IACS統一要求對超大型集裝箱船結構設計的影響

,,,

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

近年來，集裝箱船的大型化趨勢日益明顯[1]。超厚板和超高強度鋼板的廣泛應用使得超大型集裝船的剛度問題日益凸顯，2007年MSC的“Napoli”號和2013年MOL的“Comfort”號[2-3]兩次海損事故使業內人士重新審視集裝箱船的總強度問題，尤其是后者的事故，船體斷為兩截，無法自航，最終沉沒。為了有效防止此類事故的再次發生，國際船級社協會(IACS)相繼頒布了針對集裝箱船超高強度厚板的URS33要求[4]、針對集裝箱船總強度問題的URS11A[5]要求及針對集裝箱船有限元分析的URS34要求[6]。前者于2014年1月1日生效，后兩者于2016年7月1日生效。這些統一要求已逐步被各船級社吸收入各自的規范并加以執行。

本文將結合MARIC設計的兩型20 000 TEU級超大型集裝箱船討論新要求對結構設計的影響，其中20 000 TEU滿足了URS33的要求，21 000 TEU盡管根據合同簽訂時間不需要滿足URS11A和URS34，但船東額外提出，要求該船滿足新要求，因此,在設計過程中21 000 TEU同時滿足了URS11和URS11A及URS34，這為本文進行IACS要求的比較提供了較好的平臺。兩型船舶的主尺度見表1。

表1 兩型船舶主要參數 m

1 URS33的影響

URS33統一要求主要是對集裝箱船上使用超厚高強度鋼做了規定，提出了止裂設計的要求。對于集裝箱船結構設計的影響主要體現在是否需要止裂鋼，而唯一的條件取決于艙口圍板側板結構。根據URS33要求，只有當艙口圍側板使用厚度超過85EH40或50EH47的板材時，才需要對相應結構使用止裂鋼。如果艙口圍結構沒有達到使用止裂鋼的要求，船上其余位置，即使使用了厚度超過85EH40或50EH47的板材也不需要考慮使用止裂鋼。

20 000 TEU集裝箱船在設計過程中，由于型深相對較矮，剖面模數較難滿足，因此在艙口圍區域采用了80EH47的高強度鋼材，根據URS33要求，需要進行相應的止裂設計。在實際止裂設計過程中有A和B兩種選項，相較于選項A，選項B對于焊接和探傷有更高的要求，從設計及建造的角度，目前國內的船廠較傾向于選項A的方案。根據選項A的要求，結構設計時需要在主甲板和縱向艙口圍側板使用止裂鋼，見圖1，同時要求縱向艙口圍板的分段縫與主船體的分段縫在縱向范圍至少錯開300 mm，見圖2。

20 000 TEU還首次使用了國產止裂鋼[7]。

2 URS11A的影響

URS11A要求的推出取代了已長期使用的URS11要求，關于新老要求的差別已有不少研究[8]，這里不再贅述。考慮以21 000 TEU作為實例，在評估范圍(0.2L～0.75L)內沿船長取30個橫剖面進行計算，通過與URS11的對比，從船體梁總縱強度、船體梁剛度、剪切強度、屈曲強度要求等方面分析URS11A對結構設計及船體重量的影響。

2.1 船體梁強度

船體梁強度涵蓋了船體梁彎曲強度、剪切強度及船體梁剛度等方面，URS11A對船體梁強度的影響主要體現在引入了凈厚度的概念，修改了評估船體總縱屈服強度、船體梁剛度的衡準。

在URS11A中IACS重新定義了波浪載荷的公式，21 000 TEU波浪彎矩和剪力的分布見圖3，其中虛線表示的是URS11A的載荷，而實線表示的是URS11的載荷。

就彎矩分布圖而言，由于集裝箱船的縱向構件尺寸一般由中拱狀態決定，新老要求差距較小，同時由于在校核船體梁彎曲強度時，衡準由原先的175/k(k為材料系數)提高到了約189/k，這也抵消了部分彎矩增加及采用凈厚度校核所帶來的不利影響，彎矩變化對構件尺寸影響較小。以艙口圍頂板和船底板為例進行分析，見圖4。

由圖4可見，就船底板而言，對超大型集裝箱船，原本余量比較大，基于URS11A仍能滿足要求，而對于艙口圍頂板，在0.25L附近總縱彎曲應力無法滿足要求，這主要是由于URS11A中拱彎矩增加造成的，但應力超過許用值并不多，只需對艙口圍、主甲板、外板等縱向構件略做加強，就可以滿足要求。

對波浪剪力而言，可以發現在艏艉處，新老要求的差距比較大，個別位置的值甚至增加了1倍，圖5是0.2L-0.1 m及0.75L+0.1 m處橫剖面的計算結果。雖然URS11A將剪應力衡準由110/k提高到了約120/k，但如果施加URS11A的波浪剪力，外板仍需要在URS11要求的基礎上增加1～4 mm的板厚。

對于集裝箱船而言，舷側雙殼結構的外板和內縱艙壁上的剪應力往往比較大，通過計算這2個構件的最大剪應力來分析URS11A的影響，見圖6。

由圖6可見，內縱壁和外板在評估范圍的艏艉段都無法滿足URS11A的要求，主要原因還在于波浪剪力較URS11有較大幅度的增加。通過下文的重量統計也可以發現，由于剪切強度不足引起的結構加強所占比重最大。

URS11A除了規定了船體梁的彎曲強度外，還對船體梁的剛度做了要求，原先的URS11只在船中處有剛度要求，而URS11A則在整個評估范圍內做了要求。通過計算發現，在船體梁剛度上，URS11A并未對21 000 TEU級別的集裝箱船產生影響。

2.2 屈曲強度

通過對評估范圍內30個橫剖面的計算,全面分析了板格及縱骨的屈曲強度，鑒于篇幅原因，只對結果進行分析總結，對構件的具體計算結果不一一列舉。

1)對于板格屈曲而言，不滿足URS11A要求的位置主要集中在內殼縱艙壁上。以往在集裝箱船結構設計過程中，內殼縱艙壁的板厚主要由船體梁剪力或局部強度來決定，而在URS11A要求下內縱壁產生較嚴重屈曲問題，這不僅是因為IACS修改了屈曲計算的公式，如果我們統計每個計算剖面內殼縱壁上不滿足屈曲要求的板所占的百分比(圖8中的實線，其中去掉了縱艙壁上用以提高剖面模數的厚度大于20 mm的板)，發現艏艉段屈曲問題較嚴重。再把波浪剪力附到這張圖上(考慮剪力的絕對值)，發現兩者的趨勢大致相同，說明船體梁剪力的增加也是造成屈曲問題的重要原因。

2)對于縱骨屈曲而言，不滿足URS11A要求的位置主要集中在二甲板上縱向抗扭箱內外板和內殼縱艙壁上的縱骨，以往這些構件由于位于空艙內，無需考慮液艙的局部載荷，同時由于離水線較遠，舷外水壓力的載荷也比較小，因此，往往結構尺寸的要求也比較小。而在URS11A生效后，屈曲強度成為決定這些構件尺寸的主要因素，通過21 000 TEU的計算，相較URS11，這些構件幾乎在整個評估范圍內都需要加強。

2.3 重量影響

為了滿足URS11A的要求對船體結構進行加強，表2為各分項重量的占比。由表2可見，船體梁剪切強度引起的重量增加占到了一半以上，而前文也提到板格屈曲的原因也是由于剪力的增加，這兩者相加占到了75%左右，因此波浪剪力的增加是造成結構重量增加的主因，對船體結構設計的影響較大。

表2 各項加強結構重量占比 %

3 URS34的影響

URS34是關于采用有限元方法進行集裝箱船強度評估時的要求，其中對艙段有限元的載荷工況做了最低要求。以21 000 TEU為例分析URS34與主要船級社規范[9-10]在進行艙段有限元分析時工況的異同。規范近似工況比較見表3。

表3 URS34與某船級社規范艙段有限元工況對比

注：表中的集裝箱裝載因子數值越大箱重越重。

在表3中，根據計算結果，由于40 ft重載不是構件尺寸的決定工況，因此不做討論。而20 ft重載與40 ft輕載，參數幾乎相同，從計算結果來看差別不大。而對于隔艙裝載，URS34與船級社規范相比，僅是艙內集裝箱略輕一些，由于隔艙裝載在計算時船體梁是中拱狀態，集裝箱可以抵消一部分船體梁變形，因此箱子重一些較有利，從結果也可以看出URS34要求更高，該工況是造成結果差異的主要原因。

采用URS34的計算工況后，屈服應力超過衡準的位置全部集中在底縱桁靠近水密艙壁位置處，而屈曲不滿足衡準的位置集中在內底板、外底板和內殼縱艙壁個別板格上，見圖9、10。

對于屈服不滿足要求的底縱桁采取加厚嵌入板的方式解決，對于屈曲不滿足要求的板格首先考慮增加屈曲筋，而后考慮增加板厚。通過最后的統計，為了滿足URS34要求，所產生的重量增加相較原艙段的重量幾乎可以忽略不計。

4 結論

1)對于URS33要求，主要影響在艙口圍板側板采用85EH40或50EH47及以上厚度的鋼材時，需考慮采用止裂鋼，同時采取相應的止裂設計。

2)對于URS11A要求，在實船設計過程中，波浪彎矩的變化并未對結構造成太多的影響，彎曲應力衡準的提高基本可以抵消凈厚度和波浪彎矩增加帶來的不利影響。而波浪剪力的變化對船體結構尺寸影響較大，不僅造成了部分結構剪應力無法滿足要求，同時也是造成板格屈曲的主因。

3)通過21 000 TEU的驗證性計算，為了滿足URS11A要求，需要增加額外重量。作為主要誘因，由于波浪剪力的大幅增加，個別板格增加的厚度較大，需要引起重視。

4)對于艙段有限元，現有船級社規范所要求的計算工況基本涵蓋了URS34的要求，URS34所帶來的結構加強重量較小。

[1] 胥苗苗.IACS集裝箱船建造新標準呼之欲出[J].中國船檢,2015(6):57-59.

[2] ClassNK. Investigation Report on Structural Safety of Large Container Ships[R].Japan.ClassNK,2014.

[3] Yoichi SUMI. Interim Report of Committee on Large Container Ship Safety[R].Japan.Committee on Large Container Ship Safety,2013.

[4] International Association of Classification Societies. Unified requirements S33[S].IACS,2015.

[5] International Association of Classification Societies. Unified requirements S11A[S].IACS,2015.

[6] International Association of Classification Societies. Unified requirements S34[S].IACS,2015.

[7] 黃維,傅振中,富琳,等.集裝箱船用止裂鋼板開發進展[J].鞍鋼技術,2017(2):8-12.

[8] 鄭祖園,王德禹.UR-S11A對集裝箱船直接強度的影響[J].中國艦船研究,2016,11(4):44-50.

[9] Rules for Classification and Construction Ship Technology[S].DNVGL,2015.

[10] Rules and Regulations for the Classification of Ships Technology[S].LR,2015.