非規則重大件焊接系固方法

鄭元洲， 甘浪雄， 徐雙喜， 張 磊

(1.武漢理工大學 航運學院, 武漢 430063； 2.寧波東紅船舶海洋工程設計股份有限公司， 浙江 寧波 315040； 3.武漢理工大學 交通學院， 武漢 430063； 4.內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430063)

非規則重大件焊接系固方法

鄭元洲1,4， 甘浪雄1,4， 徐雙喜2,3， 張 磊1,4

(1.武漢理工大學 航運學院, 武漢 430063； 2.寧波東紅船舶海洋工程設計股份有限公司， 浙江 寧波 315040； 3.武漢理工大學 交通學院， 武漢 430063； 4.內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430063)

參考《海上拖航指南》計算分段受到的外力，依據焊縫軸慣性矩剪切強度理論推導出焊接結構件所能提供的最大水平系固力和最大垂向系固力，并對分段橫向滑動平衡、縱向滑動平衡和橫向翻轉平衡進行計算，確定系固結構件的數量和布置位置。該焊接系固方法可為非規則重大件的系固提供借鑒。

水路運輸；重大件；慣性力；系固力矩；焊縫強度

重大件貨物多屬于非標準貨，載運時需采用獨特的系固方案，并需保證系固裝置的有效性,如果系固不當，在復雜多變的海洋環境中極易造成貨物滑移、傾倒，進而釀成重大事故。[1]調查發現，重大件貨物專用船舶發生事故多是由貨物系固不牢引起的。[2]因此，對重大件貨物進行可靠系固尤為重要。

當前的重大件系固工程中，多采用制作結構件的積固方式，并焊接在甲板上，以防止貨物滑移和傾覆。這種剛性系固方式與柔性系固方式相比，優點是安裝操作方便、強度好且適應性強，缺點是裝、拆需要專用設備。[3]

對于焊接結構件剛性系固的設計和校核，《海上拖航指南》[4](以下簡稱《指南》)和《貨物系固手冊編制指南》[5]以及《貨物積載與系固安全實用規則》[6]只給出了焊接結構件的屈服應力的安全系數[4-5]，并未明確給出具體的系固方式和計算方法，致使技術人員布置焊接結構件及評估系固有效性時感到無所適從。

船舶分段是重大件貨的典型代表之一，依擱置面的形狀可分為兩類：非規則的分段，如首部分段、尾部分段；規則分段，如舷側分段、雙層底分段、上建分段。本文以某駁船載運船舶非規則分段的結構件焊接系固為研究對象,針對非規則的船舶分段設計結構件焊接系固方案，并提出對結構件焊接系固有效性進行評估的方法,可為非規則重大件貨的結構件焊接系固提供借鑒。

1 非規則分段焊接系固方式

在裝載船舶分段前，需認真統計每個分段的重量、重心位置、外型尺寸和擱置面的形狀。根據各分段的尺寸、重量，結合駁船載貨甲板尺寸制作分段裝載布置圖,并進一步確定分段的焊接系固方式。

選用駁船主尺度：船長90 m，船寬32 m，型深2.2 m。圖1是該駁船某航次的裝載分段布置圖。圖上為分段的重心，旁邊數字為其重心高度;為整船的重心，旁邊數字為整船重心高度。表1給出了每個分段的尺寸和重量;本航次航區為無限航區。

圖1 分段裝載布置圖

表1 分段參數表

非規則分段由于擱置面有曲度，不能直接放在甲板上，需在四周加焊撐桿以達到穩定。當支撐點較低時，可利用單撐桿；當支撐點較高時，可利用人字形撐桿。撐桿是非規則分段的系固結構件，為了使分段較好地受力，在曲面上加焊墊板；撐桿一端焊接在墊板上，另一端焊在甲板上,可同時限制分段水平移動和垂向移動。

2 受力計算

2.1分段所受外力計算

作用在分段上的外力，根據產生原因不同分為慣性力、風壓力和飛濺力。[6]這些外力按船用坐標系又可分解為橫向力、縱向力和垂向力。

船載重大件慣性力計算方法主要有經驗法和理論法。經驗法以國際海事組織《貨物積載與系固安全實用規則》和中國船級社《貨物系固手冊編制指南》為代表；理論法以中國船級社《指南》及國外一些主要海事檢驗機構的規范[7-8]為代表。

理論公式可計算各種狀況下重大件的慣性力，考慮了橫搖、縱搖和垂蕩周期;根據航行海域確定半波高;根據最大橫傾角和縱傾角計算相應的加速度值。[9]相比經驗公式,其更能反映駁船遭受的真實海況，計算出的慣性力更符合實際。因此，參考《指南》附錄1提供的公式計算作用在船舶分段上的外力。

2.1.1慣性力

作用在重大件上的慣性力有橫向慣性力Fya、縱向慣性力Fxa和垂向慣性力Fza。各慣性力的計算為

Fya=may

(1)

(2)

Fxa=max

(3)

(4)

Fza=maz

(5)

az=g-a

(6)

2.1.2風壓力

風壓力由風壓和作用面積決定,即

F(yq,xq)=S(yq,xq)Pq

(7)

式(7)中：Fyq,Fxq分別為橫向和縱向風壓力，kN；Syq,Sxq分別為船舶分段的橫向和縱向投影面積，m2；Pq為風壓強，無限航區取1 kN/m2。

2.1.3飛濺力

求海水飛濺沖擊力時,僅計算距干舷甲板以上2.0 m以內的分段投影面積，即

F(yw,xw)=S(yw,xw)Pw

(8)

式(8)中:F(yw,xw)為橫向和縱向海水飛濺力，kN;S(yw,xw)為距干舷甲板以上2.0 m范圍內分段的橫向和縱向投影面積，m2；Pw為海水飛濺沖擊壓強，無限航區取1 kN/m2。

2.1.4合作用力計算

橫向合作用力包括橫向慣性力、風壓力、飛濺力;縱向合作用力包括縱向慣性力、風壓力、飛濺力;垂向合作用力只含垂向慣性力。

總作用力計算公式為

Fy=Fya+Fq+Fw

(9)

圖3給出了分段HN1881所受的各分項作用力和合作用力。

圖3 分段受作用力圖

2.2結構件系固力計算

2.2.1水平系固力計算

結構件限制分段水平移動時，提供的最大水平系固力為P;同時，結構件也受到分段施加的相等的反作力。在結構件與甲板的焊縫中,產生由彎曲力矩M=PL引起的剪應力τM和由剪力Q=P引起的剪應力τQ。

根據焊縫軸慣性矩剪切強度理論[10]，有

(12)

(13)

(14)

由式(12)～式(14)得

(15)

式(12)～式(15)中：Ix為焊縫截面慣性矩，中和軸垂直于橫向力方向，mm4；ymax為焊縫距中和軸最大距離，m；l為單條焊縫計算長度，取每條焊縫的實際長度減去10 mm[10]，mm；K為焊角的尺寸，取板厚，mm；τ′為焊縫的剪切應力，取τ′=[τf]，MPa。

2.2.2垂向系固力計算

垂直焊接在甲板上的系固件可提供防止大件發生翻轉的垂向系固力。

最大垂向系固力為Fb，垂向拉力F=Fb，依據焊縫拉壓強度理論[10]，有

(16)

則Fb=0.7σ′K∑l

(17)

式(16)～式(17)中：σ′為焊縫的拉應力，取σ′=[σf]，MPa。

2.2.3結構件系固力計算

運用自制工鋼進行焊接系固時，為發揮工鋼的最大系固能力，應使其焊縫截面慣性矩在受力方向上最大。因此，焊接時應將工鋼腹板與受力方向一致(見圖1)。

考慮工鋼與甲板焊接施工的操作空間要求，垂直角焊縫布置在容易施焊的位置，自制工鋼的焊縫布置見圖4。焊接中，要求焊角尺寸與板厚一致，即K=10 mm。

(a) 現場焊接圖

(b) 現場焊接圖

結構件(母材)的材料為Q235，使用E43系列焊條時，焊縫的許用應力見表2。

表2 焊縫許用應力表

對系固分段HN1925的結構件提供的系固力進行計算,結果見表3。

表3 構建受力計算表

3 系固安全校核

航行時需防止分段發生橫向滑動、縱向滑動和橫向翻轉。依據力和力矩的平衡準則，分別計算平衡橫向滑動、縱向滑動所需的最少系固結構件數，同時，對這些結構件系固狀態下的橫向翻轉進行校核。

假定與橫向力方向垂直的兩邊工鋼提供橫向系固的力;與縱向力方向垂直的兩邊工鋼提供縱向系固的力(見圖5)。

圖5 作用力方向示意圖

3.1橫向滑動平衡

橫向滑動平衡應滿足

Fx≤μ·Fz+nxPx

(18)

得

(19)

式(18)～式(19)中：μ為摩擦系數，鋼與木板之間取0.3；nx為提供橫向力結構件數量，根。

代入分段HN1925的相關數據，得出nx≥11，取nx=12，對稱布置在分段沿船長方向的邊部。

3.2縱向滑動平衡

縱向滑動平衡應滿足

Fy≤μ·Fz+nyPy

(20)

得

(21)

式(20)～式(21)中：ny為提供縱向力結構件數量，根。

代入分段HN1925的相關數據，得出ny≥1，取ny=2，對稱布置在分段沿船寬方向邊部的中間。

3.3橫向翻轉平衡

橫向翻轉平衡應滿足

(22)

式(22)中：z為分段重心距轉動軸的高度，m；b為分段重心距轉動軸的水平距離，m；di為提供垂向力的結構件距轉動軸的水平距離，m。

在橫向滑動平衡和縱向滑動平衡中，初步確定nx=12,ny=2，在該值基礎上對橫向翻轉平衡進行校核。如橫向翻轉平衡，則nx和ny的取值不變；反之，加大nx和ny。

對分段HN1925繞背風面工鋼形成的縱向軸轉動的彎矩進行計算：

Fy·z=7 812 kN·m

通過計算、比較可知，當橫向系固件nx=12、縱向系固件ny=2時，滿足橫向翻轉平衡要求。

4 結 語

以非規則船舶分段的結構件焊接系固為研究對象，對結構件的系固方式和焊接系固的有效性進行計算。通過分析得到以下結論：

1.非規則重大件可采用圖1所示的系固方式，即焊接在甲板上的垂直結構件提供水平系固力，頂端的水平板條提供垂向系固力。

2.在慣性力計算時，建議拖帶駁船的最大橫搖角取20°，最大縱搖角取7.5°。

3.依據焊縫軸慣性矩剪切強度理論，推導出了焊接結構件所能提供的最大水平系固力和最大垂向系固力。

4.給出了確定系固件數量和布置位置的計算方法。先對橫向滑動平衡、縱向滑動平衡進行計算，初步確定系固件數量;再對橫向翻轉進行校核;最終確定系固件數量。

[1] 徐邦禎, 杜嘉立, 田佰軍. 非標準貨物系固效果的評價方法[J]. 大連海事大學學報, 2002，28(1)：42-44.

[2] 楊守威. 裝載重大件貨物系固方式研究[D]. 武漢:武漢理工大學,2010.

[3] 汪有軍.重大件貨物海上運輸剛性系固校核方法探討[C].上海：上海打撈局，2009.

[4] 中國船級社, 海上拖航指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

[5] 中國船級社, 貨物系固手冊編制指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 1999.

[6] 國際海事組織. 貨物積載與系固安全實用規則[M].倫敦, 2003.

[7] Noble Denton International Ltd. General Guidelines for Marine Transport at Ions No.0030/NDI[M]. Noble Denton International Ltd, Marine and Engineering Consularits and Surveyors, 2005.

[8] London Offshore Consultants. Guidelines for Marine Operations Barge Transportation[M]. Noble Deton International Ltd, London Offshore Consultants, 2007.

[9] 呂瑤,夏斌,張怡. 大件貨物海上運輸的慣性力研究[J].中國航海, 2011,34(2)：57-62.

[10] 中國工程機械學會焊接學會.焊接手冊[K].北京：機械工業出版社，2008.

更正說明

2014年第1期《北極航道開通對我國航運業發展的影響》一文中，第142頁右欄的3～6行內容應該為：其中，“中國-北美西海岸”航線從我國的沿海各港出發，偏南的經大隅海峽出東海后進入太平洋，最終到達美洲西海岸港口；偏北的經對馬海峽穿日本海后，或經津輕海峽進入太平洋后到達美洲西海岸港口，或經宗谷海峽穿過鄂霍茨克海進入北太平洋后到達美洲西海岸港口。圖3“北極航道與傳統航道距離對比”中“跨大平洋”應該為“跨太平洋”。

《中國航海》編輯部

SecuringMethodofIrregularHeavy-BigPieces

ZHENGYuanzhou1,4,GANLangxiong1,4，XUShuangxi2,3，ZHANGLei1,4
(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Ningbo Donghong Ship amp;Ocean Engineering Design Co. Ltd., Ningbo 315040, China; 3. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 4. Hubei Key Laboratory of Inland Navigation Technology, Wuhan 430063, China)

The external force on the ship segment is calculated according to quot;Maritime Towage Guidequot;. The maximum horizontal and vertical securing forces that welds of securing structure are able to provide are calculated through shear strength calculation of welds according to the shear strength theory. With these data the securing arrangement is determined after verifying the transverse sliding balance, longitudinal sliding balance and transverse flipping balance. The design method of welding securing arrangement is applicable for heave-big piece transport by sea in general.

waterway transportation; heavy-big piece; inertia force; securing moment; weld strength

2014-02-16

國防基礎科研項目(A1420080184)；國家自然科學基金(51309186)

鄭元洲(1979-)，男，湖北監利人，船長，講師，博士，從事水路交通安全教學和研究。E-mail: zhengyuanzhou0909@163.com.甘浪雄(1969-)，男，湖北崇陽人，副教授，博士，主要從事水上交通安全教學與研究工作。E-mail:glx701227@163.com.

1000-4653(2014)01-0058-04

U695.2+6

A