從巴西買礦如何多快好省？中國造了40萬級礦砂船

出品| 網易新聞

作者| 汪澤，清華大學機械工程系博士研究生

　　近年來，隨著中國造船技術的飛速提升，從LNG船（液化天然氣運輸船）到海上鑽井平台，從驅逐艦到航空母艦，我們看到了太多的海上巨無霸，是否有些審美疲勞？今天我們給大家看一個另類的，它就是船中的「短粗矮胖」——超大型礦砂船。

（一）為什麼要造超大型礦砂船？

　　超大型礦砂船ULOC（Ultra Large Ore Carrier），顧名思義是運輸（鐵）礦砂的超大型船隻。

　　由於鐵礦石屬於大宗商品，其跨洋國際貿易（比如中國和澳大利亞、巴西等國家的鐵礦石進出口貿易）必須依賴航運，而隨著基礎工業的發展，中國目前已經成為最大的鐵礦石消費國，2016年中國進口鐵礦石超過10億噸。因此，自主研究和開發超大型礦砂船對實現中國船舶工業中的「國輪國造」和能源產業中的「國能國解」有著重要的意義。

　　據央視報道，2017年9月19日上午，中國製造的世界最大礦砂船——新一代超大型40萬噸礦砂船在青島下水。這意味著船體結構已經完成建造，接下來將進行船體電器設備安裝和相關性能測試等收尾工作。這艘大船長362米，寬65米，高30.4米，吃水深度23米，最大載貨量可以達到40萬噸，是世界上最大的散裝貨運船。

　　（40萬噸礦砂船）

　　那麼問題來了，20萬級的礦砂船已經在鐵礦石的運輸中得到了廣泛的應用，為什麼還要建造40萬噸的大船呢？

　　這原因就要從這批造船訂單的金主——世界第一大鐵礦石生產和出口商，巴西淡水河谷礦業有限公司的需求說起。在此之前，雖然中國早已成為巴西鐵礦石進口的第一大國，但在礦石航運貿易中，國內航運公司承運的只有3成，大量的礦石航運合同是被日本和韓國等國的航運企業佔據。導致運輸成本居高不下，甚至單位重量的運費都要超過了鐵礦石本身的價格。

　　為了降低運輸成本，最好的解決方案就是將礦砂船的體型做大，船裝的更多，跑一次的成本自然更低。為了實現「賣家多賣錢，買家少花錢」的目標，巴西淡水河谷公司打算從中國購買30艘屬於自己的超大型礦砂船，相比於傳統的20萬噸級礦砂船，新一代的40萬噸船可以降低70%的運輸成本。

（二）中國造的礦砂船為什麼是短粗身材？

　　要想裝得更多，船就得足夠大，但船身的主尺寸參數的選擇需要充分考慮巴西礦石出口港和中國主要大型鋼鐵企業卸貨港口的碼頭前沿水深、航道水深及潮汐變化幅度、裝卸設備對空船吃水和船舶最大吃水限制。在船身主尺寸確定的情況下，為了充分增加船內容積，船身結構就必須進行優化。

　　在充分考慮載重量、貨艙艙容、壓載艙艙容各項指標之後，就能確定得到一個合理的船身結構。最終優化得到的結果，就是這樣的一個短粗的身材。

　　（「短粗」的礦砂船和苗條的「遼寧號」航母）

　　方形係數是表達船舶水下形狀的肥瘦程度的重要數據，方形係數越接近1，則表示船舶水下部分越臃腫，而方形係數越小則表示越苗條。40萬噸級礦砂船的方形係數達到了0.744，而相比之下，「遼寧號」航母的方形係數僅為0.3左右。

　　小的方形係數便於艦船靈活的控制，這也就是軍艦的方形係數普遍偏小的重要原因。而礦砂船為了保證在固定的主尺寸下儘可能擴大容積，不得不採用較大的方形係數，因此會帶來行駛快速性和可操作性的問題。

（三）要遠洋航行，短粗的礦砂船如何變成靈活的胖子？

　　雖然先天存在身材短粗的問題，但是為了保證遠洋航行的要求，礦砂船的水動力性能是需要進行後天的進一步優化的。

　　首先是船身的線型研發，具體地，先要從現有的船型資料庫中選取最佳母型船；然後利用線型優化軟體以及流體動力學（CFD）計算軟體對所選取母型船的船型進行數值模擬及優化；以優化得到的結果作為依據，結合對於「短粗」船型的線型開發經驗進行線型修改，並根據修改後的線型匹配相應的螺旋槳和船舵；最後通過船模驗證設計方案是否滿足設計指標要求。

　　由於從中國北京到巴西里約熱內盧的直線距離就超過了18000公里，航線則有過之無不及。而且礦砂船運輸的鐵礦石重量極大，螺旋槳負荷重，因此需要特別關注螺旋槳的設計以及強度。

　　（礦砂船螺旋槳）

　　礦砂船的螺旋槳在理論設計的基礎上，利用非定常升力面程序進行性能分析。通俗地講，該方法可以充分考慮船後伴流場不均勻性，對螺旋槳空泡及槳軸激振力等作出較為準確的預報。以完成對於螺旋槳性能的分析和優化。

　　新設計的40萬噸礦砂船螺旋槳與之前的螺旋槳性能相比效率有了約4.4%的提升，這種新設計的螺旋槳還專門配置了消渦鰭和槳前導輪，在一定程度上實現了節能的效果，總體油耗降低了18.8%。而且，新的螺旋槳具有更好的推進能力和強度，使得快速性和大航程的要求得到了滿足，這樣體型臃腫的礦砂船成了一個靈活的胖子，能背負40萬噸的礦石，跑完這段超長的「馬拉松」。

（四）螺旋槳馬力全開，會把船震碎么？

　　由於礦砂船噸位過大，必須要保證螺旋槳可以提供強勁的動力，而螺旋槳主機功率過大會留有一定的安全隱患，甚至會發生嚴重的振動災害，因此，在礦砂船下水前，需要對船隻振動情況進行分析。

　　在進行礦砂船的建造之前，需要首先藉助有限元分析工具，模擬船體的所有結構細節，並以螺旋槳及主機作為振動源，分析船身各處的振動情況。

　　（船身總體有限元分析圖）

　　有限元分析圖中紅色部分表示振動強烈，而藍色部分則表示振動不強烈。從圖中可以看出振動主要集中於距離主要振源——螺旋槳和主機較近的尾部。為了消除局部振動所帶來影響，需要在大功率柴油機主機機架和主船體之間添加橫撐。為了有效抑制振動，橫撐種類、數量、剛度和橫撐所接觸的船體剛度都有特定的要求，具體的參數需要通過有限元分析得到。

　　除了要考慮螺旋槳和主機的振動影響，海水的振動也在待優化計算的範疇之內。有效的結構分析及設計，可以有效減少波浪阻力，從而降低運輸過程中的油耗，節約成本。

（五）礦砂船的貨倉如何實現一直裝直到裝滿？

　　礦砂船最核心部分，就是貨倉。

　　（礦砂船貨倉俯視圖）

　　40萬噸級的礦砂船採用了7個貨倉的結構，這樣可以有效控制每個貨倉的載貨量，以避免過大的載荷出現。同時為了保證礦砂船的卸貨效率，船東要求貨倉艙口大，而且底部不留死角，因此貨倉採用了近77度的傾斜角，內底面積較小，內底單位面積上載荷很高，故採用雙層底結構且內底設計較高，以保證良好的結構剛度和強度。

　　（單個貨倉的半剖視圖）

　　在貨倉的裝載過程中，船東要求貨倉必須一次性不間斷裝滿，這對船體結構的總體強度和局部強度都有著非常高的要求。

　　7個貨倉一共要裝載40萬噸的礦石，每個貨倉的裝載量將達到5萬噸以上，如果各個貨倉之間的裝載次序出現差錯將會導致甲板或者船殼的開裂或損壞，為此，在礦砂船的設計階段就需要對貨物的裝載順序進行大量的分析，以確定最優方案。

　　同時，為了保證在數萬噸礦石的壓力之下，船體結構不會發生變形或者損壞，貨倉周圍還增加了支撐結構（剖視圖中只有中間部分用來裝載鐵礦石，周圍則是相應的支撐結構）。

結語

　　相比於其他海上巨無霸，40萬噸級礦砂船是個當之無愧的「胖子」，不過，通過良好的結構設計優化，中國造的40萬噸級礦砂船可以有效減小傳統礦砂船所面臨的諸多問題，提升鐵礦石運輸效率並大幅節約成本，是中國礦石資源進口貿易中的一大神器。

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編輯| 史文慧