極地凝析油船艏柱艉柱設(shè)計(jì)

胡顯偉 楊麟

(廣船國際技術(shù)中心)

0 前言

極地冰區(qū)航行船舶破冰時(shí)無論是擠壓式破冰還是重力式破冰，都會(huì)受到較大的冰載荷，同時(shí)由于極地氣溫低、冰層較厚，結(jié)構(gòu)還需要抵抗低溫對(duì)材料性能的影響，因此需要設(shè)計(jì)具備耐低溫和承受破冰載荷的艏柱艉柱。

我國冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)、建造起步較晚，目前的艏柱艉柱形式不適用船廠的生產(chǎn)和成本控制。為此，在極地凝析油輪的研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，我們通過收集資料，總結(jié)冰區(qū)船設(shè)計(jì)和建造的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)冰區(qū)船艏柱艉柱的技術(shù)性能、規(guī)范要求進(jìn)行深入研究，在船級(jí)社認(rèn)可的前提條件下，采用適合船廠建造的艏柱艉柱的新的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而解決艏柱艉柱形式的建造工藝性問題。

1 常見破冰艏柱艉柱及對(duì)比分析

目前常見的破冰艏柱艉柱主要有整體式鑄鋼型艏柱艉柱和焊接式艏柱艉柱兩種類型。

1.1 鑄鋼型艏柱艉柱

優(yōu)點(diǎn)：整體鑄鋼件，具有良好的剛性，其破冰承載能力和結(jié)構(gòu)安全性較好，船級(jí)社能夠快速退審。缺點(diǎn)：目前，國內(nèi)的鑄鋼件制作廠家還不具備大型、超低溫（-50℃）鑄鋼件的生產(chǎn)能力，還未取得俄羅斯船級(jí)社低溫證書，其研發(fā)、制作和取證的周期較長，同時(shí)根據(jù)廠家報(bào)價(jià)，低溫鑄鋼件的價(jià)格十分昂貴。

1.2 焊接型艏柱艉柱

優(yōu)點(diǎn):原材料來源廣泛，制作周期可控，成本大大低于鑄件。

缺點(diǎn)：因其由鋼板焊接而成，導(dǎo)致破冰承載能力較鑄件有所降低。同時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)具備足夠的安全性，其選用的鋼板厚度較厚，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工作量大，存在施焊困難。

1.3 艏柱艉柱選用分析

凝析油輪入級(jí)俄羅斯船級(jí)社，需滿足附加入級(jí)符號(hào)“Arc7”、“WINTERIZATION(-50)”的要求：艉柱應(yīng)為鑄鋼，艏柱可采用焊接型（推薦鑄鋼），該焊接型艏柱需按下圖1所示進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 規(guī)范要求的焊接型艏柱

若凝析油船的艏柱艉柱均采用鑄鋼件，其建造將受到廠家的生產(chǎn)能力和取證的影響。同時(shí)，根據(jù)規(guī)范要求，破冰艏柱艉柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)覆蓋輕載冰吃水線至滿載冰吃水線的區(qū)域，并上下延伸一定范圍。受鑄件運(yùn)輸和吊裝能力的影響，根據(jù)凝析油船分段劃分的要求，需將艏柱艉柱分別設(shè)計(jì)成三個(gè)小鑄件，每個(gè)小鑄件在相應(yīng)的分段制作時(shí)安裝，最后隨分段一起進(jìn)行總組。綜上，鑄鋼件的制作周期較長，成本高，將會(huì)嚴(yán)重影響本船的生產(chǎn)進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。

如果完全按照規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)焊接型艏柱艉柱，其焊接工作量大，存在施焊困難的情況。圖2是常見的焊接型破冰艏柱，在外板內(nèi)側(cè)布置有較大的縱、橫向支撐結(jié)構(gòu)，以保障船體結(jié)構(gòu)具備抵抗破冰載荷的能力。由于這些結(jié)構(gòu)密集，間距僅400mm，施焊困難，影響了船舶建造的質(zhì)量，此類焊接型破冰艏柱艉柱生產(chǎn)效益較鑄鋼型艏柱艉柱并沒有大的改善。

圖2 常見的焊接型破冰艏柱

2 焊接型破冰艏柱艉柱優(yōu)化

采用焊接型艏柱艉柱更具有優(yōu)勢(shì)，但需解決以下幾個(gè)問題：

（1）破冰承載能力降低；

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施焊困難；

（3）船級(jí)社對(duì)焊接型艏柱艉柱的認(rèn)可。

2.1 優(yōu)化艏柱艉柱節(jié)點(diǎn)，有效傳遞破冰載荷，提升破冰承載能力

船舶破冰航行時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)受到較大的破冰載荷，在凝析油船設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)焊接型艏柱艉柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行如下優(yōu)化，可有效傳遞破冰載荷，提升焊接型艏柱艉柱的破冰承載能力：

（1）破冰位置的外板和中縱壁板采用大厚度、高強(qiáng)度鋼板，同時(shí)其連接位置采用全焊透的焊接形式；

（2）內(nèi)部設(shè)置縱桁和肋骨支撐外板和壁板，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

艏柱艉柱節(jié)點(diǎn)見圖3，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)布置見圖4。

圖3 破冰艏柱艉柱優(yōu)化結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)

圖4 優(yōu)化后的艏柱結(jié)構(gòu)布置及安裝步驟

另外，此艏柱艉柱節(jié)點(diǎn)除了提升破冰承載能力外，也較船級(jí)社要求的節(jié)點(diǎn)形式減少了兩道外板全焊透焊縫，節(jié)省了焊接工作量，提高了生產(chǎn)效益。

2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，解決施焊困難

根據(jù)以往冰區(qū)船舶建造的經(jīng)驗(yàn)，造成施焊困難，影響現(xiàn)場(chǎng)施工的原因，主要有以下三點(diǎn)：

（1）因?yàn)槠票囊?，艏柱艉柱區(qū)域結(jié)構(gòu)與外板之間的夾角很小，影響施工空間；

（2）內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的間距僅400mm，結(jié)構(gòu)密集，同時(shí)結(jié)構(gòu)上單邊設(shè)置的加強(qiáng)筋使得結(jié)構(gòu)之間的凈空間只有280mm左右，空間狹??；

（3）整體式的支撐結(jié)構(gòu)規(guī)格較大，通常達(dá)到1m的深度，施焊難以到達(dá)，導(dǎo)致施焊困難。

第（1）點(diǎn)受空間制約，主要通過以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決施焊困難。

首先，將支撐結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋修改為對(duì)中安裝（T型），這樣在不改變橫向結(jié)構(gòu)布置的情況下，其結(jié)構(gòu)之間的凈空距離可以達(dá)到340mm左右。

其次，將縱桁與中縱壁的距離由原來的400mm調(diào)整為800mm，擴(kuò)大施工空間。

最后，將原有一體式的橫向支撐結(jié)構(gòu)分成橫向肋骨和其他內(nèi)部加強(qiáng)筋兩個(gè)獨(dú)立部分，實(shí)現(xiàn)分步裝焊，解決施焊困難的難題，見圖4。

2.3 船級(jí)社認(rèn)可

上述焊接型艏柱艉柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與入級(jí)規(guī)范的要求有所差異，主要通過如下兩個(gè)認(rèn)證步驟，取得船級(jí)社的支持和認(rèn)可。

首先，論證破冰載荷傳遞路徑并獲得船級(jí)社對(duì)新型焊接型艏柱艉柱節(jié)點(diǎn)認(rèn)可；

其次，通過有限元計(jì)算，與船級(jí)社對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析討論，以確定該形式艏柱艉柱結(jié)構(gòu)尺寸和節(jié)點(diǎn)滿足入級(jí)要求。

3 結(jié)束語

通過艏柱艉柱創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了采購成本和建造成本，避免了鑄件采購對(duì)建造周期的影響，提高了建造效率，為建造冰區(qū)航行的船舶積累了經(jīng)驗(yàn)。