潘 瀅

(上海交通大學 上海 200030)

基于共同結構規(guī)范的蘇伊士型油船設計*

潘 瀅

(上海交通大學 上海 200030)

共同結構規(guī)范;蘇伊士型油船;裝載工況;結構設計

針對蘇伊士型油船,基于共同結構規(guī)范進行了較詳細的全船結構設計分析,并探討了共同結構規(guī)范的特點及其對該型船設計的影響。

0 引 言

蘇伊士型油船(Suezmax Crude Oil Tanker,以下簡稱Suezmax)是世界油運市場上的五大主力船型之一,由于該型船是滿載可通過蘇伊士運河的載重量最大的油船,基于蘇伊士運河的特殊地理位置,在未來較長的時間內(nèi),尤其是歐洲市場,需求量相當大且會有一定的增長。

2006年4月1日正式生效并實施的油船共同結構規(guī)范(以下簡稱CSR),是IACS有史以來第一次在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一油船建造標準,對油船的結構設計影響是全面和系統(tǒng)的,其不利結果是船體結構重量的增加導致載重量的減小和建造成本的增加,因此勢必帶來新一輪的船型開發(fā)。但從另一角度看,這也給了我國與日、韓等造船強國站在同一起跑線的機會。

本文針對載重159 000 t蘇伊士型油船,依據(jù)CSR進行了較詳細的全船結構設計分析,希望能為全面地掌握CSR規(guī)范的運用和要求提供一些借鑒。

1 裝載工況研究

CSR根據(jù)URS11的最新要求,對船舶裝載手冊中各實際配載工況的油水分布及浮態(tài)作了明確規(guī)定和更嚴格的要求,基本上保證了今后的油船設計在總強度要求指標上遵循統(tǒng)一的標準,也在一定程度上避免了船舶在今后的運營過程中由于裝載的誤操作產(chǎn)生的應力超標。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),針對SUEZMAX,受CSR規(guī)范影響較大的裝載工況為:

1.1 正常壓載工況

·壓載艙可以為裝滿/部分裝載/空艙,如部分裝載,則應滿足CSR規(guī)范第8節(jié)1.1.2.5的條件;

·螺旋槳完全浸沒;

·沒有首傾,尾傾不超過0.015L(L為計算船長)。

1.2 重壓載工況

·貨艙區(qū)域或貨艙區(qū)后面的壓載艙可以為裝滿,部分裝載或空艙。如部分裝載,則應滿足CSR規(guī)范第8節(jié)1.1.2.5的條件;

·首尖壓載水艙必須裝滿。如首尖艙設有上下分隔,則下首尖艙必須裝滿;上首尖艙可以為裝滿,部分裝載或空艙;

·其他壓載艙(如尾尖艙)可以為滿/部分裝載/空,如部分裝載應按CSR規(guī)范第8節(jié)1.1.2.5要求校核強度;

·螺旋槳完全浸沒。

1.3 CSR規(guī)范第8節(jié)1.1.2.5及1.1.2.6要求的強度校核工況

與URS11的要求基本一致,即對于壓載艙有部分裝載的,需考慮該艙空艙到滿艙狀態(tài)下(包括出港和到港)的船體靜水彎矩和剪力,但不計浮態(tài)。

1.4 螺旋槳檢查起浮工況

螺旋槳軸線應至少高出水線1/4槳直徑。

1.5 涉及壓載水交換過程的工況

表1 159 000 t蘇伊士型油船的裝載工況(單位:kN·m)

從表1的計算結果可以看到:對應于航行狀態(tài),經(jīng)分艙優(yōu)化后,中拱靜水彎矩達到最大時的工況并非為URS11的某個檢查工況(出港),而是隔艙裝載的某個工況(第三、六貨油艙裝滿)。除此之外,壓載水置換的某個工況時,中拱靜水彎矩也較大,而且都比CSR規(guī)范值大。中垂靜水彎矩最大值小于CSR規(guī)范值。對應于港口狀態(tài),螺旋槳檢查工況時的中拱靜水彎矩達到最大,而且比CSR規(guī)范要求的最小值要大。

2 總強度儲備的研究

總強度儲備是指船體承受總彎矩(垂向波浪彎矩與垂向靜水彎矩之和)作用下,甲板/底部實際剖面模數(shù)減去規(guī)范要求的最小剖面模數(shù)后所得到的值與規(guī)范要求的剖面模數(shù)之比。

對于具有雙底、單甲板的該型船來說,總強度儲備是對甲板而言的。在設計中,總強度儲備的控制一般可通過同時控制總彎矩儲備和模數(shù)儲備加以實現(xiàn)。隨著海洋波浪研究不斷取得進展,IACS已統(tǒng)一了波浪彎矩的計算公式,船的主尺度一經(jīng)確定,該值實際上是定值。因此,該型船總彎矩的儲備實際上就轉(zhuǎn)化為靜水彎矩的儲備。該值取得過高或過低,都是不利的。通常配載合適的靜水彎矩可尋找母型船資料作為參考。但由于CSR規(guī)范要求的強度校核工況與URS11的要求一致,而以前建造的該型油船基本滿足URS11的要求,因此在尋找母型船時應注意選擇滿足URS11要求的船型,否則的話應對其數(shù)據(jù)進行相應的處理甚至對該型船型的靜水彎矩作專門研究。

3 中剖面設計

該型船的中剖面設計,涉及到骨材間距、構件尺寸和縱骨類型等內(nèi)容。本文主要研討CSR對中剖面設計的影響,并著重對以下幾個方面進行了討論(限于篇幅,僅作初步探討而不作展開)。

3.1 船體梁彎曲強度

根據(jù)CSR規(guī)范,彎曲強度要求的船體梁剖面模數(shù)和最小慣性矩計算時應扣除50%的腐蝕厚度,即-0.5 tcorr,這與原各船級社的規(guī)范有很大區(qū)別。CSR規(guī)范要求的最小剖面模數(shù)分為三種:基于主尺度、基于彎矩設計值和基于疲勞強度要求。

對于船舯,基于主尺度的最小模數(shù):

基于彎矩設計值的最小模數(shù):

如果彎矩設計值取CSR規(guī)范值,則基于主尺度和基于彎矩設計值要求的剖面模數(shù)一致;如果彎矩設計值大于CSR規(guī)范值,則基于彎矩設計值要求的剖面模數(shù)比基于主尺度要求的要大。在前期設計階段,對于型深相對較低、船寬相對較大的扁平型船,基于疲勞強度的船體梁彎曲強度,往往是很關鍵的決定因素。

CSR規(guī)范提出了有效甲板高度的定義,通過研究發(fā)現(xiàn)過高的梁拱對甲板剖面模數(shù)的儲備不利。因此,必須合理設置梁拱。從有效甲板高度計算公式看,平直段距離越小對有效甲板高度的影響越小,而越小的平直段距離在實際營運中積水的可能性也越小。因此有效甲板高度的規(guī)定對合理設置梁拱提出了要求。

3.2 船體梁疲勞強度

對于甲板模數(shù)而言,CSR規(guī)范除了給出常規(guī)船體梁最小剖面模數(shù)(基于主尺度和基于彎矩設計值)以外,還給出了船體梁滿足疲勞強度所要求的最小甲板剖面模數(shù)。但該公式針對的是北大西洋海況下25年的疲勞壽命,如船東要求額外的疲勞壽命,則該公式還應另外考慮疲勞壽命影響系數(shù)。

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),對于15.9萬噸SUEZMAX,如甲板縱骨節(jié)點按F型S-N曲線考慮,則滿足船體梁疲勞強度要求的最小剖面模數(shù)比常規(guī)的船體梁最小剖面模數(shù)大0.6%左右;如甲板縱骨按F2型S-N曲線考慮,則最小剖面模數(shù)要大14%左右。

因此,15.9萬噸SUEZMAX的甲板縱骨穿越橫向強構件處的節(jié)點選用了能按F型S-N曲線考慮的形式(見圖1);同時若施工允許,建議甲板縱骨采用縱骨拉入法。

圖1

3.3 船體梁屈曲強度

CSR規(guī)范對于屈曲強度校核包括以下三項:

(1)剛度和尺度比要求:規(guī)定了板格和型材的細長比(Slenderness coefficient);

(2)根據(jù)DIN標準制定的屈曲強度衡準要求:對于板格而言,根據(jù)不同的載荷形式(受剪或單軸受壓),通過計算確定其屈曲系數(shù)和縮減系數(shù),然后根據(jù)相應公式校核屈曲強度;對于型材而言,主要校核柱屈曲強度(Column buckling)(載荷垂直于板面)和扭轉(zhuǎn)屈曲強度(Torsionalbuckling);

(3)高級屈曲要求:考察組合應力影響下的板和加筋板格的屈曲強度,一般通過有限元方法進行計算。

計算結果表明:在遠離中和軸的船體梁區(qū)域,總縱彎曲應力較大?？v向型材如果端部削斜,則假定的非理想變形ω0相當大,導致屈曲利用因子超過許用值。而中和軸附近的船體梁區(qū)域,總縱彎曲應力較小。無論型材端部削斜或連續(xù),計算得到的屈曲利用因子和慣性矩均滿足規(guī)范要求。除柱屈曲模式以外,CSR規(guī)范還要求進行扭轉(zhuǎn)屈曲強度計算(應注意型材的扭轉(zhuǎn)屈曲長度lt(Torsional buckling length)一般不予折減,取強框間距)。15.9萬噸SUEZMAX縱骨的扭轉(zhuǎn)屈曲除甲板縱骨外都情況良好,有足夠的裕度。而最危險的甲板縱骨,扭轉(zhuǎn)屈曲利用因子為0.83(許用屈曲利用因子ηallow=1.0(0.5D以上))。甲板縱骨的屈曲情況非常惡劣,設計時須特別注意。

3.4 船體主要橫向支撐構件的規(guī)范計算研究

由于尺度原因,該船型的橫向主要支撐構件是所有油船中跨距最大的,所以對于剪切要求是最高的,設計時務必要重視。新船型取消了底部多余的船底縱桁,減輕了船體重量。

CSR規(guī)范中明確地給出了基于靜載荷、靜載荷和動載荷的組合,以及進水破損載荷等工況下的對于PSM的模數(shù)和剪切面積的要求,為初始設計提供了較統(tǒng)一的計算依據(jù)。隨著設計的深入,再通過有限元艙段分析加以驗證。同時,CSR規(guī)范規(guī)定,若有限元的計算結果證明構件尺寸可以減小,也僅允許減到規(guī)范計算值的85%(板厚、模數(shù)、剪切面積等)。此外,計算剪切面積時要注意扣除開孔(人孔、流水孔、透氣孔、穿越孔等)的影響。因此,剪應力高的區(qū)域應盡量少開孔,選擇合適的補板形式,必要時需作局部板厚加強。

(1)經(jīng)計算,為滿足剪切強度的要求,15.9萬噸SUEZMAX的雙層底非水密肋板需進行加強,對于底部桁材,如果其上設有縱艙壁,則其板厚按縱艙壁的剪力校核計算來確定。如果其上沒有縱艙壁,則按CSR要求,僅對橫艙壁(水密/制蕩)前后1個強框內(nèi)的桁材剪切面積有具體要求。其中,有效剪切長度按相應位置肋板的有效剪切長度取;

(2)計算甲板強橫梁的剖面模數(shù)時,CSR要求考慮由縱艙壁垂直桁或雙殼內(nèi)桁材(Side transverse)傳遞來的彎矩。此外,除考慮貨艙內(nèi)貨油壓力外,還要考慮甲板上浪的壓力。另外,最小板厚對位于貨油艙內(nèi)的甲板強橫梁腹板厚度的要求很高。對于15.9萬噸SUEZMAX,甲板強橫梁腹板的最小厚度為12mm。計算表明,15.9萬噸SUEZMAX的甲板強橫梁的母型船原設計的尺寸基本能夠滿足CSR的要求,只是防傾肘板的間距過大,需加設一檔防傾肘板。同時剪切面積稍小,需減小所開減輕孔尺寸;

(3)縱艙壁垂直桁根部應盡量設置較大肘板,一方面可以提高自身的承剪能力,另一方面對減小雙層底肋板的跨距和有效剪切長度有利。此外,垂直桁上的PMA開孔也必須注意,特別是在剪應力較高的區(qū)域,可考慮一些等效布置方法以避免在高剪力區(qū)域開孔;

(4)CSR對水平桁的最小高度、剖面模數(shù)和剪切面積有具體要求。其中剖面模數(shù)和剪切面積對端部0.2l(l為相應的有效跨距或有效剪切長度)要求較高。同時,水平桁上加強筋、防傾肘板受晃蕩載荷影響較大,設計時必須注意。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),滿足晃蕩強度要求的加強筋和防傾肘板尺寸比原船級社規(guī)范要求的要大。因此,防傾肘板的間距可考慮適當減小。從疲勞角度說,CSR對水平桁與內(nèi)殼相交接處的結構節(jié)點有具體的推薦。其中,嵌入厚板的板厚一般比周圍區(qū)域CSR要求的板厚增加7 mm。

4 有限元分析

4.1 有限元的新要求

在CSR中,明確規(guī)定了用有限元分析對船體結構進行強度評估為強制要求。此外,也對有限元分析的具體要求作了如下較大的更改:

(1)增加了有限元分析的內(nèi)容,要求有限元分析應包括:

①艙段分析:評估縱向船體梁構件、主要支撐構件和橫艙壁的強度;

②細化網(wǎng)格分析:評估局部結構細節(jié)的詳細應力水平。

(2)擴大了有限元分析的范圍。原有有限元分析只對貨艙段平行中體部分的構件進行,現(xiàn)在要求對整個貨艙段的構件進行分析,具體包括中部貨油艙區(qū)域縱向船體梁構件、主要支撐構件和橫艙壁的強度評估,首尾貨油艙區(qū)域橫艙壁處承受船體梁垂向剪切載荷的縱向船體梁抗剪構件;

(3)艙段有限元模型由1/2+1+1/2型2艙段模型加長為3艙段模型;

(4)重新規(guī)定了載荷的計算方法;

(5)重新規(guī)定了標準計算工況;

(6)重新規(guī)定了模型的載荷施加和邊界條件;

(7)重新規(guī)定了構件尺寸在模型中的模擬方法;

(8)根據(jù)構件的類型及位置重新規(guī)定了評估標準。

4.2 該型船貨艙區(qū)結構分析

誠如中剖面研究中所分析的,CSR定義的載荷是由靜載荷(S)和基于船舶運動加速度的動載荷(D)組成的。針對15.9萬噸SUEZMAX(具有一道油密縱艙壁),CSR有限元分析要求的標準設計載荷組合工況其中包括靜載荷(S)和動、靜載荷的組合(S+D)。其中,靜載荷由裝載模式確定的吃水、船體梁靜水彎矩和靜水剪力決定;動載荷由動載荷工況確定。動載荷工況的計算需要考慮不同的浪向(迎浪、斜浪和橫浪)以及不同的船體運動響應(垂向波浪彎矩、垂向加速度、縱向加速度等)。

(1)從目前已進行的有限元分析結果來看,較大的結構應力出現(xiàn)在縱艙壁、橫艙壁水平桁端部、強框底部這些區(qū)域;

(2)在進行屈曲強度評估時,除主甲板、內(nèi)底板和底部縱桁滿足CSR要求外,有較多位置的構件尺寸不滿足CSR的要求,需進行加強:

·外底的屈曲最為嚴重。在艙中的三個強框范圍內(nèi)需加厚2 mm,橫艙壁前后一個強框需加厚1mm;

·舭部以上的第一列舷側外板在艙中的三個強框范圍內(nèi)需加厚2 mm;

·內(nèi)底以上第一列HOPPER斜板在整艙范圍內(nèi)需加厚1mm;

·內(nèi)殼縱艙壁與中縱艙壁在艙中三個強框范圍內(nèi),1/2型深附近需加厚1mm～2 mm;

·橫向強框架的屈曲也較為嚴重,在原先的加強范圍之外普遍需加厚1mm～2mm;

·橫艙壁的局部區(qū)域屈曲強度稍顯不夠,局部加防屈曲筋即可滿足。

(3)15.9萬噸SUEZMAX進行細網(wǎng)格有限元計算的細化區(qū)域有五處:

·底邊艙上折角處

·底邊艙靠近舭部的開孔

·中縱艙壁垂直桁趾端

·橫艙壁水平桁根部(靠近中縱艙壁)

·橫艙壁水平桁趾端(靠近內(nèi)殼)

(4)依據(jù)CSR,用精細網(wǎng)格有限元方法求解了主要支撐構件高應力區(qū)域結構細節(jié)的應力。經(jīng)計算,在內(nèi)殼板的疲勞壽命達到要求年限。

5 結 語

本文針對159 000 t蘇伊士型油船進行了滿足CSR的技術評估,還研討了CSR對該型船設計的影響,希望能為以后滿足CSR要求的油船設計提供借鑒。

[1] Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers,January 2006.

[2] CSR Corrigenda 1,Rule Editorials and Clarifications,April 2006.

[3] CSR Corrigenda 2,Rule Editorials and Clarifications,July 2006.

[4] UR S11.2.1.3(Rev.5),Longitudinal Strength Standard,2006.

[5] 15.9萬噸CSR油船規(guī)范設計階段性技術評估報告[R].七〇八研究所.

Suezmax Crude Oil Tanker Design Based on Common Structure Rules

Pan Ying

common structure rules;Suezmax crude oil tanker;loading;ship structure design

The general ship structure design analysis for a Suezmax crude oil tanker based on common structure rules is performed in detail.The characteristics of common structure rules and its influences on design of this ship type are also discussed.

U662.1

A

1001-9855(2010)03-0025-04

2010-02-24

潘 瀅(1980.09-),男,漢族,河北衡水人,工程師,在讀碩士研究生,主要從事船舶結構研究設計工作。