船體結構殘余應力的形成與控制

鄒江平

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

現代船體結構件的組合方式多采用焊接，焊接是一種永久性連接金屬材料的工藝方法，在現代船舶工業中有著廣泛的應用。然而，在焊接施工過程中產生的內部殘余應力會對結構性能產生一定影響，應采取有效控制措施以減小或消除焊接殘余應力來提高船舶的結構穩定性。選擇合適的船舶結構應力測試方法是十分重要的。船體內部殘余應力會直接降低船體結構的韌性和強度，并可能導致焊接結構出現裂紋甚至斷裂。采取有效的控制措施減少或消除焊接殘余載荷，對提高造船構件的整體穩定性、避免損傷船舶極限強度可靠性具有重要意義。本文對造成裝配、焊接殘余應力的因素進行分析，并根據船體各部位不同階段的焊接特點，提出相應的控制措施，盡可能降低殘余應力的影響。

1 船舶焊接殘余應力分析

1.1 形成原因

在船舶金屬結構的焊接過程中，大多數部件未進行焊前預熱，這將導致焊接過程中構件的溫度分布不均勻。焊縫中的熔敷金屬和焊縫周邊區域需要經歷如下熱循環：加熱、熔化、凝固和冷卻。金屬在焊接過程中的熱膨脹和冷收縮受到很大的約束，存在2種類型的焊接殘余應力：1）結構不同區域的自平衡殘余應力；2）在整個船舶建造過程中，由于尺寸不一的零件的強制裝配和安裝精度控制的缺失造成的殘余應力。殘余應力的產生與焊接對象的不均勻受熱和彈塑性變形密切相關。

1.2 影響因素

在焊接過程中，焊接區域不同部位的溫度會有所不同，不均勻的溫度分布也會有不同的延伸。焊接區域周圍的冷卻金屬會限制膨脹部分的收縮，使熱膨脹和冷收縮不能同步，這就導致了殘余應力和構件變形。焊接結構的剛度限制了加熱（冷卻）過程中的自由膨脹（收縮）的程度，使得構件在焊接連接中產生應力和變形。高強度鋼主要用于主船體貨艙區，而船體分段結構中存在大量的封閉焊縫，使結構內力與剛度相互約束，在焊接過程中形成較大的殘余應力且無法散盡。除此之外，焊縫在結構中的位置、方向、焊接方法也會對焊接殘余應力產生一定影響。焊接過程中殘余應力的存在不僅降低了船體焊接結構的性能，而且降低了船舶的整體強度，甚至會造成突發性的脆性斷裂，如何盡可能地降低或消除船體零件裝配和焊接過程中的殘余應力是一個重要的問題。

2 殘余應力的分類

2.1 裝配殘余應力

一些小型船廠沒有成套的冷成形設備，也不具備雙曲面外板成形加工技術。其在裝配過程中直接將構件抬起，并強制用千斤頂推到位，類似野蠻施工將會導致構件彈性邊界的應力過大。此外，由于受到工裝工藝能力的限制，裝配零件的精準度仍存在很大的問題。裝配過程中構件邊界應力隱含其中，難以釋放，這會導致彈性變形過大、船體結構剛度不足、結構失穩、滲漏、振動和裂紋等問題。構件在裝配過程中對局部應力是有所要求的，應力超出允許范圍則會導致船體結構強度不足、船體結構振動異常、船舶疲勞程度加快、裂紋產生加快，甚至可能造成在極端惡劣的海況下出現船體斷裂這種無法挽回的后果。

2.2 焊接殘余應力

船舶構件焊接殘余應力主要是在焊接過程中船體構件局部受熱不均造成的。在焊接過程中，加熱區域小，溫度變化幅度大。焊縫金屬急速熱脹冷縮，而焊接接頭處的結構剛性約束了焊縫變形，導致焊接接頭的組織發生變化，熱應力超過彈性極限，最終導致構件內部應力殘留。因此，對船體高強度鋼及鑄鋼件等構件進行焊前預熱及焊后保溫是一種針對殘余應力控制的積極預案。

3 船體結構應力監測

3.1 監測點布置

將船體結構按其特點分為6類：甲板與平臺、船體外板、艙壁與實肋板、縱向骨材、舷側肋骨、支柱，在每一類結構內將各點應力響應按照從大到小排序。設置參考距離，將收縮高應力區域作為高應力監測點。

3.2 監測點選擇

根據3.1小節所述方法選擇的監測點位置基本是海況下船體結構最敏感的部位。然而，船舶遇到極劣波向和頻率組合的概率相對較低，在大多數情況下，船會遇到不同程度的海況，如果海況數據不完整，按照傳統方法選擇的位置就不全面。根據加權平均值選取結構應力監測點，利用反應函數對檢測點進行計算。需要注意的是，該方法需基于以下2個假設：1）船舶遭遇的浪向符合均勻分布，速度對直線度的影響不大，船舶接收波的方向可視為近似均勻分布；2）相應的權函數僅取決于船舶的載荷條件和遭遇頻率，裝載條件的時間分布系數可根據船舶的實際位置或有關規范確定。

因此，以船舶航區波譜數據為基礎，計算每種應力產生的概率，以發生概率與各船體結構工況分布系數作為權重，采用加權平均值進行應力響應計算，在此基礎上選擇船體應力檢測點。

4 殘余應力的控制

4.1 裝配過程控制

超差現象是裝配過程中的一個常見問題。如果超出公差的零件在焊前未經適當處理就直接強行裝配焊接，構件的應力分布會發生變化，承受負荷能力減弱，結構強度受損。在外力的作用下，超差現象會產生額外的彎矩，可能會導致焊接根部斷裂，應盡可能把控接頭的焊接量，將焊縫根部間隙控制在允許范圍內。如果焊縫的間隙較大，但仍在超差范圍之內，可先在坡口斜面進行適當焊接長肉，當間隙達到要求時再進行焊接；若接頭間隙超過規定范圍，則需要進行局部板材更換，當分段合龍或構件局部換補時，需割開原始焊縫并延伸一小段；當構件的對接誤差或橫截面的偏差量超過規范要求時，必須更換或重新組裝。

4.2 焊接工藝控制

由于船舶建造過程較為復雜，有必要采取相應措施以減少殘余應力。根據不同階段裝配和焊接的特點采取有針對性的措施以降低殘余應力。在造船周期中，多種因素均會導致船體結構應力殘留（主要是焊接應力殘留），消除或盡可能地減小所有船體焊接部件的殘余應力是一項重要的任務。一般而言，所有船體結構部件在裝配過程中應保持尺寸正確，焊縫間隙均勻。裝配不符合圖紙、標準及工藝要求的部件或分段不能進行下一步的焊接工作。對裝配達標的結構部件或分段施焊時，原則上應按由中央向左右、前后的順序進行。對稱結構部件則應安排偶數焊工同時從中間往兩側進行對稱焊接；非對稱結構焊縫進行焊接時，應根據焊縫所處的船體結構中的位置，從靠近結構中央的一端往邊緣一端施焊或從焊縫中點向兩端施焊。使用手工焊、CO焊來進行相對較長焊縫的焊接時，應采用跳焊法、分段退焊法或分中分段退焊法。立向下焊接時則應采用直通焊。當多層焊時，每層焊道的焊接方向需一致，各層的焊接方向可以相反，每層焊道的接頭應盡量相互錯開約30 mm。當結構中同時存在對接焊縫與角焊縫時，應先焊對接焊縫，再焊角焊縫；而同時存在立角焊縫與平角焊縫時，則應先焊接立角焊縫，再焊平角焊縫。

對船體焊接工藝的控制能夠減少船體殘留應力的影響，有效降低船舶的高應力風險。

4.3 精度管理

在整個船體結構的施工過程中，零件加工、板架制作、分段拼裝、總段預合龍、船臺搭載等一系列工序造成的建造尺寸累計誤差是不可避免的。設計和生產過程中就應考慮對各種偏差和誤差進行控制，包括起重駁運變形和長期擺放變形誤差。精度控制就是要清晰地把控每道工序的精度。現代造船的船體零件一般通過軟件建模進行套料，在設計時應加放適當的收縮余量，在裝配前及焊后對其進行精度測量并必須達到標準要求。在裝配過程中，安裝任何船體零件都需要進行測量劃線與精度驗證，這種測量不僅可以有效地控制結構的精度，同時也能有效減少整個建造過程中的內部殘余應力。因此，各工序的殘余應力和變形應在相應環節及時消除，避免累積。

4.4 溫差法和敲擊法消除焊接殘余應力

使用溫差法消除殘余應力時需要利用氧乙炔槍在焊縫兩側一個適當的寬度范圍內進行加熱，在氧乙炔槍加熱之后的一定距離，用水管噴水，將氧乙炔槍和水管以大致相同速度向前移動，利用熱脹冷縮的原理來抵消構件內部殘余應力。利用傳統的錘擊法也可消除內部焊接應力，在局部構件焊接完成后用小錘輕敲焊縫及其鄰近區域，使金屬內部應力釋放，能有效地減少焊接應力殘留。據測定，利用錘擊法可使殘余應力減少約 1/4，如后期對焊縫進行規范打磨，效果將會更好。

5 結論

在船舶建造的不同階段，船體部件在裝配和焊接過程中均會產生或大或小的殘余應力，這部分取決于施工者的業務素質和工作態度。本文針對船體結構應力的形成與控制進行介紹與分析，詳細闡述了殘余應力產生的原因和具體應對方法，對船舶的質量和性能的提高有著重要的意義。