17 500 DWT化學品船水平槽型橫艙壁設計

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(上海歐得利船舶工程有限公司，上海 200023)

目前10 000 t左右的化學品船有很好的市場，上海歐得利船舶工程有限公司多艘液貨船型在液貨運輸市場上取得了驕人的業績，受到了國內外船東的青睞。17 500 DWT化學品船就是瑞典船東和中航鼎衡造船有限公司委托上海歐得利船舶工程有限公司設計的一款單甲板，艉機型，單機單漿船型，這也是上海歐得利船舶工程有限公司的主打船型。該船采用了一些特殊的結構設計方式，如：①貨艙區甲板骨架下翻。通常為了減少貨艙內部特涂的工作量且方便清艙，成品油船的貨艙區甲板骨架較多采用上翻設計。但是為了方便甲板上集油盤、管道、通道等的布置，本船貨艙甲板骨架均設置在油艙內。②貨艙橫艙壁采用水平槽型艙壁設計。槽形橫艙壁一般采用垂直槽形較多，采用水平槽型艙壁的設計不是很常見[1-2]。但是不設底墩的垂直槽形艙壁由于在艙底處呈凹凸狀，清艙時比較麻煩，水平槽形艙壁清艙的效率更高。對于中航鼎衡船廠來講，雖然在建造化學品船方面有非常豐富的經驗，但是建造水平槽型橫艙壁也是第一次嘗試，所以在設計階段充分考慮船廠的工藝要求[3]，減小施工難度，提高鋼材利用率，盡量減低建造成本。

1 水平槽型艙壁結構設計

1.1 貨艙結構布置

該船貨艙長度約為103.9 m，共有6對貨艙，其中左第6貨艙可兼做污油水艙。典型的貨艙長度為18.9 m，典型的貨艙寬度為9.95 m，典型的貨艙艙深為11.67 m，雙殼之間寬度為1.45 m，內底高度為1.53 m。典型的貨艙寬度比貨艙艙深小，根據中國船級社(CCS)規范對槽形艙壁的尺寸要求[4]，槽形艙壁一個槽形寬度的剖面模W應不小于下式計算所得之值。

W=Cshl2

(1)

式中：l為槽形跨距,m；h為由槽形跨距中點量至深艙頂的垂直距離，或量至溢流管頂垂直距離的一半，取較大者，m；s為一個槽形寬度，m；C為系數，按表1規定的端部固定情況選取。

表1 C值選取

圖1 端部固定情況

槽條的模數與槽條的跨距成平方關系，從減輕結構重量的角度來看，該船貨艙橫艙壁采用水平槽型艙壁設計是比較合理的。而貨艙長度較貨艙艙深更長，因此縱艙壁采用垂直槽型艙壁設計其槽條計算跨距更短，更有利于減輕結構重量。典型的水平、垂直槽型橫艙壁布置見圖2。

圖2 水平、垂直槽型艙壁示意

水平槽型艙壁一端直接與內殼縱艙壁相連，另一端與中縱垂直槽型艙壁相連。如果直接與中縱垂直槽型艙壁連接，中縱垂直槽型艙壁在水平槽型橫艙壁連接處須做成平板形式，見圖3，勢必會在連接處產生應力集中的現象。

圖3 水平、垂直槽型艙壁直接連接示意

為了解決該連接區域的高應力問題，使橫艙壁更好地與中縱垂直槽型艙壁連接過渡，并降低此處結構在隔艙對角裝載工況時的應力水平，本船設置了箱型立柱結構，見圖4。

圖4 箱型立柱結構示意

箱型立柱結構設在水平槽型橫艙壁與垂直槽型縱艙壁交接處，下與內底相連接，上與箱型頂墩相連接，中間設置隔板與水平槽型橫艙壁腹板對齊。

箱型結構形式的缺點是封閉的箱體結構會占用貨艙艙容。而如果將箱體內部空間與貨艙聯通，雖然保留了艙容，但是由于箱體內部空間狹小，有洗艙死角，維護比較麻煩。經過與船東的多次溝通、協商，船東最終也認為這種箱型立柱結構從結構安全和船舶維護上考慮都是比較合理的。

水平槽形橫艙壁的底部平面部分應與雙層底內的實肋板對齊設置，并通過全熔焊與內底板相連接，頂部直接與甲板焊接。垂直槽型中縱艙壁在內底設置2個內底縱桁與其面板對齊。因有光滑甲板的要求，采用一個箱型縱向頂墩的結構來代替比較常見的構件在主甲板上時的2根甲板縱桁。這個結構也同樣存在艙容損失與洗艙不方便的問題，最終權衡利弊把這部分結構與箱型立柱結構合并為一體做為空艙，見圖5。

圖5 空艙示意

1.2 水平槽形艙壁槽形剖面形狀設計要點

1)考慮到雙層底內與中縱垂直槽型艙壁對應的縱桁間，甲板與中縱垂直槽型艙壁對應的箱型頂墩及箱型立柱結構的隔板需要開人孔以滿足永久檢修通道的要求，本船槽型艙壁的槽深應至少控制在800 mm以上。

2)為了保證水平槽形艙壁與甲板和內底更好的連接，水平槽形艙壁的底部與頂部必須為槽型艙壁的面板部分，且平直段最好超過0.5倍腹板寬度。

3)根據DNV規范對槽形艙壁的要求，槽條腹板和面板的夾角需大于55°。如角度介于45°和55°之間，則槽條的模數要求需提高10%。但是為了高效洗艙和避免積貨，水平槽形艙壁腹板與垂線的夾角不宜大于45°[5]。在剖面形狀設計時，需在艙壁結構重量和洗艙效率之間取得平衡。建議將該角度控制在45°和50°之間，同時在橫艙壁使用高強度鋼板來減少結構重量。

最后通過比較不同槽形的形狀來選擇最優的方案，使得其既能滿足規范結構強度要求又把結構重量控制到最小。

1.3 水平槽型艙壁支撐結構布置原則

內殼縱壁的縱骨布置需根據水平槽形艙壁剖面形狀來確定?？紤]槽形艙壁反面加強，縱骨布置一般和槽形剖面形狀的相對位置見圖6，方案A、方案B所示。結合本船自身的艙壁槽型形狀，槽型的腹板角度較陡，考慮到施工的難易程度，方案A比較合理。箱型立柱結構在水平槽型艙壁腹板的位置處設置與之對應的隔板，對其進行加強，同時考慮永久檢修通道的要求，隔板上需開600 mm×600 mm的人孔。

圖6 縱骨布置和槽形剖面形狀的相對位置示意

2 艙段有限元分析

本船入級法國BV船級社，根據船級社要求進行有限元計算。艙段分析采用6個完整貨艙的有限元模型，中段貨艙為評估對象。由于船長小于150 m，不需要滿足CSR-H的要求[6]。三維模型的邊界條件、主要支撐構件的載荷、應力計算、疲勞分析均參照BV規范[7]的要求進行。

從有限元計算分析結果來看，內殼與內底板交界處、橫艙壁與內殼交界處、縱橫艙壁與箱型結構交界處這些區域的應力水平較高。在粗網格有限元分析基礎上，進一步進行精細網格的有限元分析[8-9]。本船對內殼與內底板交界處、橫艙壁與內殼交界處、縱橫艙壁與箱型結構交界處做了細網格分析，見圖7～9。

圖7 內殼與內底板交界處計算分析結果

圖8 橫艙壁與內殼交界處計算分析結果

圖9 縱橫艙壁與箱型結構交界處計算分析結果

對于這些局部硬點存在的高應力問題，通過局部嵌厚板的方式可以有效降低應力水平，并在這些區域采用全焊透焊接。

3 與垂直槽型艙壁對比

通過對比發現，水平槽型橫艙壁相對于垂直槽型橫艙壁主要有以下優勢。

1)采用水平槽型橫艙壁其板厚比垂直槽型橫艙壁小。以最下一列板為例，本船板材只要14AH36，在高應力區局部嵌入一塊18AH36的板就能滿足要求。而相似主尺度的其他船型，其垂直槽型的板厚要取到18AH36甚至20AH36。

2)為了解決在總縱彎矩作用下垂直槽型橫艙壁在主甲板，內底變形較大、剛度不足的問題，常要在甲板、內底增設短縱桁，而通過有限元計算發現水平槽型橫艙壁在甲板和內底無需增設短縱桁，且對水平槽型起加強作用的邊壓載艙也無需增設短縱桁，都能夠滿足強度的要求。

3)在板縫劃分上水平槽型橫艙壁比垂直槽型橫艙壁有優勢，因工藝的要求和考慮到焊縫的受彎等不利影響，一般垂直槽型橫艙壁只劃了一道水平板縫，而水平槽型橫艙壁可以在不同高度劃多道板縫，這樣就可以根據高度方向的載荷不同取不同的板厚。這3個優勢對于減小橫艙壁的結構重量都是非常有利的。

4 結論

對于貨艙寬度小于貨艙深度的船型，采用水平槽形橫艙壁設計其結構重量更輕，洗艙效果更好。采用箱型立柱結構作為水平槽形橫艙壁和垂直槽形縱艙壁的連接結構，可以起到有效支撐槽形艙壁的作用。合理設計的水平槽形橫艙壁可以達到優化船舶性能的目的。通過對本船的水平槽型橫艙壁結構設計的介紹，希望能給業界同仁提供一些參考與借鑒。