74 500 DWT特涂成品油/化學品船結構設計分析

周柏利， 肖建華， 程志濤， 李清泉， 王 柱

(大連中遠船務工程有限公司，遼寧 大連 116113)

74 500 DWT化學品船是運載國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)Ⅲ類化學品及成品油的新型化學品船，由江蘇某造船集團建造，船東為挪威某化學品船公司，訂單中的兩條船已于2013年全部交付營運，船東反饋其性能、營運經濟效益良好。

該型船入英國Lloyd’s Register船級社，船舶主尺度見表1。

表1 船舶主尺度

該型船的船籍符號為：

+100A1, Double Hull Oil Tanker & Chemical Tanker, Ship Type III, CSR, ESP,

ShipRight(CM, ACS(B)), *IWS, LI, DSPM4, +LMC, IGS, UMS

With the descriptive notes:

Pt. HT Steel, ShipRight (BWMP (S), SCM, SERS), ETA, COW, Green Passport

1 船型、貨艙及其結構布置型式

1.1 船型定義

根據《國際散裝危險化學品船舶構造和設備規則》(IBC CODE)16章第1節，每個液貨艙的最大允許裝載量要求：Ⅰ型船舶載運中任一液貨艙裝載的貨物量不得超過1 250 m3; Ⅱ型船舶載運中任一液貨艙裝載的貨物量不得超過3 000 m3；Ⅲ型船舶載運中任一液貨艙裝載的貨物量沒有要求。根據船東要求的載重及貨品清單，該船設計為Ⅲ類化學品及成品油船。

1.2 貨艙及結構布置型式

貨物圍護系統分為獨立液貨艙、整體液貨艙、重力液貨艙、壓力液貨艙。重力液貨艙要求艙頂設計壓力為小于等于0.07 MPa, 艙的型式可以是獨立液貨艙，也可以是整體液貨艙；壓力液貨艙要求艙頂設計壓力為大于0.07 MPa, 艙的型式只能是獨立液貨艙。設計船型艙頂設計壓力為0.02 MPa，小于壓力液貨艙要求的臨界壓力0.07 MPa，而且貨物運輸過程中無需進行保溫和隔離處理，因此貨油艙設計為整體式液貨艙。

考慮到所裝載化學品的危險性，防止裝卸貨階段化學品殘留引起化學反應，再考慮73/78國際防止船舶造成污染公約(The International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, 1973, as Modified by the Protocol of 1978, MARPOL73/78)附則要求，每一個艙對貨品掃艙殘存的X，Y，Z類污染貨品量(包括相關卸貨管系的殘存量)為75 L，為方便清艙和特涂，貨艙的結構均采用外翻的型式，縱、橫艙壁均采用垂直槽加上、下凳的型式，以保證液貨艙的內側平滑，從而滿足了相關規范、法規以及實際營運的要求，貨油艙結構形成見圖1。

圖1 舯橫剖面圖

2 規范強度校核(船體梁法)

規范強度校核分為船體梁彎曲、剪切、極限、疲勞強度，強度校核的依據為船舶結構共同規范(Common Structural Rules, CSR)第7節“載荷”，驗收準則為CSR第8節“尺度需求”。

該船的規范強度校核采用LR與ABS公司聯合開發的計算軟件CSR-STAGE 1，經過不斷調整縱骨間距，在滿足船體梁總縱強度的前提下，取得最輕的空船鋼結構重量。

2.1 計算過程

根據舯橫剖面圖、船體梁的主要參數以及總體分艙，建立規范強度校核的計算模型。

根據該船的裝載手冊，存在重密度為1.50 t/m3、裝載高度為70%艙高的工況，按照國際船級社協會(International Association of Classification Socities, IACS)規范要求，需換算到滿艙的效應密度。

根據國際船級社協會統一解釋CI-72，高密度液貨注入高度hHL不超過如下計算值：

(1)

式(1)中:htk為艙的高度；ρappd為注滿時最大貨物密度；ρHL為實際擬裝大比重貨物密度。

由于1艙和7艙的型線往船舯收縮，故需特殊考慮。經過計算，2～6艙的滿艙密度為1.05 t/m3, 1艙和7艙的滿艙密度為1.10 t/m3，均大于規范要求的最小值1.025 t/m3。因此，需根據貨物密度1.05 t/m3、1.10 t/m3分別校核船體梁強度。其校核計算模型見圖2。

圖2 船體梁強度校核計算模型

由圖2可以看出，邊壓載艙左右舷不連通，中壓載艙與底凳連通，縱向槽型艙壁將貨油艙分成左右2個艙，頂凳為空艙。

根據舯橫剖面屬性和計算結果，舯橫剖面在船底部和上甲板均采用AH32鋼，其剖面模數在甲板處有約14%的余量，在外底處有約47%的余量，完全滿足船體梁規范要求的總縱強度。

3 有限元強度校核

在利用船體梁法得到設計初期的舯橫剖面后，為使船體結構強度滿足IACS-CSR規范有限元強度要求，利用現階段應用最廣泛的有限元直接分析法校核該船的屈服/屈曲/疲勞強度。有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)的基礎，是通過有限元軟件建立三維船體有限元模型，模擬出船體的各部分和構件，可以精確到骨材、肘板、開孔等，詳細地描述出船體結構的各細節，然后利用有限元分析工具，對其進行計算，分別得到不同部位的結構應力分布，并以圖形的形式對板、筋的主要變化進行顯示，非常有利于設計人員辨別結構的可靠性。該船的有限元校核過程如下：

1)模型范圍。按IACS-CSR油船規范附錄B中圖B.1.1要求選取船中艙，以及其相鄰的前后艙。

2)模型邊界條件。按IACS-CSR油船規范附錄B中表B.2.9模型端部的邊界約束。

3)計算工況。根據規范要求，在模型的基礎上扣除腐蝕余量，再按IACS-CSR油船規范附錄B中表B.2.4“道油密縱艙壁油船的有限元載荷工況”所列工況計算。

4)施加初穩性計算中得到的最危險舯拱/舯垂彎矩和剪力。

5)得到粗網格分析結果。

6)屈曲強度校核。

7)細網格校核。

8)按規范要求校核下折角點疲勞強度。

9)根據IACS-CSR油船規范第9節驗收準則，逐一比對結果。

有限元計算模型見圖3。

圖3 有限元計算模型

根據IACS-CSR油船規范第9節(見表2)驗收準則，以及圖4～圖7的屈服強度計算云圖，航行工況/港口工況下三艙段各位置構件的λy均小于規范要求值，滿足強度要求。

表2 最大許用應力

圖4 航行工況外底板應力云圖

圖5 航行工況上甲板應力云圖

圖6 港口工況底部應力云圖

圖7 港口工況上甲板應力云圖

表3 最大許用屈曲利用因子

圖8 航行工況上甲板屈曲云圖

根據IACS-CSR油船規范第9節(見表3)驗收準則，以及圖8的屈曲強度計算云圖，航行工況/港口工況下三艙段各個位置的構件η均小于規范要求值，滿足屈曲強度要求。

根據目前IACS-CSR油船規范要求，僅僅底邊艙下折角點需要做疲勞分析，圖9即為有限元疲勞強度計算模型。經過計算，得到圖10有限元疲勞強度計算云圖，從而得到下折角點的疲勞壽命為26.61年，大于規范要求的25.0年，滿足規范要求。

圖9 疲勞強度計算模型

圖10 疲勞強度計算云圖

3.設計過程中采用的優化分析

1)設計初期階段——合理分艙

根據該船的裝載貨品、船東要求的大致主尺度，合理布置貨油艙，貨艙區共有6個貨油艙及1個污油艙，通過不斷調整船舯0.4L區域的每個貨艙長度來降低航行/靠港時舯拱/舯垂狀態下的靜水彎矩和剪力，最終船舯每個貨艙長度為27.2 m，其航行/靠港時舯拱/舯垂狀態下的靜水彎矩和剪力見表4。

表4 船體梁各工況最大靜水彎矩及剪力表

2)舯橫剖面設計階段——合理的縱骨間距/跨距/焊接

在舯橫剖面的設計過程中，在相同區域及縱向構件材料均采用相同等級的鋼種、相同的剖面模數裕量和板厚裕量前提下，比較不同縱骨間距舯橫剖面的縱向構件面積，即面積越小空船重量越輕。考慮到施工空間，選取3個縱骨間距800 mm,850 mm,900 mm計算后，縱骨間距采用800 mm，縱向構件的面積最小，即4.192 m2；根據CSR油船規范疲勞要求，肋板采用挺筋縱骨連接形式，降低縱骨跨距，從而有效降低空船重量；根據CSR油船規范焊接要求，精確計算縱骨和主要支撐構件的連接焊腳，從而有效減少結構的焊接重量。

3)詳細設計階段——合理的建造工藝

(1)合理設計縱骨穿過強框架的節點，盡可能減少補板、小肘板的數量，在滿足強度的前提下補板的形式盡量簡單；

(2)在不增加重量或增加不多的前提下，盡量減少板縫包括縱骨的數量，以及不同厚度的板之間、不同相鄰構件之間的焊縫數量；

(3)在不增加重量或重量增加不多的前提下，盡量減少不同板厚、板寬的材料規格以及型材和組合型材的規格，盡量少使用船廠難以定購的板厚規格、型材，以減少定貨時間和費用；

(4)在保證結構強度和剛度的前提下，于橫向框架結構上開設足夠數量的減輕孔和工藝孔，方便工人施工和建造過程中的檢驗；

(5)考慮吸口和壓載管系的布置，布置足夠的流水孔，保證滿載出港的工況雙艙底壓載水艙排盡；

(6)考慮壓載艙內和油艙內縱向PMA通道的設置等。

4 潛在的可優化項

1)由于化學品船甲板管系較多，韓國已采用甲板強橫梁每隔1個強肋位布置。 這樣，空船重量將減少，有利于甲板系泊布置，以及集管區的貨油管系布置。

2)目前交付的船舶所使用的主機為5S60MC-C8.2-TII，隨著長沖程的G型主機被大量應用，可將MAN 5G60主機引用到該船，優化機艙布置圖，從而使船舶營運的日油耗更低，船舶本身的經濟性更好。

5 結 語

以74 500 DWT船型為例，簡單介紹了化學品船的常規知識、結構布置、結構規范計算以及結構有限元分析，為該型船設計者提供值得借鑒的建議。

參考文獻：

[1] 李妃燕, 羅伯豪. 29 000DWT 化學品船結構設計[J]. 廣船科技, 2005(4): 23-30.

[2] 趙洪武, 吳小康. 37 300DWT 化學品船結構設計分析[J]. 船舶設計通訊, 2005(6): 30-33.

[3] DNV. Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker[R]. Olso, Det Norske Veritas, 2012.

[4] LR. Rules and Regulations for the Classification of Ships[R]. London, Lloyd’s Register, 2013.