SL151起重船強度計算及加強方案

王國學，胡志寬，桂洪斌，夏鵬鵬，王建勛

(1.中國石化勝利油田分公司海洋石油船舶中心，山東龍口 265700;2.哈爾濱工業(yè)大學 (威海)船舶工程學院，山東威海 264209)

SL151起重船于1987年在前蘇聯(lián)塞瓦斯拖波爾船廠建造完工，1996年底由勝利油田引進。為增強船舶的耐波性、增加鋪設水平管和焊接立管的功能，SL151起重船由原來的62.8 m加長到85 m，船長約為工作海域海浪波長的1.3倍，耐波性比原船有較大的改善，工作性能大大提高。截至目前，SL151起重船由于船齡的增加，外板腐蝕和部分構件損壞等對船舶總強度造成了影響。為保證船舶工作的安全性與可靠性，本文對該船的結構強度進行了研究，計算了船體剖面模數，在計算分析的基礎上提出了該船結構加強的方案。

1 SL151起重船的主要數據及概況

SL151起重船改裝前后的主要數據概況如表1所示。

改裝時從原船#48+150肋位處切斷，中部加一新分段 (19.9 m ×25.85 m ×5.4 m)，并在主甲板以上#34—#104間增設甲板室結構 (42 m×22.4 m×2.6 m)。

全船肋位為#－4—#138，具體為:艏部船體(舊) (#－4—#48+150);接長船體 (新) (#48+150—#81+250);艉部船體 (舊) (#81+250—#138)。

表1 改裝前后的主要數據

2 靜水剪力和彎矩計算，確定危險剖面

重力與浮力是引起船體梁總縱彎曲的主要外力，而船舶靜水剪力和彎矩是指船舶在靜水中由于重力和浮力分布不均而產生的剪力和彎矩［1］，其計算步驟應為:①計算重力分布曲線p(x);②計算靜水浮力曲線bS(x);③計算靜水載荷曲線qS(x);④計算靜水剪力和彎矩。

通過靜水剪力和彎矩的計算來確定船體的危險剖面，計算中考慮下面2種工況:第1種工況，航行，100%油水;第2種工況，作業(yè)，首吊，100%油水。

根據上述的步驟，并在計算過程中經過數次浮態(tài)調整、注意修正減小計算誤差。通過對2種工況的計算，得出2種工況下的靜水剪力曲線和靜水彎矩曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 2種工況下靜水剪力曲線

由圖1和圖2可見，危險剖面可分為以下3類:①彎矩最大處位于船中附近，第9，10，11站，也就是從#58—#65—#72的新船體部分;②剪力較大的的位置在第4站 (#27+320)和第17站(#117+10)附近 (舊船體部分);③考慮到第2種工況，剪力較大的地方還有第12站 (#83+173)附近 (新舊結合處附近舊船體部分)。

3 船體剖面模數

按照規(guī)范，對于剪應力較大的剖面也要進行校核，但考慮到本船的實際工作情況，本文主要考慮船舶的彎曲剛度。船舶的彎曲剛度通過船體剖面模數來體現。

3.1 典型剖面－船體剖面模數計算

中國船級社《鋼質海船入級與建造規(guī)范》中對船體剖面模數的要求是在船中部0.5 L內，船中最小剖面模數W應不小于某公式所得到的計算值 (如本文3.3節(jié)中的公式 (1))。由于本船經過船體加長的改造，新舊船體的主要構件尺寸不同，新船體部分也出現不同尺寸船底縱骨、甲板縱骨的連接。所以將位于船中部0.5 L內的剖面歸為以下3類:①與舯剖面相同 (#60—#63，#68—#71，#71—#74，#79—#81之間)的橫剖面，如圖3所示;②新船體 (#49—#52，#57—#60之間)的其他橫剖面;③新舊結合處附近的橫剖面 (舊船體部分)。

圖3 舯剖面

基于舯剖面圖和船體結構圖，進行船體剖面要素計算，得出3類典型剖面船體剖面模數的值，結果見表2(未考慮腐蝕的理論計算－未采用加強措施)。3類剖面的共同點是中和軸位置均距船底最遠，分別為 Z1=4.575 m，Z2=4.654 m，Z3=4.911 m。

表2 剖面模數計算結果

3.2 船體腐蝕對剖面模數的影響

由于海洋環(huán)境對金屬的腐蝕作用，船體各金屬構件的有效幾何尺寸在逐年削弱，剖面模數隨著船舶使用年數的增大，其值在不斷變小。根據上海運輸船舶研究所計算出各船剖面模數年腐耗百分數的平均值，對于甲板 ΔW/W=0.458%，對于船底ΔW/W=0.480%，其中W為新船的剖面模數，ΔW為剖面模數年腐耗量。船舶的營運也加劇了船體構件的腐蝕，船舶營運15年和30年后，船體剖面模數剩余量大概為新船的90%和80%［2］。

按照這樣近似計算，SL151起重船舊船體 (20年)的剖面模數降低13.33%，新船體 (10年)的剖面模數下降6.67%。剖面模數的下降將直接導致船舶總縱強度的減弱。

3.3 規(guī)范要求

根據《鋼質海船入級與建造規(guī)范》第2篇第13 章起重船第 2 節(jié) (13.2.1.1)規(guī)定［3］:

在船中部0.5 L內，船中最小剖面模數W還應不小于按公式 (1)計算所得之值:

式中:C=0.0412L+4(L＜90 m)，L=85 m;Cb=0.827;B=25.85 m;各裝載狀態(tài)下航行或作業(yè)時的最大靜水彎矩MS取200 000 kN·m。

按照公式 (1)計算可得:

W=25 987.3 cm2·m。

結合船體腐蝕對剖面模數的影響，以舊船體(20年)的剖面模數降低13.33%和新船體 (10年)的剖面模數下降6.67%的折減率進行計算，結果見表2。

4 加強措施

由上面的計算分析中，可以看到以下3個問題:①改裝 (船體接長和增設甲板室)后，船舯剖面的中和軸位置均離船底最遠，船底板承受的彎曲應力最大，船底是最容易受到破壞的區(qū)域;②新舊結合處，新船體與舊船體的剖面模數差距較大;③舊船體由于長時間的服役，使得腐蝕折減后的剖面模數不滿足規(guī)范要求。

針對上述問題①和③，可以考慮采取在船底增設縱向復板條的加強方法［4］。因為在船底增設復板，提高了船底承受總縱彎曲的能力，并且對增大新舊結合處 (舊船體部分)的剖面模數起到了一定作用，能夠有效解決上面的問題。

在船底增設6條10 mm×500 mm(長度從#20到#100)的復板條，左右舷對稱布置各3條，具體定位如圖4所示。

增設復板條后危險剖面－剖面模數的計算結果見表2。表2中“考慮腐蝕折減的計算中采用復板加強”一項的數據僅供參考，原因在于沒有船舶腐蝕后準確的構件尺寸，只是通過腐蝕折減計算出的參考值。從表2可以看出，增設復板后，可以滿足規(guī)范對剖面模數的要求。增設加強復板條是解決船舶總縱強度不足的有效方法，它具有成本很低、提高船體梁剖面模數等特點。但是由于每段復板條之間的對接焊縫是直接在原來的板上施焊，焊縫就會溶入原來的船底板，使得復板條與原來的船底板發(fā)生粘連，復板條對接接頭和被加強板之間墊薄銅片可以避免此粘連現象，從而可以避免因加強復板條對接接頭的疲勞破壞擴展到被加強的板［5］。所以增設復板條，要特別注意焊接工藝。

圖4 復板條定位及尺寸

針對問題②出現的問題，改善新舊結合處中內龍骨和旁內龍骨的有效連接，在新舊結合處中內龍骨和旁內龍骨與橫艙壁的連接方式改成龍骨升高與艙壁連接方式并且增大連接肘板的尺寸，對肘板端部的軟趾化處理。此外，應及時更換舊船體的受損構件 (如船底縱骨等)，若有船體外板腐蝕嚴重的情況，應更換船體外板。

5 結論

本文對SL151起重船的總縱強度進行了研究，通過計算及分析，可以看出新舊結合處 (舊船體部分)的剖面模數不滿足規(guī)范要求，與船東反映船體在新舊結合附近損害嚴重的現象相符合。針對此問題，本文提出采取增設復板等方法來提高全船的總縱強度。

［1］尹群.船舶靜水剪力和彎矩的計算及分析 ［J］.造船技術，2002(1):13－16.

［2］王啟友，牟小光.船體腐蝕對船舶強度的影響 ［J］.船舶工程，2007(3):37－40.

［3］中國船級社.鋼質海船入級與建造規(guī)范 ［M］.人民交通出版社，2001.

［4］呂偉忠.船舶加強復板條焊接中的技術問題研究［D］.上海:上海海事大學，2007.

［5］應明華，赫貴勛.15000噸油輪接長改裝設計 ［J］.中國修船，1991(1):19－23.