HCSR規(guī)范疲勞評估方法合理性探析

姜 峰，劉 洋，李 旭，于艷麗，周慧珠

(中國船級社，北京 100007)

HCSR規(guī)范疲勞評估方法合理性探析

姜 峰，劉 洋，李 旭，于艷麗，周慧珠

(中國船級社，北京 100007)

為了驗證散貨船-油船協(xié)調(diào)共同規(guī)范(HCSR規(guī)范)中整套疲勞評估方法的合理性，從HCSR規(guī)范疲勞評估節(jié)點的合理性和評估方法的合理性兩方面比較HCSR疲勞評估結(jié)果與實船損壞記錄的一致程度或趨勢，對HCSR規(guī)范進(jìn)行疲勞評估方法校準(zhǔn)分析，驗證了HCSR規(guī)范疲勞評估方法的合理性。

HCSR；疲勞評估；合理性；校準(zhǔn)；實船損壞記錄

為了實現(xiàn)船舶建造和航行安全以及環(huán)保的整體目標(biāo)，國際海事組織(IMO)決定制定目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)(GBS)作為重要的戰(zhàn)略項目。所謂“IMO GBS要求”，其核心內(nèi)容就是對船舶生命周期中如設(shè)計壽命、環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等15個功能的功能要求，以及如何圍繞著15個功能要求對規(guī)范進(jìn)行審核的符合驗證。所以國際船級社協(xié)會(IACS)決定在CSR的基礎(chǔ)上研發(fā)協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)[1]。疲勞評估是HCSR規(guī)范重要的組成部分。疲勞評估對重要的影響因素進(jìn)行了規(guī)定和假設(shè)，存在諸多不確定因素；業(yè)界普遍存在著疑問：綜合考慮不確定性因素后，疲勞評估結(jié)果是否合理。由于HCSR規(guī)范是一部正在制定的規(guī)范，其疲勞評估方法的合理性驗證還未見相關(guān)文獻(xiàn)。為了適應(yīng)HCSR制定的趨勢以及要求，基于HCSR(第一版草案)[2]，從HCSR規(guī)范疲勞評估節(jié)點的合理性和評估方法的合理性兩個方面，比較HCSR疲勞評估結(jié)果與實船損壞記錄的一致程度或趨勢，對HCSR規(guī)范進(jìn)行疲勞評估方法校準(zhǔn)分析研究，討論其合理性，對規(guī)范進(jìn)行反饋。

1 目標(biāo)船基本信息

對HCSR規(guī)范進(jìn)行疲勞評估方法校準(zhǔn)分析研究時，總共用到18型目標(biāo)船(10型散貨船和8型油船)，目標(biāo)船基本信息見表1。

2 HCSR評估節(jié)點的合理性

2.1 規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)外熱點對比

選取表1中4型目標(biāo)船(目標(biāo)船2、5、11、15)，對同一熱點類型不同艙室和同一強(qiáng)框架上不同熱點進(jìn)行對比分析(見表2)。限于篇幅，只列舉散貨船目標(biāo)船5的詳細(xì)結(jié)果，其他3型目標(biāo)船的結(jié)果類似。

綜合4型船的評估對比結(jié)果：規(guī)范規(guī)定外節(jié)點的疲勞壽命一般高于規(guī)范規(guī)定內(nèi)的相應(yīng)節(jié)點，規(guī)范選定的熱點較好地涵蓋了可能發(fā)生疲勞斷裂的熱點。在審圖中應(yīng)特別關(guān)注底邊艙下折角和底凳與內(nèi)底折角處(疲勞壽命相對較低)。

2.2 調(diào)查結(jié)果與規(guī)范要求評估部位符合性分析

結(jié)合歷史營運損壞記錄中的損壞案例調(diào)查結(jié)果和規(guī)范要求的評估節(jié)點的符合性分析結(jié)論，分析驗證HCSR所規(guī)定的評估節(jié)點的合理性。

2.2.1 疲勞評估熱點分級比較

HCSR規(guī)范中規(guī)定的疲勞評估關(guān)鍵點可分為三類。

1)強(qiáng)制評估部位。

2)需要通過疲勞篩選方法判定是否需要進(jìn)行疲勞評估的節(jié)點。

3)如未滿足規(guī)范提供的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行疲勞評估的部位。

中國船級社對營運船疲勞損壞案例進(jìn)行調(diào)查[3]，調(diào)查了217艘營運船，其中散貨船106艘，油船111艘。共發(fā)現(xiàn)24艘船共31個節(jié)點位置發(fā)現(xiàn)疲勞損壞，按HCSR評估節(jié)點分級統(tǒng)計見圖1。

由圖1可見，調(diào)查得到的損壞案例多數(shù)與規(guī)范中強(qiáng)制評估節(jié)點列表相對應(yīng)，與類型2、3對應(yīng)的較少。說明HCSR規(guī)范考慮了關(guān)鍵節(jié)點的分級，將較容易發(fā)生疲勞損壞的節(jié)點放入強(qiáng)制評估列表，次一級的節(jié)點可通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或疲勞篩選方法判別解決。從對應(yīng)的趨勢來看，評估節(jié)點的分級與實際營運調(diào)查結(jié)果較一致。

表1 目標(biāo)船基本信息統(tǒng)計

表2 疲勞評估結(jié)果節(jié)點對比分析

圖1 HCSR評估節(jié)點分級統(tǒng)計示意

2.2.2 調(diào)查結(jié)果與實船計算結(jié)果比較

分別統(tǒng)計18型船實船計算中得到各個類型節(jié)點在不滿足節(jié)點中的分布情況和實船調(diào)查中的比例分布情況見圖2、3。

圖2 實船計算比例分布

圖3 調(diào)查結(jié)果比例分布

由圖2、3可見，實船計算不滿足點比例分布中艙口角隅(含艙口圍板肘板趾端)占26%，底凳與內(nèi)底折角占14%，所占比例較大。實船損壞統(tǒng)計比例分布中艙口角隅占23%，底凳與內(nèi)底折角占16%，實船計算結(jié)果與調(diào)查結(jié)果較為接近。

3 HCSR評估方法的合理性

3.1 縱骨疲勞壽命統(tǒng)計

對18型船HCSR規(guī)范計算的縱骨疲勞壽命進(jìn)行統(tǒng)計，強(qiáng)力甲板、舭部、舷側(cè)處的骨材壽命相對較低，尤其是最靠近船底舭部縱骨，見圖4、5。日本船級社[4]也對易發(fā)生疲勞縱骨進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖6。

圖4 散貨船易發(fā)生疲勞位置示意

圖5 圖5油船易發(fā)生疲勞位置示意

圖6 NK統(tǒng)計易發(fā)生疲勞位置示意

由圖6可見，舭部縱骨、舷側(cè)縱骨壽命都相對較低，很好地說明了HCSR規(guī)范計算出的易發(fā)生疲勞的位置與實際縱骨易發(fā)生疲勞位置相符合。

3.2 熱點疲勞壽命與營運情況對比分析

通過計算18型船的熱點疲勞壽命發(fā)現(xiàn)：這18型船中有15艘船未發(fā)生疲勞破損現(xiàn)象，目標(biāo)船4、5、8發(fā)生疲勞破損現(xiàn)象。將18型船HCSR規(guī)范計算的熱點疲勞壽命評估統(tǒng)計結(jié)果與營運情況進(jìn)行對比分析，得到以下規(guī)律。

1)實船計算不滿足時，船未出現(xiàn)疲勞破損現(xiàn)象。

2)實船計算滿足時，船亦未出現(xiàn)疲勞破損現(xiàn)象。

3)實船出現(xiàn)疲勞破損現(xiàn)象時，該疲勞熱點未滿足規(guī)范要求，即壽命小于25年。但計算結(jié)果與實際壽命可能有所差距，即規(guī)范定性分析可以，定量分析有待提高(但也可能和焊接工藝有關(guān)系，也可能是屈服，疲勞共同作用的結(jié)果)。

對比分析可得：HCSR規(guī)范計算出的疲勞壽命相對保守，但能較好地篩選出不滿足疲勞壽命的熱點。

3.3 破損案例分析

根據(jù)損壞調(diào)查結(jié)果，將在實際的營運過程出現(xiàn)裂紋的3型散貨船的損壞案例(目標(biāo)船4、5、8)與HCSR計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，說明HCSR規(guī)范的疲勞評估方法的合理性，破損結(jié)果對比見表3。

表3 破損案例結(jié)果匯總

3.3.1 目標(biāo)船4損壞案例

目標(biāo)船4[5]的重壓載艙底凳與內(nèi)底包括底凳垂直板與內(nèi)底相交處和底凳斜板與內(nèi)底相交處，損壞情況見圖7，有限元節(jié)點細(xì)化見圖8、9。

圖7 底凳與內(nèi)底實際損壞圖示意

圖8 FEM底凳斜板與內(nèi)底細(xì)化示意

圖9 FEM底凳垂直板與內(nèi)底細(xì)化示意

3.3.2 目標(biāo)船5損壞案例

目標(biāo)船5[6]的3、4貨艙間槽型艙壁與底凳連接處位置開裂，壓載水從第4貨艙漏入第3貨艙，損壞情況見圖10，有限元節(jié)點細(xì)化見圖11。

圖10 邊槽條跟部裂紋破損示意

圖11 槽型艙壁與底凳連接處細(xì)化

3.3.3 目標(biāo)船8損壞案例

目標(biāo)船8[7]在營運過程中，在第3壓載艙雙層底發(fā)生下面兩方面的結(jié)構(gòu)損害。

1)縱骨在穿越肋板/腹板處發(fā)生裂紋，損壞情況見圖12。

圖12 縱骨裂紋示意

2)肋板/腹板在縱骨穿越孔的角隅處發(fā)生裂紋，損壞情況見圖13，破損位置見圖14。破損案例結(jié)果見表3。

圖13 肋板/腹板裂紋示意

圖14 破損位置示意

從以上3個損壞案例來看，HCSR規(guī)范較好地篩選出了在實際運營中發(fā)生疲勞破壞的熱點，但在計算具體疲勞壽命上尚有偏差，即HCSR規(guī)范疲勞評估方法可以較好地進(jìn)行定性分析，定量分析有待提高(可能與焊接工藝有關(guān)系，也可能是屈服，疲勞共同作用的結(jié)果)。

4 結(jié)論

1)HCSR規(guī)范規(guī)定的疲勞評估節(jié)點能較好地篩選出疲勞破損部位。

2)根據(jù)實際損壞調(diào)查結(jié)果，HCSR規(guī)范要求的評估節(jié)點基本涵蓋了危險節(jié)點，同時也考慮了關(guān)鍵節(jié)點的分級，從對應(yīng)的趨勢來看評估節(jié)點的分級與實際營運調(diào)查結(jié)果較一致，說明了HCSR所規(guī)定的評估節(jié)點的合理性。

3)HCSR規(guī)范簡化算法計算縱骨疲勞壽命與NK船級社損壞趨勢吻合較好。

4)HCSR規(guī)范有限元熱點疲勞壽命與實船易損壞趨勢吻合較好。

5)通過典型案例分析，對于實船計算出現(xiàn)壽命不滿足的節(jié)點，在調(diào)查時同樣發(fā)生了疲勞損壞，說明了HCSR疲勞評估方法的合理性。

6)HCSR規(guī)范整套疲勞評估方法是合理的，保守的。

[1] 王 剛.張道坤.IMO GBS要求下的油船散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[C]∥紀(jì)念徐秉漢院士船舶和海洋構(gòu)造力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集,北京,中國造船工程學(xué)會,2011:430-436.

[2] IACS.Common structural rules for bulk carriers and oil

tankers[S].London:IACS,2012.

[3] 中國船級社.營運船疲勞損壞案例調(diào)查研究報告[R].北京：中國船級社,2013.

[4] NK.NK provided_TB Ch8 fatigue[S].Japan:NK,2013.

[5] 中國船級社.“74500DWT”(BULK CARRIER)事故初步分析[S].北京：中國船級社,2013.

[6] 中國船級社.VCB事故統(tǒng)計分析案例分析[Z].北京：中國船級社,2013.

[7] 中國船級社.“63000DWT”(BULK CARRIER)損壞及修理建議[Z].北京：中國船級社,2013.

Discussion of Reasonability on the HCSR Fatigue Assessment Method

JIANG Feng, LIU Yang, LI Xu, YU Yan-li, ZHOU Hui-zhu

(China Classification Society, Beijing 100007, China)

The fatigue assessment method of Harmonized Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers (HCSR) is verified in the aspects of hot spot selection reasonability and assessment method reasonability by comparing HCSR fatigue assessment results with ship damage record in the aspect of consistent degree or tendency. It is proved that the fatigue assessment method of HCSR is reasonable and the relative references are also given to the development of HCSR in process.

HCSR; fatigue assessment; reasonability; calibration; ship damage record

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.001

2014-05-02

姜 峰(1984-),男,碩士, 工程師

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0001-05

修回日期：2014-07-09

研究方向:船舶與海洋工程和風(fēng)力發(fā)電工程強(qiáng)度

E-mail:jiangfeng@c.ccs.org.cn