甲板艙口圍趾端焊接裂紋成因分析及處理

□ 朱達(dá)新

1.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校 江蘇江陰 214400

2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 北京 100081

甲板艙口圍趾端焊接裂紋成因分析及處理

□ 朱達(dá)新1,2

1.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校 江蘇江陰 214400

2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 北京 100081

參照船級(jí)社規(guī)范并結(jié)合有限元技術(shù)，對(duì)散貨船甲板縱向艙口圍肘板趾端產(chǎn)生焊接裂紋的原因進(jìn)行了分析，確認(rèn)存在焊接結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)高應(yīng)力的問題，并提出了針對(duì)這一問題的處理方案。

自卸散貨船在航行中受中垂中拱的波浪彎矩作用力，對(duì)艙口圍肘板產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致在甲板以上的縱向艙口圍肘板趾端焊接區(qū)域多處出現(xiàn)不同程度的裂紋。筆者對(duì)裂紋產(chǎn)生的部位進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的處理方案。

1 裂紋產(chǎn)生的原因分析

通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生裂紋的部位都集中在縱向艙口圍肘板的趾端，如圖1所示。查閱船級(jí)社規(guī)范，原有縱向艙口圍端部肘板趾端的設(shè)計(jì)是按照船級(jí)社規(guī)范推薦的形式做的，符合船級(jí)社的規(guī)范要求[1]。

根據(jù)規(guī)范要求，縱向艙口圍端部肘板根部伸出橫向艙口圍板的距離應(yīng)不小于0.7Hc，即艙口圍腹板高度的70%。本艙口圍高度1 100 mm，按規(guī)范要求根部距離應(yīng)不小于0.7×1 100 mm=770 mm，而現(xiàn)有設(shè)計(jì)的端部肘板根部延伸到了950 mm，大于規(guī)范要求。參照船級(jí)社規(guī)范，該肘板的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。考慮到船舶在波浪中航行時(shí)中垂中拱波浪彎矩對(duì)艙口圍肘板的影響很大，為了保險(xiǎn)起見，對(duì)該艙口圍肘板進(jìn)行有限元計(jì)算分析。對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，在原有的三艙段模型基礎(chǔ)上，對(duì)該縱向艙口圍區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，按50×50的網(wǎng)格進(jìn)行建模，并計(jì)算了各個(gè)工況下的應(yīng)力情況。計(jì)算結(jié)果顯示，原縱向艙口圍端部肘板趾端的最大應(yīng)力達(dá)到了779 MPa，超出了規(guī)定允許值（554 MPa）[2-3]。

圖1 裂紋產(chǎn)生的部位

在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，該肘板的端部圓弧形狀對(duì)趾端的應(yīng)力結(jié)果影響很大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果來看，艙口圍分段在制作過程中下口加放了50 mm的余量。在艙口圍分段上船安裝過程中，由于甲板面不平，該余量大部分沒有被割除。為減小現(xiàn)場(chǎng)施工的難度，現(xiàn)場(chǎng)采用了在肘板面板和腹板處開刀修復(fù)余量的工藝。余量修割完后，將肘板面板下壓，導(dǎo)致腹板的底部產(chǎn)生了圓弧，加劇了該處的應(yīng)力集中。在如此高應(yīng)力的區(qū)域，再加上局部應(yīng)力集中，開裂也就在情理之中了。從圖1中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生裂紋的部位與分析結(jié)果顯示的高應(yīng)力區(qū)和現(xiàn)場(chǎng)面板修割的部位完全吻合。至此，該縱向艙口圍肘板趾端開裂的原因已基本確定，主要有以下兩點(diǎn)[4-5]。

（1）肘板底部圓弧半徑僅150 mm，圓弧過渡過小，使肘板根部的應(yīng)力不能有效地向外傳遞，集中于肘板的趾端，導(dǎo)致裂紋。

（2）現(xiàn)場(chǎng)余量修割方法不當(dāng)，導(dǎo)致底部圓弧發(fā)生變化，趾端角度變大，加劇了該處應(yīng)力集中情況，致使肘板在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的裂紋[6]。

2 焊接裂紋處理方案

依據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求，對(duì)關(guān)鍵位置的焊接結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行以下改進(jìn)。

（1）降低名義應(yīng)力等級(jí)，可通過增加局部構(gòu)件尺寸來降低名義應(yīng)力，從而減小焊接結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的熱應(yīng)力。

（2）減小幾何應(yīng)力集中，通過采用軟連接的良好節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)形式，降低幾何非連續(xù)性產(chǎn)生的幾何應(yīng)力集中因數(shù)。

（3）控制建造偏差，減小構(gòu)件連續(xù)對(duì)中的偏差，以減小由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中因數(shù)。

（4）改善焊縫形狀，特別注意在焊縫趾端處良好的幾何形狀和平滑過渡，以減小由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中因數(shù)。

參考規(guī)范要求，并結(jié)合有限元分析，找到了避免此類裂紋產(chǎn)生的一個(gè)簡(jiǎn)單方法，就是將縱向肘板的趾端盡量向前延伸，端部軟趾做得盡量長(zhǎng)、盡量軟一些，使根部的應(yīng)力能很好地向外傳遞，避免應(yīng)力集中在肘板趾端[7-8]。

由于后續(xù)系列船的艙口圍已分段制作完畢，且大部分已上船安裝，壓載艙涂裝也已結(jié)束，如何進(jìn)行改進(jìn)成為一大難題，如若改動(dòng)太大，必將影響到甲板以下壓載艙的油漆，而且還將造成大量的挖補(bǔ)工作。通過對(duì)幾個(gè)備選方案的計(jì)算對(duì)比，最終確定了一個(gè)既滿足規(guī)范要求，又不影響甲板以下油漆涂層，且修改工作量較小的方案。該方案只需在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修割，即對(duì)縱向肘板的端部過渡圓弧進(jìn)行修割，達(dá)到使趾端軟化的目的，從而減小趾端的應(yīng)力，如圖2、圖3所示[9]。

圖2 縱向艙口圍端部襯板修割方案

圖3 橫向艙口圍襯板修割方案

從計(jì)算的趾端應(yīng)力結(jié)果不難看出，修改后的縱向肘板趾端應(yīng)力得到了明顯的改善，說明肘板趾端的過渡形式對(duì)趾端應(yīng)力的影響很大，在今后的艙口圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需特別注意肘板趾端過渡形式的選擇。從分析結(jié)果還可以看出，肘板過渡形式修改后，肘板底部的管孔周圍應(yīng)力有明顯提高，這一點(diǎn)需注意[10]。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)散貨船甲板縱向艙口圍肘板趾端產(chǎn)生焊接裂紋的原因進(jìn)行了分析，并提出了裂紋處理方案，對(duì)今后艙口圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

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Referring to the specification of classification society and finite element technology,the cause of welding cracks at the bracket toe end of longitudinal hatch coaming in the bulk carrier deck was analyzed and it was identified that there was the presence of high stress at welded structure node,thus a processing scheme was put forward tosolve this problem.

甲板；艙口圍；焊接；技術(shù)改進(jìn)

Deck；Hatch Coaming；Welding；TechnicalImprovement

TH131.2

B

1672-0555（2016）04-053-03

2016年5月

朱達(dá)新（1971—），男，本科，講師，主要從事中等專業(yè)學(xué)校機(jī)械及相關(guān)領(lǐng)域的理實(shí)一體化教學(xué)和研究工作