的船型特點(diǎn)。

30萬噸超大型礦石運(yùn)輸船（VLOC）是我國(guó)建造的一種大型礦砂船，是專門裝運(yùn)礦砂的散裝貨船。它屬于散裝貨船一類，它是一種單向運(yùn)輸船。該礦砂船于2008年9月26日建成下水。這是我國(guó)造船企業(yè)建造的首艘VLOC。它是專門從事鐵礦石海上運(yùn)輸?shù)拇笮痛啊?

該船總長(zhǎng)327米，型寬55米，型深29米，38.8萬載重噸，這是迄今為止中國(guó)歷史上建造過的最大礦砂船，也是世界上最大的礦砂船。

（施鶴群）2100433B

散裝貨船按照裝載物的不同，又可分為不同的種類，主要有以下幾種：

散貨船運(yùn)煤船

運(yùn)煤船是用于裝運(yùn)煤炭的散裝貨船，它的艙口比較寬大，便于用抓斗裝卸煤炭。為了防止煤炭在煤艙內(nèi)滾動(dòng)，在煤艙底部設(shè)有許多縱向檔板。有的運(yùn)煤船不用抓斗、吊桿，而是在煤艙艙底設(shè)有皮帶運(yùn)輸機(jī)，可與岸上運(yùn)輸機(jī)相接通，能自行裝卸煤炭

散貨船礦砂船

礦砂船是專門裝運(yùn)砂的散裝貨船。由于礦砂是重貨，比重大、容積小，易損壞船體。為此，礦砂船構(gòu)造堅(jiān)固，貨艙的艙底多半是呈斜面的，貨艙內(nèi)還裝有縱向檔板，它既能防止礦砂縱向滾動(dòng)，又能增強(qiáng)船體強(qiáng)度

散貨船運(yùn)木船

運(yùn)木船是用來裝運(yùn)木材運(yùn)輸船，由于木材比重輕、體積大。所以，運(yùn)木船的貨艙寬大，貨艙內(nèi)沒有梁、柱等船體構(gòu)件。還由于木材不怕風(fēng)吹、雨淋，它既可裝在貨艙內(nèi)，也可堆放在甲板上。為了攔擋和圍護(hù)木材，在甲板舷側(cè)部位設(shè)有木柱，以便多裝木材

散貨船按照運(yùn)輸用途的不同，又可分為不同的種類，主要有以下幾種：

散貨船普通散貨船

普通散貨船一般為單甲板、尾機(jī)型、貨艙截面呈八角型。由于所運(yùn)貨物種類單一，對(duì)艙室的分隔要求不高，加之各種散貨比重相差很大，因此散貨船的貨艙容積較大，以滿足裝載輕貨的要求。如需裝載重貨時(shí)，則采用隔艙裝載的辦法或采用大小艙相間的布置方式。

散貨船專用散貨船

專用散貨船是根據(jù)一些大宗大批量的散貨對(duì)海上運(yùn)輸技術(shù)的特殊要求而設(shè)計(jì)建造的散貨船，主要有運(yùn)煤船、散糧船、礦砂船以及散貨水泥船等。

散貨船兼用散貨船

兼用散貨船是根據(jù)某些特定的散貨或大宗貨對(duì)海上運(yùn)輸技術(shù)的特殊要求設(shè)計(jì)建造，并具有多種裝運(yùn)功能的船舶。

散貨船特種散貨船

大艙口散貨船：這類船舶的貨艙口寬度達(dá)船寬的70%以上，并裝有起貨設(shè)備，既能裝載散貨，也能裝載木材、鋼材、橡膠、機(jī)械設(shè)備、新聞紙以及集裝箱等，適應(yīng)性很強(qiáng)。

自卸散貨船：是一種具有特殊貨艙結(jié)構(gòu)和自身裝有一套自動(dòng)卸貨系統(tǒng)的運(yùn)輸船舶。它不必依賴港口設(shè)施就可進(jìn)行集中操縱和快速自動(dòng)卸貨作業(yè)，適合于運(yùn)送散貨的礦砂、糧食、煤、水泥、化肥等。

散貨船牲畜船

牲畜船是專門裝運(yùn)牲畜的散裝貨船。為了防止牲畜在船艙內(nèi)走動(dòng)，在牲畜船船艙內(nèi)設(shè)有隔板，船艙內(nèi)還設(shè)有食槽，可供牲畜食料。

散貨船谷物船

谷物船是專門裝運(yùn)谷物的散裝貨船。它屬于干散貨船一類。

散貨船水泥船

水泥船是專門裝運(yùn)水泥的散裝貨船。它屬于干散貨船一類。

鋼材運(yùn)輸船

鋼材運(yùn)輸船是專門裝運(yùn)鋼材的散裝貨船。它屬于干散貨船一類。

（施鶴群）