这种船比航母还大,但关于它的这些知识你未必了解

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 规圆矩方,清华大学机械工程系博士研究生

  近些年来,用于远洋运输的集装箱船一直朝着大型化方向发展。

  2015年中国开始建造自主设计的21000标准集装箱(TEU)船舶,这一船型被称为天体系列超大型集装箱船,截至2019年5月,中国已经成功交付了4艘同一船型的超大型集装箱船,另外还有2艘在建未投入运营。


  (中国自主设计建造的可以装载21237个集装箱的“宇宙号”集装箱船)

  从2018年7月开始,更大的国产2.2万箱超大型集装箱船也进入建造环节,其首制船将于2021年左右交付,新船型采用双燃料设计,更加绿色节能,届时也将进一步刷新全球最大箱位集装箱船的建造纪录。

  超大型集装箱船一直是世界上公认的高技术、高难度、高附加值的船舶之一,建造超大型集装箱船往往代表着一个国家的船舶建造水平。这些大块头的成功交付,标志着中国掌握了该级别超大型集装箱运输船的设计、制造能力,这是中国在高端船舶建造领域的新突破,也将进一步提升中国海上运输的能力,更好地服务航线经过的海上丝绸之路经济带国家和地区的经济贸易发展。

  那么问题来了,集装箱船越大越好吗?大型集装箱船安全吗?随着船体越来越大,船身会断吗?大型集装箱船靠什么赚钱?今天我们就来谈谈这个话题。

  (一)为什么集装箱船成为越来越多的选择?

  货船的种类有很多种,包括干货船(主要运输干燥货物,例如谷物、矿砂等大宗散货)、液货船(主要运输散装业态货物,例如石油、水、液体化学品等),但是集装箱船却越来越成为主流,目前,在国际航运贸易中,有超过60%的普通货物采用集装箱船运输,其已成为世界各国保证国际贸易的最优运输方式。

  那么,为什么要用集装箱呢?

  散装形式运输货物存在很多难以克服的缺点:由于杂货包装规格和标准不一,装卸成本高,难以开展多种运输工具的联合运输;运输过程中货损、货差大,撒漏和偷盗等难以杜绝;货物堆放难以实现大规模的自动化,而且难以利用货物堆场的高度,堆场的面积需求大等等。


  当采用集装箱运输时,这些问题都巧妙地破解了。

  集装箱只在装箱和卸货时需要稍微麻烦一点,但是在运输方式改变时其装卸却十分简单——洋山港自动化码头上你甚至都看不到几个工人,装载机、平板运输车、龙门吊等等一应装备一起上,装卸作业时间能减少70%以上;


  (洋山港无人自动化集装箱港口)

  集装箱坚固、密封,不怕风吹日晒雨淋,只在装卸的时候开关一次,不怕偷盗,极大地减少了货损货差;

  集装箱的规格统一,堆放时可以很好地利用堆场高度,节省堆场空间。

  (二)为什么集装箱船的块头越来越大?

  虽然集装箱船有上面提到的诸多好处,但作为货物运输的交通工具,载货量才是衡量其价值最重要的标准。


  (满载集装箱离开的银河号)

  目前,国际上采用的衡量集装箱船载货量的单位是TEU(Twenty-feetEquivalentUnit),是以长度为20英尺的集装箱为国际计量单位,这种集装箱外部尺寸为长20英尺×宽8英尺×高8英尺6英寸(5.89m×2.35米×2.59m),代号20GP,是常用的一种较小的集装箱。

  另一种常用的更大的集装箱是40GP,其长度为20GP的2倍,高度和宽度与20GP一致,还有一种很常用的加高了一点的集装箱40HC,其高度比40GP高了一英尺(约30厘米)。

  在运输时,40GP和40HC都算作2个TEU。


  (常用的三个标准集装箱20GP、40GP、40HC的尺寸)

  那么,集装箱船究竟有多能装呢?

  在20世纪70年代,世界上最大的集装箱船的载箱量只有3000TEU左右,80年代后期开始出现了4500TEU集装箱船,90年代中期,集装箱船大型化发展趋势越发明显,8000TEU集装箱船在当时已被建造使用,到了2006年,当时航运界投入使用的最大集装箱船的载箱量已经达到了15000TEU,七年后,2013年18000TEU集装箱船已经建造并投入使用,而如今,21000TEU集装箱船已成为当今航运界集装箱船中的王牌,是目前能够通过马六甲海峡与苏伊士运河的最大尺度的集装箱船而有研究预测,到2060年左右,最大的集装箱船的载箱量将达到50000TEU。


  (集装箱船的块头发展越来越大)

  为什么集装箱船会越来越大呢?

  这主要是因为船越大,单个集装箱的运输成本越低,运输成本对竞争激烈、受经济周期影响巨大的航运业来说是一条十分重要的生命线。统计数据表明,与两艘4000TEU的集装箱船相比,一艘8000TEU集装箱船的运输成本可降低10%~15%,其中燃料及人工费用的减少是总成本得以下降的主要原因

  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日趋成熟,集装箱船开始迈入超大型化的时代,在短短20年里船体容量扩大了近5倍,单个集装箱的运输成本下降了40%~47%

  (三)大型集装箱船安全么?船体设计很重要

  超大型集装箱船的长度是一个十分关键的参数。

  一艘船不能太长,太长的话很容易在船体结构的中间累积起极高的弯矩载荷,一旦配载的时候稍有不慎,船舶的中部就会出现弯矩超过钢材的极限值,这种情况是极其危险的。

  如果船上货物超重并且分布不均,两头重、中间轻,这个时候的船就好像是一根两端挑着重物的扁担,长度越长越容易弯折,区别在于扁担会变弯而不断,但是由钢材焊成的船体却会断成两截。


  (杆的中间和两端受力不均会使得杆中部积累很大的应力,容易折断)

  与扁担相比,超大型集装箱船工作的条件甚至要更恶劣——风浪时时刻刻都在拍打和侵蚀着船体,给船体造成更多的伤害。

  2013年6月17日,由新加坡开往沙特阿拉伯吉达港的日本8110TEU集装箱船“MOL Comfort”号在也门外海发生事故,船舶从中间断裂成两截,随即沉没。

  这艘船的失事原因很复杂,其中之一在于之前的船体结构设计方法存在疏漏,算出来的船体强度不满足其在相应的货物质量分布、风浪条件下的强度要求。


  (从中部断裂的8110TEU大型集装箱船“MOL Comfort”号)

  在这次失事之后,国际船级社协会提出了两个新的要求:分别是代号为URS11A的集装箱船纵向强度标准规定和URS34的集装箱船在负载情况下系统处理功能标准。这两个要求规范了超大型集装箱船的结构设计,提高了部分船体设计的强度标准,中国船级社也参与了相关标准的制定工作。

  中国目前建造的国产天体系列21000TEU超大型集装箱船在大幅度提升船舶装载能力的同时,充分考虑航线揽货种类和配载操作的实际需求,加大配载灵活性,突破了超大型集装箱船的结构设计的关键技术,满足了URS11AURS34的结构规范统一要求,为船体安全打下了牢固的基础。

  (四)大型集装箱船怎么赚钱?靠节能

  除了安全,节能是远洋货运对超大型集装箱船的另一要求,这既是航运企业竞争时降低成本和赚钱的要求,也是面对当前全球变暖条件下对航运业减排降耗的要求。

  2011年7月结束的国际海事组织IMO第62次会议通过了国际防止船舶污染公约(MARPOL)附则VI修正案,将船舶能效设计指数EEDI和SEEMP纳入强制实施范畴,并已于2013年1月1日起正式实行,此强制性标准着重要求船舶设计人员在船舶设计阶段就必须考虑船舶的能效水平。

  在这方面,国产天体系列21000TEU超大型集装箱运输船综合节能水平优异,能效设计指数EEDI值比基线值低50%以上,提前满足IMO有关碳排放的Phase3标准要求。


  大船要想实现节能,设计上主要通过三大手段:

  一是船体的轻量化结构设计。

  船体的轻量化设计并不是我们认为的“偷工减料”,而是一个真正的技术活,既要保证船体结构的安全,又要把使用的材料减下来,让船有更多的载重量来运货。

  对一条设计寿命15年的集装箱船来说,5%的减重所累积的经济效应都是巨大的。

  中国建造的天体系列21000TEU超大型集装箱船在保证船舶安全的前提下有效控制了全船结构重量,对绑扎桥、舱口盖等设备重量进行了有效控制,最终轻量化设计效果明显,整船空船重量达到国际先进水平。

  二是船体的水动力性能设计。

  天体系列21000TEU超大型集装箱船通过定制化设计船体线型和舵桨,进行多航速、多吃水的线型优化,配合全悬挂扭曲舵,达到优异的水动力性能和经济性指标。

  三是采用高效的动力设备。

  天体系列21000TEU超大型集装箱船配备了超长冲程高效主机,采用超大直径低转速螺旋桨,并配备了智能的能效管理系统。

  结语

  巍巍巨轮,国之重器。随着国际贸易日益频繁,近十年来中国的集装箱业务年复合增长率约在30%,到2020年,中国仅沿海港口的吞吐量就将达到50亿吨,集装箱将达到1.84亿箱,我们的历史上曾有郑和这样的大航海家,而光荣的梦想将在一艘艘巨轮的建成下海和远涉重洋中逐渐成为现实。

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  编辑| 史文慧

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