基于HCSR與CSR-OT的靈便型油船結(jié)構(gòu)對比分析

(中國船級社規(guī)范與技術(shù)中心,上海 200135)

2015年7月1日起，油船與散貨船迎來了HCSR時代。作為CSR的升級組合版，HCSR將散貨船和油船的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造要求進行了協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，不僅提高了建造標準，原有船型的設(shè)計理念也發(fā)生了較大的變化，而且對載荷、描述性及屈曲要求、直接強度分析、疲勞校核等方面的要求進行了修改。靈便型油船因其靈活性強、吃水較淺、船長短且貨油艙數(shù)量較多，一直以來備受市場歡迎，需求量很大。為此，通過考察4型靈便型油船涉及CSR和HCSR中描述性及屈曲要求的異同，整理出相關(guān)規(guī)律，分析滿足CSR規(guī)范的油船在新規(guī)范下的適用情況，為靈便型油船由CSR.OT[1]升級至HCSR[2]提供參考。

1 描述性及屈曲要求的主要變化

HCSR對油船描述性及屈曲要求最直接的變化主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①材料；②凈尺寸方法；③船體梁強度；④船體局部尺度；⑤屈曲評估。

1.1 材料

HCSR中對材料的要求基本引用了散貨船共同規(guī)范(以下簡稱CSR.BC)，相較于雙舷側(cè)油船共同規(guī)范(以下簡稱CSR.OT)，其最顯著的變化是增加了最小材料等級的要求。

1.2 凈尺寸方法

HCSR中對凈尺寸的圖示定義相較于CSR.OT更為明確，尤其對扣除腐蝕增量后的構(gòu)件尺寸量取給出了更為清晰的圖示。對T型材的定義對比見圖1。

1.3 船體梁強度

HCSR船體梁強度校核中船體梁彎曲強度評估、剪切強度評估方式與CSR.OT基本一致，但增加了極限強度評估[5]和殘存強度評估。HCSR船體梁極限強度評估的要求源自CSR.BC，相對于CSR.OT評估范圍和校核的工況均發(fā)生了變化，對比見表1。

表1 船體梁極限強度對比

同時HCSR加入了涵蓋雙層底彎曲效應(yīng)的分項安全因子[3]，用于計算雙層底的板架彎曲對極限彎曲能力的折減[8]。對于油船在完整航行中拱工況下的貨油艙，其船體梁極限強度將減小近10%。

HCSR相對于CSR.OT，增加了船體梁殘存強度的評估要求，針對船體發(fā)生碰撞和擱淺的破損狀態(tài)下的船體梁極限彎曲能力校核。評估范圍包括貨艙區(qū)域和機艙。

1.4 船體局部尺度

HCSR在船體局部尺度的變化主要體現(xiàn)在最小厚度要求[4]、晃蕩計算、進水工況的壓力計算、上層建筑計算等方面。

1.4.1 最小板厚要求

HCSR對于最小板厚的要求，綜合了CSR.OT和CSR.BC，相同結(jié)構(gòu)取二者的要求大者。對比CSR.OT，構(gòu)件最小凈厚度的差異見表2，可見對于外殼板及內(nèi)底板的要求均有增加。

表2 最小凈厚度要求及差異 mm

1.4.2 晃蕩計算

相對于CSR.OT，HCSR對于晃蕩計算有了更為明確的適用范圍，并增加了高密度液體裝載高度的要求及評估方法。表3給出了HCSR在晃蕩計算方面增加的定義。

表3 晃蕩評估增加部分(HCSR)

1.4.3 進水工況計算

CSR.OT對進水工況的載荷僅有靜壓力要求，而HCSR不僅修正了靜壓力公式(pin-flood=ρgZflood)中參數(shù)Zflood的取值，而且加入了動壓力要求。

CSR.OT中Zflood是載荷點到最深平衡水線的垂向距離。若未給出該水線，則取到干舷甲板的位置處；但HCSR則明確指出Zflood為載荷點到最深平衡水線或干舷甲板邊垂向距離的大值?？芍猵in-flood(HCSR) ≥pin-flood(CSR)，HCSR要求更高。

新增進水工況動壓力公式:

Pfd=fβρ[aZ(z0FD-z)+full-laX(x0-x)+full-taY(y0-y)]

(1)

由于動壓力公式中的參考點坐標z0FD、x0、y0取為壓載貨艙頂部邊界所有點中使Vj的值最大對應(yīng)的點，計算公式為

Vj=aX(xj-xG)+aY(yj-yG)+(aZ+g)(zj-zG)

(2)

可知載荷點的動壓力與艙室重心位置密切相關(guān)。

1.4.4 上層建筑/甲板室計算

HCSR對于上層建筑/甲板室的計算引入了載荷，并均考慮了動、靜壓力的因素，區(qū)別于CSR.OT的設(shè)計壓頭計算。可見HCSR上層建筑/甲板室的計算過程要明顯復(fù)雜于CSR.OT要求。但對于上層建筑/甲板室的甲板主要支撐構(gòu)件在HCSR中明確規(guī)定可采用板架分析，并給出了相應(yīng)的應(yīng)力衡準。

1.5 屈曲評估

HCSR的屈曲評估相對于CSR.OT的變化，主要表現(xiàn)在長細比要求和描述性屈曲要求。

1.5.1 長細比要求

HCSR的要求源自CSR.OT，有2處修改。

1)球扁鋼腹板的長細比系數(shù)由41改為45，稍微降低了要求值。

2)角鋼和T型材的翼板總寬bf衡準，即bf≥0.25hw，在CSR.OT中采用總厚度計算，而HCSR中則采用凈厚度計算，稍微提高了要求值。

1.5.2 描述性屈曲要求

HCSR給出了用于確定板格、加強筋、主要支撐構(gòu)件、支桿、支柱、橫撐材和槽型艙壁的屈曲能力的方法，不僅載荷和應(yīng)力組合方式與CSR.OT不同，屈曲校核的計算公式也發(fā)生了較大的變化。除此之外，進行描述性屈曲計算時還應(yīng)注意以下兩方面。

1)在按照HCSR的描述性屈曲評估時，應(yīng)當注意除了需對板和加強筋分別進行屈曲校核外(CSR.OT與HCSR均需評估)，還需對整體加筋板格能力進行評估(HCSR新增要求)。

同時，HCSR規(guī)定對加強筋進行屈曲校核的前提是整體加筋板格滿足屈曲要求。

2)HCSR對于槽型艙壁的屈曲要求及方法與CSR.OT不同，見表4。

表4 槽型艙壁屈曲評估方法

2 實船評估及分析

以4型靈便型油船為研究對象，采用CCS開發(fā)的CSR.OT和HCSR的軟件SDP進行計算驗證。針對靈便型油船在設(shè)計滿足CSR.OT及HCSR時應(yīng)當注意的規(guī)范計算差異，分析相關(guān)規(guī)律，總結(jié)靈便型油船在滿足CSR.OT下對HCSR的適應(yīng)性。僅考慮CSR.OT和HCSR的描述性及屈曲要求。4型靈便型油船分別為28 000 DWTⅠ型、28 000 DWTⅡ型、30 000 DWT、38 000 DWT，其中28 000 DWTⅡ型油船設(shè)計審核已滿足HCSR要求，其他3型船滿足CSR.OT要求。具體結(jié)構(gòu)形式見表5。

表5 3型油船結(jié)構(gòu)型式對比

2.1 材料

對于靈便型油船應(yīng)注意HCSR新增的最小材料等級要求。主要針對船中0.4L范圍內(nèi)的強力甲板板和其縱向主要板構(gòu)件(不包括加強筋)，最小材料等級應(yīng)為B/AH。設(shè)計時需考慮全船使用普通鋼的靈便型油船，28 000 DWTⅡ型油船即為此類型油船。

2.2 凈尺寸方法

在對28 000 DWTⅠ型油船的計算中發(fā)現(xiàn)，在總提供骨材剖面模數(shù)相同的情況下，原CSR SDP計算得出的骨材凈提供剖面模數(shù)較HCSR的計算結(jié)果偏大[10]，見表6。

表6 骨材凈提供剖面模數(shù)對比(CSR.OT/HCSR)

由表6可見，HCSR與CSR.OT在計算骨材凈提供剖面模數(shù)差異，同時驗證另外3型油船的差異同樣存在，并發(fā)現(xiàn)隨著骨材規(guī)格的增大以及帶板腐蝕增量的增大，CSR.OT與HCSR的骨材凈提供剖面模數(shù)的差異也逐漸增大。因此船舶設(shè)計時，若原CSR目標船的骨材剖面模數(shù)剛好滿足規(guī)范要求，則在HCSR符合驗證時再予以適當加強。

2.3 船體梁強度

1)船體梁極限強度[7]。相對于CSR.OT，由于HCSR增加了完整中拱及港內(nèi)工況的評估，結(jié)合實船驗證所得規(guī)律見表7。

表7 船體梁極限強度決定工況

2)船體梁殘存強度。在3型實船驗證中，碰撞和擱淺狀態(tài)下的殘存強度均有較大的裕度。即滿足CSR.OT要求的靈便型油船一般都滿足HCSR的殘存強度要求[6]。

2.4 船體局部尺度

2.4.1 最小板厚要求

由于HCSR對于油船的最小板厚要求進行了局部修正，在對4型實船進行CSR.OT與HCSR計算驗證，結(jié)果見表8。

表8 板厚決定條件

注： M代表最小凈厚度要求；P代表壓力計算要求。

因此根據(jù)實船驗證，可認為在38 000 DWT及以下靈便型油船設(shè)計時，尤其是CSR.OT升級HCSR油船時，甲板、外板及內(nèi)底板的厚度可由規(guī)范最小凈厚度確定。

2.4.2 晃蕩計算

由于HCSR的晃蕩計算方法同CSR.OT，因此對于無限制裝載情況下的晃蕩評估，二者的評估結(jié)論相同。但對于高密度且限制部分裝載液體的晃蕩評估，HCSR規(guī)定了允許的最大液面高度hpart，其晃蕩計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)的要求低于CSR.OT，但其評估結(jié)果符合實際裝載情況，且更為精確，可以避免造成鋼材的浪費。

2.4.3 進水工況計算

進水工況中的動壓力對非露天強力甲板及水密平臺(機艙區(qū)域)上骨材的尺度影響最為明顯。非露天強力甲板及水密平臺上骨材的決定因素為進水動壓力。

選取實船28 000 DWTⅠ型油船機艙區(qū)域某一剖面進行CSR.OT和HCSR驗證，甲板縱骨剖面模數(shù)要求的對比見表9，所考察位置為機艙處的非露天甲板。

表9 非露天甲板縱骨剖面模數(shù)對比 cm3

根據(jù)4型實船計算發(fā)現(xiàn)，HCSR下機艙區(qū)域的露天甲板縱骨尺度一般由上浪壓力所決定，且計算要求值小于CSR.OT的要求。但對于機艙區(qū)域的非露天甲板縱骨尺度則由進水動壓力決定，結(jié)合實船驗證結(jié)果，可知縱骨要求值是隨著縱骨位置與艙室重心位置的距離改變而變化的，即載荷點距離艙室重心越遠動壓力值越大。

2.4.4 上層建筑及甲板室計算

HCSR中對上層建筑及甲板室的甲板板要求與CSR.OT一致。對于甲板上的骨材及主要支撐構(gòu)件、甲板室圍壁板及骨材、上層建筑的端壁板及骨材要求，則引入了側(cè)向壓力的計算。根據(jù)對4型靈便型油船的計算驗證，整體來說HCSR對上層建筑和甲板室的要求要高于CSR.OT。具體以28 000 DWTⅠ型船為例，結(jié)果見表10～12。

表9 甲板骨材剖面模數(shù)要求值對比 cm3

表10 甲板室圍壁板要求值對比 mm

表11甲板室圍壁扶強材剖面模數(shù)要求值對比cm3

對比項甲板第一層第二層第三層第四層CSR油船246424242HCSR248424242比值(HCSR/CSR)1111

由表10～12可見，無論是HCSR還是CSR油船，甲板室/上層建筑層數(shù)越低則要求越高。甲板室圍壁及上層建筑端壁扶強材的剖面模數(shù)要求二者相同。而對于甲板骨材和甲板室圍壁板的要求，HCSR對低層甲板室的要求則遠高于CSR.OT。因此在設(shè)計上層建筑/甲板室時，或者做空船重量估算，特別是在做CSR.OT升級為HCSR時，應(yīng)考慮側(cè)向壓力的影響。

而對于甲板主要支撐構(gòu)件的計算，由于HCSR特別給出了板架分析的衡準，則推薦采用板架結(jié)構(gòu)進行校核，相較于規(guī)范公式更為簡潔、安全。

2.5 屈曲評估

2.5.1 長細比要求

角鋼及T型材翼板寬度與腹板高度比要求，由總厚度比修改為凈厚度比。因此在同樣高度腹板情況下，HCSR的翼板比CSR.OT要求略寬，約增加所處環(huán)境腐蝕增量的0.25倍。

2.5.2 描述性屈曲要求

盡管HCSR與CSR.OT的描述性屈曲要求計算公式差異較大[9]，但在實船驗證時發(fā)現(xiàn)3型滿足CSR規(guī)范的靈便型油船的板和加強筋也基本滿足HCSR的屈曲計算要求，不過屈曲利用因子均略大于CSR.OT的計算值。同時，垂直槽型縱/橫艙壁也滿足HCSR規(guī)范的屈曲計算要求。而對于水平槽型縱艙壁，由于軟件中暫無其計算模塊，所以無法得出相應(yīng)的結(jié)論。

3 結(jié)論

1)38 000 DWT及以下靈便型油船的甲板、外板及內(nèi)底板厚度一般可由最小厚度確定。

2)HCSR進水工況增加的動壓力要求，主要決定非露天強力甲板及水密平臺骨材的尺度，且與骨材距離艙室重心的距離有關(guān)。

3)貨艙區(qū)域的船體梁極限強度決定于完整航行和均勻滿載時的中垂靜水工況，而對于機艙區(qū)域則決定于完整航行中拱工況和均勻滿載時的中垂靜水工況。

4)對于滿足CSR.OT要求的靈便型油船，一般對于新增的船體梁殘存強度及描述性屈曲要求也滿足于HCSR規(guī)范。但對于上層建筑的骨材及端/圍壁板、角鋼及T型材的長細比、船中0.4L區(qū)域強力甲板的最小材料等級要求，HCSR規(guī)范均有明顯提高。

[1] 國際船級社協(xié)會.雙殼油船結(jié)構(gòu)(CSR).北京人民交通出版社,2012.

[2] 國際船級社協(xié)會.散貨船和油船結(jié)構(gòu)(CSR).北京:人民交通出版社,2015.

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[6] 陳立,戴挺,姚道海.協(xié)調(diào)版共同結(jié)構(gòu)規(guī)范對阿芙拉型油船的影響分析.上海:船舶,2015(B9):103-107.

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