铝合金高速双体客船锚穴导链设计

2017-07-18林纯鑫

广东造船 2017年3期

关键词：铝板船体螺栓

林纯鑫

摘要：介绍了铝合金高速双体客船锚布置设计中，为保护船体结构所采用的几种连接方式及施工中应注意的问题。

关键词：铝合金高速双体客船；锚；导链结构

中图分类号：U674.11 文献标识码：A

Design examples of chain guide on anchor recess for

high-speed aluminum catamaran

LIN Chunxin

（ Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd. Guangzhou 511431 ）

Abstract： Described by several connection ways for protecting hull structure on anchor arrangement of high-speed aluminum catamaran， and some problems which need to be paid attention in the construction.

Key words： high-speed aluminum catamaran； anchor； chain guide

1 引言

铝合金高速双体客船由于船体结构相对于材质为镀锌钢的锚链、锚、钢丝绳来说，强度较弱、硬度偏软，起锚或抛锚时容易导致船体结构的磨损，严重时甚至可以割裂船体。此外，如钢质锚系与船体结构直接接触，钢和铝两种不同材质之间存在电位差，当抛、起锚时船体铝表面的油漆一旦有破损，海水或雨水作为电解液，铝作为负极失去电子变为铝离子，船体结构将会被腐蚀。因此，在设计中往往需在原船体结构外增加相应的钢质导链结构，把船体结构跟锚链、锚、钢丝绳隔开，对船体进行有效地保护。必要时也可在导链结构与船体结构之间设置绝缘层，如电木板、尼龙垫等，防止电化学腐蚀。

由于高速船对航速的苛求，船体结构设计时除考虑把收锚位置尽可能拉高外，也常在舷边或船中链孔处做成能收藏锚冠及锚爪的方形或圆形的锚穴，这样既可避免船舶纵摇时锚冠、锚爪进水导致船舶阻力的增加，也可减少高速航行时锚引起的空气阻力，避免锚体击水引起飞溅而降低航速。

内藏式锚穴相对于突出式结构，能减少其对船舶流线型或平整性外观的影响，因此也较为美观。

在实际钢质导链结构设计中，难点不在于船体结构保护，而是要在起到保护作用同时又不影响船舶的抛锚、起锚操作。钢质导链结构与铝质锚穴结构的连接方式，大致有三种：螺栓连接、焊接及粘接。下面介绍根据不同船型设计的导链结构实例，以及施工中应注意的问题。

2 连接方式

2.1 螺栓连接

螺栓连接是钢质导链结构与铝质锚穴结构最常见的连接方式。一般铝合金高速双体客船船首甲板不作上下客用，因此锚系设备通常布置在首部船舯连接桥上方，如图1、图2所示。

甲板下半圆锥型不锈钢导链筒及甲板箱体斜坡上的不锈钢板，均用螺栓与船体结构连接，在钢丝绳、锚链、锚杆本来会与船体结构接触的地方架起一道安全屏障。设计时，还应根据锚机滚筒起锚点在不锈钢板与锚机之间模拟设置相应的尼龙滚柱，不锈钢板斜坡一般与甲板夹角约40o，受锚杆长度的限制，斜坡太陡太缓都可能影响起锚。在起锚过程中主要为不锈钢导链筒受力，锚破土时钢丝绳受拉力最大，除锚杆外，钢丝绳、锚链基本不与不锈钢板接触，只与尼龙滚柱及导链筒接触，因此船体结构设计时需注意校核支撑尼龙滚柱的两侧铝板的挤压强度。

导链部件设计时需注意螺栓、不锈钢结构与船体结构接触面均应加绝缘措施，特别注意防止船体铝质结构与钢质螺栓发生电化学腐蚀。

对于螺栓连接，其连接部件受力主要有两种：一种是通过螺栓预紧力使被连接部件接合面摩擦传递剪力；另一种通过铰制孔用螺栓紧联接传递剪力。下面介绍后一种连接方式的螺栓剪切强度验证。

假定螺栓所受工作载荷相等，连接的钢部件承受拉力F，则n 个直径为d的螺栓所受剪切强度为：

（1）

由于钢部件与螺栓材料相同，且实船中钢部件连接螺栓孔占面积比例较小，钢部件抗拉强度及挤压强度不做校核，仅校核铝板的挤压强度：

（2）

式中：[σ]—铝板的许用挤压强度；

t—铝板的厚度；

Fb—铝板挤压力，Fb=F。

实际使用中钢板跟钢丝绳、锚链等摩擦的接触面应平整，因此连接螺栓应为内藏式，不建议用沉头螺栓，因沉头螺栓与钢板接触面为圆锥面，实际施工中为在铝板及不锈钢板上攻螺纹，涂上螺纹锁固胶后安装螺栓，圆锥面钻孔本身容易有偏差，且易导致螺栓安装后受力点不均匀。

2.2 焊接

对于铝合金高速双体客船（如图3、图4所示），由于有中央船首，设计时船首甲板锚系设备常按普通单体船来考慮，设置钢质锚链筒、锚唇、锚穴等，此类设计在钢质单体船中已经非常成熟，本节不多赘述。

由于钢质锚链筒为曲面结构，如要与船体铝合金结构用螺栓连接，筒内面钻孔不适用且施工困难，筒外面加焊腹板钻孔则需增加较多钢、铝连接结构，因此出于施工难度及操作空间等方面综合考虑，采用在不锈钢锚链筒与铝制船体结构中间，加焊一层由铝-钛-不锈钢材料爆炸焊接制成的条状过渡接头的方式。

5083铝合金焊接材料抗拉强度Rm为275 Mpa，剪切强度为165～220 Mpa ；

不锈钢316L焊接材料抗拉强度Rm为500 Mpa，剪切强度为300～400 Mpa ；

过渡接头的铝-钛界面剪切强度不小于80 MPa，钛-钢界面剪切强度不小于137 MPa，过渡接头整体拉脱强度不小于137 MPa。

不锈钢锚链筒与船体结构连接，通过结构受力分析锚链筒承受的剪力FS与拉力F，来校核铝-钛界面的剪切强度、抗拉强度：

（3）

（4）

式中，A为与锚链筒焊接的过渡接头中铝层与钛层的承载面积。校核焊缝需选取对应焊接材料接头强度。

施工中应注意，过渡接头先与不锈钢导链筒等焊接好后，再上船台分段与铝合金船体结构焊接。焊接时应防止溶及钛层，确保铝、钢层的钝边尺寸和装配间隙。同时，为避免由于船体结构受热变形导致的过渡接头复合界面剥离或出现裂纹，焊接前应适当加固定码材，并采用对称焊接，且应注意施工环境条件的要求。

2.3 粘接

对于铝合金高速双体双头车客渡船，甲板首尾端布置为上下客或车辆通道，锚系设备不能布置在船舯，只能布置在舷侧，把水线以上部分外板往内偏移设置为锚穴，如图5、图6所示。

在不影响水线面以下外板线型的条件下，无论锚链筒采用何种角度都无法避免钢丝绳、锚链、锚冠、锚爪等跟下锚唇两侧及下方的铝板接触，由于车客渡船的锚比普通高速客船大得多，锚穴占用面积大且常接近水面，基于水密性等要求，钢板不适合靠螺栓或复合材料与船体结构连接，因此选择适用于铝合金与不锈钢板粘接的高强度胶更为合适。

施工前应按要求对粘接铝板及钢板做好前期处理工作，根据天气条件调整施工时间，尽量接近在推荐的环境温度下操作，特别注意胶的固化机理及表干时间。需粘接面积较大时，应增加胶枪口加快涂胶速度，避免胶全部涂好后先涂的部分表面已经凝结。

板粘接后，由于板四周密封隔绝空气与板内部的胶接触，容易出现四周的膠已经固化但板内部的胶推迟甚至根本就不能固化，对于此类情况有两种处理方法：

（1）在钢板上钻透气孔，加速透气孔四周的胶水固化。由于影响外观且钢板钻孔费工费时，大面积粘接时不太适用；

（2）涂胶时内部不涂满，胶条之间留有缝隙透气，如图7所示。为保证胶受挤压后粘接厚度均匀，涂胶前可在对应板四周及中间贴上适当数量的胶粒，等板内的胶固化后四周再涂一圈胶密封，确保水不会流到缝隙里腐蚀铝板。

胶粘接面积可通过剪切强度验算：

（5）

式中：F—不锈钢板所受最大摩擦力；

[ τ ]—胶许用剪切强度；

S—板面积；

A—最少粘接面积。

3 总结

本文介绍了铝合金高速双体客船的锚布置及与船体结构连接的几种常用方式和施工中应注意的问题。在设计中还应同时综合考虑人工成本、材料成本、环境因素等，根据具体船型选择合适的施工方案。