某散貨船導(dǎo)流罩與船體連接處裂紋的分析

張奇英，趙 勇，吉春正

(中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)南京金陵船廠，江蘇南京210015)

0 引言

2008年爆發(fā)的全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)對(duì)航運(yùn)業(yè)造成重創(chuàng)，受貨運(yùn)需求不旺、運(yùn)力過剩等市場(chǎng)因素影響，運(yùn)價(jià)不斷下跌，而船用燃油價(jià)格一直高位徘徊，成本居高不下，因此，節(jié)能降本受到重視。節(jié)能成為降本增效的重要手段，節(jié)能型新船亦成為市場(chǎng)追捧目標(biāo)。與此同時(shí)，在全球節(jié)能減排綠色環(huán)保大背景下，能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)等國(guó)際新規(guī)范的不斷推出，對(duì)船舶能耗指標(biāo)要求越來越高，由此形成了許多新的解決方案。除進(jìn)行線型優(yōu)化外，還廣泛采用導(dǎo)流罩、整流鰭、轂帽鰭、舵球等節(jié)能裝置［1］。

導(dǎo)流罩屬于前置節(jié)能裝置。導(dǎo)流罩的罩殼和鰭截面采用機(jī)翼型設(shè)計(jì)，并將導(dǎo)流鰭不對(duì)稱布置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)調(diào)和穩(wěn)定水流的目的，使水流持續(xù)地作用在槳葉上;另外，導(dǎo)流罩可使水流產(chǎn)生與螺旋槳旋向相反的預(yù)旋，從而提高螺旋槳負(fù)荷，增大螺旋槳推力，提高推進(jìn)效率［1］。

導(dǎo)流罩適合大方形系數(shù)、航速低于20 kn的各類船舶，被廣泛安裝于油船、散貨船、多用途船、集裝箱供應(yīng)船等船型上。實(shí)踐證明，它具有效果好、安裝方便的特點(diǎn)，無需船體內(nèi)部加強(qiáng)。

某系列靈便型散貨船試航后進(jìn)塢檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩與主船體連接處產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過調(diào)查表明，裂紋并非焊接缺陷引起，而是結(jié)構(gòu)疲勞所致。分析中亦發(fā)現(xiàn)，在這類特殊尾柱船型上無加強(qiáng)安裝導(dǎo)流罩存在風(fēng)險(xiǎn)，且在節(jié)能裝置圖紙認(rèn)可和安裝檢驗(yàn)中存在盲區(qū)。

1 裂紋情況

某系列靈便型散貨船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，船東有意增加導(dǎo)流罩，并委托船廠安裝。導(dǎo)流罩與主船體連接示意圖如圖1所示。該系列散貨船4號(hào)船試航后進(jìn)塢檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩下連接肘板趾端和船體平板龍骨連接處(圖1位置0)出現(xiàn)裂紋，當(dāng)初認(rèn)定為簡(jiǎn)單的焊接缺陷問題，碳刨焊補(bǔ)后出塢。一個(gè)月后，5號(hào)船試航結(jié)束進(jìn)塢檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在同一位置又出現(xiàn)裂紋。船東對(duì)已交付運(yùn)營(yíng)的3條船進(jìn)行抽檢，抽檢結(jié)果顯示，同一位置也出現(xiàn)裂紋，所以該船被船級(jí)社要求限期整改。

圖1 導(dǎo)流罩與主船體連接示意圖

其他廠建造的同型船，試航后進(jìn)塢檢驗(yàn)，同一位置也發(fā)現(xiàn)裂紋，且破壞形式也與上述案例一致。

2 裂紋原因分析

經(jīng)過對(duì)多艘船同一位置出現(xiàn)裂紋分析，可能存在連接處焊接問題和連接處設(shè)計(jì)問題。

2.1 焊接問題可能性分析

為分析焊接問題可能性，船廠對(duì)導(dǎo)流罩安裝過程各環(huán)節(jié)進(jìn)行了梳理:

(1)導(dǎo)流罩安裝工藝、焊接工藝均得到船東、船檢和廠家服務(wù)工程師認(rèn)可。

(2)焊接設(shè)備、焊接材料、焊工資質(zhì)及焊接順序均符合相關(guān)工藝要求。

(3)整個(gè)安裝過程處于監(jiān)督下，服務(wù)工程師還撰寫有照片的服務(wù)報(bào)告和文字記錄報(bào)告。

(4)焊后100%UT和100%MT無損檢測(cè)均合格，未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋。

(5)裂紋問題發(fā)生后，船東對(duì)后續(xù)6號(hào)及7號(hào)船于試航前均進(jìn)行水下檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

以上情況表明，此裂紋并非焊接缺陷所致。

2.2 設(shè)計(jì)問題可能性分析

本系列船尾部極度瘦削，艉管貫穿出船體，所以艉柱未采用傳統(tǒng)鑄鋼件形式，而是由鋼板焊接而成。導(dǎo)流罩上、下連接肘板和5個(gè)導(dǎo)流鰭與船體尾部結(jié)構(gòu)連接形式如下:

(1)上連接肘板(圖1件1)與垂直夾筋龍骨(圖1件2)對(duì)接。因僅用2小塊水平肘板加強(qiáng)，造成導(dǎo)流罩整體結(jié)構(gòu)橫向剛度較弱，抵抗繞Z軸扭矩能力較差。另外，導(dǎo)流罩要起到整流和預(yù)旋作用，必定會(huì)承受水流側(cè)向合力，從而使上、下連接肘板與船體龍骨連接位置應(yīng)力較大。

(2)下連接肘板(圖1件7)與水平平板龍骨(圖1件8)角接。發(fā)生裂紋的下連接肘板與主船體連接處節(jié)點(diǎn)如圖2所示。根據(jù)規(guī)范對(duì)船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，船體中縱桁(圖2件10)僅需20 mm厚、普通鋼、雙面連續(xù)焊，而廠家要求導(dǎo)流罩下連接肘板(圖2件7)要達(dá)到60 mm厚、高強(qiáng)鋼、全焊透，這造成內(nèi)外板厚差很大，結(jié)構(gòu)形狀突變。同時(shí)，導(dǎo)流罩下連接肘板軟趾處倒圓很小，趾端高度50 mm，容易造成軟趾不軟，連接處幾何應(yīng)力集中嚴(yán)重。

(3)導(dǎo)流鰭(圖1件4)與艉管鑄鋼件(圖1件6)焊接。導(dǎo)流罩處于船尾流場(chǎng)中，受高頻脈動(dòng)壓力影響，在CFD分析中發(fā)現(xiàn)，有2個(gè)導(dǎo)流鰭發(fā)生抖動(dòng)。這一現(xiàn)象在6號(hào)船試航監(jiān)測(cè)中也得到證實(shí)。

綜上可知:導(dǎo)流罩下連接肘板與主船體連接處裂紋是由于導(dǎo)流罩與船體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，在高頻脈動(dòng)壓力作用下結(jié)構(gòu)疲勞所致。

圖2 導(dǎo)流罩與主船體連接節(jié)點(diǎn)

3 裂紋修復(fù)方案

根據(jù)以上分析，確定了導(dǎo)流罩修復(fù)加強(qiáng)方案，其示意圖如圖3所示。具體修復(fù)方案如下:

(1)在與導(dǎo)流罩上連接肘板對(duì)接的垂直夾筋龍骨兩側(cè)，增加半圓管和大的水平肘板加強(qiáng)(圖3件11)，增加導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)橫向剛度，減小與船體連接處應(yīng)力水平。

圖3 導(dǎo)流罩修復(fù)加強(qiáng)方案示意圖

(2)在與導(dǎo)流罩下連接肘板對(duì)筋的中縱桁兩側(cè)，各增加20 mm厚復(fù)板(圖3件12)，保證內(nèi)外結(jié)構(gòu)厚度相同，改善力的傳遞。

(3)修改導(dǎo)流罩下連接肘板趾端形狀，增加軟趾肘板(圖3件13)，使趾端過渡更光滑，降低結(jié)構(gòu)幾何應(yīng)力集中，提高疲勞壽命。

以上修改方案經(jīng)有限元分析，下連接肘板與船體平板龍骨連接處應(yīng)力水平降低約50%。采用上述方案的6號(hào)和7號(hào)船，試航后水下檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋。采用上述方案的所有運(yùn)營(yíng)船，修復(fù)1年后水下檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，證明修復(fù)方案有效。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某系列靈便型散貨船導(dǎo)流罩與主船體連接位置的裂紋問題進(jìn)行了深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)裂紋并非是焊接缺陷引起的，而是在高頻脈動(dòng)壓力作用下的結(jié)構(gòu)疲勞所致。此問題引發(fā)了以下思考:

(1)裂紋問題的直接原因是本船型特殊的艉柱結(jié)構(gòu)形式:艉部極度瘦削，艉管貫穿出船體，艉柱不是由鑄鋼件而是由鋼板焊接而成，艉柱上方為垂直夾筋龍骨，下方為水平平板龍骨。在無加強(qiáng)安裝導(dǎo)流罩時(shí)因橫向剛度不足和下連接肘板應(yīng)力集中嚴(yán)重，產(chǎn)生疲勞裂紋。

(2)裂紋問題的根本原因是船體設(shè)計(jì)方與附體設(shè)計(jì)方把精力都集中在各自產(chǎn)品上，而船級(jí)社對(duì)二者的圖紙審核是分開的［3］，忽視了二者的連接，從而出現(xiàn)圖2所示不協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)連接形式，使連接處變成最薄弱的環(huán)節(jié)。

實(shí)船證明，本文所述修復(fù)方案有效，其關(guān)鍵是加強(qiáng)上連接肘板，增加導(dǎo)流罩橫向剛度，并改善附體與主船體間的連接。它們之間更好的連接形式(如中縱桁貫穿外板與導(dǎo)流罩下連接肘板對(duì)接)，則有待結(jié)構(gòu)工程師不斷探索。

目前本文所述問題已推進(jìn)規(guī)范覆蓋節(jié)能裝置的圖紙認(rèn)可和安裝檢驗(yàn)的進(jìn)程，而本文的解決方案希望對(duì)節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)者和準(zhǔn)備安裝的船東有所幫助。

［1］ 錢文豪.船舶水動(dòng)力節(jié)能技術(shù)和EEDI［J］.中國(guó)船檢，2013(2):62-64.