Investigation of main particulars subject to minimum building cost for chemical tankers

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Ocean Engineering

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Fahri Celik a, Ibrahim Erturk b, Eda Turan a,n

a Yildiz Technical University, Department of Naval Architecture and Marine Engineering, 34349 Besiktas, Istanbul, Turkey

b Mugla Sitki Kocman University, Bodrum Maritime Vocational School, Department of Transportation Services, 48420 Bodrum, Mugla, Turkey

a r t i c l e i n f o

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Received 9 July 2012

Accepted 4 August 2013

Available online 4 September 2013

Keywords: Chemical tankers Shipbuilding cost Preliminary design Systematic analysis

a b s t r a c t

The maritime transportation sector is rapidly growing depending on the global growth, hence chemical tanker shipping is positively being affected concordantly. Detailed analyses are required to define costs accurately at the preliminary design stage as shipbuilding projects require high levels of financing which may be affected by daily price fluctuations in the global economic system.

In this study, empirical formulas are derived in order to estimate the principal particulars, main engine power, weight components and costs of the chemical tankers less than 30,000 DWT in the preliminary design stage. Utilizing the formulas that are derived from the data of recently built vessels; an approach based on systematic analysis method is presented to determine the principle particulars of the optimum vessel subject to minimum building costs of chemical tankers, which have different speeds and tonnages. In this study, three applications for the estimation of preliminary design parameters and investigation of optimum particulars are carried out. Consequently, it is shown that the preliminary design parameters can be estimated with fairly low errors and initial building costs can be decreased by up to 9% by optimizing the main particulars.

amp; 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

1. Introduction

The late 19th and early 20th centuries are the periods that the shipbuilding industry was developed and grown in the world as well as all the other heavy industries. However, development and competitiveness of the Turkish shipbuilding industry in interna- tional areas was started with particular specialization in the building of small tonnage vessels such as chemical tankers and yachts in the last decade.

In todays increasing competition among all shipbuilding nations, preservation of Turkeys competitiveness can only be possible with the production of ships having lower building costs, reasonable quality and time of deliveries as possible.

There are various studies in the literature regarding the estimation of principal particulars and shipbuilding costs of ships in the preliminary design stage. These studies are mostly based on the statistical data and in which various approaches for different types of vessels are presented. In one of these, the effects of main design parameters of petroleum tankers to the cost in the preliminary design stage are investigated by Nowacki et al. (1970) and a method is presented for determination of optimal

n Corresponding author. Tel.: thorn; 90 212 383 3156; fax: thorn; 90 212 236 4165.

E-mail addresses: fcelik@yildiz.edu.tr (F. Celik), ibrahimerturk@mu.edu.tr (I. Erturk), edaturan@yildiz.edu.tr (E. Turan).

ship particulars. In a similar study presented by Carreyette (1978), an assessment method is suggested for prediction of capital cost of merchant ships in the preliminary design stage, and for effects of principal ship design parameters on cost. In the study of Papanikolaou and Kariambas (1994) for fishing vessels, an opti- mization model is developed for determination of the preliminary design parameters and cost evaluation using data of existing fishing vessels and the Generalized Reduced Gradient Method. In another study, Saha et al. (2010) presents an integrated methodol- ogy for optimization of preliminary design parameters and cost evaluation of container ships. For estimation of the principle ship design parameters for oil/chemical tanker, computational intelligence methods are used in the study of Ekinci et al. (2011), and derived approximate formulas are presented in linear form.

Detailed analysis studies for building and operational costs of displacement vessels and different empirical approaches about estimation of shipbuilding costs in preliminary design stage are given by Hunt and Butman (1995). In addition different approaches regarding estimation of ship main particulars and weight components in the preliminary design stage and also information for the theory and practice of ship design can be found in Sarıoz (1994), Schneekluth and Bertram (1998), Watson (1998) and Kafali (1988).

In this study, approximate formulas are derived in order to estimate principle particulars, main engine power, weights

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关于化学品运输船建造成本最低化的主要问题的研究

摘要：

由于于全球化进程的推进，航运业正在迅速发展，可以见得今后关于原油和化学品的航运会稳步增长。因为造船业对于融资有很高的要求，而这一价格又会由于行业的状况而实时变化，因此对于船舶建造的预设计阶段的开支的精确估计和细节分析是很有必要的

在本文中我们通过经验公式来估测主机功率，重量分布等主要参数，从而对于载重低于30000公吨的化学品运输船在预设计阶段进行分析。利用这些通过近年来新造的船舶数据得出的公式，结合系统分析法，我们可以得出一个对于不同预设航速和排水量的化学品运输船进行主要参数选定和成本最低化的方法。在本文中，我们应用了三个程序来对与设计的参数进行估算，并且调查表明，我们估测的参数值是很接近于恰当的实际值的。因此，该研究表明预设计阶段我们就可以对船舶参数进行精确的预估，并且如果对主尺度进行优化，可以使成本降低最多可高达9%。

一、绪论：

在19世纪末期和20世纪前期，航运业和其他重工业共同发展，而在最近的十年中，在国际范围和土耳其造船业内掀起了对于特殊船舶和小排水量船舶的发展热潮，如化学品运输船和游艇等。

为了在如今日趋激烈的造船国竞争中获得一席之地，土耳其船厂必须尽可能的降低成本，提升船舶质量，加快交货速度。

目前已有很多关于船舶预设计阶段的参数估测和成本控制方面的文献。这些研究大多数都是基于各种船舶的统计数据之后进行的综合分析。在这之中，Nowacki et al. (1970)，进行了关于油轮的主要参数估测及预算控制的研究，并得出了一个测定合适参数的方法。在一个类似的研究中Carreyette (1978)对商船的相关领域进行了讨论并得出了估算商船主要参数和预算控制的方法。Papanikolaou and Kariambas (1994)对于渔船的相关方面进行了研究，Saha et al. (2010)对于集装箱船进行了相关的研究。当前采用的对于化学品运输船的参数估测方法是源自于Ekinci et al. (2011)的研究，他的近似方程用线性形式来表示。

Hunt and Butman (1995)对于排水型船舶的制造和工程开支的细节分析以及不同的预设计阶段的开支估算的过往经验方法进行了研究。另外，我们可以在Sarıoz (1994), Schneekluth and Bertram (1998), Watson (1998) and Kafali (1988)等研究成果中得到预设计阶段对于船舶主要特性参数和重量分布等设计理念和仿真结果。

在本文中通过使用近年来土耳其造船厂建造的化学品运输船的相关数据，推导得出了在预设计阶段估测化学品运输船主要参数诸如主机功率，重量，成本等等数值的近似方程式。 通过这些方程式的计算和系统分析方法，400载重公吨位~15000载重公吨位的化学品运输船在保证有合理的主要特性参数情况下的最低成本可以得到控制，其结果如下图所示。我们使用了三个应用程序来估算主要参数，船舶重量，并且确定在成本最低化的情况下船舶有恰当的特性参数。

二、造船业及造船成本

2.1当前造船业的现状

船舶制造业是一个规模庞大体系广泛的制造型工业，它包括多个产业分支诸如冶金业，主机制造业，电子电器行业，涂装产业，橡塑产业等等。 综合各方面考量，船舶制造业及其下属的分支产业相较于整个工业行业而言可以提供大约七分之一到四分之一的就业岗位(TUSIAD, 2010)。土耳其造船业在船舶制造方面具有很大的活力，包括游艇制造，船舶维护保养，船舶改装等等，在船舶分支行业中具有船体装修和提供相关科技服务等产业的生产力。

尽管土耳其造船业可以建造重达180000DWT的船舶，但它的出口船舶吨位的增长势头到2008就戛然而止，这主要是由于全球次贷危机所导致的行业不景气(图1.)。

土耳其船舶制造行业可以分为三种成分，国营企业，军管企业和私人企业。这些船厂大多数都分布在图兹拉和亚洛瓦等区域。截止到2012年，土耳其有大小不一，产能不同的造船厂71家。这些船厂可以进行各种各样的船舶维护，船舶修理，以及任意船体相关的工程。

2.2造船成本

造船业是一个资本密集型产业。 全球经济系统所带来的各种原材料的价格起伏时时刻刻都在影响着船舶制造的成本。因此在船舶预设计阶段精确的预判船舶成本对于维持造船厂的盈利能力是具有很大意义的。船舶制造的成本可以大体归为下述两种：

1. 直接成本: 劳工成本，原材料成本，码头舾装成本，主推进装置成本，钢构工程结构件的打砂和喷漆成本，船载奢侈品成本，融资成本以及其他成本(诸如设计成本，船舶入级成本，保险成本，中介成本，海试成本等等)
2. 间接成本: 产品管控成本,经常成本

原材料和劳动力成本通常占据直接成本中最大的比重，一般在成本的75%到80%左右。关于船舶制造成本的更详细的信息，可以参考下列文献：The European Community Background Report (2003), Erdengol (2005), Turan (1998), Kara (2011)等等。

3.化学品船的主尺度、重量组分、功率和费用

船舶的主尺度主要由一些基本船舶特征，如货运能力、稳定性、功率要求、海洋容量、建造和运营成本决定的。因此，主尺度的确定在船舶的整个设计阶段具有重要的意义。在船舶的主尺度中，船长是影响造船成本的关键参数。随着船舶长度的增加（排水量恒定），船舶的钢材用量会增加，从而增加了建造成本。由于船舶长度的增加，狭长的船型导致货运运力减弱;还需要增加最小干舷，这使得钢铁用量以及造船成本也会增加。船舶长度主要表示为经验公式，是船舶排量和船舶速度的函数。船宽度被表示为船舶长度的函数。船宽的增加提高了造船的钢材用量，因此，造船成本增加。型深通常表示为船宽度或船舶长度的函数。船舶型深的增加会对船舶货物运输的能力产生负面影响。船舶的方形系数通常表示为无量纲弗劳德数的函数。方形系数的增加提高了货运能力，降低钢铁用量，从而使造船成本下降。船舶的制动功率可表示为排水量和船舶速度的函数。钢铁的重量是船重的一个组成部分，主要表示为船舶立方数（LBD）；配套设备的重量表示为（LXB），主机重量与船舶的制动功率相关。造船组件的成本函数是影响这些成本（Sarıoz，1994年）的重量组分。

3.1估计船舶主尺度的近似公式的推导

船舶主尺度的组合中可以获得满足业主要求的无限多的数据。然而，船舶最佳的主尺度应该考虑到国家和国际规则、确定最低建设成本和运营成本、船厂的建造容量以及一些特殊的限制，例如有运河、海峡、港口等对船舶的作业的影响(Schneekluthand Bertram, 1998)。近年来45艘小于3万吨级化学品船建造的数据被用于主尺度的估计。从文献中的经验公式利用排量（Delta;），船长（L），船宽（B），方形系数（CB），型深（D）和船舶吃水（T）开发了新的公式。所考虑的经验公式有Posdunine公式（Schneekluth and Bertram，1998）这是船舶长度（L）的公式；（Bfrac14;0.125Lthorn;2.45）公式是关于（Sarıoz，1994）船宽（B）的公式； Alexander公式（Schneekluth and Bertram, 1998）是关于船舶方形系数（CB）和型深（D）（Dfrac14;L /13.5）的公式（Sarıoz，1994）。新公式通过改变现有公式恒定系数，或者考虑恒定系数为某些公式参数的函数进行研究。两种方法最合适的替代选择是具有最高相关系数（R 2）的最小二乘（LS）回归方法。在许多回归计算方法中，选择最小二乘法（LSM）由于其可靠性和易于在数据分析计算。通过手动删除可能在最小二乘法应用中导致不可靠结果的外围数据，从而避免了最小二乘法的灵敏度问题。为了估计小于30000载重吨化学品船的主尺度，在表1中给出了现有的和派生的公式。

特此;船舶的长度L（m）;船速V（kn）;排量Delta;（t）;船宽B（M）; 吃水t（m）;海水的密度rho;（T/msup3;）和Fnfrac14;V = gL是弗劳德数。

3.2估计船舶部件重量、功率和成本的近似公式的推导

船舶的总重量一般是用所有的重量组件的总和（Delta;frac14;Sigma;Wi）计算。船舶的总重量被认为是船舶的轻载重量（WLS）和船舶载货的重量（DWT）之和。船的轻载重量是钢质船体的重量（WS），配套设备的重量（WO）和主机的重量（Wm）的总和。造船成本也可以分为五个主要组成部分，如劳动力的成本（M_i），钢材的成本（M_s），配套设备的成本（M_O），主机的成本（M_m），其他费用（M_ot）。

近年来45艘小于30000吨级的化学品船的数据，被用来估计小于30000载重吨化学品船的主机功率（P_b）。另一方面，对于船舶重量组分和造船成本的估计，在过去十年中土耳其造船厂通过从10艘化学品船的数据得到了派生的近似公式。由于过度的价格波动，为数不多的船舶造船成本的平滑值被使用。

为船舶重量组分讨论和修订的经验公式Harvald公式是为了确定主机功率（P_b），立方数相似度公式（WSfrac14;CN（LBD））是为了确定钢质船体的重量；Schneekluth公式（Schneekluth and Bertram，1998）是为了确定配套设备重量（W_O） ；Watson–Gilfillan 公式（Sarıoz，1994）是为了确定主机的重量（W_m）。造船成本组成部分的经验公式：劳动力成本公式 (Hunt and Butman, 1995), (Ms frac14; K4Ws 1:0 )；钢材的成本公式 (Hunt and Butman, 1995) , (Mo frac14; K5 W_o 0:95 ) ；配套设备成本公式 (Hunt and Butman, 1995) , (Mm=K6PB 0.82)；主机成本公式(Hunt and Butman, 1995) .其它成本被假定为钢材，劳动力，配套设备和主机成本的总和在样船中所占的比例。这个比例对于的11000 DWT船舶接近4.3%，对于更大的船舶接近11.5％。

为了对化学品船主机的功率与重量组分的估计以及造船价格的估算（对于4000-15,000 DWT）在表2中给出了现在和派生的估算公式。最小二乘法（LSM）公式也被用来估计船舶的主尺度在在一些派生的新公式中。

据此; 主机功率PB (kW); 船速V (m/s); 排水量 Delta; (ton); 船长L (m);船宽 B (m); 船深D (m); 船体钢材重量 Ws (t);配套设备重量Wo (ton); 主机重量 Wm (ton); 劳动力成本 Mi ($); 钢材成本Ms ($); 配套设备成本Mo ($)；主机成本($)和其他费用Mot($).

3.3应用

在表3中给出3艘现有化学品船，船舶的主尺度、重量组分、功率和成本，通过使用以下式得出的值和一般的实际值的比较。如表3所示，实际的和计算的船舶主尺度是统一的，相对误差约为3.13％。当分开考虑造船组分成本的时候，还可以观察到误差率会高一些。据推测，这一结果是覆盖大多数样品船舶的造船持续时间为产生新的近似公式和相应的价格持续的波动利用，研究来源于全球性经济危机时期。船舶的总造船成本相对误差平均为3.08％，船舶重量部件的成本误差率大约为4.02%。

1. 用系统分析法决定优化的船舶主尺度和最低造船成本

为了评价具有不同设计的化学品船投资的经济性，多种多样的方法都是可用的。它们有经济运输成本法、需求成本比例法、现值法等。(Hunt and Butman, 1995; Sarıoz, 1994; Aybers and Şahin, 1995)。为了比较这些方法的经济性，化学品船的建设和运营成本、经济寿命、盈利利率和报废船只的成本的数据应该被展示。

在这项研究中，它主要关注的是最优的主尺度和船舶最小的建造成本而不是上述方法。换句话说，船舶最优的主尺度来源于研究一系列在建的、操作情况相似的船舶（有恒定的DWT、速度和不同的主尺度）。在这个阶段，影响成本的参数有：经济寿命、盈利利率、保险费用、单位劳动成本、单位材料成本、航行损失、报废船只的成本、或者技术水平等生产过程中产生的费用被假定相同。

根据最优原则五种船舶对应相应（10，12，14和16 KN）四种不同的速度，它是由系统分析的方法得来并确定的。在每一种情况下，根据9261艘船舶，以1％的主要船舶参数间隔增大或者减小L，（L / B）和（B / T）而产生的。重量部件，功率在185220艘船舶的花费的总成本用上一节中得到的近似公式进行计算。得出最佳的船在最小建造成本和总吨位的关系等于在每搜每个情况下的位移基于由系统的分析方法再利用一个代码码而获得 （G船舶的初步稳定性分析近似计算，在国际海事组织（GM40.15）的完成。规则下的被淘汰的船只在和5000和15,000载重吨的范围内10-16海里之间的化学品船的建造成本的船舶主尺度图所示。 2-7。

不同的速度对DWT的影响，从总的方面来看，所有的数据一样光滑。不同的是最佳长度（LOPT）和最佳的长高比（L/ D）。观察在选择16海里的速度和更高的GetValues曲线。最佳长度（LOPT）和最佳比例广度（B/ T）值在整个DWT的速度几乎是独立的。另一方面，最

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