蔡貝云，李 森，華元祿，徐 圳

(江蘇新時(shí)代造船有限公司，江蘇 靖江 214518)

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水平槽型不銹鋼化學(xué)品船設(shè)計(jì)建造技術(shù)研究

蔡貝云，李 森，華元祿，徐 圳

(江蘇新時(shí)代造船有限公司，江蘇 靖江 214518)

為了給營(yíng)運(yùn)化學(xué)品船帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，33 000 t不銹鋼化學(xué)品船貨艙區(qū)采用水平槽型、碳鋼槽型背面加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，為確保船舶結(jié)構(gòu)的可靠和安全，在船舶重要位置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，采用了槽型與槽型背面加強(qiáng)平地優(yōu)先施工、再總組的施工工藝。該工藝提高了船舶生產(chǎn)質(zhì)量，降低了生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

不銹鋼；化學(xué)品船；水平槽型；造船工藝

0 引言

通常化學(xué)品船均采用垂直槽型設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)建造中一般采用槽型獨(dú)立建造，塢內(nèi)槽型分段單獨(dú)吊裝的施工工藝。此類(lèi)槽型一般采用斜向肘板反面加強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案，即先將貨艙內(nèi)的槽型定位安裝好，然后再根據(jù)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)線來(lái)調(diào)整、安裝槽型背面的斜向反面加強(qiáng)。該施工工藝雖較易實(shí)施，但由于頂墩和底墩的存在導(dǎo)致部分艙容損失，營(yíng)運(yùn)中的洗艙也極不方便。針對(duì)常規(guī)建造方案的不足，本文提出了無(wú)頂墩和底墩的水平槽型，且槽型背面加強(qiáng)也為碳鋼槽型對(duì)位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)形式最大化的考慮到艙容和洗艙方便性，但是給局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)帶來(lái)了難度。在對(duì)局部細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行有限元分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，水平槽型的兩端存在巨大的局部應(yīng)力，因而利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制訂了一套優(yōu)化工藝方案。

1 船型介紹與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)特點(diǎn)

本文討論的33 000 t不銹鋼化學(xué)品船，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式為：雙層底、雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)；中縱位置設(shè)置了1.1 m寬的貫通貨艙區(qū)的縱向隔離空艙，把船舶貨艙分割為左右舷貨艙。貨艙區(qū)共計(jì)11道水平橫向槽型，4號(hào)和10號(hào)貨艙位置設(shè)置邊縱隔離空艙將其各分割成橫向4個(gè)獨(dú)立的艙室，全船共計(jì)28個(gè)貨艙。槽型上/下、左/右不帶頂墩和底墩，直接與甲板、內(nèi)底、舷側(cè)和中縱艙壁連接。

(1)客戶(hù)要求壓載艙內(nèi)碳鋼槽型折彎件與貨艙內(nèi)不銹鋼槽型折彎件對(duì)齊安裝，且貨艙周界均要求全熔透焊接。

(2)壓載艙內(nèi)靠近貨艙內(nèi)殼設(shè)計(jì)了0.5 m寬、厚度約為28 mm的碳鋼槽型加厚板，在不銹鋼舷側(cè)內(nèi)殼板槽型位置設(shè)置了跨整個(gè)槽高的加厚板(寬度約1.5 m，厚度為30 mm)。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)似于在水平槽型的兩端，借助壓載艙和中縱空艙箱體設(shè)置了一個(gè)“埋入式”的底墩結(jié)構(gòu)。

(3)在不銹鋼水平槽型兩端，舷側(cè)設(shè)置了從上到下1 m寬、30 mm厚的不銹鋼板材，中縱端設(shè)置了0.5 m寬、30 mm厚的不銹鋼板材，而舷側(cè)內(nèi)殼和中縱壁在非槽型位置的不銹鋼板厚為9～12 mm。為了避免30 mm的內(nèi)殼加厚不銹鋼板材與10 mm左右的薄板單面對(duì)接，從而帶來(lái)多達(dá)80 mm的過(guò)渡斜，同時(shí)可能影響結(jié)構(gòu)受力的均勻傳遞。理論線設(shè)置階段將整個(gè)30 mm的厚板向船中偏移了8 mm，這樣薄板與厚板的結(jié)構(gòu)中心線基本對(duì)齊。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，貨艙內(nèi)殼縱骨和中縱隔離空艙縱骨在槽型端部厚板與普通位置薄板位置存在10 mm左右的高度差。綜合比較生產(chǎn)的方便性和經(jīng)濟(jì)性，最終確定在此厚薄板位置型材采用切斷后焊接的設(shè)計(jì)方案。

典型水平槽型橫艙壁結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 建造方針策劃

2.1 常規(guī)建造方案

2.1.1 常規(guī)建造方案內(nèi)容

船體結(jié)構(gòu)建造按分段劃分和總組合攏進(jìn)行。

第1步分段劃分和制作：槽型獨(dú)立制作；舷側(cè)獨(dú)立制作；中縱分段獨(dú)立制作；甲板獨(dú)立制作[1]。

第2步總組和船塢合攏：總組一般會(huì)考慮分左右側(cè)分別進(jìn)行。左側(cè)總段采用以舷側(cè)分段為胎，吊裝槽型分段，然后吊裝甲板分段，最后吊裝中縱隔離空艙分段的方案進(jìn)行總組。而另外一側(cè)的總組也采用舷側(cè)為胎進(jìn)行總組。此時(shí)，只有槽型分段和甲板分段一起總組，缺少中縱隔離空艙分段，使總段翻身時(shí)需要增加大量的結(jié)構(gòu)支撐。塢內(nèi)合攏階段雙艙底分段吊裝后，將左右舷側(cè)總段分別吊裝合攏。

2.1.2 常規(guī)建造方案面臨的不足

(1)在槽型分段總組時(shí)，為確保槽型與舷側(cè)內(nèi)的碳鋼槽型的CM點(diǎn)對(duì)位，前期碳鋼槽型加工、安裝測(cè)量以及貨艙內(nèi)殼不銹鋼板材的劃線需要嚴(yán)格控制。只有在這些工作充分可控的情況下才能確保此位置的槽型對(duì)接槽型的質(zhì)量得以確保。同時(shí)，在分段劃分過(guò)程中，部分舷側(cè)分段存在2個(gè)槽型，壓載艙內(nèi)還存在水密肋板。這樣在總段吊裝后，從舷側(cè)內(nèi)殼不銹鋼板材的上/下來(lái)量取槽型對(duì)位與否存在較大困難。

(2)帶中縱舷側(cè)總段在總組過(guò)程中，槽型與中縱隔離空艙對(duì)位一樣存在困難，此時(shí)的施工工位為仰面施工。槽型與中縱總組的焊接形式為30 mm厚的不銹鋼全熔透角焊縫。

(3)不帶中縱的舷側(cè)總段在總組過(guò)程中，整個(gè)總段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，分段翻身困難。在此總段總組過(guò)程中，存在槽型與中縱艙壁內(nèi)的碳鋼槽型對(duì)位的困難，因此時(shí)為船塢內(nèi)合攏階段槽對(duì)槽裝配，而且中縱槽型內(nèi)的結(jié)構(gòu)在分段階段需要焊接完成，否則在塢內(nèi)施工難度更大。如果槽型出現(xiàn)錯(cuò)位，只能在不銹鋼槽型對(duì)接縫上開(kāi)刀。而不銹鋼槽型對(duì)接縫為埋弧自動(dòng)水平焊縫，槽型端部的不銹鋼板材為30 mm厚的不銹鋼板材，所有不銹鋼材料的切割均需要施工特殊的等離子切割設(shè)備，開(kāi)刀難度很大。同時(shí)，開(kāi)刀后不銹鋼打磨難度也較碳鋼困難很多。

(4)不銹鋼的焊接工藝復(fù)雜，要求很高。優(yōu)秀的不銹鋼焊工培養(yǎng)成本高，本身也是稀缺資源。不銹鋼焊接難度大，特別是厚板的焊接工作，對(duì)焊工的要求高。而且此時(shí)不帶中縱舷側(cè)總段的槽型與中縱壁焊接為立角焊，焊接工位隨槽型的變化而變化，同時(shí)此位置的不銹鋼板材為30 mm厚。不銹鋼立角焊的焊接工藝要求焊接寬度大于20 mm，需要分層焊接。不銹鋼立角焊的分層焊接難度非常高，其焊接質(zhì)量和效率難以保證。

2.2 優(yōu)化方案

綜合分析不銹鋼船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其真正的難點(diǎn)在于不銹鋼的操作、切割、打磨、裝配和焊接質(zhì)量控制。為此，不銹鋼船舶建造要將關(guān)注點(diǎn)集中到這些難點(diǎn)上。而此船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，又將這些難點(diǎn)進(jìn)一步匯集到了槽型制作上。

根據(jù)不銹鋼船舶建造特點(diǎn)，對(duì)常規(guī)建造方案進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化方案仍然按分段劃分和總組合攏兩大步進(jìn)行，但對(duì)制作工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

第1步分段劃分和制作：首先，不銹鋼槽型仍然獨(dú)立建造；將不銹鋼槽型端部的貨艙內(nèi)殼加厚板和壓載艙內(nèi)的縱骨(前文已經(jīng)提到，此位置縱骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為斷開(kāi))，以及碳鋼28 mm的槽型加厚板，合并制作成一個(gè)組件。將中縱槽型從船中位置分割成左右2部分，同時(shí)將槽型在中縱位置的加厚板，連同此位置的縱骨制作成類(lèi)似舷側(cè)的組件。然后，將槽型和這兩端的組件在分段胎架上安裝、焊接完成。這樣，槽型制作成一個(gè)類(lèi)似“啞鈴”的強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

第2步針對(duì)總組和船塢合攏：總組采用舷側(cè)分段為胎，吊裝槽型分段，再吊裝甲板分段，最后吊裝中縱壁板(此時(shí)中縱壁板已經(jīng)分割為獨(dú)立的左右2個(gè)片體)。這樣左右2個(gè)獨(dú)立的舷側(cè)總段均帶一半的中縱隔離空艙的片體分段，總段具有更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。船塢合攏階段左右舷側(cè)總段逐個(gè)吊裝，與槽型相關(guān)的施工僅剩中縱隔離空艙內(nèi)的碳鋼結(jié)構(gòu)。

分段劃分和總組圖如圖2所示。

3 方案對(duì)比

綜上所述，2種建造方針對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 2種建造方針的對(duì)比

通過(guò)以上對(duì)比分析可以看出，優(yōu)化后的建造方案明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的建造方案。

優(yōu)化后的總體建造方針主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)充分利用了結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，中縱隔艙和舷側(cè)內(nèi)的碳鋼槽型加強(qiáng)可以在分段階段方便施工，且施工工位均為平面作業(yè)。

(2)壓載艙內(nèi)/中縱艙內(nèi)碳鋼槽型和貨艙不銹鋼槽型的結(jié)構(gòu)對(duì)位得到了有效的控制。

(3)槽型安裝了兩段的片體結(jié)構(gòu)后，具有足夠的剛性，槽型精度得到控制，槽型不需要額外的加強(qiáng)保型，避免了因槽型對(duì)位困難的問(wèn)題，導(dǎo)致不銹鋼槽型的開(kāi)刀。

(4)槽型30 mm厚板的焊接工位保持一致，均為平焊。

(5)在塢內(nèi)合攏階段，隔艙內(nèi)施工對(duì)象均為碳鋼，避免大量不銹鋼施工作業(yè)。

(6)在塢內(nèi)，貨艙下口的工作環(huán)境較好，無(wú)需高空作業(yè)，吊裝的時(shí)間不受腳手施工影響。

(7)舷側(cè)總段具有一定的剛性，便于分段吊運(yùn)、翻身。

(8)減少了塢內(nèi)合攏的工作量，縮短了塢內(nèi)的生產(chǎn)周期。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)市場(chǎng)上對(duì)不銹鋼化學(xué)品船營(yíng)運(yùn)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性的需求，變更貨艙區(qū)垂直槽型帶底敦的設(shè)計(jì)為水平槽型的設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了確保船舶的安全性，對(duì)船舶的重要位置節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行了有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套可靠經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)施工工藝。

通過(guò)上述方案的落實(shí)，33 000 t首制不銹鋼化學(xué)品船分段結(jié)構(gòu)制作期量、總組期量和塢內(nèi)搭載吊裝計(jì)劃、艙室完工計(jì)劃都得到了有效控制。首制船已于2016年6月順利交付。

[1] 王勇毅，毛勛銘，高萬(wàn)盈，等．船舶建造工藝學(xué)[M]．北京：人民交通出版社，1985．

2016-08-29

蔡貝云(1983—)，男，工程師，主要從事船舶建造項(xiàng)目管理；李森(1983—)，男，工程師，主要從事船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算；華元祿(1978—)，男，助理工程師，主要從事船舶建造項(xiàng)目管理；徐圳(1986—)，男，助理工程師，主要從事船舶建造項(xiàng)目管理。

U671.4

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