木屑船貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)防裂紋設(shè)計優(yōu)化

李 濤，蔣明華，楊 偉

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

木屑船全稱為木屑運輸船，也稱為木片運輸船，用于運輸造紙用的散裝木屑或者木片。最初，為了適應(yīng)每年進(jìn)口大量木屑用于造紙的運輸需要，日本船廠率先研發(fā)出木屑船船型。航運市場上的不少木屑船由日本設(shè)計建造，入級日本船級社。

隨著世界造紙業(yè)的發(fā)展，我國成為世界上最大的造紙國，對造紙原材料的需求日益增長，對木屑運輸船的需求逐漸增加。國內(nèi)船廠也開始建造木屑船，相關(guān)船廠建造交付過6萬噸級的木屑運輸船，目前交付的最大噸位為70 000 t。

國內(nèi)供設(shè)計者參考的關(guān)于木屑船的相關(guān)資料比較少，僅有部分資料對木屑船進(jìn)行了介紹。木屑船由于其貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)的特殊性，疲勞問題比普通散貨船更加嚴(yán)重，在運營一段時間后容易產(chǎn)生裂紋。為此，本文對木屑船特點進(jìn)行分析，確定了易產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵位置并提出相關(guān)改進(jìn)措施，對后續(xù)木屑船的設(shè)計有一定的參考意義。

1 木屑船的特點

木屑船可以認(rèn)為是干散貨船的一種，但相比常規(guī)的干散貨船又有其自身的特點。

1.1 貨艙艙容更大

由于木屑的密度比較小，一般為0.4 t/m左右，為了運輸更多的木屑貨物，就需要比普通干散貨船更大的貨艙艙容。而增加型深和型寬是增加貨艙艙容的最直接的方法，因此木屑船都有比較大的型深和型寬。普通64 000 t散貨船和64 000 t木屑船的主要參數(shù)對比見表1。從表中看出，普通64 000 t散貨船的垂線間長、型寬及型深都比64 000 t木屑船小很多，而結(jié)構(gòu)吃水和方形系數(shù)比64 000 t木屑船要大，64 000 t木屑船的貨艙艙容比64 000 t散貨船大66.6%。

表1 64 000 t散貨船和64 000 t木屑船主要參數(shù)對比

1.2 設(shè)計裝載噸位不宜過大

如果木屑船的載重量小，則單個航次運輸量比較少，船舶的經(jīng)濟(jì)性比較差。但若大幅增加木屑船的主尺度，又容易受港口的限制。所以，目前的木屑船噸位一般都在70 000 t以下。

1.3 設(shè)有重壓載艙和港口壓載艙

由于木屑船為專用運輸船，一般往返只有一個航程載貨?？蛰d航行時為了保證穩(wěn)性，除普通壓載艙進(jìn)行壓載以外，還需對中間的某個貨艙進(jìn)行壓載。在裝卸貨時由于港口條件的限制，需要對部分貨艙進(jìn)行壓載以降低船舶高度，從而方便裝卸貨。以64 000 t木屑船為例，3號貨艙兼作重壓載艙，由于受到壓載水的壓力較大，3號貨艙的結(jié)構(gòu)和槽型艙壁強度需重點考慮；1號和5號貨艙兼作港口壓載艙，不需要壓滿艙，一般只需壓半艙甚至更少，結(jié)構(gòu)不需額外考慮港口壓載的壓力。

1.4 貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)特點

木屑船貨艙設(shè)雙層底和底邊艙，舷側(cè)為單殼結(jié)構(gòu)。為了增加貨艙艙容，不設(shè)頂邊艙，甲板邊線至艙口邊線由懸臂梁來支撐。為了防止積貨，貨艙內(nèi)的舷側(cè)縱桁一般為傾斜安裝，T型材面板一般也是傾斜安裝。

1.5 不需滿足《散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》要求

《散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(以下簡稱《共同規(guī)范》)將散貨船定義為：散貨船是指在貨艙區(qū)具有單甲板、雙層底、頂邊艙和底邊艙，以及雙舷側(cè)或單舷側(cè)結(jié)構(gòu)、且用于運輸干散貨的船舶；至少其中1個貨艙具有頂邊艙和底邊艙的散貨船應(yīng)符合《共同規(guī)范》的強度要求。對照這定義，木屑運輸船不需要滿足《共同規(guī)范》要求。

因此，雖然木屑船屬于散貨船的一種，且結(jié)構(gòu)型式也符合《共同規(guī)范》定義的散貨船結(jié)構(gòu)型式，但是不需要滿足《共同規(guī)范》要求。

1.6 不需要滿足SOLAS有關(guān)要求

《國際海上人命安全公約》(2014)(SOLAS)規(guī)定：對于1999年7月1日或以后建造的船長150 m及以上的單舷側(cè)散貨船，設(shè)計用于運固體散貨，貨物密度為1 t/m及以上，應(yīng)該在所有裝載以及壓載工況下都能夠有足夠強度承受任意一個貨艙進(jìn)水，并考慮艙內(nèi)進(jìn)水所產(chǎn)生的動載荷影響。木屑專用運輸船的貨物密度在0.4 t/m左右，因此不需要滿足SOLAS對單舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)加強的要求。對于抓斗，在設(shè)計時限定重量不大于10 t，因此內(nèi)底板及底邊艙斜板也不需要額外加強。

2 裂紋關(guān)鍵位置選取及改進(jìn)措施

為了改善船體結(jié)構(gòu)性能，需要對船體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行分析識別，并對這些關(guān)鍵部位進(jìn)行特殊考慮。

2.1 風(fēng)暴壓載艙的槽型艙壁折彎處

普通散貨船的槽型艙壁采用折彎式，通過機(jī)械滾壓形成槽型。木屑船重壓載艙由于其風(fēng)暴壓載艙需承受艙內(nèi)海水的靜壓力和動壓力，且槽型艙壁的跨距較大，因此在營運過程中，槽型艙壁折彎處容易產(chǎn)生裂紋。為了減少裂紋的發(fā)生，可以通過以下設(shè)計來改善：

(1)增設(shè)底墩和頂墩。槽型艙壁剖面模數(shù)的要求值與槽型艙壁的跨距的平方成正比關(guān)系，因此減小跨距一方面對減小槽型艙壁的尺寸是直接有效的方式，另一方面也可以減小槽型艙壁的變形量。在盡量減小對貨艙艙容影響的前提下，盡量將底墩和頂墩的尺寸做大，使槽型艙壁的跨距減小。

(2)將槽型艙壁由折彎型式優(yōu)化為焊接型式。采用深熔焊或者全焊透的焊接型式可以將槽型艙壁腹板和面板焊接處的應(yīng)力全部釋放出來，從而減小產(chǎn)生裂紋的概率。焊接式槽型艙壁的典型焊接節(jié)點見圖1。

圖1 焊接式槽型艙壁焊接節(jié)點(單位：mm)

2.2 普通舷側(cè)肋骨穿過舷側(cè)縱桁的貫穿孔處

普通散貨船的型深不大，且設(shè)有頂邊艙和底邊艙，舷側(cè)肋骨的跨距比較小，因此不需要額外設(shè)置舷側(cè)縱桁。而木屑船的型深比普通散貨船大很多，且不設(shè)頂邊艙，為了保證舷側(cè)整體板架的穩(wěn)定性及減小舷側(cè)肋骨的尺寸，有必要增設(shè)1～2道舷側(cè)縱桁。舷側(cè)肋骨由于受舷外水壓力及舷內(nèi)貨物的壓力，這些壓力最終都由舷側(cè)縱桁來承擔(dān)，壓力傳導(dǎo)到貫穿孔處，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致貫穿孔裂開。設(shè)計時可以通過以下方法來改善：

(1)減少在舷側(cè)縱桁上的開孔。普通散貨船的船底縱桁或者雙舷側(cè)縱桁在設(shè)計時會開人孔或者減輕孔，這些開孔一般不會影響散貨船的強度。但是，木屑船由于舷側(cè)結(jié)構(gòu)剛性較弱，開孔會減弱舷側(cè)縱桁的結(jié)構(gòu)強度，因此除了必要的通道孔以外，不建議開減輕孔。

(2)肋骨貫穿孔進(jìn)行補板補強。對于重壓載艙，增設(shè)水密補板是改善貫穿孔疲勞強度的比較有效的方法，見圖2；對于普通貨艙，增設(shè)非水密補板即可。

圖2 舷側(cè)縱桁的補強

2.3 普通肋骨和強肋骨的趾端處

橫向船體構(gòu)件需承受海水的靜壓、動壓及貨物壓力，趾端容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，設(shè)計時需重點考慮。趾端設(shè)計可以參考《共同規(guī)范》對舷側(cè)肋骨趾端的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計推薦。在設(shè)計時還可以通過以下方法來改善趾端的疲勞強度：

(1)對設(shè)計趾端節(jié)點進(jìn)行有限元疲勞分析，通過反復(fù)計算優(yōu)化，最終確定最優(yōu)節(jié)點形式，使疲勞壽命更好地滿足船級社要求。64 000 t木屑船普通肋骨趾端的設(shè)計節(jié)點見圖3，主肋骨趾端節(jié)點的疲勞細(xì)化模型見圖4。

圖3 普通肋骨趾端的典型節(jié)點(單位：mm)

圖4 主肋骨下趾端細(xì)化模型

(2)舷側(cè)肋骨下端肘板對應(yīng)的位置底邊艙內(nèi)部應(yīng)設(shè)置支撐肘板，支撐肘板可以適當(dāng)增大，以降低趾端區(qū)域的應(yīng)力集中；如果下端肘板趾端的位置布置縱向骨材，則該位置不可設(shè)置縱骨貫穿孔或用水密補板將其封閉。

(3)舷側(cè)肋骨下端肘板與橫向支撐肘板盡量對齊，最大偏差不超過1/3的建造板厚。建造板厚為所需要對準(zhǔn)的板材中具有較小厚度腹板的板厚。

(4)對于趾端面板終止處的包角焊，應(yīng)該盡量避開趾端的倒圓區(qū)域，且趾端應(yīng)盡量遠(yuǎn)離縱骨貫穿孔或者缺陷處。

2.4 槽型艙壁與底凳頂板連接處

普通散貨船的槽型艙壁與底凳頂板連接處易產(chǎn)生裂紋。由于木屑船剛性較弱，此處受到交變應(yīng)力的作用，比普通散貨船更容易裂開。設(shè)計時可以通過以下方法來減小裂紋產(chǎn)生的概率：

(1)考慮增設(shè)封槽板。封槽板的厚度取槽型艙壁的厚度，材質(zhì)與槽型艙壁的材質(zhì)一樣；封槽板豎板的高度一般應(yīng)不小于槽條寬度的一半。封槽板附近結(jié)構(gòu)還需進(jìn)行有限元細(xì)化分析，使計算結(jié)果滿足船級社要求。封槽板的設(shè)置見圖5，封槽板的細(xì)化模型見圖6。

圖5 封槽板的設(shè)置

圖6 封槽板的細(xì)化模型

(2)封槽板周界與槽型艙壁焊接采用全焊透或者深熔焊焊接型式，焊接的引弧點和息弧點應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離槽條的折角處。由于封槽板是全封閉結(jié)構(gòu)，采用全焊透焊接比較困難，需要在封槽板斜板上開臨時工藝孔，人員進(jìn)入進(jìn)行焊接，探傷后再通過單面全焊透型式將臨時工藝孔封閉。

2.5 艙口角隅處

對于貨艙的艙口角隅，日本船級社的《鋼質(zhì)船舶入級與建造規(guī)范》有著明確的規(guī)定：對于貨艙區(qū)域的艙口角隅，若半徑不小于600 mm或者具有橢圓或者類似形狀，一般不要求嵌入厚板，也不要求加復(fù)板；強力甲板的焊接接頭應(yīng)避開艙口角隅處。如果艙口角隅處增設(shè)卸貨板，則卸貨板下端不能直接與艙口角隅板焊接，見圖7。

2.6 底凳邊板與內(nèi)底板的連接處

由于槽型艙壁跨距較大，木屑船結(jié)構(gòu)相對較弱，船體結(jié)構(gòu)變形時底凳邊板與內(nèi)底板的連接處極易產(chǎn)生裂紋。設(shè)計時可以通過以下方法來改善此處的疲勞問題：

(1)考慮增設(shè)船底縱桁以增加縱向剛度，減小船體梁在底凳邊板與內(nèi)底板的連接處的交變應(yīng)力，從而改善疲勞問題。

(2)在內(nèi)底板插入加厚板，適當(dāng)加厚底凳邊板下的船底實肋板。

(3)底凳邊板與內(nèi)底板的連接采用全焊透焊接型式。

圖7 艙口角隅處卸貨板的安裝方式

2.7 船中區(qū)域縱骨與肋板的連接處

一般來說，中拱或者中垂的最大彎矩都出現(xiàn)在船中區(qū)域。由于此區(qū)域受到總縱彎矩的作用，應(yīng)力較大，縱骨與肋板連接處會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，船舶在實際運營過程中，縱骨在肋板處產(chǎn)生裂紋的概率也比較大。因此，此區(qū)域縱骨疲勞問題也應(yīng)重點考慮。在縱骨與肋板的連接處采用軟根連接，以降低應(yīng)力集中系數(shù)、提高縱骨的疲勞壽命。

2.8 其他優(yōu)化方法

除了改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)尺寸外，還可以通過以下方式對船體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：

(1)編制合適的焊接工藝，減少焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。

(2)控制關(guān)鍵區(qū)域的建造偏差，提高裝配階段對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置構(gòu)件的裝配對準(zhǔn)精度。

(3)增加焊接后處理，如打磨等，使焊縫趾端處能平滑過度，以減小由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)，從而減小結(jié)構(gòu)節(jié)點的熱點應(yīng)力。

3 結(jié)論

通過對木屑船的特點及容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋的部位進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)重壓載艙是最容易產(chǎn)生裂紋的區(qū)域。

(2)裂紋關(guān)鍵位置應(yīng)選擇在應(yīng)力集中嚴(yán)重及動載荷較大部位進(jìn)行重點分析校核，如槽型艙壁與底凳頂板的連接處等。

(3)對木屑船容易產(chǎn)生裂紋部位的改進(jìn)措施可以作為一種設(shè)計方法供后續(xù)設(shè)計參考。

(4)通過對建造過程中工藝及焊接的控制來提高關(guān)鍵節(jié)點的疲勞強度，以減少船舶在營運過程中產(chǎn)生疲勞裂紋的概率。