【文献综述】11000DWT成品油船结构强度设计

文献综述
船舶与海洋工程
11000DWT成品油船结构强度设计
摘要：油轮、散货船和集装箱自出现以来，担负着世界货物海运量的绝大部分，且船型多、数量大，因此被称为三大主力船型。

而在这三者其中油船一直是世界油运市场上的主力船型，在未来较长的时间内市场需求量相当大且会稳定增长。

由于原油运量巨大，油船载重量亦可达50多万吨，是船舶中的最大者。

世界上最大的油轮是“诺克·耐维斯”号，它长458.45米，宽68.9米，吃水24.5米，长度大于埃菲尔铁塔的高度，是目前世界上最长的船只与最长的人工制造水面漂浮物，俨然是一个移动的人工岛，一个人造的海上“巨无霸”。

然而由于海上石油运输的繁忙以及油船本身的结构问题，从而引发了船舶溢油事故，从世界1967年至2005年的重大油轮事故(溢油20000t以上)，从溢油事故的原因看，船舶碰撞、触礁和搁浅是发生溢油事故占95％以上；从事故区域看，事故大都发生在近岸水域和航道上。

现代的油轮的设计中首先应根据MARPOL的有关规定，采用船底、舷侧和纵舱壁结构（形成双层壳体），从而来保证船舶的强度，以及确保船舶外板破损时的安全性，防止在碰撞或搁浅事故中的污染。

本人将重点通过国内外成品油轮结构研究以及成品油轮结构设计的新革命来逐步阐述油轮结构强度设计的各种要求。

1.油船现状及前景的分析
根据文献[5]中了解到近年来，世界经济的迅速发展导致全球能源需求的迅速升温，从而使海上石油运输日趋繁忙。

据ISL杂志，2005年世界原油海运量18.2亿吨。

周转量89850亿t"n mile，平均运距4 937 n mile。

根据统计分析，每吨船每年运油以6.85亿吨计，需要油轮运力为26570万DWT。

据ISE，2006年10月世界营运油轮共1667艘、26625万吨，其中VLCC占53%，为486艘，14226万吨，苏伊士型占20%，为353艘、5 311万吨，阿芙拉型占23%，为606艘、6138万t，巴拿马型占3%，为137艘、917万t，灵便型不到1%，为90
艘、161万t。

世界现有油轮运力共2 912艘、32 182万t，其中承担原油运输的有1689艘、26.912万t，占全部油轮运力的83.6%，在原油轮中：VLCC 490艘,14342万t，占53%，苏伊士型355艘、5341万t，占20%，阿芙拉型613
艘、6 211万t，占23%，巴拿马型139艘、932万t，占3%，灵便型%艘、170万t，占1%。

待命油轮仅22艘、287万t，小于现有运力9%，供需基本平衡。

原油轮的船龄分布：0-4年583艘、9343万t，占35%,5-9年327艘、6026万t，占22%,10、14年313艘、5 607万t，占21%,15-19年212艘、3239万t，占12%，20-24年126艘、1165万t。

占4%，25年以上者，118艘、1374万t，占5%，整个船队的平均船龄为9年。

正在订造的原油轮共403艘,7514万t，其中VLCC148艘、4 415万t，占现有运力31%，苏伊士型82艘、1 314万t，占现有运力25%,阿芙拉型154艘，1 662万t。

占现有运力27%，巴拿马型19艘、123万t，占现有运力13%。

订造船的构成；VLCC占59%，苏伊士型占17%。

阿芙拉型22%，巴拿马型2%，没有灵便型。

全部订造原油轮占现有运力28%。

从数据，我们就能看出世界各国对石油的需求量如此之大。

2.油船结构的改革
油船的迅猛发展，也给环境带来了巨大地冲击。

姜殿民在文献[1]中介绍，自1967年至2005年的重大油轮事故中一共溢油20000t以上，这无疑给生态带来的破坏是毁灭性的。

据统计分析：单壳油轮的事故发生几率为97％，只有3％的事故发生在双壳油轮上。

针对1989年3月“EXXON VALDEZ”号单壳油轮在美国阿拉斯加沿岸搁浅造成4万多吨原油溢出污染；1999年12月12日单壳油轮“ERICA”在法国西北沿海的触礁断裂溢油1万余吨；2002年11月19日，单壳油轮“PRESTIGE”在西班牙北部海岸的触礁短裂造成6万多吨原油溢出等重大污染事故，引出并加速了国际海事组织对单壳油轮淘汰的步伐，根据2005年4
月5日生效的MARPOL公约13G、13H的要求，在文献[11]中介绍了世界各国采取了不同的应对方式，以淘汰单壳油轮。

虽然现在正在逐步得淘汰单壳油轮，但是由于油轮本身的尺寸巨大，它的结构强度破坏始终是各大船厂、各国船级社以及船舶科研人员的广泛关注的焦点。

在结构破坏之中，其中疲劳破坏是船舶结构失效的一种主要形式。

2.1.油船主要应力区域分析
在文献[6]中介绍了船舶在波浪中航行时受载情况经常变化，使船舶构件长期处于交变应力状态，变化载荷的累积效应造成疲劳损坏。

由于疲劳破坏没有明显的宏观变形，破坏十分突然，因而可能导致船舶承载货物损毁，船舶停航等诸多经济损失，而且修理的费用也十分昂贵。

油轮船体结构有很多应力集中区域，都是疲劳分析的关键节点。

实验证实，疲劳极限将随构件尺寸的增大而降低。

因为在一般情况下，构件尺寸愈大，材料包含的缺陷相应增加，产生疲劳裂纹的可能性就愈大，导致疲劳极限降低。

油轮的高应力区域，构件尺寸都比较大，而承受的交变载荷又比较高，所以若节点设计不当，易产生疲劳破坏。

油轮承受着来自海水、波浪以及自身所装液货的巨大的载荷，因此在一些船体结构的主要构件当中必然产生很高的应力。

而载荷在作周期性变化，这些高应力也是周期性变化的。

所以这些主要构件的高应力区域即为油船疲劳的关键节点。

比较典型的区域如压载水线和满载水线之间的舷侧外板纵骨承受较大的舷外海水波动压力，因此舷侧纵骨与强框和横舱壁的连接处将产生较高的交变应力，此处容易出现疲劳裂缝。

还有外底和内底纵骨，由于承受很大的波浪弯曲应力以及海水波动压力，其与双层底肋板的连接处，也是油船疲劳的关键节点。

应力集中区域经验指出：油船有缺陷的结构（在建造和设计所允许的范围内），往往都会暴露出较高的应力--应力集中，特别是在伴随腐蚀的情况下，这些区域对疲劳裂缝是十分敏感的。

这些区域主要有：内底板与底边舱斜板相交处；底边舱下船底桁材附近的肋板板格；舷侧强框架下端（在底边舱上）的板格；纵舱壁垂直桁端肘板的趾端（与内底板相交处）；主要支撑肘板的趾端（与内底板或纵舱壁相交处）；中油舱撑杆与垂直桁材相交处；甲板强横梁端肘板的趾端（与内壳板、纵舱壁相交处）；平面横舱壁水平桁材端肘板的趾端（与纵舱壁和内壳板相交处）；平面横舱壁垂直桁材端肘板的趾端（与内底板相交处）；平面横舱壁垂向扶强材与水平桁和内底板相交处。

2.2.油船的设计原则及优化措施
良好的结构节点设计对于提高结构的疲劳强度是相当重要的,在文献[7]中有所提到。

一般设计原则为：
a）根据结构节点所处的部位和受力状况，遵循结构逐渐过渡原则，以避免
结构节点区域存在较大的的应力集中。

b）高应力区域的肘板应采用圆弧形和对称形面板。

对于主要构件端部肘板趾端处，其腹板厚度应适当加厚，肘板的面板应向端部削斜并设软趾。

通常采用改进节点的设计和增加板厚来减小应力集中。

值得注意的是，即使经过改进的区域，在整个寿命期中仍有可能显示出比周围区域有较高的应力。

设计者在结构图纸上往往会注明这些高应力的危险区域，以便在建造中采用适当的建造工艺和公差，减小应力集中。

此外构件连接不对齐、不连续现象构件连接不对齐、不连续的缺陷是建造过程中常见的病症，一旦构件连接不对齐或不连续，特别是当这些构件处于高应力、高腐蚀区域，构件施焊中将会使构件焊缝处产生残余应力，容易出现疲劳破坏。

在船体建造过程中，分段中的构件容易对齐，然而分段在船台上合拢时，就不易控制，因为分段完工后的尺寸误差是客观存在的，一定的误差也是允许的。

构件连接形式较多的是采用十字型接头，接头处的构件都将会承受很高的拉压应力。

因此，在设计中特别强调构件的理论线要对齐，以减少由于构件连接不对齐、不连续而造成的疲劳破坏。

3.新型钢材的运用
为减少油船的结构强度破坏，我们不仅要对建造工艺进行改进，还要注意对新型高强度材料的运用。

在文献[2]中介绍了近30年来，人们对应用高强度钢的认识逐步提高。

从纯粹考虑减小船体重量及提高材料的屈服强度，到发现并研究材料特性及节点疲劳强度，从而使高强度钢在船体结构中的应用比例有所变化。

由于采用高强度钢，可以在保证船体强度和使用要求下，尽量减少船体构件尺寸及焊接尺寸，从而减轻船体重量，提高船舶装载量和船体性能，节省能量消耗，降低船体造价，从而带来明显的经济效益，有利于国际市场竞争。

早在20世纪70年代中期，随着船型快速向大型化发展，高强度钢开始用于VLCC的甲板和底部。

近十几年来，高强度钢在大型油船,超大型油船及其它大型船舶的结构中得到了广泛的采用。

但是，我们也要清楚地认识到高强度钢的屈服极限越高，构件尺寸越小，结构的抗疲劳问题越突出。

4.国际、国内对于油船优化的现状
由于油船设计，建造的日益成熟，自二十世纪九十年代以来国际海事组织
（IMO）和国际船级社协会（IACS）对原油船不断推出新的要求和规定，这些新要求的推出也促进了原油船船型技术的发展和更新。

正是基于这种形势，国家发展改革委在高新优船舶关键技术开发专项中，安排了《油船系列船型优化与换代技术研究》课题（课题包括六个专题：总体性能研究及技术开发、巴拿马型成品油船兼运化学品研究及技术开发、结构设计与优化研究及技术开发、货油装卸系统自动化和智能化研究及技术开发、轮机及货油设备配置和系统优化研究及技术开发和总体建造技术研究及技术开发），重点解决满足国际规范规则要求的灵便型、巴拿马最大型、阿芙拉型、苏伊士型及超大型油船等关键技术。

在通过各大船舶公司的努力之后，整个课题无论是研究深度还是研究进度都符合了《目标责任书》和《分交合同》的要求，80％以上的专题已进入成果归纳总结阶段。

同时，从对各专题的中期评估情况看，由于上述两项课题目标明确，责任落实，很多专题已经形成了阶段性成果，项目研究的进展情况良好。

5.结论
不管是采用高强度钢进行结构加强，还是在油轮结构强度设计的时候对其结构上的薄弱环节采取加固措施，对一些应力集中的部位要特别注意强度校核，这都是为了使其能满足结构安全性的要求。

同时船体结构、强度问题也需要船员和船东的共同努力。

船体的磨损、老化、承受外力等不可避免，但只要船舶管理得当，就可以避免、减少、防止和延缓船舶的不安全性因素的产生。

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