15萬噸級穿梭油船結構減重設計與EEDI影響評估

許東方, 蘇 宇, 葉步永

(舟山中遠海運重工有限公司，浙江 舟山 316131)

0 引 言

全球貿易的90%通過海運完成，航運業碳排放程度較高的問題受到高度關注。為控制航運業的碳排放，國際海事組織(IMO)不斷制定和出臺各項法規，加大船舶碳排放強度的監管力度，特別是載重量400 t以上的商船被要求強制執行能效設計指數(EEDI)法規。為降低船舶的EEDI，目前采用的方法主要為使用新燃料代替傳統燃料、優化船體線型減小阻力、降功率航行和減輕空船重量等[1-2]。其中，滿足船舶強度安全的減輕空船重量的結構設計不僅可增加船舶的裝載能力，降低運行階段的油耗與能效指標，而且可控制鋼材用量和船舶運營成本[3-4]。船體結構減重方案和減重方案有效性評估方法一直是船舶建造業和航運業亟待解決的熱點問題。

以15萬噸級穿梭油船為例，對其結構減重方案設計和減重方案可靠性評估方法展開研究。設計船要求配備KVOC(挪威Knutsen航運公司揮發性有機物控制裝置)，將母型船高速壓力通風(Pressure Vent，PV)閥的壓力由50 kPa降至14 kPa，結構強度按共同規范最小25 kPa要求進行設計[5]。通過提高材料等級利用高強度鋼代替普通鋼減輕船體結構重量。采用有限元分析法對高應力隅角和開孔等應力集中區域進行結構強度分析，用于評估減重后的結構安全性[6]。通過與母型船數據進行對比，分析船體重量減輕對EEDI的影響并評估減重方案的有效性。

1 15萬噸級穿梭油船

15萬噸級穿梭油船是綠色節能環保的蘇伊士型油船，是當今世界上最大噸位的穿梭油船，滿足最新共同規范，配置首裝載、首尾方位推進器、KVOC等先進裝置。船型主要參數如表1所示。全船設置6個貨艙，且每個貨艙設置1道中縱艙壁，兩邊設置L字形壓載艙。3D模型布置如圖1所示。

圖1 3D模型布置

表1 船型主要參數

2 貨艙艙段結構強度評估方法

2.1 貨艙艙段數值模型

以3號貨艙為例，GeniE軟件對貨艙有限元結構進行分析。模型的船長方向范圍從2號艙尾部水密艙壁到4號艙首部水密艙壁，船寬方向從左舷到右舷，吃水方向從基線到主甲板，如圖2所示。有限元模型的粗網格按照縱骨間距和肋骨間距選取，模型大小為800 mm×800 mm。在船體結構的開孔和高應力區采用細化網格進行建模分析，細化網格大小為50 mm×50 mm，如圖3所示。細化有限元的邊界條件和載荷工況通過子模型加載[7-8]。

圖2 3號艙段總體有限元模型

圖3 細化有限元模型

2.2 邊界條件與載荷工況

模型邊界條件包括端部剛性連接、點約束和端部約束梁。剛性連接將模型端部縱向構件節點通過多點約束(Multi-Point Constraint，MPC)連接至中縱剖面中和軸處的獨立點[9]。中間貨艙的模型端部邊界約束如表2所示。設計船考慮10種標準裝載模式，如圖4所示，其中，B7為重壓載模式，設計船不適用。

圖4 標準裝載模式

3 船體結構減重設計與可靠性分析

3.1 設計船與母型船對比

設計船載荷的高速PV閥壓力減小導致貨艙壓力減小，在材料屬性不變的情況下，相對于母型船而言設計船的貨艙板厚存在減小余地。高強度鋼(AH32和AH36)的許用應力比普通鋼(A)高出較多，在滿足規范最小板厚要求的前提下，將母型船貨艙區域的一些構件材質修改為高強度鋼，減輕船體結構重量。整個貨艙段貨艙區重量減少1 464 t，各區域板厚與母型船對比如表3所示。在船體結構重量的計算過程中，鋼材密度為7.85 g/cm3，并通過板厚和構件大小差異計算重量差異。

表3 板厚調整對比

3.2 設計船減重后的結構可靠性分析

采用高應力區隅角和開孔的細化模型對調整板厚和構件尺寸參數后的結構安全性進行校核。通過Nauticus Hull軟件艙段模型進行數值分析，采用GeniE軟件將所有工況結果進行合并。最大屈服和屈曲結果如圖5～圖7所示。設計工況許用衡準如表4所示。

圖5 最大屈服應力云圖

圖6 最大屈曲因子分布

圖7 網格細化區域應力云圖

表4 許用衡準

圖5的方框標記處許用應力均高于許用應力值，主要位置在橫向支撐肋板、平臺的趾端與肋板開孔處、底邊艙的內殼與內底和旁縱桁連接的肋板。主甲板、外板、內底板、內殼板和中縱艙壁的應力值最大為282 MPa。在外底板上，普通鋼(A)不能滿足結構安全的要求，需要增加板厚或使用高強鋼代替。由于增加板厚會增加貨艙重量，因此使用高強鋼(AH36)代替普通鋼(A)。高強度鋼許用應力值為326 MPa，最大應力值(282 MPa)占許用應力值的86.5%，安全裕量為13.5%。

由圖6可知：主甲板、外板和內殼板的屈曲因子滿足要求。水平主要支撐構件和艙壁焊接處的板格屈曲略高于1.00，原因在于該處為垂直扶強材焊接，板格可取小但模型不能體現。根據應力輸出結果分析，對高應力區均建立細化有限元模型。選取最大應力值的趾端、開孔和底邊艙肋板的輸出應力云圖。趾端區域和人孔自由邊的應力應高于周邊單元，計算結果和實際吻合。細化模型最大應力值為532 MPa，小于許用應力554 MPa，最大應力值占許用應力值的96.0%，細化模型結果滿足規范要求。

4 船體重量減輕對EEDI的提升貢獻度分析

在相同條件下，船體結構重量減輕可降低阻力、船舶主機功率與油耗，提升航速，或可增加載重和貨物重量。設計船在實際生產中最終將減輕船體重量的部分增加載重貨物。在分析船體結構重量減輕對EEDI的影響時按式(1)計算，計算結果如圖8所示。

圖8 基于EEDI的15萬噸級穿梭油船綠色性能評價

(1)

式中：IEEDI為實際達到的EEDI；fj為船舶特定設計要素；nME為發動機數量；PME(i)為主機功率，kW；CFME(i)為主機燃油消耗量與CO2排放量之間的轉換因數；SFCME(i)為主機單位燃油消耗量；PAE為副機功率，kW；CFAE為副機燃油消耗量與CO2排放量之間的轉換因數；SFCAE為副機單位燃油消耗量；fi為用于對載運能力技術/規定限制的載運能力因數；fc為艙容量修正因數；fl為具有起重機和起貨設備的船舶的因數；Ca為載重量，t；fw為海上失速因數；Vref為航速，kn。

母型船與設計船均滿足EEDI第1階段的要求，母型船的EEDI為3.06 g/(t·n mile)。與母型船相比，設計船的結構計算重量減少1 464 t；在相同排水量的前提下，載重量提高至15 4208 t；EEDI減至3.03 g/(t·n mile)，降低約1.0%，綠色性能顯著提升，并在采用降低主機能耗和添加節能裝置等技術后滿足EEDI第2階段的要求。

5 結 論

(1)通過開發應力集中區域的細化網格子模型與艙段粗網格模型相結合的數值分析方法，對穿梭油船的艙段結構強度進行評估，實施結構減重方案的設計船結構強度滿足規范要求。

(2)重量差異的主要原因是母型船在設計開發時選擇較大的PV閥壓力，在結構強度評估時僅考慮增加板厚，未采用提高鋼材等級減小構件尺寸的設計方案，未采用細化網格對高應力區進行建模分析。設計船在研發階段深入分析船體重量對能耗的影響，通過合理調整PV閥壓力值，對貨艙區結構進行優化與結構強度評估，實現船體結構的整體減重。

(3)與母型船相比，15萬噸級穿梭油船設計船的空船重量減少146 4 t?？沾亓康臏p輕可有效降低主機功率與油耗，增加貨物載重量，設計船的EEDI降低約1.0%。