IACS集裝箱船建造新標準呼之欲出

本刊記者 胥苗苗

明年7月1日，IACS針對大型集裝箱船結構強度的兩項新標準將正式生效。該標準的推出，緣于“MOL Comfort”號集裝箱船的斷裂沉沒事故。2013年6月17日，由新加坡港駛往沙特阿拉伯吉達港的商船三井8110TEU型集裝箱船“MOL Comfort”號，在距離阿曼塞萊拉港430海里處突發事故，船體斷裂為兩截，隨后船體前部突然不明原因起火，并在5天后沉沒。這起事故被認為是迄今為止最慘烈的一起集裝箱船船體斷裂事故，令整個航運界一片嘩然。然而，讓業界疑惑的是，“MOL Comfort”號船體斷裂究竟是個案，還是同類型船舶的“基因問題”。盡管到目前為止，關于“MOL Comfort”號船體斷裂的原因依然眾說紛紜，仍未有最終定論。但IACS加強了集裝箱船安全標準方面的工作，通過開展相關研究編制了兩個針對集裝箱船結構強度的統一要求: UR S11A和UR S34。目前上述兩個UR已經在IACS內部獲得通過，將于2016年7月1日生效。

據中國船級社上海規范所副所長王剛介紹，UR S11A為針對集裝箱船船體結構總縱強度的統一要求，UR S34提出了集裝箱船有限元直接分析載荷工況的功能要求。那么，即將生效的集裝箱新標準都包含哪些新的內容？

先來看UR S11A標準。據中國船級社上海規范研究所直接參加IACS該項目的鄭剛博士介紹，在UR S11A生效之前，UR S11給出包括集裝箱船在內的各種類型船舶總縱強度的統一要求。S11A生效后，S11適用于集裝箱船之外的其他船舶，S11A適用于集裝箱船。新UR的特點，同時也是兩個UR的差別，主要表現在以下幾個方面。

一是凈厚度方法。S11的總縱強度校核基于建造厚度，即船體梁的承載能力、船體梁載荷作用下的應力基于船舶的建造厚度計算得到，而S11A的強度校核采用與共同結構規范（CSR）類似的凈厚度方法。考慮到船型的差別，根據集裝箱船腐蝕的實測數據，S11A給出了集裝箱船各結構的腐蝕增量。

二是新的波浪載荷公式。為了得到新的波浪彎矩和波浪剪力公式，負責編制S11A的IACS PT56項目組對大量以集裝箱船、客船等瘦長型船為主的樣船開展了線性和非線性水動力計算，得到船體梁各位置處的波浪彎矩和波浪剪力。在對上述計算結果進行統計回歸的基礎上，綜合考慮各種影響因素，最后形成了新的波浪彎矩和波浪剪力公式。而在談到S11A的波浪載荷公式與S11的公式的差別時，鄭剛表示，差別主要體現在：新公式明確了載荷的線性成分和非線性成分；為了考慮水線以上船體形狀的影響，新公式引入了反映首部外飄的系數；根據實船計算結果，給出了新的波浪彎矩和波浪剪力沿船長方向的分布；對于肥胖型船，新舊公式給出的中拱波浪彎矩相當，但總體而言，新公式給出的波浪剪力更大。

三是屈服強度。雖然屈服強度校核公式在形式上有些變化，但實際上S11A與S11在校核內容上是一致的，仍然分別對彎曲強度和剪切強度進行校核，只是考慮凈厚度的原因，許用應力與原要求不同。新UR明確了剪切應力計算應采用剪流方法，并在其附錄1中給出了具體的算法。對UR S11中的最小慣性矩要求，新要求也根據自身方法特點進行了修訂，主要包括以下兩方面：一方面是考慮了船體梁合成彎矩的最大值，而不僅僅是原最小剖面模數所對應的合成彎矩；第二方面是考慮了凈厚度方法對于慣性矩的影響。

四是屈曲強度。新UR中的屈曲強度借鑒CSR的屈曲強度校核方法，這是和原UR相比一個明顯的變化。但在S11A中沒有對局部動載荷給出統一要求，為了避免各家船級社要求不一致的情況，而達到統一的計算結果，新UR規定計算中僅考慮靜壓力的影響。

五是極限強度。由于之前對事故的調查研究都指向了極限強度的不足，新UR 增加了船體梁極限強度的要求。極限強度校核的方法與CSR 一致，包括總彎矩計算中靜水波浪彎矩的組合系數，以及船體梁極限能力計算采用的SMITH 方法?？紤]船型特點并根據實船評估的結果，新UR 進行了如下修改：根據集裝箱船的特點，修改了將雙層底系數和材料系數；根據集裝箱船的結構形式，對計算中各構件所采用的單元類型的規定進行了修改和補充。

六是對大型集裝箱船提出了附加要求。新UR對于超巴拿馬型集裝箱船還給出了附加要求，具體包括：屈服和屈曲校核時應考慮各種載荷成分，應力成分的影響；極限強度校核時，應考慮顫振對垂向彎矩的貢獻。

再來看UR S34標準。據中國船級社上海規范研究所專家湯明文介紹，IACS新要求的目的是：通過規定統一的載荷工況，在所有船級社對集裝箱船進行有限元強度評估時取得一致的安全水平。它的目的不是為了規定全部的有限元分析具體要求，而是通過功能性要求的規定確保各船級社在結構安全所要求最基本的載荷工況下開展計算分析。同時在船中區域貨艙艙段分析中，形成一套最基本的共同計算工況，這樣IACS各船級社之間便取得了貨艙結構計算分析的統一基準線。為了形成合理、全面的功能性要求，工作組向IACS成員分發了調查表，收集了各船級社關于集裝箱船規范要求的信息，工作組在分析各船級社集裝箱船規范共性和個性要求的基礎上，針對集裝箱船的裝載特點和安全營運基本要求，建立了UR S34中的功能性要求。

湯明文表示，該UR中的有限元載荷要求是在各船級社集裝箱船規范的載荷準則基礎上所形成的更高水平的要求。因此，UR S34中的載荷工況的功能性要求對各船級社規范有不同程度的影響，對單個船級社的影響程度取決于各船級社規范與UR S34的裝載計算工況間的差異。但是，對大多數船級社而言，UR S34中的裝載計算工況，已經被大多數船級社納入，因此對結構尺寸影響很大。這一結論也在對比研究結果中得到驗證。

由于UR S34是一個新規定，綜合了各船級社有關集裝箱船規范中關于整船和貨艙段有限元直接計算分析規定而制定的要求，或多或少與各船級社的規定有所差異。UR 34對整船有限元分析、貨艙段有限元計算分析評估的結構構件強度及主要結構構件進行了定義。UR S34中沒有明確提到的要求應符合各船級社的規定。

UR S34的具體內容包括：在整船分析方面，適用于290米及以上集裝箱船，船體梁載荷按照各船級社程序規定考慮，UR S34中提供了兩種方法，方法1：將船體梁載荷（垂向彎矩、水平彎矩和扭矩）直接施加到整船有限元模型進行分析；方法2：將直接計算載荷傳遞施加到整船有限元模型進行分析。艙段分析方面：150米及以上集裝箱船需進行艙段有限元計算，舷外水壓力、貨物載荷等局部載荷及船體梁載荷根據各船級社規定確定。

載荷準則方面，一是波浪環境：船舶考慮航行在北大西洋波浪環境中進行屈服屈曲分析評估，垂向波浪彎矩按照UR S11A的規定選取，其它船體梁載荷、局部載荷按照各船級社規定確定。二是作業工況：考慮航行工況，港內及其它如進水、壓水試驗等工況可按各船級社規范要求進行。

在載荷分量方面，一是對整船分析分別規定了方法1、2所對應考慮的靜載荷和動載荷。二是對貨艙段分析分別規定了船體梁靜載荷和動載荷，局部靜載荷和動載荷?？紤]的船體梁載荷為垂向靜水彎矩和垂向波浪彎矩；局部載荷為舷外靜水壓力、集裝箱靜壓力、壓載水和燃油靜載荷、結構自重，海水動壓力、船體結構和集裝箱動載荷（在規定的計算工況中壓載水艙和燃油艙空艙，但其它額外附加工況可根據船級社規定考慮計入）。

在裝載計算工況方面：整船分析將根據裝載手冊及各船級社規范規定選取。貨艙段分析：UR S34規定了一套最低限度的計算工況，另外裝載手冊中裝載工況如有必要也要在艙段計算分析時考慮。

那么，新的UR生效后將會給業界帶來哪些影響呢？專家們表示，新UR的研究開發過程中，以及在編制完成后，組內和各家船級社都進行了實船評估。根據實船評估結果，對UR進行了一些調整。因此，新UR應該不會對目前的設計造成顯著影響，但是會給業界帶來以下幾個方面的影響。一是由于新增加了極限強度的要求，在設計時設計方不但要考慮船體梁的剖面模數，還要考慮剖面的極限能力，這和CSR剛生效時的情況有些類似；二是對于小型的集裝箱船，新要求可能會對構件尺寸造成影響，這主要表現在內殼的剪切強度方面。主要由于波浪剪力明顯增加和凈厚度方法對于薄板的影響更明顯這兩方面原因所致。但由于剪切強度并非集裝箱船設計的控制因素，該問題一般可通過提高材料的強度等級解決。

新的UR S34生效后，各船級社要在集裝箱整船和貨艙段有限元計算分析中納入新的要求，特別是貨艙段計算中需補充新要求的裝載計算工況，同時還要研究如何將S11A中新要求的波浪彎矩合理地應用到貨艙段有限元計算分析中。由于在UR S34生效前，各主要船級社集裝箱船規范中對整船和貨艙段結構計算分析的要求在計算工況和載荷上都存在一些差異，UR S34生效后，首先對有限元計算載荷規定了高水平的功能性要求，統一了集裝箱船結構強度的底線。其次，通過規定貨艙段計算最低限度的裝載計算工況，形成了船中貨艙區域結構強度的基線。這必將為新造大型集裝箱船結構強度安全增加技術上的進一步保證。

另外，從設計角度的考慮，由于新舊UR的上述差異，原根據S11設計的船舶需要根據新的要求對設計進行優化和調整，包括剖面模數、慣性矩，極限強度等幾個方面。設計者自身也會經歷一個逐步掌握和適應的過程。新波浪彎矩和剪力公式中包含了首部外飄的影響，通過減小首部外飄可以減小波浪彎矩。為此設計者可能對首部外飄進行優化，在箱位和波浪載荷之間尋求一個平衡。目前所評估的船都是根據S11設計的，因此有些影響通過適當的調整可輕易解決，有些影響則可能引起實質的結構增加或設計的更改。在之前的評估的過程中，有些技術方案還也同時在進行一些細節的完善和調整。因此，新UR真正的影響也許需要一段時間才能逐漸顯現出來。