大型郵輪穿艙件超常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

符成志，陳新華，毛海駿，王巍

(1.上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海201306；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137)

管路穿艙件是船舶中常見結(jié)構(gòu)，其型式特點(diǎn)與安裝質(zhì)量直接關(guān)系到分隔區(qū)域的防火安全，SOLAS(國(guó)際海上人命安全公約)對(duì)于A級(jí)分隔區(qū)域即有明確要求，即總長(zhǎng)≥900 mm(以分隔兩側(cè)450 mm為宜)和壁厚≥3 mm的穿艙件可直接安裝使用，超出該范圍以外的穿艙件，則要求進(jìn)行型式設(shè)計(jì)并進(jìn)行特定的防火試驗(yàn)，以確保滿足分隔區(qū)域的完整性和溫升上限等防火要求。國(guó)產(chǎn)首艘大型郵輪作為人員高密度船型，受制于其船體內(nèi)部總體布置密集、空間局限、防火要求高等因素，大量A級(jí)分隔區(qū)域需要使用總長(zhǎng)度低于900 mm管路穿艙件。 為滿足該船型建造需求并符合SOLAS防火要求?；诖w結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與系統(tǒng)規(guī)格，提出一種300～900 mm長(zhǎng)、適用于最常見規(guī)格管徑DN20～DN450的、貫穿于甲板與艙壁結(jié)構(gòu)的短型金屬穿艙件型式，并按照《耐火試驗(yàn)程序應(yīng)用規(guī)則》進(jìn)行防火試驗(yàn)，以驗(yàn)證該型式的符合性與有效性。

1 設(shè)計(jì)選型

1.1 基本形式

大型郵輪等船舶內(nèi)部所需的短型穿艙件型式多樣，按安裝部位可分為艙壁穿艙件、甲板穿艙件，按常規(guī)材質(zhì)可分為碳鋼穿艙件、銅鎳穿艙件、不銹鋼穿艙件，按防火等級(jí)可分為A0級(jí)、A30級(jí)、A60級(jí)穿艙件。

綜合考慮管路系統(tǒng)的功能屬性、安裝位置、防火等級(jí)等要素，主要節(jié)點(diǎn)型式采用A/B/C三種基本型式，見圖1。

圖1 穿艙件

三者共同屬性為總長(zhǎng)度300～900 mm,單側(cè)長(zhǎng)度150～300 mm；安裝位置可用于艙壁或甲板結(jié)構(gòu)；防火等級(jí)涵蓋A0-A60級(jí)；管路通徑為DN20-DN450。

三者特有屬性如下。

1)A型穿艙件，兩側(cè)端部帶法蘭配墊片，管線與腹板焊接而成，腹板與艙壁或甲板結(jié)構(gòu)緊密貼合并焊接相連，主要用于碳鋼穿艙件。

2)B型穿艙件，兩側(cè)端部帶法蘭配墊片，管線與套管焊接，套管與腹板焊接，腹板與艙壁或甲板結(jié)構(gòu)緊密貼合并焊接相連，可用于碳鋼、不銹鋼及銅鎳穿艙件。

3)C型穿艙件，單側(cè)端部帶法蘭配墊片，另一側(cè)端部帶套管，管線與套管焊接，套管與艙壁或甲板結(jié)構(gòu)焊接相連，可用于碳鋼、不銹鋼穿艙件。

1.2 絕緣布置

絕緣的布置是為了更好的實(shí)現(xiàn)短型穿艙件的防火功能，考慮到工程施工的可行性以及SOLAS規(guī)范對(duì)防火等級(jí)的不同要求，該短型穿艙件在基本型式的基礎(chǔ)上，按照A0級(jí)、A30級(jí)、A60級(jí)的防火特性以及安裝位置(艙壁或甲板)的差異對(duì)絕緣的布置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以碳鋼/艙壁穿艙件為例，見圖2～4。

圖2 A0級(jí)無絕緣布置

圖3 A30級(jí)絕緣布置

圖4 A60級(jí)絕緣布置

A0級(jí)穿艙件未布置絕緣。

A30級(jí)穿艙件在艙壁單側(cè)布置絕緣，以法蘭外緣為界分為內(nèi)外兩種絕緣，內(nèi)側(cè)絕緣的標(biāo)稱厚度為60 mm，標(biāo)稱密度為100 kg/m，長(zhǎng)度設(shè)定為自絕緣艙壁至絕緣側(cè)法蘭；標(biāo)稱厚度為40 mm，外側(cè)絕緣的標(biāo)稱密度為80 kg/m，長(zhǎng)度設(shè)定為自絕緣艙壁向外沿絕緣側(cè)管路延伸至少400 mm，可用于A0/A15/A30級(jí)艙壁。

A60級(jí)穿艙件在艙壁兩側(cè)均布置絕緣，并以法蘭外緣為界分為內(nèi)外兩種絕緣，內(nèi)側(cè)絕緣的標(biāo)稱厚度與標(biāo)稱密度與A30級(jí)穿艙件等同，長(zhǎng)度設(shè)定為自絕緣艙壁至雙面法蘭；外側(cè)絕緣的標(biāo)稱厚度與標(biāo)稱密度與A30級(jí)穿艙件等同，長(zhǎng)度設(shè)定為自絕緣艙壁向外沿雙面管路延伸至少500 mm，可用于A0/A15/A30/A60級(jí)艙壁。

實(shí)際環(huán)境下，一旦起火，甲板承受的火勢(shì)與溫度較艙壁更加嚴(yán)峻(火苗朝上)，故對(duì)于甲板結(jié)構(gòu)的絕緣布置，較艙壁結(jié)構(gòu)略有不同，且更加嚴(yán)格，主要差異性為，艙壁與甲板選用的絕緣材料密度相同，艙壁穿艙件絕緣材料的標(biāo)稱厚度為60 mm，單層包覆，而甲板穿艙件的絕緣材料的標(biāo)稱厚度為40 mm，且兩層包覆，故總厚度達(dá)到80 mm。

1.3 安裝方式

該短型裝置制作完成后，需安裝在建造中的船體結(jié)構(gòu)上，艙壁結(jié)構(gòu)和甲板結(jié)構(gòu)需先行開孔，并完成分段完工或建造完工。故該裝置在艙壁上安裝方式為水平安裝，在甲板上安裝時(shí)為垂直安裝。

2 材料選用

該穿艙件結(jié)構(gòu)由金屬管段及附件、絕緣棉、墊片等材料構(gòu)成，選用上以符合技術(shù)要求的國(guó)產(chǎn)品牌為主，既可控制制造成本，亦可確保采購(gòu)渠道通暢。作為穿艙件主體部分的管段材質(zhì)與船體各系統(tǒng)管路保持一致，涵蓋碳鋼、銅鎳、不銹鋼，屬于較為常見的船用金屬材料。

對(duì)于A30以上防火等級(jí)的穿艙件，需要包覆絕緣棉以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的防火要求。在絕緣棉的選用上，經(jīng)過反復(fù)挑選，既要滿足設(shè)計(jì)要求，又要達(dá)到國(guó)際同等標(biāo)準(zhǔn)要求，最終采用國(guó)產(chǎn)的YG型巖棉毯為主進(jìn)行包覆，其材料屬性為含水率≤0.5%，有機(jī)物含量≤3%。材料的密度與厚度按設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)要求選用。該穿艙件適用的管徑范圍為DN20～DN450，對(duì)于DN20等小管徑管段，毯狀絕緣棉因其自身厚度與折彎半徑較大，包覆的貼合性與密封性欠佳，兼顧施工的便利性，對(duì)于DN50以下的小管徑管段采用了管狀絕緣棉，以提升穿艙件的整體防火性能。

墊片的耐火性能對(duì)穿艙件是否滿足防火等級(jí)要求較為重要，丁腈橡膠等常規(guī)墊片的阻燃性與硫化時(shí)間等性能已無法滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，決定選用國(guó)外某生產(chǎn)商提供的SF4300型環(huán)形墊片作為短型穿艙件的密封墊片。

3 功能試驗(yàn)

按照IMO 2010 FTP規(guī)則相關(guān)要求(見表1、表2)，該短型穿艙件的設(shè)計(jì)樣式需經(jīng)過嚴(yán)格的密性試驗(yàn)與防火試驗(yàn)，方可投入使用。

表1 各防火等級(jí)對(duì)穿艙件的達(dá)標(biāo)要求

表2 短型穿艙件水密性要求

以A30級(jí)艙壁穿艙件為例，對(duì)該短型穿艙件的防火試驗(yàn)過程作簡(jiǎn)要介紹。

3.1 防火試樣的制作

A30級(jí)穿艙件涉及的材質(zhì)為碳鋼、銅鎳及不銹鋼材質(zhì)，按相關(guān)規(guī)范約定，導(dǎo)熱性能好的穿艙件材質(zhì)的耐火試驗(yàn)結(jié)果可以覆蓋導(dǎo)熱性能差的穿艙件材質(zhì)，同時(shí)對(duì)于DN20～DN450管徑使用區(qū)間而言，對(duì)最大與最小管徑的穿艙件進(jìn)行試驗(yàn)可以覆蓋其他管徑的穿艙件。經(jīng)考量，決定選用碳鋼與銅鎳材質(zhì)、DN20與DN450兩個(gè)規(guī)格,共計(jì)4個(gè)穿艙件進(jìn)行耐火試驗(yàn)，具體規(guī)格見表3。

表3 試樣規(guī)格

穿艙件試樣按規(guī)范要求合理布置在艙壁板架上，該鋼質(zhì)艙壁板架長(zhǎng)3 020 mm,寬3 000 m，艙壁裸露鋼板為向火面，見圖5。

圖5 艙壁板架布置(向火面)

加強(qiáng)材一側(cè)為背火面，見圖6。穿艙件與艙壁板架的安裝焊接方式與實(shí)船建造方式保持一致，并在背火面按設(shè)計(jì)要求對(duì)穿艙件及艙壁板架分別包覆絕緣材料。

圖6 艙壁板架布置(背火面)

3.2 熱傳感器的布置

為準(zhǔn)確獲取試樣在試驗(yàn)期間的溫升狀態(tài)，在每個(gè)穿艙件試樣的背火面布置4個(gè)熱傳感器，共計(jì)16個(gè)，見圖7。

圖7 單個(gè)穿艙件上的熱傳感器布置示意

每個(gè)穿艙件上的4個(gè)熱傳感器分為兩組，一組布置在穿艙件包覆的絕緣材料正上方和正下方位置處，并距離艙壁絕緣材料25 mm；另一組分別布置在穿艙件正上方和正下方的管段裸露表面位置處，并距離穿艙件絕緣材料25 mm處。

3.3 試驗(yàn)條件與結(jié)果

按相關(guān)規(guī)范要求，防火試驗(yàn)共設(shè)計(jì)16個(gè)穿艙件試樣，分別布置于4個(gè)試驗(yàn)板架之上：A-0級(jí)艙壁、A-30級(jí)型艙壁、A0-A60/DK型甲板、A-60級(jí)艙壁。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 防火試驗(yàn)結(jié)果

其中，A60級(jí)銅鎳管DN450艙壁穿艙件在60 min內(nèi)溫升超過180 ℃，未達(dá)標(biāo)，其余15個(gè)穿艙件試樣均通過耐火試驗(yàn)。

4 型式認(rèn)可

按相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)于通過防火試驗(yàn)的15個(gè)穿艙件型式，經(jīng)過詳細(xì)的評(píng)估審核，最終取得了中國(guó)船級(jí)社型式認(rèn)可證書以及MED(B+D)證書，為該短型穿艙件的工程應(yīng)用確立了可行性條件。對(duì)于未通過耐火試驗(yàn)的A60級(jí)銅鎳管艙壁穿艙件，經(jīng)模型測(cè)算，因其在大型郵輪使用量較少，可通過局部調(diào)整分隔區(qū)域布置，使用滿足SOLAS要求的常規(guī)穿艙件加以解決。

5 結(jié)論

總長(zhǎng)300～900 mm、管徑DN20～DN450的短型穿艙件在通過防火試驗(yàn)并取得船級(jí)社型式認(rèn)可的前置條件下，可滿足SOLAS防火要求并實(shí)現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)首艘大型郵輪空間狹小區(qū)域的總體布置。

對(duì)于防火試驗(yàn)而言，導(dǎo)熱性能好的管路材質(zhì)耐火試驗(yàn)結(jié)果能夠覆蓋導(dǎo)熱性差的管路材質(zhì)，即碳鋼的試驗(yàn)結(jié)果包含不銹鋼，銅鎳合金的試驗(yàn)結(jié)果包含碳鋼和不銹鋼，在試驗(yàn)的策劃階段可充分考慮該要素并適當(dāng)減少不必要的試驗(yàn)項(xiàng)目。

此外，該型式穿艙件亦可為游艇、PSV(海工支援船)、客滾船等同類型船舶產(chǎn)品的類似設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供借鑒。