船舶關鍵節點監控工藝的特別關注

李克杰

（日本船級社（中國）有限公司 上海分公司，上海 200336）

船舶關鍵節點監控工藝的特別關注

李克杰

（日本船級社（中國）有限公司 上海分公司，上海 200336）

為使船舶關鍵節點的應力得到有效的傳遞和釋放，需對關鍵節點進行監控。結構對正是關鍵節點監控的主要部分，運用模板和檢驗線可實現對關鍵節點的監控。通過對關鍵節點的對齊標準、監控原理和模板使用過程中的檢驗環境及監控節點部位等因素進行特別關注，提高監控關鍵節點的可行性，并得出提高監控精度和效率的方法，為船廠實現關鍵節點的自我監控和現場檢驗提供參考。

船舶、艦船工程；關鍵節點；結構對正；模板；監控

0 引 言

船舶關鍵節點系指根據規范規定、結構評估和營運經驗確定的較其周圍結構具有更高失效概率的節點。關鍵節點區域內的應力過于集中易引發裂紋、屈曲和變形等結構破壞。因此，為保證船舶在海上運輸的可靠性，并延長船舶的使用壽命，船東、船級社及船廠對關鍵節點的監控精度越來越關注，一些船級社已將關鍵節點的監控工藝納入到其規范或指南體系[1-4]，并為關鍵節點符合建造監控規范指南的入級船舶授予相應的附加標志。

為使關鍵節點的應力得到有效的傳遞和釋放，需對關鍵節點進行監控。結構對正是關鍵節點監控的主要部分，目前各大船廠較多采用模板和檢驗線來實現關鍵節點監控[5-9]。為進一步提高對船舶關鍵節點監控的可行性和監控精度，這里根據各大船廠實際檢驗的工作經歷，對關鍵節點的監控提出一些需特別關注的地方。

1 船舶的關鍵節點

文獻[1]給出散貨船、油船及集裝箱船等三大主流船型關鍵節點的具體位置，這里以目前比較流行的大靈便型散貨船為例，特別關注船舶關鍵節點監控中影響監控精度和可行性的若干工藝。圖 1為該大靈便型散貨船的關鍵節點示意圖，其關鍵節點有：A為底凳斜側板處底凳頂板與槽形艙壁的連接；B為雙層底橫框架處底凳斜側板與內底板的連接；C為雙層底邊縱桁處底邊艙斜板與內底板的連接；D為頂凳側板處頂凳底板與槽形艙壁的連接；E為底凳直側板處底凳頂板與槽形艙壁的連接；F為貨艙主肋骨與底邊艙斜板的連接的趾端（強框架處）；G為貨艙主肋骨與頂邊艙斜板的連接的趾端（強框架處）；H為貨艙口圍板的縱向端肘板趾端；I為頂邊艙橫向強框架處的貨艙口端橫梁趾端；J為雙層底橫框架處底凳直側板與內底板的連接；K為底邊艙與雙層底橫框架在邊縱桁處的連接。

2 關鍵節點對齊標準的特別關注

原則上，根據散貨船共同建造規范[10]，中心線對位可減少接頭在力傳遞過程中的應力集中，提高接頭的疲勞強度，故對于關鍵節點應盡可能地采用中心線對齊方式，錯位允許誤差min/3 a≤t ，tmin為圖2中形成對接的t1、t2及t3的最小值。文獻[1]將對接接頭分為以下4類，按照這4種分類對該大靈便型散貨船的11個關鍵節點進行歸類。

1) 正十字對接接頭：D、F、G、H、I、J、K；

2) 斜十字對接接頭：B、C；

3) 斜隔板十字對接接頭：E；

4) 雙斜十字對接接頭：A。

這里需特別關注的是，目前進行正十字結構裝配時大多采用理論線對齊方式，若形成對齊接頭的板厚差較大，則即使已按照理論線進行標準安裝，按照中心線對齊原則仍會超出標準范圍。例如關鍵節點 H，形成對齊的板厚差最大的板厚分別為13mm和34mm，若一定要去追求中線對齊，則勢必要顛覆形成已久的理論線對齊裝配理念，造成現場的裝配混亂，繼而造成大范圍的返修。

對于結構對齊方式，日本造船工業標準采用的便是理論線對齊方式[11]，雖然該對齊方式下的結構應力傳遞效果相對于中心線對齊方式稍差，但對于一些大范圍按照理論線安裝的節點，為避免按照中心線對齊方式造成裝配混亂和大面積返工，亦可采用理論線對齊方式。

綜上所述，對于采用正十字對接接頭的節點，若在現場裝配時采用中心線對齊方式確有難度，可按照理論線對齊的原則。對于采用斜對接接頭（上述2~4類接頭，下同）的節點，一般要求按照中心線對齊原則進行裝配。該大靈便型散貨船按照中心線對齊原則，采用中心線對齊方式的節點為A，B，C，D，E，J；采用理論線對齊方式的節點為F，G，H，I，K，該對齊方式亦得到了船級社的認可。

3 關鍵節點模板監控原理的特別關注

模板監控方法直觀反映檢驗結果，使用方便，監控精度高。對于斜對接的接頭，目前船廠一般采用經船級社認可的模板進行監控，圖2即為使用模板實現對C點的監控。當形成斜對接的鋼板結構角度關系確定時，僅用一塊模板便可監控同一角度組成的斜對接節點，采用的方法是用模板卡住結構兩邊或某邊的檢驗線來測量第三邊與模板的間隙，模板采集測量數據的一側留出適當的間隙。例如，對于C節點，當t1= 13mm，t2= 25.5mm ，t3= 25.5mm，模板完全貼合鋼板結構時，在模板的t2邊切除20mm，該間隙可稱之為t1，t2，t3在上述板厚值下的理論間隙；通過數學計算還可得出其他t1，t2，t3板厚組合下C節點在同一模板下的理論間隙；考慮到錯位允許誤差 a≤tmin/3，可計算出該間隙的容許范圍，最后校核測量值是否在間隙容許范圍內，由此便可實現對關鍵節點的監控。該方法不僅可實現斜對接結構的雙向錯位監控，而且可大大減少制作模板的數量。該方法中，斜對接結構在不同鋼板厚度組合下的理論間隙值和容許范圍計算是實現模板監控的關鍵。

正十字對接通常可僅采用檢驗線進行監控，方法是將背面結構的某鋼板邊緣映射到檢測面，形成一條參考線，然后測量檢測面的結構與該參考線的距離。船廠大多采用100mm檢驗線法，該方法的原理比較簡單，這里不再贅述。該大靈便型散貨船僅使用100mm檢驗線進行監控的節點為F，G，H，I，J，K；其余關鍵節點使用模板監控（見圖3）。

3.1 理論間隙的特別關注

3.1.1 兩邊卡結構法模板的理論間隙計算

圖4為兩邊卡結構法斜對接示意，若模板在角度a處卡(t1, t3)邊，則數值A的存在是導致節點在不同板厚組合下理論間隙不同的原因。通過計算可得

在此設定2個板厚組合(t1，t2，t3)和(t1￠，t2￠，t3￠)，將其代入式(1)可得A和A￠，在(t1，t2，t3)中心線對齊且模板完全卡住 3邊時，在卡住t2邊的模板處切掉一部分，設為C值，則C值即為(t1，t2，t3)板厚組合下的理論間隙，通過數學比較可得(t1￠，t2￠，t3￠)板厚組合下的理論間隙C￠值為

同理，若模板在角度b處卡(t2,t3)邊，則數值B可導致節點在不同板厚組成下的理論間隙不同。通過計算可得

若C值設為(t1，t2，t3)板厚組合下的理論間隙，則可得出在其余節點板厚組合(t1￠，t2￠，t3￠)下的理論間隙C￠值為

3.1.2 模板卡檢驗法理論間隙計算

圖5中，數值c可導致節點在不同板厚組合下的理論間隙不同。

式(5)中： b= t2/sin b，am的數值即當圖3中a=90o時B的數值。由此可得

若C值設為板厚組合(t1，t2，t3)下的理論間隙，可得出在其余節點板厚組合(t1￠，t2￠，t3￠)下的理論間隙C￠值為

3.2 間隙容許范圍的特別關注

由“3.1”節可完成各節點在板厚組合(t1，t2，t3)下中線完全對齊時的理論間隙計算，計及錯位的容許誤差a，便可得出各節點的間隙容許范圍。考慮到a是在t3中線方向上的數值，間隙的測量是在垂直于t1或t2的方向上進行的，因此要將a向相應的測量方向轉化，若模板在角度a處卡(t1, t3)邊，則容許誤差a在垂直于t2方向上的分量為 a cos(b -a)，可得監控容許范圍為：理論間隙 - a cos(b - a)≤測量間隙≤理論間隙 + a cos(b -a)。

若模板在角度b處卡(t2,t3)邊，則容許誤差a在垂直于t1方向上的分量為a sina，可得監控容許范圍為：理論間隙-a sina≤測量間隙≤理論間隙+a sina。

根據上述關鍵節點的監控原理，可計算出同一角度下各關鍵節點的監控數據。表1為關鍵節點A的監控數據。

表1 關鍵節點A的監控數據

對于斜對接的接頭，若不采用模板，則只能在接頭的邊緣進行精確的測量，模板能監控整條斜對接接頭；此外，引入理論間隙和容許誤差的概念又能大大減少制作模板的數量，即每個固定角度的斜對接只用一塊模板便可實現監控。若未采用上述理論間隙和容許誤差的概念，則使用傳統方法時各節點需要的模板數量見表2。由此可見，理論間隙和容許誤差的概念不僅可實現錯位的雙向監控，還能省去檢驗時攜帶大量模板的麻煩，有助于提高檢驗的效率和精度。

表2 傳統方法需要的模板數量

4 關鍵節點監控模板使用的特別關注

4.1 兩邊卡結構法模板使用的特別關注

對于A節點模板和C節點（壓載艙內）模板，其兩邊都要求充分貼緊結構面。以A節點為例（如圖4所示），若模板在角度a處卡(t1, t3)邊，在t2邊測量間隙，則會因t3在a角上的自由邊較少且在該角度內還要施以角焊而導致模板無法充分卡住(t1, t3)邊，進而無法測量或引起較大誤差。因此，建議模板在角度b處卡(t2,t3)邊，在t1邊測量間隙。對于該類型模板的使用，為提高監控精度，被選取的基準結構需保證兩邊能充分貼緊模板，測量第三邊與模板的間隙。

對于C節點(壓載艙內)模板，基于同樣的考慮，選取雙層底邊縱桁和內底板下邊緣為基準需貼緊的結構，測量模板與底邊艙斜板的間隙。

4.2 檢驗環境的特別關注

為提高檢驗的效率和舒適度，對涉及2種檢驗處所的關鍵節點，應在不影響精度的前提下盡可能地把檢驗環境選取在結構比較簡潔、清爽的一面。以此為原則，設置該大靈便型散貨船各關鍵節點的監控環境（見表3）。需特別關注，C節點貨艙內的模板監控要輔以內底板上的檢驗線方能完成。由于艏艉段型線變化較大，制作檢驗線的難度也較大，因此C節點貨艙內監控對艏艉段有一定限制。對于C節點壓載艙內的監控，監控原理是兩邊貼緊測量第三邊的間隙，沒有制作檢驗線的環節，因此C節點艏艉段的監控選擇在壓載艙內進行。

表3 節點監控環境

4.3 C節點壓載艙內監控的特別關注

C節點模板監控的是船舶橫剖面上的結構對位，由于艏艉部線型有收縮，因此艏艉部肋位橫剖面上的監控板厚有所變化。圖6為C節點橫剖面示意，用 (t1, t2,t3)表示艏艉部橫剖面上的邊縱桁、底邊艙斜板和內底板板厚，用 (t1￠, t2￠,t3￠)表示該處鋼板材料的實際厚度，通過比較不難發現： t1=t1￠ /cosf ，t2= t2￠ /(cosf ′ sinq )，t3= t3￠，f角為內底板平面上邊縱桁與船舶縱向的夾角（見圖 7），q角為底邊艙斜板縱骨平面上肋位方向與底邊艙斜板的夾角（見圖8）。在應用上述“3.1.1”兩邊卡結構法模板的理論間隙計算時，需考慮到上述板厚的轉換。綜合上述關鍵節點的特別關注，可得出關鍵節點C的監控數據（見表4）。

表4 底邊艙斜板與內底板的連接處——C點的監控數據

艏艉部C節點模板在壓載艙內監控時，模板平面必須與船舶的橫剖面平行。為提高檢驗精度，制作一個帶有角度f的木質卡板，將其監控模板配合使用可實現在船舶橫剖面上監控（見圖9）。

5 結 語

通過對某大靈便型散貨船關鍵節點結構建造監控進行特別關注，得到以下結論：

1) 合理選擇對齊標準可提高關鍵節點監控的可行性，防止現場裝配混亂，進而減少返修的工作量；

2) 通過對關鍵節點理論間隙和容許誤差原理進行分析可知，對于不同厚度組合下的結構節點，使用一塊模板便可實現同一結構角度組成的關鍵節點的監控；

3) 分析了模板使用過程中檢驗環境及監控節點部位等因素對節點檢驗效率和精度的影響，提高了關鍵節點監控的可行性。

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[11] Nippon Kaiji Kokai. Japan shipbuilding quality standard: JSQS-Ⅷ-C-1[S]. 2004.

Special Attention Paid to M onitoring Procedure of Ship￠s Critical Nodes

LI Ke-jie
（Shanghai Branch, NIPPON KAIJI KYOKAI (China) Co., Ltd., Shanghai 200336, China）

It is necessary to monitor ship’s critical nodes to ensure the effective transfer and release of stress on these nodes. Structural alignment plays a major role in critical node monitoring, which can be realized by using templates and inspection lines. As special attention is paid to the alignment standard, monitoring principles, as well as the inspection environment and locations of the monitored nodes during template usage, the feasibility of the critical nodes monitoring is improved, and a method w ith improved monitoring accuracy and efficiency is obtained, which can be referred by shipyards to achieve self-monitoring and on-site inspection.

ship and naval architecture; critical node; structure alignment; monitoring; template; special attention

U671.3

A

2095-4069 (2017) 03-0067-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.014

2015-11-09

李克杰，男，碩士，注冊驗船師，高級工程師，1980年生。2007年畢業于哈爾濱工程大學船舶與海洋結構物設計制造專業，主要從事船舶審圖及檢驗等工作。