散貨船關鍵節點結構建造的監控方法及優化

李克杰

（日本船級社（中國）有限公司上海分公司 上海200336）

引 言

散貨船的關鍵節點大致包括兩方面：經有限元分析發現的應力集中區域以及結構裝配不當引起的應力集中區域，而后者導致的結構損傷屢見不鮮。本文作者根據散貨船關鍵節點的實際檢驗經歷，結合其他船級社和船廠的相關檢驗經驗［1］，對關鍵節點的建造監控提出了優化建議。

1 散貨船的關鍵節點

圖1為現行各船級社公認散貨船關鍵節點［2-4］。

圖1 散貨船的關鍵節點

圖1中各字母表達的意義如下：

A —— 下墩斜壁板與槽壁的連接；

B —— 下墩斜壁板與雙層底肋板的連接；

C —— 舭部折角處的連接；

D —— 上墩壁板與槽壁的連接；

E —— 下墩直壁板與槽壁的連接；

F —— 舷側肋骨腹板與底邊艙橫向構件的連接；

G —— 舷側肋骨腹板與頂邊艙橫向構件的連接；

H —— 縱向艙口圍端部肘板與頂邊艙垂直列板的連接；

I —— 艙口端橫梁與頂邊艙橫向構件的連接；

J —— 下墩直壁板與雙層底肋板的連接；

K —— 底邊艙橫向構件與雙層底肋板的連接。

船舶在營運過程中關鍵節點的強度主要受以下因素影響：

（1）結構安裝錯位，裝配質量差；

（2）焊接缺陷；

（3）材料缺陷等。

雖然上述因素都應由船廠通過質量控制在檢驗時予以解決，但其中由因素（1）引起的結構損傷仍時有發生。如國內某船廠新建造的一散貨船在試航過程中因舭部折角處安裝錯位，在壓載貨艙裝載壓載水時產生垂向剪力而導致結構破壞，如圖2所示。

圖2 舭部折角處安裝錯位導致的結構損傷

因此，必須重視關鍵節點的結構安裝對齊并通過有效手段予以監控。

2 關鍵節點的對齊標準

目前，建造的散貨船大多按照共同結構規范。根據 CSR-B［5-6］第11章第1節中1.3.1表1的介紹，因關鍵節點屬于高應力構件，對于強力構件和高應力構件的對齊方式采用的是中線對齊，見圖3。若圖中a的數值超過該標準，從規范的角度講要求重新裝配。

圖3 散貨船關鍵節點的對齊方式和標準

3 關鍵節點對齊方式的監控方法及優化

目前船廠一般采用現場直接測量和使用經船級社認可的模板配合檢驗線進行關鍵節點的監控。對于現場直接測量，只能在分段建造過程中對分段兩端的可見部位進行比較精確的測量（如圖1中A、B、C點），而對于中間部位則很難監控，較多造船廠已通過制造一些模板進行監控，如圖4所示。

圖4 現行的造船廠對關鍵節點使用模板監控示例

按照圖4中傳統監控方法制作模板，模板的形狀和大小由t1、t2、t3之間的角度和板厚決定，使用模板進行建造監控通常針對A、B、C、D、E這5個點，其節點組成中板之間的角度和形成連接的板厚在不同的部位均有所不同，通常需要制作大量模板，一方面增加了船廠的負擔，另一方面也給船廠自我監控和現場檢驗帶來諸多不便。同時，圖4中的模板只能監控單向錯位，即只能進行圖3中t1的負（-）向錯位，對正（+）向錯位則難以判斷。

通過比較不難發現，當t1、t2、t3之間的角度固定時，可以只制作一塊模板，在兩塊板貼緊節點理論線或一塊板貼緊并對齊檢驗線的情況下，另一邊在制作時切掉一部分，留出間隙控制區域，通過計算得出在不同板厚時的理論間隙值，再計及容許誤差，得出一個間隙控制的容許范圍。在現場檢驗時只測量某一邊與模板的間隙（如圖5所示），看是否在容許范圍內。通過該方法不但可將模板的制作數量大大減少，還可監控雙向錯位，實現對圖4中傳統監控方法的優化，從而大大增強現場對每一關鍵節點實行監控的可行性。對于關鍵節點F、G、H、I、J、K，該6點均是某一對齊結構不可見的直對齊，只使用檢驗線便可實現監控。因此，實際監控時，可將A、B、C、D、E點列為另一類，F、G、H、I、J、K列為一類，以某大靈便型單殼散貨船為例，具體介紹其關鍵節點的監控優化方法。

圖5 t1、t2、t3之間的角度固定時用模板測量間隙示意圖

4 模板監控優化方法的原理和應用

在用模板進行監控時，如上所述，要測量某一板與模板邊緣的間隙，該間隙可人為設定，或根據t1、t2、t3之間角度固定時計算其理論間隙值；然后計算容許誤差，求出間隙容許范圍。其中，理論間隙值和容許范圍的計算是實現模板監控優化方法的關鍵。如間隙改為人為設定，則需制作大量模板適應不同板厚要求。

4.1 監控原理

4.1.1 理論間隙

4.1.1.1 兩邊貼緊使用模板的理論間隙計算

如圖6所示，如模板從上方貼緊（t1、t3），可用A的數值來表征模板與t2邊的理論間隙：

比較在不同板厚區域A的數值，即可得出在各板厚區域的理論間隙。同理，如果模板從下方貼緊（t2、t3），可用B的數值來表征模板與t1邊的理論間隙：

比較在不同板厚區域B的數值，即可得出在各板厚區域的理論間隙。

圖6 兩邊貼緊使用的模板關鍵節點結構連接示意圖

4.1.1.2 一邊貼緊和檢驗線配合使用的模板的理論間隙計算

如下頁圖7所示，一邊貼緊和檢驗線配合使用的模板，其理論間隙的數學轉化即為求 的數值，其中 ，的數值即為當圖6中時B的數值，比較在不同板厚區域的數值，即可得出在各板厚區域的理論值。

圖7 一邊貼緊和檢驗線配合使用的模板檢驗示意圖

4.1.2 間隙容許范圍

圖3中容許誤差a的數值是在t3的中線上量取的，而測量間隙時是垂直于t1或t2進行測量，因此容許誤差a的數值也要轉化成與t1或t2垂直的數值，如模板從上方貼緊（t1、t3），測量與t2邊的間隙，其間隙的容許范圍如下：

如模板從下方貼緊（t2、t3），測量與t1邊的間隙，其間隙的容許范圍如下：

4.2 模板監控方法的具體應用

現行的散貨船設計，一般在全船范圍內A、B、C、D、E這5個點的角度都是固定的，如C點，圖3中的一般為45°。以下針對某大靈便型散貨船，具體介紹各關鍵節點的監控優化方法。

4.2.1 下墩斜壁板與槽壁的連接——A點

如果模板從上方貼緊（t1、t3），測量與t2邊的間隙，由于在α角要填角焊，會導致自由邊過小（圖8），模板從上方可能無法充分貼緊（t2、t3），導致測量誤差，建議從下方貼緊 ，測量與t1邊的間隙（圖8）。

圖8 A點的模板測量方法

A點在該大靈便型散貨船上共有4處，t1、t2、t3值的不同會導致理論間隙的不同，根據4.1.1.1和4.1.2，便可得出如下表1中下墩斜壁板與槽壁連接——A點的監控數據，出于涉密的考慮，將表中的肋位號，t1、t2、t3、α、 值隱去，同時，表中最后一列給出傳統方法需要的模板數量，用TN表示，下同。測量的間隙值在‘負間隙’與‘正間隙’之間即視為滿足要求。

表1 下墩斜壁板與槽壁連接——A點的監控數據

4.2.2 下墩斜壁板與雙層底肋板的連接——B點

因在測量時要用到100 mm檢驗線，考慮到測量環境，下墩外部優于下墩內部，通常將該檢驗線標注在下墩外部。 該檢驗線的制作直接影響到測量結果，實際上該檢驗線即為下方實肋板某個部位的參照線，一般取為下方實肋板的理論線映射到內底板上緣，而后再向下墩外部方向延伸100 mm，如圖9所示。 根據4.1.1.2和4.1.2，便可得出表2中下墩斜壁板與雙層底肋板的連接——B點的監控數據。

圖9 B點的模板測量方法

由于在同一肋位處，形成連接的內底板、下墩斜板和雙層底肋板的板厚及其組合的不同會造成理論間隙值的不同，因此在表2中引入同一肋位處相關區域的概念。以Fr.BHD3為例（參見圖10），t1～t6分別表示不同板厚。由該圖可見，內底板t2、下墩斜板t4和雙層底肋板t6形成I區；內底板t2、下墩斜板t4和雙層底肋板t5形成II區；內底板t1、下墩斜板t3和雙層底肋板t5形成III區。

表2 下墩斜壁板與雙層底肋板的連接——B點的監控數據

圖10 Fr.BHD3的相關區域

4.2.3 舭部折角處的連接——C點

4.2.3.1 從壓載艙內測量

通過上述對A點的分析，為減少測量誤差，選擇接觸面較大的兩條邊貼緊（t1、t3），如圖11所示，進行理論間隙值的計算，即為圖6中當α=90°求A的數值。此時，比較不同板厚區域A的數值，可得出在各板厚區域的理論間隙。將理論間隙和容許間隙相等的肋位歸為一類，即可得出如表3從壓載艙內測量舭部折角處的連接—C點的監控數據。

圖11 C點的模板測量方法—從壓載艙內測量

4.2.3.2 從貨艙內測量角處的連接——C點的監控數據。

表3 從壓載艙內測量舭部折角處的連接——C點的監控數據

表4 從貨艙內測量舭部折角處的連接——C點的監控數據

圖12 C點的模板測量方法—從貨艙內測量

4.2.3.3 從貨艙內測量和從壓載艙內測量的優缺點

從壓載艙內測量和從貨艙內測量各有優缺點。前者省去做檢驗線的環節、減少了產生誤差的一個因素，而后者需要檢驗線作配合。首尾段由于型線變化較大，故對檢驗線的制作要求也較高，因此后者對于首尾段的測量有一定限制，但后者的檢驗是在貨艙內進行的，檢驗環境、速度、效率要優于前者。

4.2.4 上墩壁板、下墩直壁板與槽壁的連接——D、E

由于在該兩點的對齊方式均為直對齊，從外側可比較直觀的進行目視檢查，但由于對關鍵節點采用的是中線對齊，當上下有較大板厚差時便需要進行判斷，為使該判斷更為簡便，可統一制作一塊模板，D點的模板測量方法見圖13。由于理論值的計算比較簡單，便不贅述。表5為上墩壁板與槽壁的連接——D點的監控數據，E點與之類似。

圖13 D點的模板測量方法

4.3 模板的校核

通過4.2的分析，對于關鍵節點A、B、C、D、E的監控用到的模板如下頁圖14所示，在模板使用前要進行模板的較核，其中理論值的校核是關鍵，一般采用的是確定一測量位置，用CAD按照1∶1的比例將該位置繪制出來，然后用模板卡住校核理論值。以C點為例，下頁圖15所示即為關鍵節點C（壓載艙內測量）監控模板的校核。

表5 上墩壁板與槽壁的連接——D點的監控數據

圖14 關鍵節點A、B、C、D、E的監控模板

圖15 模板的校核

5 檢驗線監控直對齊關鍵節點的介紹與應用

對于關鍵節點F、G、H、I、J、K，該6點均是某一對齊結構不可見的直對齊，檢驗方法是將不可見面結構的某條參考線映射到可見面，再將該參考線向某方向引出一定距離（通常為100 mm），這就是我們所說的100檢驗線。通過測量可見面板的邊緣與100 mm檢驗線的距離，判斷其是否在容許范圍內。

該檢驗方法的關鍵是檢驗線的制作。為使理論值的計算避免考慮加減板厚的因素，一般情況下，是將不可見面板的理論線映射到可見面，再將該線向板厚方向的反方向引出100 mm。但也要注意到檢驗環境，盡量要安排在結構相對簡潔的一面，如壓載艙和貨艙，當然是選擇在貨艙內進行測量，對于F、G、H、I、K點，上述兩者均能兼顧。如圖16即為關鍵節點F檢驗線監控對齊示例，圖中的X值即為現場要測量的數據，理論值，表6為關鍵節點F的監控數據，G、H、I、K點與之類似。

圖16 關鍵節點F檢驗線監控對齊示例

表6 關鍵節點F的監控數據mm

對于J點，即使從上面進行測量，也要考慮應將該檢驗線制作在下墩外面（即貨艙內），這是首先要考慮的因素而這就有可能導致計算理論值時需加減板厚。如下頁圖17所示，圖中的X值為現場要測量的數據，此時理論值=下頁表7為關鍵節點J的監控數據。

圖17 關鍵節點J檢驗線監控對齊示例

表7 關鍵節點J的監控數據mm

6 結 論

本文通過對某大靈便型散貨船關鍵節點結構建造監控優化方法的研究，得到以下結論：

（1）使用本文所介紹的模板和檢驗線的監控方法可實現對全船11處關鍵節點的結構錯位監控。

（2）引用理論間隙和容許誤差的數學概念，對模板監控方法提出優化，可使模板的制作數量大大減少，并實現雙向錯位監控。

（3）在使用模板和檢驗線進行監控時，要充分考慮現場監控的可行性，如檢驗環境和檢驗條件等，選擇合理的監控方法，提高監控的精度和效率。

［1］ 林文平，宋大偉，徐超友.CSR散貨船底邊艙折角處結構疲勞設計［J］.船舶，2013（1）：49-54.

［2］ Bao Jun.Introduction on Construction Monitoring［R］.Lloyds Register.2010.8：19-22.

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［6］ 中國船級社.鋼質海船入級規范 第7分冊［M］.北京：人民交通出版社，2012：340-341.