首航后舷側(cè)壓載艙為何出現(xiàn)油漆裂紋

中國船級社大連分社 孫 洋

某系列船的首制船在投入營運后首個航次前往南非裝載鐵礦石，隨后返回國內(nèi)某港口卸貨，驗船師在對其進行首制船首航后回訪過程中通過向船員了解及下艙檢查，確認(rèn)其內(nèi)殼縱艙壁L49縱骨穿越孔補板的搭接角焊縫熔合區(qū)附近的油漆出現(xiàn)了裂紋（如圖一所示）。現(xiàn)場將油漆清除后發(fā)現(xiàn)該處的焊縫和板材并沒有出現(xiàn)裂紋。通過排查發(fā)現(xiàn)，該船幾乎從艏到艉每個壓載艙內(nèi)的各強框架的該位置都出現(xiàn)了同樣問題。鑒于船員是在船舶裝貨后發(fā)現(xiàn)的缺陷，所以當(dāng)時無法確定該缺陷出現(xiàn)的具體階段，那么出現(xiàn)缺陷的背后隱藏著哪些風(fēng)險呢？

問題的初步認(rèn)識

不難看出，該處結(jié)構(gòu)表面油漆的裂紋只是個表象，深層原因必然是由結(jié)構(gòu)的變形引起的，至于該處結(jié)構(gòu)的變形量是否在規(guī)范所要求的范圍內(nèi)，必須要通過計算得到。審圖中心和設(shè)計單位都對該處結(jié)構(gòu)進行了規(guī)范要求的校核，結(jié)果顯示在各種載況下該處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平最高僅為60%～70%，并非高應(yīng)力區(qū)域且滿足規(guī)范的要求。由于是油漆的缺陷，初步分析可能是油漆漆膜的延展性不足造成的，貨物與船體結(jié)構(gòu)本身形成的溫差也是影響油漆屬性的因素。雖然當(dāng)時尚未得出明確的結(jié)論，但是對于該處缺陷即使僅僅是油漆的裂紋，因為破壞了壓載艙涂層，會導(dǎo)致此處結(jié)構(gòu)腐蝕的速度加快，最終發(fā)展成結(jié)構(gòu)缺陷。所以一方面，我們提醒船公司要求船員對該處缺陷保持持續(xù)的關(guān)注，如有異常立即通知船級社，并對船舶后續(xù)航次的裝載情況進行關(guān)注；另一方面，建議對涂層進行修復(fù)的同時，也可以考慮對該處結(jié)構(gòu)進行補強以抵消油漆漆膜延展性的不足，船公司方面因為航期的安排并沒有采納此條建議。

隨著該系列船的后續(xù)船陸續(xù)交付使用，通過向船公司了解得知，后續(xù)的幾艘船也都出現(xiàn)了同樣的問題。這充分說明該缺陷的出現(xiàn)并不是個例，而是共性問題，鑒于此，我們又對該問題進行了進一步的分析。從當(dāng)時首制船回訪時檢查的船舯部分的4個壓載艙的情況來看，是大部分框架都出現(xiàn)了裂紋（共32道框架有30道出現(xiàn)了裂紋），但是的確存在沒有出現(xiàn)裂紋的框架。這種情況的出現(xiàn)很有可能跟不同位置漆膜的厚度不同有一定關(guān)系，從現(xiàn)場情況來看，出現(xiàn)裂紋的位置漆膜普遍感覺比較厚。另外，為什么偏偏是焊縫熔合區(qū)而不是旁邊別的位置出現(xiàn)裂紋，應(yīng)該不僅僅是結(jié)構(gòu)應(yīng)力的問題，必須要考慮漆膜的屬性。仔細(xì)分析一下這個位置的油漆施工細(xì)節(jié)，不難發(fā) 現(xiàn)類似位置的油漆漆膜的確 容易出現(xiàn)比較厚的情況，搭接補板的角焊縫而且靠近開孔自由邊處，施工人員在噴涂的時候傾向于多補一兩下，當(dāng)然這也是個人的操作習(xí)慣，也存在少數(shù)施工人員不進行修補的情況，這就容易形成漆膜薄厚不一的狀況；同時角焊縫熔合區(qū)往往因過度打磨出現(xiàn)板材表面凹陷，這也會導(dǎo)致漆膜增厚。有資料顯示，油漆開裂的原因主要有三個：一是油漆本身質(zhì)量問題；二是漆膜過厚導(dǎo)致的表面張力增大；三是溫差大（如果漆膜厚度過大，會放大這種效果）。綜合考慮各因素后，我們定性的認(rèn)為油漆漆膜過厚是產(chǎn)生裂紋的主要原因，船體應(yīng)力和溫度差都有可能成為輔助因素。

缺陷分析與驗證

當(dāng)然，以上只是一些推測，現(xiàn)實的情況是船體結(jié)構(gòu)并沒有出現(xiàn)缺陷，問題還是要歸結(jié)到油漆漆膜的延展性上來。缺陷產(chǎn)生的原因可能是：不足以造成結(jié)構(gòu)缺陷的應(yīng)力導(dǎo)致了油漆的裂紋，而之所以有個別肋位的框架沒有出現(xiàn)裂紋，很有可能是這些位置受到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小而且漆膜厚度相對薄一些，即延展性更好一些，在這種相對較小的應(yīng)力水平下不致于開裂。最終問題就歸結(jié)到多大的應(yīng)力能使多厚的漆膜出現(xiàn)裂紋。經(jīng)咨詢得知，關(guān)于油漆的一些性能參數(shù)是生產(chǎn)廠商通過做實驗得到的，包括油漆漆膜厚度的合理范圍、厚度對延展性的影響、油漆的附著力、溫度對油漆的影響等，而油漆在受到結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生的變形量尚不能通過計算得到。油漆服務(wù)商在現(xiàn)場檢驗時主要關(guān)注的是漆膜厚度、均勻度、油漆作業(yè)時的物理條件等參數(shù)，基本不會去考慮船體應(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形對油漆產(chǎn)生的破壞。而另一方面審圖中心在結(jié)構(gòu)計算時也不會去考慮油漆的因素，即使考慮了也沒有計算方法。所以，這個問題暫時只能定性，還無法進行定量分析。應(yīng)力、應(yīng)變和漆膜厚度之間必然有一定的關(guān)系但是不能體現(xiàn)在公式上。綜合以上的分析，問題基本可定性為油漆漆膜過厚致使延展性變差造成的，即使不能破壞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也足以讓漆膜厚度達(dá)到一定值的涂層開裂，反過來也是成立的，即如果漆膜厚度比較合理，即使結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力水平較高，油漆也不會出現(xiàn)缺陷。

為了驗證是否因為油漆漆膜厚度過厚使漆膜延展性不足而導(dǎo)致的缺陷、以及是否在裝貨前的壓載航行時就已經(jīng)出現(xiàn)了缺陷，我們對當(dāng)時在建的后續(xù)船所有壓載艙和空艙的該處位置的漆膜厚度進行了測量，結(jié)果顯示各框架該位置的漆膜厚度從320μm到1500μm不等。結(jié)合該船在試航過程中的配載情況，對該處結(jié)構(gòu)的涂層進行了排查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該船壓載艙里的每一道框架都出現(xiàn)了同樣的油漆裂紋（試航期間每個海水壓載艙都曾注滿海水），并且將油漆敲掉后進行了磁粉探傷其結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)并無缺陷。但是該船在貨艙區(qū)首尾設(shè)置的兩對空艙內(nèi)的相同位置的框架并沒有出現(xiàn)油漆裂紋。根據(jù)該次試航驗證的情況，可以得出幾個階段性的結(jié)論：

首先油漆裂紋在裝載貨物前就已經(jīng)出現(xiàn)了，即壓載艙內(nèi)的油漆裂紋與裝貨與否沒有關(guān)系；其次漆膜厚度從320μm到1500μm的位置都出現(xiàn)了油漆裂紋，因此基本上排除了漆膜厚度過厚導(dǎo)致的延展性不足是產(chǎn)生油漆開裂的直接原因。最后，雖然本次試航空艙內(nèi)未出現(xiàn)油漆裂紋，但是考慮到首制船在裝貨后空艙內(nèi)也出現(xiàn)了相同的油漆裂紋，因此可判斷出現(xiàn)油漆裂紋的原因還是因為應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形造成的。但是該位置的結(jié)構(gòu)計算顯示應(yīng)力水平并不是很高，由此可見問題還是要歸結(jié)到油漆漆膜延展性和結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的關(guān)系上。

從上面的分析可以看出，把油漆漆膜厚度作為主要因素已經(jīng)被驗證是不合理的，從缺陷的表現(xiàn)形式看，該問題應(yīng)該歸結(jié)為不足以造成結(jié)構(gòu)損壞的應(yīng)力導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)表面涂層的損壞，換言之，是油漆漆膜的延展性不滿足結(jié)構(gòu)變形引起的。

結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變需要通過計算得到，為了確保此處結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性,審圖中心又對該處結(jié)構(gòu)的模型進行了細(xì)化，充分考慮了搭接補板這個節(jié)點形式的模擬，并進行了超出規(guī)范要求的細(xì)網(wǎng)格劃分。這個超出規(guī)范要求的有限元計算結(jié)果顯示：L49縱骨穿越孔與補板搭接處角隅最大應(yīng)力為351N/mm2，應(yīng)力水平為81%，L49縱骨面板與強框架腹板水平筋相交處根部最大應(yīng)力為426N/mm2，應(yīng)力水平為91%。其結(jié)果均滿足許用應(yīng)力衡準(zhǔn)的要求，但是應(yīng)力水平對比之前規(guī)范要求的計算結(jié)果增加了20%～30%，該位置屬于超出規(guī)范要求的高應(yīng)力區(qū)域。我們看到，在規(guī)范要求的計算范圍內(nèi)，這個位置的應(yīng)力處于較低的水平，按要求不需要進一步細(xì)化計算，但通過實船結(jié)果的反饋，審圖中心對這一位置進行了規(guī)范要求之外的細(xì)化計算，結(jié)果表明應(yīng)力處于較高水平，在上述高應(yīng)力水平下，該節(jié)點產(chǎn)生了較大的變形量，也是油漆出現(xiàn)裂紋的原因。

最終分析結(jié)果

值得注意的是，該系列船在進行規(guī)范校核時確定的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)區(qū)域有多處，而且應(yīng)力水平更高，為什么這些位置的油漆沒有出現(xiàn)問題而偏偏是本文之前所述的位置？這充分說明了僅從結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的角度來考慮也是不夠全面的，還應(yīng)該考慮到該位置油漆施工是否存在不用于其它位置的特殊因素從而影響到了該處油漆的延展性。結(jié)合該船涂裝施工的情況并在征求過一些油漆專家的意見之后，得出了一些合理的結(jié)論。首先明確了一個在之前的分析中并沒有提及的觀點，即鋼板和油漆的變形量幾乎是在同一個數(shù)量級上的，結(jié)構(gòu)的變形對油漆的延展性是有一定需求的，這和油漆的屬性、漆膜厚度、底漆以及鋼板表面狀態(tài)等都有關(guān)系，在兩者不相匹配的情況下，較大的結(jié)構(gòu)變形可能造成漆膜開裂。出現(xiàn)裂紋的位置是搭接補板的角焊縫熔合區(qū)靠近縱骨穿越孔的角隅處，此位置在油漆施工時的確屬于比較特殊的位置。施工人員在對類似位置的角焊縫進行焊后打磨處理時容易在焊縫的根部形成輕微的板面凹陷，這將會導(dǎo)致該位置在油漆施工時產(chǎn)生較厚的漆膜厚度從而降低了漆膜延展性，與此同時，這種打磨處理同時會完全清除掉該位置的底漆，再加上涂裝作業(yè)前的板面拋光都會使該位置的結(jié)構(gòu)表面過于光滑，從而影響到漆膜的附著力致使漆膜的延展性能下降，最終無法滿足鋼板的變形而出現(xiàn)裂紋。

綜上所述，該位置出現(xiàn)裂紋的原因為：油漆漆膜的延展性不足以承受該處結(jié)構(gòu)在受力后產(chǎn)生的變形量。這個問題的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)本身在計算和校核時都滿足了規(guī)范和衡準(zhǔn)的要求，但是恰恰在這樣的前提下，油漆的屬性因為一些因素不能滿足要求，最終在結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)缺陷的情況下，油漆率先出現(xiàn)了開裂的情況，直接導(dǎo)致壓載艙內(nèi)的涂層被破壞，隨著PSPC標(biāo)準(zhǔn)的實施，這種海水壓載艙內(nèi)涂層被破壞的情況是不允許的。這種涂層的破壞將會進一步加快對應(yīng)結(jié)構(gòu)的腐蝕速度，最終出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的缺陷。

目前解決這個問題有兩種方法，其一就是從結(jié)構(gòu)方面考慮對結(jié)構(gòu)進行加強進一步減弱該處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，直至油漆漆膜的屬性可以滿足結(jié)構(gòu)變形的要求而不出現(xiàn)裂紋，這種辦法存在的問題是在結(jié)構(gòu)設(shè)計和審圖階段很難對類似結(jié)構(gòu)進行準(zhǔn)確的判斷，因為缺少評判標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過計算本身已經(jīng)滿足規(guī)范衡準(zhǔn)要求的結(jié)構(gòu)位置從道理上來說是不需要再進行結(jié)構(gòu)加強的；其二就是增強油漆本身的性能參數(shù)，使其本身的延展性能夠與結(jié)構(gòu)變形相匹配，而這也增加了對涂層性能標(biāo)準(zhǔn)的要求。考慮到當(dāng)初在制定PSPC標(biāo)準(zhǔn)時，就有船東方提出要規(guī)定漆膜的厚度上限來增強油漆的延展性，對90/10原則給出新的定義，但是這將會大大增加造船成本，所以造船國方面極力反對，因此后來也只是制定出了只有下限的標(biāo)準(zhǔn)，本案例充分說明對于漆膜厚度還是有進一步探討的必要的。就目前來看，通過使用超高性能的油漆來解決類似的問題恐怕也不太容易被造船方接受，對類似位置的涂裝施工過程進行控制倒是一個現(xiàn)實可行的辦法。