散貨船改裝自卸式水泥船關(guān)鍵結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)

趙 銳

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

散裝水泥運(yùn)輸方式一般有鐵路、陸路和水路等，其中水路運(yùn)輸運(yùn)價最為低廉。傳統(tǒng)水泥水路運(yùn)輸主要依靠常規(guī)干散貨船和自卸式水泥運(yùn)輸船來實(shí)現(xiàn)，后者一般采用機(jī)械或氣動式裝卸貨，并配備水泥運(yùn)輸專用碼頭，裝卸速度快效率高、船舶停泊時間短、周轉(zhuǎn)快、船期短。船舶具備全封閉、無粉塵、無污染、綠色環(huán)保和易于清潔等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到散裝水泥船運(yùn)輸市場的青睞。與此同時，考慮到經(jīng)濟(jì)性和項(xiàng)目周期，也有更多客戶選擇利用傳統(tǒng)舊散貨船加裝水泥運(yùn)輸設(shè)備改裝成自卸式水泥運(yùn)輸船。

本文以某 28 700載重噸散貨船加裝成套德國IBAU水泥運(yùn)輸設(shè)備并改裝成26 500載重噸自卸式水泥運(yùn)輸船為研究對象，介紹了改裝過程中若干關(guān)鍵工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其中包括貨艙區(qū)改造、高效卸貨、降低積存、水泥螺桿泵安裝和氣流床安裝等主要內(nèi)容。

1 項(xiàng)目簡介

改裝前的散貨船船齡約11年，該船為單甲板、單機(jī)、單槳的尾機(jī)型船舶，貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)置有雙層底、底邊艙和頂邊艙，舷側(cè)為單殼結(jié)構(gòu)，共設(shè)置 5個貨艙。此次水泥船改裝工程主要包括原船拆舊和功能性改造。改造后總布置圖見圖 1，改裝前后主尺度變化見表1。

表1 改裝前后主尺度比較

圖1 改裝后總布置圖

1）原船拆舊工程。包括主甲板4臺甲板門機(jī)、5只液壓艙口蓋、甲板立柱、甲板儲藏室和主甲板區(qū)域管電附件等。

2）功能性改造。主要包括安裝水泥裝卸系統(tǒng)相關(guān)的新增結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管電功能系統(tǒng)和控制等工程。其中結(jié)構(gòu)舾裝主要包括貨艙區(qū)改造、艙口蓋封堵、泵艙圍壁、甲板室、設(shè)備基座、新增房間門窗蓋、救生消防和通道等；水泥輸送設(shè)備主要包括壓縮機(jī)、水泥螺桿泵、鼓風(fēng)機(jī)、除塵機(jī)、貨艙氣流床、甲板濾器、裝載分配器、卸貨軟管吊機(jī)和通岸卸貨接頭等；管路系統(tǒng)主要包括壓縮空氣系統(tǒng)、吹氣系統(tǒng)、水泥輸送系統(tǒng)和部分原船管路系統(tǒng)改造等；電氣工程主要包括新增2臺發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)、岸電開關(guān)和水泥控制系統(tǒng)等。

經(jīng)過以上工程改造，該老舊散貨船改裝成具備機(jī)械式裝載和氣動式卸貨能力的自卸式水泥運(yùn)輸船，自卸和裝載能力高達(dá)1 000 t/h，同時采用密閉艙室裝卸貨，主甲板處安裝貨艙連通管和濾器可以實(shí)現(xiàn)在裝卸過程中有效收集水泥粉塵以避免造成環(huán)境污染，新增雙斜度內(nèi)底和氣流床設(shè)計(jì)，這提高了船舶裝卸效率降低了積貨率，是一款具備綠色環(huán)保和高自動化功能的產(chǎn)品，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2 主要工程設(shè)計(jì)

由于改裝工期和成本限制，結(jié)構(gòu)工程主要是新增和少量拆舊。新增部分主要包括貨艙區(qū)改造、新增泵艙結(jié)構(gòu)、主甲板發(fā)電機(jī)房、水泥控制室、空壓機(jī)間等；拆舊部分在保留原散貨船雙層底、底邊艙和頂邊艙等結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，僅拆除液壓艙口蓋并保留艙口圍以便增加甲板用以支撐機(jī)械式裝載分配器等。全船鋼結(jié)構(gòu)改裝總量約1 760 t。

2.1 貨艙區(qū)改造

貨艙區(qū)改造主要包括新增雙斜度內(nèi)底、管隧結(jié)構(gòu)、中縱艙壁和主甲板結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 貨艙區(qū)主要改造

由于改裝過程中保留原船雙層底、底邊艙和頂邊艙等主體結(jié)構(gòu)，改裝后總縱強(qiáng)度并無較大損失，因此貨艙區(qū)新增雙斜度內(nèi)底和管隧結(jié)構(gòu)僅考慮功能性、局部強(qiáng)度和避免應(yīng)力集中即可。為減少結(jié)構(gòu)重量，所有新增結(jié)構(gòu)材料選用均選用屈服強(qiáng)度為315 MPa的高強(qiáng)度鋼。

新增內(nèi)底結(jié)構(gòu)為縱骨架式，由于雙斜度呈倒V型導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縱向不連續(xù)，在考慮到與原船結(jié)構(gòu)有效連接情況下，根據(jù)規(guī)范要求的甲板載荷1.15 t/m進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核。結(jié)構(gòu)布置方面，根據(jù)貨艙尺寸和原船雙層底實(shí)肋板位置，新增內(nèi)底的框架結(jié)構(gòu)橫向以每3檔肋位間距2 340 mm增加強(qiáng)框架支撐，縱向在原船雙層底實(shí)肋板位置增加縱向框架結(jié)構(gòu)。

新增管隧和中縱艙壁方面，水泥卸載設(shè)備和系統(tǒng)如水泥螺桿泵、吹氣、壓縮空氣和水泥運(yùn)輸管路均布置于左右貨艙之間管隧里，非水密中縱艙壁位于管隧結(jié)構(gòu)頂端至主甲板。同樣因?yàn)椴粎⑴c總縱強(qiáng)度并考慮縱骨架式易造成水泥積存，兩者結(jié)構(gòu)形式選用橫骨架式保證局部強(qiáng)度即可。主甲板處增加縱骨架式的甲板、橫梁和縱骨以承受水泥裝載分配器產(chǎn)生的局部載荷。此外，為了避免裝卸貨過程中各艙之間的壓力均衡，主甲板各艙增加連通管結(jié)構(gòu)。

2.2 提高卸貨效率

散裝水泥由于流動性極差，為避免裝卸貨過程中積壓和殘存、提高裝卸效率，本文從內(nèi)底傾斜角度、扶強(qiáng)材方向、邊角設(shè)計(jì)和甲板橫梁等方面出發(fā)，從源頭進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以保障卸貨效率。

首先是雙斜度內(nèi)底設(shè)計(jì)，即從縱向和橫向?qū)?nèi)底結(jié)構(gòu)向貨艙中央傾斜。根據(jù)不同卸貨方式，自卸式水泥船貨艙底部傾斜角度一般在8°～12°之間，角度設(shè)置過大利于貨物高效卸載但犧牲了艙容，反之則不利于高效卸載。根據(jù)客戶裝載水泥成分和供應(yīng)商要求，最終選定新增內(nèi)底傾斜角度為 10°，貨艙中央最低點(diǎn)與水泥螺桿泵連接處距離原船雙層底約980 mm。扶強(qiáng)材和加強(qiáng)扁鋼選擇方面，所有暴露水泥艙內(nèi)的扶強(qiáng)材均選用垂向和橫向，規(guī)避使用水平和縱向扶強(qiáng)材，同時所有開孔加強(qiáng)及新增甲板橫梁面板均選用圓鋼代替扁鋼以防止水泥積存。在原船橫艙壁以及外板與新增內(nèi)底連接處，垂向扶強(qiáng)材與新增內(nèi)底板形成角落，在裝卸貨過程中容易造成積壓、凝固并難以清理。因此，在連接處增加斜度補(bǔ)板避免積存，見圖3。

圖3 橫艙壁和外板處斜板

2.3 水泥螺桿泵安裝

水泥輸送主要依靠安裝在管隧內(nèi)的5臺運(yùn)輸能力為250 t/h的水泥螺桿泵，如圖4所示，該泵體分別與貨艙出料斗和水泥輸送管剛性連接，船舶航行和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時極易產(chǎn)生振動和繞曲，安裝精度要求高。

圖4 水泥螺桿泵和基板示意圖

結(jié)合供應(yīng)商圖紙和現(xiàn)場實(shí)際，設(shè)計(jì)主要從基板定位、面板機(jī)加工、公差測量和設(shè)備對中等方面進(jìn)行策劃以保證水泥螺桿泵順利安裝完成。主要安裝技術(shù)要求如下：

1）安裝區(qū)域內(nèi)內(nèi)底板甲板平整度誤差不超過5 mm，如不滿足要求需要對原船內(nèi)底板進(jìn)行挖補(bǔ)換新，測量時在泵體基板處選擇2個基準(zhǔn)點(diǎn)，并在螺桿泵基座面板區(qū)域內(nèi)設(shè)置12個點(diǎn)進(jìn)行測量。

2）基座面板與泵體底座螺栓連接處貼合面陰影區(qū)域表面機(jī)加工后平面度誤差不超過±0.25 mm。

3）基座面板與泵體底座貼合面接觸面積拂配檢查應(yīng)不小于90%。

4）基座面板與泵體底座貼合面區(qū)域，與螺桿泵馬達(dá)基座上表面之間平面度誤差不超過±0.25 mm。

5）基座面板定位尺寸、艏艉及左右舷方向誤差不應(yīng)超過±2.5 mm。

2.4 氣流床安裝

氣流床安裝于新增貨艙底部，是自卸式水泥船的關(guān)鍵設(shè)施之一。卸貨過程中，當(dāng)貨艙水泥靠自身重力卸貨至90%以上時，吹氣系統(tǒng)開始工作使得貨艙內(nèi)氣流床上的殘留水泥由高處流向低處，并最終匯集至螺桿泵內(nèi)，達(dá)到清艙和完全卸貨。

本項(xiàng)目5個貨艙共計(jì)有由供應(yīng)商提供的600余塊長5 m、寬1 m的成品氣流床，總面積約為2 500 m。成品氣流床的提供減少了船廠下料、燙孔和帆布安裝等預(yù)制工作。如圖5所示，氣流床通過扁鐵座板、螺柱和卡槽等安裝于貨艙內(nèi)底板，并與內(nèi)底板下方的吹氣系統(tǒng)管嘴連接，因此，氣流床安裝最重要的是定位精準(zhǔn)和管嘴密封安裝。

具體安裝步驟如下：

1）清理貨艙底板保證整齊無灰塵雜物等，點(diǎn)焊定位氣流床扁鐵座板。

2）根據(jù)管嘴位置涂抹第1層硅膠并安置橡膠墊片，然后在墊片上涂抹第2層硅膠并放置氣流床。

3）壓緊氣流床并使硅膠均勻布滿。

4）在貨艙內(nèi)底板下依次涂抹第3層硅膠、安裝橡膠墊片、涂抹第4層硅膠。

5）安裝并緊固螺母，安裝管嘴并與氣流床緊密貼合。

圖5 氣流床布置示意圖

3 結(jié)論

相比較新造水泥運(yùn)輸船，老舊散貨船改裝自卸式水泥船周期短、成本低，在同樣滿足船舶功能的情況下往往更受到船東的青睞，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。不同于新造水泥船，改裝項(xiàng)目設(shè)計(jì)不但要考慮滿足船舶功能性要求，相對于原船的適用性和工藝性同樣也要滿足。文章以實(shí)船改裝為例，介紹了改裝過程中幾個關(guān)鍵工程的設(shè)計(jì)方案和思路，不僅為同樣類似項(xiàng)目提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和參考，過程中數(shù)字化建模、工藝設(shè)計(jì)和特殊設(shè)備安裝等同樣為項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了思路和依據(jù)。