集裝箱船抗扭箱區(qū)域舾裝開孔及加強(qiáng)方案

陽澤偉， 李彥坤， 張 成

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200219)

集裝箱船抗扭箱區(qū)域舾裝開孔及加強(qiáng)方案

陽澤偉， 李彥坤， 張 成

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200219)

隨著集裝箱船大型化發(fā)展，大厚度的高鋼級鋼板在抗扭箱區(qū)域被使用的越來越多，疲勞強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)安全需要關(guān)注的重點，而厚板上的開孔會對疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生一定的不良影響。對滬東中華造船(集團(tuán))有限公司多年來建造的多型集裝箱船積累的經(jīng)驗進(jìn)行歸納總結(jié)，提出適合抗扭箱厚板的開孔及加強(qiáng)方案。

舾裝開孔；集裝箱船；抗扭箱；疲勞強(qiáng)度

0 引 言

集裝箱船生產(chǎn)設(shè)計過程中為了滿足管路、電纜等舾裝布置需要，不可避免地需在主船體結(jié)構(gòu)上開孔。開孔除了會降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，產(chǎn)生屈曲、剪切、疲勞等問題外，在切割開孔、燒焊舾裝件過程中也容易產(chǎn)生缺陷。尤其是隨著集裝箱船大型化發(fā)展，抗扭箱區(qū)域使用的鋼板越來越厚，鋼級越來越高(如某14 500 TEU船最大厚度為85 mm，最高鋼級為EH 47)，鋼板的韌性隨著厚度及鋼級的增加而降低，開孔在厚板上會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)薄弱點，如開孔不當(dāng)易產(chǎn)生裂紋，一旦裂紋在厚板上擴(kuò)散較易造成重大的結(jié)構(gòu)安全事故。因此，研究抗扭箱區(qū)域厚板上的開孔及加強(qiáng)方案，減少開孔對船體結(jié)構(gòu)的影響非常重要。目前，國內(nèi)對開孔的研究以有限元理論計算居多：褚洪等[1]應(yīng)用有限元屈曲特征值分析方法對受軸向壓力開孔腹板的屈曲載荷進(jìn)行計算；黃茜等[2]采用非線性有限元計算方法，對梁腹板開孔后的極限承載能力進(jìn)行研究；葛俊波等[3]采用有限元彈性屈曲分析方法，探討常用的開孔加強(qiáng)方式在不同加強(qiáng)尺寸下的加強(qiáng)效果。這些研究大都以梁腹板為研究對象，沒有考慮具體船型的結(jié)構(gòu)特點，與實際情況存在一定偏差，對船廠生產(chǎn)設(shè)計的指導(dǎo)不夠直觀。本文以滬東中華造船(集團(tuán))有限公司多年來建造的多型集裝箱船為經(jīng)驗基礎(chǔ)，歸納總結(jié)適合集裝箱船抗扭箱區(qū)域厚板的開孔及加強(qiáng)方案，對船廠生產(chǎn)設(shè)計具有一定的參考與指導(dǎo)意義。

1 開孔的主要考慮因素

1.1開孔位置

開孔首要考慮的是開孔位置，舾裝設(shè)計時一般考慮管路、電纜長度最短，施工方便，操作便捷，而結(jié)構(gòu)設(shè)計負(fù)責(zé)關(guān)注結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，不同的出發(fā)點必然會造成分歧，需要結(jié)構(gòu)專業(yè)和舾裝專業(yè)設(shè)計人員互相溝通、統(tǒng)籌考慮，將開孔位置避開船體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)，在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上優(yōu)化管子、電纜等舾裝件的布置。

集裝箱船具有大甲板開孔的特點，開孔角隅附近是高應(yīng)力區(qū)，此高應(yīng)力區(qū)內(nèi)禁止開孔。開孔應(yīng)盡量遠(yuǎn)離角隅，開孔邊緣距角隅切點的距離推薦至少兩檔肋位以上，禁開孔區(qū)域如圖1所示。

圖1 主甲板禁開孔區(qū)域

外板舷頂列板上禁止開孔?？v向艙口圍頂板及圍板上不建議開孔，當(dāng)開孔無法避免時，開孔位置也需要盡量遠(yuǎn)離艙口角隅。

抗扭箱區(qū)域內(nèi)縱壁上的開孔相對較少，一般二甲板通道中有電纜和透氣管在橫艙壁位置處貫穿內(nèi)縱壁進(jìn)入貨艙。原則上開孔不能開在最厚的一列板上，如圖2所示。

另外，需注意開孔不能離板縫太近，開孔邊緣離板縫建議最小距離d=4t+50 mm，其中t為板厚。

圖2 外板、內(nèi)縱壁禁開孔區(qū)域

1.2開孔形狀

開孔形狀會影響鋼板內(nèi)部的應(yīng)力流方向，不同形狀的開孔其應(yīng)力集中系數(shù)大不相同。圖3是DNV GL規(guī)范[4]中關(guān)于不同形狀的開孔在不同應(yīng)力方向下的應(yīng)力系數(shù)圖，圖中的參數(shù)說明如下：σ1為主應(yīng)力；Kt為開孔應(yīng)力系數(shù)；a為開孔寬度；l為開孔長度；a/l為開孔寬度與長度比。

從圖中可以得知以下信息：

(1) 開孔長邊與主應(yīng)力方向平行時的應(yīng)力系數(shù)比開孔長邊與主應(yīng)力方向垂直時的應(yīng)力系數(shù)低。

(2) 當(dāng)開孔長邊方向與主應(yīng)力方向平行時，橢圓形開孔比腰圓形開孔應(yīng)力系數(shù)低；當(dāng)開孔長邊方向與主應(yīng)力方向垂直時，腰圓形開孔比橢圓形開孔應(yīng)力系數(shù)低。

抗扭箱區(qū)域結(jié)構(gòu)主應(yīng)力是沿船長的縱向方向，因此，開孔長邊需平行船長方向，開孔最好選擇橢圓孔，橢圓孔的長度是寬度的2倍左右。

圖3 不同開孔形狀應(yīng)力系數(shù)

1.3開孔處舾裝件與結(jié)構(gòu)的連接方式

除了開孔位置及開孔形狀外，還需考慮開孔處舾裝件與結(jié)構(gòu)的連接方式，這方面的理論研究較少，實際生產(chǎn)中也容易被忽視。如果舾裝件與結(jié)構(gòu)的連接方式設(shè)置不合理，可能會形成結(jié)構(gòu)薄弱點，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)散至船體結(jié)構(gòu)，造成安全隱患。常規(guī)水密艙壁處的管子貫穿件連接方式為法蘭復(fù)板連接(見圖4)以及套管連接(見圖5)。這兩種連接方式適用于非高應(yīng)力區(qū)內(nèi)板厚小于50 mm 鋼板上的舾裝開孔連接。

圖4 法蘭復(fù)板連接

圖5 套管連接

套管使用的是標(biāo)準(zhǔn)件，其長度及厚度隨管徑加大而增加，需根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。

電纜穿艙件常規(guī)采用澆注式襯圈連接，其節(jié)點形式與管子的套管連接類似，如圖6所示。

圖6 電纜襯圈連接

集裝箱船抗扭箱區(qū)域的管系、電纜在縱向結(jié)構(gòu)如甲板、縱壁上的開孔數(shù)量相對較少，對鋼板的總縱強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度影響不大，開孔處的疲勞強(qiáng)度是主要的考慮因素。從圖4～圖6中3種常規(guī)連接方式可知，開孔邊緣均存在焊接，按照德國勞氏船級社規(guī)范，理論上舾裝件貫穿結(jié)構(gòu)時直接與結(jié)構(gòu)焊接的形式比非焊接形式的疲勞強(qiáng)度高。但抗扭箱區(qū)域鋼板厚度較大，開孔邊緣無法使用數(shù)控機(jī)割出坡口，舾裝件與鋼板間的填角焊難以焊透，焊接質(zhì)量難以保證，且容易產(chǎn)生焊接缺陷引發(fā)的裂紋。因此，建議舾裝件不與厚板開孔自由邊直接燒焊，為了保證水密性可以制作一個圍板結(jié)構(gòu)將開孔罩住，管子從甲板開孔穿出后與圍板焊接。另外，還可以將多路管子放在一起從而減少開孔數(shù)量，如圖7所示。

圖7 組合圍板連接

主甲板采用的鋼級一般為EH 36或EH 40，為防止圍板結(jié)構(gòu)損壞將裂紋擴(kuò)散至主甲板，圍板材料宜采用AH 32及以上的船用鋼。但在實際生產(chǎn)過程中一般圍板使用國標(biāo)Q235A鋼，需要在主甲板和圍板之間增加一塊AH 32以上材質(zhì)的復(fù)板來隔斷。主甲板上的風(fēng)機(jī)、電纜、管子基本都可以采用這種形式。

此外，開孔宜采用數(shù)控開孔，沒有毛刺、凹坑等缺陷，開孔邊緣需打磨光滑。為了便于設(shè)備加工，開孔寬度建議大于板的厚度。所有的舾裝件焊接需嚴(yán)格遵循焊接工藝規(guī)程，焊后將焊縫打磨光滑，避免應(yīng)力集中。

1.4開孔加強(qiáng)

抗扭箱區(qū)域的甲板、縱壁板厚一般較大，常規(guī)舾裝開孔對其屈曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度削減不多，一般不需要對母材進(jìn)行額外加強(qiáng)，但抗扭箱內(nèi)的肋板除外。通常肋板上會預(yù)留大開孔供管系、電纜通行，肋板留下的有效面積有限，如果開孔需要考慮加強(qiáng)，一般以貼附復(fù)板的方式來彌補(bǔ)肋板開孔損失的剪切面積。雖然抗扭箱區(qū)域的厚板開孔處一般不需要對母材進(jìn)行加強(qiáng)，但是要考慮舾裝連接件本身的強(qiáng)度是否足夠，避免舾裝件結(jié)構(gòu)太弱產(chǎn)生裂紋并傳導(dǎo)至母材，本文在后面的設(shè)計實例中有相關(guān)說明。

2 設(shè)計實例

根據(jù)前面章節(jié)所述的原則，本章節(jié)列出了實船的設(shè)計方案，對船廠設(shè)計人員的參考及指導(dǎo)作用更為直觀具體。

某型14 500 TEU主甲板開孔及連接形式如圖8所示。

圖8 某型14 500 TEU主甲板開孔

圖8中的橢圓孔為二甲板通道風(fēng)機(jī)開孔，腰圓孔為管子開孔。橢圓孔兩頭的可通行面積小，如要讓相同的管子貫穿，橢圓孔將比腰圓孔開孔尺寸更大，經(jīng)權(quán)衡，實際設(shè)計中管子開孔采用了腰圓孔，并將開孔盡量遠(yuǎn)離角隅處。由于主甲板材質(zhì)已達(dá)EH 40，穿艙形式中的復(fù)板選用了15AH36材料。另外，開孔邊緣與外板、內(nèi)縱壁需保持一定距離，建議最少200 mm。

縱壁上的開孔及連接形式如圖9所示。

本型船內(nèi)縱壁最厚板(65 mm)上沒有舾裝開孔，開孔放在次厚板上，對開孔形狀的要求相較主甲板可適當(dāng)降低，但抗扭箱區(qū)域整體應(yīng)力水平相對較高，舾裝件連接方式仍需特別考慮。像機(jī)艙區(qū)使用的電纜襯圈常規(guī)厚度一般約為6 mm，材質(zhì)為Q235A，用在此處顯然并不合適，因此抗扭箱區(qū)域的電纜襯圈需要特殊制作，適當(dāng)增加厚度及鋼級，如某型14 500 TEU采用的是厚度12 mm鋼級為AH 32的電纜襯圈，襯圈長度為250 mm，電纜敷設(shè)完成后在電纜襯圈中注入密封材料，保證水密性。同樣地，當(dāng)管子采用法蘭復(fù)板連接時，復(fù)板的板厚及鋼級也要相應(yīng)提高，此處使用的是20AH32的復(fù)板。

抗扭箱肋板新增開孔時需注意開孔與外板、開孔與開孔之間距離不能太小，當(dāng)開孔較大時需貼附復(fù)板予以加強(qiáng)，如圖10所示。

圖9 某型14 500 TEU內(nèi)縱壁開孔

圖10 某型14 500 TEU抗扭箱區(qū)域肋板開孔及加強(qiáng)

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3 結(jié) 語

本文主要根據(jù)建造的多型集裝箱船的實際生產(chǎn)經(jīng)驗對抗扭箱區(qū)域的開孔及加強(qiáng)形式進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出合理的開孔位置、開孔形狀以及舾裝件與結(jié)構(gòu)的連接方式，并給出設(shè)計實例，針對性較強(qiáng)，實用性較高，對船廠生產(chǎn)設(shè)計人員具有一定的參考及指導(dǎo)作用。本文的不足之處是由于舾裝件與結(jié)構(gòu)的連接方式難以建立數(shù)據(jù)模型，只有經(jīng)驗積累，缺乏理論分析，作者將做進(jìn)一步的跟蹤研究。

[1] 褚洪，張世聯(lián)，李源源.桁材開孔腹板的線性屈曲強(qiáng)度分析[J].船舶工程，2012(4):24-26.

[2] 黃茜，張世聯(lián)，鄭軼刊.梁腹板開孔后的橫向極限承載能力分析[J].中國艦船研究，2013(3):27-32.

[3] 葛俊波，張世聯(lián)，鄭軼刊.橫梁腹板開孔剪切穩(wěn)定性加強(qiáng)方式[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2014(9):60-64.

[4] DNV GL.CG-0129 Class Guideline Fatigue Assessment of Ship Structures [S].2015.

CutoutsandReinforceSolutioninContainerShipTorsionBox

YANG Zewei， LI Yankun，ZHANG Cheng

(Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd.， Shanghai 200129, China)

With the large-scale development of container ships, the use of large thickness high tensile steel plates in the torsion box area is increasing, and the fatigue strength is the focus of structural safety, but the cutouts in the thick plate will have a certain adverse effect on the fatigue strength. By summarizing the experience of multi-type container ship built by Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd.， the cutouts and strengthening scheme suitable for torsion box thick plate are put forward.

cutout；container ship；torsion box; fatigue strength

陽澤偉(1983-)，男，工程師，研究方向為船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計

1000-3878(2017)05-0060-06

U661

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