船舶尺度和船体形状影响因素

    魏洪斌

    摘 要：本文对影响船舶尺度的航道港口限制、贸易流动性、运河船闸的限制、船舶运输市场、造价和船厂的标准设计因素进行分析，对影响船体形状的因素、船舶的装载量、航速和船舶造价进行了探讨。

    关键词：船舶尺度 船舶形状 因素分析

    船舶尺度

    经济性是决定船舶尺度的关键因素，大船比小船的单位运输成本低，船舶越大，经济性越好。同样，单位载货量的船舶造价，也是大船优于小船。30万载重吨的超大型油轮（VLCC）新船造价为1亿美元左右，然而阿芙拉型（AFRAMAX） 船舶10万载重吨造价为0.5亿美元左右，VLCC的运输量是AFAMAX的三倍，但是在造价方面却是两倍。以两倍的价格换取三倍的运量，单从这点考虑，船东必然选择建造大船。但是实际上航行的船舶并非只有一种尺度船舶，除了经济性之外，还有其他影响船舶大小的因素，包含以下几个方面：航道港口限制、贸易流动性、运河船闸的限制、船舶运输市场、造价和船厂的标准设计。

    1、航道港口的限制

    经济性驱动船舶尺寸逐渐增加的主要驱动，由于船舶航行的外界环境条件——航道港口的几何尺寸因素限制，使得船舶尺寸不能无限增加。首要的限制因素是航道和港口码头对船舶吃水限制。船舶吃水是船舶设计的关键因素，船舶设计时会根据航行过程中的最浅水深和港口条件限定吃水，避免船舶在航道航行、港口装载过程中或航行过程中会尽量船底接触海底，以免造成船底破损船舱进水。吃水限制作为船舶的主要尺寸，限制了船舶可以选择的设计方案，进而影响了船舶其他的主尺度参数。对于航道和港口，为了可以满足大吨位船舶的停靠，采取挖深的方法，由此而带来大量的花费，因此通常情况下是船舶限制设计吃水满足航道和港口的水深条件。

    2、贸易的流动性

    船舶航线的会随货物的贸易流动而改变，船舶出发和到达港口也随之改变，船舶的大小需要尽可能多满足贸易航线上各个港口对船舶吃水的限制。使得船舶不会因为航线的改变，港口吃水的限制，导致船舶无法满载到港和出港。

    3、运河船闸的限制

    航线通过苏伊士运河和巴拿马运河的船舶，受到航线上运河船闸尺寸和水深对船舶主尺度的限制。船舶的主尺度直接关系到，能否满载航行通过运河航道。苏伊士运河，是国际油运的重要通道，同时也是亚洲至欧洲集装箱运输航线的必经之路，有必要考虑运河船闸对船舶主尺度的限制。苏伊士船型（Suezmax），以苏伊士运河通航条件为上限，适合船舶满载航行通过苏伊士运河。有世界桥梁之称的巴拿马运河，有运河通航条件为上限巴拿马船型（Panamax）。然而运河的扩建，同样会反作用于船舶运输市场，进而影响船舶的大小。巴拿马政府为了增加运河船闸可通行船舶尺度，提高船舶通过量，满足超巴拿马船型（Post Panamax）通过的要求。2007年对运河启动扩建项目，在项目完工后适合通过新巴拿马船型。巴拿马运河管理局2013年发布的《Vessel requirements for new Panamax》中对新巴拿马船型（new panama vessel）给出了主尺度范围，其船舶吃水15.2 米，船长366 米， 船宽49 米，集装箱船载箱量最高达到12000TEU。

    4、船舶运输市场

    船舶运输市场因素影响着船舶的大小。货物运输需求多少是运输市场的活跃度主要体现，是影响船舶大小的关键性因素。影响船舶运输货物需求的因素是商品的流动，包含进口商品和外贸商品。对于商品外贸，本国的生产的产品在满足国内消费的同时，产生产品剩余，剩余的产品需要流通到国外，对船舶运输产生了需求。货物的生产率，本国消耗后的货物剩余量，仓库的储存能力，船舶造价，港口水深，泊位的尺寸，以上因素决定了建造多大的船舶。

    5、造价

    对于船舶造价，建造更大或者装载量更多的船舶，需要更大花费，因此如果没有对外贸易增加的趋势，带动大量的货物运输需求，船东不会花费更高的价格建造大船。

    6、船厂的标准设计

    船厂的标准设计，以市场标准为基准，为满足船东的普遍需求而制定。建造一艘符合市场规律的船舶与建造一艘奇怪尺寸的船舶相比，建造价格更低，船舶更符合贸易的需要，销售的渠道更广。对于一些为了满足特殊项目运输需要而建造的非标准设计船舶，一旦项目取消，这些船舶将要面对无法在正常市场销售的困境。船东买船时，他同样会考虑到船舶的经济效益包括初始投资效益和船舶的运输经营效益。新建的非标准设计船舶至少要与现有的标准船舶在经济效益上持平，更优于现有的船舶才能促使船东购买。

    经济性对船舶尺寸增加的往往不是线性正相关的影响。一个例子是超级巨型油轮（ULCC），载重吨范围从最初的32万吨上升到56万吨。诺克·耐维斯号（Knock Nevis）是当时最大的油轮，载重吨达到564650吨。这些大船被用于从中东运输大量的原油到美国和欧洲。ULCC船队的数量在1982年到1983年间快速上升到百艘以上，在1990年间有小幅回落。但是在今天油轮运输市场上，50万t以上油船近年已经淘汰。有分析表明是由于苏伊士运河的关闭和开放对其造成的影响，苏伊士运河的关闭，波斯湾运往西欧、北美的原油被迫绕道好望角，航程延长近半，选择ULCC具有规模经济效应。苏伊士运河开放，超级巨型油轮失去其规模经济效应，逐渐被Suezmax所取代。也有分析称，一艘ULCC一次可以载运3-5百万桶石油，而正是如此大的运量，使得ULCC无法适应油品市场价格行情的改变，货主会选择Suezmax，以避免油价的大跌。两种分析共同点，都是从获取经济效益出发，选择尺度更小的Suezmax。

    船舶的尺度受以上因素制约的同时，还需要面对以下三方面重要问题。首先由于大型船舶单位货运运营成本及燃料消耗的降低是以船舶满载为前提的，船舶装载量达到一定程度以上船公司才能保本经营，因此大型、超大型船舶适合在货源稳定充足的航线上进行运输经营。此外，大型船舶受到航道港口条件的限值，仅能挂靠数量有限的港口。同时大尺度船舶的一旦出现事故，救援和应急保障技术也受到挑战。

    船体形状

    船体的形状主要受三方面因素影响，船舶的装载量，航速和船舶造价。其中货物的装载能力和水动力特性两方面因素，影响了船体的阻力，进而影响了发动机的功率和船舶的航速。最后一项同时也是重要的一项影响因素是造价。其他影响因素包含适航性、稳性和操纵性。

    1、货物装载量

    为了获取最大的货物装载量，通常会选择建造矩形船体，也就是方形系数大的船型。船舶的方形系数越大，船体的船舱内可以尽可能多的装载货物，这种船体形状特别适合散货船采用。然而该类船型不适用于较高的航速。从水动力特性角度分析，由于该类船型一般采取平板形状的船头和船尾，在船头和船体的连接部位有凸起的边缘，对水流的平稳流动有干扰作用，会产生了额外的阻力，所以该类船型一般航速较低。

    2、航速

    高航速船舶的船体形状不同于最大装载量的船型。船体的形状会是细长型，船首会是尖形，船尾是圆形。通过船首切入水，减少阻力，细长没有凸起边缘的船体使得水光顺的流过，圆形的船尾减少水离开船体表面旋涡的产生。然而由于船体内舱室体积受到船体形状的影响较大，细长船型不适合装载大量的货物。

    3、造价

    船舶的造价，包含购买船体外表面钢板的费用和钢板弯曲加工的费用。高航速的船舶，船体外表面弯曲形状多，需要弯曲和加工的钢板操作复杂工序多，因此建造费用会明显高于船体形状单一简单的矩形船舶。建造大船与建造小船相比，需要使用更多的钢板，与小船相比，会减少钢板加工费用占总造价的比重，因此花费钢板的成本价格获得更多的船舶装载量，大船单位载重量的船舶造价低于小船。

    船体形状主要由船舶的设计目的所决定。设计的出发点不同，最终导致船体形状明显不同。散货船主要是为了减少单位载重量货物的运输费用，因此船体形状设计出发点更关注货物的装载量。集装箱船正好相反，速度是设计的关键因素，因此会选用更加流线的细长船型。举两个例子，马士基航运公司的集装箱船，艾玛马士基（Emma Maersk）号，挪威油轮公司前线航运公司（Frontline），29.7万吨超级油轮（VLCC）“皇后”（Front Queen）号，两艘巨型船舶在主尺度方面有些相似性，但在船体形状方面有着明显的不同。这两艘船舶有着各自的船体形状。VLCC是尽可能的矩形，然而集装箱船是光顺的细长船型。

    结语

    船舶的能效与船舶主尺度是密切相关的。船舶主尺度，对船体的形状有决定性的影响，而船体的形状又对船舶的节能减排有显著的影响。研究船舶尺度和形状的影响因素，为提高船舶的能效，合理的优化船舶尺度和船舶形状提供可参考的基础。

    （作者单位：交通运输部水运科学研究院））