大型集裝箱船厚板區(qū)域施工控制要點(diǎn)

大型集裝箱船厚板區(qū)域施工控制要點(diǎn)

胡超然

(中國(guó)船級(jí)社江蘇審圖中心，江蘇 南京 210001)

摘要：大型集裝箱船厚板結(jié)構(gòu)區(qū)域的施工工藝對(duì)于保障其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性具有至關(guān)重要的作用。通過(guò)分析“MOL Comfort”號(hào)集裝箱船斷裂的原因，得出若過(guò)分追求營(yíng)運(yùn)成本而減薄船體結(jié)構(gòu)，將會(huì)造成局部構(gòu)件的屈服失穩(wěn)，探討了某萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船厚板結(jié)構(gòu)區(qū)域的建造及焊接工藝要求，建議現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員應(yīng)關(guān)注的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，為大型集裝箱船的施工建造提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：集裝箱船；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；厚板；施工管理；質(zhì)量控制

0引言

目前越來(lái)越多的遠(yuǎn)洋承運(yùn)人訂造單船運(yùn)力超過(guò)10 000 TEU的大型集裝船。截至2012年，全球訂造單船運(yùn)力超過(guò)10000TEU的大型集裝箱船總數(shù)超過(guò)170艘，其運(yùn)力總量大致相當(dāng)于全球集裝箱船總運(yùn)力的30%[1]。萬(wàn)箱級(jí)大型集裝箱船在設(shè)計(jì)和建造技術(shù)難度都很高，尤其對(duì)其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和安全要求更加嚴(yán)格。事實(shí)上，從這幾年全球發(fā)生的萬(wàn)箱船事故中發(fā)現(xiàn)，船體結(jié)構(gòu)損壞已成為導(dǎo)致集裝箱船海難的主要原因。

本文分析了“MOL Comfort”號(hào)箱型集裝箱船結(jié)構(gòu)斷裂的成因，并研究了某萬(wàn)箱船的厚板區(qū)域建造與焊接工藝控制的要點(diǎn)，從而提醒現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員關(guān)注建造過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，為大型集裝箱船的施工建造提供指導(dǎo)建議。

1“MOL Comfort”號(hào)集裝箱船斷裂成因分析

大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)屬于典型的大開(kāi)口船舶，其開(kāi)口寬度達(dá)到甚至超過(guò)了船寬的85%，因此船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全需要格外重視。而實(shí)際建造過(guò)程中為了追求經(jīng)濟(jì)效益，船體結(jié)構(gòu)會(huì)大規(guī)模采用高強(qiáng)度鋼從而減薄鋼板厚度，進(jìn)而減輕船舶重量，達(dá)到增加燃油效益和降低營(yíng)運(yùn)成本的目的。這種減薄鋼板厚度的方法固然為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)一定優(yōu)勢(shì)，但船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全會(huì)存在隱患。例如，2013年三菱重工建造的“MOL Comfort”號(hào)8 000 TEU箱型集裝箱船在也門外海320 km處發(fā)生事故，船舶從中間斷成兩截，隨即沉沒(méi)。根據(jù)日本國(guó)土交通省(MLIT)發(fā)布的報(bào)告稱事故原因主要是船體產(chǎn)生中拱變形所致。

由上述調(diào)查報(bào)告推測(cè)船舶發(fā)生斷裂應(yīng)是在高強(qiáng)度載荷作用下局部結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。據(jù)調(diào)查，“MOL Comfort”號(hào)船體所用的材料是2007年日本三菱重工與新日鐵合作開(kāi)發(fā)出的最新型高強(qiáng)度鋼HTS47，這種新型高強(qiáng)度鋼的優(yōu)點(diǎn)是：相比于以前日本造船業(yè)所廣泛應(yīng)用的普通鋼材更為輕薄。據(jù)日本船舶設(shè)計(jì)研究所人員的整體評(píng)價(jià)，使用HTS47鋼板所造的大型船，減少的鋼板重量相等于1艘小型輕質(zhì)貨船的重量[2]。而鋼板越薄，屈服強(qiáng)度越下降，發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)的可能性就會(huì)增大。在壓縮情況下，局部構(gòu)件失穩(wěn)后該部位也就喪失了抗拉伸的能力，增加了裂紋的可能性。需要注意的是，HTS47鋼在全球造船范圍內(nèi)的首次應(yīng)用正是“MOL Comfort”號(hào)這一批8 000 TEU集裝箱船。同時(shí)日本船級(jí)社發(fā)布的“MOL Comfort”號(hào)初步調(diào)查結(jié)果表明：裂縫最早出現(xiàn)在船中央的底部，在對(duì)其余姐妹船的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，船舯部附近的底殼板有1個(gè)高20 mm的屈曲變形。因此，對(duì)其余姐妹船采取了加固的預(yù)防性安全措施以增強(qiáng)船體強(qiáng)度，并達(dá)到日本船級(jí)社規(guī)范要求強(qiáng)度的2倍[3]。

此外，導(dǎo)致事故的另一原因是使用HTS47強(qiáng)化鋼制造船殼結(jié)構(gòu)，在鋼板強(qiáng)度增加的同時(shí)鋼板焊接成功率會(huì)降低。因此，HTS47鋼板在變薄的同時(shí)，也對(duì)焊接技術(shù)提出了更高的要求，所以更為精密的焊接工藝、更低的容錯(cuò)率勢(shì)必將提高焊接難度。為了應(yīng)對(duì)HTS47焊接難題，三菱重工聯(lián)手新日鋼與Sumikin焊接公司，設(shè)計(jì)完成了雙電極振動(dòng)電版氣體弧光焊接機(jī)等可以使HTS47鋼板彎曲的技術(shù)，但這套焊接技術(shù)能否真正匹配還有待時(shí)間的檢驗(yàn)。HTS47輕薄鋼板剛問(wèn)世不久就被用于船體建造，加之這些新裝備、技術(shù)和程序管理也是三菱重工首次運(yùn)用， 故“MOL Comfort”號(hào)船體在焊接環(huán)節(jié)很難保證不出現(xiàn)一點(diǎn)瑕疵。

綜上所述，當(dāng)大型集裝箱船大量采用高強(qiáng)度鋼材以減薄鋼板厚度時(shí)，需要注意以下2點(diǎn)隱患：

(1)過(guò)分追求營(yíng)運(yùn)成本而減薄船體結(jié)構(gòu)，將會(huì)造成局部構(gòu)件的屈曲失穩(wěn)。

(2)鋼板強(qiáng)度增加提升了焊接難度，降低了焊接成功率。

通過(guò)分析可知，大型集裝箱船重要區(qū)域應(yīng)采用加厚鋼板以增加整船的總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，因此厚板區(qū)域的施工控制是大型集裝箱船建造檢驗(yàn)中需要高度重視的一個(gè)環(huán)節(jié)。但這個(gè)環(huán)節(jié)同樣有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楹癜搴附訁^(qū)域?qū)附庸に嚭秃腹さ募夹g(shù)水平提出了更高的要求，若施工環(huán)節(jié)沒(méi)有嚴(yán)格的監(jiān)控和管理，厚板區(qū)域很可能產(chǎn)生裂紋進(jìn)而蔓延導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)斷裂，給船舶質(zhì)量帶來(lái)極大的隱患。本文以某10 000 TEU集裝箱船為例，對(duì)厚板施工控制中應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)進(jìn)行分析從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工建造。

2萬(wàn)箱船厚板區(qū)域施工要點(diǎn)

某10 000 TEU集裝箱船使用AH32、AH36、DH32、DH36、EH36甚至EH40等不同級(jí)別的高強(qiáng)度鋼板，并且船體結(jié)構(gòu)大規(guī)模使用厚板焊接，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝有非常高的要求。該萬(wàn)箱船使用的最厚板為：高強(qiáng)鋼68 mm，普通鋼80 mm。

2.1　厚板切割

厚板切割時(shí)針對(duì)不同尺寸和位置的缺陷應(yīng)有詳細(xì)的修補(bǔ)措施，船廠技術(shù)部門應(yīng)對(duì)缺陷的修補(bǔ)下發(fā)工藝單并得到船級(jí)社認(rèn)可后方能施工。另外，為了方便檢驗(yàn)角隅板切割的線型，建議船廠制作標(biāo)準(zhǔn)形狀的卡板。

2.2　焊接工藝

(1)中國(guó)船級(jí)社CCS《船舶焊接檢驗(yàn)指南》對(duì)鋼板預(yù)熱溫度和道間溫度是有特殊要求的：應(yīng)根據(jù)使用結(jié)構(gòu)的鋼材等級(jí)、碳當(dāng)量、焊件厚度、施焊環(huán)境、焊接方法和拘束度等因素綜合考慮，并通過(guò)焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)確定[4]。

當(dāng)根據(jù)材料的化學(xué)成分和構(gòu)件厚度決定待焊構(gòu)件的預(yù)熱溫度時(shí)，預(yù)熱溫度一般可按表1選取，其中T為板厚。

根據(jù)萬(wàn)箱船厚板分布的特點(diǎn)，船廠補(bǔ)做了20項(xiàng)厚板焊接工藝，工藝中選擇的母材厚度為40~45 mm。按照表1的要求，這些焊接工藝必須選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度。以編號(hào)(FCAW+SAW)-056的焊接工藝為例：選擇的母材厚度為50 mm，級(jí)別EH40，初步選取預(yù)熱溫度為50 ℃。規(guī)范中要求EH40鋼材厚度在50~100 mm之間的碳當(dāng)量Ceq≤0.42，實(shí)際根據(jù)鋼材質(zhì)保書中各元素化學(xué)成分的數(shù)據(jù)和規(guī)范中碳當(dāng)量的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算可得Ceq=0.42，符合規(guī)范要求。

表1　建議的最小預(yù)熱溫度

因此根據(jù)母材的碳當(dāng)量數(shù)值并參照表1，最終預(yù)熱溫度應(yīng)選取75~100 ℃之間才符合要求。船廠根據(jù)驗(yàn)船師的建議制定的厚板預(yù)熱溫度見(jiàn)表2。

表2　萬(wàn)箱船厚板預(yù)熱溫度

需要注意的是，上述溫度只是一個(gè)范圍，實(shí)際進(jìn)行焊接工藝時(shí)會(huì)有一個(gè)明確的預(yù)熱溫度值，且《材料與焊接規(guī)范》(2012)規(guī)定：生產(chǎn)焊接時(shí)預(yù)熱溫度應(yīng)不低于認(rèn)可試驗(yàn)時(shí)所使用的預(yù)熱溫度[5]。(FCAW+SAW)-056的焊接工藝進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的預(yù)熱溫度為88 ℃，但是實(shí)際焊接時(shí)預(yù)熱溫度如果取85 ℃，雖然符合規(guī)范規(guī)定的預(yù)熱范圍，但是不能滿足焊接工藝要求，其焊接質(zhì)量亦不能得到保證。

(2)根據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2012)關(guān)于生產(chǎn)焊接時(shí)道間溫度應(yīng)不高于認(rèn)可試驗(yàn)所使用的道間溫度的規(guī)定，以及《船舶焊接檢驗(yàn)指南》關(guān)于道間溫度一般不低于鋼板的預(yù)熱溫度且最高不超過(guò)250 ℃的規(guī)定，厚板焊接時(shí)不僅要考慮預(yù)熱，還要注意控制熱輸入和道間溫度。因此，建議船廠技術(shù)部在編寫預(yù)熱工藝時(shí)應(yīng)結(jié)合厚板的焊接工藝試驗(yàn)明確不同工藝所對(duì)應(yīng)的道間溫度來(lái)指導(dǎo)焊工施焊。

(3)焊接工藝試驗(yàn)中焊接材料的選取也需要與母材匹配。以(FCAW+SAW)-056的焊接工藝為例，母材級(jí)別為EH40，按照規(guī)范要求與之最匹配的焊材級(jí)別為3Y40。由于示例焊接工藝為對(duì)接焊工藝，因此根據(jù)規(guī)范中焊接材料的力學(xué)性能，焊接材料的接頭抗拉強(qiáng)度需要≥510 MPa,并要在-20 ℃下進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，平均沖擊功應(yīng)≥47 J。其實(shí)超過(guò)3Y40等級(jí)的焊材也可以選擇，但是焊材等級(jí)倘若超過(guò)母材太多，那么試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)要求也將更加嚴(yán)格，這樣會(huì)增加試驗(yàn)的難度和經(jīng)費(fèi)，造成不必要的浪費(fèi)。

2.3　厚板預(yù)熱管理

由船廠技術(shù)部負(fù)責(zé)制定全船所需預(yù)熱的結(jié)構(gòu)部位指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊工施焊。以抗扭箱分段為例，預(yù)熱位置如圖1數(shù)字標(biāo)識(shí)。

圖1　預(yù)熱位置標(biāo)識(shí)

凡焊前需要預(yù)熱的角、對(duì)接焊縫，長(zhǎng)度≥1 m的焊縫及甲板縱骨對(duì)接焊縫，應(yīng)采用電加熱器進(jìn)行預(yù)熱；長(zhǎng)度<1 m時(shí)，可采用火焰加熱。凡涉及所規(guī)定的各鋼級(jí)需預(yù)熱的焊縫應(yīng)由專職電加熱人員負(fù)責(zé)預(yù)熱，用測(cè)溫儀等方法進(jìn)行自測(cè)。每條焊縫做好預(yù)熱記錄表，以備檢查。工藝規(guī)定的預(yù)熱管理流程大概如圖2所示。

圖2　預(yù)熱管理流程

預(yù)熱時(shí)每個(gè)區(qū)域應(yīng)配有一個(gè)質(zhì)檢員進(jìn)行專門巡檢，并配備測(cè)溫計(jì)能隨時(shí)掌握預(yù)熱溫度是否符合要求。報(bào)檢前應(yīng)將預(yù)熱過(guò)程中的所有記錄表格準(zhǔn)備完善以方便抽查。

2.4　定位焊及裂紋

該船廠依照傳統(tǒng)焊接工藝在萬(wàn)箱船焊接過(guò)程中大量使用定位焊，而定位焊縫是厚板施焊過(guò)程中最容易出現(xiàn)問(wèn)題的部位，其中角焊縫尤為顯著。由于厚板在定位焊時(shí)，定位焊處的溫度被周圍的“冷卻介質(zhì)”很快冷卻，造成局部過(guò)大的應(yīng)力集中，引起裂紋的產(chǎn)生，對(duì)材質(zhì)造成損壞。較好的解決措施是厚板在定位焊時(shí)，提高預(yù)加熱溫度，加大定位焊縫長(zhǎng)度和焊腳尺寸，而且為了避免定位焊兩端產(chǎn)生裂紋，定位焊的引、熄弧點(diǎn)嚴(yán)禁位于定位焊縫的兩端。

為了避免裂紋的產(chǎn)生，建議厚板區(qū)域焊接處最好使用碼板固定來(lái)代替定位焊。碼板的厚度、材質(zhì)和尺寸都應(yīng)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。如果必須使用定位焊，則定位焊的焊接質(zhì)量與正式焊縫質(zhì)量要求應(yīng)相同，不準(zhǔn)有裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，并且正式焊接前將定位焊兩側(cè)50 mm預(yù)留，待接頭其余焊縫完成后將定位焊焊縫用碳弧氣刨去除，最后一遍蓋面焊一次性完成，保證焊縫的美觀和質(zhì)量。

2.5　焊接中斷

厚板焊接過(guò)程中原則上不應(yīng)有焊接中斷，因?yàn)橹袛鄷r(shí)間較長(zhǎng)很可能造成焊縫開(kāi)裂。但是實(shí)際施工中很難控制工人在焊接完成前一直保持連續(xù)施焊，因此建議船廠進(jìn)行試驗(yàn)，判斷焊接中斷可以接受的限度，例如最少應(yīng)施焊幾層幾道或者焊道應(yīng)填充多厚才能保證焊接中斷對(duì)焊縫質(zhì)量不會(huì)造成影響。

船廠試驗(yàn)如下：

(1)試板材質(zhì)為A32，板厚70 mm，坡口型式：“X”型坡口，反45°焊道深28 mm，正30°焊道深35 mm，留根7 mm。正面共焊13層(以下僅以正面施焊為例)。

(2)第1天14:30開(kāi)始預(yù)熱，到15:40預(yù)熱溫度為140 ℃，15:45開(kāi)始施焊，至下午16:39試板正面共焊了5層。此時(shí)焊縫距母材表面高度為25 mm(其余2/3焊道深度第2天施焊)。

(3)第2天8:40開(kāi)始預(yù)熱，到9:50時(shí)開(kāi)始施焊，直到11:20試板正面的其余8層施焊完畢。

(4)質(zhì)量分析：探傷檢測(cè)人員進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，更換3種探頭進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)范圍為焊縫兩邊各420 mm(6倍板厚)，檢查結(jié)果為合格。

通過(guò)該試驗(yàn)可以推算出：當(dāng)對(duì)厚板進(jìn)行焊接時(shí)，如焊道僅填滿1/3時(shí)焊接工作遭到中斷；但預(yù)熱到規(guī)定溫度之后繼續(xù)施焊填滿焊道，如果探傷結(jié)果能夠合格，則厚板焊縫質(zhì)量也可以接受。

2.6　引熄弧板要求

使用烘槍將引熄弧位置加熱至要求的溫度后再安裝引熄弧板。當(dāng)母材為普通船體結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，引熄弧板材質(zhì)需同樣為普通船體結(jié)構(gòu)鋼，但不要求與母材材質(zhì)相同。當(dāng)母材為高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，引熄弧板材質(zhì)需同樣為高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼。

2.7　厚板變形控制

厚板的拼板焊接會(huì)誘發(fā)較大變形。目前船廠的焊接方式為：正面焊完翻身之后用壓鐵壓住然后進(jìn)行施焊；反面在燒的過(guò)程中密切注意拼板的變形量，及時(shí)調(diào)整壓鐵及電流，保證蓋面完成以后拼板的平整度。盡管有上述措施，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)還是會(huì)產(chǎn)生較大的變形需要通過(guò)火工矯正的方式進(jìn)行控制，因此建議船廠制定專門的火工矯正工藝，火工時(shí)有專人配備測(cè)溫計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)和溫度記錄。例如高強(qiáng)度E級(jí)鋼當(dāng)板厚超過(guò)30 mm時(shí)空氣應(yīng)冷卻至550 ℃以下才能進(jìn)行水冷，避免高強(qiáng)鋼在反復(fù)矯正時(shí)發(fā)生質(zhì)地變化。

2.8　焊工資質(zhì)

由于萬(wàn)箱船厚板區(qū)域使用的鋼材等級(jí)最高為EH40，所以現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)需要注意焊接EH40結(jié)構(gòu)鋼的焊工是否有相應(yīng)資質(zhì)。因?yàn)閺摹恫牧吓c焊接規(guī)范》(2012)第3篇第4章表4.3.4.1及表4.3.4.2中可知，具有材料組別W01(即屈服強(qiáng)度規(guī)定值≤390 MPa的低合金高強(qiáng)度鋼)的焊工資質(zhì)并不能覆蓋材料組別W03(即屈服強(qiáng)度規(guī)定值>390 MPa的低合金高強(qiáng)度鋼)所以建造開(kāi)工前船廠還需要申請(qǐng)專門的焊工考試，保證焊工具有材料組別W03的資質(zhì)證書，且只有這類焊工才有資格對(duì)EH40結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行施焊。

3結(jié)語(yǔ)

伴隨航運(yùn)業(yè)的“萬(wàn)箱時(shí)代”的來(lái)臨，航運(yùn)各界更應(yīng)該準(zhǔn)備好接受“萬(wàn)箱時(shí)代”安全風(fēng)險(xiǎn)的考驗(yàn)，而船級(jí)社也必將承受更大的壓力和挑戰(zhàn)。因此檢驗(yàn)大型集裝箱船時(shí)還需要預(yù)判潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，通過(guò)控制關(guān)鍵區(qū)域的建造質(zhì)量來(lái)把握建造的重要環(huán)節(jié)，謹(jǐn)記事故教訓(xùn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]中國(guó)船級(jí)社.材料與焊接規(guī)范2012[M].北京：人民交通出版社，2012.

中圖分類號(hào)：U671.83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：胡超然(1985—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程。

收稿日期：2015-03-03