船舶新型海底门设计

李　磊

(中海工业(江苏)有限公司，江苏 扬州 225211 )

船舶新型海底门设计

李磊

(中海工业(江苏)有限公司，江苏 扬州 225211 )

摘要:通过研究46 000 t散货船的海底门安装工艺并结合生产现场实际情况，设计一种新型海底门及配套工装件。详细介绍该型海底门的基本工作原理和安装工艺流程，阐述其设计优点，并从流通面积比方面进行计算，以论证该设计的可行性。同时，进行强度计算，以选定该型海底门的配套零件。

关键词:海底门； 工作原理； 流通面积比

0引言

海底门安装于船舶底部的海水箱外板处，是压载水、冷却水和消防水等船舶用水的集中入口，对于船舶的正常营运及航行而言十分重要。传统意义上的海底门(见图1)大体由框架、格栅门及配套螺栓组成，按正常的船舶建造流程，其需要在海水箱内部结构完整，安装于箱上的通海阀及其管件、防海生物附着装置等安装结束,海水箱气密试验及水压强度试验结束后才可安装。这种安装方式费时费力，涉及到的工种多，各工种之间相互影响的情况时有发生。

通过对海底门的安装工艺进行改进，将安装过程中工作量最大的框架安装、焊接、打磨等工作前移到分段建造阶段，可提高安装的效率和质量，使得生产流程更为顺畅。但是，这种工艺上的调整并没有降低整个安装过程的工作量，尤其是在后期海水箱气密试验和水压强度试验过程中，通常需要在框架上焊接密封板，待试验结束后割除，该做法会对不锈钢框架造成一定程度的损坏，需征得船舶所有人的认可。鉴于此，设计一种新型船舶海底门(见图2)，并附带配套的可反复使用的盲板工装件，以大幅度降低海底门安装过程中的工作量，并优化整个工艺流程。

1新型海底门设计原理及其安装工艺流程

该新型海底门在原海底门框架内侧加装法兰盘，配套的是类似道门盖的盲板，具体使用原理及安装工艺如下：

(1) 安装前确保成品海底门的格栅门、盲板与海底门框架上焊接的法兰盘配套良好，并在安装框架前拆掉格栅门；

(2) 由于不同船舶的分段划分及合拢吊装工艺不同，因此海水箱结构可能跨越2个分段，这样便可根据不同船舶的实际情况，待海水箱结构完整后(分段建造阶段或中组阶段)，在外板开孔安装海底门框架，乾地焊接打磨处理；

(3) 在海水箱附属的各种穿舱件的完整性报检结束后，可用盲板配以橡皮安装到位，封闭海水箱以便进行气密试验和水压强度试验；

(4) 试验结果满足要求后，拆除盲板、橡皮和螺栓等设备并妥善保管，供后续船舶使用；

(5) 船舶外板及海水箱内油漆结束后，船舶下水前，将格栅门安装到位。

图1　传统海底门示意图(46 000 t散货船)

图2新型海底门及其盲板示意图

2设计优点

该新型海底门的设计和安装流程可大幅度降低安装过程中的工作量，从劳动强度、生产效率、产品质量和施工环境安全等方面进行了深度优化。以下从海底门安装过程中的几个阶段具体论述其设计优点。

2.1海底门框架安装阶段

1) 根据不同船舶的分段划分不同，若海水箱在单一分段上，则海底门可在分段建造阶段安装。此时，由于分段以平台板为基面制造，海底门安装在分段上方的外板上，其高度坐标易于测量，这样就省略了激光经纬仪测量的工序，提高了作业的连贯性。在该阶段安装，其开孔、安装和焊接等作业的施工环境良好，上方无阻碍物，易实行机械辅助装配作业，减轻了工人的操作强度，且焊道位置相对平缓，便于采用CO2角焊(见图3)，极大地提高了施工的效率和质量。

图3　低位海底门在反造分段221P上的安装示意图(46 000 t散货船)

2) 若海水箱结构跨越2个分段，则选择在分段中组阶段安装，此时在外板开孔安装框架，打开了密闭的海水箱结构，为箱体内部的结构处理、箱体外围通海阀件的安装等提供了天然通道，无需像传统方式一样开设临时工艺孔通道，从而消除了在狭小舱室作业存在的安全隐患，提高了施工的安全性。

2.2海水箱气密和水压强度试验阶段

海水箱结构、外围管件等完整性报检结束后，便可开展海水箱的气密和水压强度试验。在传统的安装方式下，此时外板上仅仅存在1个为方便施工而临时开设的工艺孔，试验中，需在外板曲面上将其焊接封死，试验结束后重新开孔安装海底门框架。这一过程耗时耗力且容易伤害外板母材，因为临时开孔有其随意性且外板存在一定的曲度，封孔用的材料也无法循环利用。新型的海底门只需采用工装件盲板、橡皮、螺栓材料等封住海底门孔即可进行试验，试验结束后材料可回收循环使用。

3技术论证

海底门的设计中很重要的一项是要求流通面积比满足要求，同时要降低成本，保证盲板、螺栓等设备可以循环利用。这就要求盲板和螺栓在试验过程中不能变形，强度方面满足使用要求。下面以46 000 t散货船的海底门为例，计算新型海底门的流通面积比，并选择图2所示的工装件进行强度校核。

3.1流通面积比

流通面积比是指海底门格栅的净流通面积与海水总管横截面积之比，需满足行业标准。根据《中华人民共和国船舶行业标准》，该船通海阀公称直径为400 mm，选用的是A型吸入格栅，流通面积比要达到3.0，具体尺寸可参考图1。

根据46 000 t系列船舶的海底门安装图纸，该船的海底门海水流通面积比约为3.84，这种设计无疑会使得其净流通面积减小。下面根据图2中这种新型海底门的尺寸进行校核。

假定传统海底门的净流通面积为S1，流通面积比i1=3.84 ；新型的海底门的净流通面积和流通面积分别为S2,i2；通海阀公称直径d=400 mm。通过CAD软件的面域计算，法兰盘面积S3=79 234.92 mm2, 格栅门外围框架面积为S4=15 811.327 mm2，此部分面积与法兰盘重合，则

(1)

(2)

(3)

将式(1)和式(2)代入式(3)得出：i2≈3.34>3.0满足标准要求。

3.2盲板及螺栓强度校核

根据船舶《密性试验大纲》要求，海水箱水密试验水压要达到0.2 MPa，因此在46 000 t散货船实际试验过程中往海水箱内加满水后打压至0.2 MPa， 则可以认为海水箱内最低水压处即海水箱上平面处水压达到0.2MPa。因为盲板事实上是一个平板，四周由螺栓固定，因此根据船舶结构力学的相关知识，可将其简化为四周刚性固定的矩形板的弯曲计算问题，其受力为水压随深度变化的空间线性载荷。要进行较精确的平面受力的计算，需计算出平面上任意一点距海水箱上平面的距离，由此将该物理模型转换为图4所示的数学模型。

图4　盲板受力计算模型

以46 000 t船舶坐标系中(FR30,0,0)为原点建立数学坐标系XYZ，通过寻找盲板平面3个已知坐标点A,B,C，计算出平板平面的数学方程式，由此得出平面上任意一点距基线的高度值Z，从而得出平面上任意一点的水压强值P，再在盲板区域(投影区D)对P进行积分计算，得出盲板所受的压力值F，最后根据结构力学和材料力学的相关知识进行校核。

1、根据46 000 t散货船结构图和海底门相关图纸选取盲板上3个已知坐标点，分别为：中心点A(-6 702，410，2 785)，后边界中线点B(-6 521.3，175.55，2 785)，下边界中心点C(-6 294，410，2 569)

根据3点确定1个平面的原理，计算出其平面数学表达式为

x+0.771y+1.889z+1125.44=0

(4)

则任意一点的压强值为

(5)

式(5)中：ρ水=1.0×103kg/m3,g=9.8m/s2；

盲板的受力即为

(6)

将式(4)和式(5)代入式(6)可得出：F≈1.07×105N。

通过上面的计算过程，发现盲板上压强最大值即为盲板最低点位置Pmax≈0.2121 MPa。

海水箱上平台水压为0.2 MPa，可见盲板受力的整个区域压强变化在5%以内。为便于对盲板进行强度校核，并保证安全，可取最危险的情况进行校核，即认为盲板受均布的0.212 1 MPa的水压作用，则根据结构力学中四周刚性固定板的计算方法，板的长边中心点即为其最危险的点，该处所受弯矩及最大弯曲应力为

(7)

式(7)中：K5=0.075为板的弯曲计算系数，可查表获得；q为单位面积载荷，因为受压为0.212 1 MPa，故q=0.212 1 N/m2；b为盲板短边长度592 mm；t为盲板厚度16 mm(生产中可简单地选择与海底门处外板等厚度的板)；船用钢板AH32的许用应力[σ]为315 MPa经计算得出σmax的值为

(8)

由式(8)可知，所选用盲板材质及板厚满足强度要求。

而选用的M16螺栓，螺纹有效面积为157 mm2，盲板应力最大处为130 MPa，故螺栓最大载荷为：F=130×157 N=20 410 N。从查看国标发现，选用M16,3.8级的螺栓即可满足要求。

3.3轴销处考虑

由于轴销处只需要承受打开格栅时格栅的重量，承受力很小，因此采用普通的销轴进行连接即可。

4结语

设计了一种新型的海底门，满足各标准规范的要求，可大大降低安装过程中的工作量。通过完善安装工艺，使得整个生产流程更为顺畅，避免了多工种之间施工相互影响的情况。

在系列船舶的批量建造过程中，虽然增加法兰盘和盲板在一定程度上提升了海底门产品的成本，但是相较于传统型式海底门安装过程中反复拆封工艺孔，造成的人工成本和材料成本以及施工拖沓导致的工期延误，新型海底门优势明显。

参考文献：

[1]陈铁云，陈伯真.船舶结构力学[M].上海:上海交通大学出版社,1990.

[2]徐兆康.船舶建造工艺学[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]CB/T 615—1995，船底吸入格栅[S].北京：中国标准出版社，1996.

中图分类号：U662

文献标志码：A

收稿日期：2015-04-10 2015-06-11

作者简介：包磊(1982—)，男，山东烟台人，工程师，主要从事船舶电气领域的相关技术研究。 桂栋(1987—)，男，湖北武穴人，主要从事船舶主推进监控系统研究。

文章编号：1674-5949(2015)03-040-03 1674-5949(2015)03-029-05

New Design of Sea Chest Grating

LiLei

(China Shipping Industry (Jiangsu) Co.,Ltd, Yangzhou 225211,China)

Abstract:A new type of sea chest grating and its supporting tooling set are designed after carefully studying the working conditions and the installation procedure of the sea chest grating on 46,000 tonner bulk carriers. The working principle and installation procedure of the grating are introduced and the advantage of the new design is explained. The feasibility of the design is checked through the calculation of the flow area ratio. The strength of accessories is calculated.

Key words:sea chest grating; working principle; flow area ratio