2024年3月9日发(作者：沙运莱)
第31卷第7期 2009年7月舰 船 科 学 技 术SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31,No.7 Jul.,2009无压载水舱船舶的研究进展赵桥生,张铮铮(中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082)为了保证船舶空载时的平衡和稳性,船舶需要装载压载水航行,以达到降低船舶重心的目的。但是,摘 要: 压载水舱的海水排放出去,会造成海洋生态污染。为了彻底解决压载水带来非本土水生物种的问题,最近几年国外科研人员提出了具有创新思想的无压载水舱船舶概念。本文介绍了这一新技术的研究概况,希望有助于国内无压载水舱船舶的研究以及设计开发。关键词: 海洋污染;压载水处理;无压载水舱船舶中图分类号: U661 文献标识码: A文章编号: 1672-7649(2009)07-0017-03 DOI:1013404/j1issn11672-764912Acommentonballast2freeshipZHAOQiao2sheng,ZHANGZheng2zheng(ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi214082,China)Abstract: Inordertogetbalanceandstability,last2freeshipconceptwasinventedtoprovideanewwaytoaddresstheproblemoftheintroductionofnon2indigenousaquaticspecies(NIS)rtoadvancetheunderstandingofthesolution,ds: oceanpollution;ballastwatertreatment;ballast2freeship0 引 言船舶运输是全球物流链中重要的一环,大多数货物都是经过船舶转运的。现今的商船一般在底部均建有压载水舱,在空船航行的起航港将水舱装满海水,以保持船舶途中的航行平衡;抵达目的港装载货物时,再将水舱的水排出。这种传统概念的压载水舱有2大缺陷:空船航行因水箱装满海水而加大重量,使船舶油耗增加;水舱装载的海水排放出去,造成海洋污染。全球每年的压载水大约有100亿吨左右。国际航行船舶压载水排放引发了外来生物入侵,被全球环保基金组织(GEF)列为海洋的四大危害之一。目前,船东、经营管理人等大都依赖于压载水处[1]理技术,如加热、电解以及紫外线处理等技术。美国采取的是压载水置换、存留船上收取管理费等多项[2]措施。但这些压载水处理技术不但耗时耗费人力,而且增加了营运成本。1 解决压载水的船舶设计方案1.1 贯通流系统船身为了船舶的航行安全,设置压载水舱的传统方法是为了增加船舶在轻载时的重力。转变思维,可以认为压载水是减小了船舶的浮力,而不是增加了重力。这样,科研人员就提出了无压载水舱船舶的概念(美[3]国专利#6694908,2004)。美国密西根大学米歇尔・帕森思博士(MichaelParsons)于2004年在美国造船与轮机工程协会年会上发表论文,专门谈到了无压载水舱船舶的项目设计[4-6]课题,并且特别讨论了贯通流系统船身技术。所谓贯通流系统(ThoughFlowSystemHull),就是用来替代货舱水线以下纵向结构的传统型压水舱。其最大特点是把原来的封闭式改为前后开放式,在船收稿日期:2009-02-12;修回日期:2009-05-21作者简介:赵桥生(1981-),男,工程师,主要从事舰船总体性能研究工作。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・18・舰 船 科 学 技 术第31卷头水线下设置进水口,在船尾有排水口,海水不断地从船首进口处涌入,再迅速地从船尾排水口排出,既可以起到压水舱作用,又可以减少船舶的负荷。这种设计概念可以看成是为了减小船舶的浮力,而不是去增加船舶的重力。利用船首和船尾进出口水流的不同压力,控制贯通压水舱的水流速度。而在贯通流压水舱内穿越而过的海水始终是当地海域中的海水,不会把海水从一个地方带到另一个地方,从而符合国际海事组织(IMO)有关海洋环境保护的规定。目前,世界上关于无压载水舱的研究已经取得了一些成效。美国密西根大学成功研发出无压载水舱货船模型,如图1和图2所示,并在水动力学实验室进行了相关试验研究。设计思路是取消压载水舱,代之以2条开放的大型管道即水流箱。当空船出港时,将大型管道的前后盖子打开,海水流入,船舶出航后海水从管道自前后流动,保持船舶平衡;货船载货航行时,关上前后盖子将海水放掉。是与传统船型相比,其船身接触海水的面积大幅度扩大,船舶的船舷长度增加。不过帕森斯博士认为,通过船底两侧向下“蝉翼”所产生的空气润滑的作用,可以将这些不足之处可以降低到最低限度。目前这种单一结构船身型船舶已经在荷兰代尔夫特大学试造成功,其载重量为4000t,船速为14kn,没有压水舱。从试航检测来看,基本上达到所谓无压舱水船舶的标准。1.3 V型船身无压载水舱超大型油轮船体项目设想,最初由安德斯・乌尔瓦森教授(AndersUlvarson)在瑞典哥德堡的渣尔墨斯大学提出。日本造船研究所在政府大力资助和推动下,从2001年起一直致力于开发无压舱水舱船舶。2003年,日本船舶技术研究协会决定提升无压水舱油轮为日本国家工程项目。参与该项目的船厂和造船科研单位联合成立了日本NOBS设计建造研究所。日本研究机构提出的V型船身(V2ShapedHull)无压载水舱超大型油轮(VLCC)设计的最大特点是船舶的下半部分的船体更加细长,船底呈现明显向下突出的V型,促使无压载水舱船舶吃水深度足够支撑船舶空载时的重量。造船专家们初步推选出2种无压载水舱船舶设计方案。代号为“最佳型”的第1种无压载水舱船体设计方案的主要目的,是设计建造在无水深限制航道,如波斯湾航运的无压载水舱船舶。其船体型深35m,最大宽度56m,满载吃水27m,载货量超过30万t。专家表示代号为“马六甲型”的第2种无压舱水船体设计方案的发展方向,就是建造适合于从波斯湾经过马六甲海峡航行至远东地区中国、日本、韩国的船舶。其船身最大宽度可达79m,型深30m,满载吃水21m,载货量为28万t。日本NOBS设计建造研究所认为,革新型V型船身无压舱水油轮的适航性和运营性现在已经达到国际海事组织法律法规标准。通过计算机模拟测试初步证实,“最佳型”无压舱水油轮(Optimaltanker)可以在风浪不大的海洋上十分顺利地航行;而“马六甲型”无压舱水油轮(Malaca2max)的航行情况较差,原因是其船体加宽后造成船底部分在水中深度不足。2种无压舱水油轮都备有压载水舱,如果遇到恶劣天气,须分别打进115万t和315万t压舱水,以增加其航行稳性,确保船舶安全。而在同样环境下,传统VLCC则必须载有至少8万t压舱水才能达到国际船舶防污染公约所规定的船舶吃水不少于814m的标准。由此可见,所谓无压舱水油轮的优势还是十分明密西根大学的科研人员在大型水槽中对这种新型船舶进行了试验,结果表明这种船舶不仅能保持良好的稳性,而且由于船底安装的2条大型管道中海水自前后流动,水流对螺旋桨推进器可起到有助于加速旋转的作用,能提高航速并达到节省燃油和减排的目的。试验结果表明,最多可以节省713%的船舶动力。1.2 单一结构船身单一结构船身(MonomaranHull)设计方案,是在船底设置一个向后开放的内凹,其船底形状犹如一只倒置的前封后开的拖鞋。这种船型可以使船舶在轻载或空载时产生较大的水尺。但是这一方案的缺点© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第7期赵桥生,等:无压载水舱船舶的研究进展・19・显的。尤其是设计理念并没有被所谓“无压舱水舱”所约束。在船体内还是安排备用压水舱,可以在大海航行图中根据海洋天气和海面风浪情况灵活机动地决定在备用水舱中打进多少压载水,增强其船体的安全稳性。V型船身设计理念是在最大限度内让船体瘦身,达到减少船身在海洋航行中的阻力。其中“最佳型”无压载水舱油轮减少33%的阻力,“马六甲型”无压载水舱船舶减少25%阻力,可以明显节约航行动力所必须的燃料。不过,由于无压载水舱船舶需要优化船舶结构,还要选用超强度钢材,因此单船造价要比传统VLCC高650万美元左右。当然,增加的成本完全可以在船舶运营过程中节约动力消耗收回。2 无压载水舱船舶研究的前景分析英国劳埃氏船级社的高级专家格兰汉・格林思密斯(GrahamGreensmith)在谈到各种无压水舱船舶设计方案时说,迄今还没有一种完全可以从根本上消除压舱水而可以实际使用的船舶设计方案。但是这不等于说,真正意义上的无压舱水船舶绝对无法建造出来。1)从上述3种无压载水舱水系统船舶设计理念和方案来看,人们似乎已经看到了从根本上解决压载水舱问题的光明前景。第1种方案即贯流系统船身最佳,很具创新想法。从技术思路看是可行的,在空载时能起到压载作用,而且海水污染也最小。但目前各国的研究仍处于起步阶段,提出这种创新的船舶设计概念也才几年时间。所以,这种新型的无压载水舱船舶要真正投入到实际营运中还需要一段时间。带贯流系统船身船舶的缺点是尽管改成管通流系统,但还得保留部分横向结构的传统型压水舱。目前研究人员正在集中力量攻克这个难关,尽量压缩一时无法彻底取消的横向结构压水舱的容积,也就是尽量减少船舶所载运的封闭压舱水量,尽量扩大贯通流压载水舱的功能。帕森斯博士指出,通过进一步改进流体动力设计,这些问题的大部分都可以得到解决。2)纵观各国无压载水舱船舶的研究现状,V型船身无压载水舱油轮可有望最先应用到实际工程中。V型船身设计,尽管在大海上遇到狂风大浪时还是需要打进压载水,以确保其稳性和安全,但还是在相当大程度上减少了压舱水所带来的种种问题。帕森斯博士指出,通过扩大污水沟的高度和适当增加船底平面宽度等技术措施,肯定能成功地建造出来可在大风大浪中安全航行的V型船身油轮。从NOBS设计建造研究所的研究结果来看,V型船身油轮和传统油轮一样,船体坚固、顶风抗浪能力优越,可以适航于汪洋大海。革新型V型船身无压舱水油轮航行性能更加稳定,其船体横摇频率还低于传统型油轮,因此革新型无压舱水油轮不需要加装舭龙骨,节约大量造船资金。3)无压载水舱船舶设计不等于完全无海洋污染问题,只是尽可能减小了污染。例如贯流系统压载水舱实际使用时,内壁还是会留有少量的海洋生物、微生物和沉淀物。4)有些所谓无压载水舱其实还是有备用的压载水舱的船舶,这些船舶的压载水舱的水还是可能在其他地方排放,从而造成海洋污染,切不可放松对压载水污染环境的警惕。5)解决船舶压载水污染的最有效的办法是避免船舶出现空载情形,即货船空载或轻载时能在船运公司的统一管理调度中载上货物返航。3 结 语毫无疑问,所谓贯通流系统压水舱,是迄今革新意义最大的造船设计理念。其最大特点是保留传统意义上的压水舱,只不过把压水舱内的死水变成纵向贯流的活水,从而从根本上解决微生物、污染物等在全球海洋的扩散问题。专家表示,如果成功研制出无压载水舱船舶,不仅可以彻底解决压载水的污染问题,还能带来节能等效果以及降低压载水处理系统带来的营运成本。总之,尽管目前还必须大量依赖压载水处理技术,但是无压载水舱船舶航行于海洋之中在不久的将来就会变成现实。参考文献:[1] 陈国权.船舶压载水的处理方法[J].水运管理,2006,28(1):38-39.[2] 翁石光.船舶压载水对生态环境的威胁及其对策的探讨[J].航海技术,2005,(5):66-68.[3] pmentandinvestigationoftheballast2freeshipconcept[D].USA:UniversityofMichigan,2005.[4] 张荣忠.国外关于无压载水舱船舶的探索[J].航海技术,2005,(5):64-66.[5] 冷翠华.无压载水舱船舶加速驶来[N].中国船舶报,2008-09-03(3).[6] 张荣忠.日本造船研究所船舶无压载舱水革新设计[J].世界海运,2007,30(2):31-33.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2024年3月9日发(作者：沙运莱)
第31卷第7期 2009年7月舰 船 科 学 技 术SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31,No.7 Jul.,2009无压载水舱船舶的研究进展赵桥生,张铮铮(中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082)为了保证船舶空载时的平衡和稳性,船舶需要装载压载水航行,以达到降低船舶重心的目的。但是,摘 要: 压载水舱的海水排放出去,会造成海洋生态污染。为了彻底解决压载水带来非本土水生物种的问题,最近几年国外科研人员提出了具有创新思想的无压载水舱船舶概念。本文介绍了这一新技术的研究概况,希望有助于国内无压载水舱船舶的研究以及设计开发。关键词: 海洋污染;压载水处理;无压载水舱船舶中图分类号: U661 文献标识码: A文章编号: 1672-7649(2009)07-0017-03 DOI:1013404/j1issn11672-764912Acommentonballast2freeshipZHAOQiao2sheng,ZHANGZheng2zheng(ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi214082,China)Abstract: Inordertogetbalanceandstability,last2freeshipconceptwasinventedtoprovideanewwaytoaddresstheproblemoftheintroductionofnon2indigenousaquaticspecies(NIS)rtoadvancetheunderstandingofthesolution,ds: oceanpollution;ballastwatertreatment;ballast2freeship0 引 言船舶运输是全球物流链中重要的一环,大多数货物都是经过船舶转运的。现今的商船一般在底部均建有压载水舱,在空船航行的起航港将水舱装满海水,以保持船舶途中的航行平衡;抵达目的港装载货物时,再将水舱的水排出。这种传统概念的压载水舱有2大缺陷:空船航行因水箱装满海水而加大重量,使船舶油耗增加;水舱装载的海水排放出去,造成海洋污染。全球每年的压载水大约有100亿吨左右。国际航行船舶压载水排放引发了外来生物入侵,被全球环保基金组织(GEF)列为海洋的四大危害之一。目前,船东、经营管理人等大都依赖于压载水处[1]理技术,如加热、电解以及紫外线处理等技术。美国采取的是压载水置换、存留船上收取管理费等多项[2]措施。但这些压载水处理技术不但耗时耗费人力,而且增加了营运成本。1 解决压载水的船舶设计方案1.1 贯通流系统船身为了船舶的航行安全,设置压载水舱的传统方法是为了增加船舶在轻载时的重力。转变思维,可以认为压载水是减小了船舶的浮力,而不是增加了重力。这样,科研人员就提出了无压载水舱船舶的概念(美[3]国专利#6694908,2004)。美国密西根大学米歇尔・帕森思博士(MichaelParsons)于2004年在美国造船与轮机工程协会年会上发表论文,专门谈到了无压载水舱船舶的项目设计[4-6]课题,并且特别讨论了贯通流系统船身技术。所谓贯通流系统(ThoughFlowSystemHull),就是用来替代货舱水线以下纵向结构的传统型压水舱。其最大特点是把原来的封闭式改为前后开放式,在船收稿日期:2009-02-12;修回日期:2009-05-21作者简介:赵桥生(1981-),男,工程师,主要从事舰船总体性能研究工作。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・18・舰 船 科 学 技 术第31卷头水线下设置进水口,在船尾有排水口,海水不断地从船首进口处涌入,再迅速地从船尾排水口排出,既可以起到压水舱作用,又可以减少船舶的负荷。这种设计概念可以看成是为了减小船舶的浮力,而不是去增加船舶的重力。利用船首和船尾进出口水流的不同压力,控制贯通压水舱的水流速度。而在贯通流压水舱内穿越而过的海水始终是当地海域中的海水,不会把海水从一个地方带到另一个地方,从而符合国际海事组织(IMO)有关海洋环境保护的规定。目前,世界上关于无压载水舱的研究已经取得了一些成效。美国密西根大学成功研发出无压载水舱货船模型,如图1和图2所示,并在水动力学实验室进行了相关试验研究。设计思路是取消压载水舱,代之以2条开放的大型管道即水流箱。当空船出港时,将大型管道的前后盖子打开,海水流入,船舶出航后海水从管道自前后流动,保持船舶平衡;货船载货航行时,关上前后盖子将海水放掉。是与传统船型相比,其船身接触海水的面积大幅度扩大,船舶的船舷长度增加。不过帕森斯博士认为,通过船底两侧向下“蝉翼”所产生的空气润滑的作用,可以将这些不足之处可以降低到最低限度。目前这种单一结构船身型船舶已经在荷兰代尔夫特大学试造成功,其载重量为4000t,船速为14kn,没有压水舱。从试航检测来看,基本上达到所谓无压舱水船舶的标准。1.3 V型船身无压载水舱超大型油轮船体项目设想,最初由安德斯・乌尔瓦森教授(AndersUlvarson)在瑞典哥德堡的渣尔墨斯大学提出。日本造船研究所在政府大力资助和推动下,从2001年起一直致力于开发无压舱水舱船舶。2003年,日本船舶技术研究协会决定提升无压水舱油轮为日本国家工程项目。参与该项目的船厂和造船科研单位联合成立了日本NOBS设计建造研究所。日本研究机构提出的V型船身(V2ShapedHull)无压载水舱超大型油轮(VLCC)设计的最大特点是船舶的下半部分的船体更加细长,船底呈现明显向下突出的V型,促使无压载水舱船舶吃水深度足够支撑船舶空载时的重量。造船专家们初步推选出2种无压载水舱船舶设计方案。代号为“最佳型”的第1种无压载水舱船体设计方案的主要目的,是设计建造在无水深限制航道,如波斯湾航运的无压载水舱船舶。其船体型深35m,最大宽度56m,满载吃水27m,载货量超过30万t。专家表示代号为“马六甲型”的第2种无压舱水船体设计方案的发展方向,就是建造适合于从波斯湾经过马六甲海峡航行至远东地区中国、日本、韩国的船舶。其船身最大宽度可达79m,型深30m,满载吃水21m,载货量为28万t。日本NOBS设计建造研究所认为,革新型V型船身无压舱水油轮的适航性和运营性现在已经达到国际海事组织法律法规标准。通过计算机模拟测试初步证实,“最佳型”无压舱水油轮(Optimaltanker)可以在风浪不大的海洋上十分顺利地航行;而“马六甲型”无压舱水油轮(Malaca2max)的航行情况较差,原因是其船体加宽后造成船底部分在水中深度不足。2种无压舱水油轮都备有压载水舱,如果遇到恶劣天气,须分别打进115万t和315万t压舱水,以增加其航行稳性,确保船舶安全。而在同样环境下,传统VLCC则必须载有至少8万t压舱水才能达到国际船舶防污染公约所规定的船舶吃水不少于814m的标准。由此可见,所谓无压舱水油轮的优势还是十分明密西根大学的科研人员在大型水槽中对这种新型船舶进行了试验,结果表明这种船舶不仅能保持良好的稳性,而且由于船底安装的2条大型管道中海水自前后流动,水流对螺旋桨推进器可起到有助于加速旋转的作用,能提高航速并达到节省燃油和减排的目的。试验结果表明,最多可以节省713%的船舶动力。1.2 单一结构船身单一结构船身(MonomaranHull)设计方案,是在船底设置一个向后开放的内凹,其船底形状犹如一只倒置的前封后开的拖鞋。这种船型可以使船舶在轻载或空载时产生较大的水尺。但是这一方案的缺点© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第7期赵桥生,等:无压载水舱船舶的研究进展・19・显的。尤其是设计理念并没有被所谓“无压舱水舱”所约束。在船体内还是安排备用压水舱,可以在大海航行图中根据海洋天气和海面风浪情况灵活机动地决定在备用水舱中打进多少压载水,增强其船体的安全稳性。V型船身设计理念是在最大限度内让船体瘦身,达到减少船身在海洋航行中的阻力。其中“最佳型”无压载水舱油轮减少33%的阻力,“马六甲型”无压载水舱船舶减少25%阻力,可以明显节约航行动力所必须的燃料。不过,由于无压载水舱船舶需要优化船舶结构,还要选用超强度钢材,因此单船造价要比传统VLCC高650万美元左右。当然,增加的成本完全可以在船舶运营过程中节约动力消耗收回。2 无压载水舱船舶研究的前景分析英国劳埃氏船级社的高级专家格兰汉・格林思密斯(GrahamGreensmith)在谈到各种无压水舱船舶设计方案时说,迄今还没有一种完全可以从根本上消除压舱水而可以实际使用的船舶设计方案。但是这不等于说,真正意义上的无压舱水船舶绝对无法建造出来。1)从上述3种无压载水舱水系统船舶设计理念和方案来看,人们似乎已经看到了从根本上解决压载水舱问题的光明前景。第1种方案即贯流系统船身最佳,很具创新想法。从技术思路看是可行的,在空载时能起到压载作用,而且海水污染也最小。但目前各国的研究仍处于起步阶段,提出这种创新的船舶设计概念也才几年时间。所以,这种新型的无压载水舱船舶要真正投入到实际营运中还需要一段时间。带贯流系统船身船舶的缺点是尽管改成管通流系统,但还得保留部分横向结构的传统型压水舱。目前研究人员正在集中力量攻克这个难关,尽量压缩一时无法彻底取消的横向结构压水舱的容积,也就是尽量减少船舶所载运的封闭压舱水量,尽量扩大贯通流压载水舱的功能。帕森斯博士指出,通过进一步改进流体动力设计,这些问题的大部分都可以得到解决。2)纵观各国无压载水舱船舶的研究现状,V型船身无压载水舱油轮可有望最先应用到实际工程中。V型船身设计,尽管在大海上遇到狂风大浪时还是需要打进压载水,以确保其稳性和安全,但还是在相当大程度上减少了压舱水所带来的种种问题。帕森斯博士指出,通过扩大污水沟的高度和适当增加船底平面宽度等技术措施,肯定能成功地建造出来可在大风大浪中安全航行的V型船身油轮。从NOBS设计建造研究所的研究结果来看,V型船身油轮和传统油轮一样,船体坚固、顶风抗浪能力优越,可以适航于汪洋大海。革新型V型船身无压舱水油轮航行性能更加稳定,其船体横摇频率还低于传统型油轮,因此革新型无压舱水油轮不需要加装舭龙骨,节约大量造船资金。3)无压载水舱船舶设计不等于完全无海洋污染问题,只是尽可能减小了污染。例如贯流系统压载水舱实际使用时,内壁还是会留有少量的海洋生物、微生物和沉淀物。4)有些所谓无压载水舱其实还是有备用的压载水舱的船舶,这些船舶的压载水舱的水还是可能在其他地方排放,从而造成海洋污染,切不可放松对压载水污染环境的警惕。5)解决船舶压载水污染的最有效的办法是避免船舶出现空载情形,即货船空载或轻载时能在船运公司的统一管理调度中载上货物返航。3 结 语毫无疑问,所谓贯通流系统压水舱,是迄今革新意义最大的造船设计理念。其最大特点是保留传统意义上的压水舱,只不过把压水舱内的死水变成纵向贯流的活水,从而从根本上解决微生物、污染物等在全球海洋的扩散问题。专家表示,如果成功研制出无压载水舱船舶,不仅可以彻底解决压载水的污染问题,还能带来节能等效果以及降低压载水处理系统带来的营运成本。总之,尽管目前还必须大量依赖压载水处理技术,但是无压载水舱船舶航行于海洋之中在不久的将来就会变成现实。参考文献:[1] 陈国权.船舶压载水的处理方法[J].水运管理,2006,28(1):38-39.[2] 翁石光.船舶压载水对生态环境的威胁及其对策的探讨[J].航海技术,2005,(5):66-68.[3] pmentandinvestigationoftheballast2freeshipconcept[D].USA:UniversityofMichigan,2005.[4] 张荣忠.国外关于无压载水舱船舶的探索[J].航海技术,2005,(5):64-66.[5] 冷翠华.无压载水舱船舶加速驶来[N].中国船舶报,2008-09-03(3).[6] 张荣忠.日本造船研究所船舶无压载舱水革新设计[J].世界海运,2007,30(2):31-33.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.