劉樂樂 陳曙梅 喬國瑞

（1.上海交通大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 上海200030；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

屈服點大于或等于265 N/mm2的鋼屬于高強度鋼。高強度鋼與普通鋼最主要的區(qū)別是高強度鋼的含碳量明顯高于普通鋼，故普通鋼也被稱為低碳鋼。一般情況下含碳量越高其屈服強度也越高，但其塑性和韌性降低。目前高強度鋼在耙吸挖泥船上應(yīng)用普遍，很多挖泥船泥艙區(qū)域結(jié)構(gòu)全部使用高強度鋼。本文依托4 500 m3耙吸挖泥船研究高強度鋼在耙吸挖泥船上應(yīng)用時需考慮的幾個關(guān)鍵問題，本文討論的高強度鋼是指H36，屈服極限為355 N/mm2。中型挖泥船［1］是指艙容在4 500～8 000 m3，依托項目的泥艙裝載能力為4 500 m3，為典型中型耙吸挖泥船，本船為單列泥門設(shè)計，沿海航區(qū)作業(yè)，無限航區(qū)調(diào)遣。其主要參數(shù)見下頁表1。

表1 依托項目耙吸挖泥船的主要參數(shù) m

中型挖泥船相對于小型挖泥船來說，其作業(yè)區(qū)域更廣，且一般主尺度比不滿足規(guī)范的要求，故其波浪彎矩需要直接計算，這樣其總彎矩較大，對船體梁彎曲極為不利。

1 研究背景

4 500 m3耙吸挖泥船，泥艙采用泥艙圍板式結(jié)構(gòu)，頂部為開敞泥艙，最上層連續(xù)甲板為中部帶大開口的泥艙甲板。在寬度方向上，由于布置和通道需要，泥艙甲板沒有延伸到兩舷，從而使泥艙甲板寬度有限，其橫剖面示意圖見圖1。

圖1 橫剖面示意圖

由圖1不難發(fā)現(xiàn)泥艙甲板距離中和軸最遠，但其有效剖面積很小。整個泥艙長度約占整船長度的40%，占據(jù)船舯0.4L范圍，為中垂、中拱彎矩最大處。耙吸挖泥船最常見的狀態(tài)為作業(yè)時的泥艙滿載和空載，其中空載時中拱靜水彎矩很小，但泥艙滿載時，泥漿密度高達1.6 t/m3、溢流高度高達10.7 m， 產(chǎn)生的中垂彎矩很大，頂部泥艙甲板的屈服屈曲強度基本決定了本船的總縱承載能力。若泥艙甲板結(jié)構(gòu)使用的是普通鋼，為滿足設(shè)計靜水彎矩，增加頂部有效剖面模數(shù)的唯一辦法就是增加板厚，導(dǎo)致泥艙質(zhì)量大幅增加，有悖于本船挖泥作業(yè)需考慮的淺吃水要求?；谝陨峡紤]，首選使用高強度鋼。本文主要從總強度、泥艙局部強度、空船質(zhì)量、高強度鋼應(yīng)用范圍和高強度鋼對疲勞強度的影響等五方面進行論述。

2 泥艙局部強度

泥艙中泥漿的最大密度為1.6 t/m3，溢流高度為10.7 m。大密度、高壓頭對泥艙局部強度提出了更高的要求。根據(jù)規(guī)范［5］14.8.4的要求分別按照普通鋼和高強度鋼對泥艙圍壁及其骨材和桁材進行設(shè)計。以泥艙縱壁及其最下面一根縱骨為設(shè)計對象，桁材每個強框相同，以任意強框為設(shè)計對象。泥艙艙壁板厚、泥艙艙壁扶強材及桁材計算結(jié)果的比較見下頁表2。

由表2可以清楚看到：如果采用高強度鋼，泥艙最下緣板厚可以減小2 mm，縱骨大小也大大降低，桁材腹板高度，厚度及其面板的寬度和厚度都也可大大減小。這樣，一方面可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，另一方面可以給輪機、電氣及特機等其他專業(yè)設(shè)備及管系預(yù)留更大空間，從而更有利于設(shè)備及管系的布置。

表2 泥艙部分板厚、骨材和桁材計算結(jié)果比較

3 泥艙甲板屈服屈曲強度

3.1 泥艙甲板屈服強度

中橫剖面中和軸位置距離船底板4.15 m，泥艙甲板處剖面模數(shù)為3.28 m3，作業(yè)工況靜水彎矩為315 000 kN·m，波浪彎矩為305 000 kN·m。根據(jù)規(guī)范總縱彎曲應(yīng)力σ=189 N/mm2。

根據(jù)規(guī)范可知如果泥艙甲板采取普通鋼，船中區(qū)域船體梁的許用彎曲應(yīng)力［σ］= 175 N/mm2，顯然泥艙甲板處實際船體梁的許用彎曲應(yīng)力大于許用應(yīng)力。故采用普通鋼不滿足條件，只有加大板厚才能滿足。根據(jù)計算，當(dāng)板厚由原來的16 mm增加到25 mm以上，才能滿足要求，但也將使船體質(zhì)量增加約25 t。若將其改為高強度鋼，則其強度還有25%的富裕，這足夠說明此處采用高強度鋼有很大好處。

3.2 泥艙甲板屈曲強度

作業(yè)工況時泥艙裝滿，船體靜水彎矩和波浪彎矩達到最大值，此時船體梁處于中垂?fàn)顟B(tài)，泥艙甲板受壓。下面就分別按照普通鋼和高強度鋼來計算泥艙甲板的屈曲強度。

根據(jù)鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［5］2.2.7屈曲強度計算要求，本船在泥艙甲板處，板凈厚度為16-2=14 mm，E=2.06× 105N/mm2，s= 0.7 m。表3分別按照普通鋼和高強度鋼給出了此處受壓時的臨界屈曲應(yīng)力。

表3 泥艙甲板處臨界屈曲應(yīng)力

由表3可知，當(dāng)采用普通鋼時，泥艙甲板上的實際受壓應(yīng)力大于臨界屈曲應(yīng)力，而采用高強度鋼時，臨界屈曲應(yīng)力大幅提高，實際受壓應(yīng)力遠小于臨界屈曲應(yīng)力，可見采用高強度鋼對增加泥艙甲板的抗屈曲能力非常有效。

3.3 泥艙段剛度問題

通過局部計算、屈服和屈曲計算，可知泥艙段采用高強度鋼有很明顯的效果，但是在滿足強度的前提下，采用高強度鋼時，板厚及骨材尺寸均變小，需要考慮整體剛度問題。本船按照泥艙區(qū)均采用高強度鋼的方案，通過計算中剖面慣性矩及最小剖面模數(shù)要求，考察其剛度問題。

根據(jù)規(guī)范［5］2.2.5船體梁彎曲強度的要求，在甲板處和龍骨處的船中最小剖面模數(shù)W0及慣性矩見表4。

表4 船體中橫剖面剛度

由表4可知，無論采用高強度鋼還是普通鋼，規(guī)范對剖面慣性矩的要求是一樣的，與材料無關(guān)。但是對于挖泥船來說，其慣性矩的余量非常大，即使我們采用高強度鋼后板厚和骨材都減薄減小了，慣性矩也會跟著減小，但是其最終大小還是非常富裕，可見挖泥船一般情況下不存在剛度問題。

4 高強度鋼應(yīng)用范圍

4.1 高強度鋼沿船長方向范圍

挖泥船泥艙位于船中，大概占總長的40%，泥艙前后分別為泵艙和輔設(shè)備艙。靜水彎矩和波浪彎矩在船中附近范圍內(nèi)達到最大值，向船體兩端逐漸變小，泥艙段范圍以外的靜水彎矩和波浪彎矩已相對較小，而且這些是機器設(shè)備處所，強度已不是考慮的主要對象，剛度則變?yōu)橹饕獑栴}，故泥艙段以外采用普通鋼比較合適。至于高強度鋼和普通鋼之間如何變化，在規(guī)范2.2.5.8中有如下規(guī)定：

當(dāng)船舯區(qū)域采用高強度鋼而兩端部采用低碳鋼時，使用高強度鋼板的區(qū)域用延伸至端部所要求的低碳鋼厚度與船舯高強度鋼板厚相同處為止（見圖 2）。

圖2 高強度鋼沿船長方向范圍

4.2 高強度鋼沿型深方向范圍

前文說明泥艙甲板需要采用高強度鋼，但是其他位置，特別是靠近中和軸位置其船體梁彎曲應(yīng)力很小，也就是說此處屈服和屈曲強度都不存在任何問題，完全可以采用普通鋼，但其高強度鋼和普通鋼的過渡要滿足規(guī)范［5］2.2.5.7的要求。規(guī)范中要求如下：當(dāng)強力甲板結(jié)構(gòu)采用高強度鋼時，范圍為從該甲板邊線向下的區(qū)域；當(dāng)船體結(jié)構(gòu)采用高強度鋼時，范圍為從平板龍骨向上的區(qū)域，見下頁圖3。

其中：y1和y2分別為中和軸至甲板邊線和平板龍骨的垂直距離，m；K為材料系數(shù)

圖3 高強度鋼沿型深方向范圍

按照規(guī)范要求，本文為依托船型設(shè)計了3種泥艙區(qū)使用高強度鋼的方案，分別為泥艙區(qū)全部使用高強度鋼、泥艙圍板和接觸泥漿的結(jié)構(gòu)使用高強度鋼，以及泥艙區(qū)僅主甲板以上（即泥艙圍板）使用高強度鋼，并且根據(jù)3種設(shè)計方案，分別計算其滿足最小要求的局部強度及總強度時的縱向構(gòu)件尺寸。由于采用不同鋼級，橫向結(jié)構(gòu)的板厚及骨材尺寸差異不大，因此僅考慮縱向結(jié)構(gòu)的質(zhì)量差異已經(jīng)可以滿足研究合理的高強度鋼使用比例問題。研究泥艙區(qū)高強度鋼使用比例對縱向結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響，其結(jié)果見表5。

表5 泥艙區(qū)高強度鋼不同使用比例的結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比結(jié)果

根據(jù)表5的對比結(jié)果，對于依托項目，泥艙區(qū)全部使用高強度鋼的方案比僅主甲板以上結(jié)構(gòu)使用高強鋼的方案可以減輕103.9 t的空船質(zhì)量；而相比全部使用普通鋼的方案，則可減輕148.9 t的空船質(zhì)量。

5 使用高強度鋼的效益

以本船為例，泥艙段全部采用高強度鋼，船體兩端采用普通鋼，泥艙段以外區(qū)域，按照規(guī)范要求將材料進行過渡。采用高強度鋼后，泥艙段總重約1 100 t，與采用普通鋼相比，約節(jié)省150 t鋼料。目前高強度鋼的單價比低碳鋼略高，因此我們要分析鋼材消耗量減少的經(jīng)濟效益是否能補償高強度鋼因單價較高而增加。使用高強度鋼與普通鋼的具體經(jīng)濟效益對比見表6。

表6 使用高強度鋼及普通鋼的效益對比

由此可見，采用高強度鋼和采用普通鋼的效益區(qū)別不大。雖然采用高強度鋼對造價影響并不明顯，但減少的空艙質(zhì)量可用于增加裝載量（約增3%），對于挖泥船的長期生產(chǎn)效益較為可觀。

6 高強度鋼對疲勞強度的影響

船用高強度鋼的缺口沖擊功實際上僅稍高于船用普碳鋼的對應(yīng)值。下頁圖4給出不同荷重循環(huán)次數(shù)下普通鋼和高強度鋼的可承受的應(yīng)力曲線。由這兩條應(yīng)力曲線可以看出：當(dāng)荷重循環(huán)次數(shù)增加到106以后，兩者的疲勞強度相當(dāng)；但挖泥船的疲勞問題主要為因裝載變化而產(chǎn)生的低周疲勞，荷重循環(huán)次數(shù)量級為104。由圖4［2］也不難看出，高強度鋼的低周疲勞強度略高于普通鋼。

圖4 高強度鋼和普通鋼的疲勞強度比較

高強度鋼在焊接過程中會出現(xiàn)冷裂紋和再熱裂紋。［3］冷裂紋一般在焊后冷卻過程中發(fā)生，冷裂紋的產(chǎn)生可能是在焊后數(shù)分鐘也可能數(shù)天后發(fā)生， 故也稱為延期裂紋。［3］在這個冷卻過程中，容易在熱影響區(qū)出現(xiàn)低塑性即所謂的脆性組織，這種組織是由氫從焊縫金屬擴散到熱影響區(qū)集聚而成的淬硬區(qū)。當(dāng)焊縫擴散氫量較高和接頭約束較大時易產(chǎn)生氫，最終導(dǎo)致裂紋。鋼的強度級別越高，這種淬硬傾向越強，延期裂紋的敏感性也越強。因此，焊接時必須采取措施防止延期裂紋的出現(xiàn)。焊接時應(yīng)使用低氫焊條，并對焊條進行保溫、保濕； 同時，避免焊液飛濺，拒絕產(chǎn)生非圓形裂紋。再熱裂紋是指一些高強度鋼構(gòu)件在焊接后需進行消除應(yīng)力熱處理，而在此過程中容易在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)產(chǎn)生晶間裂紋。有時不僅在熱處理過程中發(fā)生，也可能在焊接后再次高溫加熱的使用過程中發(fā)生。為防止產(chǎn)生再熱裂紋，主要是選取對再熱裂紋不敏感的材料，選擇強度較低的焊接材料，提高預(yù)熱溫度和焊接線能量，以及盡量減少焊接接頭的殘余應(yīng)力。［4］

但通過合理選取焊接材料，控制焊接過程，保證焊接質(zhì)量，可以減少冷裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生，減少焊接對高強度鋼性能的影響。

7 結(jié) 語

通過以上對4 500 m3耙吸挖泥船的高強度鋼和普通鋼在本船上使用的比較，可獲得以下結(jié)論：

（1）使用高強度鋼對泥艙局部強度有利。

（2）使用高強度鋼對泥艙甲板屈服和屈曲強度大有好處；由于挖泥船本身剛度很大，即使泥艙段全部使用高強度鋼，其剛度也能滿足規(guī)范要求。

（3）沿船長方向：船體兩端船體梁彎曲應(yīng)力降低，首尾是機器處所，剛度是考慮關(guān)鍵，所以船舯0.4L范圍內(nèi)采用高強度鋼，在0.4L范圍外逐漸過渡為普通鋼；沿型深方向：中和軸附近彎曲應(yīng)力最小，但是遠離中和軸處（特別是泥艙板）彎曲應(yīng)力達到極值，所以主甲板到泥艙甲板采用高強度鋼。

（4）使用高強度鋼，結(jié)構(gòu)質(zhì)量可以減少7.5%，對船舶造價影響不大，但艙容可以增加3%，長期作業(yè)效益較為可觀。

（5）從疲勞強度來看，在選擇適當(dāng)焊劑保證焊接過程規(guī)范的情況下，高強度鋼對挖泥船的低周疲勞有益無害。