基于HCSR與CSR-OT的靈便型油船結構對比分析

(中國船級社規范與技術中心,上海 200135)

2015年7月1日起，油船與散貨船迎來了HCSR時代。作為CSR的升級組合版，HCSR將散貨船和油船的結構設計與建造要求進行了協調與統一，不僅提高了建造標準，原有船型的設計理念也發生了較大的變化，而且對載荷、描述性及屈曲要求、直接強度分析、疲勞校核等方面的要求進行了修改。靈便型油船因其靈活性強、吃水較淺、船長短且貨油艙數量較多，一直以來備受市場歡迎，需求量很大。為此，通過考察4型靈便型油船涉及CSR和HCSR中描述性及屈曲要求的異同，整理出相關規律，分析滿足CSR規范的油船在新規范下的適用情況，為靈便型油船由CSR.OT[1]升級至HCSR[2]提供參考。

1 描述性及屈曲要求的主要變化

HCSR對油船描述性及屈曲要求最直接的變化主要體現在以下幾個方面：①材料；②凈尺寸方法；③船體梁強度；④船體局部尺度；⑤屈曲評估。

1.1 材料

HCSR中對材料的要求基本引用了散貨船共同規范(以下簡稱CSR.BC)，相較于雙舷側油船共同規范(以下簡稱CSR.OT)，其最顯著的變化是增加了最小材料等級的要求。

1.2 凈尺寸方法

HCSR中對凈尺寸的圖示定義相較于CSR.OT更為明確，尤其對扣除腐蝕增量后的構件尺寸量取給出了更為清晰的圖示。對T型材的定義對比見圖1。

1.3 船體梁強度

HCSR船體梁強度校核中船體梁彎曲強度評估、剪切強度評估方式與CSR.OT基本一致，但增加了極限強度評估[5]和殘存強度評估。HCSR船體梁極限強度評估的要求源自CSR.BC，相對于CSR.OT評估范圍和校核的工況均發生了變化，對比見表1。

表1 船體梁極限強度對比

同時HCSR加入了涵蓋雙層底彎曲效應的分項安全因子[3]，用于計算雙層底的板架彎曲對極限彎曲能力的折減[8]。對于油船在完整航行中拱工況下的貨油艙，其船體梁極限強度將減小近10%。

HCSR相對于CSR.OT，增加了船體梁殘存強度的評估要求，針對船體發生碰撞和擱淺的破損狀態下的船體梁極限彎曲能力校核。評估范圍包括貨艙區域和機艙。

1.4 船體局部尺度

HCSR在船體局部尺度的變化主要體現在最小厚度要求[4]、晃蕩計算、進水工況的壓力計算、上層建筑計算等方面。

1.4.1 最小板厚要求

HCSR對于最小板厚的要求，綜合了CSR.OT和CSR.BC，相同結構取二者的要求大者。對比CSR.OT，構件最小凈厚度的差異見表2，可見對于外殼板及內底板的要求均有增加。

表2 最小凈厚度要求及差異 mm

1.4.2 晃蕩計算

相對于CSR.OT，HCSR對于晃蕩計算有了更為明確的適用范圍，并增加了高密度液體裝載高度的要求及評估方法。表3給出了HCSR在晃蕩計算方面增加的定義。

表3 晃蕩評估增加部分(HCSR)

1.4.3 進水工況計算

CSR.OT對進水工況的載荷僅有靜壓力要求，而HCSR不僅修正了靜壓力公式(pin-flood=ρgZflood)中參數Zflood的取值，而且加入了動壓力要求。

CSR.OT中Zflood是載荷點到最深平衡水線的垂向距離。若未給出該水線，則取到干舷甲板的位置處；但HCSR則明確指出Zflood為載荷點到最深平衡水線或干舷甲板邊垂向距離的大值。可知pin-flood(HCSR) ≥pin-flood(CSR)，HCSR要求更高。

新增進水工況動壓力公式:

Pfd=fβρ[aZ(z0FD-z)+full-laX(x0-x)+full-taY(y0-y)]

(1)

由于動壓力公式中的參考點坐標z0FD、x0、y0取為壓載貨艙頂部邊界所有點中使Vj的值最大對應的點，計算公式為

Vj=aX(xj-xG)+aY(yj-yG)+(aZ+g)(zj-zG)

(2)

可知載荷點的動壓力與艙室重心位置密切相關。

1.4.4 上層建筑/甲板室計算

HCSR對于上層建筑/甲板室的計算引入了載荷，并均考慮了動、靜壓力的因素，區別于CSR.OT的設計壓頭計算。可見HCSR上層建筑/甲板室的計算過程要明顯復雜于CSR.OT要求。但對于上層建筑/甲板室的甲板主要支撐構件在HCSR中明確規定可采用板架分析，并給出了相應的應力衡準。

1.5 屈曲評估

HCSR的屈曲評估相對于CSR.OT的變化，主要表現在長細比要求和描述性屈曲要求。

1.5.1 長細比要求

HCSR的要求源自CSR.OT，有2處修改。

1)球扁鋼腹板的長細比系數由41改為45，稍微降低了要求值。

2)角鋼和T型材的翼板總寬bf衡準，即bf≥0.25hw，在CSR.OT中采用總厚度計算，而HCSR中則采用凈厚度計算，稍微提高了要求值。

1.5.2 描述性屈曲要求

HCSR給出了用于確定板格、加強筋、主要支撐構件、支桿、支柱、橫撐材和槽型艙壁的屈曲能力的方法，不僅載荷和應力組合方式與CSR.OT不同，屈曲校核的計算公式也發生了較大的變化。除此之外，進行描述性屈曲計算時還應注意以下兩方面。

1)在按照HCSR的描述性屈曲評估時，應當注意除了需對板和加強筋分別進行屈曲校核外(CSR.OT與HCSR均需評估)，還需對整體加筋板格能力進行評估(HCSR新增要求)。

同時，HCSR規定對加強筋進行屈曲校核的前提是整體加筋板格滿足屈曲要求。

2)HCSR對于槽型艙壁的屈曲要求及方法與CSR.OT不同，見表4。

表4 槽型艙壁屈曲評估方法

2 實船評估及分析

以4型靈便型油船為研究對象，采用CCS開發的CSR.OT和HCSR的軟件SDP進行計算驗證。針對靈便型油船在設計滿足CSR.OT及HCSR時應當注意的規范計算差異，分析相關規律，總結靈便型油船在滿足CSR.OT下對HCSR的適應性。僅考慮CSR.OT和HCSR的描述性及屈曲要求。4型靈便型油船分別為28 000 DWTⅠ型、28 000 DWTⅡ型、30 000 DWT、38 000 DWT，其中28 000 DWTⅡ型油船設計審核已滿足HCSR要求，其他3型船滿足CSR.OT要求。具體結構形式見表5。

表5 3型油船結構型式對比

2.1 材料

對于靈便型油船應注意HCSR新增的最小材料等級要求。主要針對船中0.4L范圍內的強力甲板板和其縱向主要板構件(不包括加強筋)，最小材料等級應為B/AH。設計時需考慮全船使用普通鋼的靈便型油船，28 000 DWTⅡ型油船即為此類型油船。

2.2 凈尺寸方法

在對28 000 DWTⅠ型油船的計算中發現，在總提供骨材剖面模數相同的情況下，原CSR SDP計算得出的骨材凈提供剖面模數較HCSR的計算結果偏大[10]，見表6。

表6 骨材凈提供剖面模數對比(CSR.OT/HCSR)

由表6可見，HCSR與CSR.OT在計算骨材凈提供剖面模數差異，同時驗證另外3型油船的差異同樣存在，并發現隨著骨材規格的增大以及帶板腐蝕增量的增大，CSR.OT與HCSR的骨材凈提供剖面模數的差異也逐漸增大。因此船舶設計時，若原CSR目標船的骨材剖面模數剛好滿足規范要求，則在HCSR符合驗證時再予以適當加強。

2.3 船體梁強度

1)船體梁極限強度[7]。相對于CSR.OT，由于HCSR增加了完整中拱及港內工況的評估，結合實船驗證所得規律見表7。

表7 船體梁極限強度決定工況

2)船體梁殘存強度。在3型實船驗證中，碰撞和擱淺狀態下的殘存強度均有較大的裕度。即滿足CSR.OT要求的靈便型油船一般都滿足HCSR的殘存強度要求[6]。

2.4 船體局部尺度

2.4.1 最小板厚要求

由于HCSR對于油船的最小板厚要求進行了局部修正，在對4型實船進行CSR.OT與HCSR計算驗證，結果見表8。

表8 板厚決定條件

注： M代表最小凈厚度要求；P代表壓力計算要求。

因此根據實船驗證，可認為在38 000 DWT及以下靈便型油船設計時，尤其是CSR.OT升級HCSR油船時，甲板、外板及內底板的厚度可由規范最小凈厚度確定。

2.4.2 晃蕩計算

由于HCSR的晃蕩計算方法同CSR.OT，因此對于無限制裝載情況下的晃蕩評估，二者的評估結論相同。但對于高密度且限制部分裝載液體的晃蕩評估，HCSR規定了允許的最大液面高度hpart，其晃蕩計算結果對結構的要求低于CSR.OT，但其評估結果符合實際裝載情況，且更為精確，可以避免造成鋼材的浪費。

2.4.3 進水工況計算

進水工況中的動壓力對非露天強力甲板及水密平臺(機艙區域)上骨材的尺度影響最為明顯。非露天強力甲板及水密平臺上骨材的決定因素為進水動壓力。

選取實船28 000 DWTⅠ型油船機艙區域某一剖面進行CSR.OT和HCSR驗證，甲板縱骨剖面模數要求的對比見表9，所考察位置為機艙處的非露天甲板。

表9 非露天甲板縱骨剖面模數對比 cm3

根據4型實船計算發現，HCSR下機艙區域的露天甲板縱骨尺度一般由上浪壓力所決定，且計算要求值小于CSR.OT的要求。但對于機艙區域的非露天甲板縱骨尺度則由進水動壓力決定，結合實船驗證結果，可知縱骨要求值是隨著縱骨位置與艙室重心位置的距離改變而變化的，即載荷點距離艙室重心越遠動壓力值越大。

2.4.4 上層建筑及甲板室計算

HCSR中對上層建筑及甲板室的甲板板要求與CSR.OT一致。對于甲板上的骨材及主要支撐構件、甲板室圍壁板及骨材、上層建筑的端壁板及骨材要求，則引入了側向壓力的計算。根據對4型靈便型油船的計算驗證，整體來說HCSR對上層建筑和甲板室的要求要高于CSR.OT。具體以28 000 DWTⅠ型船為例，結果見表10～12。

表9 甲板骨材剖面模數要求值對比 cm3

表10 甲板室圍壁板要求值對比 mm

表11甲板室圍壁扶強材剖面模數要求值對比cm3

對比項甲板第一層第二層第三層第四層CSR油船246424242HCSR248424242比值(HCSR/CSR)1111

由表10～12可見，無論是HCSR還是CSR油船，甲板室/上層建筑層數越低則要求越高。甲板室圍壁及上層建筑端壁扶強材的剖面模數要求二者相同。而對于甲板骨材和甲板室圍壁板的要求，HCSR對低層甲板室的要求則遠高于CSR.OT。因此在設計上層建筑/甲板室時，或者做空船重量估算，特別是在做CSR.OT升級為HCSR時，應考慮側向壓力的影響。

而對于甲板主要支撐構件的計算，由于HCSR特別給出了板架分析的衡準，則推薦采用板架結構進行校核，相較于規范公式更為簡潔、安全。

2.5 屈曲評估

2.5.1 長細比要求

角鋼及T型材翼板寬度與腹板高度比要求，由總厚度比修改為凈厚度比。因此在同樣高度腹板情況下，HCSR的翼板比CSR.OT要求略寬，約增加所處環境腐蝕增量的0.25倍。

2.5.2 描述性屈曲要求

盡管HCSR與CSR.OT的描述性屈曲要求計算公式差異較大[9]，但在實船驗證時發現3型滿足CSR規范的靈便型油船的板和加強筋也基本滿足HCSR的屈曲計算要求，不過屈曲利用因子均略大于CSR.OT的計算值。同時，垂直槽型縱/橫艙壁也滿足HCSR規范的屈曲計算要求。而對于水平槽型縱艙壁，由于軟件中暫無其計算模塊，所以無法得出相應的結論。

3 結論

1)38 000 DWT及以下靈便型油船的甲板、外板及內底板厚度一般可由最小厚度確定。

2)HCSR進水工況增加的動壓力要求，主要決定非露天強力甲板及水密平臺骨材的尺度，且與骨材距離艙室重心的距離有關。

3)貨艙區域的船體梁極限強度決定于完整航行和均勻滿載時的中垂靜水工況，而對于機艙區域則決定于完整航行中拱工況和均勻滿載時的中垂靜水工況。

4)對于滿足CSR.OT要求的靈便型油船，一般對于新增的船體梁殘存強度及描述性屈曲要求也滿足于HCSR規范。但對于上層建筑的骨材及端/圍壁板、角鋼及T型材的長細比、船中0.4L區域強力甲板的最小材料等級要求，HCSR規范均有明顯提高。

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