劉向冬,顧 峰

(上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203)

0 引言

在船舶設(shè)計中,錨鏈艙的設(shè)計通常依據(jù)《船舶設(shè)計實用手冊》[1](下文簡稱《手冊》)和《海船艏錨泊設(shè)計導(dǎo)則》[2](下文簡稱《導(dǎo)則》)。在滿足給定公式計算結(jié)果的條件下,錨鏈能夠正常儲存。但隨著船舶的使用年限增長,使用頻率、使用環(huán)境及錨鏈質(zhì)量均會導(dǎo)致錨鏈出現(xiàn)不同程度的腐蝕。錨鏈的腐蝕狀況劃分為一般性腐蝕、鏈環(huán)間磨損、側(cè)邊磨損和局部點腐蝕[3],這些腐蝕導(dǎo)致錨鏈原本覆蓋于表面的漆面破損,產(chǎn)生銹蝕,表面逐漸粗糙,增大鏈環(huán)之間的摩擦系數(shù),導(dǎo)致錨鏈在艙內(nèi)的“流動性”降低。

錨鏈的“流動性”主要受到錨鏈銹蝕程度的影響,新錨鏈的表面摩擦系數(shù)通常為0.15～0.30。當(dāng)表面油漆損壞脫落并逐漸銹蝕后,鏈環(huán)之間的摩擦系數(shù)會相應(yīng)升高,錨鏈的“流動性”逐漸降低,從而導(dǎo)致錨鏈在堆放時對錨鏈艙容積的利用率下降甚至無法收存。某32 000 t多用途船錨鏈表面出現(xiàn)嚴重銹蝕并夾雜著部分泥沙雜質(zhì)等,該船在錨鏈堆至錨鏈管下口時艙外仍有約27.5 m錨鏈未能完成回收,導(dǎo)致船舶進港維修,耽誤工期,給船東造成了經(jīng)濟損失。由于該船已經(jīng)交付2 a,再進行大量重新設(shè)計修改工作存在困難,最終將錨鏈艙底部的污泥艙并入錨鏈存儲空間。雖得以容納所有錨鏈,但也造成了艙室部分功能的損失。

目前,針對錨鏈腐蝕的研究主要著眼于錨鏈在受到腐蝕后自身強度問題。周雷等[4]分析了錨鏈腐蝕的原因,并采用數(shù)值模擬進行分析,但暫無關(guān)于錨鏈因腐蝕導(dǎo)致對其收存造成不利影響的相關(guān)研究。在實船上遇到此類問題后,通常的做法是納入錨鏈艙底部的淤泥艙用來增加容積,或者開啟錨鏈艙上的人孔蓋,人工將堆砌的錨鏈打散鋪平。該方法既損失了原本功能,又增加了船員的額外工作,因此應(yīng)在設(shè)計階段就避免此類問題的產(chǎn)生,合理規(guī)劃錨鏈艙的尺寸容積等參數(shù)。本文采用運動模擬的方法將不同粗糙度的錨鏈在圓形截面和正方形截面的錨鏈艙內(nèi)進行堆積試驗,研究粗糙度對不同形狀的錨鏈艙內(nèi)錨鏈收存的影響。

1 不同腐蝕程度的錨鏈在艙內(nèi)堆放運動模擬分析

以鏈徑60 mm、長100 m的錨鏈為參照物,分別以直徑為1 800 mm的圓柱形錨鏈艙和與之等截面積的正方形(邊長1 595 mm)錨鏈艙為研究對象,以不同的摩擦系數(shù)作為模擬錨鏈銹蝕的程度(無腐蝕:0.15～0.30, 中度腐蝕:0.45～0.60,重度腐蝕:0.80)。利用運動模擬軟件模擬錨鏈在錨鏈艙內(nèi)堆裝的運動,研究錨鏈腐蝕情況在不同形狀的錨鏈艙內(nèi)的堆放情況。

模型初始狀態(tài)見圖1。運動模擬采用完全還原錨鏈收存這一動態(tài)過程的方式。錨鏈一端由錨鏈管進入,另一端系固于錨鏈艙艙壁上用以模擬系固在棄鏈器上的錨鏈部分。模型采用1∶1的比例建模,錨鏈賦值相應(yīng)的質(zhì)量,所有發(fā)生接觸的物體均視為剛體。以9 m/min的速度向錨鏈艙內(nèi)放置錨鏈直至最后一節(jié)鏈環(huán)到達鏈輪附近。按照表1所列出的參數(shù)進行模擬分析。

表1 試驗分組

圖1 運動模擬試驗初始狀態(tài)(單位:mm)

圖2為不同摩擦系數(shù)下圓形截面錨鏈艙內(nèi)錨鏈最終停止時的狀態(tài)。由圖2可知:隨著鏈環(huán)之間的摩擦系數(shù)逐漸升高,錨鏈堆放的“流動性”明顯降低。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.15～0.30時,錨鏈表面可視為未受到腐蝕或輕度腐蝕,錨鏈堆所形成的錐度不高,錨鏈能夠較好地“流”向錨鏈艙的邊緣并進行填充。錨鏈摩擦系數(shù)達到0.60～0.80時,錨鏈表面可視為中高度腐蝕,錨鏈堆的錐度明顯增大,除底部一部分錨鏈能夠“流”向錨鏈艙邊緣,其余大部分在居中位置進行堆砌,錨鏈艙外側(cè)空間利用率大大降低。

圖2 圓形截面錨鏈艙內(nèi)錨鏈堆放情況

圖3為某32 000 t多用途船在運營2 a后錨鏈在錨鏈艙內(nèi)的收存情況。其堆積方式和在較高摩擦系數(shù)下模擬試驗的結(jié)果基本一致,模擬試驗較真實地還原了錨鏈腐蝕后堆積的狀態(tài)。

不同摩擦系數(shù)下圓形截面和正方形截面錨鏈艙的錨鏈堆放高度見表2。由表2可知:在圓形截面和正方形截面的錨鏈艙中,兩者隨著錨鏈的摩擦系數(shù)增加所反饋的趨勢一致。由于形狀的不同,在不同摩擦系數(shù)下堆高存在差異。這是由于在較小的摩擦系數(shù)下,圓形截面相比正方形截面存在直角的情況更容易被“流動性”較好的錨鏈填滿。而隨著摩擦系數(shù)的增加,錨鏈逐漸無法進一步利用錨鏈艙外側(cè)的空間,則堆高逐漸趨于一致,僅有較小的差異。

表2 圓形截面和正方形截面錨鏈艙內(nèi)堆放模擬試驗結(jié)果

利用《手冊》和《導(dǎo)則》中關(guān)于錨鏈堆放高度的公式進行計算,并將計算結(jié)果與模擬試驗結(jié)果進行對比,見圖4。由對比結(jié)果可看出:《手冊》中計算公式的結(jié)果更接近摩擦系數(shù)在0.30左右時的模擬試驗結(jié)果,而《導(dǎo)則》的計算結(jié)果則更接近摩擦系數(shù)在0.15時的結(jié)果。

圖4 圓形截面和正方形截面錨鏈艙模擬結(jié)果曲線與公式計算結(jié)果對比

2 錨鏈艙直徑對錨鏈堆放高度的影響

相同長度的錨鏈在艙內(nèi)的堆高受到摩擦系數(shù)的影響。錨鏈雖具有一定的“流動性”,但其流動能力較為有限,尤其是隨著摩擦系數(shù)的增大,錨鏈艙外側(cè)的空間利用率將快速降低。為此,合理設(shè)計錨鏈艙直徑對于錨鏈可否有效收存具有非常重要的影響。本文仍以鏈徑為60 mm的錨鏈作為參照物,摩擦系數(shù)取0.30,以不同直徑的錨鏈艙作為研究對象,進行運動模擬,模擬結(jié)果見圖5。

圖5 摩擦系數(shù)0.30時錨鏈堆高與錨鏈艙直徑變化曲線

由圖5可知:對于長100 m的錨鏈,在摩擦系數(shù)為0.30的條件下,錨鏈艙直徑D與錨鏈鏈徑d的比值對錨鏈堆高有較為明顯的影響。當(dāng)D/d<25時,隨著D/d比值進一步縮小,錨鏈的堆高快速增大,這表明容納同樣長度的錨鏈,錨鏈艙需具有更大的深度才能夠容納所有的錨鏈。隨著D/d比值的逐步增大,錨鏈艙內(nèi)的堆高逐步降低,D/d值在25～35之間該趨勢較為明顯。而當(dāng)該比值逐步增大至35以上時,隨著錨鏈艙直徑的增加,堆高降低的趨勢放緩。

當(dāng)錨鏈摩擦系數(shù)為0.30時的模擬曲線與《手冊》的計算結(jié)果較為吻合,而《導(dǎo)則》的計算結(jié)果則逐漸偏離。由第1節(jié)研究內(nèi)容可知,《導(dǎo)則》的計算結(jié)果更趨近于摩擦系數(shù)為0.15時的狀態(tài),因此與本節(jié)摩擦系數(shù)0.30條件下的模擬結(jié)果存在差異。

3 結(jié)論

(1)錨鏈腐蝕的程度對錨鏈的收存空間要求存在較大的影響。隨著錨鏈腐蝕程度加劇,鏈環(huán)之間的表面摩擦系數(shù)增加,降低了錨鏈整體的“流動性”,錨鏈艙外側(cè)艙容利用率大幅度降低。在較大腐蝕程度下,錨鏈的堆高較之表面光潔的錨鏈堆高增大約50%。

(2)相同截面積的圓形截面錨鏈艙和正方形截面錨鏈艙對相同腐蝕程度的錨鏈收存能力并無太大差異。隨著錨鏈艙直徑與鏈徑的比值增大,錨鏈的堆高可得到降低,但當(dāng)兩者比值大于35時,繼續(xù)增大錨鏈艙直徑對提高錨鏈的收存能力影響有限。

(3)在進行錨鏈艙的設(shè)計時,需考慮對錨鏈未來使用年限內(nèi)的狀態(tài)預(yù)期、錨鏈在船舶生命周期內(nèi)的使用頻率、船舶使用者對錨鏈的沖洗及維護的習(xí)慣及結(jié)合錨鏈廠家產(chǎn)品質(zhì)量等因素綜合分析,在錨鏈艙的設(shè)計時留有足夠的余量。當(dāng)錨鏈艙直徑和鏈徑比值控制在25～35之間時,可結(jié)合船舶線型選擇比值偏小而深度較大的錨鏈艙形式,減小因錨鏈腐蝕而導(dǎo)致“流動性”降低后對于錨鏈艙外側(cè)區(qū)域的容積利用率降低的問題。

(4)本文研究成果已成功應(yīng)用于某型1 900箱集裝箱船異形錨鏈艙的設(shè)計中。在摩擦系數(shù)選定為0.30的情況下,實船錨鏈堆高與預(yù)報堆高值僅相差0.40 m?？紤]到實船可能存在其他因素影響,此結(jié)果可認為是有效的。在此基礎(chǔ)上,進一步將摩擦系數(shù)調(diào)整為0.60,為錨鏈艙預(yù)留好額外艙容以免今后因錨鏈腐蝕造成的艙容不足。