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过去这种船型多由日本船厂建造,上海这家研究所靠什么拿下35%国际订单
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2020-11-29 06:01
摘要:每天节省近5吨燃料,还能多拉1200吨货物

纽卡斯尔散货船是21世纪的新船型,在2010年之前,该船型80%是由日本船厂建造。由中国船舶工业集团公司第七〇八研究所创新研制的“20万吨级纽卡斯尔最大型散货船”,赢得了74艘订单,占同期国际市场份额35%以上,合同金额累计约250亿元人民币。日前荣获2019年度上海科技进步奖一等奖。

【比过去的船型每天节省将近5吨重油】

新世纪以来,全球特别是亚洲地区钢铁工业的快速发展,带动了全世界铁矿石消费量的大幅提高,进而促进了全球铁矿石的生产,也造就了铁矿石海运贸易的繁荣。

纽卡斯尔散货船的名称,源于澳大利亚纽卡斯尔港口,该港口以运输煤炭闻名,可以在这里停靠的最大船载量约20.8万吨。在矿石和煤炭运输方面,纽卡斯尔散货船的综合经济性比专用矿砂船更好,港口和航线适应性更高,单位重量的货物运输成本也更低,因此逐渐受到更多船东的青睐。七〇八所在2009年以节能、环保、安全、舒适为设计思路,开始研发20万吨级纽卡斯尔散货船。

“我们设计的这种船型节能性好,单位货物能耗降低了10%。”七〇八民船部结构科高级工程师谢小龙告诉解放日报•上观新闻记者。对于船舶设计来说,每降低1%的能耗都要付出巨大努力。该船型每天消耗48.8吨重油来运输货物,比过去的船型节省了将近5吨重油,能效设计指数较基准值降低了23%。按每吨船用重油3500元来计算,每天可以节省17500元。“此外,我们还采取了其他环保措施,在船上集成了专门的脱琉和脱氮排放设备。”

【一趟可以多拉1200吨货物】

如果一艘船的自重降低,理论上可以多装载一些货物,但考虑到船舶在大海中航行,要经受得起“风吹雨打”,必须有一定的强度,船身一般由“很具分量”的钢板制作而成。因此,船舶的“轻量化”一直是设计上的一个难题。“我们设计的纽卡斯尔散货船节省了1200吨钢材,这就意味着,一趟可以多拉1200吨货物。算上采购加工成本,每吨钢材大约1万元,也为船厂节省了1200万元的制造成本。”

整整1200吨钢材,是怎么节省下来的呢?谢小龙向记者娓娓道来。在船舶设计人员眼中,一艘船就像是一根大梁漂浮在海上,船自身重量、货物重量以及水的压力,会共同形成一个弯矩。弯矩越大,船承受的力就越大,这就必须把船做得更强,才能承受这一力量。一般的设计思路,是“逆”来顺受,把船板做厚。七〇八所的研发人员,一改传统的设计思路,主动去改变弯矩。“比如,改变货物重量的分布,也就是改变货物的摆放位置,就能控制弯矩。”一般的船舶,会把船舱设计得长度一样,结构相似,设计时的计算量也就大大减少,但七〇八所的研发人员通过大量计算,把长短不一的舱段组合在一起,得到了一个最小的弯矩。

人们在装修房屋时都有这样的认知,有些非承重墙可以敲掉重新设计,并不影响房屋的承重。同样地,船舶也有不承重的加筋板,研发人员就把那些实心的、大质量的加筋板,用大开孔、轻量化的框架结构来替代。而且,一块加筋板做成多厚也大有学问,通过计算可以优化“筋”的排放位置,减小板的厚度,从而减少加筋板的重量。

一般而言,对于船舶的关键易损部位,通常都是加厚处理,七〇八所的研发人员另辟蹊径,反而在这些易损部位开孔,“这叫应力释放孔,如果孔开得不好,就会更脆弱,但如果开得巧妙,反而把承受的力释放了。”

【相当于给船做了一个“核磁共振”】

有人可能担心,一艘船减重了,如何来确保安全性?

“我们通过大量有限元计算,既减少了船的重量,又能满足设计规范,保证安全性。”谢小龙告诉解放日报•上观新闻记者。所谓有限元计算,是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用,随着计算机技术的快速发展和普及,有限元计算迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域。

“比如,我们把一块船板分成若干单元,计算出每个单元的应力,这就像是给船板做CT医学检查。”据介绍,一般的散货船只需要做三个不同功能舱的有限元计算,但七〇八所的研发人员把9个大小不一的货舱做了个遍,就连放置发动机的机舱也做了,相当于做了一个“全身CT”。“为了确保安全,我们在做舱段有限元计算时,还会做进一步的细化分析,一艘船我们就做了100多个点的细化分析,这相当于又给船做了一个‘核磁共振’。”

尽管如此一来,一个船舱的有限元计算就需要一个月的工作量,但由于绝大多数研发工作都是统筹并行的,七〇八所只用了6个月的设计时间,就拿出了令人满意的设计方案。

【振动和噪声满足国际上最严苛的适居性标准】

船员一出海,往往需要在海上漂泊很长时间,因此在船舶设计时,除了节能、环保、安全,舒适性也是需要考虑的重要因素。

无疑,振动和噪声是一艘船是否舒适的两个重要指标。七〇八所在设计时对全船做了一个“振动和噪声响应预报”,一旦振动和噪声超过国际标准,就会发出警报。研发人员通过计算频率,对一些容易与发动机共振的结构进行了错频设计。根据已经交付的实船振动和测试反馈,七〇八所设计的20万吨级纽卡斯尔散货船,满足了国际上最新公布的适居性标准。该标准十分严苛,适合公务船和游船,按此标准,差不多一半的货船都无法达标。

发动机,是一艘船的主机,也是产生振动和噪声的主要来源。如果发动机的功率太小,不足以产生驱动船舶的动力。但如果功率太大,等于“大马拉小车”,既浪费燃料,也产生不必要的振动和噪声。七〇八所的研发人员,经过详细缜密的计算,采用最小推进功率方法对发动机功率进行校核,选择了一个合理的功率,既降低了营运油耗,也减少了不必要的振动和噪声。

该项目被专家鉴定为“总体上达到国际先进水平”,已获得国内外5家船级社认可证书。在获得“2019年度上海科技进步奖一等奖”之前,已获得2018年中国造船工程协会科学技术奖一等奖、第九届中国技术市场金桥奖等。

从2013年起,该项目共计获得74艘订单,占同期国际市场份额的35%,国内份额更是达到50%,船东来自于希腊、德国、日本、韩国及中国等地。该船型首制船于2016年1月交付,至今共交付50艘。该项目提升了我国在大型散货船市场的竞争能力,对我国船舶工业的发展具有长远的影响。

题图来源:采访对象提供
文中制图:叶田媛
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