沈小興 馬亞成

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

6700車汽車滾裝船（PCTC）是上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）為挪威船東設(shè)計(jì)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型汽車滾裝船。2012年9月簽訂合同，首制船2013年9月開工建造，2015年1月順利交船。該船貨艙設(shè)備、系統(tǒng)眾多，與船體結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，通風(fēng)系統(tǒng)也不例外。由于汽車滾裝船載運(yùn)各種大小型車輛，裝卸時(shí)產(chǎn)生大量廢氣，且每輛車均備有自用燃油，易引起油氣揮發(fā)，貨艙很容易積聚危險(xiǎn)氣體，發(fā)生火災(zāi)。因此貨艙通風(fēng)系統(tǒng)是汽車滾裝船最重要的系統(tǒng)之一，而風(fēng)道設(shè)計(jì)又是實(shí)現(xiàn)貨艙良好通風(fēng)最重要的環(huán)節(jié)。

1 貨艙通風(fēng)布置特點(diǎn)

汽車滾裝船貨艙通常設(shè)置獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)。6700車PCTC貨艙采用機(jī)械送風(fēng)和自然排風(fēng)形式。通風(fēng)系統(tǒng)的布局為前后部利用風(fēng)道送風(fēng)，船中利用風(fēng)道和坡道排風(fēng)，以避免通風(fēng)死角，且防止空氣分層及形成氣囊。6700車PCTC，裝車甲板達(dá)12層之多，整個(gè)貨艙區(qū)分成5個(gè)水密或氣密的空間，分別為1～5 甲板、5～7 甲板、7～9 甲板、9～11 甲板、11～13 甲板。整船貨艙艙容很大，達(dá)170000 m3。按船級(jí)社要求，貨艙通風(fēng)換氣次數(shù)，航行中為10次/h，裝卸時(shí)為20次/h。根據(jù)“通風(fēng)量=換氣次數(shù)×貨艙艙容”，裝卸時(shí)所需的換氣次數(shù)最大，按此確定風(fēng)道的位置和管徑，確定風(fēng)機(jī)的數(shù)量和額定風(fēng)量。正常航行時(shí)，風(fēng)機(jī)可以通過變頻系統(tǒng)，降低送風(fēng)量和功率消耗，在滿足換氣次數(shù)要求的前提下，減小能源消耗。通常貨艙進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口不能太近，貨艙出風(fēng)口3 m范圍為擴(kuò)大危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)風(fēng)口應(yīng)布置在危險(xiǎn)區(qū)以外。

2 貨艙風(fēng)道設(shè)計(jì)

汽車滾裝船為了兼顧風(fēng)道布置，舷側(cè)通常設(shè)計(jì)為橫骨架式，每四檔設(shè)置強(qiáng)肋骨，風(fēng)道設(shè)計(jì)為肋骨系統(tǒng)的一部分。6700車PCTC貨艙典型風(fēng)道為4檔肋距長(zhǎng)和820 mm寬的結(jié)構(gòu)框架組成，由1臺(tái)風(fēng)機(jī)提供送風(fēng)或連接1個(gè)排風(fēng)口，風(fēng)道內(nèi)的設(shè)計(jì)流速為8～10 m/s。即兩檔強(qiáng)肋骨之間布置一組風(fēng)道，風(fēng)道兩邊為強(qiáng)肋骨。風(fēng)道內(nèi)普通肋骨處外板和內(nèi)殼或加垂直扶強(qiáng)材，或以隔板隔開。風(fēng)道上端做成斗狀，從12甲板開始內(nèi)殼斜向上，13甲板向下設(shè)高500 mm直板，上端寬度與風(fēng)機(jī)座或防火風(fēng)閘座等寬。每條風(fēng)道應(yīng)通到擬通風(fēng)甲板的底部。圖1為結(jié)構(gòu)風(fēng)道上端形式。

圖1 結(jié)構(gòu)風(fēng)道上端形式

風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡可能地減少風(fēng)阻。風(fēng)阻包括摩擦阻力和流經(jīng)管路附件的局部阻力，兩者與風(fēng)速平方成正比，摩擦阻力與風(fēng)管長(zhǎng)度成正比，與風(fēng)管直徑成反比。由于風(fēng)管長(zhǎng)度與布置有關(guān)，管徑與通風(fēng)量有關(guān)，這兩者不易調(diào)整。通風(fēng)截面積縮減，風(fēng)速會(huì)增大，阻力會(huì)成平方關(guān)系增大，設(shè)計(jì)風(fēng)道時(shí)應(yīng)避免截面積過多縮減或反復(fù)變化。

下層結(jié)構(gòu)風(fēng)管承受外部海水壓力，跨距不能過大，風(fēng)管在每層甲板處不宜穿過，甲板作為結(jié)構(gòu)風(fēng)管的有效支撐。考慮通風(fēng)面積和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，6700車PCTC風(fēng)道處甲板開孔如下：孔邊距外板，3、5、7甲板留邊150 mm，以上其他甲板留邊90 mm；3和5甲板孔與孔之間留100 mm，7甲板及以上留40 mm。強(qiáng)橫梁與風(fēng)道連接處應(yīng)力最高，向舷邊逐漸降低。強(qiáng)橫梁兩側(cè)風(fēng)道孔開成梯形，內(nèi)殼處每邊留200 mm，外板處每邊留50 mm（見圖2），增加風(fēng)道在內(nèi)殼處甲板寬度，增強(qiáng)其連接處的強(qiáng)度。

圖2 甲板開孔形式1

有的汽車滾裝船上層結(jié)構(gòu)風(fēng)管設(shè)計(jì)為穿過甲板（見圖3），風(fēng)道設(shè)計(jì)為與強(qiáng)肋骨等高，風(fēng)道內(nèi)殼與強(qiáng)肋骨面板連接，強(qiáng)肋骨在甲板處穿過，強(qiáng)肋骨處內(nèi)殼與外板間兩邊加150 mm寬的月牙形肘板。普肋骨處外板和內(nèi)殼扶強(qiáng)材間用圓鋼和扁鋼連接，內(nèi)殼和外板處設(shè)置圓弧形小肘板加強(qiáng)。這種結(jié)構(gòu)形式，主要適用于干舷甲板以上甲板，由強(qiáng)肋骨支持強(qiáng)橫梁，強(qiáng)度應(yīng)滿足要求。對(duì)于下層甲板，普肋骨處仍采用隔板形式。

風(fēng)道也有做成圓管的，如SDARI設(shè)計(jì)的5000車PCTC，采用直徑900 mm的圓管通風(fēng)，穿過各層甲板，見圖4。

圖3 甲板開孔形式2

圖4 圓管風(fēng)道形式

管徑與截面積成正比，與周長(zhǎng)成反比。圓管同樣截面積周長(zhǎng)較小，其摩擦阻力和局部阻力都較小，通風(fēng)效率較高。不利之處在于這種風(fēng)管不能靠近舷側(cè)，舷側(cè)仍須設(shè)置強(qiáng)肋骨，對(duì)裝車數(shù)（面積）有影響，且不利于車輛行走和轉(zhuǎn)向。這種風(fēng)管不適用于外板線型收縮處，只適用于船上部外板直立的部分，外板線型收縮處仍采用矩形結(jié)構(gòu)風(fēng)管，并作為肋骨系統(tǒng)的一部分。對(duì)于兩者之間過渡，在矩形風(fēng)道上端甲板上方做一箱體，箱體向上為一條圓管風(fēng)道，向下為兩條矩形風(fēng)道，見圖5。圓形風(fēng)管布置在強(qiáng)框之間，基本不受力，因此厚度不需要很厚。通常5～7甲板管壁厚度為8 mm，7甲板以上為6 mm。

圖5 圓管風(fēng)道與下方風(fēng)道的連接

圖6 風(fēng)道穿過液艙形式

對(duì)于舷邊布置有邊水艙或油艙的，風(fēng)道要通到下層甲板，須從液艙穿過的：1）要有良好的密性與液艙隔開；2）要盡量減少風(fēng)阻。液艙結(jié)構(gòu)為橫骨架式較好處理，把橫向扶強(qiáng)材加大作為風(fēng)道，轉(zhuǎn)角處加斜封板；對(duì)于縱骨架式液艙艙壁，風(fēng)道高度要考慮內(nèi)部縱骨的高度，為了減少風(fēng)阻，在縱骨上貼6 mm厚的面板，見圖6。這樣的風(fēng)道，風(fēng)阻很大，這種形式在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免，在考慮風(fēng)機(jī)容量時(shí)必須留有一定的余量。

出風(fēng)口大小由通風(fēng)量和流速來確定，由于下層甲板強(qiáng)肋骨位置內(nèi)殼應(yīng)力較大，此處出風(fēng)口開孔，孔邊距腹板不小于200 mm，圓角半徑加大，如圖7。為使一組風(fēng)道中每個(gè)風(fēng)道風(fēng)量和風(fēng)速相差不大，開孔的面積應(yīng)相近，中間風(fēng)道孔為600 mm×1200 mm，兩邊風(fēng)道為500 mm×1400 mm。下層甲板由于行程長(zhǎng)，壓力下降了很多，風(fēng)速減小，出風(fēng)口應(yīng)適當(dāng)加大，確保通風(fēng)量。1～5甲板中間開孔為600 mm×1400 mm，兩邊為500 mm×1680 mm。出風(fēng)口一般不裝百葉窗，安裝一些可拆卸的水平圓鋼防護(hù)條。在船體線型收縮處，風(fēng)道內(nèi)殼如采用折角形式，須保持風(fēng)道內(nèi)截面積變化不大。如不影響車輛行駛或停放，內(nèi)殼折角處加強(qiáng)筋可置于風(fēng)道外側(cè)，避免出風(fēng)口通風(fēng)不暢。

圖7 風(fēng)道出風(fēng)口開孔

3 風(fēng)道的疲勞強(qiáng)度及加強(qiáng)

橫向歪斜變形是一種由于船舶橫搖運(yùn)動(dòng)引起的船舶各甲板間的整體錯(cuò)動(dòng)變形。剛性設(shè)計(jì)中，汽車滾裝船通過強(qiáng)橫梁、舷側(cè)強(qiáng)肋骨以及風(fēng)道側(cè)壁組成的強(qiáng)框架，來阻止船體這種橫向歪斜變形。對(duì)于船體的強(qiáng)制變形，剛度越大的構(gòu)件，對(duì)支撐的貢獻(xiàn)度越大，即越“剛”的構(gòu)件承受的力和力矩越大。對(duì)于車輛運(yùn)輸船的橫向強(qiáng)框架，組成結(jié)構(gòu)風(fēng)管的箱型側(cè)壁的剛度要明顯大于普通強(qiáng)肋骨，風(fēng)管側(cè)壁與甲板連接處的熱點(diǎn)應(yīng)力水平也顯著高于普通強(qiáng)肋骨相應(yīng)連接位置，分別對(duì)風(fēng)道與固定甲板及活動(dòng)甲板處的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算并對(duì)疲勞壽命不滿足規(guī)范要求的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于這類關(guān)鍵區(qū)域、節(jié)點(diǎn)，一般采用直接計(jì)算方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。對(duì)于不滿足規(guī)范要求的節(jié)點(diǎn)，通常采用趾端圓弧過渡、局部插厚等方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.1 風(fēng)道與固定甲板連接處疲勞分析

選取風(fēng)道與7甲板相交的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析，最大主應(yīng)力為281 MPa，如圖8所示。此處的疲勞壽命為0.9 a。為改善此疲勞點(diǎn)的疲勞壽命，采取增加肘板及甲板及風(fēng)道壁板局部插厚的加強(qiáng)方法。為不影響車道面積，不能增加沿船寬方向的橫向肘板，僅增加沿船長(zhǎng)方向的縱向肘板。加強(qiáng)后最大主應(yīng)力為90.5 MPa（如圖9所示），此時(shí)疲勞壽命為47.9 a。

3.2 風(fēng)道與活動(dòng)甲板連接處疲勞分析

汽車運(yùn)輸船在活動(dòng)甲板平面舷側(cè)設(shè)置水平桁作為活動(dòng)甲板的支撐，通常將水平桁腹板端部直接與風(fēng)道對(duì)齊或局部放大后與風(fēng)道連接，如圖7所示。對(duì)于水平桁與不等高的風(fēng)道連接處，水平桁端部需放大后與風(fēng)道直接相連，如圖10（a）所示。對(duì)于6700 PCTC，此類節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命約為6.5 a；對(duì)于水平桁與等高的風(fēng)道連接處，如圖10（b）所示，水平桁端部疲勞問題更嚴(yán)重，疲勞壽命約為4.8 a。

圖8 風(fēng)道與固定甲板連接處熱點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖9 加強(qiáng)后風(fēng)道與固定甲板連接處熱點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖10 水平桁與風(fēng)道常用連接方式

為解決此類疲勞點(diǎn)的強(qiáng)度問題，水平桁端部連接到強(qiáng)肋骨面板或與強(qiáng)肋骨腹板時(shí)采用軟趾形式，將焊縫疲勞問題轉(zhuǎn)換為自由邊疲勞問題，如圖11所示。此時(shí)最大主應(yīng)力出現(xiàn)在自由邊上 （如圖12所示），自由邊的疲勞壽命為21.6 a。

圖11 水平桁端部軟趾形式

4 風(fēng)道設(shè)計(jì)其他注意事項(xiàng)

圖12 水平桁端部主應(yīng)力分布

根據(jù)SOLAS 2016新規(guī)，車輛艙之間為A30分隔，風(fēng)管服務(wù)于哪個(gè)車輛艙就認(rèn)為與該艙同一個(gè)處所。貨艙每個(gè)水密或氣密空間即為一個(gè)處所。風(fēng)道從其他處所穿過，內(nèi)表面要包40 mm厚的陶瓷棉作絕熱層，沿橫隔板延伸450 mm寬，見圖13。絕熱層也可以包在風(fēng)道外面，車輛布置和活動(dòng)甲板設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)道周邊應(yīng)預(yù)留足夠的間隙，絕熱層也應(yīng)適當(dāng)防護(hù)。

圖13 風(fēng)道內(nèi)絕熱層

每組風(fēng)道上方均設(shè)一風(fēng)機(jī)房，汽車滾裝船的總長(zhǎng)通常在200 m以內(nèi)。全船要布置大量的風(fēng)機(jī)房。船首風(fēng)機(jī)房布置時(shí)又要滿足駕駛室視線的要求，必要時(shí)可將風(fēng)機(jī)放到下層甲板上，降低上面的風(fēng)機(jī)房高度。

風(fēng)機(jī)房主要分為進(jìn)風(fēng)用和排風(fēng)用兩種，采用6 mm的板焊接而成。排風(fēng)用風(fēng)機(jī)房相當(dāng)于通風(fēng)筒，甲板上方設(shè)一平臺(tái)安裝防火風(fēng)閘，風(fēng)排向舷外，在舷邊的一面開孔并安裝百葉窗。進(jìn)風(fēng)用風(fēng)機(jī)房，進(jìn)風(fēng)口開向船內(nèi)一側(cè)，在甲板上500 mm高處設(shè)一基座，上面安裝防火風(fēng)閘，軸流風(fēng)機(jī)再安裝在風(fēng)閘上。兩種風(fēng)機(jī)房開孔都為3000 mm×2000 mm，孔邊緣距甲板900 mm高。每個(gè)風(fēng)機(jī)加上防火風(fēng)閘有0.9 t重，加上風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的力，基座應(yīng)作適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。圖14為該船的風(fēng)機(jī)基座，設(shè)計(jì)成斗狀，每檔肋位處加強(qiáng)筋延伸到甲板，基座中間平，前后斜撐到甲板，甲板下對(duì)應(yīng)加強(qiáng)斜撐到風(fēng)道隔板。

圖14 風(fēng)機(jī)基座

鋼板制作的風(fēng)機(jī)房重量較大，風(fēng)機(jī)房本身位于最上層甲板上，位置較高，由于汽車滾裝船對(duì)穩(wěn)性要求高，對(duì)船舶的重心高度較敏感，風(fēng)機(jī)房重量大對(duì)穩(wěn)性不利。也可采用玻璃鋼制作的整體式風(fēng)機(jī)房，結(jié)構(gòu)緊湊，總的重量可減輕100 t。圖15為鋼板焊接的風(fēng)機(jī)房和整體式風(fēng)機(jī)房。

圖15 風(fēng)機(jī)房結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

汽車滾裝船是布置型船舶，設(shè)備和系統(tǒng)眾多，貨艙通風(fēng)是一個(gè)重要系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)風(fēng)道是船體結(jié)構(gòu)、通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，結(jié)構(gòu)風(fēng)道作為肋骨系統(tǒng)一部分，應(yīng)與其他結(jié)構(gòu)一起通盤考慮，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量減少風(fēng)阻，降低風(fēng)機(jī)功率，提高汽車滾裝船安全性和經(jīng)濟(jì)性。由于汽車滾裝船建造和存量都少，沒有太多的經(jīng)驗(yàn)可供設(shè)計(jì)借鑒，6700車風(fēng)道設(shè)計(jì)為以后的設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。