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未来大型集装箱船发展趋势(Z.2015.2)

新闻来源:中国船检    浏览量:263 辛吉诚 2017-04-21
        近年来,随着国际海事组织一系列新公约陆续生效,特别是关于能效指数要求的全面生效对传统的大型集装箱船设计理念形成了一定冲击。2013年大型集装箱船MOL Comfort断船事故也使得国际航运界不得不重新审视船舶大型化所带来的风险。因此目前世界范围内新建的大型集装箱船正呈现出一些与传统设计理念所不同的特点。
        近年来新生效的国际公约、国际能源结构与能源价格以及国际经济发展趋势都在影响大型集装箱船的设计方案。在这些因素的共同作用下,未来大型集装箱船的发展将呈现尺度增长放缓、服务航速降低、船体型线及布置的改变的发展趋势。
        一是尺度增长放缓。从规模化效应的角度来看,船舶尺度越大,每单位货物运输的成本越低。国内某班轮公司的实际统计数据表明,一艘8000TEU的集装箱船与两艘4000TEU的集装箱船相比,其运输成本可降低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,集装箱船开始正式迈入超大型化时代,从4000TEU到8000TEU,最终发展到18000TEU,集装箱船的尺度在短短20年里扩大了近5倍,单个集装箱运输的成本也下降了将近40%-47%,因此大型船舶带来的经济优势是显而易见的。
        21世纪以来,随着8000TEU以上超大型集装箱船陆续投入欧亚航线,大型船舶在提升航运总体经济效益的同时也逐渐暴露了自身的不足。首先由于港口吃水及桥吊高度问题,世界上能够接纳8000TEU以上集装箱船的港口并不多,这在很大程度上限制了大型集装箱船的营运范围,导致适用大型集装箱船的航线竞争非常激烈。其次,大型集装箱船由于单舱尺度较大,货物装卸需要吊运的次数相比中小型集装箱船而言会更多,因此过大的尺度会对货物的装卸效率造成一定影响。另外,船舶的尺度越大,前期投入的资金也越多,这将在一定程度上影响到船东与造船厂的现金流。根据目前国际市场上集装箱船的价格,一艘13000TEU集装箱船的建造价格是一艘4000TEU集装箱船的3倍左右。在目前的经济形势下,全世界有实力建造这类船舶的船东和船厂只有寥寥几家。
        超大型集装箱船的另一个问题在于其风险过于集中,这是导致近年来国际航运界提出适当限制船舶尺度的最主要原因。一方面,大型船舶本身就具有较高的风险。随着主尺度增加,船舶结构强度、船体刚性、应力集中、疲劳等问题会更加突出,大大增加了船体结构失效的风险。与此同时,大型船舶由于体型过于庞大,操纵难度提高,在航行中发生事故的可能性也更高。从现有的统计资料来看,大型船舶发生的碰撞事故的概率比中小型船舶要高出40%左右。另一方面,大型船舶本身运载货物的数量庞大,一旦发生海损后果会非常严重。2013年日本三井商船旗下的8000TEU大型集装箱船MOL Comfort在印度洋航行中折断,由此而引起的巨额海损理赔问题至今尚未完全解决。由此可见,从经济及安全的角度来看船舶的主尺度并非越大越好。
        从上面的分析可以看出,目前不少因素都制约了大型集装箱船尺度的进一步增大,因此未来大型集装箱船主尺度继续增加的可能性并不大。从目前国际造船市场的形势来看,船东对于1000OTEU以上的超大型集装箱船下单也颇为慎重,大部分船东订购这类船舶的主要目的也并非为了提高经济效益。相比10000TEU以上的超大型集装箱船而言,4000TEU左右的中型集装箱船与8000TEU左右的大型集装箱船更受船东青睐。
        二是服务航速降低。与传统的杂货运输相比,集装箱船装卸效率高,停靠港口时间短,提高航速有利于加快船舶周转,提高船队竞争力。当集装箱船以班轮模式运行时还必须严格遵守公司对外公布的船期。因此航速较高、储备功率富裕是传统集装箱船的重要特点之一。传统大型集装箱船的服务航速通常都在25节以上,最高航速一般都可以达到30节。然而,随着世界范围内原油价格的不断攀升,燃油消耗开始成为航运企业的主要成本之一。不少船东为降低燃料成本开始尝试在营运中降低航速,在订购新船方面也更倾向于低速、低油耗的船型,目前主流的集装箱船最大设计航速已经从原先的25节降低到22节左右,并有进一步下降的趋势。
        国际海事组织EEDI强制标准的全面生效是大型集装箱船必须减速的另一个主要原因。尽管国际海事组织对于集装箱船在载重量方面给予了30%的宽限,然而根据现行的EEDI计算方法分析,EEDI与船舶航速的二次方线性相关,因此船舶航速降低对于减少其EEDI值具有非常重要的意义。从这个角度来看,未来高航速的船舶将因难以满足国际海事组织关于船舶能效方面的要求而逐渐退出国际航运市场,低碳与减排将是未来大型集装箱船设计与建造理念的主旋律。
        新能源技术的采用也可能成为大型集装箱船必须降速的原因之一。目前能够用于船舶主推进的新能源主要是气体发动机技术。尽管气体发动机的工作原理及外形与传统的低速柴油机并无太大差别,然而高温爆燃及高压喷射等技术问题一直限制气体发动机功率的进一步增加。目前世界上大部分采用气体发动机作为动力装置的船舶不得不采用双桨或电力推进的动力型式以弥补单机功率的不足,然而这种变通的方案又将导致船舶建造及维护成本的提高。对于将来计划采用气体燃料发动机作为动力装置的船舶而言,在单机功率这一关键技术问题未取得实质性突破以前,只能在船速方面做出让步。
        日本三菱重工是近年来首次将低速理念引入大型集装箱船设计领域的造船企业,该公司7500TEU系列集装箱船设计航速仅21节。由于主机功率减小并采取大量节能措施,该系列产品在节能方面的优势非常显著。上海船厂船舶有限公司所研发的3500TEU系列集装箱船在国内同类型集装箱船中率先采用降低航速的设计理念,在正常航行状态下油耗远低于同级别的集装箱船,因此该船型一经推出就受到欧洲船东的普遍青睐,并在船市不景气的大背景下获得了大量订单。随着国际燃料价格的持续攀升及国际海事组织EEDI规则的强制生效,未来大型集装箱船的航速还有可能继续下降,节能环保型的船舶将更受市场欢迎。
        三是船体型线改变。传统的集装箱船为确保其快速性通常采用首尾瘦削的型线设计,整个船长范围内几乎没有平行中体,这种设计方案在提高船舶总体阻力性能的同时也带来了不少问题。首先,集装箱船属于布置型船舶,船体空间属于非常宝贵的资源。而过于瘦削型船,给船舶的整体布置带来了很大困难。因此传统集装箱船总体舱容利用率并不高,特别是首尾线型较大的位置很多空间无法有效地用于货物处所。再者,瘦削的船型导致整个船舶浮力集中在船中,而重力与货物载荷则分布在全船范围内。因此集装箱船的总纵强度问题以及船体梁抗扭转与剪切等结构方面的问题一直非常突出。最后,瘦削的船型设计将导致船舶的建造流程更加复杂,建造的周期及成本也显著提升,这对船厂硬件设施及综合管理能力提出了较高的要求。
        未来大型集装箱船船体型线可能发生的改变与船速的降低有着非常密切的关系。从船舶阻力成分的分布特点来看,船长在300m左右的船舶当航速降低到18节左右时粘性阻力所占的比例将迅速增加,因此未来大型集装箱船可能会考虑采用在粘性阻力性能方面更有优势的丰满型型线设计。丰满的船型设计不仅可以改善船舶低速航行时的阻力性能,还能够增加船舶货舱容量,特别是首尾部货舱的载货量。这种型线设计方案还可以改善船舶整体受力情况,减少总纵强度方面的矛盾,进而减少不必要的结构加强以降低空船重量。另外,当型宽相同时丰满的船型可以提供更大的横倾回复力矩,这对于稳性问题突出的集装箱船而言是非常有利的。由于丰满的船型平行中体较多,因此在船舶建造过程中可以减少大量的工装设施,大大降低船舶建造的成本与难度。因此,未来的集装箱船在外形上很可能逐渐摒弃原先巡洋舰式的型式,向散货船、油船的型式靠拢。
        四是船舶布置的变化。航速的降低及型线的变化也将引起未来大型集装箱船总体布置的变革。主推进功率减少使得船舶可以安装尺寸较小的主机,丰满的船型也将使得船舶内部空间更加宽敞,因此未来大型集装箱船机舱区域的空间有望进一步减少,以让出更多位置给货物区域。相对于原来瘦削的船型而言,同样尺度的丰满型集装箱船的装载量有望提高9%-15%,甚至更多。与此同时,由于丰满船型内部空间更为规则,对于单元件货物的布置也将更加有利。
        未来大型集装箱船布置发生变化的另一个原因是由于船体型线变化而带来的船舶总体受力状况改善以及抗横倾能力显著提高。传统集装箱船浮力过分集中于船中,中拱明显,总纵强度矛盾非常突出,往往需要通过压载来调整船舶的总体受力情况。另外,大型集装箱船装有大量的甲板货物,船舶重心偏高、横向受风面积大,而船舶自身回复力矩较小,因此需要在航行中通过压载水提高其抗横摇性能。而丰满的船型可以有效地改善船舶总体受力状况,同时在相同的主尺度条件下提供更大的回复力矩。因此这类集装箱船所需的压载水数量有望进一步减小,将船上更多的空间分配给货物。
        然而,船舶航速的降低以及型线的丰满不可避免地会带来船舶操纵性能下降的问题。对于靠泊作业频繁的集装箱船而言,可以采用更多的侧推器以提高其低速状态下的操纵性能。目前船型较为瘦削的大型集装箱船均配备1台首侧推器以改善其在港口的操纵性能,而10000TEU以上的超大型集装箱船往往会配备2台。预计未来可能出现的丰满型集装箱船将会需要2-3个首侧推器,必要时还需增加尾部侧推器以提高其靠泊期间的操纵性能。
        未来大型集装箱船设计理念上可能发生的变化对于我国船企而言既是挑战,也是机遇。从目前集装箱船的发展趋势来看,中国船企可以从以下几个方面着手准备:
        一是积极应对气体燃料发动机的采用。随着世界范围内石油储量日趋枯竭,将新能源用于船舶推进对于造船企业而言已不再遥远。目前主要船用的发动机生产厂家已研发出不同类型的气体燃料发动机或双燃料发动机,并已在船舶及海洋工程领域成功采用,气体发动机的技术已日趋成熟。对于其他船舶而言,采用气体燃料发动机目前在技术上并不存在太大困难,然而这对于集装箱船而言这确实是一个非常麻烦的问题。
        如何在船上储存气体燃料是集装箱船采用气体燃料发动机所面临的首要问题。因为传统船用柴油机所需燃油通常采用液舱型式储存,燃料舱可以在船上见缝插针地布置,船上空间能够被充分地利用。然而气体燃料多采用专用容器如低温储罐或压力储罐的方式进行储存,由于储罐本身具有一定形状,在船上布置存在一定的难度。对于散货船、油船等甲板面积富裕的船舶,布置气体燃料储罐从理论上来说并不麻烦。而集装箱船属于布置型船舶,船体及甲板空间是非常宝贵的资源,如何在布置气体燃料储罐的同时尽可能减少船舶载货量的损失就成了一个非常麻烦的问题。
        气体燃料使用的安全问题也是制约集装箱船采用气体燃料发动机的重要原因之一。传统的燃油发生泄漏后除容易着火以外并没有其他风险,而气体燃料一旦泄漏容易与空气混合发生爆炸,因此气体燃料相对燃油而言更加危险,所采取的防爆及消防措施也更加严格。集装箱船本身所需载运的危险品种类非常复杂,一旦采用气体燃料发动机,将导致船上的安全及消防系统更加复杂。然而从长远的角度来看,船舶采用气体燃料发动机是大势所趋,因此中国船舶业在这方面应当有充分的准备。
        二是对大型集装箱船造船市场发展形势应有充分的预期。传统的大型集装箱船属于高技术、高附加值船型,这主要是由以下三个方面因素所决定的。首先传统大型集装箱船船型瘦削,线型复杂,船体建造难度较高。其次,传统大型集装箱船主机功率大,机舱施工及设备调试工作量大、难度高,中尾机型的设计也使得轴系施工更加复杂。最后,传统大型集装箱船总纵强度矛盾突出,甲板及舱口围区域的材料厚度大,焊接难度高。正是由于这些原因,传统的大型集装箱船属于船舶行业的中高端产品,目前全世界仅有日本、韩国以及中国的少数几家大型造船厂具备建造大型集装箱船的能力。
        随着大型集装箱船减速化、丰满化的发展趋势,其本身所固有的建造难度也将略有下降。从理论上分析凡是能建造VLCC或好望角型散货船的船厂将来都可能有能力建造大型集装箱船,传统大型集装箱船建造厂家在这一领域的技术垄断将不再明显。从这个角度来看,未来集装箱船的建造市场很可能会呈现出一种全新的格局。这对于我国船企而言无疑是一个重大利好消息,因为未来“低速丰满”型式的集装箱船在外形及动力系统方面与大型散货船并无太大区别,相对日韩而言我国船企在这类船舶的建造方面具有更丰富的经验,在建造周期及价格方面也具有较强的竞争力。
        对于没有建造过大型集装箱船的船厂而言,厚板焊接及精度控制是集装箱船建造的两大难点。大型集装箱船在甲板及舱口等敏感位置所采用的板材厚度比大型油船及散货船要厚很多,这对于没有厚板焊接经验的船厂来说是一个需要重点攻关的课题。由于集装箱船运输的是标准单元件,船体建造的精度将直接影响后续舾装件的施工效率,进而直接影响船舶整体建造周期,这点对于缺乏精度控制经验的船厂而言也是一个很大的挑战。
        从目前世界主要船厂所获得的订单情况来看,大型集装箱船的设计理念正在发生转变,未来大型集装箱船的建造很可能呈现“平民化”的发展趋势,这为中国船企的转型发展提供了更多的选择。然而值得注意的是。从目前的统计资料来看,2014年内预计交付的13000-18000TEU集装箱船有30艘之多,世界范围内集装箱船运力过剩的现象还将持续一定的时间。中国船企可以充分利用这段时间对自身产品结构、技术能力以及管理方式进行调整,不断提高自身的软实力,为未来船市的全面复苏做好充分的准备。
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