基于共同结构规范的苏伊士型油船设计*

潘 滢

(上海交通大学 上海 200030)

基于共同结构规范的苏伊士型油船设计*

潘 滢

(上海交通大学 上海 200030)

共同结构规范;苏伊士型油船;装载工况;结构设计

针对苏伊士型油船,基于共同结构规范进行了较详细的全船结构设计分析,并探讨了共同结构规范的特点及其对该型船设计的影响。

0 引 言

苏伊士型油船(Suezmax Crude Oil Tanker,以下简称Suezmax)是世界油运市场上的五大主力船型之一,由于该型船是满载可通过苏伊士运河的载重量最大的油船,基于苏伊士运河的特殊地理位置,在未来较长的时间内,尤其是欧洲市场,需求量相当大且会有一定的增长。

2006年4月1日正式生效并实施的油船共同结构规范(以下简称CSR),是IACS有史以来第一次在全球范围内统一油船建造标准,对油船的结构设计影响是全面和系统的,其不利结果是船体结构重量的增加导致载重量的减小和建造成本的增加,因此势必带来新一轮的船型开发。但从另一角度看,这也给了我国与日、韩等造船强国站在同一起跑线的机会。

本文针对载重159 000 t苏伊士型油船,依据CSR进行了较详细的全船结构设计分析,希望能为全面地掌握CSR规范的运用和要求提供一些借鉴。

1 装载工况研究

CSR根据URS11的最新要求,对船舶装载手册中各实际配载工况的油水分布及浮态作了明确规定和更严格的要求,基本上保证了今后的油船设计在总强度要求指标上遵循统一的标准,也在一定程度上避免了船舶在今后的运营过程中由于装载的误操作产生的应力超标。

经研究发现,针对SUEZMAX,受CSR规范影响较大的装载工况为:

1.1 正常压载工况

·压载舱可以为装满/部分装载/空舱,如部分装载,则应满足CSR规范第8节1.1.2.5的条件;

·螺旋桨完全浸没;

·没有首倾,尾倾不超过0.015L(L为计算船长)。

1.2 重压载工况

·货舱区域或货舱区后面的压载舱可以为装满,部分装载或空舱。如部分装载,则应满足CSR规范第8节1.1.2.5的条件;

·首尖压载水舱必须装满。如首尖舱设有上下分隔,则下首尖舱必须装满;上首尖舱可以为装满,部分装载或空舱;

·其他压载舱(如尾尖舱)可以为满/部分装载/空,如部分装载应按CSR规范第8节1.1.2.5要求校核强度;

·螺旋桨完全浸没。

1.3 CSR规范第8节1.1.2.5及1.1.2.6要求的强度校核工况

与URS11的要求基本一致,即对于压载舱有部分装载的,需考虑该舱空舱到满舱状态下(包括出港和到港)的船体静水弯矩和剪力,但不计浮态。

1.4 螺旋桨检查起浮工况

螺旋桨轴线应至少高出水线1/4桨直径。

1.5 涉及压载水交换过程的工况

表1 159 000 t苏伊士型油船的装载工况(单位:kN·m)

从表1的计算结果可以看到:对应于航行状态,经分舱优化后,中拱静水弯矩达到最大时的工况并非为URS11的某个检查工况(出港),而是隔舱装载的某个工况(第三、六货油舱装满)。除此之外,压载水置换的某个工况时,中拱静水弯矩也较大,而且都比CSR规范值大。中垂静水弯矩最大值小于CSR规范值。对应于港口状态,螺旋桨检查工况时的中拱静水弯矩达到最大,而且比CSR规范要求的最小值要大。

2 总强度储备的研究

总强度储备是指船体承受总弯矩(垂向波浪弯矩与垂向静水弯矩之和)作用下,甲板/底部实际剖面模数减去规范要求的最小剖面模数后所得到的值与规范要求的剖面模数之比。

对于具有双底、单甲板的该型船来说,总强度储备是对甲板而言的。在设计中,总强度储备的控制一般可通过同时控制总弯矩储备和模数储备加以实现。随着海洋波浪研究不断取得进展,IACS已统一了波浪弯矩的计算公式,船的主尺度一经确定,该值实际上是定值。因此,该型船总弯矩的储备实际上就转化为静水弯矩的储备。该值取得过高或过低,都是不利的。通常配载合适的静水弯矩可寻找母型船资料作为参考。但由于CSR规范要求的强度校核工况与URS11的要求一致,而以前建造的该型油船基本满足URS11的要求,因此在寻找母型船时应注意选择满足URS11要求的船型,否则的话应对其数据进行相应的处理甚至对该型船型的静水弯矩作专门研究。

3 中剖面设计

该型船的中剖面设计,涉及到骨材间距、构件尺寸和纵骨类型等内容。本文主要研讨CSR对中剖面设计的影响,并着重对以下几个方面进行了讨论(限于篇幅,仅作初步探讨而不作展开)。

3.1 船体梁弯曲强度

根据CSR规范,弯曲强度要求的船体梁剖面模数和最小惯性矩计算时应扣除50%的腐蚀厚度,即-0.5 tcorr,这与原各船级社的规范有很大区别。CSR规范要求的最小剖面模数分为三种:基于主尺度、基于弯矩设计值和基于疲劳强度要求。

对于船舯,基于主尺度的最小模数:

基于弯矩设计值的最小模数:

如果弯矩设计值取CSR规范值,则基于主尺度和基于弯矩设计值要求的剖面模数一致;如果弯矩设计值大于CSR规范值,则基于弯矩设计值要求的剖面模数比基于主尺度要求的要大。在前期设计阶段,对于型深相对较低、船宽相对较大的扁平型船,基于疲劳强度的船体梁弯曲强度,往往是很关键的决定因素。

CSR规范提出了有效甲板高度的定义,通过研究发现过高的梁拱对甲板剖面模数的储备不利。因此,必须合理设置梁拱。从有效甲板高度计算公式看,平直段距离越小对有效甲板高度的影响越小,而越小的平直段距离在实际营运中积水的可能性也越小。因此有效甲板高度的规定对合理设置梁拱提出了要求。

3.2 船体梁疲劳强度

对于甲板模数而言,CSR规范除了给出常规船体梁最小剖面模数(基于主尺度和基于弯矩设计值)以外,还给出了船体梁满足疲劳强度所要求的最小甲板剖面模数。但该公式针对的是北大西洋海况下25年的疲劳寿命,如船东要求额外的疲劳寿命,则该公式还应另外考虑疲劳寿命影响系数。

经计算发现,对于15.9万吨SUEZMAX,如甲板纵骨节点按F型S-N曲线考虑,则满足船体梁疲劳强度要求的最小剖面模数比常规的船体梁最小剖面模数大0.6%左右;如甲板纵骨按F2型S-N曲线考虑,则最小剖面模数要大14%左右。

因此,15.9万吨SUEZMAX的甲板纵骨穿越横向强构件处的节点选用了能按F型S-N曲线考虑的形式(见图1);同时若施工允许,建议甲板纵骨采用纵骨拉入法。

图1

3.3 船体梁屈曲强度

CSR规范对于屈曲强度校核包括以下三项:

(1)刚度和尺度比要求:规定了板格和型材的细长比(Slenderness coefficient);

(2)根据DIN标准制定的屈曲强度衡准要求:对于板格而言,根据不同的载荷形式(受剪或单轴受压),通过计算确定其屈曲系数和缩减系数,然后根据相应公式校核屈曲强度;对于型材而言,主要校核柱屈曲强度(Column buckling)(载荷垂直于板面)和扭转屈曲强度(Torsionalbuckling);

(3)高级屈曲要求:考察组合应力影响下的板和加筋板格的屈曲强度,一般通过有限元方法进行计算。

计算结果表明:在远离中和轴的船体梁区域,总纵弯曲应力较大。纵向型材如果端部削斜,则假定的非理想变形ω0相当大,导致屈曲利用因子超过许用值。而中和轴附近的船体梁区域,总纵弯曲应力较小。无论型材端部削斜或连续,计算得到的屈曲利用因子和惯性矩均满足规范要求。除柱屈曲模式以外,CSR规范还要求进行扭转屈曲强度计算(应注意型材的扭转屈曲长度lt(Torsional buckling length)一般不予折减,取强框间距)。15.9万吨SUEZMAX纵骨的扭转屈曲除甲板纵骨外都情况良好,有足够的裕度。而最危险的甲板纵骨,扭转屈曲利用因子为0.83(许用屈曲利用因子ηallow=1.0(0.5D以上))。甲板纵骨的屈曲情况非常恶劣,设计时须特别注意。

3.4 船体主要横向支撑构件的规范计算研究

由于尺度原因,该船型的横向主要支撑构件是所有油船中跨距最大的,所以对于剪切要求是最高的,设计时务必要重视。新船型取消了底部多余的船底纵桁,减轻了船体重量。

CSR规范中明确地给出了基于静载荷、静载荷和动载荷的组合,以及进水破损载荷等工况下的对于PSM的模数和剪切面积的要求,为初始设计提供了较统一的计算依据。随着设计的深入,再通过有限元舱段分析加以验证。同时,CSR规范规定,若有限元的计算结果证明构件尺寸可以减小,也仅允许减到规范计算值的85%(板厚、模数、剪切面积等)。此外,计算剪切面积时要注意扣除开孔(人孔、流水孔、透气孔、穿越孔等)的影响。因此,剪应力高的区域应尽量少开孔,选择合适的补板形式,必要时需作局部板厚加强。

(1)经计算,为满足剪切强度的要求,15.9万吨SUEZMAX的双层底非水密肋板需进行加强,对于底部桁材,如果其上设有纵舱壁,则其板厚按纵舱壁的剪力校核计算来确定。如果其上没有纵舱壁,则按CSR要求,仅对横舱壁(水密/制荡)前后1个强框内的桁材剪切面积有具体要求。其中,有效剪切长度按相应位置肋板的有效剪切长度取;

(2)计算甲板强横梁的剖面模数时,CSR要求考虑由纵舱壁垂直桁或双壳内桁材(Side transverse)传递来的弯矩。此外,除考虑货舱内货油压力外,还要考虑甲板上浪的压力。另外,最小板厚对位于货油舱内的甲板强横梁腹板厚度的要求很高。对于15.9万吨SUEZMAX,甲板强横梁腹板的最小厚度为12mm。计算表明,15.9万吨SUEZMAX的甲板强横梁的母型船原设计的尺寸基本能够满足CSR的要求,只是防倾肘板的间距过大,需加设一档防倾肘板。同时剪切面积稍小,需减小所开减轻孔尺寸;

(3)纵舱壁垂直桁根部应尽量设置较大肘板,一方面可以提高自身的承剪能力,另一方面对减小双层底肋板的跨距和有效剪切长度有利。此外,垂直桁上的PMA开孔也必须注意,特别是在剪应力较高的区域,可考虑一些等效布置方法以避免在高剪力区域开孔;

(4)CSR对水平桁的最小高度、剖面模数和剪切面积有具体要求。其中剖面模数和剪切面积对端部0.2l(l为相应的有效跨距或有效剪切长度)要求较高。同时,水平桁上加强筋、防倾肘板受晃荡载荷影响较大,设计时必须注意。经计算发现,满足晃荡强度要求的加强筋和防倾肘板尺寸比原船级社规范要求的要大。因此,防倾肘板的间距可考虑适当减小。从疲劳角度说,CSR对水平桁与内壳相交接处的结构节点有具体的推荐。其中,嵌入厚板的板厚一般比周围区域CSR要求的板厚增加7 mm。

4 有限元分析

4.1 有限元的新要求

在CSR中,明确规定了用有限元分析对船体结构进行强度评估为强制要求。此外,也对有限元分析的具体要求作了如下较大的更改:

(1)增加了有限元分析的内容,要求有限元分析应包括:

①舱段分析:评估纵向船体梁构件、主要支撑构件和横舱壁的强度;

②细化网格分析:评估局部结构细节的详细应力水平。

(2)扩大了有限元分析的范围。原有有限元分析只对货舱段平行中体部分的构件进行,现在要求对整个货舱段的构件进行分析,具体包括中部货油舱区域纵向船体梁构件、主要支撑构件和横舱壁的强度评估,首尾货油舱区域横舱壁处承受船体梁垂向剪切载荷的纵向船体梁抗剪构件;

(3)舱段有限元模型由1/2+1+1/2型2舱段模型加长为3舱段模型;

(4)重新规定了载荷的计算方法;

(5)重新规定了标准计算工况;

(6)重新规定了模型的载荷施加和边界条件;

(7)重新规定了构件尺寸在模型中的模拟方法;

(8)根据构件的类型及位置重新规定了评估标准。

4.2 该型船货舱区结构分析

诚如中剖面研究中所分析的,CSR定义的载荷是由静载荷(S)和基于船舶运动加速度的动载荷(D)组成的。针对15.9万吨SUEZMAX(具有一道油密纵舱壁),CSR有限元分析要求的标准设计载荷组合工况其中包括静载荷(S)和动、静载荷的组合(S+D)。其中,静载荷由装载模式确定的吃水、船体梁静水弯矩和静水剪力决定;动载荷由动载荷工况确定。动载荷工况的计算需要考虑不同的浪向(迎浪、斜浪和横浪)以及不同的船体运动响应(垂向波浪弯矩、垂向加速度、纵向加速度等)。

(1)从目前已进行的有限元分析结果来看,较大的结构应力出现在纵舱壁、横舱壁水平桁端部、强框底部这些区域;

(2)在进行屈曲强度评估时,除主甲板、内底板和底部纵桁满足CSR要求外,有较多位置的构件尺寸不满足CSR的要求,需进行加强:

·外底的屈曲最为严重。在舱中的三个强框范围内需加厚2 mm,横舱壁前后一个强框需加厚1mm;

·舭部以上的第一列舷侧外板在舱中的三个强框范围内需加厚2 mm;

·内底以上第一列HOPPER斜板在整舱范围内需加厚1mm;

·内壳纵舱壁与中纵舱壁在舱中三个强框范围内,1/2型深附近需加厚1mm～2 mm;

·横向强框架的屈曲也较为严重,在原先的加强范围之外普遍需加厚1mm～2mm;

·横舱壁的局部区域屈曲强度稍显不够,局部加防屈曲筋即可满足。

(3)15.9万吨SUEZMAX进行细网格有限元计算的细化区域有五处:

·底边舱上折角处

·底边舱靠近舭部的开孔

·中纵舱壁垂直桁趾端

·横舱壁水平桁根部(靠近中纵舱壁)

·横舱壁水平桁趾端(靠近内壳)

(4)依据CSR,用精细网格有限元方法求解了主要支撑构件高应力区域结构细节的应力。经计算,在内壳板的疲劳寿命达到要求年限。

5 结 语

本文针对159 000 t苏伊士型油船进行了满足CSR的技术评估,还研讨了CSR对该型船设计的影响,希望能为以后满足CSR要求的油船设计提供借鉴。

[1] Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers,January 2006.

[2] CSR Corrigenda 1,Rule Editorials and Clarifications,April 2006.

[3] CSR Corrigenda 2,Rule Editorials and Clarifications,July 2006.

[4] UR S11.2.1.3(Rev.5),Longitudinal Strength Standard,2006.

[5] 15.9万吨CSR油船规范设计阶段性技术评估报告[R].七〇八研究所.

Suezmax Crude Oil Tanker Design Based on Common Structure Rules

Pan Ying

common structure rules;Suezmax crude oil tanker;loading;ship structure design

The general ship structure design analysis for a Suezmax crude oil tanker based on common structure rules is performed in detail.The characteristics of common structure rules and its influences on design of this ship type are also discussed.

U662.1

A

1001-9855(2010)03-0025-04

2010-02-24

潘 滢(1980.09-),男,汉族,河北衡水人,工程师,在读硕士研究生,主要从事船舶结构研究设计工作。