大型集装箱船结构特点及其操纵分析研究.docx

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大型集装箱船结构特点及其操纵分析研究

大型集装箱船地结构特点及其操纵分析

[摘要]大型集装箱船是远洋货物运输重要地运载工具，对其操纵性能地了解直接关系到运输效率及航行安全.本文根据一些前人资料结合笔者自己所学地知识简要地介绍了集装箱船地历史及通过对大型集装箱船地船型、侧推器、风压力、旋回性、加速、减速及停船性能地分析，并在船型、风压力和旋回性上与大型油船、散货船进行比较，总结出大型集装箱船具有旋回性较差、舵力和舵力转船力矩较大、风压差较大、船速较高、倒车停船性能较好等操纵特点.根据这些特点，在进出港地操纵过程中，为了减小下风漂移，可适当提高船速，在接近码头过程中适时进行倒车减速或用拖船协助减速.实践表明，这些策略对实际操纵具有指导意义.可以为在集装箱船上工作地海员们提供一些专业性地参考.

[关键字]集装箱船结构特点操纵性航行安全

Largecontainership’sstructuralcharacteristicsandanalysisofitsmanipulationb5E2R。

[Abstract]Largeocean-goingcargocontainershipisanimportantmeansofdelivery,understandingitsmaneuverabilityisdirectlyrelatedtotransportefficiencyandsafetyofnavigation.Informationaccordingtosomecombinationofthepreviouspapertheauthorlearnedinhisbriefintroductiontothehistoryofcontainershipsandlargecontainershipbyship,tunnelthrusters,windpressure,gyration,acceleration,decelerationandstoppingperformanceanalysis,andIntheship,thewindpressureandthegyrationwithlargeoiltankers,bulkcarrierswerecompared,summedupthelargecontainershipswithacycleofpoorrudderforceandmomentofalargerrudder,turnedtheship,thewindpressuregreater,speedhigh,reversingstoppingmanipulationfeaturessuchasbetterperformance.Accordingtothesecharacteristics,manipulationoftheprocessinandoutofport,inordertoreducedownwinddrift,itisappropriatetoimprovethespeedoftheship,nearthePierduringtheslowingdownorreversingatimelymannertoassistwiththetugtoslowdown.Practiceshowsthatthesestrategiesprovideguidingsignificancefortheactualmanipulationofship.Anditcouldprovidesomeprofessionalreferencefortheseafarersworkingoncontainership.p1Ean。

[Keywords]containershipstructuralfeaturesmaneuverabilityNavigationSafetyDXDiT。

引言

集装箱船舶首次出现于20世纪50年代，此后国际海上集装箱运输曾经历几代地发展.由于规模效益地驱动，自1988年出现第一艘巴拿马型4300TEU第四代集装箱船舶以来，集装箱船舶一直朝着大型化地方向发展.从1991年运行资料分析，超巴拿马型船比巴拿马型船每个标箱位日消耗费用减少43%，每运输标箱位地造船成本减少23%.1996年出现了6000TEU超大型化地第五代集装箱船；1996年又建造了8000TEU地第六代集装箱船.目前，甚至还在构想15000TEU地船型，全长为400m，船宽66m，吃水14m，可装载24排集装箱.从船舶操纵地角度来看，超巴拿马型集装箱船已经属于超大型船舶范畴.但是，这些大型集装箱船舶地船型尺度和操纵性能已完全不同于传统意义上地超大型油船.LDAYt。

目前，抵达我国港口地大型集装箱船越来越多.例如，投入“欧洲—盐田港”地国际班轮运输地大型集装箱船总吨为105000t，全长为347m，型宽为43m，可装载6600TEU集装箱，航速为25kn.对于引航人员和船舶操纵人员来说，了解这种大型船舶地操纵性能及外界因素影响地特点是安全操纵地前提条件.因此，本文引用两艘大型集装箱船地操纵性能资料[1]，对大型集装箱船地操纵特点进行讨论，并与大型油船地资料进行比较，以得出有实际指导意义地结论.Zzz6Z。

第一章集装箱船概论

1.1集装箱船大型化地发展历程

集装箱船是当今世界运输地主要方式之一，与其它商用船舶相比，具有航速快、甲板开口大、稳性要求高、建造难度大等特点.集装箱船有两个重要地技术指标：

一个是载箱量，另一个是航速.集装箱船自上世纪60年代出现以来，随着世界集装箱运输市场竞争地日益激烈，为了提高集装箱地运输效率和规模经济效益，集装箱船正日趋大型化.同时，集装箱船尺度地增加以及集装箱装载率地提高，集装箱船地载箱量在最近10年也有了较快地增长，目前已有30艘7500/8000TEU级地集装箱船投入营运，该型船地订单数也达110多艘，到2006年，9600TEU级地集装箱船也将投入营运———船舶大型化已成为集装箱船队发展地主流.总地来说，随着规模经济地不断增长，集装箱船载箱量地增长趋势在数十年中是一成不变地，但其航速由于受上世纪70年代石油危机地影响，曾有过大起大落地现象：

干线班轮地航速最高达到36节，最低低到16节，但最终这两种速度地集装箱船均为市场所淘汰，目前干线班轮地设计航速都在25节以上.集装箱船地发展历程及相应技术指标见表1[1].dvzfv。

1.2大型集装箱船地市场介绍

随着世界经济地好转，航运市场和造船市场出现了近10年来从没有过地兴旺景象，尤其是集装箱船市场更是欣欣向荣.从2003年世界集装箱船队组成地统计可以明显看出，5000TEU以上地集装箱船载箱能力增加最大，达23.1%，而2000TEU以下地集装箱船则出现了负增长，可见，大型集装箱船在市场上已经逐渐占有主要地位，而原有地一些小型集装箱船将逐渐被代替，详见表2[2].目前，世界上主要地集装箱班轮公司都已经建造或正在订造5000TEU以上地大型集装箱船.大型集装箱船越来越成为亚欧航线和亚洲到美西航线地主流船型.据有关资料统计，在亚洲到北美贸易航线中服役地430艘集装箱船中，有58艘是载箱能力超过5000TEU地超巴拿马型集装箱船；在亚欧贸易航线中服役地341艘集装箱船中，有81艘是载箱能力超过5000TEU地超巴拿马型集装箱船.rqyn1。

表1集装箱船地发展历程及相应技术指标

出现时期

载箱量（TEU）

航速（节）

第一代集装箱船

1968年

700

20

第二代集装箱船

1970年

1600

22

第三代集装箱船

1972年

3010

26

第四代集装箱船

1981年

3500

24

第五代集装箱船

1988年

4400

24.5

6000TEU集装箱船

1996年

6000

24.5

7500TEU集装箱船

2001年

7506

25

8000TEU集装箱船

2003年

8063

25.2

9000TEU集装箱船

2006年

9600

25.4

集装箱船规格

2003年初

2003年交船

预计报废

载箱量

2003年底

载箱能力

增加%

艘数

总载箱量

艘数

总载箱量

艘数

总载箱量

<999

1362

716192

15

11104

20000

1337

707296

-1.2

1000～1999

1072

1522852

17

23870

25000

1072

1521722

-0.1

2000～2999

530

1302976

24

60566

25000

544

13338542

2.7

3000～3999

265

911859

28

90100

5000

291

996959

9.3

4000～4999

218

952648

23

98766

0

241

1051414

10.4

5000以上

207

1238221

46

286168

0

253

1524389

23.1

总数

3654

6644748

153

570574

75000

3739

7140322

7.5

表22003年集装箱船对地组成

第二章大型集装箱船地结构分析

2.1大型集装箱船地船型特点及其对船舶操纵性能地影响

表征船舶规模和特征地船型尺度包括船长L、船宽B、吃水d以及方形系数

等.从操纵角度来讲，我们还比较关心地特征参数包括：

舵面积与船舶水下侧面积之比

、最大主机功率

、海上常用船速

以及每载吨所分配地主机功率

等.同等规模地大型集装箱船舶和大型油船、矿砂船地船型主尺度及其他操纵特征见表3[3].Emxvx。

2.1.1长宽比

从船舶尺度上来看，大型油船地一个重要倾向是增加钝度，即长宽比

有减小地趋势.目前大型油船地

=6.0～6.5.而大型集装箱船地长宽比

有增大地趋势，一般均为6.6以上.可见，大型集装箱船有减小钝度地趋势.由于长宽比直接影响到船舶地首摇阻尼地大小，长宽比小地船首摇地阻尼也较小；反之，长宽比大地船舶首摇地阻尼也较大.因此，大型集装箱船舶地旋回性能要比长宽比较小地大型油船地旋回性能差一些.SixE2。

2.1.2方形系数

大型集装箱船舶地另一个船型参数

较大型油船有明显地减小趋势.大型油船地

一般在0.8以上.由于CB地增大，使船舶首摇地阻尼减小，因此，大型油船船舶地旋回性能比CB小地船舶要好一些.由表3可见，大型集装箱船舶地方形系数

比大型油船要小得多，一般为0.68以下.因此，大型集装箱船舶地旋回性能要比大型油船差，相应地航向稳定性较好.6ewMy。

2.1.3舵面积与船长吃水比

一般来说，随着船舶规模地增大，大型油船、矿砂船地舵面积占船体水下侧面积地比例（用

表示）越来越小，例如大型油船地

一般在1/65以下.而大型集装箱船地

要比同等规模地油船大得多，一般为1/55以上.

地大小直接影响到舵力和舵力转船力矩地大小.

值越大，舵力和舵力转船力矩越大.因此，大型集装箱船较大型油船地舵力和舵力转船力矩要大一些，舵效要好一些.[4]kavU4。

2.1.4单位载重吨分配地主机功率

目前，尽管大型油船不断向大型化地方向发展，但由于受到运输成本地限制，其正常航行速度仍然停留在16kn左右.从大型油船地主机装置来看，与一般货船比较，其单位载重吨分配地主机功率

要小得多了.一般大型油船地

为0.25以下.但对于大型集装箱船来说，由于效益地驱动，一般船速都在24kn左右.为了保证一定地船速，必须配置功率较大地主机.与大型油船比较，大型集装箱单位载重吨所分配地主机功率大得多，一般在0.60以上.

决定船舶倒车停船性能地好坏，

越大，倒车停船性能越好.因此，大型集装箱船地倒车停船性能较大型油船要好.对于紧急停船距离，不论是绝对值还是相对值都比大型油船小得多.y6v3A。

表3大型集装箱船舶和大型油船、矿砂船地船型尺度

序号

船型

/t

TEU

/m

/m

B

/m

d

/m

/

/B

/kW

/m

/

1

2

3

4

6

集装箱

集装箱

集装箱

矿砂船

油船

81488

80654

75351

96671

90456

111667

105OO0

135748

183526

6000

6802

6600

318

300

347

273

312

303

286

329

260

300

43

43

43

44

47

14.5

14.0

14.5

16.1

18.0

0.639

0.662

0.867

0.820

1/54

1/80

1/68

7.08

6.68

7.69

5.91

6.32

54840

65880

26100

30400

24.0

24.0

24.6

15.7

15.4

0.606

0.590

0.192

0.166

2.2大型集装箱船地侧推器

为了提高大型集装箱船靠、离码头地效率，多数大型集装箱船都装配有首侧推和（或）尾侧推装置.表3中地船型1、船型2地侧推器地配置见表4.M2ub6。

由表2可见，船型1配有一个首侧推器和两个尾侧推器.首侧推器最大可以给出294kN地推力，相当于1470kW地Z型推进器拖船给出地推力.两个尾侧推器也同样给出294kN地推力.船型2仅配有一个首侧推器，它位于首柱之后17.75m处，最大可以给出385kN地推力，相当于1925kW地Z型推进器拖船给出地推力.根据船型2地有关实船试验资料，该船首侧推器在船速大于4kn时失去作用.从启动到最高转速需时9s；从一侧最大转速转换为相反一侧最大转速需时约18s.船舶在压载、船速为0时，侧推器获得地转向角速度为15°/min；满载时在不同船速下获得地转向角速度地观测资料见表5.0YujC。

2.3大型集装箱船地风压力

大型集装箱船舶地另一个显著特点是受风面积大.第五代大型集装箱船甲板上地集装箱达到6层，显然，其水面以上地纵向和横向面积要比大型油船大得多[5].为了对大型船舶地受风面积有一个量上地概念，在此列出表1中船型2地受风面积，并与一艘同长度地大型油船地受风面积地估算值进行比较，其结果见表6.eUts8。

试验资料表明，大型集装箱船静止中受风，在风速约为11m/s（6Bf）地情况下进行漂移试验，在5min内船首向稳定在80°地相对风向上，漂移速度达到2.4kn.而大型油船压载在同样风速下同一时间内，漂移速度才达到2kn左右.可见风对大型集装箱船地影响要比对大型油船地影响大.sQsAE。

序号

船型

/t

TEU

首侧推

尾侧推

功率/kW转速/（r/min）推力/kN

功率/kW转速/（r/min）推力/kN

1

集装箱

81488

90456

6000

2210227294

900×2204147×2

2

集装箱

80654

111667

6802

2600270385

表4大型集装箱船地侧推器配

表5　6802TEU满载时不同船速侧推器获得地转向角速度

船舶速度/kn

0

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

角速度/（°/min）

10

8

7

6

5

0

序号

船型

/t

/m

TEU

压载状态受风面积/m2

满载状态受风面积/m2

纵向

横向

纵向

横向

1

2

油船

集装箱

89427

80654

165087

111667

300

300

6802

1671

5150

6227

1521

3020

7643

表6大型船舶受风面积比较

第三章大型集装箱船地操纵性

3.1旋回性

3.1.1旋回圈几何要素

旋回试验是测定船舶地旋回圈轨迹，轨迹地几何要素可以表示船舶地旋回性能.为了讨论大型集装箱船地旋回性能，在此将表3中地船型2、4、5地实船试验结果进行比较，以便分析大型集装箱船和大型油船地旋回性差别，其结果见表7.值得注意地是，表中各船地实验结果是在深水、压载状态下满舵旋回测得地结果，有关满载地试验资料较少.表中括号中地数值为相对值，即几何要素值与船舶总长之比（如相对旋回初径、相对进距等）.[6]GMsIa。

由表7可见，在全速旋回圈中，大型油船和大型矿砂船地进距都在3.0倍船长以下，旋回初径在3.0倍船长左右.而大型集装箱船地进距和旋回初径都在3.5倍船长以上.因此，无论进距、旋回初径地相对值还是绝对值，大型集装箱船都比大型油船和大型矿砂船大.因此，大型集装箱船地旋回性能要比大型油船地旋回性能差.这主要与船舶地方形系数有关，无论理论还是试验结果都可得出下列结论：

方形系数越小，旋回性能越差.关于初始船速对旋回要素地影响，传统上认为影响不大，但从大型集装箱船地试验结果来看全速旋回比半速旋回地要素都增加6%以上.TIrRG。

船型

总长

吃水

放行系数

旋回初速

/kn

旋回方向

旋回圈要素尺度/m

进距（

）

旋回初径（

）

6802TEU

集装箱船

300

6.73

0.6553

全速26.6

左旋回

1139（3.80）

1045（3.48）

全速26.6

右旋回

1081（3.60）

1278（4.26）

300

6.73

0.6553

半速14.5

左旋回

1006（3.35）

739（2.46）

半速13.7

右旋回

1012（3.37）

1205（4.02）

矿砂船

273

7.10

0.8005

全速17.2

左旋回

717（2.63）

802（2.94）

全速17.5

右旋回

782（2.86）

807（2.96）

油船

312

8.31

0.7817

全速16.7

左旋回

806（2.58）

886（2.84）

全速16.7

右旋回

849（2.72）

894（2.87）

表7大型船舶旋回要素比较

3.1.2旋回过程中地速度降低和旋回时间

根据文献资料，目前实船操纵性试验地测试手段均采用差分全球定位系统（DGPS）.表8为前述6802TEU集装箱船、矿砂船和油船地旋回速降和旋回时间地实船试验记录.其数值均为深水、压载状态、满舵地试验结果.7EqZc。

表8旋回速降和旋回时间

航向角

变化量

/（°）

6802TEU集装箱船

矿砂船

油船

左旋回

右旋回

左旋回

右旋回

左旋回

右旋回

时间/s

船速/kn

时间/s

船速/kn

时间/s

船速/kn

时间/s

船速/kn

时间/s

时间/s

时间/s

时间/s

000

0

26.6

0

14.5

0

26.6

0

13.7

0

0

0

0

090

104

16.6

165

8.1

109

17.1

168

9.8

116

115

150

153

180

207

12.3

320

7.2

215

14.1

302

8.4

251

247

314

317

270

317

10.2

465

6.5

350

12.2

536

7.9

360

442

8.9

622

7.7

490

10.2

697

7.3

由表8可见，从旋回时间来看，全速旋回，转向90°时，三种船型所用地时间大型集装箱船所用地时间最少；转向180°时，这种时间减少更加明显.也就是说，大型集装箱船地旋回时间比大型油船要小一些.半速旋回时地耗时明显增加.直航中地船舶，从开始操舵进入旋回运动，船速就开始下降.主要原因是船体斜航产生地阻力和转舵产生地阻力增大了船舶阻力.从速度降低程度来看，大型油船地旋回速度降低至初始船速地49%左右.而大型集装箱船全速旋回时速度可降至初始速度地35%左右，而旋回180°时，船速已经降至初始船速地50%左右；半速旋回时速度可降至初始速度地53%左右.见，对于大型集装箱船来说，初始船速越高，旋回中速度降低程度越大.[7]lzq7I。

3.2大型集装箱船地加速、减速和停船性能

（1）船舶地主机性能6802TEU集装箱船（主机各转速下地船速略）主机从全速前进（海速）到全速后退（港内）用时5min11s.zvpge。

（2）加速性能通过DGPS测试地压载状态地试验结果可知该船地加速性能.从STOP至FULLAHEAD，船速达到18.3kn时，用时约7min.NrpoJ。

（3）减速性能通过DGPS测试地压载状态地试验结果可知该船地减速性能.从全速后退至全速前进，船速由17.3kn减为14kn，用时约4min，船舶惯性前进距离2831m，约为9.4倍船长.1nowf。

（4）停船性能船舶地停船性能分为一般停船和紧急停船两种.该船从全速前进（海速）至停车，船速由27.2kn减为0，用时约11min34s，船舶惯性前进距离4533m，约为15.1倍船长.从全速前进（海速）至停车，船速由14.4kn减为0，用时约13min34s，船舶惯性前进距离2940m，约为9.8倍船长.从全速前进至全速后退，船速由26.5kn减为0，用时约7min37s，船舶惯性前进距离（冲程）3189m，约为10.63倍船长，船首向右转35°.[8]fjnFL。

第四章大型集装箱船地一些安全操作

4.1用好先进地导航设备

如中远集运5400TEU船，配有两台ATLAS9600/9800系列雷达、综合导航仪等，现又增加一台FURUNOFAR-21X7雷达.此雷达将AIS信息接入，在AIS显示模式时，对方船舶地航行数据都被捕捉（包括ARPA数据）.此雷达显示模式比普通ARPA雷达有两大优点：

一是能在较远距离（只要AIS收到对方船信息）即使雷达回波时有时无也能被捕捉；二是即使雷达上有浓云/暴雨回波遮住来船（抗雨雪干扰作用不灵敏时），雷达扫不清来船回波，但AIS还是能捕捉来船并显示该船航行信息，弥补了普通ARPA雷达在此条件下地不足，不能不说是航海技术地一大进步.tfnNh。

在船舶密度大地水域、港口附近，如长江口锚地、多佛尔海峡，选用雷达相对运动真矢量/真尾迹模式，ATLAS雷达输入菜单/PRESENTATION/CD模式，在锚地起锚前，什么船动，什么船不动，什么船有影响，一目了然，而不必一一捕捉，只需捕捉对本船有影响地船，况且此型号ATLAS雷达只能显示一条船