舾裝件缺陷導致局部裂紋的分析及預防

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(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452)

舾裝件缺陷導致局部裂紋的分析及預防

孫冰，鄭坤，周斌

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452)

為了從設計和建造階段入手，減少LNG運輸船出現甲板缺陷，結合修船案例，對甲板缺陷原因進行分析并給出推薦的修改方法，總結出適用于LNG運輸船甲板舾裝件檢驗的重點。舾裝件結構加強一般是為了應對舾裝件帶來的靜載荷，要避免由于局部結構加強產生的結構突變，避免出現應力集中。肘板趾端超高是導致肘板缺乏彈性，進而導致裂紋出現的的主要原因。

LNG運輸船；舾裝件；局部裂紋；疲勞損傷

根據Philip G. Rynn在2007年油船結構論壇上關于雙殼油輪結構缺陷的觀點：超過80%的甲板結構缺陷(甲板裂紋、扶強材裂紋)是由錯誤安裝的舾裝件導致的。因此有必要將舾裝件結構加強作為船體結構設計的一部分進行考慮，因為局部的一點小缺陷有可能發展為主要結構上的缺陷，進而帶來嚴重的后果。近年來，全球范圍內對于天然氣的需求帶動了大型LNG運輸船的發展。油船、LNG運輸船、LPG運輸船、化學品船具有一個共同的名字——液貨船，都具有大量的甲板管路和支撐管路的舾裝件，因此，考慮通過對油船協會在油船塢修過程中發現的甲板缺陷進行分析，嘗試將導致缺陷的原因進行分類，提出改進意見，力求在LNG運輸船建造階段將不合理的、容易導致后期缺陷的設計找出來，減小糾錯成本，最大程度提升船舶運行的安全。

1 典型案例分析

選取具有代表性的將甲板缺陷案例，以如下步驟進行描述：發生結構缺陷的位置(重點關注是否發生在船中0.4L內)；導致缺陷的原因；問題分類(設計問題、生產工藝問題、裝配問題)；產生缺陷的類型(裂紋、結構變形、結構失穩等)[1]。

1.1 主甲板管匯區出現的結構缺陷案例

圖1 肘板趾端超高導致甲板裂紋

肘板趾端超高導致甲板裂紋，見圖1。此處結構缺陷為管子支架處安裝的肘板趾端與甲板連接處出現裂紋。問題出現的直接原因是肘板趾端超高，已經達到50 mm。此缺陷位于船中0.4L區域內，宜將其定性為設計/安裝時出現的問題[2]。

針對這個問題，宜采取的修復措施：更換肘板，肘板趾端高度需保持在10～15 mm。舊的肘板切除后需要對原肘板趾端與甲板連接區域進行磁粉探傷，如甲板上出現裂紋則需進行甲板挖補。

結構缺陷為船中0.4L區域內管匯區承滴盤支撐立柱與甲板連接處出現裂紋。出現問題的原因是：承滴盤參加了總縱彎曲，而原設計中立柱中間是沒有法蘭連接的，因此承滴盤立柱與甲板連接處承受的彎矩過大，出現裂紋。此缺陷位于船中0.4L區域內，宜將其定性為設計問題[3]。

針對這個問題，宜采取的修復措施：將承滴盤支架立柱中加入法蘭結構，使用間隙配合并加以特氟龍墊片，這樣立柱的上下2部分可以存在相對位移。或者將承滴盤分成幾段，避免其參與總縱彎曲。

建議：承滴盤支架應設置反頂加強，支架立柱應該具有彈性，也可以在立柱與甲板連接處設置帶有軟趾端的肘板。

此處結構缺陷為船中0.4L范圍內，肘板與甲板連接處，甲板板出現裂紋。出現問題的原因：肘板與旁邊設備基座結構互相干擾，無法進行裝配焊接，于是工人自行將肘板趾端切掉，導致肘板趾端超高(見圖2)，形成硬點，導致甲板裂紋產生。此缺陷應定性為設計/施工問題[4]。

圖2 肘板趾端超高導致甲板裂紋

針此缺陷，應采取的修復措施：移除設備基座和肘板，探傷確認裂紋位置，將出現裂紋的甲板進行挖補，將設備基座位置進行調整，避開肘板，更換肘板，保證肘板趾端的高度在10～15 mm。

圖3所示為梯子缺乏反頂加強導致艙壁裂紋。此處缺陷位于機艙區域油艙內，油艙艙壁與梯子腳處復板連接處由于振動出現裂紋。此處為設計問題。發生振動的原因是復板反面并沒有加強筋作為反面加強[5]。

圖3 梯子缺乏反頂加強導致艙壁裂紋

針對此處缺陷，應采取的修復措施：對艙壁進行挖補，在梯子腳反面設置加強筋進行結構補強。

圖4所示為腳手眼板未割除導致振動裂紋。此處缺陷位于機艙區域淡水艙內，由于腳手眼板焊接質量較差，伴隨腳手眼板的振動問題，導致艙壁加強筋出現裂紋，進而擴展到艙壁裂紋，導致淡水艙出現滲漏。此處定性為設計/施工問題[6]。

針對此處出現的問題，考慮實際情況確定是否需要保留腳手眼板，如需割除則需要注意留根處的打磨。加強筋和出現裂紋的艙壁需要進行換新，所有挖補區域焊縫需要100%超聲探傷和磁粉探傷。

圖4 腳手眼板未割除導致振動裂紋

甲板室艙壁與甲板形成硬點導致裂紋見圖5。此處缺陷位于船中0.4L范圍內，甲板室與甲板連接處。甲板室與甲板連接處的角焊縫出現裂紋，此處裂紋有可能會延伸到甲板板。發生裂紋的原因是此處設計甲板室與甲板連接屬于“硬點”，在船中0.4L區域內參與總縱彎曲，經過周而復始的中拱中垂運動后，硬點處出現疲勞裂紋。

圖5 甲板室艙壁與甲板形成硬點導致裂紋

針對此處出現的問題，首先需要對出現裂紋的區域進行碳刨，通過磁粉探傷確認所有裂紋已經移除，如果裂紋延伸至甲板板，則需要對甲板板進行挖補。完成甲板室壁板與甲板板的焊接工作后，需要沿船長方向設置肘板，要注意肘板下方甲板板反面應有反頂加強。

2 案例分析結果

通過案例分析可以發現，常見的缺陷原因包括：肘板趾端超高、甲板/艙壁反面反頂加強設置缺失/錯位、剛度過大的甲板舾裝件參與總縱彎曲、結構突變導致的硬點等。

肘板趾端超高形成硬點、剛度過大的甲班舾裝件參與總縱彎曲、結構突變導致的硬點大部分是可以在結構設計/審圖階段發現并消除掉的。這需要設計/審圖人員適當改變對舾裝件的傳統觀念，將舾裝件結構加強作為船體結構設計的一部分進行考慮。

反頂加強設置錯位的原因大多是甲板機械尺寸曾經出現過變動，原設計中的反頂加強位置更新沒有完成；反頂加強設置缺失大多是因為設計人員缺乏經驗，對于振動區域/承壓區域的管子支架僅僅設置了復板而未考慮設置反頂加強。

3 推薦的舾裝件設計檢驗關注點

3.1 舾裝件安裝的廠標

在審圖過程中人們的關注點在主要結構上，對于舾裝件及其加強材的安裝大多僅有一句：按照船廠的標準執行。

但是各個船廠關于甲班舾裝件及其下方的結構加強標準并不統一，目前也沒有公認的推薦標準。而且，一般來說，船廠的標準是不需要提交船級社進行審核的。因此，船東方在進行合同談判時就應該要求船廠提交相關的建造標準并進行審核并提出意見。

3.2 設計和審圖

正常情況下船體結構的設計先于舾裝設計，在進行船體結構部分審圖時可能未包含所有的甲板機械或者舾裝件下面的加強結構。因此有時后期的圖紙修改(如更換了甲板設備)可能沒有及時反映在結構設計(如甲板下方的設備反頂結構加強)中[7]。

在審圖時船東應當要求船廠提交舾裝件安裝手冊，包括管子支架、系泊設備基座、甲板設備、穿艙件等的安裝要求[8]。在電腦上改圖紙比在現場進行修割要容易并且便宜的多，因此船東在進行合同談判時需要對有關設計和圖紙修改提交的條款提出要求。例如，在合同中加一條“對退審圖紙的任何修改都需要提交船東審核”，可以方便船東在船舶建造期間對所有的改圖進行檢查。

3.3 現場檢驗

如上文所述，在審圖階段不一定能檢查甲板舾裝是否與甲板下的結構加強對位準確，因此，在現場檢驗過程中就需要對其進行檢驗。在進行現場檢驗時，不僅僅要將現場情況與退審圖進行對照，還需要與舾裝手冊進行對照。

在分段檢驗階段，舾裝件反頂加強一般就能裝在分段上了，這個時候應該按照舾裝手冊的要求進行檢查。甲板舾裝件必須與其下方的結構加強對位[9]。

船東對于舾裝件的檢查應該包含(不限于)：

1)結構的材質等級和尺寸。

2)結構件是否漏裝。

3)結構件與反頂加強是否錯位。

4)漏焊或者焊腳尺寸是否足夠大。

5)結構件位置有沒有沖突。

6)舾裝件的表面處理及涂裝是否符合規格書要求。

3.4 進行設計時的考慮重點

盡管各家船廠都有自己的舾裝手冊，但是還是有必要在局部的甲板高應力區域進行設計上的改進，尤其是當甲板上使用了高強度鋼材的時候[10]。

3.4.1 關于甲板上的支撐或者支柱的關注點

1)考慮減少或者消除管子分節(避免內部腐蝕)，建議使用開放式的型材，如T型、L型、I型、X型、H型，等。

2)與甲板反面的加強結構對位(能與甲板反面的主要結構對位就更好了)。

3)當支撐或者支柱對甲板面有壓力時，推薦使用復板。

4)當支撐下方正好是肋板上的過梁孔時，需要在孔的位置設置零板。

3.4.2 關于穿艙件(管子)

1)在安裝時盡量使用套管，如果使用套管，盡量采用無縫鋼管。

2)對于直徑超過200 mm的大管子使用環形托架，將環形托架固定在肋板上。

3.4.3 甲板開口

1)要確保甲板開孔是數控切割的并且進行了光順打磨，沒有缺口[11]。

2)在高應力區域或者應力集中區域應該避免開設人孔。

3.4.4 反頂加強

注意反頂加強與原有結構的過渡，避免出現結構突變。

在受到剪切力比較大的區域使用較厚的嵌補板。

3.4.5 其他

肘板趾端高度要保持在10～15 mm，要保證結構有彈性，強度夠，還要能夠方便進行趾端的包角焊。

盡量使用彈性趾端(即設置肘板時盡量使用月牙板而非三角板)。

當舾裝件縱向尺寸較大時，通常其剛度也比較大，可以考慮分成幾段，避免參與船舶總縱彎曲時內部應力過大[12]。

要注意較高結構(如雷達桅)等的振動問題。

避免出現需要檢查維護的部位缺少人孔的情況。

3 結論

大型LNG運輸船作為船舶工業的明星產品，匯聚了行業內頂尖的設計建造團隊和高性能機械設備，因為長達40年的疲勞壽命對LNG船整體的可靠性提出了苛刻的要求。計算機有限元分析的廣泛應用使得有機會找到LNG運輸船主體結構上的每一處結構薄弱點進行補強，但相對滯后的舾裝件設計/安裝水平也使得各方不得不面對“千里之堤，毀于蟻穴”的風險。

提升設計水平的同時，優秀的現場工作人員也是避免舾裝件結構缺陷的關鍵因素。因為即便有好的設計，如果裝配結構錯位或者出現焊接缺陷也會導致結構缺陷。尤其是考慮到國內船廠的現狀，大部分時候，負責舾裝件的焊工和進行船體結構焊接的焊工技術上有巨大的差別，因此需要注意舾裝件焊工的人員培訓和教育。

[1] 閻曉艷，林莉，唐文勇，等.LNG船的疲勞強度計算與分析[J].船舶,2003(6):19-23.

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[4] 孫向民.淺析現場檢驗中對老齡散貨船甲板裂紋的原因分析和處理方法[C].中國航海學會船檢專業委員論文集,銀川，2005.

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[11] 穆勝軍，許海東.移動式采油平臺設計優化[J].船海工程,2016，45(5):31-33.

[12] 王丹丹，高書鵬，曲杰，等.缺陷尺寸對不同剩余強度評價方法保守性的影響[J].船海工程,2015，44(4):143-145.

Analyses of Outfitting Related Structural Defects and Recommended Procedures

SUNBing,ZHENGKun,ZHOUBin

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China)

In order to reduce the structural defects on the deck of LNG carrier, combining with the ship-repairing cases, the causes of the outfitting related defects were analyzed to set forth the key points of inspection of outfitting for the LNG carriers. It can be concluded that the outfitting details must be designed to eliminate the structural hard spots, and normally high toe is the main reason of fatigue crack on the deck.

LNG carrier; outfitting; local crack; fatigue damage

U671.91

A

1671-7953(2017)05-0009-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.004

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

孫冰(1986—)，男，碩士，工程師

研究方向：大型LNG運輸船現場監造質量控制