鋁合金高速雙體客船錨穴導(dǎo)鏈設(shè)計(jì)

林純鑫

摘 要：介紹了鋁合金高速雙體客船錨布置設(shè)計(jì)中，為保護(hù)船體結(jié)構(gòu)所采用的幾種連接方式及施工中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：鋁合金高速雙體客船；錨；導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U674.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design examples of chain guide on anchor recess for

high-speed aluminum catamaran

LIN Chunxin

（ Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd. Guangzhou 511431 ）

Abstract： Described by several connection ways for protecting hull structure on anchor arrangement of high-speed aluminum catamaran， and some problems which need to be paid attention in the construction.

Key words： high-speed aluminum catamaran； anchor； chain guide

1 引言

鋁合金高速雙體客船由于船體結(jié)構(gòu)相對于材質(zhì)為鍍鋅鋼的錨鏈、錨、鋼絲繩來說，強(qiáng)度較弱、硬度偏軟，起錨或拋錨時(shí)容易導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至可以割裂船體。此外，如鋼質(zhì)錨系與船體結(jié)構(gòu)直接接觸，鋼和鋁兩種不同材質(zhì)之間存在電位差，當(dāng)拋、起錨時(shí)船體鋁表面的油漆一旦有破損，海水或雨水作為電解液，鋁作為負(fù)極失去電子變?yōu)殇X離子，船體結(jié)構(gòu)將會被腐蝕。因此，在設(shè)計(jì)中往往需在原船體結(jié)構(gòu)外增加相應(yīng)的鋼質(zhì)導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)，把船體結(jié)構(gòu)跟錨鏈、錨、鋼絲繩隔開，對船體進(jìn)行有效地保護(hù)。必要時(shí)也可在導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置絕緣層，如電木板、尼龍墊等，防止電化學(xué)腐蝕。

由于高速船對航速的苛求，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除考慮把收錨位置盡可能拉高外，也常在舷邊或船中鏈孔處做成能收藏錨冠及錨爪的方形或圓形的錨穴，這樣既可避免船舶縱搖時(shí)錨冠、錨爪進(jìn)水導(dǎo)致船舶阻力的增加，也可減少高速航行時(shí)錨引起的空氣阻力，避免錨體擊水引起飛濺而降低航速。

內(nèi)藏式錨穴相對于突出式結(jié)構(gòu)，能減少其對船舶流線型或平整性外觀的影響，因此也較為美觀。

在實(shí)際鋼質(zhì)導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，難點(diǎn)不在于船體結(jié)構(gòu)保護(hù)，而是要在起到保護(hù)作用同時(shí)又不影響船舶的拋錨、起錨操作。鋼質(zhì)導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)與鋁質(zhì)錨穴結(jié)構(gòu)的連接方式，大致有三種：螺栓連接、焊接及粘接。下面介紹根據(jù)不同船型設(shè)計(jì)的導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)實(shí)例，以及施工中應(yīng)注意的問題。

2 連接方式

2.1 螺栓連接

螺栓連接是鋼質(zhì)導(dǎo)鏈結(jié)構(gòu)與鋁質(zhì)錨穴結(jié)構(gòu)最常見的連接方式。一般鋁合金高速雙體客船船首甲板不作上下客用，因此錨系設(shè)備通常布置在首部船舯連接橋上方，如圖1、圖2所示。

甲板下半圓錐型不銹鋼導(dǎo)鏈筒及甲板箱體斜坡上的不銹鋼板，均用螺栓與船體結(jié)構(gòu)連接，在鋼絲繩、錨鏈、錨桿本來會與船體結(jié)構(gòu)接觸的地方架起一道安全屏障。設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)根據(jù)錨機(jī)滾筒起錨點(diǎn)在不銹鋼板與錨機(jī)之間模擬設(shè)置相應(yīng)的尼龍滾柱，不銹鋼板斜坡一般與甲板夾角約40o，受錨桿長度的限制，斜坡太陡太緩都可能影響起錨。在起錨過程中主要為不銹鋼導(dǎo)鏈筒受力，錨破土?xí)r鋼絲繩受拉力最大，除錨桿外，鋼絲繩、錨鏈基本不與不銹鋼板接觸，只與尼龍滾柱及導(dǎo)鏈筒接觸，因此船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需注意校核支撐尼龍滾柱的兩側(cè)鋁板的擠壓強(qiáng)度。

導(dǎo)鏈部件設(shè)計(jì)時(shí)需注意螺栓、不銹鋼結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)接觸面均應(yīng)加絕緣措施，特別注意防止船體鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)與鋼質(zhì)螺栓發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

對于螺栓連接，其連接部件受力主要有兩種：一種是通過螺栓預(yù)緊力使被連接部件接合面摩擦傳遞剪力；另一種通過鉸制孔用螺栓緊聯(lián)接傳遞剪力。下面介紹后一種連接方式的螺栓剪切強(qiáng)度驗(yàn)證。

假定螺栓所受工作載荷相等，連接的鋼部件承受拉力F，則n 個(gè)直徑為d的螺栓所受剪切強(qiáng)度為：

（1）

由于鋼部件與螺栓材料相同，且實(shí)船中鋼部件連接螺栓孔占面積比例較小，鋼部件抗拉強(qiáng)度及擠壓強(qiáng)度不做校核，僅校核鋁板的擠壓強(qiáng)度：

（2）

式中：[σ]—鋁板的許用擠壓強(qiáng)度；

t—鋁板的厚度；

Fb—鋁板擠壓力，F(xiàn)b=F。

實(shí)際使用中鋼板跟鋼絲繩、錨鏈等摩擦的接觸面應(yīng)平整，因此連接螺栓應(yīng)為內(nèi)藏式，不建議用沉頭螺栓，因沉頭螺栓與鋼板接觸面為圓錐面，實(shí)際施工中為在鋁板及不銹鋼板上攻螺紋，涂上螺紋鎖固膠后安裝螺栓，圓錐面鉆孔本身容易有偏差，且易導(dǎo)致螺栓安裝后受力點(diǎn)不均勻。

2.2 焊接

對于鋁合金高速雙體客船（如圖3、圖4所示），由于有中央船首，設(shè)計(jì)時(shí)船首甲板錨系設(shè)備常按普通單體船來考慮，設(shè)置鋼質(zhì)錨鏈筒、錨唇、錨穴等，此類設(shè)計(jì)在鋼質(zhì)單體船中已經(jīng)非常成熟，本節(jié)不多贅述。

由于鋼質(zhì)錨鏈筒為曲面結(jié)構(gòu)，如要與船體鋁合金結(jié)構(gòu)用螺栓連接，筒內(nèi)面鉆孔不適用且施工困難，筒外面加焊腹板鉆孔則需增加較多鋼、鋁連接結(jié)構(gòu)，因此出于施工難度及操作空間等方面綜合考慮，采用在不銹鋼錨鏈筒與鋁制船體結(jié)構(gòu)中間，加焊一層由鋁-鈦-不銹鋼材料爆炸焊接制成的條狀過渡接頭的方式。

5083鋁合金焊接材料抗拉強(qiáng)度Rm為275 Mpa，剪切強(qiáng)度為165～220 Mpa ；

不銹鋼316L焊接材料抗拉強(qiáng)度Rm為500 Mpa，剪切強(qiáng)度為300～400 Mpa ；

過渡接頭的鋁-鈦界面剪切強(qiáng)度不小于80 MPa，鈦-鋼界面剪切強(qiáng)度不小于137 MPa，過渡接頭整體拉脫強(qiáng)度不小于137 MPa。

不銹鋼錨鏈筒與船體結(jié)構(gòu)連接，通過結(jié)構(gòu)受力分析錨鏈筒承受的剪力FS與拉力F，來校核鋁-鈦界面的剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度：

（3）

（4）

式中，A為與錨鏈筒焊接的過渡接頭中鋁層與鈦層的承載面積。校核焊縫需選取對應(yīng)焊接材料接頭強(qiáng)度。

施工中應(yīng)注意，過渡接頭先與不銹鋼導(dǎo)鏈筒等焊接好后，再上船臺分段與鋁合金船體結(jié)構(gòu)焊接。焊接時(shí)應(yīng)防止溶及鈦層，確保鋁、鋼層的鈍邊尺寸和裝配間隙。同時(shí)，為避免由于船體結(jié)構(gòu)受熱變形導(dǎo)致的過渡接頭復(fù)合界面剝離或出現(xiàn)裂紋，焊接前應(yīng)適當(dāng)加固定碼材，并采用對稱焊接，且應(yīng)注意施工環(huán)境條件的要求。

2.3 粘接

對于鋁合金高速雙體雙頭車客渡船，甲板首尾端布置為上下客或車輛通道，錨系設(shè)備不能布置在船舯，只能布置在舷側(cè)，把水線以上部分外板往內(nèi)偏移設(shè)置為錨穴，如圖5、圖6所示。

在不影響水線面以下外板線型的條件下，無論錨鏈筒采用何種角度都無法避免鋼絲繩、錨鏈、錨冠、錨爪等跟下錨唇兩側(cè)及下方的鋁板接觸，由于車客渡船的錨比普通高速客船大得多，錨穴占用面積大且常接近水面，基于水密性等要求，鋼板不適合靠螺栓或復(fù)合材料與船體結(jié)構(gòu)連接，因此選擇適用于鋁合金與不銹鋼板粘接的高強(qiáng)度膠更為合適。

施工前應(yīng)按要求對粘接鋁板及鋼板做好前期處理工作，根據(jù)天氣條件調(diào)整施工時(shí)間，盡量接近在推薦的環(huán)境溫度下操作，特別注意膠的固化機(jī)理及表干時(shí)間。需粘接面積較大時(shí)，應(yīng)增加膠槍口加快涂膠速度，避免膠全部涂好后先涂的部分表面已經(jīng)凝結(jié)。

板粘接后，由于板四周密封隔絕空氣與板內(nèi)部的膠接觸，容易出現(xiàn)四周的膠已經(jīng)固化但板內(nèi)部的膠推遲甚至根本就不能固化，對于此類情況有兩種處理方法：

（1）在鋼板上鉆透氣孔，加速透氣孔四周的膠水固化。由于影響外觀且鋼板鉆孔費(fèi)工費(fèi)時(shí)，大面積粘接時(shí)不太適用；

（2）涂膠時(shí)內(nèi)部不涂滿，膠條之間留有縫隙透氣，如圖7所示。為保證膠受擠壓后粘接厚度均勻，涂膠前可在對應(yīng)板四周及中間貼上適當(dāng)數(shù)量的膠粒，等板內(nèi)的膠固化后四周再涂一圈膠密封，確保水不會流到縫隙里腐蝕鋁板。

膠粘接面積可通過剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：

（5）

式中：F—不銹鋼板所受最大摩擦力；

[ τ ]—膠許用剪切強(qiáng)度；

S—板面積；

A—最少粘接面積。

3 總結(jié)

本文介紹了鋁合金高速雙體客船的錨布置及與船體結(jié)構(gòu)連接的幾種常用方式和施工中應(yīng)注意的問題。在設(shè)計(jì)中還應(yīng)同時(shí)綜合考慮人工成本、材料成本、環(huán)境因素等，根據(jù)具體船型選擇合適的施工方案。

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