鋼鋁混合結構煙囪設計介紹

周兆賀 張智軍 李文

（廣船國際技術中心、生產管理部）

0 前言

GOTLAND客滾船煙囪分段有三層甲板、約3000個零件，結構復雜，由于要考慮降低空船重量重心，設計方案做了從全鋼質到全鋁質（小范圍鋼）、一層鋼兩層鋁，最終到鋼鋁混合結構的多次修改，結構設計復雜，周期較長。本文簡要介紹該分段結構設計中的碰到的技術和工藝問題以及解決思路，以供鋁合金船體結構的設計人員參考。

1 設計方案比選

煙囪分段原設計為全鋼質結構（重量約107t），但因空船重量重心控制的要求，初步改為除FR99+400電梯圍井前外全鋁結構的方案（重量約46t），如圖1所示。

圖1 煙囪結構圖(鋁合金結構)

船檢根據SOLASregulationII-2/11.4.1，“A類機器處所的頂蓋和艙棚應為鋼結構”，要求全鋁結構的機艙圍井壁板以及面向直升機平臺的FR99.5壁板雙面敷設防火絕緣，且需要得到掛旗國法規的豁免。和船檢的溝通中得知即使將設計更改為“11甲及以下全鋼質、11甲以上全鋁質”，以減少鋁質結構的范圍，也需要滿足這一要求。

平衡設計周期、絕緣要求、減重目標，結合艙室實際布置情況，如圖2所示；修改結構方案調整為：機器處所以及電梯圍井的邊界采用鋼質結構，其余結構為鋁合金，如圖3和圖4所示，該方案得到船檢的認可。該方案初步建模的分段重量為75t（不含復合材料）。

圖2 煙囪艙室布置示意圖

圖3 煙囪結構布置示意圖(鋼鋁混合)

圖4 煙囪防火控制示意圖

基于該方案進行規范計算，檢查結構規格以及焊腳的最小規格要求，以最大限度控制分段重量。

2 鋼鋁邊界范圍的界定及設計

2.1 確定鋼鋁材質的使用區域

為了確定鋼鋁邊界的范圍，需要確定機器處所的范圍，通過檢查煙囪防火控制示意圖，如圖4所示，可知FR86～FR94之間的防火風閘將機器處所限制在10甲板以下，因而可以將11甲以下、FR86～FR94之間的圍壁修改為鋁質，以進一步減少結構重量和鋼鋁接頭數量，如圖5所示。

圖5 調整后的結構布置示意圖，注意云線內的調整

2.2 各層甲板和圍壁的鋼鋁分界線的工藝設計

甲板和圍壁上的鋼鋁分界線，初步方案是定在限界面投影線向外偏移100mm，可以最大限度地使用鋁質結構，在此原則上還要考慮骨材和T梁的端肘板尺寸大多在300mm以下，如分隔后尺寸過小，會導致鋼鋁接頭規格增多、布置困難，施工工藝性也會變差，因而要將端肘板完整地歸入到鋼質部分，分界線的設計從而使與圍壁相連的小結構保持完整；同時分界線還要注意避開甲板或圍壁開孔的角隅。同時，應注意鋼鋁接頭都是直線型界面的，無法用于帶角隅的拼板縫，因而會出現通過兩個互相垂直的鋼鋁接頭制成直角拼板縫的情形，此結構節點應取得船檢同意。

2.2.1 11甲板鋼鋁分界線

需要考慮的結構和細節包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、FR75～77左舷小風道的完整性、FR86～89以及FR90～94之間甲板開孔角隅、FR69～75之間/Y=2900右舷短圍壁，最終確定的分界線，如圖6所示。

圖6 11甲板鋼鋁分界線示意圖

圖9 FR86圍壁鋼鋁分界線示意圖

表1 鋼、鋁質結構規范計算對比

表2 鋼、鋁質結構焊腳計算對比

2.2.2 12甲板鋼鋁分界線

需要考慮的結構和細節包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、甲板開孔角隅；同時要注意甲板前部部分區域是上面機器處所房間的地板、FR63向后機艙限界面與外板之間距離很小，最終確定的分界線，如圖7所示。

圖7 12甲板鋼鋁分界線示意圖

2.2.3 煙囪頂板鋼鋁分界線

需要考慮的結構和細節包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、甲板開孔角隅；同時要注意甲板前部下方斜圍壁分界線的一致性、FR86～87間Y=0短梁、FR63向后以及FR80～86間機艙限界面與外板之間距離很小，最終確定的分界線，如圖8所示。

圖8 煙囪頂板鋼鋁分界線示意圖

2.2.4 各圍壁的鋼鋁分界線

各層甲板下的圍壁鋼鋁分界線基本與相交甲板上的分界線保持一致,如圖9所示。

3 確定最小板厚、最小骨材以及鋁合金結構的等強度替換

計算根據DNV規范PT.3/CH.1對上建/甲板室的要求進行，分別按載荷、對鋁材的最小要求計算，取大值。規范對鋁材無具體要求時，先按對鋼材的最小要求再等強度替換為鋁材計算。

鋁板材選用EN515歐標5083H116系列，鋁型材選用6082T6系列。

相對鋼質結構的規范計算，鋁質結構的規范計算對比，如表1。

4 焊腳計算

根據規范Pt.3/Ch.1/SEC.11/C103，以及鋁焊材力學性能計算焊腳。相比鋼質結構，對比如表2。

規范C103焊喉公式為

5 結束語

經過不同材料以及結構布置的優化、材質和焊腳計算并經建模后，GOTLAND煙囪分段重量從107噸降低為72噸，其位置為最上一層甲板，對于客滾船降低空船重量重心有較大作用，上述設計過程和思路供結構設計人員參考。