超大型集装箱船的发展趋势与质量控制要点

    孙晓东　胡晓芳

    摘 要：随着国际范围内燃油价格的不断攀升以及国际海事组织关于航运能效设计指数强制标准的全面生效，作为海上货运主力的集装箱船在设计理念上发生了很大的变化。本文针对当代集装箱船所呈现出的技术特点，结合作者船厂实际建造经验以及未来超大型集装箱船的发展趋势，从船舶结构特点以及船舶建造工艺两个方面对超大型集装箱船的质量控制要点进行了归纳总结，为今后新船型的研发及设计提供参考。

    关键词：集装箱船 结构设计 质量控制

    相对传统的干杂货船而言，以标准运输单元进行运输的集装箱运输具有更便捷、更高效、更安全的特点，因此集装箱船逐渐取代传统意义上的干杂货船开始成为海上运输的主力。从规模效应的观点来看，船舶的主尺度越大其经济效益方面的优势就越明显，进入20世纪90年代以来，随着高强度船体材料以及大功率船用发动机等关键技术的逐渐成熟，集装箱船开始正式迈入大型化时代，并逐步呈现出一些全新的发展趋势。随着近年来国际经济形势的复苏以及IMO节能减排法令的强制生效，大型集装箱船再次成为了国际航运界关注的焦点。

    当代集装箱船的发展趋势及所面临的问题

    进入21世纪以来，集装箱船已经从最初的3500TEU、4700TEU发展到目前的8000TEU、10000TEU、14000TEU，目前能装载18000TEU的超大型集装箱船也正在研发的过程中。随着船舶主尺度的不断增大，当代超大型集装箱船开始呈现出一些新特点。

    目前国际船舶航运市场上的集装箱船主要呈现出大型化、经济化、环保化的发展趋势。从现有的船型来看，8000TEU以上的集装箱船船长普遍超过350m，14000TEU的船长已接近400m。从实际营运状况来看，单航次所装载的集装箱越多，单个集装箱的运输成本就越低。因此，随着高强度材料及焊接技术的迅速发展，未来的集装箱船的主尺度还有可能继续扩大。而船舶主尺度的迅速扩大必然导致船舶结构强度、船体刚性、应力集中、疲劳等问题更加突出。2013年6月20日，日本三菱重工建造的8000箱型集装箱船MOL Comfort在印度洋的恶劣海况中折断就是由于设计阶段对大型船舶局部结构强度的特点认识不足所致。因此合理的结构型式与建造工艺是超大型集装箱船在建造过程中需要特别关注的问题。

    随着世界范围内原油价格的不断攀升，燃油消耗开始成为航运企业的最主要成本，因此船东在选择船型时更倾向于低速、低油耗的设计方案，目前主流集装箱船的最大设计航速已经从原先的25节降低到18节甚至更低。随着EEDI的全面生效，集装箱船的减速已是大势所趋。在这个背景下，当代集装箱船开始逐渐采用较丰满的型线设计，以改善船舶低速航行时的阻力性能并增加船舶货舱容量，特别是首尾部货舱的载货量。这类设计理念将导致船舶首尾部的静水弯矩及货物载荷的增加，使得船体强度问题更加突出。

    现代超大型集装箱船的结构特点

    与传统大型集装箱船相比，现代超大型集装箱船船体结构的设计针对其强度问题突出的特点进行了调整。为减轻空船重量，高强度钢材在大型船舶上的应用非常广泛。而与传统的大型集装箱船相比，现代超大型集装箱船的高强度材料使用的范围更大，强度等级也更高。以10000TEU为例，整个船体结构除了在船尾的局部区域使用E级普通强度钢外，其余部位均采用32及36级高强度钢。而在舱口围等高应力区域甚至采用68EH40高强度钢，几乎整个船体结构均有高强度材料构成。高强度钢的广泛使用将导致船舶建造过程中原材料的管理更加复杂，因为材料种类越多，发生错用、混用的可能性就越大。同时相对普通低碳钢而言，高强度刚的焊接性能较差，对焊接工艺及焊工技能的要求也更高。

    传统的集装箱船为确保其快速性通常采用首尾瘦削的型线设计，整个船舶浮力集中在船中而重力则分布在全船范围内，因此船舶的总纵强度一直是船体结构的主要矛盾，而局部强度的问题并不突出。而当代超大型集装箱船开始采用较为丰满的船型设计，通过增加装载量以及减速来降低其能效指数。这种船型设计方案将导致船体结构的受力状况更加复杂，局部强度也不容忽视。上世纪90年代初国内某船厂所研发的某型低速集装箱船在投入营运后陆续发生了首部舱口结构开裂的事故就是由于设计既建造阶段忽视了局部强度所致。因此，当代超大型集装箱船在设计及建造的过程中，应当在关注总体强度问题的同时更加关注其局部强度问题。

    超大型集装箱船建造质量控制要点

    集装箱船结构型式复杂，不同位置的结构型式具有其固有的特点，因此建造过程中所需要关注的问题也不尽相同，具体可分为双层底、舷侧、甲板与舱口围以及横舱壁等区域：

    1、双层底与舭部区域

    超大型集装箱船位于双层底区域肋板扶强材与内底板及外板纵骨连接部位的根部由于长期受外部水动压力和纵向载荷的应力作用，容易产生疲劳损坏。因此大部分采用软址结构以降低局部应力，在船舶建造过程中应确保这些软址形状与设计一致，焊接时应注意焊道的起弧点和熄弧点应尽可能远离扶强材址端和根部。扶强材与纵骨间的角焊缝应成型光滑，包角焊成型良好，不应有咬边和切口等易造成应力集中加剧的焊接缺陷。

    位于货舱内部的纵舱壁与舭部边舱连接区域由于长期受周期性外部水动压力、货物惯性载荷和船体梁载荷的合成应力作用，存在较大的应力集中，因此这些位置通常不应开孔。如确实因为工艺性问题不可避免地开设R孔，也应在施工结束后将开孔区域打磨光顺并加装扇形嵌入板封闭该孔，以避免该位置因为疲劳应力而发生损坏。

    2、舷侧与抗扭箱区域

    为提高船舶整体经济效益，增加集装箱装载数量，集装箱船舷侧会存在大量的箱格结构。这些箱格结构会导致舷侧内部纵骨的不连续性。船舶的舷侧横隔板加强筋与舷侧外板纵骨及其内纵壁纵骨连接处的址端由于承受外部水动压力和船体梁总体载荷交替变化产生的应力，容易疲劳。实践中可在疲劳应力强烈的区域可采用全焊透的方式连接，以延长该区域的使用寿命。

    抗扭箱为集装箱船的特有结构型式，起到承受总纵弯曲和舱口位置抗扭曲的重要作用。横舱壁与抗扭箱连接处的应力较高，此处多采用深熔焊或全熔透的焊接型式以降低疲劳裂纹的产生。在实际施工中应注意甲板纵骨与主甲板的焊接，因此处多为厚板结构，所以定位焊必须具有足够的长度，否则焊接时候纵骨变形产生的应力较大，容易产生裂纹。

    3、主甲板与舱口围区域

    集装箱船甲板面积有限，因此主甲板与舱口围区域多采用厚板结构，以确保船舶的总体强度。在舱口角隅处采用尽可能大的圆弧过渡并采用更高等级及厚度的钢材，以避免舱口角隅位置的应力集中。由于超大型集装箱船的舱口角隅范围往往很大，因此在角隅插入板上应避免任何开孔（如通风筒、空气管和测深管的开孔），并且保证舱口角隅处镶嵌板圆弧自由边倒角光滑圆整，必要时可以通过打磨进行修正。镶嵌板与主甲板焊接时应注意焊道的起弧点和熄弧点应尽可能远离角隅，焊道与母材之间应有良好的过渡，焊接完工后焊缝表面应打磨光顺以避免应力集中。集装箱船舾装施工量很大，在后续施工中应特别注意对舱口角隅位置的保护，避免舱口角隅的自由边在后续施工过程中损坏。

    大部分集装箱船由于甲板面积有限都会将舱口围设计成全船连续的型式，以增加甲板位置承受总纵强度的能力。当船舶中垂或中拱时舱口围将承受全船最大的弯曲应力，因此其结构形式及焊接质量尤为重要。以10000TEU集装箱船为例，船舯舱口围面板选用了62E40高强度钢，板材厚度依次向艏艉递减。在艏艉舱口围处采用延伸过渡肘板使纵向舱口围板的应力得到有效释放。通常舱口围端部肘板趾端部分应力最为集中，在施工中应确保趾端的型式与设计图纸一致，并在整个肘板范围内采用全焊透型式焊接，以提高该位置抗疲劳性能。舱口围腹板位置的流水孔也是整个舱口围区域的薄弱环节，通常其下方500mm范围内的甲板纵骨或纵舱壁位置也应采用全焊透焊接，以避免该位置结构因疲劳而过早失效。

    4、横舱壁区域

    集装箱船的横舱壁可分为上部及下部两个部分。上部与纵舱壁连接处多为箱形结构，舱壁水平桁与纵舱壁连接的肘板处结构受总纵弯曲和扭转应力作用，应力变化范围较大，通常采用软趾和大的圆弧肘板相结合的过渡结构以减小相交结构处的折角，提高抗疲劳性能。而舱壁下部与内底板连接处受力传递的作用，产生较大的压应力通常在舱壁下面的实肋板与内底连接位置采用深熔焊或全熔透的焊接型式，以提高这类位置的承载能力。

    结束语

    从目前世界主要船厂所获得的订单情况来看，集装箱船的设计理念已经有了很大的改变。本文结合目前世界超大型集装箱船的发展趋势及作者实践经验介绍了当代集装箱船的结构特点和重点区域，希望能让大家对超大型集装箱船有一个更直观的了解，在设计、建造和检验上对重点区域能有更准确的把握。

    （第一作者单位：中国船级社上海分社）