基于HCSR与CSR-OT的灵便型油船结构对比分析

2018-06-13

船海工程 2018年3期

(中国船级社规范与技术中心,上海 200135)

2015年7月1日起，油船与散货船迎来了HCSR时代。作为CSR的升级组合版，HCSR将散货船和油船的结构设计与建造要求进行了协调与统一，不仅提高了建造标准，原有船型的设计理念也发生了较大的变化，而且对载荷、描述性及屈曲要求、直接强度分析、疲劳校核等方面的要求进行了修改。灵便型油船因其灵活性强、吃水较浅、船长短且货油舱数量较多，一直以来备受市场欢迎，需求量很大。为此，通过考察4型灵便型油船涉及CSR和HCSR中描述性及屈曲要求的异同，整理出相关规律，分析满足CSR规范的油船在新规范下的适用情况，为灵便型油船由CSR.OT[1]升级至HCSR[2]提供参考。

1 描述性及屈曲要求的主要变化

HCSR对油船描述性及屈曲要求最直接的变化主要体现在以下几个方面：①材料；②净尺寸方法；③船体梁强度；④船体局部尺度；⑤屈曲评估。

1.1 材料

HCSR中对材料的要求基本引用了散货船共同规范(以下简称CSR.BC)，相较于双舷侧油船共同规范(以下简称CSR.OT)，其最显著的变化是增加了最小材料等级的要求。

1.2 净尺寸方法

HCSR中对净尺寸的图示定义相较于CSR.OT更为明确，尤其对扣除腐蚀增量后的构件尺寸量取给出了更为清晰的图示。对T型材的定义对比见图1。

1.3 船体梁强度

HCSR船体梁强度校核中船体梁弯曲强度评估、剪切强度评估方式与CSR.OT基本一致，但增加了极限强度评估[5]和残存强度评估。HCSR船体梁极限强度评估的要求源自CSR.BC，相对于CSR.OT评估范围和校核的工况均发生了变化，对比见表1。

表1 船体梁极限强度对比

同时HCSR加入了涵盖双层底弯曲效应的分项安全因子[3]，用于计算双层底的板架弯曲对极限弯曲能力的折减[8]。对于油船在完整航行中拱工况下的货油舱，其船体梁极限强度将减小近10%。

HCSR相对于CSR.OT，增加了船体梁残存强度的评估要求，针对船体发生碰撞和搁浅的破损状态下的船体梁极限弯曲能力校核。评估范围包括货舱区域和机舱。

1.4 船体局部尺度

HCSR在船体局部尺度的变化主要体现在最小厚度要求[4]、晃荡计算、进水工况的压力计算、上层建筑计算等方面。

1.4.1 最小板厚要求

HCSR对于最小板厚的要求，综合了CSR.OT和CSR.BC，相同结构取二者的要求大者。对比CSR.OT，构件最小净厚度的差异见表2，可见对于外壳板及内底板的要求均有增加。

表2 最小净厚度要求及差异 mm

1.4.2 晃荡计算

相对于CSR.OT，HCSR对于晃荡计算有了更为明确的适用范围，并增加了高密度液体装载高度的要求及评估方法。表3给出了HCSR在晃荡计算方面增加的定义。

表3 晃荡评估增加部分(HCSR)

1.4.3 进水工况计算

CSR.OT对进水工况的载荷仅有静压力要求，而HCSR不仅修正了静压力公式(pin-flood=ρgZflood)中参数Zflood的取值，而且加入了动压力要求。

CSR.OT中Zflood是载荷点到最深平衡水线的垂向距离。若未给出该水线，则取到干舷甲板的位置处；但HCSR则明确指出Zflood为载荷点到最深平衡水线或干舷甲板边垂向距离的大值。可知pin-flood(HCSR) ≥pin-flood(CSR)，HCSR要求更高。

新增进水工况动压力公式:

Pfd=fβρ[aZ(z0FD-z)+full-laX(x0-x)+full-taY(y0-y)]

(1)

由于动压力公式中的参考点坐标z0FD、x0、y0取为压载货舱顶部边界所有点中使Vj的值最大对应的点，计算公式为

Vj=aX(xj-xG)+aY(yj-yG)+(aZ+g)(zj-zG)

(2)

可知载荷点的动压力与舱室重心位置密切相关。

1.4.4 上层建筑/甲板室计算

HCSR对于上层建筑/甲板室的计算引入了载荷，并均考虑了动、静压力的因素，区别于CSR.OT的设计压头计算。可见HCSR上层建筑/甲板室的计算过程要明显复杂于CSR.OT要求。但对于上层建筑/甲板室的甲板主要支撑构件在HCSR中明确规定可采用板架分析，并给出了相应的应力衡准。

1.5 屈曲评估

HCSR的屈曲评估相对于CSR.OT的变化，主要表现在长细比要求和描述性屈曲要求。

1.5.1 长细比要求

HCSR的要求源自CSR.OT，有2处修改。

1)球扁钢腹板的长细比系数由41改为45，稍微降低了要求值。

2)角钢和T型材的翼板总宽bf衡准，即bf≥0.25hw，在CSR.OT中采用总厚度计算，而HCSR中则采用净厚度计算，稍微提高了要求值。

1.5.2 描述性屈曲要求

HCSR给出了用于确定板格、加强筋、主要支撑构件、支杆、支柱、横撑材和槽型舱壁的屈曲能力的方法，不仅载荷和应力组合方式与CSR.OT不同，屈曲校核的计算公式也发生了较大的变化。除此之外，进行描述性屈曲计算时还应注意以下两方面。

1)在按照HCSR的描述性屈曲评估时，应当注意除了需对板和加强筋分别进行屈曲校核外(CSR.OT与HCSR均需评估)，还需对整体加筋板格能力进行评估(HCSR新增要求)。

同时，HCSR规定对加强筋进行屈曲校核的前提是整体加筋板格满足屈曲要求。

2)HCSR对于槽型舱壁的屈曲要求及方法与CSR.OT不同，见表4。

表4 槽型舱壁屈曲评估方法

2 实船评估及分析

以4型灵便型油船为研究对象，采用CCS开发的CSR.OT和HCSR的软件SDP进行计算验证。针对灵便型油船在设计满足CSR.OT及HCSR时应当注意的规范计算差异，分析相关规律，总结灵便型油船在满足CSR.OT下对HCSR的适应性。仅考虑CSR.OT和HCSR的描述性及屈曲要求。4型灵便型油船分别为28 000 DWTⅠ型、28 000 DWTⅡ型、30 000 DWT、38 000 DWT，其中28 000 DWTⅡ型油船设计审核已满足HCSR要求，其他3型船满足CSR.OT要求。具体结构形式见表5。

表5 3型油船结构型式对比

2.1 材料

对于灵便型油船应注意HCSR新增的最小材料等级要求。主要针对船中0.4L范围内的强力甲板板和其纵向主要板构件(不包括加强筋)，最小材料等级应为B/AH。设计时需考虑全船使用普通钢的灵便型油船，28 000 DWTⅡ型油船即为此类型油船。

2.2 净尺寸方法

在对28 000 DWTⅠ型油船的计算中发现，在总提供骨材剖面模数相同的情况下，原CSR SDP计算得出的骨材净提供剖面模数较HCSR的计算结果偏大[10]，见表6。

表6 骨材净提供剖面模数对比(CSR.OT/HCSR)

由表6可见，HCSR与CSR.OT在计算骨材净提供剖面模数差异，同时验证另外3型油船的差异同样存在，并发现随着骨材规格的增大以及带板腐蚀增量的增大，CSR.OT与HCSR的骨材净提供剖面模数的差异也逐渐增大。因此船舶设计时，若原CSR目标船的骨材剖面模数刚好满足规范要求，则在HCSR符合验证时再予以适当加强。

2.3 船体梁强度

1)船体梁极限强度[7]。相对于CSR.OT，由于HCSR增加了完整中拱及港内工况的评估，结合实船验证所得规律见表7。

表7 船体梁极限强度决定工况

2)船体梁残存强度。在3型实船验证中，碰撞和搁浅状态下的残存强度均有较大的裕度。即满足CSR.OT要求的灵便型油船一般都满足HCSR的残存强度要求[6]。

2.4 船体局部尺度

2.4.1 最小板厚要求

由于HCSR对于油船的最小板厚要求进行了局部修正，在对4型实船进行CSR.OT与HCSR计算验证，结果见表8。

表8 板厚决定条件

注： M代表最小净厚度要求；P代表压力计算要求。

因此根据实船验证，可认为在38 000 DWT及以下灵便型油船设计时，尤其是CSR.OT升级HCSR油船时，甲板、外板及内底板的厚度可由规范最小净厚度确定。

2.4.2 晃荡计算

由于HCSR的晃荡计算方法同CSR.OT，因此对于无限制装载情况下的晃荡评估，二者的评估结论相同。但对于高密度且限制部分装载液体的晃荡评估，HCSR规定了允许的最大液面高度hpart，其晃荡计算结果对结构的要求低于CSR.OT，但其评估结果符合实际装载情况，且更为精确，可以避免造成钢材的浪费。

2.4.3 进水工况计算

进水工况中的动压力对非露天强力甲板及水密平台(机舱区域)上骨材的尺度影响最为明显。非露天强力甲板及水密平台上骨材的决定因素为进水动压力。

选取实船28 000 DWTⅠ型油船机舱区域某一剖面进行CSR.OT和HCSR验证，甲板纵骨剖面模数要求的对比见表9，所考察位置为机舱处的非露天甲板。

表9 非露天甲板纵骨剖面模数对比 cm3

根据4型实船计算发现，HCSR下机舱区域的露天甲板纵骨尺度一般由上浪压力所决定，且计算要求值小于CSR.OT的要求。但对于机舱区域的非露天甲板纵骨尺度则由进水动压力决定，结合实船验证结果，可知纵骨要求值是随着纵骨位置与舱室重心位置的距离改变而变化的，即载荷点距离舱室重心越远动压力值越大。

2.4.4 上层建筑及甲板室计算

HCSR中对上层建筑及甲板室的甲板板要求与CSR.OT一致。对于甲板上的骨材及主要支撑构件、甲板室围壁板及骨材、上层建筑的端壁板及骨材要求，则引入了侧向压力的计算。根据对4型灵便型油船的计算验证，整体来说HCSR对上层建筑和甲板室的要求要高于CSR.OT。具体以28 000 DWTⅠ型船为例，结果见表10～12。

表9 甲板骨材剖面模数要求值对比 cm3

表10 甲板室围壁板要求值对比 mm

表11甲板室围壁扶强材剖面模数要求值对比cm3

对比项甲板第一层第二层第三层第四层CSR油船246424242HCSR248424242比值(HCSR/CSR)1111

由表10～12可见，无论是HCSR还是CSR油船，甲板室/上层建筑层数越低则要求越高。甲板室围壁及上层建筑端壁扶强材的剖面模数要求二者相同。而对于甲板骨材和甲板室围壁板的要求，HCSR对低层甲板室的要求则远高于CSR.OT。因此在设计上层建筑/甲板室时，或者做空船重量估算，特别是在做CSR.OT升级为HCSR时，应考虑侧向压力的影响。

而对于甲板主要支撑构件的计算，由于HCSR特别给出了板架分析的衡准，则推荐采用板架结构进行校核，相较于规范公式更为简洁、安全。

2.5 屈曲评估

2.5.1 长细比要求

角钢及T型材翼板宽度与腹板高度比要求，由总厚度比修改为净厚度比。因此在同样高度腹板情况下，HCSR的翼板比CSR.OT要求略宽，约增加所处环境腐蚀增量的0.25倍。

2.5.2 描述性屈曲要求

尽管HCSR与CSR.OT的描述性屈曲要求计算公式差异较大[9]，但在实船验证时发现3型满足CSR规范的灵便型油船的板和加强筋也基本满足HCSR的屈曲计算要求，不过屈曲利用因子均略大于CSR.OT的计算值。同时，垂直槽型纵/横舱壁也满足HCSR规范的屈曲计算要求。而对于水平槽型纵舱壁，由于软件中暂无其计算模块，所以无法得出相应的结论。