改善結(jié)構(gòu)疲勞性能在散貨船建造中的實踐

劉馨潞

摘要 船舶在海上航行時,船體結(jié)構(gòu)一直受到波浪力以及船舶運動產(chǎn)生慣性力的作用。而波浪力和慣性力都是不斷變化的動載荷,他們在船體結(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踐,就焊接、節(jié)點設(shè)計和材料選用3個方面對改善結(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;材料

中圖分類號 U661.43文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 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道,如日本為美國建造的SEDCO型半潛式平臺在交貨途中破損沉沒,造成13人死亡;Alexan-derkeyland號半潛式平臺在北海翻沉,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)點設(shè)計、材料的合理選用3個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。船舶作為在海上營運的特殊的鋼質(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疲勞性能是值得關(guān)注的。

2)大量研究和實踐表明,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運性價比。

3)在我們船舶建造實踐過程中,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)合長期的統(tǒng)計結(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,在承受交變動載荷的時候,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,船舶在建造過程中,現(xiàn)場施焊人員以及生產(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踐:

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

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,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,消除或減少焊接殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響,在船舶建造實踐過程中,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)點設(shè)計與疲勞

通過研究計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,對其進(jìn)行精心的節(jié)點設(shè)計,有效減少或消除疲勞裂紋的產(chǎn)生,提高船體的疲勞性能。我們在該船舶的建造實踐過程中,主要對以下幾處典型的節(jié)點進(jìn)行設(shè)計和改善[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,按照圖1進(jìn)行的軟趾設(shè)計能有效增加其熱點應(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,提高其貨物承載能力,所以高強(qiáng)鋼應(yīng)運而生,它也具有較高的疲勞強(qiáng)度,因為基本金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨著靜載強(qiáng)度的增加而提高。

我們在船體結(jié)構(gòu)中,對關(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艙口角隅處的角隅板,甚至需選用DH36的高強(qiáng)鋼,同時,不允許對角隅板自由邊進(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,船體結(jié)構(gòu)一直受到波浪力及船舶運動產(chǎn)生慣性力的作用。而波浪力和慣性力都是不斷變化的動載荷,他們在船體結(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,我們在船舶建造初期就應(yīng)該充分考慮后續(xù)的節(jié)點設(shè)計和焊接工藝,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,保證船舶運營安全。

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)會焊接學(xué)會.焊接手冊[M],1992,11.

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