中國造20000箱超大集裝箱船攻克哪些難點？

它使中國打破了日韓壟斷，成功立足超大型集裝箱船的國際「建造俱樂部」。

出品| 網易新聞

作者| 汪澤，清華大學機械工程系博士研究生

　　今年6月16日，由中國自主設計並建造的20000TEU（標準箱）集裝箱船首制船在上海順利出塢，國內自主設計建造最大集裝箱船的紀錄再一次被刷新，關於這艘船，你想了解的都在這兒了。

　　20000TEU集裝箱船

集裝箱船為什麼越大越好？

　　為什麼刷新了最大集裝箱船的建造記錄是一件值得高興的事情呢？為什麼集裝箱船越大越好呢？

　　在回答這些問題之前，需要進行一個簡單的概念科普。集裝箱船運載的貨物是一個個標準的集裝箱，正是這種標準化，使得集裝箱船的貨物的裝卸相比於散貨船更加便捷。因此不同於其他類型的船隻，衡量集裝箱船大小的不止是尺寸、噸位、排水量這些參數，還有船舶裝載集裝箱的數量多少。TEU(英文Twenty-foot Equivalent Unit的縮寫)是指以長度為20英尺的集裝箱為國際計量單位。今天要介紹的20000TEU則表示一艘船可裝載20000個標準集裝箱。

　　圖片來源：視覺中國

　　在全球海運行業不景氣的當下，以馬士基航運為首的多家大型國際航運公司都成為超大型集裝箱船的倡導者，其主要原因在於集裝箱船大型化所帶來的顯著規模經濟效益。綜合考慮航運時間、人工成本、燃料消耗等因素，集裝箱貨船的超大型化將帶來更為巨大的利潤。馬士基航運認為，在同一航線上，18000TEU超大型集裝箱船的成本要比10000TEU集裝箱船低約15%。

　　同時國際航運還必須要考慮航行安全問題，《戰狼2》電影開頭的一幕中，主角所在的集裝箱貨船就遭到了海盜的襲擊，影片中以漁網纏住螺旋槳從而逼停船隻的做法只適用於這種中小型船隻。而對於超大型集裝箱船則無法奏效，如果海盜操作不當，其乘坐的快艇甚至都有可能被捲入大船螺旋槳而導致自己被反殺。因此超大型集裝箱船在航運安全性上則更有保障。

　　《戰狼2》中被劫持的集裝箱船

　　為謀求更多的市場份額，國際上主要的航運公司紛紛投身於萬箱船市場。從而「越大越好」已經成為全球集裝箱海運市場的共識。強烈的市場需求也推動了集裝箱船的設計和建造向著更大型化的方向發展。

　　截至目前，全球範圍內已經交付的18300以上的超大型集裝箱船已經超過50艘。而在超大型集裝箱船的設計和建造領域，日本、韓國造船企業長期處於霸主地位。

　　為了打破日韓壟斷的局面，中國相關的船舶製造企業也向超大型20000TEU集裝箱船發起了挑戰。

中國兩萬箱集裝箱船不僅裝得多還能冷藏

　　今年6月出塢的第一艘20000TEU集裝箱船總長約400米，型寬58.6米，型深30.5米，設計吃水14米，設計航速為22.5節，甲板最大裝箱量11628TEU，貨艙最大裝箱量8482TEU，名義總箱量20110TEU。而且為了滿足冷鮮貨運的需求，船上專設了兩個冷藏集裝箱貨艙，全船可裝冷藏集裝箱1000TEU。

　　該船是目前世界上主尺度最大、載箱量最多的超大型集裝箱船型之一,也是中國造船業迄今自主設計和建造的最大集裝箱船。

　　根據船東的需求，20000TEU集裝箱船主要運營於亞歐航線或泛太平洋航線，為了滿足高船舶能效及低能耗的要求，該船採用傾斜船艏、帶球鼻艏、方型船艉、全平衡舵及單層連續甲板設計。由單槳柴油機驅動，同時也具備在未來改裝成更為環保的液化天然氣驅動的條件。

　　為了適應大航程的需求，該船還配備了船舶能效管理系統，兼具航線優化、氣象導航和縱傾優化等功能，便於船舶運營方管理。

建造超大集裝箱船攻克了哪些技術難點？

　　除了上述基本配置之外，作為世界上先進的超大型集裝箱貨船，20000TEU型貨船在設計和建造上具有以下技術難點：

1.大量使用高強度止裂鋼：

　　為了保證在超大載貨量情況下的船隻穩定性，在20000TEU的建造過程中大量使用高強度止裂鋼，這種鋼板同時具備高強度、高韌性、高耐腐蝕、抗疲勞、抗層狀撕裂等性能和優秀的焊接性能。

　　具有較大厚度的止裂鋼集中分布在抗扭箱、艙口圍區域，由於止裂鋼的特殊性能及應用區域的重要性，船東和船檢對止裂鋼板的焊接及打磨都提出極高的要求。

　　為了保證鋼板之間良好的焊接強度，在焊接之前要使用數控線切割機進行厚板坡口加工。船體不同位置處的鋼板形狀及強度不同，會採用諸如K型、V型等不同形狀的坡口形式，以便於將焊接形變數控制在合理的範圍。

　　止裂鋼焊接中的不同坡口形式

　　完成坡口加工和裝配之後，還要對鋼板進行預熱以提前釋放焊接應力、除去水分殘餘，從而防止焊接導致的裂紋。焊接過程必須由具備相關資質認證的高水平焊工完成，在焊接完成後還需對每一塊鋼板的每一條焊縫進行無損探傷，從而實現整個焊接流程的嚴格管理和質量控制。

2.差異化船隻外板裝配對定位精度要求高

　　船舶，尤其是超大型船舶的建造過程通常採用分塊建造的方式，最終通過總組搭載，也就是我們通常說的船隻合攏的過程將船隻的每個部分「合在一起」，完成整艘船的建造。

　　20000TEU的設計綜合考慮船體結構強度和船身自重等因素，最終得到優化的船體結構方案。然而優化的方案中船隻各個外板（通俗理解為船隻最外層鋼板，直接和海浪接觸）的理論線、板厚都有所區別。這種每塊外板的差異化，可以很好地滿足船隻設計上的需求，但卻無疑增大的建造難度。

　　但由於厚板特別多、板厚差別大等原因，導致外板、內縱壁的厚板種類非常多，甚至相鄰分段都不一樣，這樣在現場建造過程中每個板的定位必須嚴格按照圖紙進行，否則後續總組搭載過程將產生錯位，導致船隻無法合攏。尤其是涉及到高強度的抗扭箱區域的錯位，在後期更是難以修復。

　　為了提高裝配精度以減小船隻外板的差異化所造成的影響，在船隻的建造過程中必須加強精度控制。造船廠因此專門成立了精度控制小組，增加裝配過程中的精度測量節點，確保總組搭載質量。

3. 特殊的橫艙壁結構

　　船艙內部結構被一個個垂直隔板分成若干個獨立的艙室，沿船寬方向設置的分隔船舶艙室的垂直隔板稱為橫艙壁。

　　船舶橫艙壁示意圖

　　橫艙壁除了簡單的隔艙作用，更重要的是它可以承受橫向載荷、保證船體橫向強度、起到了對船梁的內部加強作用。

　　在20000TEU的設計中隔艙結構檔距相比同類型的集裝箱船有所增加，這自然使得在各個分段的製造過程中的整體剛度有所下降，增大了分段船體形變控制的難度。因此20000TEU的橫艙壁採用大尺寸板式框架組合結構，有效保證在大結構檔距下的船體橫向強度。

　　除此之外，還要考慮到專門裝冷藏集裝箱的兩個艙室的特殊性。這兩個艙室的中間結構類似於魚骨形，在分段製作時需對其進行適當的加強，以防止吊裝及運輸變形。

4.空間狹小的艉部結構

　　船舶在水中行進時，附近的水流會受到船體運動的影響而產生一種追隨船體運動的水流，稱為伴流。在某種程度上這種客觀存在的伴流是船舶運行的一種阻力，為了儘可能避免伴流對船舶行進過程的影響，20000TEU集裝箱船對包含槳、舵在內的艉部進行了結構優化。最終的優化結構中艉部線型收縮較嚴重、空間狹小，這雖然保證了該船的動力特性，但同時也導致艉軸和其他舾裝件布置及安裝較為困難。

　　20000TEU艉部線型收縮嚴重

　　該船的艉軸重約106噸，而便於在狹小空間進行安裝操作的小車由於受到軌道中間軸基座的限制，會導致艉軸在搬運過程中重心不穩。為此在實際安裝過程中，經過專家多次討論，現場進行了小車改裝，最終使該問題順利得到解決。

結語

　　通過20000TEU系列集裝箱船的設計和建造，中國船舶製造業不僅順利完成了技術攻關，還成功積累了諸如塢內多島式建造、大總段移位、數字化試箱、導軌架精度控制、中壓電力測試、質量檢測及控制等超大型集裝箱船建造中的關鍵技術，為中國造船行業提供了寶貴的經驗，同時也為中國打破日韓壟斷，成功立足超大型集裝箱船的國際「建造俱樂部」奠定了基礎。

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編輯| 史文慧