郭永升， 李同蘭， 韓 方， 董明海， 黃帥鵬， 李 云

(1.上海船舶工藝研究所 舟山船舶工程研究中心， 浙江 舟山316021；2.舟山市卓林船舶設(shè)計(jì)有限公司， 浙江 舟山 316000；3.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316021；4.舟山長宏國際船舶修造有限公司， 浙江 舟山 316052)

0 引 言

國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會第73屆會議于2018 年10 月在倫敦召開，會上已確認(rèn)自2020 年1 月1日起，全球區(qū)域內(nèi)船舶所用燃油含硫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))低于0.5%的限制不會發(fā)生變化，直接導(dǎo)致航運(yùn)業(yè)內(nèi)加速應(yīng)對。目前，業(yè)內(nèi)應(yīng)對日趨嚴(yán)格的硫氧化物排放限制主要采取使用低硫燃料油、采用清潔能源液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料代替燃油和加裝船舶廢氣洗滌系統(tǒng)(脫硫塔)等3種措施[1]。

使用低硫燃料油受制于國際油價(jià)的波動(dòng)，且低硫油存在產(chǎn)量不高和價(jià)格較貴的問題，大范圍推廣難度較大。使用LNG 燃料存在天然氣加注、改裝空間受限及船舶續(xù)航力小的問題，采用該途徑具有改裝難度較大、初期投資較高的問題，也不利于大范圍推廣[2]。加裝廢氣洗滌系統(tǒng)的船舶則可繼續(xù)使用現(xiàn)行含硫量較高的重質(zhì)燃料油(Heavy Fuel Oil， HFO)，主機(jī)排出的廢氣經(jīng)過脫硫塔處理后，滿足IMO對硫氧化物的排放限制，且采用新增脫硫塔的方法具有對改裝空間要求不高、不影響船舶原有續(xù)航力、可靠性強(qiáng)、初期投入可接受等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此通過加裝脫硫塔清洗系統(tǒng)來滿足IMO的要求受到大多數(shù)船舶所有人的青睞。根據(jù)挪威船級社(DNV GL)在2018 年12 月發(fā)布的脫硫塔統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前有2 553 艘船確認(rèn)已安裝或計(jì)劃安裝脫硫塔[3]，后續(xù)脫硫塔改裝訂單還在迅速增加，市場需求巨大。

1 脫硫塔改裝設(shè)計(jì)項(xiàng)目概述

目標(biāo)改裝項(xiàng)目是一艘320 000 t超大型油船(Very Large Crude Carrier， VLCC),總長為333.0 m,型寬為60.0 m,型深為30.5 m,設(shè)計(jì)吃水為21.0 m, 結(jié)構(gòu)吃水為22.5 m, 服務(wù)航速為15.9 kn (結(jié)構(gòu)吃水),入級勞氏船級社(LR)。船舶廢氣清洗系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)[4]。根據(jù)船舶所有人意向在該船尾部機(jī)艙棚區(qū)域安裝1套開式U形脫硫洗滌塔系統(tǒng)，該U形塔的干重為16.9 t,濕重為18.4 t,濕重心(相對坐標(biāo))為x=FR 7+3 400 mm,y=1 900 mm,z=41 550 mm。

2 改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

首先，根據(jù)實(shí)船機(jī)艙和機(jī)艙棚設(shè)備及管系布置情況完成初步改裝方案設(shè)計(jì)。初步方案主要包括脫硫塔選型、脫硫塔初步布置圖、主管線走向和改裝結(jié)構(gòu)的范圍等。其次，了解機(jī)艙和機(jī)艙棚區(qū)域的各種設(shè)備、電纜、管路布置情況。通常運(yùn)營船舶機(jī)艙的完工設(shè)備和管線交錯(cuò)布置較復(fù)雜，難以得到與實(shí)船布置一致的三維模型，需用3D掃描設(shè)備對整個(gè)機(jī)艙和機(jī)艙棚進(jìn)行掃描，生成3D點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)模型，作為下一步出具改裝可行性報(bào)告的重要依據(jù)。接著，在準(zhǔn)確獲取機(jī)艙及機(jī)艙棚3D點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上對初步改裝方案進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合圖紙和實(shí)船情況，規(guī)避與原船結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管線的干涉，完成改裝可行性報(bào)告。然后，根據(jù)修改定稿的改裝方案和可行性報(bào)告開展各專業(yè)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定各專業(yè)需要設(shè)繪的圖紙目錄，制訂出圖計(jì)劃，完成圖紙及文件的送退審工作。最后，生產(chǎn)設(shè)計(jì)各專業(yè)根據(jù)船級社退審圖紙和文件完成細(xì)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作。針對運(yùn)營船舶的脫硫洗滌塔改裝流程如圖1所示。

圖1 脫硫塔改裝設(shè)計(jì)流程

2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

改裝詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于原船系統(tǒng)實(shí)際布置情況、原船結(jié)構(gòu)圖紙、3D點(diǎn)云模型等重要輸入條件，結(jié)合洗滌塔外形尺寸、機(jī)電專業(yè)管線布置空間需求，以定稿的改裝方案(見圖2)為大致范圍開展結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計(jì)。圖3所示為新煙囪結(jié)構(gòu)輪廓尺寸圖，根據(jù)定稿的改裝方案簡圖，結(jié)合原船煙囪、下沉甲板結(jié)構(gòu)和下沉甲板舾裝設(shè)備的布置情況，確定:(1)新煙囪只設(shè)置2層平臺，即主甲板平臺和脫硫塔基座平臺，主甲板平臺用于布置空壓機(jī)、消防設(shè)備等，脫硫塔基座平臺主要承載塔體；(2)新煙囪的底板垂向位置與主甲板同高，底板輪廓尺寸為6 800 mm×11 400 mm；(3)脫硫塔基座平臺設(shè)在36 400 A/B (根據(jù)設(shè)備商要求，廢液收集直管段長度不小于4 m)；(4)新煙囪頂板首端與原煙囪51 100 A/B 水平強(qiáng)框架對接；(5)自脫硫塔基座平臺到新煙囪頂共設(shè)置39 600 A/B、42 500 A/B、45 400 A/B、48 300 A/B 共4層水平強(qiáng)框架與原煙囪水平強(qiáng)框架對接；(6)新煙囪外圍壁為左右后等3面非密封結(jié)構(gòu)，首端不設(shè)圍壁，與原煙囪后壁連接；(7)新煙囪左右圍壁在原機(jī)艙棚頂部 39 600 A/B 以上順著原煙囪向船中收縮，在原機(jī)艙棚頂部 39 600 A/B以下的側(cè)壁則垂直于機(jī)艙棚后壁；(8)在下沉甲板至主甲板之間設(shè)置4根H形強(qiáng)力支柱，且全部布置在FR 7 (強(qiáng)力支柱的布置位置充分考慮了與舾裝設(shè)備件的干涉問題)；(9)下沉甲板FR 7強(qiáng)橫梁框架加 2根H形強(qiáng)支柱至舵機(jī)平臺。

圖2 脫硫塔布置方案簡圖

圖3 新煙囪結(jié)構(gòu)輪廓尺寸圖

2.3 結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

在確定上述結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)后，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)，非特殊情況一般沿用原船3向檔距。在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)解決如下問題：(1)新煙囪后圍板上的力如何傳遞至主甲板與下沉甲板之間新設(shè)置的支柱上；(2)脫硫塔基座平臺怎樣承載脫硫塔；(3)新煙囪4層水平強(qiáng)框架與原煙囪水平框架的結(jié)構(gòu)如何對接。按板架邊界范圍將整個(gè)新煙囪自下而上劃分為主甲板板架(包含4根強(qiáng)立柱)、脫硫塔基座平臺板架、煙囪后圍壁板架、煙囪左右圍壁板架、39 600 A/B以上4層水平強(qiáng)框架、煙囪頂板架等10個(gè)單元結(jié)構(gòu)，逐一完成區(qū)域內(nèi)所有結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、規(guī)格、尺寸和連接形式等的定義。

2.3.1 主甲板板架的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

先根據(jù)歐拉公式[5]計(jì)算壓桿的臨界應(yīng)力，計(jì)算立柱最小剖面模數(shù)。參考原煙囪結(jié)構(gòu)尺寸，預(yù)估新煙囪結(jié)構(gòu)及脫硫塔工作質(zhì)量為160 t,完成立柱的截面選型設(shè)計(jì)，確定立柱規(guī)格為H 400×14/400×18A。再進(jìn)行主甲板縱橫向結(jié)構(gòu)布置，如圖4所示：在L 0/L 3/L 5位置左右舷對稱布置5根連續(xù)的甲板縱桁；在FR 9/FR 11/FR 13肋位布置強(qiáng)橫梁，強(qiáng)橫梁遇縱桁斷開；其余縱橫檔位和肋位布置普通甲板骨材，普通橫梁遇縱骨斷開；甲板板厚、強(qiáng)桁材和普通骨材規(guī)格均按LR 2018規(guī)范[6]計(jì)算。為維持甲板下方縱橫結(jié)構(gòu)端部與外圍壁之間力的傳遞，按LR 2018規(guī)范計(jì)算，甲板邊緣設(shè)置500×15/300×20A的連續(xù)T排。重點(diǎn)注意連續(xù)T排遇新煙囪后壁的強(qiáng)力支柱的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，最終優(yōu)選圖4中UD-1節(jié)點(diǎn)圖的T排插入H形支柱的設(shè)計(jì)，為避免應(yīng)力集中,H形支柱尾端面板采用軟趾設(shè)計(jì)、H形支柱首端腹板和面板采用圓弧過渡到甲板縱桁，采用此組合結(jié)構(gòu)，能減少后期焊接工作量。

主甲板結(jié)構(gòu)其他次要細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)此處不作贅述。

圖4 新煙囪主甲板結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 脫硫塔基座平臺板架結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

如圖5所示，該平臺結(jié)構(gòu)的主要作用是承載脫硫塔，平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性原則，圍繞脫硫塔基座開展。先確定脫硫塔基座中心位置(根據(jù)定稿的方案位置)，圖5中圓孔是以脫硫塔基座中心為圓心，開孔半徑充分考慮污水收集管安裝空間后確定。然后，以脫硫塔基座中心為圓心，布置脫硫塔基座。再以脫硫塔基座為中心，基于結(jié)構(gòu)連續(xù)性原則，在左舷L 0/L 3/L 5位置布置3根平臺縱桁，縱桁L 0和L 5為連續(xù)結(jié)構(gòu)，受脫硫塔基座重心位置限制，L 3縱桁需設(shè)計(jì)成折彎走向，根據(jù)脫硫塔濕重結(jié)合LR 2018規(guī)范對梁的選型計(jì)算確定該平臺縱桁的規(guī)格為300×180×12×16A。在FR 9/FR 11/FR 13肋位布置強(qiáng)橫梁,為避免FR 11強(qiáng)橫梁與污水收集管干涉，設(shè)計(jì)成斷開結(jié)構(gòu)，依據(jù)LR 2018規(guī)范中對梁的選型計(jì)算確定該平臺強(qiáng)橫梁的規(guī)格為300×150×12×14A。其余縱橫檔位和肋位布置普通甲板骨材，普通橫梁遇縱骨斷開，甲板板厚、強(qiáng)桁材和普通骨材規(guī)格均按LR 2018規(guī)范計(jì)算。在該平臺右舷無設(shè)備布置，開5 400 mm×3 100 mm的長方形孔，預(yù)留舾裝專業(yè)布置斜梯。因船舶航行過程中存在縱向加速情況，原機(jī)艙棚后壁在A甲板900 mm的高度無水平強(qiáng)框架，需增加水平強(qiáng)框架與脫硫塔平臺水平對應(yīng)，選用腹板高度與原機(jī)艙棚后壁垂向桁材一致，板厚及面板規(guī)格依據(jù)LR 2018規(guī)范計(jì)算確定。為改善脫硫塔基座根部區(qū)域附近處應(yīng)力集中情況，以基座中心為圓心，沿基座外側(cè)圓弧對稱均勻設(shè)置16個(gè)BK 320×15A的基座軟趾肘板，肘板下方對應(yīng)設(shè)置肘板加強(qiáng)。平臺結(jié)構(gòu)其他細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)此處不作贅述。

圖5 脫硫塔平臺結(jié)構(gòu)圖

2.3.3 煙囪后圍壁、左右圍壁板架和39 600 A/B以上4層水平強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

如圖6所示：根據(jù)新煙囪主甲板和脫硫塔基座平臺主要縱桁和強(qiáng)橫梁的布置確定煙囪圍壁板架上主要垂向T排的分布位置，其余位置布置普通垂直扶強(qiáng)材；考慮脫硫塔的濕重量，根據(jù)LR 2018規(guī)范對脫硫塔平臺至主甲板之間的圍壁垂向強(qiáng)桁材、普通扶強(qiáng)材和外圍壁板厚進(jìn)行選型計(jì)算，初步選定垂直強(qiáng)桁材規(guī)格為350×200×14×18A、普通垂直扶強(qiáng)材規(guī)格為150×90×9A，外圍壁板厚8 mm。脫硫塔平臺以上煙囪圍壁的垂直桁材和普通垂直扶強(qiáng)材的規(guī)格、外圍壁板的厚度均可以參照原煙囪規(guī)格選型或根據(jù)LR 2018規(guī)范計(jì)算選型。39 600 A/B以上4層水平強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的腹板和面板選型可參照原煙囪與各層對應(yīng)強(qiáng)框架的結(jié)構(gòu)尺寸。其余結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)較為簡單，此處不作贅述。

圖6 脫硫塔新煙囪后圍壁結(jié)構(gòu)圖

2.3.4 新煙囪頂板架結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

如圖7所示，新煙囪頂板架為傾斜面，首端與原煙囪后壁51 100 A/B強(qiáng)框架對位，尾端高度為48 300 A/B+1 400 mm。先確定頂甲板L 0/L 3/L -3布置3根連續(xù)縱桁，F(xiàn)R 9/F 11/FR 13布置3根強(qiáng)橫梁，其余檔位布置普通縱骨和橫梁。頂甲板板厚、縱桁和強(qiáng)橫梁規(guī)格選型計(jì)算按LR 2018規(guī)范中露天甲板相關(guān)規(guī)定選取。

圖7 新煙囪頂甲板結(jié)構(gòu)圖

3 改裝結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 有限元建模

依據(jù)新煙囪結(jié)構(gòu)圖和LR 2018規(guī)范中有限元模型的規(guī)定，扣除腐蝕裕量后，新煙囪結(jié)構(gòu)采用凈板厚建模。單元格的基準(zhǔn)尺寸為200 mm×200 mm。采用板單元和梁單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。為準(zhǔn)確模擬脫硫塔對基座的作用力，采用剛性單元多點(diǎn)約束(Multi-Point Constraint, MPC)法模擬施加載荷。模型中使用的坐標(biāo)系為笛卡爾右手坐標(biāo)系，定義:x軸為縱向，正向?yàn)閺聂合螋?；y軸為橫向，正向?yàn)榇邢蜃笙希粃軸為垂向，正向?yàn)榛€向甲板。根據(jù)LR 2018規(guī)范，A級鋼的彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3，A級鋼的極限屈服應(yīng)力[σ]= 235 MPa，極限剪切應(yīng)力[τ]=0.58[σ]=136.3 MPa。新煙囪結(jié)構(gòu)有限元模型如圖8所示。

圖8 新煙囪結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 約束和載荷工況

對新煙囪與原煙囪焊接邊進(jìn)行6個(gè)自由度的約束，新煙囪FR 7處與下沉甲板焊接的4根支柱進(jìn)行6個(gè)自由度的約束(圖略)。

根據(jù)第1節(jié)脫硫塔濕重和重心，重量系數(shù)取K=1.2，計(jì)算濕重為Wc=18.4 t×1.2=22.08 t,根據(jù)LR 2018規(guī)范第十部分第二章對油船的規(guī)定，求得該船在航行時(shí)滿載和常規(guī)壓載2個(gè)工況下的x、y、z3個(gè)方向的加速度，如表1所示。

表1 2個(gè)壓載工況的加速度匯總 m/s2

對表1的2個(gè)工況中各向加速度取最大值，脫硫塔對基座的作用力計(jì)算如表2所示。

表2 脫硫塔對基座的作用力匯總

得出迎浪和橫浪作用下的組合工況LC 1和LC 2如表3所示。

表3 迎浪和橫浪工況組合

LC 1和LC 2載荷工況在脫硫塔基座平臺加載如圖9和圖10所示。

圖9 工況LC 1(Fy+Fz) 計(jì)算工況

圖10 工況LC 2(Fx+Fz) 計(jì)算工況

3.3 分析結(jié)果

對LC 1和LC 2工況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)變形最大的部位均出現(xiàn)在脫硫塔基座底部的縱桁上，且在LC 1工況下型材的組合應(yīng)力超過材料剪切許用應(yīng)力，在LC 2工況下型材的合成應(yīng)力也較大，分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 LC 1和LC 2工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形情況匯總

4 改裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 脫硫塔基座平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)圖9、圖10和表4可判斷：主甲板下方4根支柱強(qiáng)度和剛度足夠，煙囪外圍壁板強(qiáng)度足夠，煙囪垂直扶強(qiáng)材強(qiáng)度足夠，除了脫硫塔基座平臺以外的各平臺和水平強(qiáng)框架強(qiáng)度足夠；結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)最大的位置和型材合成應(yīng)力最大的位置均出現(xiàn)在脫硫塔基座平臺下方的型材上。脫硫塔基座平臺下方的縱桁是該平臺的強(qiáng)力構(gòu)件，原規(guī)格(L 0/L 1/L 3均為T 300×180×12×16)偏小，須提高該平臺的剛度和強(qiáng)度，可直接對縱桁尺寸規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化。利用現(xiàn)有模型直接調(diào)整T型材的規(guī)格，多次重新加載計(jì)算。

4.2 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核

根據(jù)第4.1節(jié)，其縱桁L 0和L 1結(jié)構(gòu)規(guī)格調(diào)整為T 400×200×14×18；縱桁L 3結(jié)構(gòu)規(guī)格調(diào)整為T 400×200×15×20，基于LC 1工況對型材合成應(yīng)力及結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行復(fù)核。調(diào)整前后的型材合成應(yīng)力分布細(xì)節(jié)如圖11和圖12所示。

圖11 優(yōu)化前的型材應(yīng)力分布云圖

圖12 優(yōu)化后的型材應(yīng)力分布云圖

復(fù)核分析結(jié)果顯示，脫硫塔基座平臺的型材最大合成應(yīng)力由結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理前的184 MPa降至優(yōu)化后的133.7 MPa,最大位移由優(yōu)化前的4.57 mm減小至優(yōu)化后的3.89 mm。型材合成應(yīng)力小于許用剪切應(yīng)力，新煙囪整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

脫硫塔改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是脫硫塔原船系統(tǒng)改造過程中重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之一，對改裝后的脫硫塔是否能正常工作起到關(guān)鍵支持作用，對改裝成本、改裝周期產(chǎn)生直接影響。船體設(shè)計(jì)師在進(jìn)行脫硫塔改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1) 遵循結(jié)構(gòu)的連續(xù)性原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

(2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置盡可能避開原船設(shè)備，余留足夠的設(shè)備操作空間；

(3) 構(gòu)件規(guī)格尺寸的選型設(shè)計(jì)依據(jù)適應(yīng)規(guī)范進(jìn)行；

(4) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須考慮后續(xù)施工的工藝性；

(5) 在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，避免結(jié)構(gòu)過剩；

(6) 脫硫洗滌塔改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須考慮其在波浪動(dòng)載荷工況下3向加速度對基座平臺的影響；

(7) 結(jié)構(gòu)選型采用規(guī)范計(jì)算與有限元分析結(jié)合的方式既能提高設(shè)計(jì)效率又能提高結(jié)構(gòu)安全性。