改善結構疲勞性能在散貨船建造中的實踐

劉馨潞

摘要 船舶在海上航行時,船體結構一直受到波浪力以及船舶運動產生慣性力的作用。而波浪力和慣性力都是不斷變化的動載荷,他們在船體結構內部引起交變應力,很易造成結構的疲勞損傷乃至失效破壞。本文結合某超巴拿馬型散貨船的建造實踐,就焊接、節點設計和材料選用3個方面對改善結構的疲勞性能進行了闡述。

關鍵詞 疲勞性能;散貨船建造;焊接;節點;材料

中圖分類號 U661.43文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2009)10-0093-02

0 引言

鋼質船舶誕生至今,疲勞失效一直被認為是船舶結構的一種主要破壞形式,隨著高強度鋼在船體結構中被廣泛采用以及船舶的日趨大型化和類型多樣化,船體結構的疲勞性能更顯得重要。因船體在承受交變循環應力或應變時局部結構變化和內部缺陷發展,乃至疲勞裂紋的生成、擴展,最后導致船舶破壞的事例屢有報道,如日本為美國建造的SEDCO型半潛式平臺在交貨途中破損沉沒,造成13人死亡;Alexan-derkeyland號半潛式平臺在北海翻沉,使100余人葬身海底。調查分析的結果表明,結構的疲勞失效是造成事故的重要原因之一。本文結合某超巴拿馬型單殼散貨船的建造,通過從焊接、節點設計、材料的合理選用3個方面來探討如何有效改善和提高結構的疲勞性能。

1 概述

1)焊接目前在工程生產上是最主要的連接方法,焊接結構的重量已占到鋼鐵總產量的50%以上甚至更多,然而由于施焊過程中的焊接缺陷、殘余應力等因素,導致焊接結構承受交變載荷的能力遠遠低于母材金屬,焊接結構經常不斷發生斷裂事故,調查分析表明,其中90%為疲勞失效。船舶作為在海上營運的特殊的鋼質交通工具,其安全性顯得尤為重要,如何通過改善焊接工藝、減少焊接缺陷和合理的后期焊縫處理方法來改善船舶的焊接點疲勞性能是值得關注的。

2)大量研究和實踐表明,在船體結構承受主要應力和交變載荷的區域設置合理的結構連接節點形式,通過改善焊接趾端的幾何形狀,降低應力集中系數,能有效提高該區域的疲勞性能,改善船體的穩定性,提高船舶的使用壽命和營運性價比。

3)在我們船舶建造實踐過程中,根據擬定的船舶受載荷情況,參照相關數據資料和公式,并建立數學模型進行了有限元分析,結合長期的統計結果,該散貨船的主要交變載荷受力區域以及易疲勞失效點得以顯示,主要表現在:(1)內底板與底墩側板的連接;(2)波形艙壁與底墩面板的連接;(3)舷側肋骨與邊艙的連接,(4)肋板扶強材與縱骨的連接等

2 焊接與疲勞

2.1焊接接頭易疲勞失效的主要原因

1)試驗表明,焊接接頭承受靜載荷的能力一般不低于母材,但是,在承受交變動載荷的時候,其能力卻遠遠低于母材,這是引起船體結構的焊接接頭疲勞失效的一個主要因素;

2)當前,船舶建造任務繁重、工期緊,人員呈現不足的態勢,船舶在建造過程中,現場施焊人員以及生產管理人員均盲目追求速度而忽略了焊接的質量,降低了疲勞性能;

3)不當的焊接工藝設計以及焊縫處理方法均降低了焊接接頭的疲勞強度,加速了疲勞失效。

2.2 船舶建造過程中的焊接實踐:

1)強化、細化船體焊接規格表,對全焊透、深熔焊要求的焊縫接頭進行重點跟蹤檢查;

2)提高焊工的工作技能,從客觀條件上保證焊接質量;

3)保證焊接質量,杜絕或減少如上述所說的焊接缺陷,加強巡查;

4)完善焊接工藝設計,主要通過焊接構件的尺寸和位置來制定詳細的焊縫形狀、坡口形式以及施焊前,焊接過程中的熱處理和物理敲擊程序等;

5)加強焊縫后處理意識,消除或減少焊接殘余應力對疲勞強度的影響,在船舶建造實踐過程中,主要采用以下幾種工藝和方法:

(1)熱處理,如表1所述區域采用熱處理工藝是可行的;

(2)砂輪打磨,通過碳-鎢砂輪對焊縫表面缺陷以及形狀缺陷進行修整;

(3)錘擊或噴丸,通過沖擊加工,對焊縫產生壓縮應力,提高接頭的疲勞強度;

(4)超聲波沖擊處理,對焊縫內部進行沖擊調整,改善疲勞性能的效果非常顯著。

3節點設計與疲勞

通過研究計算和有限元分析的基礎,確定全船(貨艙區)的主要應力區和該區域構件的熱點,對其進行精心的節點設計,有效減少或消除疲勞裂紋的產生,提高船體的疲勞性能。我們在該船舶的建造實踐過程中,主要對以下幾處典型的節點進行設計和改善[3]。

1)內底板與底墩側板的連接、內底板與低邊艙斜板的連接以及底墩與波形艙壁的連接等,均在保證三者中心線對齊的基礎上,焊縫接頭全焊透,并打磨圓滑過渡,通過控制該熱點處的焊縫表面形狀,降低應力集中系數來改善疲勞性能;

2)雙層底、邊艙區域,艙壁(肋板)上的扶強材與縱骨之間的連接,可通過控制過焊孔尺寸和增設軟趾來改善其疲勞性能;

3)舷側肋骨與上下邊艙的連接,按照圖1進行的軟趾設計能有效增加其熱點應力,改善疲勞性能;

4 材料的合理選用

隨著船舶的大型化發展,人們總是希望材料具有較高的比強度,減輕船體自重的同時,提高其貨物承載能力,所以高強鋼應運而生,它也具有較高的疲勞強度,因為基本金屬的疲勞強度總是隨著靜載強度的增加而提高。

我們在船體結構中,對關鍵部位的構件均要考慮使用高強度鋼來提高其交變應力的承載能力,其中最為典型的是該散貨船上甲板在各個艙口角隅處的角隅板,甚至需選用DH36的高強鋼,同時,不允許對角隅板自由邊進行熱加工處理,只能進行機械加工。另外一個典型的材料選用在于底墩下方的內底板,根據受力分析和計算, 首尾方向的底墩下方需采用Z向鋼來抗層狀撕裂[4]。

5 結論

船舶在海上航行時,船體結構一直受到波浪力及船舶運動產生慣性力的作用。而波浪力和慣性力都是不斷變化的動載荷,他們在船體結構內部引起交變應力,很易造成結構的疲勞損傷。所以,我們在船舶建造初期就應該充分考慮后續的節點設計和焊接工藝,以及建造過程中的焊接質量,努力改善和提高船體的疲勞性能,保證船體結構中受交變載荷作用的構件有足夠的疲勞壽命,保證船舶運營安全。

參考文獻

[1]中華機械網.提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術,2008,10.

[2]章漪云,何曉航.高強度鋼在船體結構中的應用探討[J],2004,2.

[3]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M],1992,11.

[4]中國船級社.船體結構疲勞強度指南[M],2007,9.