郭金柱
江苏新扬子造船有限公司，江苏泰州214532
摘要：集装箱船起源于20世纪60年代，目前已发展为全球三大传统主力船型之一，市场占有率呈继续攀升态势。文章通过对集装箱船班轮性质、模块化装载特点、集装箱船型结构特征及发展趋势进行分析，为船舶设计提供参考。由于智能、节能环保是船舶未来50年甚至更长时间发展的重要主题之一，集装箱船依然将是全球主力船型，对集装箱船船舶特征、节能环保、智能船舶发展趋势进行分析，将有助于船舶研制，并发挥污染物控制在国际治理体系中的作用。 关键词：集装箱船；船体；结构特征；发展趋势
中图分类号：U662.2文献标识码：A
Structural characteristics and development trend of the
我为教育添光彩
container ship
GUO Jinzhu
Jiangsu New Yangzi Shipbuilding Co.，Ltd. Taizhou 214532
Abstract :The container ship originated in the 1960s. At present, it has developed into one of the major traditional ship models. And its market share continues to rise. Study the characteristics of the container ships, modular loading, the structure of the container ship and the trend of its development to serve its design .As intelligent,energy-saving ship is one of one of the major requirements of its kind, and it will continue like this in the coming 50 years or more. The container ship will continuously be the main type. To study these features of the ship will help to develop its new ones. It also contributes to the pollutant control in the system of international governance.
Key words: container ship; hull structural; Structural characteristics; development trend
0 引言
2020年突如其来的新冠疫情致使新造船行业举步维艰，集装箱船却迎来逆势攀升。集装箱班轮公司在港口运转效率下降和全球货物贸易量增长，以及受益于集装箱运输市场运价高涨等因素影响，纷纷大手笔造船，以响应激增的市场需求。集装箱船作为全球三大主流船型之一，在气体船、特种船比例上升背景下，比例仍然在不断攀升。未来，集装箱船依然是全球主流船型，市场份额将继续扩大，集装箱船将继续延续向更大型化、清洁化、智能化发展。
集装箱船货舱内和甲板上装载规格统一标准尺寸TEU（Twenty-feet Equivalent Unit）集装箱的专用船舶，是布置型的高航速运输船，具有快速、安全、“门到门”的运输特点。由于其特点，所以具有装卸效率高、周转速度快、运营成本低等优势。通常，集装箱船以最大装载多少个TEU集装箱数量作为集装箱船舶尺度的衡量标准，如：载箱量1000TEU集装箱船、载箱量3500TEU集装箱船。1 集装箱船的船型结构特征分析
1.1集装箱船总布置图及货舱结构
1.1.1总布置图
作为布置型高速船舶，总布置图中，机舱均分布在艉部或艉部略前。为改善驾驶视线，超大型集装箱船有两岛分布趋势，即艏方向布置驾驶室，艉方向布置主机机舱棚和烟囱。其货舱口布置宽而长，具有较大的型深，一般不设起货设备。
1.1.2船体结构
由于装载集装箱的舱口大、甲板窄，船体结构形式为纵骨架式或混合骨架式。双层底骨架的布置要与集装箱的布置配合，而货舱区横舱壁均为双层底结构，长度一般为两档肋距。货舱内部结构区域除船舯部分外，均为阶梯型结构。货舱每舱需满足装载4只20ft 标准集装箱的长度，每舱的中部还设有空心
舱壁；货舱内有固定集装箱的格栅结构，作为安装导轨架和绑扎桥用。由于艉部线型太窄，所以机舱一般设在船舯的后部，机舱的后面一般还有2个货舱。由于舱口盖
上方也要堆放集装箱，故上层建筑的层次多，如24000TEU超大型集装箱船可达到13层左右。
1.2 集装箱船航速较高，方形系数较小
集装箱船定航线，定航速居多，航速一般大于其他货船，为了达到较高的航速，一般集装箱船船体平行中体相对较短，方形系数小，艏艉非常瘦削。方形系数与基平面的任一水线面以下，船型排水体积（▽）与其对应的船长、船宽和平均吃水的乘积所表示的长方体体积之比，表示方式为：
C B＝▽/LB
根据表1船体主尺度和船型系数表得出，集装箱船方形系数C B(δ)通常为0.65～0.85，对于0.66L～18%L船舶的平行中体长度为6.5%L～18%L，横剖面面积曲线艏段为S型，艉段多为直线。
表1 集装箱船主尺度与船型系数表
1.3 较大的甲板开口
为使主船体内载运尽可能多的集装箱，甲板上的货物开口尽可能大。b L为舱口宽度，B M为所考虑舱口开口中点处的实际宽度。
开口与船宽比=b L
B M
根据表2集装箱船货舱开口与船宽比数据统计分析得出，除了早期的部分小型集装箱船以外，集装箱船的货舱开口与船宽比基本都大于0.8，巴拿马型集装箱船的两者比例一般为0.87～0.88，超巴拿马型的大型集装箱船要达到0.9左右，24000TEU集装箱船货舱开口占船宽百分比达到0.94。
由于集装箱船具有大开口的特征，船长较长，船体梁的刚度较弱，对应的船体固有频率也降低，所以集装箱船不仅有总纵弯矩引起弯曲变形，而且扭转及横向载荷变形也是其主要特征之一。在进行集装箱船表2 集装箱船货舱开口与船宽比数据统计表
结构设计时，必须充分考虑集装箱船这一特征，即在
各种因素下，各种力的综合响应，包括静水力距、垂
直波浪弯矩、水动力和货物扭矩，以及水平波浪弯矩
等。针对集装箱船的这种特性，结构设计除了要满足
规范所要求的总纵强度和屈曲强度以外，还要满足大dna病毒
开口扭转强度要求，以及利用有限元计算对全船的弯
扭强度等进行综合分析。对于应力集中区域，如舱口
和舱口角隅等区域还应进行疲劳计算分析。根据图1
舱口围区域有限元应力分析的结果，集装箱船舱口角
隅等区域属于应力集中区域，需要厚度更厚、材质更
高的高强度钢板满足大开口扭转强度要求。
1.4 选用的高强度钢的等级及厚度材料随集装箱美国情景喜剧
装载量增加而递增
由于集装箱船具有大开口和货舱区上甲板宽度仅
1.8～
2.2m的特点，为了保证船舶的总纵强度，导致上
甲板、舱口围板和舷顶列板的板厚非常厚，通常必须
选用高强钢板以替代钢板厚度，而且强度等级随集装
箱船的增大而不断提高。例如：1700TEU级集装箱船
选用的是DH36等级的高强度钢，厚度为36mm；
5000TEU级集装箱船提高到55mm；8000TEU级集装箱
船更提高到EH40等级，厚度达70mm左右；而图1舱口围区域有限元应力分析结果
10000TEU级集装箱船船板厚度更达到80mm以上。我公司当前建造的14000TEU集装箱船厚板也提高
到90mm以上。随着选用高强度钢等级及厚度的不断提高，对结构设计、焊接工艺以及施工环境不断提出更新的、更高的、更严格的要求，例如施焊前预热、焊后保温等保证质量的措施。
1.5 货舱区及横隔舱结构的复杂化
由于集装箱船是以装载规格统一标准尺寸集装箱作为单元进行布置的，使得货舱尤其是艏艉受线型变化影响较大的货舱内，形成多个集装箱装载平台，货舱内的结构相对复杂。在2010年生效的“燃油舱保护”新规要求，大多数集装箱船需要在货舱间的横隔舱中布置燃油舱，从而使得该区域结构复杂化。随着2020年国际海事组织生效实施的“限硫令”，即全球范围内实施船舶燃油硫含量不超过0.50%m/m规定，使得越来越多的新造船舶安装脱硫塔洗涤装置和LNG双燃料动力装置，以适应更高环保要求。为此，大多数集装箱船需要在艉货舱机舱棚区域布置脱硫塔装置，在货舱间的横隔舱中布置存储LNG气体的液罐，这同样使得该区域结构更加复杂。
另外，横舱壁多这一特点在大型集装箱船上尤为明显，一般每隔12.192m就设置有水密横舱壁或横向支持舱壁，以便支持舱口盖，也有利于减小船的横向变形，因此横舱壁重量在船体结构重量中所占比例较大。
此外，集装箱船特有的绑扎桥、箱柱等要求船体结构局部加强，也使结构更趋复杂化。
1.6 艏艉结构瘦削及结构设计的加强
相对其他货船而言，由于集装箱船的班轮性质，要求具有较高的航速，线型瘦削，制造难度大。考虑到甲板上浪，螺旋桨巨大激振力等因素影响，以及在恶劣的海况条件下船舶纵摇引起艏艉部严重的迫击现象，需要对艉部结构进行加强和设定间距适当纵向隔板结构，抑制振动力的传递和向外扩散。在艏部区域线型往往有很大外飘角，同时由于航速影响，造成艏部冲击载荷比较大，因此需要在外飘严重部位增加额外的强肋骨进行补强。这也使得艏艉部分设计及施工难度相对增大。
2 集装箱船发展趋势
2.1 大型化
随着2013年集装箱船班轮巨头马士基航运公司第一代Triple-E的到来，韩国大宇造船海洋公司为其交付的18000TEU集装箱船成为当时全球最大集装箱船的基准，此后，超大型集装箱船时代到来。中日韩三国船厂在集装箱船市场上的“碰头”越来越多，竞争也趋向白热化。而较量的结果就是，从19000TEU、20000TEU、22000TEU、24000TEU、集装箱船愈发“有容乃大”。集装箱船大型化对全球班轮航线布局和集装箱运营模式将产生深远的影响。大型集装箱船在带来规模经济效益的同时，由于航道水深等自然条件的限制，也对基于航道通过能力和港口接卸能力的航线规划、枢纽港选择等提出更高的要求。此外，船舶大型化到一定程度，其规模经济效应也会被增大规模所带来的负面效应逐渐抵消。
法官法
2.2 环保化
除了体型威猛外，超大型集装箱船开始朝着绿环保、高效节能方向迈进。当前，碳减排和碳中和“加速键“已经开启，采取以替代燃料为优先手段，以动力、能效技术为辅助的综合解决方案，已成为当前航运业碳减排的主要措施和“最优解”。如使用LNG为主燃料的双燃料动力系统，能够满足全球最严格的排放标准。与传统燃油相比，其二氧化碳排放可以减少20%，氮氧化物排放可减少85%，颗粒物、硫氧化物排放量可减少99%，船舶设计能效指数（EEDI）达到60%的效果，大大减少了对环境污染和温室气体排放，诠释了绿航运发展理念。正是出的绿环保、高效节能船型持续推出，节能环保船舶将成为市场新宠、世界各大班轮公司新贵。
2.3 智能化
智能化是一个热门话题，在船舶领域也是大势所趋。目前国内外相关企业和机构对智能化船舶开展的研究观察，主要集中在智能航行、智能机舱、智能能效管理和智能集成平台中的相关产品和技术上。如在建造的24000TEU集装箱船，其在航行控制、能效管理等系统中实现了高度智能化管理。该船配备机舱智能监测报警系统、智能能效管理系统和闭路电视监控系统等多种设备，可自动判别停泊、机动航行、定速航行等情况，还可实现无人机舱的运行状态实时监控。驾驶室集合了最先进航行控制系统、全船局域网系统及船岸卫星通信系统，可确保船舶在全球海域的安全航行和船岸信息交流，其船舶智能系统达到船级社智能自主化程度的AL3级。
3 结论
2020年，全球集装箱船市场先抑后扬，新造船市场实现回升，本文分析目前新造船市场集装箱船逆市增长原因，论述了集装箱船船型特征和发展趋势。在集装箱船船型结构特征分析中、针对集装箱船的班轮性质、模块化装载等特点，对船型宽、大型深、角隅开口、高航速、线型瘦削的特征做了简要探讨，目的是为新船设计提供借鉴。船型技术发展来看，对环保、
智能船舶的发展趋势进行了展望，目的是激发船型研发。总之，集装箱船作为全球主力船型，占有率继续递增。随着集装箱船向更大型化、智能化、环保型船型发展，将会有更多新的技术不断出现，如核动力推进和无人驾驶技术的应用、更高级和厚度的高强度材料应用、绑扎技术的进一步发展，以及面对日益增长环保监管压力和全球脱碳化趋势，船舶业势必将进行新一轮的技术革新。
参考文献
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[7]赵云.过去十年，国际造船业十个“洗牌”瞬间[N].中国船舶报,2020-01-10(03).
江泽惠
作者简介：郭金柱（1989—），男，船舶与海洋工程专业，学士学位，助理工程师，主要从事船舶与海洋工程设计方向的工作。
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