艾記平

(福建省馬尾造船股份有限公司,福建 福州 350501)

1 概述

福建省馬尾造船股份有限公司承造的12500DWT多用途重吊船具有管子吊安裝精度高、貨艙大開口的狹窄舷側(cè)結(jié)構(gòu)、入級符號中冰級1AFS和防凍H(-38℃)的特別要求,以及增加SDA計(jì)算要求等,使本船艙口圍設(shè)計(jì)形式和材料選擇極為困難。常規(guī)作業(yè)采用艙口圍和管子吊軌道分開布置和設(shè)計(jì)的方案,艙口圍按照船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和艙口蓋布置要求設(shè)計(jì),而管子吊軌道按照設(shè)備廠家要求設(shè)計(jì)。但本船由于艙口圍空間狹窄,并且要求材質(zhì)滿足船級社III要求和設(shè)備廠家抗拉強(qiáng)度等要求,最終采取復(fù)合型艙口圍的設(shè)計(jì)方案,從而滿足本船艙口圍多功能和強(qiáng)度等要求,并經(jīng)驗(yàn)證順利交船。

2 艙口圍的設(shè)計(jì)要求

2.1 12500DWT多用途重吊船主尺度

該12500DWT多用途重吊船總長141.30m,垂線間長136.54m,型寬24.91m,型深12.20m,結(jié)構(gòu)吃水8.92m,設(shè)計(jì)吃水8.20m,最大載重14535t。

2.2 12500DWT多用途重吊船入級符號

根據(jù)勞氏船級社特別檢驗(yàn)的按照規(guī)范建造適合海上航行的新船舶,有符合規(guī)范要求的錨泊/和系泊系統(tǒng)、重貨加強(qiáng)、貨艙內(nèi)和貨物甲板上及貨物甲板艙口蓋上裝載集裝箱、冰級1AFS、防凍H(-38℃)、水下檢驗(yàn)、推進(jìn)系統(tǒng)和輔助機(jī)械、無人機(jī)艙、尾軸監(jiān)測、1人橋樓駕駛系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)(AA)(貨艙艙口蓋可忽略)、壓載水管理系統(tǒng)、 25t卸貨抓斗加強(qiáng)、中央控制系統(tǒng)、防腐蝕保護(hù)(壓載艙,雙殼區(qū)域)、有毒有害物質(zhì)清單要求。

2.3 船舶總布置要求

本船貨艙從機(jī)艙前壁FR.36至貨艙前壁FR.144共計(jì)89.15m,縱向長度范圍內(nèi)無固定橫艙壁,貨艙開孔寬度為17.8m,一側(cè)舷寬僅3.555m。其布置僅在雙貨艙裝載工況時(shí),設(shè)有1個(gè)可布置在兩個(gè)可調(diào)位置的二甲板艙蓋兼用的移動(dòng)式橫艙壁。

貨艙左舷有2臺(tái)500t克令吊、貨艙艙口蓋及軌道、頂升裝置等布置、100t管子吊、貨物甲板和貨物甲板艙口蓋上集裝箱布置及二甲板艙口蓋支撐盒設(shè)備等。為此,調(diào)整了初步艙口圍設(shè)計(jì),將管子吊軌道與艙口圍頂板合并設(shè)計(jì)。

2.4 船級社規(guī)范要求

船級社要求本船左右舷滿足澳大利亞碼頭協(xié)會(huì)和IACS關(guān)于通道寬度和高度等的要求,并要求本船增加SDA全船有限元計(jì)算等;滿足船舶入級符號中冰級1AFS和防凍H(-38℃)要求,按照船級社規(guī)范要求,艙口圍露天部分結(jié)構(gòu)材質(zhì)滿足英國勞氏船級社鋼板材質(zhì)船級社III要求(見表1)。

表1 英國勞氏船級社鋼板材質(zhì)船級社 III要求

由表1可以看到,艙口圍頂板如按管子吊廠家要求采用100mm鋼板作為管子吊軌道,則必須至少為FH高強(qiáng)度鋼才能滿足船級社規(guī)范要求,但船級社要求船舶用鋼的屈服強(qiáng)度最大≤460MPa,而屈服強(qiáng)度最大≤460MPa的高強(qiáng)度鋼其抗拉強(qiáng)度≤720MPa,無法滿足管子吊廠家的抗拉強(qiáng)度最小≥690MPa的要求。

2.5 船東和設(shè)備廠家要求

船東為了增加營運(yùn)裝卸貨效率等要求,本船重吊船由原來的700t改為1000t,這也導(dǎo)致因狹窄的舷側(cè)無法布置而將克令吊變頻器等設(shè)備布置到尾部機(jī)艙區(qū)域。規(guī)格書要求貨艙內(nèi)艙壁和/或艙口圍任何工況下向內(nèi)總變形(左/右)>100mm或任何工況下向外內(nèi)總變形(左/右)>40mm的應(yīng)設(shè)置限位器。

艙口蓋廠家對于艙口圍主要是針對艙口蓋軌道及頂升裝置、壓緊器等布置和強(qiáng)度提出了要求,此處不做詳細(xì)說明。

管子吊廠家要求100t管子吊軌道厚度至少100mm,并要求其抗拉強(qiáng)度必須≥690MPa。管子吊軌道安裝后的平面度和平行度、斜度要求極高,如圖1所示。

圖1 管子吊設(shè)備精度要求

2.6 船舶強(qiáng)度及艙口圍變形方面要求

由于此艙口圍頂板也是貨艙大開口的內(nèi)縱壁部分結(jié)構(gòu),參與船舶的總縱強(qiáng)度,其強(qiáng)度要滿足英國勞氏船級社規(guī)范在船舶總縱強(qiáng)度方面的要求,也要滿足SDA全船有限元計(jì)算的特別要求。同時(shí),還要滿足艙口圍在受到波浪載荷和壓載水、集裝箱及散貨裝載,以及克令吊作業(yè)狀態(tài)等各種載荷、吃水情況下艙口圍變形要求(向內(nèi)100mm,向外40mm)。

3 艙口圍方案設(shè)計(jì)

3.1 艙口圍設(shè)計(jì)存在的問題

首先是艙口圍強(qiáng)度問題。上述管子吊廠家要求艙口圍頂板100mm厚板作為管子吊軌道,其抗拉強(qiáng)度必須≥690MPa,對應(yīng)此抗拉強(qiáng)度按照船級社規(guī)范要求至少須要選擇100 FH690的高強(qiáng)度鋼,但其屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于船級社允許使用在船舶上的最大屈服強(qiáng)度460MPa要求,因此不能選用FH690的鋼板。

為此,船廠咨詢了國內(nèi)幾個(gè)大型鋼廠,如寶鋼、南鋼、舞陽鋼鐵,要求廠家提供抗拉強(qiáng)度≥690MPa,同時(shí)屈服強(qiáng)度≤460MPa的鋼板,均回復(fù)無法提供。后又咨詢了國外廠家,如日本神戶鋼鐵、德國蒂森克虜伯鋼鐵等著名鋼鐵廠,也都回復(fù)無法提供此種要求的鋼板。但設(shè)備廠家仍明確要求抗拉強(qiáng)度必須≥690MPa。

其次是艙口圍焊接問題。在左右舷單邊長89.15m范圍內(nèi)幾種高強(qiáng)度鋼焊接,要保證焊接完成后管子吊軌道精度要求。

3.2 艙口圍初步設(shè)計(jì)方案

為此,船廠在考慮滿足廠家對抗拉強(qiáng)度的要求及船級社屈服強(qiáng)度要求、艙口圍布置等情況下,提出不同的艙口圍設(shè)計(jì)方案。船廠提出的兩種典型初步方案如圖2、圖3所示。

圖2 船廠初步設(shè)計(jì)方案一

圖3 船廠初步設(shè)計(jì)方案二

船廠初步典型設(shè)計(jì)方案一(圖2)經(jīng)過討論,認(rèn)為艙口蓋頂部100 FH620對接長度太短,會(huì)導(dǎo)致焊接困難,變形不易控制,難以保證管子吊軌道高精度要求,而且對接縫會(huì)干擾管子吊滾輪運(yùn)行及限位裝置等,因而放棄。

船廠初步典型設(shè)計(jì)方案二(圖3)則在初步典型設(shè)計(jì)方案一的基礎(chǔ)上,將頂部厚板對接縫調(diào)整至艙口圍平臺(tái)甲板之下,避開管子吊運(yùn)行時(shí)滾輪運(yùn)行區(qū)域,但經(jīng)核算和確認(rèn),艙口圍頂部管子吊軌道雖也未能滿足管子吊廠家的抗拉強(qiáng)度≥690MPa要求,但可以滿足艙口圍布置和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

綜上,船廠決定在初步典型設(shè)計(jì)方案二基礎(chǔ)上再進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,解決艙口圍頂部抗拉強(qiáng)度≥690MPa的問題,就可以滿足所有要求。

3.3 艙口圍最終設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過不斷優(yōu)化和調(diào)整設(shè)計(jì),多次討論并咨詢英國勞氏船級社焊接專家后,船廠最終決定采取高強(qiáng)度止裂鋼結(jié)合高硬度耐磨鋼組合的復(fù)合型艙口圍設(shè)計(jì)方案,即艙口圍頂板采用100EH470的高強(qiáng)度止裂鋼,其上再裝焊Hardox400×20規(guī)格的耐磨鋼。艙口圍典型橫剖節(jié)點(diǎn)及每12～14m設(shè)置膨脹接頭節(jié)點(diǎn)如圖4、圖5所示。

圖4 艙口圍典型橫剖面及焊接節(jié)點(diǎn)

圖5 艙口圍膨脹接頭節(jié)點(diǎn)

最終復(fù)合型艙口圍總布置如圖6所示。

圖6 艙口圍設(shè)計(jì)平面圖

至此,復(fù)合艙口圍設(shè)計(jì)完成,并具備了如下特點(diǎn):

①滿足管子吊廠家布置要求。由于管子吊齒條動(dòng)力機(jī)構(gòu)布置在左舷,因此,左舷艙口圍設(shè)計(jì)為階梯形部分下沉95mm,以滿足滾輪運(yùn)行及限位裝置要求(圖7),并要求其抗拉強(qiáng)度必須≥690MPa。艙口圍頂部平面度、斜度、直線度,及左右舷二條軌道平行度等符合高精度要求。

圖7 管子吊滾輪及軌道節(jié)點(diǎn)圖

②滿足船舶貨物甲板艙口蓋布置要求。本船由于船舶主體最上層貨物甲板在艙口蓋安裝后,有堆放集裝箱需求,因此,要求艙口圍設(shè)計(jì)必須滿足艙口蓋安裝后與舷側(cè)貨物甲板齊平,狹小的艙口圍要滿足艙口蓋軌道布置和強(qiáng)度要求,以及同時(shí)布置管子吊要求等。

③復(fù)合型艙口圍高強(qiáng)度鋼組合。此復(fù)合型艙口圍使本船艙口圍兼具高強(qiáng)度止裂鋼100 EH470所有特點(diǎn)和耐磨鋼Hardox400的硬度要求,既能滿足設(shè)備廠家對于抗拉強(qiáng)度≥690MPa的要求,也能夠滿足船級社對于入級符號防凍H(-38℃)中船級社III的材質(zhì)要求。同時(shí),對于不同材質(zhì)厚度(100mm和20mm)的兩種高強(qiáng)度鋼的焊接也是要求很高。

④超長耐磨鋼Hardox400應(yīng)用。一般高強(qiáng)度耐磨鋼Hardox400用于極小局部硬度要求較高的設(shè)備基座區(qū)域,本船長達(dá)96m且跨整個(gè)大開口貨艙長度范圍,同時(shí)要確保整個(gè)艙口圍頂板高精度要求,這也是本船艙口圍的一大特點(diǎn)。

3.4 艙口圍強(qiáng)度問題解決

一是解決了管子吊抗拉強(qiáng)度和艙口圍強(qiáng)度要求。艙口圍設(shè)計(jì)方案中,高強(qiáng)度止裂鋼100 EH470滿足了船級社規(guī)范要求屈服強(qiáng)度最大≤460MPa,而其上的耐磨鋼Hardox400×20能夠滿足管子吊廠家抗拉強(qiáng)度≥690MPa的要求。但是由于船級社III要求,而艙口圍頂板100 EH470不滿足FH高強(qiáng)度鋼對于低溫要求,為此,船廠向船級社申請100 EH470高強(qiáng)度鋼按照規(guī)范要求進(jìn)行FH高強(qiáng)度鋼低溫沖擊試驗(yàn),即-60℃時(shí)橫向≥31J、縱向≥46J。此沖擊試驗(yàn)在船級社驗(yàn)船師的見證下順利完成試驗(yàn)并完全滿足要求,從而也滿足了船級社防凍H(-38℃)中船級社III的材質(zhì)要求。

二是艙口圍變形計(jì)算問題。在進(jìn)行了船舶總縱強(qiáng)度和有限元計(jì)算分析,均滿足船級社規(guī)范要求,艙口圍變形計(jì)算也滿足船東規(guī)范書要求。強(qiáng)度計(jì)算載荷工況如下:

①航行工況

-船舶在傾側(cè)

-波浪

-中拱和中垂

-最小和最大吃水

-變化的貨物甲板載荷

-變化的二甲板間載荷

-變化的內(nèi)底載荷

-船舶貨艙開敞工況

②港口工況

-中拱和中垂

-最小吃水和最大吃水

-變化的貨物甲板載荷,包括使用艙口蓋支柱

-變化的二甲板間載荷

-變化的內(nèi)底載荷

-滿載時(shí)1臺(tái)克令吊操作

-滿載時(shí)2臺(tái)克令吊操作

-滿載時(shí)2臺(tái)起重機(jī)聯(lián)吊操作

對于每個(gè)基本荷載,應(yīng)用合適的邊界條件。靜水工況下,通過在模型船尾FR15和船首FR159二端施加適當(dāng)?shù)募羟辛蛷澗亍Ｅ摽趪冃斡?jì)算部分見表2。

表2 艙口圍變形計(jì)算部分

3.5 艙口圍焊接問題解決

①高強(qiáng)度止裂鋼100 EH470下料工藝。艙口圍頂板100mm厚板兼做管子吊軌道,其作為貨艙內(nèi)縱壁與下面相鄰薄壁板對接時(shí),為避免應(yīng)力集中等,需設(shè)置1∶3的過渡剖口,過渡剖口長252mm。每次正式切割之前,先小件試切割并檢驗(yàn)合格再正式切割,確保切割質(zhì)量。

②艙口圍頂板的安裝工藝。確定了裝配方案和重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng),成立攻關(guān)小組,采用最新英國勞氏船級社認(rèn)可的100 EH470高強(qiáng)鋼焊接WPS程序,分段建造階段艙口圍頂板厚板,嚴(yán)格按照WPS要求裝配焊接,控制貨艙內(nèi)縱壁的精度和控制變形,以確保分段合攏后艙口圍頂板的精度。

③艙口圍頂板上面的耐磨鋼下料工藝。艙口圍頂高硬度耐磨鋼Hardox400由設(shè)計(jì)部依據(jù)不同分段和膨脹接頭長度等提供了下料放樣圖,委托專業(yè)線切割及數(shù)控機(jī)床打磨,確保耐磨鋼精度要求。

④艙口圍頂板上面的耐磨鋼安裝工藝。耐磨鋼對接區(qū)域使用鋁箔布進(jìn)行有效隔離耐磨鋼Hardox400×20和艙口圍頂板100 EH470,避免由于熱收縮不同導(dǎo)致的可能產(chǎn)生裂紋等情況。

雖然艙口圍精度要求極高,施工難度大,但在船廠各部門協(xié)調(diào)和船級社、船東支持下,船廠順利完成了貨艙分段的總組和艙口圍頂板的裝配,經(jīng)過不斷調(diào)整精度也滿足了廠家要求,并順利報(bào)檢通過。

4 結(jié)束語

多用途重吊船一直以其設(shè)備復(fù)雜,設(shè)計(jì)和建造難度大而聞名,而福建省馬尾造船股份有限公司建造的12500DWT多用途重吊船則更為復(fù)雜。但在船廠不斷努力及各方的支持下,最終成功設(shè)計(jì)出滿足船級社、船東和設(shè)備廠家要求的方案,并按照制定各專項(xiàng)工藝措施嚴(yán)格施工,完成了本船艙口圍的裝配工作。同時(shí),此復(fù)合型艙口圍也為類似狹窄空間、高精度、對強(qiáng)度有特別要求的設(shè)計(jì)和布置提供了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路。