大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造分析

張宇瀟

【摘??要】集裝箱船屬于布置型船舶，因箱位數(shù)大而取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前10000?TEU以上的超大型集裝箱船也已在國外開發(fā)成功。這種發(fā)展趨勢完全是適應(yīng)世界航運(yùn)界的迫切需求。通過近幾年的技術(shù)改造和技術(shù)進(jìn)步，過去認(rèn)為集裝箱船大型化的障礙———裝卸吊橋的跨距及主機(jī)功率已基本解決。船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝和材料選用問題已具備必要的技術(shù)儲(chǔ)備。這樣，為大型集裝箱船的發(fā)展提供了廣闊的前景。

【關(guān)鍵詞】大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)制造;

當(dāng)下，大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造不完善的問題依然沒有得到完全解除，以致船體在長期運(yùn)行中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形等質(zhì)量問題，影響船運(yùn)效率的同時(shí)，威脅船員生命財(cái)產(chǎn)安全性，故此，給予大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一定重視，并加強(qiáng)對新技術(shù)、新材料與新工藝的應(yīng)用力度是極為必要的。

一、大型集裝箱船設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

1.貨艙開口相對較大。為不斷提升貨艙中集裝箱安裝數(shù)目，甲板開口/船寬電壓通常>80%，部分甚至達(dá)到了93.2%。但是船舷的縱向甲板條狹窄化的問題依然沒有得到有效解除，以導(dǎo)致船體總強(qiáng)度問題偏低的現(xiàn)實(shí)問題長期沒有得到處理。

2.航速相對較高。相關(guān)資料記載，大型集裝箱船的航速通常>24?海里，采用相對較大的航速實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)水動(dòng)力對船體作用效果的目標(biāo)。尤其是首部結(jié)構(gòu)，應(yīng)對局部強(qiáng)度仔細(xì)校對與核實(shí)。與此同時(shí)，大功率主機(jī)可誘導(dǎo)激振力的生成，此時(shí)大型集裝箱船在設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)中對防振設(shè)計(jì)提出更加苛刻的規(guī)定。

3.對穩(wěn)定系數(shù)提出更高的要求。大型集裝箱船和普通貨船存在顯著差異性，其在滿載航行過程中，為符合船只航行穩(wěn)定性相關(guān)規(guī)范，通常需要裝大量壓載水。

4.艙口變形量相對較大。寬度與狹窄的甲板為縱向條，以致船體剛性明顯被弱化，以致艙口變形量相應(yīng)增加，進(jìn)而影響船只航行的安穩(wěn)性，故此，后續(xù)在對結(jié)構(gòu)在船體結(jié)構(gòu)、艙口蓋及綁扎橋的設(shè)計(jì)與制造過程中，需充分分析艙口大變形量對航速與安穩(wěn)性產(chǎn)生的影響。但是因?yàn)榇笮图b箱船甲板開口直徑相對較大，以致艙口蓋的跨距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)船。又因?yàn)榕摽谏w在船只運(yùn)行過程中，會(huì)承載相對較長的集裝箱載荷與船舶運(yùn)動(dòng)載荷，以致艙口蓋設(shè)計(jì)難度同步增加。

二、大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

1.結(jié)構(gòu)布置。為確保大型集裝箱船的總縱強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)制造過程中通常應(yīng)用處于舷側(cè)的抗扭箱、連貫性優(yōu)良的艙口縱向圍板以及雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)。采用縱骨架將雙殼的上、下端有效銜接。機(jī)艙和上層建筑物通常被布設(shè)在船中偏后的方位。在對機(jī)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造期間，通常會(huì)應(yīng)用數(shù)目相對較多的骨架，由此可見艙口圍板和縱艙壁等縱向光順發(fā)展過程，在提升整體設(shè)計(jì)制造質(zhì)量方面體現(xiàn)出巨大價(jià)值。大型集裝箱船的橫艙壁多被細(xì)化為水密艙壁與結(jié)構(gòu)艙壁兩種類型，前者具備增強(qiáng)船體強(qiáng)度的功能，通常被作為導(dǎo)軌的支撐物。當(dāng)下，國內(nèi)航運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用的大型集裝箱船在制造期間多安設(shè)了擋浪板，其具備維護(hù)甲板上集裝箱運(yùn)行安穩(wěn)性的作用。因?yàn)榉叫蜗禂?shù)相對較小，兩側(cè)船型呈現(xiàn)出尖瘦表象。為使艙中能夠布設(shè)更多數(shù)目的集裝箱，需搭建一定數(shù)目的平臺(tái)，同時(shí)也要確保各平臺(tái)與周邊結(jié)構(gòu)銜接的緊固性。

2.總縱強(qiáng)度因?yàn)樨浥撻_口直徑極大，故此大型集裝箱船結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與制造迫切需解除的難題之一就是總縱強(qiáng)度。大型集裝箱船抗扭箱上端板厚度相對較大，一般是50～60mm，鋼級(jí)應(yīng)用屈服限達(dá)到了355N/mm2，局部上升至390N/mm，成為高強(qiáng)度鋼。在對甲板、縱艙壁上列板、艙口圍板及舷頂抗扭箱內(nèi)的縱骨（扁鋼）設(shè)計(jì)過程中，聽高暢采用統(tǒng)一厚度的甲板。計(jì)算橫剖面時(shí)，通常應(yīng)用的中剖面模數(shù)要略高于規(guī)范要求值，進(jìn)而確保船體在垂向彎矩、水平彎矩及扭矩整體施加下的強(qiáng)度。結(jié)合相關(guān)資料，通常要給出5%的余量，但是上述數(shù)據(jù)在實(shí)踐中并不是一成不變的，需結(jié)合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對其適用性進(jìn)行考量。在中部0.55L（L?是甲板開口長度）開口范疇中，剖面模數(shù)值和相關(guān)規(guī)范做出的要求可有5%的增加幅度，于開口前后端增加8～10%。在船頭外飄現(xiàn)象顯著、船舶的波浪彎矩有一定增加幅度情況下，就需要求適度增加船體剖面模數(shù)值。對于巴拿馬型集裝箱船而言，船體在設(shè)計(jì)制造過程中，寬度受到一定管束，為迎合運(yùn)行安全性的最低標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其處于裝載狀態(tài)下注入一定量的壓載水。集裝箱船方形系數(shù)相對較小，拱靜水彎矩?cái)?shù)值高得卻讓人驚嘆不已。在船體內(nèi)雙層底中儲(chǔ)有附加壓載水的情況下，設(shè)計(jì)的靜水彎矩顯著減小。而對于超巴拿馬型集裝箱船而言，因?yàn)樵趯挾仍O(shè)計(jì)過程中，沒有硬性標(biāo)準(zhǔn)的約束，故此其在裝載狀態(tài)下附加壓載水無需過多，靜水彎矩?cái)?shù)值相應(yīng)增加，總縱強(qiáng)度問題更加明顯。

3.箱形梁設(shè)計(jì)。上部橫向箱形梁的作用對象以艙內(nèi)及甲板上集裝箱為主，其能促使以上兩大結(jié)果在船只航行過程中對甲板產(chǎn)生的應(yīng)力處于特定范疇中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低口變形量的目標(biāo)。與此同時(shí)，橫向箱形梁的剛度還能夠?qū)ε摫诖瓜蚍鰪?qiáng)材上端做出支撐，對橫艙壁形體的改變做出有效管控。上述形體的改變伴隨著船只體積的增加，矛盾性不斷呈現(xiàn)出來，尤其是對于9000?TEU?以上的船只，導(dǎo)軌和綁扎過程中遇到的難度是極大的。下端的縱向箱形梁具備提升雙層底和雙殼結(jié)構(gòu)銜接剛性的功能，并發(fā)揮提升船體抗扭剛度的作用，進(jìn)而達(dá)到對扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大小以及艙口變形量的有效控制。對于大型集裝箱船而言，縱向箱形梁通常采用集裝箱高度，其端部和橫艙壁下凳緊湊銜接。

三、大型集裝箱船結(jié)構(gòu)制造探討

在船廠設(shè)施固定的情況下，要想提高單船利潤，必須加快造船周期，提高設(shè)施利用率。對于大型集裝箱船，因其尖瘦的線型和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)給制造提出了新要求。縮短塢期是制造的首要問題。為此應(yīng)對船體結(jié)構(gòu)制造進(jìn)行充分策劃，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對分段劃分和制造進(jìn)行分析。隨著時(shí)間的推移，內(nèi)底板和雙層底結(jié)構(gòu)內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋，此時(shí)需及時(shí)刨除裂紋，若裂紋處于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或支撐性結(jié)構(gòu)中，此時(shí)需對板材實(shí)施換新措施。對全船的大量分段進(jìn)行焊接設(shè)計(jì)。對塢內(nèi)總段吊裝進(jìn)行優(yōu)化，減少吊裝時(shí)間。大力推行分段階段的預(yù)舾裝和預(yù)涂裝。大型集裝箱船的壓載艙空間狹小，首尾過渡區(qū)域很多部位僅有1m寬，分段翻身后將很難進(jìn)入施工，而且危險(xiǎn)性極大。為此需要花大力氣對殼舾涂一體化進(jìn)行設(shè)計(jì)。大型集裝箱船對船塢快速搭載也提出了挑戰(zhàn)。由于槽形艙壁是一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，且不受線型影響，所以可將雙層底和艙壁作為兩個(gè)獨(dú)立的總段先行制造，最后將舷側(cè)分段靠上后總組。對關(guān)鍵對準(zhǔn)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。大型集裝箱船與油船和散貨船相比，高應(yīng)力區(qū)多而復(fù)雜橫剖面和艙壁需要重點(diǎn)監(jiān)控的區(qū)域。大型集裝箱船另一個(gè)突出問題就是關(guān)鍵疲勞節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量問題。典型的如艙口圍板的前端終止點(diǎn)、縱向艙口圍板開孔等。在對大型集裝箱船集裝箱箱腳加強(qiáng)設(shè)計(jì)中，可選用復(fù)板來作為的加強(qiáng)板認(rèn)為復(fù)板的應(yīng)用，促使集裝箱箱腳作用在平臺(tái)板上的最大垂向應(yīng)力分布情況便得到有效改善。

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)日新月異的時(shí)代中，大型集裝箱船組間成為熱門船型，其在我國海運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中做出的貢獻(xiàn)是不可忽視的。本文對大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造進(jìn)行分析，希望與同行一起分享實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，共同優(yōu)化大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造質(zhì)量，助力于我國船舶行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。

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（作者單位：揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司）