集装箱船抗扭箱区域舾装开孔及加强方案

阳泽伟， 李彦坤， 张 成

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200219)

集装箱船抗扭箱区域舾装开孔及加强方案

阳泽伟， 李彦坤， 张 成

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200219)

随着集装箱船大型化发展，大厚度的高钢级钢板在抗扭箱区域被使用的越来越多，疲劳强度是结构安全需要关注的重点，而厚板上的开孔会对疲劳强度产生一定的不良影响。对沪东中华造船(集团)有限公司多年来建造的多型集装箱船积累的经验进行归纳总结，提出适合抗扭箱厚板的开孔及加强方案。

舾装开孔；集装箱船；抗扭箱；疲劳强度

0 引 言

集装箱船生产设计过程中为了满足管路、电缆等舾装布置需要，不可避免地需在主船体结构上开孔。开孔除了会降低结构的强度，产生屈曲、剪切、疲劳等问题外，在切割开孔、烧焊舾装件过程中也容易产生缺陷。尤其是随着集装箱船大型化发展，抗扭箱区域使用的钢板越来越厚，钢级越来越高(如某14 500 TEU船最大厚度为85 mm，最高钢级为EH 47)，钢板的韧性随着厚度及钢级的增加而降低，开孔在厚板上会产生结构薄弱点，如开孔不当易产生裂纹，一旦裂纹在厚板上扩散较易造成重大的结构安全事故。因此，研究抗扭箱区域厚板上的开孔及加强方案，减少开孔对船体结构的影响非常重要。目前，国内对开孔的研究以有限元理论计算居多：褚洪等[1]应用有限元屈曲特征值分析方法对受轴向压力开孔腹板的屈曲载荷进行计算；黄茜等[2]采用非线性有限元计算方法，对梁腹板开孔后的极限承载能力进行研究；葛俊波等[3]采用有限元弹性屈曲分析方法，探讨常用的开孔加强方式在不同加强尺寸下的加强效果。这些研究大都以梁腹板为研究对象，没有考虑具体船型的结构特点，与实际情况存在一定偏差，对船厂生产设计的指导不够直观。本文以沪东中华造船(集团)有限公司多年来建造的多型集装箱船为经验基础，归纳总结适合集装箱船抗扭箱区域厚板的开孔及加强方案，对船厂生产设计具有一定的参考与指导意义。

1 开孔的主要考虑因素

1.1开孔位置

开孔首要考虑的是开孔位置，舾装设计时一般考虑管路、电缆长度最短，施工方便，操作便捷，而结构设计负责关注结构强度问题，不同的出发点必然会造成分歧，需要结构专业和舾装专业设计人员互相沟通、统筹考虑，将开孔位置避开船体结构的高应力区，在满足强度的基础上优化管子、电缆等舾装件的布置。

集装箱船具有大甲板开孔的特点，开孔角隅附近是高应力区，此高应力区内禁止开孔。开孔应尽量远离角隅，开孔边缘距角隅切点的距离推荐至少两档肋位以上，禁开孔区域如图1所示。

图1 主甲板禁开孔区域

外板舷顶列板上禁止开孔。纵向舱口围顶板及围板上不建议开孔，当开孔无法避免时，开孔位置也需要尽量远离舱口角隅。

抗扭箱区域内纵壁上的开孔相对较少，一般二甲板通道中有电缆和透气管在横舱壁位置处贯穿内纵壁进入货舱。原则上开孔不能开在最厚的一列板上，如图2所示。

另外，需注意开孔不能离板缝太近，开孔边缘离板缝建议最小距离d=4t+50 mm，其中t为板厚。

图2 外板、内纵壁禁开孔区域

1.2开孔形状

开孔形状会影响钢板内部的应力流方向，不同形状的开孔其应力集中系数大不相同。图3是DNV GL规范[4]中关于不同形状的开孔在不同应力方向下的应力系数图，图中的参数说明如下：σ1为主应力；Kt为开孔应力系数；a为开孔宽度；l为开孔长度；a/l为开孔宽度与长度比。

从图中可以得知以下信息：

(1) 开孔长边与主应力方向平行时的应力系数比开孔长边与主应力方向垂直时的应力系数低。

(2) 当开孔长边方向与主应力方向平行时，椭圆形开孔比腰圆形开孔应力系数低；当开孔长边方向与主应力方向垂直时，腰圆形开孔比椭圆形开孔应力系数低。

抗扭箱区域结构主应力是沿船长的纵向方向，因此，开孔长边需平行船长方向，开孔最好选择椭圆孔，椭圆孔的长度是宽度的2倍左右。

图3 不同开孔形状应力系数

1.3开孔处舾装件与结构的连接方式

除了开孔位置及开孔形状外，还需考虑开孔处舾装件与结构的连接方式，这方面的理论研究较少，实际生产中也容易被忽视。如果舾装件与结构的连接方式设置不合理，可能会形成结构薄弱点，产生裂纹并扩散至船体结构，造成安全隐患。常规水密舱壁处的管子贯穿件连接方式为法兰复板连接(见图4)以及套管连接(见图5)。这两种连接方式适用于非高应力区内板厚小于50 mm 钢板上的舾装开孔连接。

图4 法兰复板连接

图5 套管连接

套管使用的是标准件，其长度及厚度随管径加大而增加，需根据相关标准选用。

电缆穿舱件常规采用浇注式衬圈连接，其节点形式与管子的套管连接类似，如图6所示。

图6 电缆衬圈连接

集装箱船抗扭箱区域的管系、电缆在纵向结构如甲板、纵壁上的开孔数量相对较少，对钢板的总纵强度及剪切强度影响不大，开孔处的疲劳强度是主要的考虑因素。从图4～图6中3种常规连接方式可知，开孔边缘均存在焊接，按照德国劳氏船级社规范，理论上舾装件贯穿结构时直接与结构焊接的形式比非焊接形式的疲劳强度高。但抗扭箱区域钢板厚度较大，开孔边缘无法使用数控机割出坡口，舾装件与钢板间的填角焊难以焊透，焊接质量难以保证，且容易产生焊接缺陷引发的裂纹。因此，建议舾装件不与厚板开孔自由边直接烧焊，为了保证水密性可以制作一个围板结构将开孔罩住，管子从甲板开孔穿出后与围板焊接。另外，还可以将多路管子放在一起从而减少开孔数量，如图7所示。

图7 组合围板连接

主甲板采用的钢级一般为EH 36或EH 40，为防止围板结构损坏将裂纹扩散至主甲板，围板材料宜采用AH 32及以上的船用钢。但在实际生产过程中一般围板使用国标Q235A钢，需要在主甲板和围板之间增加一块AH 32以上材质的复板来隔断。主甲板上的风机、电缆、管子基本都可以采用这种形式。

此外，开孔宜采用数控开孔，没有毛刺、凹坑等缺陷，开孔边缘需打磨光滑。为了便于设备加工，开孔宽度建议大于板的厚度。所有的舾装件焊接需严格遵循焊接工艺规程，焊后将焊缝打磨光滑，避免应力集中。

1.4开孔加强

抗扭箱区域的甲板、纵壁板厚一般较大，常规舾装开孔对其屈曲强度、剪切强度削减不多，一般不需要对母材进行额外加强，但抗扭箱内的肋板除外。通常肋板上会预留大开孔供管系、电缆通行，肋板留下的有效面积有限，如果开孔需要考虑加强，一般以贴附复板的方式来弥补肋板开孔损失的剪切面积。虽然抗扭箱区域的厚板开孔处一般不需要对母材进行加强，但是要考虑舾装连接件本身的强度是否足够，避免舾装件结构太弱产生裂纹并传导至母材，本文在后面的设计实例中有相关说明。

2 设计实例

根据前面章节所述的原则，本章节列出了实船的设计方案，对船厂设计人员的参考及指导作用更为直观具体。

某型14 500 TEU主甲板开孔及连接形式如图8所示。

图8 某型14 500 TEU主甲板开孔

图8中的椭圆孔为二甲板通道风机开孔，腰圆孔为管子开孔。椭圆孔两头的可通行面积小，如要让相同的管子贯穿，椭圆孔将比腰圆孔开孔尺寸更大，经权衡，实际设计中管子开孔采用了腰圆孔，并将开孔尽量远离角隅处。由于主甲板材质已达EH 40，穿舱形式中的复板选用了15AH36材料。另外，开孔边缘与外板、内纵壁需保持一定距离，建议最少200 mm。

纵壁上的开孔及连接形式如图9所示。

本型船内纵壁最厚板(65 mm)上没有舾装开孔，开孔放在次厚板上，对开孔形状的要求相较主甲板可适当降低，但抗扭箱区域整体应力水平相对较高，舾装件连接方式仍需特别考虑。像机舱区使用的电缆衬圈常规厚度一般约为6 mm，材质为Q235A，用在此处显然并不合适，因此抗扭箱区域的电缆衬圈需要特殊制作，适当增加厚度及钢级，如某型14 500 TEU采用的是厚度12 mm钢级为AH 32的电缆衬圈，衬圈长度为250 mm，电缆敷设完成后在电缆衬圈中注入密封材料，保证水密性。同样地，当管子采用法兰复板连接时，复板的板厚及钢级也要相应提高，此处使用的是20AH32的复板。

抗扭箱肋板新增开孔时需注意开孔与外板、开孔与开孔之间距离不能太小，当开孔较大时需贴附复板予以加强，如图10所示。

图9 某型14 500 TEU内纵壁开孔

图10 某型14 500 TEU抗扭箱区域肋板开孔及加强

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3 结 语

本文主要根据建造的多型集装箱船的实际生产经验对抗扭箱区域的开孔及加强形式进行了归纳总结，提出合理的开孔位置、开孔形状以及舾装件与结构的连接方式，并给出设计实例，针对性较强，实用性较高，对船厂生产设计人员具有一定的参考及指导作用。本文的不足之处是由于舾装件与结构的连接方式难以建立数据模型，只有经验积累，缺乏理论分析，作者将做进一步的跟踪研究。

[1] 褚洪，张世联，李源源.桁材开孔腹板的线性屈曲强度分析[J].船舶工程，2012(4):24-26.

[2] 黄茜，张世联，郑轶刊.梁腹板开孔后的横向极限承载能力分析[J].中国舰船研究，2013(3):27-32.

[3] 葛俊波，张世联，郑轶刊.横梁腹板开孔剪切稳定性加强方式[J].舰船科学技术，2014(9):60-64.

[4] DNV GL.CG-0129 Class Guideline Fatigue Assessment of Ship Structures [S].2015.

CutoutsandReinforceSolutioninContainerShipTorsionBox

YANG Zewei， LI Yankun，ZHANG Cheng

(Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd.， Shanghai 200129, China)

With the large-scale development of container ships, the use of large thickness high tensile steel plates in the torsion box area is increasing, and the fatigue strength is the focus of structural safety, but the cutouts in the thick plate will have a certain adverse effect on the fatigue strength. By summarizing the experience of multi-type container ship built by Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd.， the cutouts and strengthening scheme suitable for torsion box thick plate are put forward.

cutout；container ship；torsion box; fatigue strength

阳泽伟(1983-)，男，工程师，研究方向为船舶结构设计

1000-3878(2017)05-0060-06

U661

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