王國(guó)學(xué)，胡志寬，桂洪斌，夏鵬鵬，王建勛

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司海洋石油船舶中心，山東龍口 265700;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) (威海)船舶工程學(xué)院，山東威海 264209)

SL151起重船于1987年在前蘇聯(lián)塞瓦斯拖波爾船廠建造完工，1996年底由勝利油田引進(jìn)。為增強(qiáng)船舶的耐波性、增加鋪設(shè)水平管和焊接立管的功能，SL151起重船由原來(lái)的62.8 m加長(zhǎng)到85 m，船長(zhǎng)約為工作海域海浪波長(zhǎng)的1.3倍，耐波性比原船有較大的改善，工作性能大大提高。截至目前，SL151起重船由于船齡的增加，外板腐蝕和部分構(gòu)件損壞等對(duì)船舶總強(qiáng)度造成了影響。為保證船舶工作的安全性與可靠性，本文對(duì)該船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了研究，計(jì)算了船體剖面模數(shù)，在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上提出了該船結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的方案。

1 SL151起重船的主要數(shù)據(jù)及概況

SL151起重船改裝前后的主要數(shù)據(jù)概況如表1所示。

改裝時(shí)從原船#48+150肋位處切斷，中部加一新分段 (19.9 m ×25.85 m ×5.4 m)，并在主甲板以上#34—#104間增設(shè)甲板室結(jié)構(gòu) (42 m×22.4 m×2.6 m)。

全船肋位為#－4—#138，具體為:艏部船體(舊) (#－4—#48+150);接長(zhǎng)船體 (新) (#48+150—#81+250);艉部船體 (舊) (#81+250—#138)。

表1 改裝前后的主要數(shù)據(jù)

2 靜水剪力和彎矩計(jì)算，確定危險(xiǎn)剖面

重力與浮力是引起船體梁總縱彎曲的主要外力，而船舶靜水剪力和彎矩是指船舶在靜水中由于重力和浮力分布不均而產(chǎn)生的剪力和彎矩［1］，其計(jì)算步驟應(yīng)為:①計(jì)算重力分布曲線p(x);②計(jì)算靜水浮力曲線bS(x);③計(jì)算靜水載荷曲線qS(x);④計(jì)算靜水剪力和彎矩。

通過(guò)靜水剪力和彎矩的計(jì)算來(lái)確定船體的危險(xiǎn)剖面，計(jì)算中考慮下面2種工況:第1種工況，航行，100%油水;第2種工況，作業(yè)，首吊，100%油水。

根據(jù)上述的步驟，并在計(jì)算過(guò)程中經(jīng)過(guò)數(shù)次浮態(tài)調(diào)整、注意修正減小計(jì)算誤差。通過(guò)對(duì)2種工況的計(jì)算，得出2種工況下的靜水剪力曲線和靜水彎矩曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 2種工況下靜水剪力曲線

由圖1和圖2可見(jiàn)，危險(xiǎn)剖面可分為以下3類:①?gòu)澗刈畲筇幬挥诖懈浇?，?，10，11站，也就是從#58—#65—#72的新船體部分;②剪力較大的的位置在第4站 (#27+320)和第17站(#117+10)附近 (舊船體部分);③考慮到第2種工況，剪力較大的地方還有第12站 (#83+173)附近 (新舊結(jié)合處附近舊船體部分)。

3 船體剖面模數(shù)

按照規(guī)范，對(duì)于剪應(yīng)力較大的剖面也要進(jìn)行校核，但考慮到本船的實(shí)際工作情況，本文主要考慮船舶的彎曲剛度。船舶的彎曲剛度通過(guò)船體剖面模數(shù)來(lái)體現(xiàn)。

3.1 典型剖面－船體剖面模數(shù)計(jì)算

中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》中對(duì)船體剖面模數(shù)的要求是在船中部0.5 L內(nèi)，船中最小剖面模數(shù)W應(yīng)不小于某公式所得到的計(jì)算值 (如本文3.3節(jié)中的公式 (1))。由于本船經(jīng)過(guò)船體加長(zhǎng)的改造，新舊船體的主要構(gòu)件尺寸不同，新船體部分也出現(xiàn)不同尺寸船底縱骨、甲板縱骨的連接。所以將位于船中部0.5 L內(nèi)的剖面歸為以下3類:①與舯剖面相同 (#60—#63，#68—#71，#71—#74，#79—#81之間)的橫剖面，如圖3所示;②新船體 (#49—#52，#57—#60之間)的其他橫剖面;③新舊結(jié)合處附近的橫剖面 (舊船體部分)。

圖3 舯剖面

基于舯剖面圖和船體結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)行船體剖面要素計(jì)算，得出3類典型剖面船體剖面模數(shù)的值，結(jié)果見(jiàn)表2(未考慮腐蝕的理論計(jì)算－未采用加強(qiáng)措施)。3類剖面的共同點(diǎn)是中和軸位置均距船底最遠(yuǎn)，分別為 Z1=4.575 m，Z2=4.654 m，Z3=4.911 m。

表2 剖面模數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 船體腐蝕對(duì)剖面模數(shù)的影響

由于海洋環(huán)境對(duì)金屬的腐蝕作用，船體各金屬構(gòu)件的有效幾何尺寸在逐年削弱，剖面模數(shù)隨著船舶使用年數(shù)的增大，其值在不斷變小。根據(jù)上海運(yùn)輸船舶研究所計(jì)算出各船剖面模數(shù)年腐耗百分?jǐn)?shù)的平均值，對(duì)于甲板 ΔW/W=0.458%，對(duì)于船底ΔW/W=0.480%，其中W為新船的剖面模數(shù)，ΔW為剖面模數(shù)年腐耗量。船舶的營(yíng)運(yùn)也加劇了船體構(gòu)件的腐蝕，船舶營(yíng)運(yùn)15年和30年后，船體剖面模數(shù)剩余量大概為新船的90%和80%［2］。

按照這樣近似計(jì)算，SL151起重船舊船體 (20年)的剖面模數(shù)降低13.33%，新船體 (10年)的剖面模數(shù)下降6.67%。剖面模數(shù)的下降將直接導(dǎo)致船舶總縱強(qiáng)度的減弱。

3.3 規(guī)范要求

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》第2篇第13 章起重船第 2 節(jié) (13.2.1.1)規(guī)定［3］:

在船中部0.5 L內(nèi)，船中最小剖面模數(shù)W還應(yīng)不小于按公式 (1)計(jì)算所得之值:

式中:C=0.0412L+4(L＜90 m)，L=85 m;Cb=0.827;B=25.85 m;各裝載狀態(tài)下航行或作業(yè)時(shí)的最大靜水彎矩MS取200 000 kN·m。

按照公式 (1)計(jì)算可得:

W=25 987.3 cm2·m。

結(jié)合船體腐蝕對(duì)剖面模數(shù)的影響，以舊船體(20年)的剖面模數(shù)降低13.33%和新船體 (10年)的剖面模數(shù)下降6.67%的折減率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

4 加強(qiáng)措施

由上面的計(jì)算分析中，可以看到以下3個(gè)問(wèn)題:①改裝 (船體接長(zhǎng)和增設(shè)甲板室)后，船舯剖面的中和軸位置均離船底最遠(yuǎn)，船底板承受的彎曲應(yīng)力最大，船底是最容易受到破壞的區(qū)域;②新舊結(jié)合處，新船體與舊船體的剖面模數(shù)差距較大;③舊船體由于長(zhǎng)時(shí)間的服役，使得腐蝕折減后的剖面模數(shù)不滿足規(guī)范要求。

針對(duì)上述問(wèn)題①和③，可以考慮采取在船底增設(shè)縱向復(fù)板條的加強(qiáng)方法［4］。因?yàn)樵诖自鲈O(shè)復(fù)板，提高了船底承受總縱彎曲的能力，并且對(duì)增大新舊結(jié)合處 (舊船體部分)的剖面模數(shù)起到了一定作用，能夠有效解決上面的問(wèn)題。

在船底增設(shè)6條10 mm×500 mm(長(zhǎng)度從#20到#100)的復(fù)板條，左右舷對(duì)稱布置各3條，具體定位如圖4所示。

增設(shè)復(fù)板條后危險(xiǎn)剖面－剖面模數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。表2中“考慮腐蝕折減的計(jì)算中采用復(fù)板加強(qiáng)”一項(xiàng)的數(shù)據(jù)僅供參考，原因在于沒(méi)有船舶腐蝕后準(zhǔn)確的構(gòu)件尺寸，只是通過(guò)腐蝕折減計(jì)算出的參考值。從表2可以看出，增設(shè)復(fù)板后，可以滿足規(guī)范對(duì)剖面模數(shù)的要求。增設(shè)加強(qiáng)復(fù)板條是解決船舶總縱強(qiáng)度不足的有效方法，它具有成本很低、提高船體梁剖面模數(shù)等特點(diǎn)。但是由于每段復(fù)板條之間的對(duì)接焊縫是直接在原來(lái)的板上施焊，焊縫就會(huì)溶入原來(lái)的船底板，使得復(fù)板條與原來(lái)的船底板發(fā)生粘連，復(fù)板條對(duì)接接頭和被加強(qiáng)板之間墊薄銅片可以避免此粘連現(xiàn)象，從而可以避免因加強(qiáng)復(fù)板條對(duì)接接頭的疲勞破壞擴(kuò)展到被加強(qiáng)的板［5］。所以增設(shè)復(fù)板條，要特別注意焊接工藝。

圖4 復(fù)板條定位及尺寸

針對(duì)問(wèn)題②出現(xiàn)的問(wèn)題，改善新舊結(jié)合處中內(nèi)龍骨和旁內(nèi)龍骨的有效連接，在新舊結(jié)合處中內(nèi)龍骨和旁內(nèi)龍骨與橫艙壁的連接方式改成龍骨升高與艙壁連接方式并且增大連接肘板的尺寸，對(duì)肘板端部的軟趾化處理。此外，應(yīng)及時(shí)更換舊船體的受損構(gòu)件 (如船底縱骨等)，若有船體外板腐蝕嚴(yán)重的情況，應(yīng)更換船體外板。

5 結(jié)論

本文對(duì)SL151起重船的總縱強(qiáng)度進(jìn)行了研究，通過(guò)計(jì)算及分析，可以看出新舊結(jié)合處 (舊船體部分)的剖面模數(shù)不滿足規(guī)范要求，與船東反映船體在新舊結(jié)合附近損害嚴(yán)重的現(xiàn)象相符合。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出采取增設(shè)復(fù)板等方法來(lái)提高全船的總縱強(qiáng)度。

［1］尹群.船舶靜水剪力和彎矩的計(jì)算及分析 ［J］.造船技術(shù)，2002(1):13－16.

［2］王啟友，牟小光.船體腐蝕對(duì)船舶強(qiáng)度的影響 ［J］.船舶工程，2007(3):37－40.

［3］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范 ［M］.人民交通出版社，2001.

［4］呂偉忠.船舶加強(qiáng)復(fù)板條焊接中的技術(shù)問(wèn)題研究［D］.上海:上海海事大學(xué)，2007.

［5］應(yīng)明華，赫貴勛.15000噸油輪接長(zhǎng)改裝設(shè)計(jì) ［J］.中國(guó)修船，1991(1):19－23.