大跨距船用卷簾門的設(shè)計要點

金吉發(fā),俞 劍,劉少東

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司,上海 200137)

0 引言

卷簾門是一種依靠卷軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)門葉啟閉的門具。在當(dāng)前工程實踐中,卷簾門的主要應(yīng)用和研究都集中在陸用建筑上,并已形成了一些成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但這些陸用規(guī)范卻很難直接移植到船舶行業(yè)的露天環(huán)境中,主要有以下原因:①陸用和船用卷簾門的尺寸差異;②海洋環(huán)境導(dǎo)致設(shè)計輸入不同;③船上安裝環(huán)境更為復(fù)雜。

卷簾門啟閉快速,安裝和操作空間要求較小,能很好地滿足滾裝/客滾船上閉式滾裝處所同開式滾裝處所或露天甲板之間的物理分隔要求。本文將以某客滾船上的隔離卷簾門為設(shè)計實例,詳述卷簾門設(shè)計布置中的主要考慮因素及設(shè)計要點。

1 規(guī)范來源

《國際海上人命安全公約》(SOLAS公約)第II-2章G部分第19條第3.10要求:“在設(shè)有滾裝處所的船上應(yīng)在閉式滾裝處所和相鄰的開式滾裝處所或露天甲板之間予以分隔。該分隔應(yīng)使這些處所之間危險蒸汽和液體的通路減至最小。如果滾裝處所在其整個長度上視為一個封閉的貨物處所并完全符合本條的有關(guān)特殊要求,則不必進(jìn)行此種分隔。”

由于客滾船的總布置特點和上建減重的要求,通常很難做到所有的滾裝處所都是全通的閉式滾裝處所而不留任何的開式滾裝處所或露天甲板。同時,因為開式滾裝處所或露天甲板環(huán)境開敞,危險氣體集聚風(fēng)險小,船東通常利用此處來載運危險貨品。如果采用免除設(shè)計,則其相鄰的閉式滾裝處所的布置就需要特殊考慮所有電氣設(shè)備防爆,這樣會增加造船成本。因此,對于此類船舶,滾裝處所設(shè)置分隔是一個低成本的合理化設(shè)計。

英國海事與海岸警衛(wèi)署(Maritime Coastguard Agency,MCA)曾于1998年4月28日發(fā)布了一份關(guān)于SOLAS上述條款的解釋/指導(dǎo)文件,其中對于上述滾裝處所的分隔,也提出了一條更可操作的替代方案:將開式滾裝處所或者露天甲板上的危險貨品儲存位置限制在離閉式滾裝處所入口3 m之外,這樣可以不必強(qiáng)制要求物理分隔設(shè)施。該方案因其無需安裝任何物理分隔,對船上貨物裝載影響較小,所以曾廣泛應(yīng)用于客滾船特別是英國籍的客滾船上,這個也是當(dāng)前船舶行業(yè)對于大跨距卷簾門實船應(yīng)用十分缺乏的原因。但是,這份指導(dǎo)文件已于2017年9月4日被MCA撤銷。因此,對于之后生效的滾裝/客滾船,如需滿足SOLAS的上述條款,都需要在滾裝處所分界面上加裝物理分隔設(shè)施。

2 卷簾門主要形式及選取

卷簾門相對于其他的鋼質(zhì)鉸鏈門、滑移門、折疊門,具有重量輕、啟閉速度快、安裝和操作空間對滾裝處所甲板面積占用小等優(yōu)點,是滿足規(guī)范要求的一個很好的解決方案。卷簾門的主要類型有3種:垂直鋼質(zhì)卷簾門、水平鋼質(zhì)卷簾門和垂直帆布卷簾門。其特點對比見表1。

由表1可見,垂直鋼質(zhì)卷簾門在安裝、操作空間上有著突出優(yōu)勢。但是,因為其自重相對于帆布卷簾門大,而重力主要作用于頂部主軸上,為了保證卷簾門的完整性,通常主軸只有兩端支撐,因此較大的自重會導(dǎo)致主軸中部彎曲變形,嚴(yán)重時會影響主軸的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

水平鋼質(zhì)卷簾門因重量主要作用在甲板底軌上,車輛甲板的強(qiáng)度可以有效地支撐底軌,從而避免主軸變形的問題。但其較大的側(cè)面儲存空間,以及兩側(cè)的轉(zhuǎn)彎半徑要求會影響甲板布置,需要在設(shè)計中考慮。

垂直帆布卷簾門自重很輕,可以同時避免主軸變形和兩側(cè)儲存空間大的難點,非常適用于大跨距的場景。但由于其存儲時折疊收儲的帆布自然下垂,相對于緊密繞卷在主軸上的鋼質(zhì)卷簾門,帆布門在高度方向上的存儲空間要求相對較大,通常需要在上層甲板上做凸臺以保證下層的凈高要求。

某客滾船共設(shè)置3扇分隔卷簾門:1號卷簾門用于分隔閉式滾裝處所和開式滾裝處所,跨距4.6 m,因上層甲板為住艙無法做甲板凸臺故采用垂直鋼質(zhì)卷簾門(見圖1)。2號和3號卷簾門用于分隔閉式滾裝處所和露天甲板,跨距分別為6.6 m和15.6 m,都位于上層建筑末端的露天陽臺下面,因陽臺上可做凸臺,所以選用了輕質(zhì)的帆布卷簾門方案(見圖2)。

圖1 垂直鋼質(zhì)卷簾門圖

圖2 垂直帆布卷簾門側(cè)視圖

3 卷簾門設(shè)計要點

3.1 密性

根據(jù)SOLAS關(guān)于“該分隔應(yīng)使這些處所之間危險蒸汽和液體的通路減至最小”要求,卷簾門只需要減少有害蒸汽及液體的跨處所傳遞,無需完全隔絕傳遞,也沒有明確要求密性及防火等級。因此,該客滾船卷簾門不需要做到水密或者氣密,并最終取得了船級社認(rèn)可。

為了減少雨水對閉式滾裝處所的影響,需要在卷簾門外側(cè)的露天甲板上布置地漏,并在卷簾門的各縫隙處設(shè)置橡膠條,以起到防自然風(fēng)雨的作用。某客滾船在卷簾門兩側(cè)的導(dǎo)軌處加裝密封膠條(見圖3),并在門片底梁下方裝有雙層橡膠條(見圖4),防風(fēng)雨的同時還可以有效地減噪降振。

圖3 側(cè)軌膠條

圖4 底梁橡膠

3.2 防火

SOLAS沒有明確提及滾裝處所分隔的防火等級要求。同時,該客滾船卷簾門所處的位置為閉式滾裝處所末端開口。根據(jù)SOLAS第II-2章 B部分第9條4.1.1.7中描述“對船舶外部限界面的‘A’級完整性要求不適用于外門”,故卷簾門無防火等級要求。但是為了保證卷簾門在火災(zāi)中的完整性,采用了船級社的建議,在卷簾門雙面加裝水霧噴頭。

3.3 風(fēng)壓

風(fēng)壓等級主要參考船東預(yù)設(shè)的船舶目標(biāo)航行區(qū)域的海況條件,以及穩(wěn)性計算對于船舶適航海況的風(fēng)壓假定。本文研究的客滾船只會在相對安全的海況中出港運營,在穩(wěn)性計算中風(fēng)速的假定最大值為17 m/s,超過這個閾值船舶將停航。船東也同意將會在停航中保持卷簾門常開,門片收儲不受力。因此,項目中設(shè)定風(fēng)壓為500 Pa(蒲氏風(fēng)級10級),以求在滿足使用要求的前提下,盡量控制建造成本。

對于海洋平臺和航行區(qū)域海況惡劣的貨船,由于其不可避免會遭遇惡劣的海況氣候,船級社通常會要求參照上建外壁的設(shè)計風(fēng)壓即2.5 kPa[1]來進(jìn)行隔離卷簾門設(shè)計,此時卷簾門的強(qiáng)度需進(jìn)行額外的校核。

3.4 門片截面形式

卷簾門的主要門片截面形式有鋼質(zhì)單層S形(見圖5)、雙層S形(見圖6)、帆布雙層箱形。

圖5 鋼質(zhì)單層S形

圖6 鋼質(zhì)雙層S形(內(nèi)部填充)

鋼質(zhì)單層S形及雙層S形主要用于鋼質(zhì)卷簾門,設(shè)計上需要根據(jù)截面的剖面模數(shù)來校核門片抗風(fēng)強(qiáng)度。1號鋼質(zhì)卷簾門采用厚度t=1 mm的316L不銹鋼雙層S形截面門片,單個門片有效高度H=86 mm。強(qiáng)度設(shè)計中可將門片簡化為2點支撐簡支梁,根據(jù)以下公式來校核其抗風(fēng)強(qiáng)度:

式中:Y為跨中最大擾度,mm;q為均布載荷,Pa;l為有效跨距,m;E為316L不銹鋼彈性模量,GPa;I為截面慣性矩,mm4;σ為最大彎曲應(yīng)力,MPa;y為門片邊緣距中性軸最大厚度,mm。

經(jīng)計算,Y=84 mm,σ=72 MPa,滿足材質(zhì)安全許用應(yīng)力。

應(yīng)用PATRAN軟件對兩側(cè)門框建立精細(xì)化網(wǎng)格模型并進(jìn)行強(qiáng)度計算。初步設(shè)計門框采用厚度3 mm的不銹鋼材質(zhì),共考慮2個典型計算工況,分別對應(yīng)風(fēng)力載荷(均布500 Pa)作用于門片內(nèi)側(cè)和外側(cè)。其中風(fēng)載作用于外側(cè)為惡劣工況,邊界條件只有螺栓接觸處受約束,受力情況及有限元計算結(jié)果見圖7。從圖中發(fā)現(xiàn),最大應(yīng)力出現(xiàn)在門框連接處,最大應(yīng)力值150 MPa在安全許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖7 鋼質(zhì)卷簾門門框受力分析及應(yīng)力分布

帆布雙層箱形主要由內(nèi)、外帆布面及金屬中間梁組成(見圖8)。設(shè)計上需要考慮中間橫梁的剖面模數(shù)是否能抵抗相應(yīng)的風(fēng)壓,校核方法同上。為了避免帆布卷簾門在承受風(fēng)壓的過程中發(fā)生中間梁翻轉(zhuǎn)失效,對于設(shè)計風(fēng)壓較大的情況通常需要增設(shè)底梁甲板鎖來增強(qiáng)帆布卷簾門的抗風(fēng)壓能力。

圖8 帆布雙層箱形

3.5 儲存形式

垂直鋼質(zhì)卷簾門目前有2種儲存方式,分為上部卷起和上部平鋪。

影響儲存方案選取的主要因素有可用儲存高度和上甲板的反頂布置。儲存高度主要跟卷簾門開口凈高、跨距相關(guān):凈高越大,門片越多,收儲的空間需要越大;跨距越大,需要更粗的主軸來對抗跨中形變,收儲空間也會增加。而上甲板反頂布置主要有車輛艙的照明、消防、探測等設(shè)施布置。

1號鋼質(zhì)卷簾門凈高要求5 m,如采用上部儲存方案,卷筒存滿時最大直徑約為600 mm,加上甲板反頂加強(qiáng)桁材及主軸下方導(dǎo)向輪安裝托架,整個上部安裝儲存空間高度約為1 m;如采用平鋪式儲存方案,整個上部安裝高度可控制在0.7 m。可見,對于高度限制苛刻的船舶來說更適用平鋪式。但由于1號門的上層甲板為住艙,會有黑、灰水管穿插下來,同時甲板反頂還布置有滾裝處所的照明、火災(zāi)探測及水霧噴頭等設(shè)施,采用平鋪的方式會造成局部遮擋,所以最終還是采用上卷儲存。

帆布卷簾門的存儲方式為上部折疊存儲,帆布自然折疊后柔性下垂。因帆布下垂時是柔性的,通常需要在理論儲存范圍的四周預(yù)留更大的安全余量(200 mm左右),以避免對凈高造成可能的影響。

3.6 抗風(fēng)加強(qiáng)措施

對于部分抗風(fēng)強(qiáng)度大的卷簾門還需要考慮一定的加強(qiáng)措施,特別是跨距較大的卷簾門,因為受風(fēng)面積較大,需要承受很大的風(fēng)力作用。為避免門片產(chǎn)生塑性變形甚至斷裂,需要在跨度中間增加抗風(fēng)柱來起到支撐作用。此外,由于部分卷簾門安裝在滾裝處所車道上,為了避免固定抗風(fēng)柱對車道行車的影響,可以設(shè)計電動滑移或折疊的抗風(fēng)柱來實現(xiàn)抗風(fēng)加強(qiáng)。

3.7 防斷鏈裝置

為了增加卷簾門的安全性能,通常還需在卷簾門上增加各種防護(hù)措施。如:在卷軸上配置防斷鏈裝置,確保在傳動鏈條意外斷裂的情況下,卷軸仍然可以保持在當(dāng)前位置而不會突然下墜,造成事故。

4 結(jié)論

(1)2017年之后生效的滾裝/客滾船的閉式滾裝處所與其相鄰的載運危險貨品的開式滾裝處所或者露天甲板之間需要布置卷簾門進(jìn)行物理分隔。

(2)根據(jù)分隔處所的實際結(jié)構(gòu)、凈寬凈高要求、航行區(qū)域風(fēng)壓情況和船舶實際布置,選擇合適類型的卷簾門和截面形式,來設(shè)計優(yōu)化卷簾門布置。

(3)對于大跨距、大風(fēng)壓的卷簾門,更加合理的抗風(fēng)柱設(shè)計仍是后期的一個研究重點。