结构吃水用来计算结构强度,即用于结构设计,是结构所能承受的最大吃水,也是船在任何装载状态下的吃水都不允许超过结构吃水。
作用及意义
船舶的
吃水分为设计吃水(Designed Draft)和结构吃水(Scantling Draft),结构吃水比设计吃水大。
常见的船舶
施工图(完工图)中会给出夏季吃水,夏季吃水是交船时通过测量确定的,这时有两种情况。
1.如果夏季吃水高于结构吃水,那个就把夏季吃水下移到结构吃水,所以相等。
2.如果夏季吃水低于结构吃水,那么就保持不变。
从设计角度讲,之所以设定设计吃水和结构吃水,是因为船舶设计时需进行两方面计算:稳性计算和结构计算。
稳性计算时在设计吃水下考核
航速、核算稳性。但船舶在舱内装载重物时,重心低,即使装载超过设计吃水,稳性上也是安全的,于是有了新说法——
重载。问题是,重载时稳性没问题,但按设计吃水核算的结构可能是不安全的。于是在船舶最初设计时就定义结构吃水,按结构吃水进行结构校核,从而保证了重载时的结构安全。
另外,设定结构吃水还为以后
船舶改装留下余地,毕竟设备可随时更换,结构则要伴随一生。所以
散货船、
干货船和
工程船等都设有设计吃水和结构吃水。
在追求绿色、节能、环保的背景下,原先作为设计
裕量用来保证载重量的结构吃水,重新进入船东视野。在近两年的合同谈判中,船东通常要求论证增加结构吃水的可行性。
总体设计
干舷计算
无论是设计吃水还是结构吃水,均不能超过夏季吃水,所以首先要根据载重线公约(ICLL)计算最小夏季干舷。
最大夏季吃水根据最小干舷直接推算,不留裕量。这就要求船厂在建造中要密切关注建造型深,尤其是
载重线标志位置,以免小于理论型深,造成核准的夏季吃水小于要求的结构吃水,不能满足合同约定。
破舱稳性
根据干舷求得的夏季吃水只是初步值,还需进一步进行破舱稳性计算,以确定最小
干舷高度。
1. 折减干舷船舶确定性破舱稳性计算
对船长大于100m的折减干舷船舶,要满足ICLL公约第27条法规关于确定性破舱要求,其中B-60干舷船要求单舱破损不沉,B-100干舷船要校核两邻舱破损,还可能要校核机舱单独破损。
因结构吃水增加,储备浮力降低,故折减干舷船舶确定性破舱稳性一般比较危险,可能所需最小干舷较大。此时有两项解决方案:
(1)增加分舱,主要是
货舱区艏部
压载舱,但代价较高,尤其是已处于建造阶段;
(2)增加开孔(
通风口、透气管等)高度,代价较低,但一般交船时才能收到完工退审,工期紧、返工量大,所以船厂对临界开孔要提前考虑。
对于非折减干舷船舶,只需满足海上人命安全公约(SOLAS)第2章第1条,PartB-1概率破舱稳性,要求相对较低,只要初始设计达到的分舱指数A有一定裕度,一般都能满足要求。
完整稳性
经干舷和破舱稳性核算后的吃水,完整稳性一般没问题,此处校核目的是为结构设计作准备。
1. 满载工况浮态
增加结构吃水后,额外的载重量用于
载货,即
货舱区重量会增加,船艏势必下沉。主流设计的船舶,均是紧凑型机舱布置,满载出港、中途一般都是艉倾,船艏下沉对减小纵倾、浮态调平有好处,所以这些工况没问题。但因为这些船舶消耗性液舱大部分均位于机舱,满载到港可能会出现不理想艏倾工况,这要重点关注。
总纵强度设计包络线在包络所有装载工况前提下,船级社一般要求
弯矩留5%
裕量,剪力留10%裕量,以覆盖完工状态与设计状态的误差。增加结构吃水最恰当的时机,是在船级社完成所有审图,对船舶各部分裕量了如指掌时进行,此时船舶已经开工,对各项设计指标已有确切把握,所以船级社一般会同意个别工况吃掉上述裕量。满足CSR-BC的散货船,需要满足SOLAS公约第12章关于
散货船的附加措施,单个
货舱破损工况往往是总纵强度的临界状态。
3. 货物载重量曲线
增加结构吃水后,为兼顾浮态和总纵强度,各
舱装载量需调整,会引起货物载重量曲线变化,从而影响局部强度,如需增加或加大双层底和边舱结构扶强材。另一方面,吃水增加引起静水压力增大,外底板以及双层底肋板和纵桁上挺筋会受影响。
增加结构吃水后,完整稳性有所改善,需关注的只是满载到港
工况浮态,而最重要的是通过调整货物配载,将实际总纵弯矩和剪力控制在设计包络线内,并尽量保持货物载重量曲线不变,从而将增加结构吃水对结构的影响降至最小。
增加的影响
1. 对结构的影响
增加结构吃水,对结构的影响有:
(1)吃水增加后,
艏部冲击加强垂向范围相应提高,可能会影响此处外板厚度;
(2)吃水增加后,可能使
水线附近一列外板变成干湿交替区,腐蚀余量增加0.5 mm,尤其是满足CSR 的船舶要特别注意。
2. 对航行安全的影响
为保证航行安全,规范对
航行灯布置有明确要求,尤其前后
桅灯要在1 000 m 外分辨出来,增加结构吃水和减小纵倾均对航行灯布置有利。另外,基于同样原因,也使驾驶视线得以改善。
3. 对艉轴密封的影响
增加结构吃水,使艉轴密封和舵杆密封所受的水压力会变大,但一般影响甚微,可忽略不计。
选取标准
有增加吃水需求,为何设计时不直接加大结构吃水,这是困惑很久的问题,有如下标准解释:
(1)受港口水深限制,结构吃水不宜过大,并非船东都有增加吃水的需求;
(2)设计时直接增加结构吃水,一般仍会留足设计裕量;
(3)船东比较航速时,较大吃水对竞标不利。
论证增加结构吃水时,首先要校核干舷和破舱稳性,确定稳性上可行;然后校核完整稳性,为结构设计提供依据;最后进行结构规范校核和
有限元分析。另外,还要考虑其他因素,如冰带加强、艏部抨击、航行灯布置以及艉轴/ 舵杆密封。
在
干舷满足的前提下,结构吃水增加200 mm,基本不影响稳性和强度,空船质量变化很小,但载重量收益很大,EEDI 指数也会提高。