第二节
油船特征

为了保证石油的运输、储存以及装卸的安全与便捷，除了油船专用系统之外，与其他船型相比，油船在舱室布置、水动力性能以及结构构造等方面也有其独特之处。

一、油船船型典型特点

油船一般采用单层连续甲板，单桨、单舵，上层建筑及机舱布置在艉部，货油舱采用双壳双底保护。双壳双底作为专用压载舱。机舱与货舱之间采用泵舱或燃油舱等进行隔离。货油泵布置方式主要有集中布置和独立布置。集中布置方式将多台货油泵布置在专门的泵舱内，通过集中管路连接每个货舱；独立布置方式则将货油泵布置在单个货舱内，并设独立的管路。货舱区域舱壁结构形式分为平板舱壁和槽型舱壁两大类，与所装货品及货油泵配置相关。槽型舱壁大多数有上、下凳座，甲板骨材上翻，船中设置人行步桥。货舱中部布置货油集管区及货油吊。大型油船通常在甲板上设有直升机降落标记或悬停标记。

图2-12是一艘典型成品油船构造示意图。

油船船型具有以下典型特点：

（1）油船的长宽比较小，船宽吃水比及方形系数较大，属肥大型船，干舷亦小，满载航行时甲板离水面很近，可以按照A型干舷设计。从图2-13可以明显感受到油船的肥大与较小的干舷。

（2）油船装载时纵向弯矩较大，因此油船的油舱结构多采用纵骨架式，以增加纵向强度。油船货舱内均设有舱壁，保证纵向强度和减轻自由液面对稳性的影响；油船设置多道横舱壁和强肋骨框架，用以增加横向强度。纵横舱壁的设置，既对货物进行分隔，便于不同种类的货品分别装载，又保证了破舱稳性。旧式油船为单甲板、单层底结构。为防止油船因海损事故而污染海洋，现代油船的货油舱均采用双壳双底，双壳双底作为专用压载水舱。图2-14是原油船货油舱的典型结构，从舷侧和底部的L形压载舱内可以清楚地看到其纵骨架式，而从右侧货舱内可以看到对纵骨支撑的强框架。

（3）油船货舱区域甲板管系较多，并设有纵通的人行步桥或安全通道，在甲板纵中部位布置集管区，以便与岸上管系连接。图2-15是油船甲板管系的典型布置。油船在装卸货油时是通过货油泵和输油管系经集管区向外输送的，甲板上无大型起货设备和大舱口，仅在集管区设起重量较小的油管吊，配合货油泵、管路及各种控制阀完成装卸货油作业。

二、油船的舱室布置特征

如图2-16所示，油船的主船体一般设有艏尖舱、货油舱、污油水舱、专用压载水舱、货油泵舱、艉尖舱、上层建筑、机舱、舵机舱等主要舱室。

（一）艏/艉尖舱

艏尖舱位于艏部结构防撞舱壁之前，通常作为压载水舱使用。在设计时，常常将其先设为空舱，这样可以大大降低压载工况下的设计中拱弯矩，从而减轻船体结构质量。

艉尖舱位于机舱后壁之后，舵机舱平台以下，通常作为压载水舱使用，主要用于满载工况下调整船舶浮态。由于不能与货舱危险区的压载水舱相连通，艉尖舱的压载水不能使用专用压载泵而是利用机舱的消防总用泵操作。

（二）货油舱

货油舱位于舯部，总长占整个船长的60%～80%，个别船型甚至超过80%。

由于在实际使用中曾发生各种海难事故，包括火灾、爆炸等安全事故和船舶破损泄油严重污染海洋环境事故，为了提高油船的安全和环保性，IMO海上安全委员会（Maritime Safety Committee，MSC）和海上环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，MEPC）提出了油船货油舱布置需满足的一系列的要求。如设计中通过纵、横舱壁分隔形成多组货油舱，这既是考虑装载多货物品种的需要，也是考虑了船舶破舱稳性，并降低货油泄漏造成海洋污染的风险。

货舱区域的分舱需要综合考虑满足双壳双底、浮态、压载水量、货舱容积、溢油指数、最大弯矩、剪力等要求。货舱数量还需要考虑船型大小及货品类型。例如，具有两道纵舱壁的超大型油船具有5排15个货舱和1对污油水舱，其他有一道中纵舱壁的大型油船设计6对12个货舱和1对污油水舱。而化学品船的分舱通常会更多，甚至超过20个。采用集中泵的货油舱分组通常分为三组，对应3台货油泵。各分组的舱容尽量均匀。采用深井泵的成品油船和化学品船分组更多，通常左、右两舱一组，或者每舱一组。货舱分组与集管区的管子布置要对应，分组更多的化学品船集管区通常上、下两层布置。

图2-17是典型的采用槽形舱壁的成品油船货油舱。货油舱舱壁采用的是垂直槽型，舱壁通过上、下凳座与甲板和内底相连。除可以看到货油舱内的货油泵和货舱梯外，其货舱内几乎没有多余的结构突出物，这可以更彻底地卸货，减少货物残留，并便于洗舱。

（三）污油水舱

早期油船常用货油舱兼作压载水舱，含油污水直接排出舷外造成海洋污染，为此MARPOL 73/78规定油船应设置污油水舱，把洗舱后所产生的污油水、残油或污压载水等留存在污油水舱，经处理达标后方可排出舷外。专用压载舱和货油清洗系统的污油水舱舱容应不小于货舱总容积的2%（详见MARPOL 73/78附则1第29条）。7万吨以上的油船应设置两个污油水舱，污油水舱通常计入货舱舱容。对于成品油船和化学品船，通常还会设置一个残油舱。

（四）专用压载水舱

油船运输特点是空载至产地港，装满油后运至目的港。当货油舱中不载油时，船体的吃水浅。船的推进器如果没有完全浸入水中，在海上航行非常不安全，初期常用货油舱装压载水来达到所需的吃水。但这样的操作过程有两个主要的后果：一是货油舱清洗工作量大；二是从货油舱中排出的洗舱水是含油的，会污染海洋。特别是万吨级以上的油船，其货油舱的容积大，排出的洗舱水多，对海域的污染更加严重，于是MARPOL 73/78强制规定设置专用压载水舱来解决这个问题。

现代油船设计利用货油舱区域的双底双壳处所作为专用压载水舱，既满足了专用压载水舱的容量要求，又达到了保护货油舱的目的。载重量大于2万吨的原油船和载重量大于3万吨的成品油船，专用压载水舱容量要满足MARPOL 73/78的有关规定。压载水舱内还需要满足《船舶压载舱保护涂层性能标准》（performance standard for protective coatings，PSPC）的涂层及锌块牺牲阳极保护。图2-18为一艘典型油船专用压载水舱结构分段内部图。

（五）货油泵舱

为防止油类蒸汽渗透、防火、防爆，货油舱与机舱、起居舱室、服务舱室之间均应设有隔离空舱。通常采用货油泵舱、燃油舱或专用压载水舱兼作隔离空舱。

如图2-19所示，凡采用货油总管结合集中泵系统的油船，均需设置货油泵舱用来布置货油泵、专用压载泵、洗舱泵等设备。货油泵舱一般布置在艉部机舱前方，兼起着将机舱与货油舱隔离的作用。若采用潜液泵系统，可不设货油泵舱，将货油泵直接安装在各个货油舱内，但仍需货舱与机舱的隔离（空舱或燃油舱）。

（六）机舱

油船的机舱通常布置在艉部，为艉机型船。机舱布置重点关注主机轴线高度，主机安装与检修空间，气缸吊缸高度，排气管布置，机舱各层平台高度，主发电机、锅炉、货油泵的原动机、压载泵的布置空间，集控室、机修间、分油机室的布置位置，燃油舱、滑油舱的布置和容积核算，逃出口、梯道布置，甲板上的二氧化碳室、应急发电机室、惰性气体室、机舱棚布置等。集中布置的货油泵通常将泵舱底部伸入机舱一部分，将集中布置的货油泵通常布置在凹入机舱的平台上，但需注意平台高度，25 000吨以上油船，不能超过1/3型深，25 000吨以下不超过1/2型深；油舱与淡水舱，滑油舱与燃油舱不能相邻，重油舱顶部最好不要与上层建筑相邻，机舱内燃油舱舷侧和底部需要与机舱隔离；机修间和集控室需布置有逃生口。图2-20为30.8万吨超大型油船的机舱布置。

（七）上层建筑

油船上层建筑位于机舱之上，设计师根据船上定员及各功能舱室要求，优化上层建筑布置。基本原则就是上、下结构尽量对齐，以使振动噪声性能满足要求。同时，上层建筑的层高需要考虑驾驶视线和舾装数影响。主甲板振动噪声较大，不宜安排起居舱室，主要布置冷库、空调机室、液压泵间等，第二层甲板以餐厅、厨房、货控室等公共处所为主，再向上根据船员等级逐层布置。大型油船的机舱棚通常与上层建筑采取分离布置，以减轻振动和噪声的影响。机舱棚旁通常布置有二氧化碳室或机舱泡沫间、应急发电机、惰性气体室等，烟囱高度一般高于罗经甲板3米，以避免烟尘对驾驶室的影响。图2-21为30.8万吨超大型油船的上层建筑。

三、油船水动力性能特征

与其他船舶一样，油船水动力性能主要包括快速性、操纵性、耐波性。针对油船的总体特性，水动力性能有不同的要求，需要采取一些特殊的措施。

（一）快速性要求及相关措施

船舶在水面航行时，受到空气和水对船体的作用力。其中，与船体运动方向相反的流体作用力以及风的阻力均称为船舶阻力。船舶依靠螺旋桨或其他推进器推动，它对船的作用力称为推力。如何降低船舶阻力？如何提高船舶的推进效率？对肥大型油船而言，这是两个重要研究方向。其目的是提高营运经济性，降低主机的油耗。一般油船是浅吃水、肥大型的船舶。浅吃水是个相对的概念，系指船宽（B）与吃水（T）的比值（B/T）较大；肥大型亦指方形系数较大，方形系数是排水体积（Δ）与船宽（B）、吃水（T）、水线长度（L _WL）的比值，油船的方形系数一般为0.8左右。各种名称的定义如图2-22所示。

这种类型船舶的水阻力相对大。当航速超过经济航速时，阻力会快速增加，所以油船的航速并非越快越好。经济航速往往是船舶所有人根据营运市场情况确定的。在目前温室气体减排和降低燃油成本的背景下，新设计船的航速有下降的趋势。目前大型油船设计航速约14.5节。

水动力性能是油船能耗的关键，水动力性能优化主要集中于以下几个方面：

1．线型优化

线型优化的方法主要有计算流体动力学（computer fluid dynamics，CFD）技术与船模试验。目前的线型开发基本上都是首先进行CFD优化和优选，然后进行船模试验验证。

传统油船船首基本都是采用球鼻艏形式，以降低船舶的兴波阻力。近年来随着设计航速的降低，新的直立船首形式在部分船型上得到了应用。直立船首主要应用于傅汝德数（Fr）小于0.16的船型，这时兴波阻力占比很小。直立船首比球鼻艏减少了艏部线型的凹凸，减少了艏部的压阻力，拉长了水线长度而减小了水线进流角，横剖面上仍保留了球艏的部分特征。直立船首在其他吃水以及更低航速下的表现也优于球鼻艏，在风浪中的失速性能也会更优。图2-23、图2-24分别为设置球鼻艏的29.7万吨超大型油船和采用直立式船首的31.8万吨超大型油船。

油船艉部都是采用球艉形式。以往的油船由于方形系数较大，为了改善伴流均匀性，采用较大的球艉。新设计油船从节能角度出发，方形系数较小，艉部的进流情况改善较明显，因此从阻力角度看球艉较小，艉部纵剖线尽量平直以减少凹凸和黏压阻力，同时可减少推力减额。图2-25为一艘31.8万吨超大型油船的艉部。

2．节能装置

艉部节能装置对于肥大型船通常有较好的节能效果。艉部节能装置根据安装位置主要分为桨前、桨中和桨后。

桨前（Zone Ⅰ）：通过前置导管、预旋定子、预旋导管等进行预旋、整流，改善螺旋桨来流，提高推进效率。

桨中（Zone Ⅱ）：通过螺旋桨优化、毂帽鳍消除毂涡，提高螺旋桨效率。

桨后（Zone Ⅲ）：通过舵球、舵推力鳍等回收螺旋桨旋转能量。

艉部节能装置桨前、桨中和桨后区域划分如图2-26所示。

节能效果因船因桨而异。同一种节能装置在不同的线型上，或者不同的螺旋桨的前方/后方，效果均会产生差异。节能装置的优化需结合线型设计和螺旋桨设计进行，每型船的节能装置都需度身定制。总之，较差的线型及螺旋桨设计，节能装置更易取得较好的效果，反之亦然。

节能装置需要合理组合。不同的节能装置产生效果的原理不同，应注意合理的搭配。比如，舵球和毂帽鳍均是消除桨后的毂涡，则不宜同时使用。桨前如采用预旋导管，则桨后的旋转能量损失减少，用于回收该能量的舵推力鳍效果则减弱。

由于节能装置的船模试验存在尺度效应，因此实船效果与试验效果相比往往会有所不同，这也是目前节能装置试验的难点，需大量的船模试验和实船试航数据进行分析修正。

除了节能效果外，船舶所有人对节能装置的安全性也很关注，特别是桨前的装置，对强度及振动的评估是必要的。

随着线型优化的不断深入，新设计船的节能装置效果会越来越少，这是正常的现象。需要注意总的推进效率的合理性。超过合理范围的过高推进效率是不科学的。图2-27所示是一艘31.8万吨超大型油船的艉部节能装置。

3．螺旋桨优化

常规螺旋桨设计已经很成熟，不同设计方法的螺旋桨效率已不会有大的差别。新型低转速主机的应用，可以降低转速，增大螺旋桨直径，从而提高推进效率。由于油船螺旋桨的空泡问题并不严重，新设计油船螺旋桨的盘面比越来越小，以获得更高的推进效率。为了提升整体的水动力优化效率，线型、节能装置、桨、舵的一体化设计也是现在的主流趋势。图2-28所示的是超大型油船艉部的螺旋桨和舵。

（二）操纵性要求及相关措施

对油船而言，操纵性极为重要。因为油船的油舱内存放的油是汽车油箱中存放油的几万倍甚至几十万倍，一艘油船如在海上被撞破损或搁浅，货油泄漏的后果将极为严重。

通常，良好的操纵性包括：

（1）足够的航向稳定性，即不操舵时航向偏离足够小或操舵次数少且能保持航向不变的能力。与集装箱船等其他船型相比，油船的长宽比较小，对航行稳定性不利，因此油船设计时要特别关注航向稳定性。

（2）良好的应舵性能，即中小舵角（以10度、20度为考核）时船航向改变的及时性。

（3）符合要求的大舵角回转性能。

（4）应急停船性能，即改变螺旋桨推力方向使船及时降速或停止前进的能力。

某些油船还有低航速操纵性要求。例如，超大型油船满载货油时吃水超过20米，不能进港，需要在海上进行旁靠卸油作业，卸去部分货油给旁靠的相对小的油船（见图2-29）。这个作业需要两艘船以5节左右的航速旁靠平行向前航行，边航行边卸油，通常称其为船对船过驳操作。实践证明，该作业模式比锚地抛锚旁靠卸油更安全，但对船舶低航速操纵性有一定的要求。

对于一些特定航线的油船，如需要频繁进入长江的大型油船，操纵性的好坏直接关系到船舶的安全，成为设计重点关注的问题。提高操纵性主要有以下方法：

1．采用全悬挂舵

全悬挂舵与半悬挂舵相比，最大转舵角度可达65度，相同舵面积的操纵性更好，省去了挂舵臂。

2．提高舵面积比

在艉框限制的情况下，舵面积尽量增加，可以同时改善回转性和航向稳定性。虽然舵面积增大会引起舵机功率增加，但相比于操纵安全性，特定需求船型是值得采用的。

3．采用高效舵叶剖面

常规舵叶采用美国国家航空咨询委员会（National Advisory Committee for Aeronautics，NACA）翼型剖面，如从提高操纵性考虑，则鱼尾舵效果更好。图2-30是6.9万吨扬子型油船的高效鱼尾舵实际安装的照片。但使用鱼尾舵的阻力也很大，对舵机扭矩和航速的负面影响不能忽视。操纵性和阻力存在一定矛盾，因此需要综合考虑。

4．采用侧推装置

采用侧推装置可以改善进、出港的操纵性。但航速超过5节后效果就非常有限了，因此无法改善正常航行的操纵性，同时侧推装置的开口也会增加一定的阻力，从而影响油耗，并且投资成本较高。

（三）耐波性要求及相关措施

船舶大多数情况下都在风浪中航行，因此在设计中必须考虑船在风浪中的性能。油船的耐波性与其主尺度、肥大程度有关。对耐波性来讲，船越长越有利。但为了追求经济效益，油船往往取较短的船长及较大的方形系数，这对耐波性是不利的。

那么，如何改善耐波性呢？耐波性的改善可以采取下述的两种方法：一是设置舭龙骨，既可以降低船舶运动幅值，又可以降低加速度；二是在压载水量一定的情况下，降低双层底高度，加大舷侧双壳之间的间距，提高压载状态的重心高度，降低初稳性，减少横摇加速度。

当然，如果船舶的耐波性得不到改善，通常会导致船舶遭受海浪砰击。为了减少海浪砰击造成的损害：一方面可对船体底部作特别加强。因为油船常规航运是满载出港，卸油后压载航行回港，在压载工况时船体的吃水较浅，容易出现艏底出水和砰击的现象，为此要求对船体底部进行加强。另一方面降低艏部甲板入水的概率。油船在海浪中航行，由于远处传来的涌浪，造成船体运动而甲板上浪，甲板上浪易损坏甲板机械，也可能对船员生命安全造成威胁。对于7万吨以下的中、小型油船，通常设有升高的艏楼以减少甲板上浪的现象。图2-31是设有艏楼的4万吨油船。

近年来，随着船舶EEDI规范的生效，油船主机功率不断降低，会引起恶劣海况下操纵性能的降低。因此，IMO也提出了主机最小安全功率的要求，需要利用波浪增阻试验来进行评估。人们对于油船的波浪增阻性能也更加重视，在这方面直立型船首与传统球鼻艏相比具有一定的优势。

四、油船结构特征

油船载运液货，船体结构较其他类型的干货船受力更大，构件的腐蚀程度也较严重，因此在油船设计时其结构特征必须妥善考虑。由于绝大部分油船的结构是钢质的，其结构特征与货品特性、任务使命及所承受的载荷特点均有关，且其结构特征与其他运输船不同之处主要集中在货舱区域，因此下面针对油船货舱的一些结构特征展开讨论。

图2-32是油船典型的舯剖面图，根据油船使用需求，分析哪些因素对油船结构产生影响。

（一）货油的液态属性对结构的影响

承载液体的容器如果一直处于运动与静止反复变换的状态下，那么比承载同样质量固体的容器更容易出现疲劳破坏。因此，油船比运输固体货物的船舶需要用更多的钢材来承受更大应变能，油船空船质量比同样载重量的散货船略重一些。油舱内压力对油舱围壁变形的影响如图2-33所示。

对于油船结构而言，由于船体在海上承受较大的波浪载荷，6个自由度（横摇、纵摇、横荡、纵荡、垂荡、艏摇）上均有运动加速度，因此在多个方向上有晃荡载荷。另外，由于货舱内液体的晃荡，可能导致船舶的稳性损失，因此较大油船的货舱一般设置有中纵舱壁，这样还可以大大减小甲板和底部横向强构件的支撑距离，增加货舱区域结构承受剪力的能力。中纵舱壁将油船货舱分隔成左、右两部分。为保持一定的单舱容积，同时设置一些横舱壁将油舱分隔，一般单个油舱的舱长大于舱宽。因为货油可以通过输油管输入或者输出而不需要设置额外的大型卸货舱口。同时，如图2-34所示，考虑到油船的整体横向强度要求、防污染要求，油船上甲板为单层纵通、全封闭甲板。

（二）货油的污染性对结构的影响

世界上早期的油船都是单底单壳的，后来由于油类泄漏对海洋造成严重污染，IMO规定对于载重量5 000吨或以上的油船必须设置双层底和双壳，这大大加强了油船的局部刚度，增强了船体轻度受损情况下的生存能力和环保性能，大大减少了对海洋的污染。

（三）货油的腐蚀对结构的影响

油船需要反复装载、卸载不同的油品，由于油品的黏度高，货舱卸油之后往往残留部分余油。不同化学成分的油品的腐蚀性对结构会造成严重影响。尤其是油舱的顶部，由于少量油气化的蒸发气与空气混合后对甲板的腐蚀较大，因此油船的甲板需要使用更厚的钢板以保证被腐蚀之后船体的安全性。结构共同规范对油船货舱顶部有着更高的钢材腐蚀余量要求。图2-35展示了船体钢板的点蚀状态和不同船龄油船上甲板点蚀深度统计。

油品的黏度高，在低温情况下的流动性较差，容易凝结，因此低温条件下，在装、卸油的过程中，需要通过货油舱加热系统对油品进行适度的加热，以增加其流动性。此时货油舱相邻的压载舱温度不高，货舱与压载舱的边界舱壁则处于高低温热交替的过程中，这样，一方面容易在钢质结构上产生温度应力，另一方面也会加快钢板的腐蚀。

（四）油船隔舱装载对结构的影响

一般装油地点只有一处，但卸油地点也许会有多处；有些装油地点的货油供应不足，导致货油舱不能装满。为此，必须考虑一个或者多个货舱可能为空舱的情况。横向的隔舱装载和纵向的隔舱装载都可能大大增加油船的总载荷和局部载荷，对于满舱与空舱交界处的结构强度要求往往很高。图2-36展示了油船货舱隔舱装载的情况。

（五）货油品种对结构的影响

原油船和成品油船货舱区域的结构特点差异较大。一般成品油船装载不同油品前必须彻底洗舱。为了节省洗舱的成本，减少舱内结构构件的表面积，尤其是水平构件的表面积，成品油船的横舱壁和中纵舱壁一般为槽形舱壁，其甲板强框架一般位于甲板之上。但为了减轻空船重量和提高船体的横向刚度，原油船的绝大多数舱壁结构为平板舱壁。

（六）货舱区域开口的结构加强

如图2-37所示，为了能够连接输油管和货油管，在油船的上甲板有大小不一的小舱口、人孔、油管或者透气管开孔。油船的横舱壁和纵舱壁上也有大大小小的油管开孔。上甲板货油管路集中输出的集管区附近密密麻麻地排列着孔径各异的输油管，还有集油槽、油管吊、油管吊仓库等，这些区域需要在甲板下作结构加强。所有的开孔形状要考虑减小甲板上的应力集中，避免结构受损。

（七）机、泵舱结构抗震加强

油船是艉机型船舶，即主机舱位于船体的艉部，机舱前部与货油舱之间一般还设有一个泵舱。由于主机输出功率大，机舱结构的防振非常重要，所以在机舱内要设置数量足够多、刚度足够大的支柱，并与强框架、强横梁、平台共同组成坚固的框架（见图2-38）。

（八）油船对运动载荷的结构加强

首先，由于油船的运动加速度较大，加上艏部区域和艉部区域远离船体的重心和浮心，艏部区域和艉部区域如果载有压载水、淡水或者燃油，则船体结构承受更大的惯性加速度和液体晃荡载荷，因此对船体结构的强度要求更高。

其次，为了追求更高的推进效率，和更好的舵效（保证舵有充足的来流），在许可情况下螺旋桨直径越来越大，艉部区域下半部分的线型越来越瘦，螺旋桨上方的外板线型相对越来越外飘，海水对这一区域的砰击相对严重，对结构加强提出更高的要求。