12500DWT多用途重吊船復合型艙口圍設計

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結構、入級符號中冰級1AFS和防凍H(-38℃)的特別要求,以及增加SDA計算要求等,使本船艙口圍設計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計的方案,艙口圍按照船舶結構強度和艙口蓋布置要求設計,而管子吊軌道按照設備廠家要求設計。但本船由于艙口圍空間狹窄,并且要求材質滿足船級社III要求和設備廠家抗拉強度等要求,最終采取復合型艙口圍的設計方案,從而滿足本船艙口圍多功能和強度等要求,并經驗證順利交船。

2 艙口圍的設計要求

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,結構吃水8.92m,設計吃水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、貨艙內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、推進系統(tǒng)和輔助機械、無人機艙、尾軸監(jiān)測、1人橋樓駕駛系統(tǒng)、動態(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、中央控制系統(tǒng)、防腐蝕保護(壓載艙,雙殼區(qū)域)、有毒有害物質清單要求。

2.3 船舶總布置要求

本船貨艙從機艙前壁FR.36至貨艙前壁FR.144共計89.15m,縱向長度范圍內無固定橫艙壁,貨艙開孔寬度為17.8m,一側舷寬僅3.555m。其布置僅在雙貨艙裝載工況時,設有1個可布置在兩個可調位置的二甲板艙蓋兼用的移動式橫艙壁。

貨艙左舷有2臺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備等。為此,調整了初步艙口圍設計,將管子吊軌道與艙口圍頂板合并設計。

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)會和IACS關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,艙口圍露天部分結構材質滿足英國勞氏船級社鋼板材質船級社III要求(見表1)。

表1 英國勞氏船級社鋼板材質船級社 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度最大≤460MPa,而屈服強度最大≤460MPa的高強度鋼其抗拉強度≤720MPa,無法滿足管子吊廠家的抗拉強度最小≥690MPa的要求。

2.5 船東和設備廠家要求

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

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、壓緊器等布置和強度提出了要求,此處不做詳細說明。

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 管子吊設備精度要求

2.6 船舶強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縱壁部分結構,參與船舶的總縱強度,其強度要滿足英國勞氏船級社規(guī)范在船舶總縱強度方面的要求,也要滿足SDA全船有限元計算的特別要求。同時,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100mm,向外40mm)。

3 艙口圍方案設計

3.1 艙口圍設計存在的問題

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

為此,船廠咨詢了國內幾個大型鋼廠,如寶鋼、南鋼、舞陽鋼鐵,要求廠家提供抗拉強度≥690MPa,同時屈服強度≤460MPa的鋼板,均回復無法提供。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,也都回復無法提供此種要求的鋼板。但設備廠家仍明確要求抗拉強度必須≥690MPa。

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

3.2 艙口圍初步設計方案

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

圖2 船廠初步設計方案一

圖3 船廠初步設計方案二

船廠初步典型設計方案一(圖2)經過討論,認為艙口蓋頂部100 FH620對接長度太短,會導致焊接困難,變形不易控制,難以保證管子吊軌道高精度要求,而且對接縫會干擾管子吊滾輪運行及限位裝置等,因而放棄。

船廠初步典型設計方案二(圖3)則在初步典型設計方案一的基礎上,將頂部厚板對接縫調整至艙口圍平臺甲板之下,避開管子吊運行時滾輪運行區(qū)域,但經核算和確認,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度≥690MPa要求,但可以滿足艙口圍布置和船體結構強度要求。

綜上,船廠決定在初步典型設計方案二基礎上再進行優(yōu)化調整,解決艙口圍頂部抗拉強度≥690MPa的問題,就可以滿足所有要求。

3.3 艙口圍最終設計方案

經過不斷優(yōu)化和調整設計,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度止裂鋼結合高硬度耐磨鋼組合的復合型艙口圍設計方案,即艙口圍頂板采用100EH470的高強度止裂鋼,其上再裝焊Hardox400×20規(guī)格的耐磨鋼。艙口圍典型橫剖節(jié)點及每12～14m設置膨脹接頭節(jié)點如圖4、圖5所示。

圖4 艙口圍典型橫剖面及焊接節(jié)點

圖5 艙口圍膨脹接頭節(jié)點

最終復合型艙口圍總布置如圖6所示。

圖6 艙口圍設計平面圖

至此,復合艙口圍設計完成,并具備了如下特點:

①滿足管子吊廠家布置要求。由于管子吊齒條動力機構布置在左舷,因此,左舷艙口圍設計為階梯形部分下沉95mm,以滿足滾輪運行及限位裝置要求(圖7),并要求其抗拉強度必須≥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,要求艙口圍設計必須滿足艙口蓋安裝后與舷側貨物甲板齊平,狹小的艙口圍要滿足艙口蓋軌道布置和強度要求,以及同時布置管子吊要求等。

③復合型艙口圍高強度鋼組合。此復合型艙口圍使本船艙口圍兼具高強度止裂鋼100 EH470所有特點和耐磨鋼Hardox400的硬度要求,既能滿足設備廠家對于抗拉強度≥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的材質要求。同時,對于不同材質厚度(100mm和20mm)的兩種高強度鋼的焊接也是要求很高。

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

3.4 艙口圍強度問題解決

一是解決了管子吊抗拉強度和艙口圍強度要求。艙口圍設計方案中,高強度止裂鋼100 EH470滿足了船級社規(guī)范要求屈服強度最大≤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高強度鋼對于低溫要求,為此,船廠向船級社申請100 EH470高強度鋼按照規(guī)范要求進行FH高強度鋼低溫沖擊試驗,即-60℃時橫向≥31J、縱向≥46J。此沖擊試驗在船級社驗船師的見證下順利完成試驗并完全滿足要求,從而也滿足了船級社防凍H(-38℃)中船級社III的材質要求。

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

①航行工況

-船舶在傾側

-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

-變化的內底載荷

-滿載時1臺克令吊操作

-滿載時2臺克令吊操作

-滿載時2臺起重機聯(lián)吊操作

對于每個基本荷載,應用合適的邊界條件。靜水工況下,通過在模型船尾FR15和船首FR159二端施加適當?shù)募羟辛蛷澗亍Ｅ摽趪冃斡嬎悴糠忠姳?。

表2 艙口圍變形計算部分

3.5 艙口圍焊接問題解決

①高強度止裂鋼100 EH470下料工藝。艙口圍頂板100mm厚板兼做管子吊軌道,其作為貨艙內縱壁與下面相鄰薄壁板對接時,為避免應力集中等,需設置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合格再正式切割,確保切割質量。

②艙口圍頂板的安裝工藝。確定了裝配方案和重點關注項,成立攻關小組,采用最新英國勞氏船級社認可的100 EH470高強鋼焊接WPS程序,分段建造階段艙口圍頂板厚板,嚴格按照WPS要求裝配焊接,控制貨艙內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由設計部依據(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致的可能產生裂紋等情況。

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,經過不斷調整精度也滿足了廠家要求,并順利報檢通過。

4 結束語

多用途重吊船一直以其設備復雜,設計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雜。但在船廠不斷努力及各方的支持下,最終成功設計出滿足船級社、船東和設備廠家要求的方案,并按照制定各專項工藝措施嚴格施工,完成了本船艙口圍的裝配工作。同時,此復合型艙口圍也為類似狹窄空間、高精度、對強度有特別要求的設計和布置提供了切實可行的設計思路。