VLCC设计的新理念.docx
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VLCC设计的新理念
丁伟康先生：
您好！
承蒙相邀，为第二届“江南造船创新论坛”撰写有关FPSO方面的论文。
尽管江南造船厂在20世纪90年代初期建造过我国第三艘FPSO——“渤海明珠”号及国家60万桶FPSO课题研究，而本人也确有许多FPSO方面的文章（FPSO船体与LCC、VLCC相类似，而且要求更高）。
但考虑到近年在国内已有发表，今年10月又将在国外交流。
而集团公司对江南造船厂的定位是VLCC。
根据本人在20世纪90年代中期曾承担过我国第一艘LCC及1991年为总公司、1998年为江南造船厂前后二次开发VLCC，并一直关注着大型及超大型油船市场（国内外已有发表），今天仍然对IACS的CSR规范有所关注。
所以，撰写了《VLCC设计的新理念》，供审阅。
文中对江南造船厂将来的称呼，上海长兴江南重工集团？
不清，请纠正。
如经通过审查，望请通知一下，谢谢。
致礼！
七0八研究所赵耕贤
作者简介
赵耕贤1941年生，男，研究员，上海市高级造船专家，七○八所优秀学科带头人。
1964年上海交通大学船舶制造系毕业，长期从事船舶与海洋工程设计与研究。
VLCC设计的新理念
中国船舶工业集团公司第七0八研究所
赵耕贤
摘要随着IACS的CSR规范推出，VLCC设计又有新的理念。
随着国际油运市场的急需，国内外船东，如中海集团公司、南油长江油运公司、香港环球航行公司、挪威FRONTLINE、科威特油船公司，2005年以来，在我国共订购20艘VLCC，使我国VLCC的设计与建造，进入一个新的高峰期。
本文旨在借助第二届“江南造船创新论坛”，在真实回顾我国LCC和VLCC的设计与建造历程以及世界油船市场基础上，论及CSR规范中有关VLCC设计的一些新观点、新理念，以期与同仁作些交流与探讨。
关键词VLCC、规范差异、设计理念
一、前言
人们习惯于将载重量在10万吨~15万吨的油船，称为大型油船（LargeCrudeCarrier—LCC），载重量超过20万吨、30万吨左右的油船称为超大型油船（VeryLargeCrudeCarrier—VLCC），载重量超过30万吨~50万吨的油船，称为超巨型油船（UltraLargeCrudeCarrier—ULCC）。
业内人士认为：
VLCC与小型油船、灵便型、巴拿马型和阿法拉型油船相比，有极大的变化。
VLCC的设计与建造理念，有更大的突破。
随着IACS的CSR规范推出（CommonStructuralRulesforDoubleHullOilTanker）[1]，VLCC设计又有新的理念。
今天，VLCC结构设计的原则，应该是确保主要功能前提下（如载重量、航速、稳性等），采用合理的结构型式，在更高层面上，保证船体的强度和刚度，实现其船体的可靠与安全。
本文旨在借助第二届“江南造船创新论坛”，真实地回顾我国LCC和VLCC的设计与建造历程以及今天世界的油船市场基础上，论及CSR规范中有关VLCC设计的一些新观点、新理念，以期与同仁作些交流与探讨。
二、我国研制超大型油船的历程
我国油船设计与建造，已有近50多年的历史。
从中小型油船、LCC，到VLCC，走过了自行设计与建造——与国外联合设计——自主创新研制的一段曲折历程：
（1）自行设计与建造阶段是指在20世纪60年代~70年代，自行设计与建造了1500吨、3000吨、4500吨、1万吨、5万吨、6万吨油船。
这里有成功的经验，也有失败的教训；
（2）与国外联合设计阶段是指20世纪80年代~90年代，国内船厂与挪威联合设计10.5万吨、11.8万吨大型油船和与韩国联合设计VLCC（伊朗船东）；
（3）自主创新研制阶段是指20世纪90年代至今。
在这16年里可分为下列几个过程：
起步1991年在原中国船舶工业集团总公司组织下，七○八所开发180万桶与大连造船新厂开发200万桶两型VLCC，应该说是我国研制VLCC的起步。
初试1995年开始，大连造船新厂与七○八所合作，为挪威安德安斯·威廉姆森航运公司设计与建造三艘15万吨苏伊士最大型原油船（LCC）。
首制船《WILOMIYANGZE》号在1996年11月试航获得一次成功，不仅载重量、航速、强度都达到了规定的指标，而且船体振动之良好，深受船厂及挪威船东的赞赏。
DNV船级社中港台地区经理誉该船：
“她又为中国船舶工业树立了另一座里程碑”。
是在世人面前显示我国有能力研制VLCC的一次初试锋芒。
嗣后，中运公司大连分公司入CCS船级的15.9万吨原油船（LCC）设计与建造，再次为我国设计与建造VLCC打下了基础。
推进1997年，美国Cambridge公司欲向江南造船厂订购十艘VLCC，一时轰动整个世界。
在原中国船舶工业总公司贸易部组织下，七○八所与LR、ABS、DNV三大船级社广泛讨论，开发了30.4万吨VLCC的设计，积极地推动了国内设计与建造VLCC的进程。
自主创新有一定的“量”，就有一定的“质”。
近10多年来，中国船舶工业集团公司始终将自主创新VLCC为其追求目标，七○八所也不遗余力地增加人力与物力投入，完成LCC和VLCC的开发研究。
表1列出了七○八所在LCC和VLCC方面的设计与研究活动，正是由于这些实践，七○八所对VLCC设计积累了一定的经验。
有针对双壳体油船的特点，能采用专家经验和优化技术，提出优良的LCC/VLCC方案；了解LCC和VLCC船体结构的高应力区域及其处理技术；掌握减少大型船舶尾部螺旋桨激振的特殊结构；可以预报大型船舶的甲板室振动，提高甲板室整体刚度的有效措施等等[2~6]。
2000年以来，七○八所还在引进、消化、吸收VLCC方面做了大量工作。
今天，七○八所已为国内航运公司，自主创新地积极推出两型VLCC，获国内同仁所肯定，并即将开工建造。
同时，随着国内外油运市场的急需，国内外船东在我国订购20艘VLCC，如中海集团公司在大连重工订购4艘、南油长江油运公司分别在江南重工和渤海重工各订购4艘、香港环球航行公司在渤海重工订购2艘，挪威FRONTLINE在江南重工订购2艘、科威特油船公司在大连重工订购4艘，使我国VLCC的设计与建造，进入一个新的高峰期。
序号
时间
项目
内容
来源
1
91.6~91.12
25.8万吨VLCC
合同设计
原中船总公司贸易公司
2
92.2~94.6
14万吨LCC
技术设计
广州海运局
3
94.12~96.4
15万吨SUEZMAX
方案设计和详细设计
挪威
安德安斯·威廉姆森航运公司
4
98.1~99.12
15万吨油船船体结构优化研究
研究报告与文件
国家“九五”攻关科技项目
5
98.1~98.12
30.4万吨VLCC
合同设计
原中船总公司贸易公司
6
2001.7~2001.11
15.9万吨LCC
方案设计和详细设计
中运公司大连分公司
7
2002.12~2003.2
超浅吃水肥大型VLCC研究
研究报告与文件
国防科工委
8
2001.12~2003.4
常规型VLCC
引进、消化、吸收
国防科工委
2004.
VLCC
自主开发
中国船舶工业集团公司
9
94~98
国际会议交流
大型油船和VLCC设计
上海、香港
10
98
编写文集
大型油船文集
708所
表1七○八所在大型油船和超大型油船设计活动
三、VLCC新船市场评述
从海事网获悉[7]：
2005年全世界的船舶订单中，前四位是韩国、欧盟、中国和日本（韩国为1450万修正吨，欧盟850万修正吨，中国700万修正吨，日本620万修正吨）。
其中，随着能源的需求，世界油运市场持续的兴旺、油价升高，船东积极地订购各种类型的油船。
表2和表3列出了2006年3月底VLCC油船和其它油船的最新市场信息。
展望2006年航运市场，新船运力过剩和旧船拆解停滞，这对运费市场仍然产生压力，船舶市场将进行调整并呈回落形势。
而我国的造船效率和消化能力还大大落后于日本。
所以，我们应该保持清醒，至少还不能完全说我国就已经是世界第二造船大国了[8]。
表2VLCC油船市场（2006年3月底）
业主
国家
数量（艘）
载重吨
交船期
价格（单价）
EURONAV
韩国
2
320,000
2009年
DYNACOM
韩国
2
320,000
2008/9年
中海集团公司
大连重工
4
302,000
2009/10年
1.1亿美元
中海集团公司
韩国
2
302,000
2009/10年
ALPHATANKERS
HYUNDAI
2
310,000
2009年
MEIJISHIPPING
MITSUI
1
310,000
2009年
阿拉伯莫思沃尔得海运公司
韩国大宇
4+2艘
320,000
2008年
1.29亿美元
NAT.SHIPPING
HYUNDAI
4
318,000
2008/9年
日本邮船
石川岛播磨
1
300,000
2009年
南油长江油运公司
江南造船
4
304,000
2009年
南油长江油运公司
渤海重工
4
304,000
2009年
挪威FRONTLINE
江南造船
2
297,000
2009年
香港环球航行公司
渤海重工
2
320,000
2009年
科威特油船公司
大连重工
4
298,000
表3其它油船市场（2006年3月底）
业主
国家
数量（艘）
载重吨
交船期
价格（单价）
STEAMSHIP
HHI
2
113,000
2009年
6300万美元
MEIJISHIPPING
MITSUI
1
110,000
2008年
CHAMBAL
HHI
2
105,000
2008/9年
6000万美元
越南OCEANSHPG
越南船厂
1
110,000
（1）
2008年
STEATAMLERS
印度
4
12,800
（2）
2007/9年
CHAMBRIDGEPARTNERS
JINLING
6+3
52,000
2008/9年
4250万美元
MONTANARI
SPP
4
51,800
2007/8年
4400万美元
PARAKOU
STX
6
51,000
2009/10年
4450万美元
WESTALLARSEN
HMIPO
6
51,000
（1）
2009/10年
4450万美元
STOLTNIELSSEN
SHINA
2+2
44,000
（2）
2009年
5700万美元
TAIHEIYOKAIUN
FUKUOKA
1
19,000
（2）
2009年
PRIMERA
HHI
2+2
13,800
（1）
2008年
2200万美元
NORDICTANKERS
NEWTIMES
1
73,500
2008年
注：
（1）成品油轮
（2）化学品油轮，其余为阿法拉型油船。
由表2可知：
（1）VLCC船价反弹，如阿拉伯莫思沃尔得海运公司在韩国大宇订购的VLCC船价，比市场价上涨了18%。
究其原因是韩国的韩元处于高位，促使船厂提价。
（2）2006年世界船厂承接的VLCC新订单，交付期大部分是在2009年。
所以到那个时候，世界新船成交量将超过8000万载重吨，高出2006年约3000万载重吨，这加剧了今天世界主要造船国家及船厂之间的竞争。
四、VLCC结构设计技术
业内人士认为：
VLCC与LCC全是原油船。
VLCC是扩大了的LCC，在解决防污染、稳性、强度、防腐、消防、外输、电站等方面，有十分相似之处。
而船体结构两者也有相类似之处，如采用双壳体结构、有三道水平桁与垂直扶强材组成的平面舱壁。
当然，VLCC的油舱较宽，比LCC多设了一道纵向舱壁。
而且边油舱和中油舱也较长，液舱的晃荡要特别于以关注。
所以，舱内往往设有撑杆。
当然，撑杆的设置还起到了支撑船体结构的作用。
如不设撑杆的油舱，则加设半高的开孔舱壁（制荡舱壁）。
但还是可以这样说，LCC的一些设计理念是触类旁通的[3]。
主要在于：
1．要遵循共同的规范（如船级社的规范、CSR规范、MARPOL修正案等）以及制定结构型式的原则（决定梁拱形式、舭部半径、骨材间距、骨材形式……）。
2．合理设定静水弯矩值的原则，要能包得住所有的装载工况。
也就是说，设定的静水弯矩值应大于装载手册中任何工况的静水弯矩。
3．平面舱壁三道水平桁的位置，尽量使与舱壁水平桁之间的垂直扶强材尺寸相近，以便于工厂加工。
水平桁的位置，如能与舷侧边舱平台位置一致，那是更好的选择。
4．关键节点设计原则，包括桁材趾端和纵骨穿过桁材的节点型式、防倾肘板设计、纵舱壁最前端和最后端的过渡等。
5．控制高强度钢的使用比例。
一般都控制在船体重量的35%以下。
6．应用船级社的相关软件，设计关键性图纸，并进行结构的强度和疲劳分析。
另外，应该说VLCC主尺度选择并不十分困难。
因为，总可以找到许多VLCC的参考资料。
设计师只要按业主提出的“载重量”或业主提供的参考图纸，根据经验确定主尺度，并对其性能指标进行论证与类比。
参考文献[9]列出一些VLCC的基本尺度，L/D基本上在9.8~10.8，型深在30m左右、吃水在22m左右、船宽在58m~60m左右。
设计的重点还是油舱区的边压载舱的划分以满足破舱稳性、线型问题以及合理地划分油舱以减少船体的中拱静水弯矩等。
参考文献[9]还详述了VLCC船体的总强度储备以及中剖面设计的有关问题（如骨材间距的影响、构件尺寸与纵骨类型的选取、高强度钢应用、撑杆位置等）。
提供VLCC的尺度为L＝318m，B＝58m，D＝31.25m，d＝22.2m（最大中拱静水弯矩为7.15×106kN-m，中垂静水弯矩为6.17×106kN-m）。
现在VLCC的船宽一般为60m，所以，VLCC的尺度为L=318m，B=60m，D=29.8m，d=22m（最大中拱静水弯矩为7.2×106kN-m，中垂静水弯矩为6.38×106kN-m。
VLCC船体的总强度储备一般可将甲板设定在3%~5%，而底部的储备往往很大，甚至会超过25％。
随着CSR规范实施，VLCC结构设计将提高到一个新的起点。
CSR规范是在IACS发起下，由ABS、DNV、LR三家船级社共同研究推出的。
在CSR规范制定过程中，ABS是侧重在ULCC和巴拿马型油船、DNV侧重在灵便型和苏伊士型油船、LR侧重在灵便型和巴拿马型油船方面研究。
因此，从某种程度上来说，CSR规范是上述三家船级社规范的合成与发展。
例如：
晃荡及局部强度取自DNV船级社，当用DNV船级社规范时，晃荡冲击载荷概率水平是10-4。
底部砰击与首部舷侧拍击取自LR船级社，舱内动压力计算取自ABS船级社等。
纵观CSR规范，除了增设了极限强度要求及考虑动载外，总体框架与各家船级社以前的油船规范基本上相似。
然而CSR规范已开始罢脱了传统的简单公式设计，CSR规范的计算公式开始变得十分复杂，计及了诸多的因数。
如果没有一定研究、没有一定的专用软件，设计好一艘大型或超大型的双壳体油船的难度可能是很大。
此外，VLCC的理念也有明显的变化。
下面例举CSR规范与以前的油船规范的主要差异。
（1）构件总厚度有了更清晰的描述，它是构件净厚度加上腐蚀余量。
净厚度就是按构件所承受的载荷，满足规范要求的尺寸。
而腐蚀余量有两部分构成：
规范定义的腐蚀余量tcorr（指构件的耗损量加上0.5mm）和业主额外要求的腐蚀余量。
而各种构件的耗损量在CSR规范中已经有明确的规定，不像以前的规范，规定得比较笼统、原则。
（2）在CSR规范要求的强度分析中，对构件厚度应用要特别注意，需要扣除规定的腐蚀余量tcorr。
不同的强度分析，扣除量是不同的。
如船梁剖面模数计算和舱段FEA分析中要扣除50%tcorr；局部强度计算和细网格FEA分析中要扣除100%tcorr；疲劳分析中：
船梁应力要扣除25%tcorr，局部应力要扣除50%tcorr；屈曲和船梁极限强度分析中：
船梁应力要扣除50%tcorr，危险点的应力要扣除100%tcorr。
（3）船梁纵向的弯曲强度，出处取自IACSURS7和IACSURS11。
船梁剖面模数还是应用线性弹性梁的理论以及海上和港口可接受的标准。
但剪切强度中的波浪剪力已经是IACS所要求的值，再加50%。
所以，CSR规范中规定的许用剪应力，也从原来的IACSURS11110kN/mm2提高到120kN/mm2。
（4）大型或超大型的双壳体油船结构设计中，除了要考虑结构强度与疲劳强度（FatigueLimitStates——FLS）外，还提出了要考虑其它的强度要求[1]。
如极限强度分析（UltimateLimitStates——ULS）、意外载荷强度分析（AccidentalLimitStates——ALS）。
据统计，按这种标准设计，其船体结构重量比常规设计的高。
当然，结构的极限强度并不是新的概念，只是以往船舶设计中较少应用。
而今天的船体设计已开始明确了这一点。
极限强度分析中主要是引入了如下的公式（[1]Sec.91.2）：
（SMS+WMW式中：
局部安全系数
MS——中拱垂直静水弯矩
MW——中拱垂直波浪弯矩
MU——中拱垂直极限弯矩（[1]附录A）
S——中拱垂直静水弯矩的局部安全系数，1.0
W——中拱垂直波浪弯矩的局部安全系数（包括环境和波浪载荷预报的不确定性），1.2或1.35
R——中拱垂直极限弯矩的局部安全系数（包括材料、几何特征和强度预报的不确定性），1.1
（5）舱段FEA分析是采用三舱段模型，不像以前只选中间的两舱段。
如果大型双壳体油船油舱范围，纵向划分为五个舱，那么需要建立NO.1~NO.3、NO.2~NO.4、NO.3~NO.5三个三舱段模型，每个舱段模型的所有载荷工况都要做一次。
另外，载荷工况也有增加。
因此，舱段FEA分析工作量极大。
（6）舱段FEA分析中的细网格范围要求多了，除了桁材趾端、主要桁材开口处、横舱壁处的甲板和底纵骨连接端部以外，还要求在下列桁材复板的2s范围内建立细网格（s是骨材间距）：
趾端背面处的桁材（如肋板、纵舱壁垂直桁及舷侧边舱内横向框）、底边舱折角点处的肋板和舷侧边舱内横向框、撑杆端部的纵舱壁垂直桁和舷侧边舱内横向框、甲板强横梁端部（见[1]附录B）。
（7）船体构件计算已不是简单的公式，公式里面包含了许多参数：
除了载荷（有计及运动参量的动载荷、静载荷）、间距、跨距外，还有材料特性及许用弯曲应力系数等，计算显得十分繁琐。
（8）制定了船梁中段高强度钢与首尾低碳钢之间过渡区域钢级的变化（见[1]图8.1.9）。
（9）值得注意典型的结构节点设计。
CSR规范也给出了型材穿过桁材的苹果型或类似苹果型开孔的提示，见图1。
（10）桁材及大肘板上的加强材都有明确的要求。
五、结语
经过数十年的努力，我国造船业有了长足的进步。
七○八所与江南造船集团的合作也是历史悠久、源远流长。
我国许多第一艘船舶，几乎都是在江南造船厂诞生。
改革开放以来，江南造船厂又建成了我国第一代的航天测量船、我国第一艘远洋调查船、我国第一艘LPG船、第一艘出口的大型滚装船以及我国三峡大坝的世界第一门……。
这里也凝聚七○八所人的合作精神。
今天，我国已获得了VLCC的设计与建造的极好机会，而我国新的大型造船基地——上海长兴江南重工集团即将诞生。
相信，我们之间的合作将会更加成功，必定会为我国建成世界造船强国再创辉煌。
图1典型的结构节点
参考文献：
1．IACS，CommonStructuralRulesforDoubleHullOilTanker。
2．赵耕贤，大型油船结构设计，船舶，1992年第6期。
3．赵耕贤，新一代大型油船结构设计特点，新型油船文集（708所编）。
1995年3月。
4．赵耕贤，杨志勇，15万吨油船有限元强度分析及方法研究，船舶，1997年第6期。
5．赵耕贤，15万吨油船中剖面优化，首届船舶与海洋工程结构力学学术讨论会论文集。
第五届中国造船工程学会力学学术委员会。
1999。
6．七○八所，大型油船文集，1998年。
7．海事网获悉，2006年3月。
8．杨培举，中国造船：
慢说全球第二，中国船检，2006年3月。
9．ZhaoGeng-xian，MidshipSectionDesignofthe300,000DWTVeryLargeCrudeOilCarrier.，PROCEEDINGS2ndNews-TecConference，1998,June。
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