某船支柱墊板與甲板連接焊縫產生裂紋的原因分析

朱佳偉

摘? ? 要：本文對某型船甲板支柱墊板與甲板焊縫開裂現象，從焊接接頭破壞機理進行計算分析，確定其開裂原因并提出修復方案及優化意見，對類似工程施工具有借鑒作用。

關鍵詞：疲勞斷裂；焊接接頭；焊縫缺陷；性能評估

中圖分類號：U671.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Analysis of the Weld Cracks in the Connection between

Support Plant and? Deck of a Ship

ZHU Jiawei

（ Third Military Representative Office of Navy in Guangzhou，? Guangzhou 511462 ）

Abstract： In this paper，the cracking phenomenon of the weld between the strut pad and the deck of a certain type of ship is used.The failure mechanism of welded joints is calculated and analyzed， which determines the cause of cracking and proposes the repair plans and optimization suggestions. It has guiding significance and reference for the construction of similar projects.

Key words： fatigue breakage;? weld joints;? weld defects;? performance evaluation

1? ? ?前言

某型船在使用過程中出現甲板支柱墊板與甲板連接焊縫開裂現象，對船舶使用帶來較大的安全隱患。為了解產生裂紋的原因和提出相應解決措施，開展了相關研究。

焊縫裂紋位置位于該船首部艇甲板下絞盤帶纜區域，為支撐艇甲板的支柱下方墊板與甲板連接焊縫出現裂紋，勘驗時發現#165和#168肋位共4根支柱墊板焊縫出現開裂，裂紋出現的位置如表1所示。

2? ? ?裂紋產生原因分析

2.1? ?概述

焊接接頭的破壞與非焊接接頭不同，因為焊接接頭存在材料非均質特性、幾何不連續性以及殘余應力，見圖1。

焊接接頭的破壞模式可歸納為兩種：第一種是焊縫附近沿著板的厚度方向的破壞模式，稱為模式A，它的破壞起始于焊趾；第二種是焊縫破壞，稱為模式B，它的破壞起始于焊根，穿過焊縫金屬，見圖2。

從斷裂力學的觀點看，模式A裂紋取決于破壞位置板截面方向相對于裂紋平面的法向應力分布，應力狀態取決于板厚；而模式B取決于破壞路徑所定義的裂紋平面的法向應力分布，應力狀態取決于實際焊喉尺寸；而模式A的破壞可以通過結構優化，減小結構應力集中，降低出現概率；模式B的破壞可以通過設計適當的焊縫尺寸和焊接工藝，予以避免。

通過現場勘驗可以看出，裂紋主要出現在焊縫中間而不是焊趾，也就是說焊接接頭破壞為模式B，即因為焊縫尺寸過小或焊接質量不佳引起的。

2.2? ?計算分析

1）理論方法

（1）支柱承壓時焊縫計算分析

在支柱承受豎直向下的壓力載荷時，當支柱墊板與甲板完全接觸時，支柱壓力通過板與板的接觸傳遞，墊板與甲板間連接焊縫幾乎不傳遞壓力載荷，在該狀態下焊縫不會被壓壞。

由于支柱為細長桿，當支柱承受的壓力載荷超過其穩定性許用載荷時，支柱會出現失穩造成彎曲，從而對連接焊縫產生彎曲應力。

依據《鋼質海船入級與建造規范（2021）》，支柱所承受的壓力載荷 P按下式計算：

P = 7.06 abh + Po? ? kN? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中： a為支柱所支持的甲板面積的長度，m；b為支柱所支持的甲板面積的平均寬度，m；h為支柱所支持的甲板的計算壓頭，m；Po為上方支柱所傳遞的載荷，kN。

對于#165 距舯7 500支柱： a=3.9 m，b=2.7 m ，h=3.2 m ，l=2.6 m ，Po =24.8 kN；對于#168 距舯1800支柱：a=3.9 m，b=4 m，h=3.2 m，l=2.6 m，Po =24.8 kN；對于#173 舯縱支柱： a=2.275 m，b=5.4 m，h=3.2 m，l=2.6 m，Po = 0 kN。

將上述數值代入式（1），得到各支柱所承受的壓力，P如表2所列。

按照規范，管形支柱的壁厚 t 應不小于按下列兩式計算所得之值：

t=P /（0.392 dp-4.9l）? ?mm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

t=dp / 40? ?mm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中： P 為支柱所受的載荷 P， kN；l為支柱的有效長度， m；dp為管形支柱的平均直徑， mm。

將上述數值代入式（2）（3），得到管形支柱的壁厚如表2所列：

表2? 各支柱計算結果

由表2可知，艇甲板下#161～#175間支柱的強度及穩定性均滿足規范要求。從現場勘驗來看，支柱不存在彎曲、扭曲等變形，在承壓狀態下支柱的壓桿穩定性足夠，不會對支柱墊板與甲板間連接焊縫造成影響。

（2）支柱承拉時焊縫計算分析

對支柱承拉狀態，規范中未作要求，僅要求對于壓載艙或其他液艙內的支柱應注意可能受拉的影響。在支柱承拉時，拉力載荷需要通過支柱與墊板間連接焊縫以及墊板與甲板間連接焊縫傳遞，現對這兩個焊縫強度進行分析。

① 對于支柱兩端連接，規范要求應保證支柱上下端處的結構能合理地承受和傳遞載荷，在支柱的下方應設置復板或加厚板，具體厚度或尺寸規范無要求。設計中參考了CB 261《水面艦艇圓形鋼支柱選用要求》，對于本區域的φ133×8 mm和φ194×12 mm支柱，采用不設肘板樣式，見圖3所示。

焊接要求：對于t=8 mm管型支柱，端部連接采用5 mm焊角高度、圍焊；對于t=12 mm管型支柱，端部連接采用7 mm焊角高度、圍焊。

② 支柱承受拉力載荷時，由于規范沒有給出拉力載荷的計算公式，在此僅對單位拉力載荷狀態下焊縫情況進行定性分析。

對于φ133×8 mm支柱：支柱與墊板間連接焊縫受力面積為1 532.79 mm2；墊板與甲板間連接焊縫受力面積為2832.34 mm2；墊板與甲板間連接焊縫是支柱與墊板間連接焊縫應力的1.85倍。

對于φ194×12 mm支柱：支柱與墊板間連接焊縫受力面積為3 125.57 mm2；墊板與甲板間連接焊縫受力面積為6328.89 mm2；墊板與甲板間連接焊縫是支柱與墊板間連接焊縫應力的2.02倍。

由此可見，在一定受拉狀態下，不管是φ133×8 mm還是φ194×12 mm支柱，支柱墊板與甲板間連接焊縫應力均小于支柱與墊板間的焊縫應力。實船中支柱墊板與甲板連接焊縫處出現裂紋，即在低應力處而不是高應力處出現裂紋，與前面的分析不符，說明墊板與甲板間連接焊縫裂紋是因為焊接施工等原因造成焊縫強度不足，而不是因為焊縫設計強度不足造成。

2）有限元方法

為了更準確地獲得焊縫受力情況，特別是支柱受拉狀態的拉力載荷，現采用有限元直接計算方法對該區域焊縫強度進行分析。選擇的計算工況為：中拱最大合成彎矩工況（滿載排水量）；中垂最小合成彎矩工況（正常排水量）。

采用全船有限元模型進行分析，通過強框結構位置的節點力加載法進行加載，保證加載后各個給定剖面的彎矩剪力與以上計算工況要求彎矩剪力一致；模型為了模擬船處于自由正浮狀態，不設定任何邊界條件，而選擇全船型心點進行慣性釋放。通過全船有限元計算分析，結果如下。

（1）#168附近艇甲板下4根支柱軸向應力如下：在最大中拱工況下，最大拉應力值出現在#165支柱，拉應力最大為104 MPa，遠小于Q235鋼的許用應力164.5 MPa；中垂狀態下，最大壓應力值出現在#165支柱，壓應力最大為88.6 MPa，遠小于Q235鋼的許用應力。

（2）在中拱狀態，#165附近區域支柱受拉，計算得到支柱與墊板間連接焊縫拉應力以及墊板與甲板間連接焊縫拉應力，見表3所列。從表3可以看出，焊縫應力均小于許用應力，焊縫不會被拉壞。

在中垂狀態，#165附近區域支柱受壓，支柱壓力通過墊板與甲板間的接觸傳遞，墊板與甲板間的焊縫幾乎不承受壓力載荷，在該狀態下，焊縫不會被壓壞；支柱承受的壓力小于許用設計載荷，支柱不會被壓壞或失穩。

2.3? ?焊縫破壞原因分析

根據以上計算結果：船舶在中垂狀態，支柱墊板焊縫不承受載荷，不會被壓壞；船舶在中拱狀態，支柱承受拉力載荷，支柱與墊板間連接焊縫及墊板與甲板間連接焊縫均承受載荷，墊板與甲板間連接焊縫滿足強度要求，不會破壞。由于支柱墊板與甲板間連接焊縫應力小于支柱與墊板間連接焊縫應力，墊板與甲板間連接焊縫不會先出現破壞。

實船墊板與甲板連接焊縫有破壞裂紋，可能原因如下：

1）該區域為半露天區域，靠近船舶首部，存在甲板上浪，焊縫長期處于干濕交替狀態，同時本船長期處于南海高鹽霧環境，加速了焊縫腐蝕，造成焊腳高度變小，達不到要求；

2）本船為了甲板流水方便，甲板設置0.168 m高的梁拱，由于墊板與甲板采用搭界形式焊接，施工時墊板與甲板不平行，中間容易有較大縫隙，造成施工時焊角高度不易保證；

3）從勘驗圖片看出，焊縫破壞處焊縫表面粗糙不平，初始缺陷（裂紋）造成焊縫在高海況下的破壞。

3? ? 修復方案

按照上面的計算分析，墊板與甲板間的焊縫達到滿焊圍焊要求時，就算在最大中拱工況下支柱受拉時，焊縫也不應被拉壞。但由于使用環境、施工等原因，該位置墊板與甲板間的焊縫強度達不到設計要求，在高海況時可能會被被拉壞。針對該情況，主要修復方案為：

1）將破壞位置的墊板與甲板間的連接焊縫完全鏟除并打磨光滑，然后重新圍焊焊滿，如見圖4所示。

2）由于甲板存在梁拱，施工時墊板與支柱垂直，與甲板不平行，造成墊板與甲板間存在較大縫隙，在進行墊板圍焊時，該縫隙的存在造成焊接質量難以保證，如圖5所示。

為了增大船舶航行安全性，現針對支柱與甲板連接節點進行優化，主要措施為增加連接結構焊縫面積：在支柱四周增加肘板，肘板尺寸與頂端肘板一致；對原墊板與甲板間連接焊縫全部鏟除并打磨光滑，并對墊板與新增肘板連接處部分鏟除，如圖6所示；然后重新焊接，保證肘板與甲板間采用圍焊，墊板與甲板間圍焊焊滿。

圖6? 肘板加強示意

4? ? ?結論

針對甲板支柱墊板與甲板間連接焊縫開裂現象，利用理論方法及有限元分析方法開展計算校核，分析焊縫開裂原因并提出解決方案及優化建議，對于船舶結構焊縫開裂等相似缺陷處理提供技術參考，對提高焊接結構的可靠性具有一定的應用價值。

參考文獻

[1]方洪淵.焊接結構學（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2017.

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