大跨距船用卷帘门的设计要点

2023-10-17金吉发刘少东

江苏船舶 2023年4期

金吉发,俞剑,刘少东

(招商局邮轮研究院(上海)有限公司,上海 200137)

0 引言

卷帘门是一种依靠卷轴转动来实现门叶启闭的门具。在当前工程实践中,卷帘门的主要应用和研究都集中在陆用建筑上,并已形成了一些成熟的行业标准。但这些陆用规范却很难直接移植到船舶行业的露天环境中,主要有以下原因:①陆用和船用卷帘门的尺寸差异;②海洋环境导致设计输入不同;③船上安装环境更为复杂。

卷帘门启闭快速,安装和操作空间要求较小,能很好地满足滚装/客滚船上闭式滚装处所同开式滚装处所或露天甲板之间的物理分隔要求。本文将以某客滚船上的隔离卷帘门为设计实例,详述卷帘门设计布置中的主要考虑因素及设计要点。

1 规范来源

《国际海上人命安全公约》(SOLAS公约)第II-2章G部分第19条第3.10要求:“在设有滚装处所的船上应在闭式滚装处所和相邻的开式滚装处所或露天甲板之间予以分隔。该分隔应使这些处所之间危险蒸汽和液体的通路减至最小。如果滚装处所在其整个长度上视为一个封闭的货物处所并完全符合本条的有关特殊要求,则不必进行此种分隔。”

由于客滚船的总布置特点和上建减重的要求,通常很难做到所有的滚装处所都是全通的闭式滚装处所而不留任何的开式滚装处所或露天甲板。同时,因为开式滚装处所或露天甲板环境开敞,危险气体集聚风险小,船东通常利用此处来载运危险货品。如果采用免除设计,则其相邻的闭式滚装处所的布置就需要特殊考虑所有电气设备防爆,这样会增加造船成本。因此,对于此类船舶,滚装处所设置分隔是一个低成本的合理化设计。

英国海事与海岸警卫署(Maritime Coastguard Agency,MCA)曾于1998年4月28日发布了一份关于SOLAS上述条款的解释/指导文件,其中对于上述滚装处所的分隔,也提出了一条更可操作的替代方案:将开式滚装处所或者露天甲板上的危险货品储存位置限制在离闭式滚装处所入口3 m之外,这样可以不必强制要求物理分隔设施。该方案因其无需安装任何物理分隔,对船上货物装载影响较小,所以曾广泛应用于客滚船特别是英国籍的客滚船上,这个也是当前船舶行业对于大跨距卷帘门实船应用十分缺乏的原因。但是,这份指导文件已于2017年9月4日被MCA撤销。因此,对于之后生效的滚装/客滚船,如需满足SOLAS的上述条款,都需要在滚装处所分界面上加装物理分隔设施。

2 卷帘门主要形式及选取

卷帘门相对于其他的钢质铰链门、滑移门、折叠门,具有重量轻、启闭速度快、安装和操作空间对滚装处所甲板面积占用小等优点,是满足规范要求的一个很好的解决方案。卷帘门的主要类型有3种:垂直钢质卷帘门、水平钢质卷帘门和垂直帆布卷帘门。其特点对比见表1。

由表1可见,垂直钢质卷帘门在安装、操作空间上有着突出优势。但是,因为其自重相对于帆布卷帘门大,而重力主要作用于顶部主轴上,为了保证卷帘门的完整性,通常主轴只有两端支撑,因此较大的自重会导致主轴中部弯曲变形,严重时会影响主轴的平稳运转。

水平钢质卷帘门因重量主要作用在甲板底轨上,车辆甲板的强度可以有效地支撑底轨,从而避免主轴变形的问题。但其较大的侧面储存空间,以及两侧的转弯半径要求会影响甲板布置,需要在设计中考虑。

垂直帆布卷帘门自重很轻,可以同时避免主轴变形和两侧储存空间大的难点,非常适用于大跨距的场景。但由于其存储时折叠收储的帆布自然下垂,相对于紧密绕卷在主轴上的钢质卷帘门,帆布门在高度方向上的存储空间要求相对较大,通常需要在上层甲板上做凸台以保证下层的净高要求。

某客滚船共设置3扇分隔卷帘门:1号卷帘门用于分隔闭式滚装处所和开式滚装处所,跨距4.6 m,因上层甲板为住舱无法做甲板凸台故采用垂直钢质卷帘门(见图1)。2号和3号卷帘门用于分隔闭式滚装处所和露天甲板,跨距分别为6.6 m和15.6 m,都位于上层建筑末端的露天阳台下面,因阳台上可做凸台,所以选用了轻质的帆布卷帘门方案(见图2)。

图1 垂直钢质卷帘门图

图2 垂直帆布卷帘门侧视图

3 卷帘门设计要点

3.1 密性

根据SOLAS关于“该分隔应使这些处所之间危险蒸汽和液体的通路减至最小”要求,卷帘门只需要减少有害蒸汽及液体的跨处所传递,无需完全隔绝传递,也没有明确要求密性及防火等级。因此,该客滚船卷帘门不需要做到水密或者气密,并最终取得了船级社认可。

为了减少雨水对闭式滚装处所的影响,需要在卷帘门外侧的露天甲板上布置地漏,并在卷帘门的各缝隙处设置橡胶条,以起到防自然风雨的作用。某客滚船在卷帘门两侧的导轨处加装密封胶条(见图3),并在门片底梁下方装有双层橡胶条(见图4),防风雨的同时还可以有效地减噪降振。

图3 侧轨胶条

图4 底梁橡胶

3.2 防火

SOLAS没有明确提及滚装处所分隔的防火等级要求。同时,该客滚船卷帘门所处的位置为闭式滚装处所末端开口。根据SOLAS第II-2章 B部分第9条4.1.1.7中描述“对船舶外部限界面的‘A’级完整性要求不适用于外门”,故卷帘门无防火等级要求。但是为了保证卷帘门在火灾中的完整性,采用了船级社的建议,在卷帘门双面加装水雾喷头。

3.3 风压

风压等级主要参考船东预设的船舶目标航行区域的海况条件,以及稳性计算对于船舶适航海况的风压假定。本文研究的客滚船只会在相对安全的海况中出港运营,在稳性计算中风速的假定最大值为17 m/s,超过这个阈值船舶将停航。船东也同意将会在停航中保持卷帘门常开,门片收储不受力。因此,项目中设定风压为500 Pa(蒲氏风级10级),以求在满足使用要求的前提下,尽量控制建造成本。

对于海洋平台和航行区域海况恶劣的货船,由于其不可避免会遭遇恶劣的海况气候,船级社通常会要求参照上建外壁的设计风压即2.5 kPa[1]来进行隔离卷帘门设计,此时卷帘门的强度需进行额外的校核。

3.4 门片截面形式

卷帘门的主要门片截面形式有钢质单层S形(见图5)、双层S形(见图6)、帆布双层箱形。

图5 钢质单层S形

图6 钢质双层S形(内部填充)

钢质单层S形及双层S形主要用于钢质卷帘门,设计上需要根据截面的剖面模数来校核门片抗风强度。1号钢质卷帘门采用厚度t=1 mm的316L不锈钢双层S形截面门片,单个门片有效高度H=86 mm。强度设计中可将门片简化为2点支撑简支梁,根据以下公式来校核其抗风强度:

式中:Y为跨中最大扰度,mm;q为均布载荷,Pa;l为有效跨距,m;E为316L不锈钢弹性模量,GPa;I为截面惯性矩,mm4;σ为最大弯曲应力,MPa;y为门片边缘距中性轴最大厚度,mm。

经计算,Y=84 mm,σ=72 MPa,满足材质安全许用应力。

应用PATRAN软件对两侧门框建立精细化网格模型并进行强度计算。初步设计门框采用厚度3 mm的不锈钢材质,共考虑2个典型计算工况,分别对应风力载荷(均布500 Pa)作用于门片内侧和外侧。其中风载作用于外侧为恶劣工况,边界条件只有螺栓接触处受约束,受力情况及有限元计算结果见图7。从图中发现,最大应力出现在门框连接处,最大应力值150 MPa在安全许用应力范围内。

图7 钢质卷帘门门框受力分析及应力分布

帆布双层箱形主要由内、外帆布面及金属中间梁组成(见图8)。设计上需要考虑中间横梁的剖面模数是否能抵抗相应的风压,校核方法同上。为了避免帆布卷帘门在承受风压的过程中发生中间梁翻转失效,对于设计风压较大的情况通常需要增设底梁甲板锁来增强帆布卷帘门的抗风压能力。

图8 帆布双层箱形

3.5 储存形式

垂直钢质卷帘门目前有2种储存方式,分为上部卷起和上部平铺。

影响储存方案选取的主要因素有可用储存高度和上甲板的反顶布置。储存高度主要跟卷帘门开口净高、跨距相关:净高越大,门片越多,收储的空间需要越大;跨距越大,需要更粗的主轴来对抗跨中形变,收储空间也会增加。而上甲板反顶布置主要有车辆舱的照明、消防、探测等设施布置。

1号钢质卷帘门净高要求5 m,如采用上部储存方案,卷筒存满时最大直径约为600 mm,加上甲板反顶加强桁材及主轴下方导向轮安装托架,整个上部安装储存空间高度约为1 m;如采用平铺式储存方案,整个上部安装高度可控制在0.7 m。可见,对于高度限制苛刻的船舶来说更适用平铺式。但由于1号门的上层甲板为住舱,会有黑、灰水管穿插下来,同时甲板反顶还布置有滚装处所的照明、火灾探测及水雾喷头等设施,采用平铺的方式会造成局部遮挡,所以最终还是采用上卷储存。

帆布卷帘门的存储方式为上部折叠存储,帆布自然折叠后柔性下垂。因帆布下垂时是柔性的,通常需要在理论储存范围的四周预留更大的安全余量(200 mm左右),以避免对净高造成可能的影响。

3.6 抗风加强措施

对于部分抗风强度大的卷帘门还需要考虑一定的加强措施,特别是跨距较大的卷帘门,因为受风面积较大,需要承受很大的风力作用。为避免门片产生塑性变形甚至断裂,需要在跨度中间增加抗风柱来起到支撑作用。此外,由于部分卷帘门安装在滚装处所车道上,为了避免固定抗风柱对车道行车的影响,可以设计电动滑移或折叠的抗风柱来实现抗风加强。