極地凝析油船艏柱艉柱設計

胡顯偉 楊麟

(廣船國際技術中心)

0 前言

極地冰區航行船舶破冰時無論是擠壓式破冰還是重力式破冰，都會受到較大的冰載荷，同時由于極地氣溫低、冰層較厚，結構還需要抵抗低溫對材料性能的影響，因此需要設計具備耐低溫和承受破冰載荷的艏柱艉柱。

我國冰區船舶設計、建造起步較晚，目前的艏柱艉柱形式不適用船廠的生產和成本控制。為此，在極地凝析油輪的研發設計時，我們通過收集資料，總結冰區船設計和建造的經驗，對冰區船艏柱艉柱的技術性能、規范要求進行深入研究，在船級社認可的前提條件下，采用適合船廠建造的艏柱艉柱的新的結構形式，進而解決艏柱艉柱形式的建造工藝性問題。

1 常見破冰艏柱艉柱及對比分析

目前常見的破冰艏柱艉柱主要有整體式鑄鋼型艏柱艉柱和焊接式艏柱艉柱兩種類型。

1.1 鑄鋼型艏柱艉柱

優點：整體鑄鋼件，具有良好的剛性，其破冰承載能力和結構安全性較好，船級社能夠快速退審。缺點：目前，國內的鑄鋼件制作廠家還不具備大型、超低溫（-50℃）鑄鋼件的生產能力，還未取得俄羅斯船級社低溫證書，其研發、制作和取證的周期較長，同時根據廠家報價，低溫鑄鋼件的價格十分昂貴。

1.2 焊接型艏柱艉柱

優點:原材料來源廣泛，制作周期可控，成本大大低于鑄件。

缺點：因其由鋼板焊接而成，導致破冰承載能力較鑄件有所降低。同時，為保證結構具備足夠的安全性，其選用的鋼板厚度較厚，結構復雜，焊接工作量大，存在施焊困難。

1.3 艏柱艉柱選用分析

凝析油輪入級俄羅斯船級社，需滿足附加入級符號“Arc7”、“WINTERIZATION(-50)”的要求：艉柱應為鑄鋼，艏柱可采用焊接型（推薦鑄鋼），該焊接型艏柱需按下圖1所示進行設計。

圖1 規范要求的焊接型艏柱

若凝析油船的艏柱艉柱均采用鑄鋼件，其建造將受到廠家的生產能力和取證的影響。同時，根據規范要求，破冰艏柱艉柱設計時應覆蓋輕載冰吃水線至滿載冰吃水線的區域，并上下延伸一定范圍。受鑄件運輸和吊裝能力的影響，根據凝析油船分段劃分的要求，需將艏柱艉柱分別設計成三個小鑄件，每個小鑄件在相應的分段制作時安裝，最后隨分段一起進行總組。綜上，鑄鋼件的制作周期較長，成本高，將會嚴重影響本船的生產進度和經濟效益。

如果完全按照規范要求的結構形式設計焊接型艏柱艉柱，其焊接工作量大，存在施焊困難的情況。圖2是常見的焊接型破冰艏柱，在外板內側布置有較大的縱、橫向支撐結構，以保障船體結構具備抵抗破冰載荷的能力。由于這些結構密集，間距僅400mm，施焊困難，影響了船舶建造的質量，此類焊接型破冰艏柱艉柱生產效益較鑄鋼型艏柱艉柱并沒有大的改善。

圖2 常見的焊接型破冰艏柱

2 焊接型破冰艏柱艉柱優化

采用焊接型艏柱艉柱更具有優勢，但需解決以下幾個問題：

（1）破冰承載能力降低；

（2）結構復雜，施焊困難；

（3）船級社對焊接型艏柱艉柱的認可。

2.1 優化艏柱艉柱節點，有效傳遞破冰載荷，提升破冰承載能力

船舶破冰航行時，結構會受到較大的破冰載荷，在凝析油船設計時，對焊接型艏柱艉柱節點進行如下優化，可有效傳遞破冰載荷，提升焊接型艏柱艉柱的破冰承載能力：

（1）破冰位置的外板和中縱壁板采用大厚度、高強度鋼板，同時其連接位置采用全焊透的焊接形式；

（2）內部設置縱桁和肋骨支撐外板和壁板，保證結構強度。

艏柱艉柱節點見圖3，內部支撐結構布置見圖4。

圖3 破冰艏柱艉柱優化結構節點

圖4 優化后的艏柱結構布置及安裝步驟

另外，此艏柱艉柱節點除了提升破冰承載能力外，也較船級社要求的節點形式減少了兩道外板全焊透焊縫，節省了焊接工作量，提高了生產效益。

2.2 優化結構形式，解決施焊困難

根據以往冰區船舶建造的經驗，造成施焊困難，影響現場施工的原因，主要有以下三點：

（1）因為破冰的要求，艏柱艉柱區域結構與外板之間的夾角很小，影響施工空間；

（2）內部支撐結構的間距僅400mm，結構密集，同時結構上單邊設置的加強筋使得結構之間的凈空間只有280mm左右，空間狹??；

（3）整體式的支撐結構規格較大，通常達到1m的深度，施焊難以到達，導致施焊困難。

第（1）點受空間制約，主要通過以下結構優化，解決施焊困難。

首先，將支撐結構的加強筋修改為對中安裝（T型），這樣在不改變橫向結構布置的情況下，其結構之間的凈空距離可以達到340mm左右。

其次，將縱桁與中縱壁的距離由原來的400mm調整為800mm，擴大施工空間。

最后，將原有一體式的橫向支撐結構分成橫向肋骨和其他內部加強筋兩個獨立部分，實現分步裝焊，解決施焊困難的難題，見圖4。

2.3 船級社認可

上述焊接型艏柱艉柱結構優化設計與入級規范的要求有所差異，主要通過如下兩個認證步驟，取得船級社的支持和認可。

首先，論證破冰載荷傳遞路徑并獲得船級社對新型焊接型艏柱艉柱節點認可；

其次，通過有限元計算，與船級社對結果進行分析討論，以確定該形式艏柱艉柱結構尺寸和節點滿足入級要求。

3 結束語

通過艏柱艉柱創新優化設計，降低了采購成本和建造成本，避免了鑄件采購對建造周期的影響，提高了建造效率，為建造冰區航行的船舶積累了經驗。