黃曉豐，張津?qū)?，徐?/p>

(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(wú)需涂層，可減少營(yíng)運(yùn)時(shí)貨艙的維護(hù)工作量，提高航行安全性和使用壽命。但因?yàn)椴讳P鋼材料比較特殊，價(jià)格較高，建造成本很高，在滿(mǎn)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(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn)問(wèn)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(jì)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(jì)

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(jì)，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(mǎn)載時(shí)的貨物密度為1.54 t/m3，83%裝載時(shí)的貨物密度為1.85 t/m3。該船滿(mǎn)足協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)的要求，整個(gè)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(jiàn)圖1。

圖1 貨艙艙壁布置示意

1.2 舯剖面設(shè)計(jì)

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(jiàn)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(jì)算，其余縱向構(gòu)件均參與總縱強(qiáng)度計(jì)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(lái)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(mǎn)足總縱彎矩要求，舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用雙殼設(shè)計(jì)也使得剪切強(qiáng)度較易滿(mǎn)足要求[2]。

為了控制船舶造價(jià)，特別對(duì)貨艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到節(jié)約不銹鋼用量，降低造價(jià)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(lái)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(xiàn)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(xiàn)見(jiàn)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(shí)通過(guò)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(jì)初期需要和總體專(zhuān)業(yè)進(jìn)行配合，分艙時(shí)使艙長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，減小晃蕩載荷。

根據(jù)廠(chǎng)商提供的ASTM S31803雙相不銹鋼力學(xué)性能表，通過(guò)插值，可得此雙相不銹鋼在溫度80 ℃時(shí)，Rp0.2即塑性延伸為0.2%時(shí)對(duì)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(shí)，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(gòu)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(mǎn)足：

式中：b為板格的寬度，mm；C為長(zhǎng)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(guò)規(guī)范及有限元計(jì)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(mǎn)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(mǎn)足要求[4]。從有限元計(jì)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(méi)有那么高，如果不銹鋼校核衡準(zhǔn)取450 MPa的話(huà)，因屈曲強(qiáng)度對(duì)板格的凈厚度的規(guī)定，反而對(duì)控制整體不銹鋼用量不利。經(jīng)與船級(jí)社專(zhuān)家商議，對(duì)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(duì)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(shuō)明。

1.3 縱向和橫向槽型艙壁設(shè)計(jì)

該船貨艙長(zhǎng)度約131.25 m，共有20個(gè)獨(dú)立的液貨艙和2個(gè)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(jì)，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(duì)減輕結(jié)構(gòu)重量非常有利，貨艙長(zhǎng)度較貨艙艙深更長(zhǎng)，縱艙壁采用垂直槽型艙壁設(shè)計(jì)，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(huì)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(gè)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(jiàn)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(duì)在水平槽型艙壁腹板進(jìn)行對(duì)應(yīng)加強(qiáng)，隔板上開(kāi)人孔，使其滿(mǎn)足永久檢驗(yàn)通道要求。

2 艙段有限元分析

該船滿(mǎn)足《協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(HCSR)的入級(jí)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(píng)估區(qū)域須包括整個(gè)貨艙范圍。考慮到文章的篇幅，本文只對(duì)中部貨艙區(qū)域進(jìn)行分析。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)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(jiàn)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(guò)高的情況，而且超出較多，見(jiàn)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(guò)增加箱型結(jié)構(gòu)的板厚，封閉與箱型立柱相連的一個(gè)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(jì)算結(jié)果

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增加箱型結(jié)構(gòu)的板厚對(duì)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(gè)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(gè)方案對(duì)增大箱型結(jié)構(gòu)的剛度很有幫助。有限元計(jì)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(wèn)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(mǎn)足規(guī)格書(shū)對(duì)艙容的要求，故采用封閉與箱型結(jié)構(gòu)相連的一個(gè)縱槽的方案，見(jiàn)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，在實(shí)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(diǎn)處的應(yīng)力較大，且很難通過(guò)增加板厚使其應(yīng)力降下來(lái)。增大實(shí)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(zhǎng)的情形；如果通過(guò)硬加板厚滿(mǎn)足要求的話(huà)，板厚都需要加得非常大，不大合理。從其他區(qū)域計(jì)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(diǎn)處(非水密縱桁在箱型結(jié)構(gòu)端部拐點(diǎn)處下方有減輕孔)，反而沒(méi)出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)的問(wèn)題。分析判斷此兩處應(yīng)該是存在“硬碰硬”的情況，應(yīng)力沒(méi)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(diǎn)下的內(nèi)底縱桁統(tǒng)一改為非水密，對(duì)稱(chēng)的縱桁改為水密。肋板應(yīng)力集中區(qū)域通過(guò)開(kāi)一個(gè)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(wèn)題得到有效解決，見(jiàn)圖8。

圖8 肋板應(yīng)力集中區(qū)域開(kāi)應(yīng)力釋放孔示意

4 結(jié)論

1)對(duì)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(jì)強(qiáng)度的方式來(lái)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(wèn)題過(guò)程中，通過(guò)多方案對(duì)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(wèn)題，且對(duì)艙容的影響較小。

3)對(duì)于在實(shí)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(diǎn)處出現(xiàn)的應(yīng)力集中問(wèn)題，采用應(yīng)力釋放孔的方式是最有效的解決方法。