劉馨潞

摘要 船舶在海上航行時(shí),船體結(jié)構(gòu)一直受到波浪力以及船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生慣性力的作用。而波浪力和慣性力都是不斷變化的動(dòng)載荷,他們?cè)诖w結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起交變應(yīng)力,很易造成結(jié)構(gòu)的疲勞損傷乃至失效破壞。本文結(jié)合某超巴拿馬型散貨船的建造實(shí)踐,就焊接、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和材料選用3個(gè)方面對(duì)改善結(jié)構(gòu)的疲勞性能進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞 疲勞性能;散貨船建造;焊接;節(jié)點(diǎn);材料

中圖分類號(hào) U661.43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1674-6708(2009)10-0093-02

0 引言

鋼質(zhì)船舶誕生至今,疲勞失效一直被認(rèn)為是船舶結(jié)構(gòu)的一種主要破壞形式,隨著高強(qiáng)度鋼在船體結(jié)構(gòu)中被廣泛采用以及船舶的日趨大型化和類型多樣化,船體結(jié)構(gòu)的疲勞性能更顯得重要。因船體在承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷發(fā)展,乃至疲勞裂紋的生成、擴(kuò)展,最后導(dǎo)致船舶破壞的事例屢有報(bào)道,如日本為美國建造的SEDCO型半潛式平臺(tái)在交貨途中破損沉沒,造成13人死亡;Alexan-derkeyland號(hào)半潛式平臺(tái)在北海翻沉,使100余人葬身海底。調(diào)查分析的結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的疲勞失效是造成事故的重要原因之一。本文結(jié)合某超巴拿馬型單殼散貨船的建造,通過從焊接、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、材料的合理選用3個(gè)方面來探討如何有效改善和提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

1 概述

1)焊接目前在工程生產(chǎn)上是最主要的連接方法,焊接結(jié)構(gòu)的重量已占到鋼鐵總產(chǎn)量的50%以上甚至更多,然而由于施焊過程中的焊接缺陷、殘余應(yīng)力等因素,導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)承受交變載荷的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材金屬,焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常不斷發(fā)生斷裂事故,調(diào)查分析表明,其中90%為疲勞失效。船舶作為在海上營(yíng)運(yùn)的特殊的鋼質(zhì)交通工具,其安全性顯得尤為重要,如何通過改善焊接工藝、減少焊接缺陷和合理的后期焊縫處理方法來改善船舶的焊接點(diǎn)疲勞性能是值得關(guān)注的。

2)大量研究和實(shí)踐表明,在船體結(jié)構(gòu)承受主要應(yīng)力和交變載荷的區(qū)域設(shè)置合理的結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)形式,通過改善焊接趾端的幾何形狀,降低應(yīng)力集中系數(shù),能有效提高該區(qū)域的疲勞性能,改善船體的穩(wěn)定性,提高船舶的使用壽命和營(yíng)運(yùn)性價(jià)比。

3)在我們船舶建造實(shí)踐過程中,根據(jù)擬定的船舶受載荷情況,參照相關(guān)數(shù)據(jù)資料和公式,并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了有限元分析,結(jié)合長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,該散貨船的主要交變載荷受力區(qū)域以及易疲勞失效點(diǎn)得以顯示,主要表現(xiàn)在:(1)內(nèi)底板與底墩側(cè)板的連接;(2)波形艙壁與底墩面板的連接;(3)舷側(cè)肋骨與邊艙的連接,(4)肋板扶強(qiáng)材與縱骨的連接等

2 焊接與疲勞

2.1焊接接頭易疲勞失效的主要原因

1)試驗(yàn)表明,焊接接頭承受靜載荷的能力一般不低于母材,但是,在承受交變動(dòng)載荷的時(shí)候,其能力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材,這是引起船體結(jié)構(gòu)的焊接接頭疲勞失效的一個(gè)主要因素;

2)當(dāng)前,船舶建造任務(wù)繁重、工期緊,人員呈現(xiàn)不足的態(tài)勢(shì),船舶在建造過程中,現(xiàn)場(chǎng)施焊人員以及生產(chǎn)管理人員均盲目追求速度而忽略了焊接的質(zhì)量,降低了疲勞性能;

3)不當(dāng)?shù)暮附庸に囋O(shè)計(jì)以及焊縫處理方法均降低了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度,加速了疲勞失效。

2.2 船舶建造過程中的焊接實(shí)踐:

1)強(qiáng)化、細(xì)化船體焊接規(guī)格表,對(duì)全焊透、深熔焊要求的焊縫接頭進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤檢查;

2)提高焊工的工作技能,從客觀條件上保證焊接質(zhì)量;

3)保證焊接質(zhì)量,杜絕或減少如上述所說的焊接缺陷,加強(qiáng)巡查;

4)完善焊接工藝設(shè)計(jì),主要通過焊接構(gòu)件的尺寸和位置來制定詳細(xì)的焊縫形狀、坡口形式以及施焊前,焊接過程中的熱處理和物理敲擊程序等;

5)加強(qiáng)焊縫后處理意識(shí),消除或減少焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,在船舶建造實(shí)踐過程中,主要采用以下幾種工藝和方法:

(1)熱處理,如表1所述區(qū)域采用熱處理工藝是可行的;

(2)砂輪打磨,通過碳-鎢砂輪對(duì)焊縫表面缺陷以及形狀缺陷進(jìn)行修整;

(3)錘擊或噴丸,通過沖擊加工,對(duì)焊縫產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,提高接頭的疲勞強(qiáng)度;

(4)超聲波沖擊處理,對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行沖擊調(diào)整,改善疲勞性能的效果非常顯著。

3節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與疲勞

通過研究計(jì)算和有限元分析的基礎(chǔ),確定全船(貨艙區(qū))的主要應(yīng)力區(qū)和該區(qū)域構(gòu)件的熱點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行精心的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),有效減少或消除疲勞裂紋的產(chǎn)生,提高船體的疲勞性能。我們?cè)谠摯暗慕ㄔ鞂?shí)踐過程中,主要對(duì)以下幾處典型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改善[3]。

1)內(nèi)底板與底墩側(cè)板的連接、內(nèi)底板與低邊艙斜板的連接以及底墩與波形艙壁的連接等,均在保證三者中心線對(duì)齊的基礎(chǔ)上,焊縫接頭全焊透,并打磨圓滑過渡,通過控制該熱點(diǎn)處的焊縫表面形狀,降低應(yīng)力集中系數(shù)來改善疲勞性能;

2)雙層底、邊艙區(qū)域,艙壁(肋板)上的扶強(qiáng)材與縱骨之間的連接,可通過控制過焊孔尺寸和增設(shè)軟趾來改善其疲勞性能;

3)舷側(cè)肋骨與上下邊艙的連接,按照?qǐng)D1進(jìn)行的軟趾設(shè)計(jì)能有效增加其熱點(diǎn)應(yīng)力,改善疲勞性能;

4 材料的合理選用

隨著船舶的大型化發(fā)展,人們總是希望材料具有較高的比強(qiáng)度,減輕船體自重的同時(shí),提高其貨物承載能力,所以高強(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生,它也具有較高的疲勞強(qiáng)度,因?yàn)榛窘饘俚钠趶?qiáng)度總是隨著靜載強(qiáng)度的增加而提高。

我們?cè)诖w結(jié)構(gòu)中,對(duì)關(guān)鍵部位的構(gòu)件均要考慮使用高強(qiáng)度鋼來提高其交變應(yīng)力的承載能力,其中最為典型的是該散貨船上甲板在各個(gè)艙口角隅處的角隅板,甚至需選用DH36的高強(qiáng)鋼,同時(shí),不允許對(duì)角隅板自由邊進(jìn)行熱加工處理,只能進(jìn)行機(jī)械加工。另外一個(gè)典型的材料選用在于底墩下方的內(nèi)底板,根據(jù)受力分析和計(jì)算, 首尾方向的底墩下方需采用Z向鋼來抗層狀撕裂[4]。

5 結(jié)論

船舶在海上航行時(shí),船體結(jié)構(gòu)一直受到波浪力及船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生慣性力的作用。而波浪力和慣性力都是不斷變化的動(dòng)載荷,他們?cè)诖w結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起交變應(yīng)力,很易造成結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。所以,我們?cè)诖敖ㄔ斐跗诰蛻?yīng)該充分考慮后續(xù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和焊接工藝,以及建造過程中的焊接質(zhì)量,努力改善和提高船體的疲勞性能,保證船體結(jié)構(gòu)中受交變載荷作用的構(gòu)件有足夠的疲勞壽命,保證船舶運(yùn)營(yíng)安全。

參考文獻(xiàn)

[1]中華機(jī)械網(wǎng).提高焊接接頭疲勞性能的研究進(jìn)展和最新技術(shù),2008,10.

[2]章漪云,何曉航.高強(qiáng)度鋼在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探討[J],2004,2.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)[M],1992,11.

[4]中國船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[M],2007,9.