木屑船貨艙區結構防裂紋設計優化

李 濤，蔣明華，楊 偉

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

木屑船全稱為木屑運輸船，也稱為木片運輸船，用于運輸造紙用的散裝木屑或者木片。最初，為了適應每年進口大量木屑用于造紙的運輸需要，日本船廠率先研發出木屑船船型。航運市場上的不少木屑船由日本設計建造，入級日本船級社。

隨著世界造紙業的發展，我國成為世界上最大的造紙國，對造紙原材料的需求日益增長，對木屑運輸船的需求逐漸增加。國內船廠也開始建造木屑船，相關船廠建造交付過6萬噸級的木屑運輸船，目前交付的最大噸位為70 000 t。

國內供設計者參考的關于木屑船的相關資料比較少，僅有部分資料對木屑船進行了介紹。木屑船由于其貨艙區結構的特殊性，疲勞問題比普通散貨船更加嚴重，在運營一段時間后容易產生裂紋。為此，本文對木屑船特點進行分析，確定了易產生裂紋的關鍵位置并提出相關改進措施，對后續木屑船的設計有一定的參考意義。

1 木屑船的特點

木屑船可以認為是干散貨船的一種，但相比常規的干散貨船又有其自身的特點。

1.1 貨艙艙容更大

由于木屑的密度比較小，一般為0.4 t/m左右，為了運輸更多的木屑貨物，就需要比普通干散貨船更大的貨艙艙容。而增加型深和型寬是增加貨艙艙容的最直接的方法，因此木屑船都有比較大的型深和型寬。普通64 000 t散貨船和64 000 t木屑船的主要參數對比見表1。從表中看出，普通64 000 t散貨船的垂線間長、型寬及型深都比64 000 t木屑船小很多，而結構吃水和方形系數比64 000 t木屑船要大，64 000 t木屑船的貨艙艙容比64 000 t散貨船大66.6%。

表1 64 000 t散貨船和64 000 t木屑船主要參數對比

1.2 設計裝載噸位不宜過大

如果木屑船的載重量小，則單個航次運輸量比較少，船舶的經濟性比較差。但若大幅增加木屑船的主尺度，又容易受港口的限制。所以，目前的木屑船噸位一般都在70 000 t以下。

1.3 設有重壓載艙和港口壓載艙

由于木屑船為專用運輸船，一般往返只有一個航程載貨。空載航行時為了保證穩性，除普通壓載艙進行壓載以外，還需對中間的某個貨艙進行壓載。在裝卸貨時由于港口條件的限制，需要對部分貨艙進行壓載以降低船舶高度，從而方便裝卸貨。以64 000 t木屑船為例，3號貨艙兼作重壓載艙，由于受到壓載水的壓力較大，3號貨艙的結構和槽型艙壁強度需重點考慮；1號和5號貨艙兼作港口壓載艙，不需要壓滿艙，一般只需壓半艙甚至更少，結構不需額外考慮港口壓載的壓力。

1.4 貨艙區結構特點

木屑船貨艙設雙層底和底邊艙，舷側為單殼結構。為了增加貨艙艙容，不設頂邊艙，甲板邊線至艙口邊線由懸臂梁來支撐。為了防止積貨，貨艙內的舷側縱桁一般為傾斜安裝，T型材面板一般也是傾斜安裝。

1.5 不需滿足《散貨船和油船共同結構規范》要求

《散貨船和油船共同結構規范》(以下簡稱《共同規范》)將散貨船定義為：散貨船是指在貨艙區具有單甲板、雙層底、頂邊艙和底邊艙，以及雙舷側或單舷側結構、且用于運輸干散貨的船舶；至少其中1個貨艙具有頂邊艙和底邊艙的散貨船應符合《共同規范》的強度要求。對照這定義，木屑運輸船不需要滿足《共同規范》要求。

因此，雖然木屑船屬于散貨船的一種，且結構型式也符合《共同規范》定義的散貨船結構型式，但是不需要滿足《共同規范》要求。

1.6 不需要滿足SOLAS有關要求

《國際海上人命安全公約》(2014)(SOLAS)規定：對于1999年7月1日或以后建造的船長150 m及以上的單舷側散貨船，設計用于運固體散貨，貨物密度為1 t/m及以上，應該在所有裝載以及壓載工況下都能夠有足夠強度承受任意一個貨艙進水，并考慮艙內進水所產生的動載荷影響。木屑專用運輸船的貨物密度在0.4 t/m左右，因此不需要滿足SOLAS對單舷側散貨船結構加強的要求。對于抓斗，在設計時限定重量不大于10 t，因此內底板及底邊艙斜板也不需要額外加強。

2 裂紋關鍵位置選取及改進措施

為了改善船體結構性能，需要對船體結構的關鍵部位進行分析識別，并對這些關鍵部位進行特殊考慮。

2.1 風暴壓載艙的槽型艙壁折彎處

普通散貨船的槽型艙壁采用折彎式，通過機械滾壓形成槽型。木屑船重壓載艙由于其風暴壓載艙需承受艙內海水的靜壓力和動壓力，且槽型艙壁的跨距較大，因此在營運過程中，槽型艙壁折彎處容易產生裂紋。為了減少裂紋的發生，可以通過以下設計來改善：

(1)增設底墩和頂墩。槽型艙壁剖面模數的要求值與槽型艙壁的跨距的平方成正比關系，因此減小跨距一方面對減小槽型艙壁的尺寸是直接有效的方式，另一方面也可以減小槽型艙壁的變形量。在盡量減小對貨艙艙容影響的前提下，盡量將底墩和頂墩的尺寸做大，使槽型艙壁的跨距減小。

(2)將槽型艙壁由折彎型式優化為焊接型式。采用深熔焊或者全焊透的焊接型式可以將槽型艙壁腹板和面板焊接處的應力全部釋放出來，從而減小產生裂紋的概率。焊接式槽型艙壁的典型焊接節點見圖1。

圖1 焊接式槽型艙壁焊接節點(單位：mm)

2.2 普通舷側肋骨穿過舷側縱桁的貫穿孔處

普通散貨船的型深不大，且設有頂邊艙和底邊艙，舷側肋骨的跨距比較小，因此不需要額外設置舷側縱桁。而木屑船的型深比普通散貨船大很多，且不設頂邊艙，為了保證舷側整體板架的穩定性及減小舷側肋骨的尺寸，有必要增設1～2道舷側縱桁。舷側肋骨由于受舷外水壓力及舷內貨物的壓力，這些壓力最終都由舷側縱桁來承擔，壓力傳導到貫穿孔處，容易產生應力集中，從而導致貫穿孔裂開。設計時可以通過以下方法來改善：

(1)減少在舷側縱桁上的開孔。普通散貨船的船底縱桁或者雙舷側縱桁在設計時會開人孔或者減輕孔，這些開孔一般不會影響散貨船的強度。但是，木屑船由于舷側結構剛性較弱，開孔會減弱舷側縱桁的結構強度，因此除了必要的通道孔以外，不建議開減輕孔。

(2)肋骨貫穿孔進行補板補強。對于重壓載艙，增設水密補板是改善貫穿孔疲勞強度的比較有效的方法，見圖2；對于普通貨艙，增設非水密補板即可。

圖2 舷側縱桁的補強

2.3 普通肋骨和強肋骨的趾端處

橫向船體構件需承受海水的靜壓、動壓及貨物壓力，趾端容易產生應力集中，設計時需重點考慮。趾端設計可以參考《共同規范》對舷側肋骨趾端的標準設計推薦。在設計時還可以通過以下方法來改善趾端的疲勞強度：

(1)對設計趾端節點進行有限元疲勞分析，通過反復計算優化，最終確定最優節點形式，使疲勞壽命更好地滿足船級社要求。64 000 t木屑船普通肋骨趾端的設計節點見圖3，主肋骨趾端節點的疲勞細化模型見圖4。

圖3 普通肋骨趾端的典型節點(單位：mm)

圖4 主肋骨下趾端細化模型

(2)舷側肋骨下端肘板對應的位置底邊艙內部應設置支撐肘板，支撐肘板可以適當增大，以降低趾端區域的應力集中；如果下端肘板趾端的位置布置縱向骨材，則該位置不可設置縱骨貫穿孔或用水密補板將其封閉。

(3)舷側肋骨下端肘板與橫向支撐肘板盡量對齊，最大偏差不超過1/3的建造板厚。建造板厚為所需要對準的板材中具有較小厚度腹板的板厚。

(4)對于趾端面板終止處的包角焊，應該盡量避開趾端的倒圓區域，且趾端應盡量遠離縱骨貫穿孔或者缺陷處。

2.4 槽型艙壁與底凳頂板連接處

普通散貨船的槽型艙壁與底凳頂板連接處易產生裂紋。由于木屑船剛性較弱，此處受到交變應力的作用，比普通散貨船更容易裂開。設計時可以通過以下方法來減小裂紋產生的概率：

(1)考慮增設封槽板。封槽板的厚度取槽型艙壁的厚度，材質與槽型艙壁的材質一樣；封槽板豎板的高度一般應不小于槽條寬度的一半。封槽板附近結構還需進行有限元細化分析，使計算結果滿足船級社要求。封槽板的設置見圖5，封槽板的細化模型見圖6。

圖5 封槽板的設置

圖6 封槽板的細化模型

(2)封槽板周界與槽型艙壁焊接采用全焊透或者深熔焊焊接型式，焊接的引弧點和息弧點應盡可能遠離槽條的折角處。由于封槽板是全封閉結構，采用全焊透焊接比較困難，需要在封槽板斜板上開臨時工藝孔，人員進入進行焊接，探傷后再通過單面全焊透型式將臨時工藝孔封閉。

2.5 艙口角隅處

對于貨艙的艙口角隅，日本船級社的《鋼質船舶入級與建造規范》有著明確的規定：對于貨艙區域的艙口角隅，若半徑不小于600 mm或者具有橢圓或者類似形狀，一般不要求嵌入厚板，也不要求加復板；強力甲板的焊接接頭應避開艙口角隅處。如果艙口角隅處增設卸貨板，則卸貨板下端不能直接與艙口角隅板焊接，見圖7。

2.6 底凳邊板與內底板的連接處

由于槽型艙壁跨距較大，木屑船結構相對較弱，船體結構變形時底凳邊板與內底板的連接處極易產生裂紋。設計時可以通過以下方法來改善此處的疲勞問題：

(1)考慮增設船底縱桁以增加縱向剛度，減小船體梁在底凳邊板與內底板的連接處的交變應力，從而改善疲勞問題。

(2)在內底板插入加厚板，適當加厚底凳邊板下的船底實肋板。

(3)底凳邊板與內底板的連接采用全焊透焊接型式。

圖7 艙口角隅處卸貨板的安裝方式

2.7 船中區域縱骨與肋板的連接處

一般來說，中拱或者中垂的最大彎矩都出現在船中區域。由于此區域受到總縱彎矩的作用，應力較大，縱骨與肋板連接處會產生很大的應力，船舶在實際運營過程中，縱骨在肋板處產生裂紋的概率也比較大。因此，此區域縱骨疲勞問題也應重點考慮。在縱骨與肋板的連接處采用軟根連接，以降低應力集中系數、提高縱骨的疲勞壽命。

2.8 其他優化方法

除了改進船體結構尺寸外，還可以通過以下方式對船體結構的關鍵位置進行優化設計：

(1)編制合適的焊接工藝，減少焊接過程中產生的內部應力。

(2)控制關鍵區域的建造偏差，提高裝配階段對結構關鍵位置構件的裝配對準精度。

(3)增加焊接后處理，如打磨等，使焊縫趾端處能平滑過度，以減小由此產生的應力集中系數，從而減小結構節點的熱點應力。

3 結論

通過對木屑船的特點及容易產生結構裂紋的部位進行分析，得出以下結論：

(1)重壓載艙是最容易產生裂紋的區域。

(2)裂紋關鍵位置應選擇在應力集中嚴重及動載荷較大部位進行重點分析校核，如槽型艙壁與底凳頂板的連接處等。

(3)對木屑船容易產生裂紋部位的改進措施可以作為一種設計方法供后續設計參考。

(4)通過對建造過程中工藝及焊接的控制來提高關鍵節點的疲勞強度，以減少船舶在營運過程中產生疲勞裂紋的概率。