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(1.上海歐得利船舶工程有限公司，上海 200023；2.南通象嶼海洋裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226368)

雙相不銹鋼制化學(xué)品船使用雙相不銹鋼使各艙所裝化學(xué)品不易互相滲透，且無需涂層，可減少營運(yùn)時貨艙的維護(hù)工作量，提高航行安全性和使用壽命。但因為不銹鋼材料比較特殊，價格較高，建造成本很高，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的情況下，降低不銹鋼用量是船型設(shè)計時考慮的重點問題?？紤]以33 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船為例，從貨艙區(qū)的結(jié)構(gòu)布置、舯剖面設(shè)計及水平槽型艙壁應(yīng)用等方面，分析降低不銹鋼用量的方法。

1 貨艙結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 貨艙艙壁布置

該船按照成品油船和IMO II型化學(xué)品船使用要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，主要用于裝載化學(xué)品和成品油，各艙均有獨(dú)立裝卸系統(tǒng)，貨艙滿載時的貨物密度為1.54 t/m3，83%裝載時的貨物密度為1.85 t/m3。該船滿足協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)的要求，整個貨艙區(qū)除內(nèi)殼、艏艉艙壁采用平面艙壁外，其余艙壁均采用槽型艙壁，中縱艙壁采用垂直槽型艙壁，橫艙壁均采用水平槽型艙壁，貨艙艙壁布置見圖1。

圖1 貨艙艙壁布置示意

1.2 舯剖面設(shè)計

大、中型化學(xué)品船的甲板、舷側(cè)和底部結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，為了便于日后清艙，化學(xué)品船貨艙區(qū)的構(gòu)件全部設(shè)置在貨艙的外表面[1]。該船貨艙內(nèi)的內(nèi)底板、內(nèi)殼板、甲板、中縱艙壁及橫艙壁均采用雙相不銹鋼鋼板，典型舯剖面見圖2。中縱艙壁為垂直槽型艙壁不參與總縱彎曲強(qiáng)度但參與剪切強(qiáng)度計算，其余縱向構(gòu)件均參與總縱強(qiáng)度計算。

圖2 典型舯剖面示意

由于貨艙數(shù)量多，裝載方式靈活，中垂彎矩一般較小，多以在壓載工況下的最大中拱彎矩來校核船體梁的總縱彎曲強(qiáng)度。由于化學(xué)品船上甲板是封閉的，船體梁剖面上甲板和底板有效面積相當(dāng)，剖面模數(shù)較易滿足總縱彎矩要求，舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用雙殼設(shè)計也使得剪切強(qiáng)度較易滿足要求[2]。

為了控制船舶造價，特別對貨艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到節(jié)約不銹鋼用量，降低造價的目的。為了控制主甲板、內(nèi)殼及內(nèi)底的板厚，可以適當(dāng)減小縱骨的間距來貼近最小板厚要求，兼顧到雙層底需要設(shè)置PMA通道的要求，縱骨間距設(shè)置為650 mm，艏艉貨艙因船體線型變化，內(nèi)殼需要往船中收縮，在一些局部縱骨需要截止改成橫骨架式的區(qū)域，也采取在肋距中間增加橫向構(gòu)件的方法，讓板格更小，從而達(dá)到減低不銹鋼板厚的效果。該船采用新日本制鐵公司的ASTM S31803雙相不銹鋼，材料的屈服極限、抗拉極限隨環(huán)境溫度的變化曲線見圖3。

圖3 ASTM S31803雙相不銹鋼材料性能 隨環(huán)境溫度的變化

充分考慮利用雙相不銹鋼高強(qiáng)度的材料特性，主甲板，內(nèi)殼及內(nèi)底的縱骨材料采用AH36的高強(qiáng)度鋼，AH36的骨材和雙相不銹鋼板材較為匹配，可以提高整體板架的承載能力[3]。同時通過適當(dāng)增大縱骨尺寸，使其盡可能多地分擔(dān)總縱強(qiáng)度，減小主甲板、內(nèi)殼及內(nèi)底板參與總縱強(qiáng)度的負(fù)擔(dān)。設(shè)計初期需要和總體專業(yè)進(jìn)行配合，分艙時使艙長與縱向槽型艙壁的槽型周期能夠配合良好，且避免分艙艙長過長，減小晃蕩載荷。

根據(jù)廠商提供的ASTM S31803雙相不銹鋼力學(xué)性能表，通過插值，可得此雙相不銹鋼在溫度80 ℃時，Rp0.2即塑性延伸為0.2%時對應(yīng)的強(qiáng)度值約為460 MPa。為了減少不銹鋼的用量，在校核不銹鋼構(gòu)件尺寸時，應(yīng)力衡準(zhǔn)應(yīng)盡可能地接近其力學(xué)性能的極限?？紤]到所訂購的不銹鋼焊條的焊縫熔敷最小屈服強(qiáng)度為450 MPa，該船的不銹鋼校核衡準(zhǔn)取450 MPa。

HCSR規(guī)范屈曲章節(jié)中規(guī)定，板格的凈厚度應(yīng)t滿足：

式中：b為板格的寬度，mm；C為長細(xì)比系數(shù)，取為：C=100，船殼外板和貨物及液艙邊界,C=125；ReH為板材料的最小屈服應(yīng)力，MPa。

通過規(guī)范及有限元計算發(fā)現(xiàn)，大部分甲板板和內(nèi)殼板凈厚度取8.5 mm即可以滿足總縱強(qiáng)度及局部強(qiáng)度的要求；而根據(jù)以上衡準(zhǔn)公式，b=650 mm,C=100,ReH=450 MPa，tp應(yīng)不小于9 mm才能滿足要求[4]。從有限元計算結(jié)果發(fā)現(xiàn):絕大部分主甲板、內(nèi)殼,以及內(nèi)底板的應(yīng)力水平并沒有那么高，如果不銹鋼校核衡準(zhǔn)取450 MPa的話，因屈曲強(qiáng)度對板格的凈厚度的規(guī)定，反而對控制整體不銹鋼用量不利。經(jīng)與船級社專家商議，對于主甲板、內(nèi)殼，以及內(nèi)底板的不銹鋼校核衡準(zhǔn)取為420 MPa，而對于縱向和橫向槽型艙壁，不銹鋼板的校核衡準(zhǔn)取為450 MPa，并在圖紙中加以說明。

1.3 縱向和橫向槽型艙壁設(shè)計

該船貨艙長度約131.25 m，共有20個獨(dú)立的液貨艙和2個污油艙。典型的貨艙寬度比貨艙艙深小，貨艙采用水平槽型艙壁設(shè)計，特別是水平槽型橫艙壁方便在高度方向上根據(jù)載荷不同設(shè)水平板縫取不同的板厚，對減輕結(jié)構(gòu)重量非常有利，貨艙長度較貨艙艙深更長，縱艙壁采用垂直槽型艙壁設(shè)計，更有利于減輕結(jié)構(gòu)重量[5]。根據(jù)規(guī)范要求，型深小于16 m的船舶，垂直槽型不強(qiáng)制要求設(shè)置底墩。考慮到設(shè)置底墩，會導(dǎo)致總艙容較大的損失，該船不設(shè)置底墩，縱向垂直槽型艙壁直接與甲板、內(nèi)底連接，反面用甲板縱桁和內(nèi)底縱桁加強(qiáng)。橫艙壁采用水平槽型，中縱艙壁處設(shè)置1個箱型結(jié)構(gòu)與水平橫槽型艙壁進(jìn)行連接，典型的中縱垂直槽型艙壁和水平槽型橫艙壁布置見圖4。

圖4 典型的中縱垂直槽型艙壁和水平槽型橫艙壁示意

箱型結(jié)構(gòu)定義為空艙，主甲板設(shè)置人孔蓋進(jìn)入。在箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)，設(shè)置傾斜隔板對在水平槽型艙壁腹板進(jìn)行對應(yīng)加強(qiáng)，隔板上開人孔，使其滿足永久檢驗通道要求。

2 艙段有限元分析

該船滿足《協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(HCSR)的入級要求，結(jié)構(gòu)有限元模型的載荷、邊界條件及網(wǎng)格參照HCSR的要求進(jìn)行，評估區(qū)域須包括整個貨艙范圍?？紤]到文章的篇幅，本文只對中部貨艙區(qū)域進(jìn)行分析。

從計算結(jié)果來看，水平槽型橫艙壁的中心在“品字形裝法”的工況下，變形較大，出現(xiàn)了水平橫槽壁槽型面板屈曲的情況，見圖5。

圖5 水平橫槽壁槽型面板出現(xiàn)屈曲示意

垂直槽型縱艙壁與箱型結(jié)構(gòu)相交處的底部在隔艙裝載的工況下，因受拉比較嚴(yán)重，也出現(xiàn)了應(yīng)力過高的情況，而且超出較多，見圖6。初步判斷是箱型結(jié)構(gòu)的剛度不夠，需要增大其剛度采用承受大密度貨物的裝載要求。增大箱型結(jié)構(gòu)的剛度可通過增加箱型結(jié)構(gòu)的板厚，封閉與箱型立柱相連的一個縱槽做為箱型結(jié)構(gòu)的一部分或縱壁設(shè)置底墩等方法。

圖6 垂直槽型縱艙壁與箱型結(jié)構(gòu)相交處計算結(jié)果

對比發(fā)現(xiàn)，增加箱型結(jié)構(gòu)的板厚對增大箱型結(jié)構(gòu)的剛度效果有限，封閉與箱型立柱相連的一個縱槽做為箱型結(jié)構(gòu)的一部分和縱壁設(shè)置底墩這兩個方案對增大箱型結(jié)構(gòu)的剛度很有幫助。有限元計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，艙壁變形明顯變小，水平槽型橫艙壁的屈曲問題得到有效解決，垂直槽型縱艙壁與箱型結(jié)構(gòu)相交處底部的應(yīng)力水平也大大減小。比較兩種方案，增設(shè)底墩不銹鋼增加的量較少一些，但艙容損失較大，不能滿足規(guī)格書對艙容的要求，故采用封閉與箱型結(jié)構(gòu)相連的一個縱槽的方案，見圖7。

圖7 修改后的箱型結(jié)構(gòu)示意

3 局部區(qū)域應(yīng)力集中的特殊處理

有限元計算發(fā)現(xiàn)，在實肋板與中縱艙壁面板底端交接處和內(nèi)底水密縱桁在箱型結(jié)構(gòu)端部拐點處的應(yīng)力較大，且很難通過增加板厚使其應(yīng)力降下來。增大實肋板和內(nèi)底縱桁應(yīng)力集中區(qū)域板厚則出現(xiàn)中縱艙壁和箱型結(jié)構(gòu)底端應(yīng)力超出衡準(zhǔn)；而如果局部增大中縱艙壁和箱型結(jié)構(gòu)底端的板厚，下加強(qiáng)區(qū)域的應(yīng)力又超出衡準(zhǔn)，出現(xiàn)此消彼長的情形；如果通過硬加板厚滿足要求的話，板厚都需要加得非常大，不大合理。從其他區(qū)域計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在塢墩肘板與中縱艙壁面板底端交接處和非水密縱桁與箱型結(jié)構(gòu)端部拐點處(非水密縱桁在箱型結(jié)構(gòu)端部拐點處下方有減輕孔)，反而沒出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)的問題。分析判斷此兩處應(yīng)該是存在“硬碰硬”的情況，應(yīng)力沒有得到有效的釋放。經(jīng)協(xié)商，修改內(nèi)底壓載艙邊界，將在箱型結(jié)構(gòu)端部拐點下的內(nèi)底縱桁統(tǒng)一改為非水密，對稱的縱桁改為水密。肋板應(yīng)力集中區(qū)域通過開一個直徑200 mm的小孔，讓其應(yīng)力得到有效的釋放，應(yīng)力集中問題得到有效解決，見圖8。

圖8 肋板應(yīng)力集中區(qū)域開應(yīng)力釋放孔示意

4 結(jié)論

1)對33 000 DWT不銹鋼化學(xué)品船，提出采取適當(dāng)減小縱骨間距和選擇性降低雙相不銹鋼設(shè)計強(qiáng)度的方式來減少主甲板、內(nèi)殼及內(nèi)底板的板厚，從而達(dá)到減輕不銹鋼用量的目的。

2)在分析縱、橫艙壁相交處箱型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題過程中，通過多方案對比，發(fā)現(xiàn)采用封閉與箱型結(jié)構(gòu)相鄰的縱槽的方案能有效提高箱型結(jié)構(gòu)的剛度，并解決水平槽形橫艙壁的屈曲問題，且對艙容的影響較小。

3)對于在實肋板與中縱艙壁面板底端交接處和內(nèi)底水密縱桁在箱型結(jié)構(gòu)端部拐點處出現(xiàn)的應(yīng)力集中問題，采用應(yīng)力釋放孔的方式是最有效的解決方法。