大型郵輪穿艙件超常規標準設計與應用

符成志，陳新華，毛海駿，王巍

(1.上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海201306；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137)

管路穿艙件是船舶中常見結構，其型式特點與安裝質量直接關系到分隔區域的防火安全，SOLAS(國際海上人命安全公約)對于A級分隔區域即有明確要求，即總長≥900 mm(以分隔兩側450 mm為宜)和壁厚≥3 mm的穿艙件可直接安裝使用，超出該范圍以外的穿艙件，則要求進行型式設計并進行特定的防火試驗，以確保滿足分隔區域的完整性和溫升上限等防火要求。國產首艘大型郵輪作為人員高密度船型，受制于其船體內部總體布置密集、空間局限、防火要求高等因素，大量A級分隔區域需要使用總長度低于900 mm管路穿艙件。 為滿足該船型建造需求并符合SOLAS防火要求。基于船體結構特點與系統規格，提出一種300～900 mm長、適用于最常見規格管徑DN20～DN450的、貫穿于甲板與艙壁結構的短型金屬穿艙件型式，并按照《耐火試驗程序應用規則》進行防火試驗，以驗證該型式的符合性與有效性。

1 設計選型

1.1 基本形式

大型郵輪等船舶內部所需的短型穿艙件型式多樣，按安裝部位可分為艙壁穿艙件、甲板穿艙件，按常規材質可分為碳鋼穿艙件、銅鎳穿艙件、不銹鋼穿艙件，按防火等級可分為A0級、A30級、A60級穿艙件。

綜合考慮管路系統的功能屬性、安裝位置、防火等級等要素，主要節點型式采用A/B/C三種基本型式，見圖1。

圖1 穿艙件

三者共同屬性為總長度300～900 mm,單側長度150～300 mm；安裝位置可用于艙壁或甲板結構；防火等級涵蓋A0-A60級；管路通徑為DN20-DN450。

三者特有屬性如下。

1)A型穿艙件，兩側端部帶法蘭配墊片，管線與腹板焊接而成，腹板與艙壁或甲板結構緊密貼合并焊接相連，主要用于碳鋼穿艙件。

2)B型穿艙件，兩側端部帶法蘭配墊片，管線與套管焊接，套管與腹板焊接，腹板與艙壁或甲板結構緊密貼合并焊接相連，可用于碳鋼、不銹鋼及銅鎳穿艙件。

3)C型穿艙件，單側端部帶法蘭配墊片，另一側端部帶套管，管線與套管焊接，套管與艙壁或甲板結構焊接相連，可用于碳鋼、不銹鋼穿艙件。

1.2 絕緣布置

絕緣的布置是為了更好的實現短型穿艙件的防火功能，考慮到工程施工的可行性以及SOLAS規范對防火等級的不同要求，該短型穿艙件在基本型式的基礎上，按照A0級、A30級、A60級的防火特性以及安裝位置(艙壁或甲板)的差異對絕緣的布置進行合理的設計，以碳鋼/艙壁穿艙件為例，見圖2～4。

圖2 A0級無絕緣布置

圖3 A30級絕緣布置

圖4 A60級絕緣布置

A0級穿艙件未布置絕緣。

A30級穿艙件在艙壁單側布置絕緣，以法蘭外緣為界分為內外兩種絕緣，內側絕緣的標稱厚度為60 mm，標稱密度為100 kg/m，長度設定為自絕緣艙壁至絕緣側法蘭；標稱厚度為40 mm，外側絕緣的標稱密度為80 kg/m，長度設定為自絕緣艙壁向外沿絕緣側管路延伸至少400 mm，可用于A0/A15/A30級艙壁。

A60級穿艙件在艙壁兩側均布置絕緣，并以法蘭外緣為界分為內外兩種絕緣，內側絕緣的標稱厚度與標稱密度與A30級穿艙件等同，長度設定為自絕緣艙壁至雙面法蘭；外側絕緣的標稱厚度與標稱密度與A30級穿艙件等同，長度設定為自絕緣艙壁向外沿雙面管路延伸至少500 mm，可用于A0/A15/A30/A60級艙壁。

實際環境下，一旦起火，甲板承受的火勢與溫度較艙壁更加嚴峻(火苗朝上)，故對于甲板結構的絕緣布置，較艙壁結構略有不同，且更加嚴格，主要差異性為，艙壁與甲板選用的絕緣材料密度相同，艙壁穿艙件絕緣材料的標稱厚度為60 mm，單層包覆，而甲板穿艙件的絕緣材料的標稱厚度為40 mm，且兩層包覆，故總厚度達到80 mm。

1.3 安裝方式

該短型裝置制作完成后，需安裝在建造中的船體結構上，艙壁結構和甲板結構需先行開孔，并完成分段完工或建造完工。故該裝置在艙壁上安裝方式為水平安裝，在甲板上安裝時為垂直安裝。

2 材料選用

該穿艙件結構由金屬管段及附件、絕緣棉、墊片等材料構成，選用上以符合技術要求的國產品牌為主，既可控制制造成本，亦可確保采購渠道通暢。作為穿艙件主體部分的管段材質與船體各系統管路保持一致，涵蓋碳鋼、銅鎳、不銹鋼，屬于較為常見的船用金屬材料。

對于A30以上防火等級的穿艙件，需要包覆絕緣棉以實現對應的防火要求。在絕緣棉的選用上，經過反復挑選，既要滿足設計要求，又要達到國際同等標準要求，最終采用國產的YG型巖棉毯為主進行包覆，其材料屬性為含水率≤0.5%，有機物含量≤3%。材料的密度與厚度按設計節點要求選用。該穿艙件適用的管徑范圍為DN20～DN450，對于DN20等小管徑管段，毯狀絕緣棉因其自身厚度與折彎半徑較大，包覆的貼合性與密封性欠佳，兼顧施工的便利性，對于DN50以下的小管徑管段采用了管狀絕緣棉，以提升穿艙件的整體防火性能。

墊片的耐火性能對穿艙件是否滿足防火等級要求較為重要，丁腈橡膠等常規墊片的阻燃性與硫化時間等性能已無法滿足設計要求。經市場調查，決定選用國外某生產商提供的SF4300型環形墊片作為短型穿艙件的密封墊片。

3 功能試驗

按照IMO 2010 FTP規則相關要求(見表1、表2)，該短型穿艙件的設計樣式需經過嚴格的密性試驗與防火試驗，方可投入使用。

表1 各防火等級對穿艙件的達標要求

表2 短型穿艙件水密性要求

以A30級艙壁穿艙件為例，對該短型穿艙件的防火試驗過程作簡要介紹。

3.1 防火試樣的制作

A30級穿艙件涉及的材質為碳鋼、銅鎳及不銹鋼材質，按相關規范約定，導熱性能好的穿艙件材質的耐火試驗結果可以覆蓋導熱性能差的穿艙件材質，同時對于DN20～DN450管徑使用區間而言，對最大與最小管徑的穿艙件進行試驗可以覆蓋其他管徑的穿艙件。經考量，決定選用碳鋼與銅鎳材質、DN20與DN450兩個規格,共計4個穿艙件進行耐火試驗，具體規格見表3。

表3 試樣規格

穿艙件試樣按規范要求合理布置在艙壁板架上，該鋼質艙壁板架長3 020 mm,寬3 000 m，艙壁裸露鋼板為向火面，見圖5。

圖5 艙壁板架布置(向火面)

加強材一側為背火面，見圖6。穿艙件與艙壁板架的安裝焊接方式與實船建造方式保持一致，并在背火面按設計要求對穿艙件及艙壁板架分別包覆絕緣材料。

圖6 艙壁板架布置(背火面)

3.2 熱傳感器的布置

為準確獲取試樣在試驗期間的溫升狀態，在每個穿艙件試樣的背火面布置4個熱傳感器，共計16個，見圖7。

圖7 單個穿艙件上的熱傳感器布置示意

每個穿艙件上的4個熱傳感器分為兩組，一組布置在穿艙件包覆的絕緣材料正上方和正下方位置處，并距離艙壁絕緣材料25 mm；另一組分別布置在穿艙件正上方和正下方的管段裸露表面位置處，并距離穿艙件絕緣材料25 mm處。

3.3 試驗條件與結果

按相關規范要求，防火試驗共設計16個穿艙件試樣，分別布置于4個試驗板架之上：A-0級艙壁、A-30級型艙壁、A0-A60/DK型甲板、A-60級艙壁。試驗結果見表4。

表4 防火試驗結果

其中，A60級銅鎳管DN450艙壁穿艙件在60 min內溫升超過180 ℃，未達標，其余15個穿艙件試樣均通過耐火試驗。

4 型式認可

按相關規范要求，對于通過防火試驗的15個穿艙件型式，經過詳細的評估審核，最終取得了中國船級社型式認可證書以及MED(B+D)證書，為該短型穿艙件的工程應用確立了可行性條件。對于未通過耐火試驗的A60級銅鎳管艙壁穿艙件，經模型測算，因其在大型郵輪使用量較少，可通過局部調整分隔區域布置，使用滿足SOLAS要求的常規穿艙件加以解決。

5 結論

總長300～900 mm、管徑DN20～DN450的短型穿艙件在通過防火試驗并取得船級社型式認可的前置條件下，可滿足SOLAS防火要求并實現在國產首艘大型郵輪空間狹小區域的總體布置。

對于防火試驗而言，導熱性能好的管路材質耐火試驗結果能夠覆蓋導熱性差的管路材質，即碳鋼的試驗結果包含不銹鋼，銅鎳合金的試驗結果包含碳鋼和不銹鋼，在試驗的策劃階段可充分考慮該要素并適當減少不必要的試驗項目。

此外，該型式穿艙件亦可為游艇、PSV(海工支援船)、客滾船等同類型船舶產品的類似設計領域提供借鑒。