秦炳軍， 林　莉

(1. 上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司， 上海 201612； 2.中國船級(jí)社上海規(guī)范研究所， 上海 200135)

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新型VLCC船型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

秦炳軍1， 林莉2

(1. 上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司， 上海 201612； 2.中國船級(jí)社上海規(guī)范研究所， 上海 200135)

摘要對(duì)4型綠色環(huán)保型VLCC貨艙區(qū)域的分艙型式、結(jié)構(gòu)布局和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)做了對(duì)比分析，由此得出的結(jié)論可為今后的船型開發(fā)提供有益幫助。同時(shí)，還對(duì)裝載手冊(cè)中的風(fēng)暴壓載、中間工況、防泥沙方案等提出了自己的見解。

關(guān)鍵詞VLCC油輪風(fēng)暴壓載中間壓載工況防泥沙

0引言

VLCC油船在經(jīng)歷了幾年嚴(yán)重衰退之后，于2013年開始走向復(fù)蘇，大量實(shí)力雄厚的資金進(jìn)入了VLCC油船市場(chǎng)。船廠紛紛推出環(huán)保和低燃耗設(shè)計(jì)的新型VLCC，在這一輪訂單浪潮中扮演著重要的角色。

安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是VLCC油船競(jìng)爭(zhēng)力和生命力最重要的體現(xiàn)。以4型新建的綠色環(huán)保型VLCC船型為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)布置和細(xì)節(jié)加以分析，并總結(jié)新型VLCC船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而為今后新型VLCC船型的開發(fā)設(shè)計(jì)提供有益參考。

1船型簡(jiǎn)介

1.1船型主尺度和布置

選用的4型新建VLCC船型包括3型30.8×104t船型和1型31.8×104t船型。其中，30.8×104t的A、B、C船型船長為320 m～324 m，船寬為60 m，型深為29.5 m ～30.0 m，結(jié)構(gòu)吃水為21.7 m ～21.9 m，主尺度相近。31.8×104t D船型的船長為327 m，船寬同樣為60 m，型深為30.6 m，結(jié)構(gòu)吃水22.5 m。4個(gè)船型的設(shè)計(jì)吃水均為20.5 m。

4型VLCC船型的貨艙區(qū)艙室布置對(duì)照表如表1所示。

表1　4型VLCC船型貨油艙區(qū)艙室布置對(duì)照　　　　　　　　　　　單位：m

1.2貨油艙布置

A、B、C船型其貨油艙艙容相差不大，均達(dá)到345 700 m3以上；D船型的貨油艙艙容最大，為358 600 m3。A、C、D船型的貨油艙分布相同，沿船長方向分為5個(gè)貨艙區(qū)域，沿船寬方向分為3個(gè)貨艙區(qū)域。

B船型的貨油艙分布略有不同，從表1可以看出，其雙層底高和雙殼寬度明顯小于其他船型，但是貨艙艙容卻并未有顯著提高，這是由于B船型將第3邊貨油艙的一部分分隔出來與第3壓載艙聯(lián)通，形成縱向L型的壓載艙布置型式(如圖1所示)，因此第3邊貨油艙艙容較小，貨油艙容總和與其它船型持平。

圖1　縱向L型式的船舯部壓載艙

B船型與本世紀(jì)初日本VLCC船型布置相似，其突出特點(diǎn)就是船舯部的壓載艙為縱向L型式，國內(nèi)2006年前建造VLCC多屬此類船型。壓載艙如此布置的原因是從總縱強(qiáng)度考慮的，此類船型由于雙層底高和雙殼寬度較小使得壓載水容量較少(見表1)，而貨艙容量得以增加，導(dǎo)致對(duì)船體梁總縱強(qiáng)度要求過高：在壓載工況時(shí)，因舯部壓載水量少，舯拱彎矩偏大；在滿載工況時(shí)，因舯部貨油量大，舯垂彎矩偏大。通過在船舯部設(shè)置縱向L型式的壓載艙，有利于控制總縱彎矩。

從新造船船型統(tǒng)計(jì)來看，采用此類布置型式的新造船明顯減少。而由日本川崎VLCC母型船經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化而來的新造船C型，采用的就是較大雙殼間距布置型式，并非縱向L型式的船舯部壓載艙。最主要的原因在于隨著CSR規(guī)范的實(shí)施，油船需考慮橫浪、斜浪海況，對(duì)舷側(cè)強(qiáng)框架要求提高，而B型船的雙殼間距較小，舷側(cè)抗剪能力小，其舷側(cè)強(qiáng)框架橫隔板和雙層底實(shí)肋板板厚比常規(guī)VLCC要求高。

1.3壓載艙布置

A、B、C船型沿船長方向分為5個(gè)壓載艙區(qū)域，橫艙壁與貨艙橫艙壁在同一肋位；D船型沿船長方向分為6個(gè)壓載艙區(qū)域，其中第1～4壓載艙與其它船型相同，仍與貨艙區(qū)域?qū)?yīng)，而第5貨艙對(duì)應(yīng)長度區(qū)域分為第5壓載艙和第6壓載艙。

CSR(OT)[1]規(guī)范提出了對(duì)油船壓載工況的浮態(tài)要求：正常壓載工況下，螺旋槳應(yīng)完全浸沒水下且縱傾不超過0.015 L，這就意味著船艉部吃水既不能過小也不能過大。壓載工況出港時(shí)，最尾壓載艙通常會(huì)部分壓載，隨著航行中油水的消耗，艉部吃水逐漸減小，須對(duì)艉部壓載艙進(jìn)一步壓載，以滿足浮態(tài)要求。

D船型使用的是超長沖程G型主機(jī)和大螺旋槳，其槳徑達(dá)到10.6 m。壓載工況時(shí)螺旋槳如完全浸沒需要艉部吃水大于10.9 m。對(duì)應(yīng)艏部吃水7.5 m，同時(shí)縱傾不超過0.015 L，需要艉部吃水小于12.33 m，因此可以看出艉部吃水的可調(diào)整空間僅為1.43 m，范圍比其它船型小。D船型通過將原有的第5壓載艙拆分為第5和第6壓載艙，使得浮態(tài)調(diào)節(jié)更加靈活。

CSR規(guī)范與IACS UR S11[2]要求相同：在任何出港、到港或中途航行工況中，如有壓載艙部分壓載，必須對(duì)出港、到港或中途航行工況的滿艙、空艙情況進(jìn)行校核，驗(yàn)證船體梁的應(yīng)力水平是處于安全范圍內(nèi)。對(duì)于油船而言，校核工況的最危險(xiǎn)情況均為壓載出港且所有壓載艙全部打滿，此時(shí)舯拱靜水彎矩達(dá)到最大。D船型通過將原有的第5壓載艙拆分為第5和第6壓載艙，對(duì)應(yīng)的校核工況為壓載出港且第1～5壓載艙打滿而第6壓載艙空艙，這樣可以更好地控制舯拱靜水彎矩。雖然D船型的載重噸大于其他船型，但其航行工況中的船體梁舯拱靜水彎矩包絡(luò)值卻是最小的，是其它船型的96%，繼而有利于控制空船質(zhì)量。

1.4防泥沙方案

4個(gè)新船型的壓載艙全部考慮防泥沙方案，通過優(yōu)化壓載艙布置型式，來達(dá)到減輕壓載艙內(nèi)泥沙沉積的目的。目前，通用的方式有兩類：分隔式壓載艙設(shè)計(jì)和沉淀溢流式壓載艙設(shè)計(jì)。

分隔式壓載艙布置型式是在底邊艙上折角處設(shè)置水密平臺(tái)，從而將壓載艙分為雙殼壓載艙和雙層底壓載艙，如圖2所示。油船從多泥沙港口壓載出發(fā)，在滿足強(qiáng)度、浮態(tài)、視線等要求的前提下，盡可能使用雙殼壓載艙并少用雙層底壓載艙。當(dāng)油船駛離泥沙嚴(yán)重區(qū)域后，再將其他雙層底壓載艙全部打壓載，達(dá)到海上全速航行狀態(tài)。由于雙殼壓載艙的底部水密平臺(tái)的骨材構(gòu)件均位于平臺(tái)的下方，平臺(tái)上方光滑，不易殘留泥沙且便于泥沙清理。

圖2　分隔式壓載艙布置型式

A船型采用的是分隔式壓載艙布置型式。在營運(yùn)中，也可根據(jù)船東申請(qǐng)和船級(jí)社批準(zhǔn)，將水密平臺(tái)的人孔蓋打開，形成常規(guī)L型壓載艙聯(lián)通布置。需要注意的是，在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)這兩種壓載艙的使用方式分別進(jìn)行工況校核，兩種方式應(yīng)各自獨(dú)立，互為替代，不可以混用。

沉淀溢流式壓載艙布置型式是引入“大艙套小艙”概念(見圖3)，在原大壓載艙內(nèi)分隔出一個(gè)小沉淀艙，沉淀艙利用底邊艙上折角的局部水密平臺(tái)形成底部封閉，并在前后端壁設(shè)置頂部溢流孔。多泥沙海水被首先打入沉淀艙，便于泥沙沉淀，當(dāng)壓載海水多至沉淀艙滿艙后，較為清澈的海水將從頂部溢流孔溢流到雙層底舷側(cè)聯(lián)通的大壓載艙。該布置型式既能控制泥沙沉淀于易于清理的沉淀艙內(nèi)，又不改變根本的橫向L型壓載艙水密分割型式。

圖3　沉淀溢流式壓載艙原理

B、C、D船型均采用的是沉淀溢流式壓載艙布置型式，只是在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)處略有不同。

1.5艏部型式

4個(gè)新船型的艏部型式各有特點(diǎn)(見表2)，從型式上看，A、B、C船型采用的是球鼻艏，D船型采用的是直艏。

表2　新型VLCC船型艏部型式

常規(guī)船舶設(shè)計(jì)中，為了減少船舶興波阻力，常常采用產(chǎn)生有利干擾的措施，其中最常見的是采用球鼻船艏。對(duì)于VLCC船型，剩余阻力僅占到總阻力的25%左右，其中興波阻力的成分就更小了，所以球鼻艏減阻的意義并不大。在現(xiàn)代肥大型船舶的設(shè)計(jì)中，越來越弱化了球鼻艏降低興波阻力的設(shè)計(jì)理念，向著垂直艏的方向發(fā)展。

垂直艏對(duì)于VLCC船型而言，均衡了滿載和壓載的綜合性能，通過CFD線型優(yōu)化，使船舶總阻力得到降低。垂直球艏的設(shè)計(jì)還增加了艏部浮力，在增加載貨量的同時(shí)，更有利于匹配超長沖程低速柴油機(jī)和大直徑螺旋槳。

對(duì)于垂直艏，由于計(jì)算船長的增加，波浪彎矩會(huì)有所增加，上浪的問題也引起了關(guān)注。在普通垂直艏基礎(chǔ)上，可以將靠近主甲板的部分設(shè)計(jì)成具有一定的外飄角度，以緩解艏部上浪。

A型船采用傳統(tǒng)的球鼻艏設(shè)計(jì)，主要關(guān)注設(shè)計(jì)吃水時(shí)的快速性能；B型船采用短球鼻艏設(shè)計(jì)兼顧增加載重量、綜合減阻、控制波浪彎矩和艏部上浪；C型船采用垂直艏設(shè)計(jì)的改進(jìn)型，解決了垂直艏帶來的上浪問題，同時(shí)設(shè)計(jì)了較小的矮球鼻，在不增加總長的前提下，保證了防撞艙壁的距離要求；D型船采用垂直艏設(shè)計(jì)，增加載重量，配合G型主機(jī)和大直徑螺旋槳，通過優(yōu)化線型，提高推進(jìn)效率。

2船體結(jié)構(gòu)

2.1裝載手冊(cè)的關(guān)注要點(diǎn)

(1) 打/排壓載水中途工況浮態(tài)。

CSR(OT)規(guī)范[1]1.1.2.2條規(guī)定：正常壓載工況和重壓載工況的浮態(tài)應(yīng)為螺旋槳全浸沒、尾傾且縱傾最大不超過0.015 L。該條規(guī)定還要求，對(duì)于打/排壓載水開始和結(jié)束時(shí)刻的中途工況，應(yīng)提交批準(zhǔn)。對(duì)于打/排壓載水的中途工況，規(guī)范條文未予明確。

有設(shè)計(jì)方提出，船舶出港后開始緩打壓載水，以此抵消油水的消耗，使得船舶尾部的質(zhì)量持續(xù)保持穩(wěn)定。那么在途中當(dāng)最尾壓載艙打滿時(shí)，可視為最尾壓載艙中途工況的結(jié)束工況；而出港工況為最尾壓載艙中途工況的開始工況。

筆者認(rèn)為上述“緩打壓載水”的操作并不符合實(shí)際情況，而且難于加以界定。壓載中途打/排壓載的之前工況和之后工況均應(yīng)為實(shí)際營運(yùn)工況。實(shí)際航行過程中，只有在船舶浮態(tài)超出了要求的范圍時(shí)才需要壓載操作，并當(dāng)浮態(tài)達(dá)到要求的上限時(shí)停止壓載操作，如此反復(fù)直至到港。在編制裝載手冊(cè)時(shí)，可以據(jù)此思路找到符合實(shí)際的中間工況。

隨著EEDI要求生效，VLCC為達(dá)到各階段越來越高的能效要求目標(biāo)，使用超長沖程主機(jī)和大螺旋槳已成為大勢(shì)所趨，浮態(tài)會(huì)越來越成為決定壓載航程中途工況的決定因素。

(2) 壓載艙部分壓載的S11校核。

CSR(OT)規(guī)范要求：在任何出港、到港或中途航行工況中，涉及尖艙或者其他壓載水艙部分裝載的壓載工況不允許作為設(shè)計(jì)裝載工況，除非在空艙和滿艙間的任意裝載水平下，計(jì)算得出的應(yīng)力水平處于屈服和屈曲衡準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。若在任何出港、到港或中間工況時(shí)的滿艙、空艙和指定部分壓載水平的應(yīng)力水平處于屈服和屈曲衡準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，則滿足符合設(shè)計(jì)目的的衡準(zhǔn)。

如前所述，壓載出港時(shí)最尾部壓載艙為部分壓載，中途為部分壓載或滿艙，而到港時(shí)為滿載。這種情況下，S11工況應(yīng)校核出港和中途最尾部壓載艙空艙和滿艙情況，但無需校核到港時(shí)最尾部壓載艙為空和部分壓載的情況。因?yàn)樵诘礁蹠r(shí)，由于最尾部壓載艙中途已完成打壓載至滿艙，空和部分裝載情況的可能性已經(jīng)被消除了。裝載手冊(cè)中應(yīng)提交中途打壓載的前、后工況，此前、后工況應(yīng)為實(shí)際工況，需滿足穩(wěn)性、浮態(tài)和強(qiáng)度要求，船東應(yīng)嚴(yán)格按照裝載手冊(cè)中的工況操作。

(3) 風(fēng)暴壓載工況。

越來越多的油船船東要求在裝載手冊(cè)中增加風(fēng)暴壓載工況。對(duì)此要求，設(shè)計(jì)院往往給出的風(fēng)暴壓載工況是在舯部貨艙裝壓載水，這是一種比較極端的做法，筆者對(duì)此有不同的看法。

MARPOL公約[3]允許在貨油艙里裝入海水來抵抗強(qiáng)風(fēng)暴，即所謂風(fēng)暴壓載。顯然，這是船舶緊急避險(xiǎn)的一種手段，沒有必要把它當(dāng)作是船舶的正常裝載工況看待而列入裝載手冊(cè)。因?yàn)?，一旦列入了裝載手冊(cè)，則必須對(duì)其進(jìn)行相關(guān)校核。而舯部貨艙裝壓載水的所謂風(fēng)暴壓載工況，從總縱強(qiáng)度上看，中垂靜水彎矩和靜水剪力會(huì)比正常壓載工況增加10%～20%，往往是所有工況中的最大值；從局部強(qiáng)度上看，橫艙壁前后實(shí)肋板垂直扶強(qiáng)材、強(qiáng)框架實(shí)肋板開孔等多個(gè)部位的應(yīng)力都在這個(gè)工況顯示為最大。

出于對(duì)船舶結(jié)構(gòu)安全的考慮，船東提出對(duì)在風(fēng)暴壓載情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的要求是可以理解的。但沒有必要給出在舯部貨艙壓載的這種極端做法。更為合理的做法是在船舶已有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能力的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)師建議一種安全有效的風(fēng)暴壓載方式，作為船長的操作指導(dǎo)，而在裝載手冊(cè)中不必專門列入風(fēng)暴壓載工況。

A、B、D船型艏部設(shè)置的艏尖艙為空艙，C船型艏部設(shè)置的艏尖艙為壓載艙。A、B、D船型均在裝載手冊(cè)中列入并校核了舯部貨艙裝壓載水的風(fēng)暴壓載工況。C船型則沒有列風(fēng)暴壓載工況，而是校核了比正常壓載吃水稍深的重壓載工況，重壓載工況與正常壓載工況不同之處為艏尖艙打滿壓載水。

(4) 沉淀溢流式壓載艙。

沉淀溢流式壓載艙在艙室布置上,與橫向L型壓載艙水密分割型式完全一致。在編制裝載手冊(cè)和壓載水管理計(jì)劃時(shí)，對(duì)于正常壓載時(shí)的URS11強(qiáng)度校核工況和壓載水交換工況，應(yīng)特別注意選取可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)工況進(jìn)行校核。并且在考慮壓載艙裝載率時(shí)，應(yīng)特別注意沉淀艙與大壓載艙實(shí)為相通，比如大壓載艙為100%而沉淀艙為空的情況是不可能存在的。

(5) 防泥沙工況。

氟桂利嗪是臨床中較為常用的一種雙苯酰胺類鈣離子拮抗劑，其對(duì)腦血管具有較高的選擇性，在進(jìn)入機(jī)體后，能夠通過調(diào)節(jié)機(jī)體細(xì)胞內(nèi)的鈣水平降低患者的細(xì)胞鈣失衡所帶來的影響，同時(shí)其對(duì)于鈣通道也具有較好的拮抗作用[2-3]。

出于防止泥沙的考慮，不僅僅在壓載艙的設(shè)計(jì)上作特別的考慮，在實(shí)際操船時(shí)，在出港到錨地的過程中盡量少加壓載水，待到達(dá)錨地水質(zhì)變清后才會(huì)打壓載至正常壓載工況[4]。在編制裝載手冊(cè)時(shí)，船東往往會(huì)特別要求增加防泥沙工況。筆者對(duì)此的看法是：考慮到這種情況是從多泥沙港口出港至錨地段的特殊操作，沒有必要在裝載手冊(cè)中專門作為一個(gè)特定工況來對(duì)待，考慮到路程短且環(huán)境條件可控，設(shè)計(jì)院可以為船東準(zhǔn)備一個(gè)基于安全的操作建議，重點(diǎn)關(guān)注強(qiáng)度、穩(wěn)性和視線要求即可。

2.2典型橫剖面

(1) 縱向連續(xù)構(gòu)件和強(qiáng)框架鋼級(jí)。

表3為4個(gè)新船型的強(qiáng)力構(gòu)件鋼級(jí)匯總，可以看出：縱向構(gòu)件高強(qiáng)度鋼比例明顯提高，AH和AH36鋼被廣泛應(yīng)用；甲板和外板作為船體梁的上下帶板，全部采用高強(qiáng)度鋼；內(nèi)底板和底邊艙全部采用高強(qiáng)度鋼；縱艙壁全部采用高強(qiáng)度鋼；A、B船型橫向強(qiáng)框架部分采用AH鋼；C船型橫向強(qiáng)框架全部為AH鋼。

表3　強(qiáng)力構(gòu)件鋼級(jí)匯總表

10年前，隨著縱骨疲勞問題日益突出，原先市場(chǎng)上流行的日系約80%高強(qiáng)度鋼比例VLCC船型飽受詬病，船東紛紛在規(guī)格書中增加約45%高強(qiáng)度鋼比例限制。這是由于高強(qiáng)度鋼雖然具有高屈服極限，但減小縱骨尺寸之后，其彈性模數(shù)會(huì)隨著尺寸的減小而降低，反而使得相對(duì)變形增大。在構(gòu)件連接處易產(chǎn)生附加載荷,形成應(yīng)力集中,導(dǎo)致疲勞壽命下降。

CSR(OT)規(guī)范實(shí)施后，船體構(gòu)件尺寸加大，空船重量較之前增加約5%，設(shè)計(jì)師需要適當(dāng)提高構(gòu)件鋼級(jí)來控制空船質(zhì)量。同時(shí)，CSR(OT)規(guī)范對(duì)于構(gòu)件尺寸的要求越來越全面和明確，可涵蓋船體梁的彎曲、剪切、疲勞、極限強(qiáng)度和構(gòu)件的屈服、屈曲、疲勞強(qiáng)度，從而確保減小的構(gòu)件尺寸仍處于安全水平。相信隨著HCSR規(guī)范生效和能效要求的日益提高，高強(qiáng)度鋼比例還會(huì)進(jìn)一步提高。

(2) 強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)型式。

表4　縱骨貫穿強(qiáng)框架節(jié)點(diǎn)型式

可以從力的傳遞方面進(jìn)行剖析[5]。船體結(jié)構(gòu)各級(jí)構(gòu)件力的傳遞過程為(見圖4)：①波浪壓力施加于外板和內(nèi)部壓力施加于艙室邊界上；②這些側(cè)向壓力經(jīng)由板傳遞給板周界支持處的縱骨和骨材；③縱骨受力彎曲將力傳遞給縱骨周界支持處的主要支撐構(gòu)件，進(jìn)而引起板架彎曲；④板架彎曲將力傳給板架的支持周界(舷側(cè)、橫艙壁或甲板、船底)；⑤最終使整個(gè)船體像梁一樣彎曲。

圖4　船體結(jié)構(gòu)各級(jí)構(gòu)件力的傳遞過程

兩種不同型式，影響的正是第③步。當(dāng)腹板加強(qiáng)筋與縱骨連接時(shí)，傳遞總力的一部分通過縱骨腹板與實(shí)肋板和補(bǔ)板之間的連接以剪力方式傳遞到實(shí)肋板上，另一部分通過縱骨面板與實(shí)肋板腹板加強(qiáng)筋之間的連接傳遞到實(shí)肋板上。當(dāng)腹板加強(qiáng)筋不與縱骨連接時(shí)，意味著全部力都需通過縱骨腹板與實(shí)肋板和補(bǔ)板之間的連接傳遞，局部剪力水平明顯增加。

為了達(dá)到與其余3型同等的安全水平，C船型必須提高傳遞剪力的能力，其雙層底縱骨穿過實(shí)肋板處的貫穿孔與另外3型明顯不同(見表4)，C船型縱骨腹板與實(shí)肋板和補(bǔ)板之間的連接長度l1+ l2最大。同時(shí)C船型的實(shí)肋板全部采用AH鋼(見表3)，使得傳遞剪力的能力得以提升，并且C船型的強(qiáng)框架間距為5.25 m(見表1)，傳遞剪力的要求下降。分析表明，C船型此處剪應(yīng)力水平與其余3型相當(dāng)。

CSR(OT)規(guī)范附錄C表C.1.7中要求：如腹板加強(qiáng)筋不與縱骨面板連接，在外底板、內(nèi)底板、舷側(cè)板、內(nèi)殼板處的縱骨貫穿孔應(yīng)采用圖C.1.11建議型式，又稱蘋果孔“Apple Slot”，C船型采用的正是蘋果孔型式。

蘋果孔型式對(duì)船廠的建造工藝要求很高，C船型所有非水密強(qiáng)框架上的縱骨貫穿孔(甲板縱骨除外)全部采用蘋果孔型式,而A、B、D船型極少采用蘋果孔型式。這也表明國內(nèi)船廠與日本船廠在工藝要求上存在不同。

2.3總縱強(qiáng)度

(1) 剪切強(qiáng)度-貨艙。

平面縱艙壁位于橫艙壁水平桁連接處，將承受水平桁帶來的額外剪力，必須進(jìn)行加強(qiáng)。加強(qiáng)范圍為縱艙壁位于整個(gè)水平桁連接長度且至少覆蓋艙壁前后各一個(gè)檔位。垂直范圍為從水平桁向下延伸0.5 hk(hk為所考慮水平桁到其下一道水平桁之間的垂直距離)；對(duì)于最下面水平桁，垂直范圍為從水平桁到內(nèi)底。

CSR(OT)規(guī)范出臺(tái)之前，大部分船級(jí)社規(guī)范對(duì)于橫艙壁附近的縱艙壁剪切強(qiáng)度未提出特別要求。在艙段分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，縱艙壁上位于橫艙壁水平桁附近的板在橫向全空工況(見圖5)，總是顯示出較高的剪應(yīng)力，必須設(shè)置局部加厚板才能滿足強(qiáng)度衡準(zhǔn)。

正是由于貨艙沿縱向間隔裝載，使得橫艙壁之后剪力向下、之前剪力向上，這個(gè)剪力突變使得縱艙壁上水平桁范圍內(nèi)形成剪力環(huán)流。剪力環(huán)流在水平桁之下的方向?yàn)橄蛏?，與原剪力疊加，使縱艙壁局部區(qū)域承受額外的剪力。

CSR(OT)規(guī)范出臺(tái)后，對(duì)縱艙壁上該區(qū)域引入了水平桁剪力修正的規(guī)范要求，使得規(guī)范計(jì)算時(shí)縱艙壁局部需設(shè)加厚板來滿足剪切強(qiáng)度要求。多型實(shí)船計(jì)算表明，當(dāng)縱艙壁板厚滿足規(guī)范要求時(shí)，在艙段分析中均可滿足直接計(jì)算要求。

(2) 剪切強(qiáng)度-機(jī)艙。

就剪力要求值而言，機(jī)艙前端壁處靜水剪力比船舯最大值下降很少，其許用值基本為船舯最大值的95%。同時(shí)機(jī)艙前端壁靠近整個(gè)船體梁波浪剪力最大區(qū)域的0.2 L處，波浪剪力依然較大，而靜水剪力與波浪剪力總和為船舯最大值的約85%。

典型VLCC的縱艙壁結(jié)構(gòu)在貨艙區(qū)域?yàn)槿窟B續(xù)，但是進(jìn)入機(jī)艙區(qū)域后，由于船體線型和設(shè)備布置的需要，經(jīng)常出現(xiàn)縱艙壁局部區(qū)域中止的情況。機(jī)艙區(qū)的船體梁承剪面積大幅減小，對(duì)外板的強(qiáng)度要求陡然提高。建議內(nèi)殼和縱艙壁在布置允許時(shí)可盡量向機(jī)泵艙延伸。

圖5　橫向全空工況示意

2.4沉淀溢流式壓載艙

(1) 坐底式PMA開孔。

B、C、D型VLCC船型均采用了沉淀溢流式壓載艙設(shè)計(jì)。其中，D型船采用了坐底式PMA開孔，以方便更好地清理泥沙，型式如圖6所示。

與常規(guī)的PMA開孔型式(見圖7)相比，坐底式PMA開孔局部加強(qiáng)要求高，相應(yīng)的焊接及施工要求也高。艙段分析表明，開孔在橫浪工況(A1-5a)和港內(nèi)工況(A9)時(shí)應(yīng)力最大，此時(shí)舷側(cè)強(qiáng)框架載荷最大；雙殼間距越小，橫隔板抗剪面積越小，舷側(cè)板架抵抗側(cè)向載荷的能力越低，對(duì)橫隔板局部加強(qiáng)要求越高；坐底式PMA開孔的高度越大，其應(yīng)力集中越顯著，對(duì)橫隔板的要求越高。在保證泥沙通過和通道尺寸的前提下，應(yīng)盡可能降低開孔高度。

圖6　坐底式PMA開孔　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　常規(guī)PMA開孔型式

(2) 頂部溢流孔。

L型沉淀溢流式壓載艙在前后端壁的上部均設(shè)置溢流孔。溢流孔形式通常采用與其他強(qiáng)框架相同的常規(guī)人孔形式，且位置盡量抬高，以便使泥沙更好地沉積在小艙內(nèi)?？紤]到船舶通常為尾傾的浮態(tài)，可以將后端壁溢流孔做大，同時(shí)將其前端壁的溢流孔位置抬高，在形式上更符合實(shí)際用途。

2.5貨艙高應(yīng)力部位

貨艙區(qū)域的高應(yīng)力部位應(yīng)在設(shè)計(jì)和校核中予以高度關(guān)注，以下經(jīng)驗(yàn)可供參考。

(1) 底邊艙上下折角。

對(duì)于下折角，半檔處設(shè)肘板對(duì)應(yīng)力集中無明顯改善。B船型由于是縱向L型船舯部壓載艙型式，邊艙不設(shè)制蕩艙壁，底部板架更長，底邊艙下折角的疲勞要求更高，No.3貨艙處的底邊艙下折角需設(shè)置貨艙內(nèi)肘板。

上折角的橫隔板處均有明顯應(yīng)力集中，設(shè)局部加厚板。C船型采用弧形彎板且R900，使橫隔板應(yīng)力水平下降，對(duì)橫隔板加強(qiáng)要求較低。B船型雖然采用了弧形彎板，但由于R150較小，對(duì)橫隔板改善作用不明顯。

(2) 縱艙壁垂直桁趾部和背肘板。

縱艙壁垂直桁趾部均采用軟趾型式并加設(shè)AH加厚板，軟趾可使得趾部應(yīng)力降低。背肘板上下趾端中的上趾端(與縱艙壁相交處)應(yīng)力集中較大，而下趾端(與內(nèi)底相交處)應(yīng)力集中稍小，這是由于背肘板上端作為垂直桁的端部支持承受了一部分垂直桁傳遞而來的彎矩。

(3) 制蕩艙壁橫隔板與內(nèi)殼/縱艙壁相交處。

制蕩艙壁橫隔板與內(nèi)殼/縱艙壁相交處從應(yīng)力比較看，與縱艙壁相交處應(yīng)力集中明顯，與內(nèi)殼相交處應(yīng)力稍小。肘板趾部應(yīng)力集中明顯，趾部設(shè)置軟趾，可有效釋放應(yīng)力集中。

(4) 橫艙壁垂直扶強(qiáng)材上下肘板。

橫艙壁垂直扶強(qiáng)材上端肘板和背肘板與甲板縱骨弧形過渡處有明顯應(yīng)力集中；若不設(shè)背肘板，橫艙壁與甲板縱骨十字相交處有明顯應(yīng)力集中。橫艙壁垂直扶強(qiáng)材下端肘板與垂直扶強(qiáng)材弧形過渡處以及肘板與內(nèi)底板弧形過渡處有明顯應(yīng)力集中；C船型的橫艙壁垂直扶強(qiáng)材下端肘板采用不對(duì)稱式，肘板下趾端與內(nèi)底板相交處有明顯應(yīng)力集中，但肘板上端與垂直扶強(qiáng)材弧形過渡處應(yīng)力較小。

(5) 橫艙壁中縱剖面垂直大肘板。

大肘板靠近上部圓弧處面板有明顯應(yīng)力集中，大肘板趾部均采用軟趾。由于橫艙壁CL左右兩側(cè)均有貨油管系開孔，使得CL垂直大肘板的有效帶板寬度減小，對(duì)大肘板腹板厚度提出更高要求。對(duì)稱式背肘板與橫艙壁弧形過渡處有明顯應(yīng)力集中，背肘板與內(nèi)底板弧形過渡處應(yīng)力集中稍小；若不設(shè)置背肘板，其十字相交處應(yīng)力集中明顯。

(6) 橫艙壁水密實(shí)肋板垂直扶強(qiáng)材及前后肋板垂直扶強(qiáng)材。

橫艙壁水密實(shí)肋板垂直扶強(qiáng)材上下端均采用圓弧形并設(shè)置圓弧形背肘板，圓弧邊緣以及與內(nèi)/外底縱骨相交處有明顯應(yīng)力集中；橫艙壁前后實(shí)肋板垂直扶強(qiáng)材均采用圓弧形并設(shè)置圓弧形背肘板，圓弧邊緣以及與內(nèi)外底縱骨相交處有明顯應(yīng)力集中。如不設(shè)風(fēng)暴壓載A8-1工況，可較好地控制雙層底垂直扶強(qiáng)材的應(yīng)力水平。

(7) 水平桁與縱艙壁與內(nèi)殼十字相交中間平臺(tái)。

十字相交處肘板在肘板圓弧中部有明顯應(yīng)力集中，肘板厚度隨著肘板尺寸增大而減小，A船型肘板尺寸較大且設(shè)面板，肘板圓弧中部同樣有明顯應(yīng)力集中。若采用拉長式圓弧形且采用軟趾，這種形式類似于十字交叉點(diǎn)的彈簧軟趾，從應(yīng)力結(jié)果看，它可以很好地釋放應(yīng)力集中，使得圓弧中部的應(yīng)力水平較低。

(8) 貨艙檢驗(yàn)通道和貨油管道開孔。

位于水平桁上的貨艙檢驗(yàn)通道的大開孔為長方形且角隅為圓弧形，角隅處應(yīng)力集中明顯，加設(shè)局部加厚板；隨著大開孔寬度增大，其應(yīng)力集中越大，板厚要求越高；大開孔為腰圓形，應(yīng)力集中有改善。位于水平桁和甲板上的貨油泵管道開孔邊緣有應(yīng)力集中，當(dāng)開孔臨近時(shí)，應(yīng)力集中有耦合，且圓孔越大，間距越小，對(duì)板厚要求越高。

3結(jié)論

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，船舶能效指標(biāo)的不斷提升以及結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的實(shí)施，將VLCC油船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求提到了前所未有的高度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平將直接體現(xiàn)為VLCC船型的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。通過對(duì)4型新型VLCC船型的分析而總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)可以為今后的船型開發(fā)提供有益的指導(dǎo)。對(duì)VLCC而言，合理的分艙布局將是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵，高強(qiáng)度鋼的使用必將成為大勢(shì)所趨。同時(shí)，船舶大型化和輕量化對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，貨艙區(qū)域高應(yīng)力部位的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和處理必須引起高度重視。

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作者簡(jiǎn)介：秦炳軍(1970-)，男，博士，高級(jí)工程師。

中圖分類號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

Analysis on Structure Design of New VLCC Ship Type

QIN Bing-jun1, Lin Li2

(1.Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 201612, China; 2. Chinese Classification Society Research Institute, Shanghai 200135, China)

AbstractA comparative analysis is made on the subdivision type, structure layout and node design of the four type of VLCC's cargo hold area. The conclusion can be helpful for the future development of ship type. At the same time, it also puts forward own opinions on the storm load, intermediate load condition, the anti-sediment scheme of the loading manual.

KeywordsVLCCTankerStorm loadIntermediate load conditionAnti-sediment