李　磊

(中海工業(yè)(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225211 )

船舶新型海底門設(shè)計

李磊

(中海工業(yè)(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225211 )

摘要:通過研究46 000 t散貨船的海底門安裝工藝并結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，設(shè)計一種新型海底門及配套工裝件。詳細介紹該型海底門的基本工作原理和安裝工藝流程，闡述其設(shè)計優(yōu)點，并從流通面積比方面進行計算，以論證該設(shè)計的可行性。同時，進行強度計算，以選定該型海底門的配套零件。

關(guān)鍵詞:海底門； 工作原理； 流通面積比

0引言

海底門安裝于船舶底部的海水箱外板處，是壓載水、冷卻水和消防水等船舶用水的集中入口，對于船舶的正常營運及航行而言十分重要。傳統(tǒng)意義上的海底門(見圖1)大體由框架、格柵門及配套螺栓組成，按正常的船舶建造流程，其需要在海水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，安裝于箱上的通海閥及其管件、防海生物附著裝置等安裝結(jié)束,海水箱氣密試驗及水壓強度試驗結(jié)束后才可安裝。這種安裝方式費時費力，涉及到的工種多，各工種之間相互影響的情況時有發(fā)生。

通過對海底門的安裝工藝進行改進，將安裝過程中工作量最大的框架安裝、焊接、打磨等工作前移到分段建造階段，可提高安裝的效率和質(zhì)量，使得生產(chǎn)流程更為順暢。但是，這種工藝上的調(diào)整并沒有降低整個安裝過程的工作量，尤其是在后期海水箱氣密試驗和水壓強度試驗過程中，通常需要在框架上焊接密封板，待試驗結(jié)束后割除，該做法會對不銹鋼框架造成一定程度的損壞，需征得船舶所有人的認可。鑒于此，設(shè)計一種新型船舶海底門(見圖2)，并附帶配套的可反復(fù)使用的盲板工裝件，以大幅度降低海底門安裝過程中的工作量，并優(yōu)化整個工藝流程。

1新型海底門設(shè)計原理及其安裝工藝流程

該新型海底門在原海底門框架內(nèi)側(cè)加裝法蘭盤，配套的是類似道門蓋的盲板，具體使用原理及安裝工藝如下：

(1) 安裝前確保成品海底門的格柵門、盲板與海底門框架上焊接的法蘭盤配套良好，并在安裝框架前拆掉格柵門；

(2) 由于不同船舶的分段劃分及合攏吊裝工藝不同，因此海水箱結(jié)構(gòu)可能跨越2個分段，這樣便可根據(jù)不同船舶的實際情況，待海水箱結(jié)構(gòu)完整后(分段建造階段或中組階段)，在外板開孔安裝海底門框架，乾地焊接打磨處理；

(3) 在海水箱附屬的各種穿艙件的完整性報檢結(jié)束后，可用盲板配以橡皮安裝到位，封閉海水箱以便進行氣密試驗和水壓強度試驗；

(4) 試驗結(jié)果滿足要求后，拆除盲板、橡皮和螺栓等設(shè)備并妥善保管，供后續(xù)船舶使用；

(5) 船舶外板及海水箱內(nèi)油漆結(jié)束后，船舶下水前，將格柵門安裝到位。

圖1　傳統(tǒng)海底門示意圖(46 000 t散貨船)

圖2新型海底門及其盲板示意圖

2設(shè)計優(yōu)點

該新型海底門的設(shè)計和安裝流程可大幅度降低安裝過程中的工作量，從勞動強度、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和施工環(huán)境安全等方面進行了深度優(yōu)化。以下從海底門安裝過程中的幾個階段具體論述其設(shè)計優(yōu)點。

2.1海底門框架安裝階段

1) 根據(jù)不同船舶的分段劃分不同，若海水箱在單一分段上，則海底門可在分段建造階段安裝。此時，由于分段以平臺板為基面制造，海底門安裝在分段上方的外板上，其高度坐標易于測量，這樣就省略了激光經(jīng)緯儀測量的工序，提高了作業(yè)的連貫性。在該階段安裝，其開孔、安裝和焊接等作業(yè)的施工環(huán)境良好，上方無阻礙物，易實行機械輔助裝配作業(yè)，減輕了工人的操作強度，且焊道位置相對平緩，便于采用CO2角焊(見圖3)，極大地提高了施工的效率和質(zhì)量。

圖3　低位海底門在反造分段221P上的安裝示意圖(46 000 t散貨船)

2) 若海水箱結(jié)構(gòu)跨越2個分段，則選擇在分段中組階段安裝，此時在外板開孔安裝框架，打開了密閉的海水箱結(jié)構(gòu)，為箱體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)處理、箱體外圍通海閥件的安裝等提供了天然通道，無需像傳統(tǒng)方式一樣開設(shè)臨時工藝孔通道，從而消除了在狹小艙室作業(yè)存在的安全隱患，提高了施工的安全性。

2.2海水箱氣密和水壓強度試驗階段

海水箱結(jié)構(gòu)、外圍管件等完整性報檢結(jié)束后，便可開展海水箱的氣密和水壓強度試驗。在傳統(tǒng)的安裝方式下，此時外板上僅僅存在1個為方便施工而臨時開設(shè)的工藝孔，試驗中，需在外板曲面上將其焊接封死，試驗結(jié)束后重新開孔安裝海底門框架。這一過程耗時耗力且容易傷害外板母材，因為臨時開孔有其隨意性且外板存在一定的曲度，封孔用的材料也無法循環(huán)利用。新型的海底門只需采用工裝件盲板、橡皮、螺栓材料等封住海底門孔即可進行試驗，試驗結(jié)束后材料可回收循環(huán)使用。

3技術(shù)論證

海底門的設(shè)計中很重要的一項是要求流通面積比滿足要求，同時要降低成本，保證盲板、螺栓等設(shè)備可以循環(huán)利用。這就要求盲板和螺栓在試驗過程中不能變形，強度方面滿足使用要求。下面以46 000 t散貨船的海底門為例，計算新型海底門的流通面積比，并選擇圖2所示的工裝件進行強度校核。

3.1流通面積比

流通面積比是指海底門格柵的凈流通面積與海水總管橫截面積之比，需滿足行業(yè)標準。根據(jù)《中華人民共和國船舶行業(yè)標準》，該船通海閥公稱直徑為400 mm，選用的是A型吸入格柵，流通面積比要達到3.0，具體尺寸可參考圖1。

根據(jù)46 000 t系列船舶的海底門安裝圖紙，該船的海底門海水流通面積比約為3.84，這種設(shè)計無疑會使得其凈流通面積減小。下面根據(jù)圖2中這種新型海底門的尺寸進行校核。

假定傳統(tǒng)海底門的凈流通面積為S1，流通面積比i1=3.84 ；新型的海底門的凈流通面積和流通面積分別為S2,i2；通海閥公稱直徑d=400 mm。通過CAD軟件的面域計算，法蘭盤面積S3=79 234.92 mm2, 格柵門外圍框架面積為S4=15 811.327 mm2，此部分面積與法蘭盤重合，則

(1)

(2)

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3)得出：i2≈3.34>3.0滿足標準要求。

3.2盲板及螺栓強度校核

根據(jù)船舶《密性試驗大綱》要求，海水箱水密試驗水壓要達到0.2 MPa，因此在46 000 t散貨船實際試驗過程中往海水箱內(nèi)加滿水后打壓至0.2 MPa， 則可以認為海水箱內(nèi)最低水壓處即海水箱上平面處水壓達到0.2MPa。因為盲板事實上是一個平板，四周由螺栓固定，因此根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的相關(guān)知識，可將其簡化為四周剛性固定的矩形板的彎曲計算問題，其受力為水壓隨深度變化的空間線性載荷。要進行較精確的平面受力的計算，需計算出平面上任意一點距海水箱上平面的距離，由此將該物理模型轉(zhuǎn)換為圖4所示的數(shù)學(xué)模型。

圖4　盲板受力計算模型

以46 000 t船舶坐標系中(FR30,0,0)為原點建立數(shù)學(xué)坐標系XYZ，通過尋找盲板平面3個已知坐標點A,B,C，計算出平板平面的數(shù)學(xué)方程式，由此得出平面上任意一點距基線的高度值Z，從而得出平面上任意一點的水壓強值P，再在盲板區(qū)域(投影區(qū)D)對P進行積分計算，得出盲板所受的壓力值F，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的相關(guān)知識進行校核。

1、根據(jù)46 000 t散貨船結(jié)構(gòu)圖和海底門相關(guān)圖紙選取盲板上3個已知坐標點，分別為：中心點A(-6 702，410，2 785)，后邊界中線點B(-6 521.3，175.55，2 785)，下邊界中心點C(-6 294，410，2 569)

根據(jù)3點確定1個平面的原理，計算出其平面數(shù)學(xué)表達式為

x+0.771y+1.889z+1125.44=0

(4)

則任意一點的壓強值為

(5)

式(5)中：ρ水=1.0×103kg/m3,g=9.8m/s2；

盲板的受力即為

(6)

將式(4)和式(5)代入式(6)可得出：F≈1.07×105N。

通過上面的計算過程，發(fā)現(xiàn)盲板上壓強最大值即為盲板最低點位置Pmax≈0.2121 MPa。

海水箱上平臺水壓為0.2 MPa，可見盲板受力的整個區(qū)域壓強變化在5%以內(nèi)。為便于對盲板進行強度校核，并保證安全，可取最危險的情況進行校核，即認為盲板受均布的0.212 1 MPa的水壓作用，則根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中四周剛性固定板的計算方法，板的長邊中心點即為其最危險的點，該處所受彎矩及最大彎曲應(yīng)力為

(7)

式(7)中：K5=0.075為板的彎曲計算系數(shù)，可查表獲得；q為單位面積載荷，因為受壓為0.212 1 MPa，故q=0.212 1 N/m2；b為盲板短邊長度592 mm；t為盲板厚度16 mm(生產(chǎn)中可簡單地選擇與海底門處外板等厚度的板)；船用鋼板AH32的許用應(yīng)力[σ]為315 MPa經(jīng)計算得出σmax的值為

(8)

由式(8)可知，所選用盲板材質(zhì)及板厚滿足強度要求。

而選用的M16螺栓，螺紋有效面積為157 mm2，盲板應(yīng)力最大處為130 MPa，故螺栓最大載荷為：F=130×157 N=20 410 N。從查看國標發(fā)現(xiàn)，選用M16,3.8級的螺栓即可滿足要求。

3.3軸銷處考慮

由于軸銷處只需要承受打開格柵時格柵的重量，承受力很小，因此采用普通的銷軸進行連接即可。

4結(jié)語

設(shè)計了一種新型的海底門，滿足各標準規(guī)范的要求，可大大降低安裝過程中的工作量。通過完善安裝工藝，使得整個生產(chǎn)流程更為順暢，避免了多工種之間施工相互影響的情況。

在系列船舶的批量建造過程中，雖然增加法蘭盤和盲板在一定程度上提升了海底門產(chǎn)品的成本，但是相較于傳統(tǒng)型式海底門安裝過程中反復(fù)拆封工藝孔，造成的人工成本和材料成本以及施工拖沓導(dǎo)致的工期延誤，新型海底門優(yōu)勢明顯。

參考文獻：

[1]陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1990.

[2]徐兆康.船舶建造工藝學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]CB/T 615—1995，船底吸入格柵[S].北京：中國標準出版社，1996.

中圖分類號：U662

文獻標志碼：A

收稿日期：2015-04-10 2015-06-11

作者簡介：包磊(1982—)，男，山東煙臺人，工程師，主要從事船舶電氣領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)研究。 桂棟(1987—)，男，湖北武穴人，主要從事船舶主推進監(jiān)控系統(tǒng)研究。

文章編號：1674-5949(2015)03-040-03 1674-5949(2015)03-029-05

New Design of Sea Chest Grating

LiLei

(China Shipping Industry (Jiangsu) Co.,Ltd, Yangzhou 225211,China)

Abstract:A new type of sea chest grating and its supporting tooling set are designed after carefully studying the working conditions and the installation procedure of the sea chest grating on 46,000 tonner bulk carriers. The working principle and installation procedure of the grating are introduced and the advantage of the new design is explained. The feasibility of the design is checked through the calculation of the flow area ratio. The strength of accessories is calculated.

Key words:sea chest grating; working principle; flow area ratio