17 500 DWT化学品船水平槽型横舱壁设计

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(上海欧得利船舶工程有限公司，上海 200023)

目前10 000 t左右的化学品船有很好的市场，上海欧得利船舶工程有限公司多艘液货船型在液货运输市场上取得了骄人的业绩，受到了国内外船东的青睐。17 500 DWT化学品船就是瑞典船东和中航鼎衡造船有限公司委托上海欧得利船舶工程有限公司设计的一款单甲板，艉机型，单机单浆船型，这也是上海欧得利船舶工程有限公司的主打船型。该船采用了一些特殊的结构设计方式，如：①货舱区甲板骨架下翻。通常为了减少货舱内部特涂的工作量且方便清舱，成品油船的货舱区甲板骨架较多采用上翻设计。但是为了方便甲板上集油盘、管道、通道等的布置，本船货舱甲板骨架均设置在油舱内。②货舱横舱壁采用水平槽型舱壁设计。槽形横舱壁一般采用垂直槽形较多，采用水平槽型舱壁的设计不是很常见[1-2]。但是不设底墩的垂直槽形舱壁由于在舱底处呈凹凸状，清舱时比较麻烦，水平槽形舱壁清舱的效率更高。对于中航鼎衡船厂来讲，虽然在建造化学品船方面有非常丰富的经验，但是建造水平槽型横舱壁也是第一次尝试，所以在设计阶段充分考虑船厂的工艺要求[3]，减小施工难度，提高钢材利用率，尽量减低建造成本。

1 水平槽型舱壁结构设计

1.1 货舱结构布置

该船货舱长度约为103.9 m，共有6对货舱，其中左第6货舱可兼做污油水舱。典型的货舱长度为18.9 m，典型的货舱宽度为9.95 m，典型的货舱舱深为11.67 m，双壳之间宽度为1.45 m，内底高度为1.53 m。典型的货舱宽度比货舱舱深小，根据中国船级社(CCS)规范对槽形舱壁的尺寸要求[4]，槽形舱壁一个槽形宽度的剖面模W应不小于下式计算所得之值。

W=Cshl2

(1)

式中：l为槽形跨距,m；h为由槽形跨距中点量至深舱顶的垂直距离，或量至溢流管顶垂直距离的一半，取较大者，m；s为一个槽形宽度，m；C为系数，按表1规定的端部固定情况选取。

表1 C值选取

图1 端部固定情况

槽条的模数与槽条的跨距成平方关系，从减轻结构重量的角度来看，该船货舱横舱壁采用水平槽型舱壁设计是比较合理的。而货舱长度较货舱舱深更长，因此纵舱壁采用垂直槽型舱壁设计其槽条计算跨距更短，更有利于减轻结构重量。典型的水平、垂直槽型横舱壁布置见图2。

图2 水平、垂直槽型舱壁示意

水平槽型舱壁一端直接与内壳纵舱壁相连，另一端与中纵垂直槽型舱壁相连。如果直接与中纵垂直槽型舱壁连接，中纵垂直槽型舱壁在水平槽型横舱壁连接处须做成平板形式，见图3，势必会在连接处产生应力集中的现象。

图3 水平、垂直槽型舱壁直接连接示意

为了解决该连接区域的高应力问题，使横舱壁更好地与中纵垂直槽型舱壁连接过渡，并降低此处结构在隔舱对角装载工况时的应力水平，本船设置了箱型立柱结构，见图4。

图4 箱型立柱结构示意

箱型立柱结构设在水平槽型横舱壁与垂直槽型纵舱壁交接处，下与内底相连接，上与箱型顶墩相连接，中间设置隔板与水平槽型横舱壁腹板对齐。

箱型结构形式的缺点是封闭的箱体结构会占用货舱舱容。而如果将箱体内部空间与货舱联通，虽然保留了舱容，但是由于箱体内部空间狭小，有洗舱死角，维护比较麻烦。经过与船东的多次沟通、协商，船东最终也认为这种箱型立柱结构从结构安全和船舶维护上考虑都是比较合理的。

水平槽形横舱壁的底部平面部分应与双层底内的实肋板对齐设置，并通过全熔焊与内底板相连接，顶部直接与甲板焊接。垂直槽型中纵舱壁在内底设置2个内底纵桁与其面板对齐。因有光滑甲板的要求，采用一个箱型纵向顶墩的结构来代替比较常见的构件在主甲板上时的2根甲板纵桁。这个结构也同样存在舱容损失与洗舱不方便的问题，最终权衡利弊把这部分结构与箱型立柱结构合并为一体做为空舱，见图5。

图5 空舱示意

1.2 水平槽形舱壁槽形剖面形状设计要点

1)考虑到双层底内与中纵垂直槽型舱壁对应的纵桁间，甲板与中纵垂直槽型舱壁对应的箱型顶墩及箱型立柱结构的隔板需要开人孔以满足永久检修通道的要求，本船槽型舱壁的槽深应至少控制在800 mm以上。

2)为了保证水平槽形舱壁与甲板和内底更好的连接，水平槽形舱壁的底部与顶部必须为槽型舱壁的面板部分，且平直段最好超过0.5倍腹板宽度。

3)根据DNV规范对槽形舱壁的要求，槽条腹板和面板的夹角需大于55°。如角度介于45°和55°之间，则槽条的模数要求需提高10%。但是为了高效洗舱和避免积货，水平槽形舱壁腹板与垂线的夹角不宜大于45°[5]。在剖面形状设计时，需在舱壁结构重量和洗舱效率之间取得平衡。建议将该角度控制在45°和50°之间，同时在横舱壁使用高强度钢板来减少结构重量。

最后通过比较不同槽形的形状来选择最优的方案，使得其既能满足规范结构强度要求又把结构重量控制到最小。

1.3 水平槽型舱壁支撑结构布置原则

内壳纵壁的纵骨布置需根据水平槽形舱壁剖面形状来确定。考虑槽形舱壁反面加强，纵骨布置一般和槽形剖面形状的相对位置见图6，方案A、方案B所示。结合本船自身的舱壁槽型形状，槽型的腹板角度较陡，考虑到施工的难易程度，方案A比较合理。箱型立柱结构在水平槽型舱壁腹板的位置处设置与之对应的隔板，对其进行加强，同时考虑永久检修通道的要求，隔板上需开600 mm×600 mm的人孔。

图6 纵骨布置和槽形剖面形状的相对位置示意

2 舱段有限元分析

本船入级法国BV船级社，根据船级社要求进行有限元计算。舱段分析采用6个完整货舱的有限元模型，中段货舱为评估对象。由于船长小于150 m，不需要满足CSR-H的要求[6]。三维模型的边界条件、主要支撑构件的载荷、应力计算、疲劳分析均参照BV规范[7]的要求进行。

从有限元计算分析结果来看，内壳与内底板交界处、横舱壁与内壳交界处、纵横舱壁与箱型结构交界处这些区域的应力水平较高。在粗网格有限元分析基础上，进一步进行精细网格的有限元分析[8-9]。本船对内壳与内底板交界处、横舱壁与内壳交界处、纵横舱壁与箱型结构交界处做了细网格分析，见图7～9。

图7 内壳与内底板交界处计算分析结果

图8 横舱壁与内壳交界处计算分析结果

图9 纵横舱壁与箱型结构交界处计算分析结果

对于这些局部硬点存在的高应力问题，通过局部嵌厚板的方式可以有效降低应力水平，并在这些区域采用全焊透焊接。

3 与垂直槽型舱壁对比

通过对比发现，水平槽型横舱壁相对于垂直槽型横舱壁主要有以下优势。

1)采用水平槽型横舱壁其板厚比垂直槽型横舱壁小。以最下一列板为例，本船板材只要14AH36，在高应力区局部嵌入一块18AH36的板就能满足要求。而相似主尺度的其他船型，其垂直槽型的板厚要取到18AH36甚至20AH36。

2)为了解决在总纵弯矩作用下垂直槽型横舱壁在主甲板，内底变形较大、刚度不足的问题，常要在甲板、内底增设短纵桁，而通过有限元计算发现水平槽型横舱壁在甲板和内底无需增设短纵桁，且对水平槽型起加强作用的边压载舱也无需增设短纵桁，都能够满足强度的要求。

3)在板缝划分上水平槽型横舱壁比垂直槽型横舱壁有优势，因工艺的要求和考虑到焊缝的受弯等不利影响，一般垂直槽型横舱壁只划了一道水平板缝，而水平槽型横舱壁可以在不同高度划多道板缝，这样就可以根据高度方向的载荷不同取不同的板厚。这3个优势对于减小横舱壁的结构重量都是非常有利的。

4 结论

对于货舱宽度小于货舱深度的船型，采用水平槽形横舱壁设计其结构重量更轻，洗舱效果更好。采用箱型立柱结构作为水平槽形横舱壁和垂直槽形纵舱壁的连接结构，可以起到有效支撑槽形舱壁的作用。合理设计的水平槽形横舱壁可以达到优化船舶性能的目的。通过对本船的水平槽型横舱壁结构设计的介绍，希望能给业界同仁提供一些参考与借鉴。