甲板艙口圍趾端焊接裂紋成因分析及處理

□ 朱達新

1.江蘇省江陰中等專業(yè)學校 江蘇江陰 214400

2.北京理工大學 機械與車輛學院 北京 100081

甲板艙口圍趾端焊接裂紋成因分析及處理

□ 朱達新1,2

1.江蘇省江陰中等專業(yè)學校 江蘇江陰 214400

2.北京理工大學 機械與車輛學院 北京 100081

參照船級社規(guī)范并結合有限元技術，對散貨船甲板縱向艙口圍肘板趾端產生焊接裂紋的原因進行了分析，確認存在焊接結構節(jié)點高應力的問題，并提出了針對這一問題的處理方案。

自卸散貨船在航行中受中垂中拱的波浪彎矩作用力，對艙口圍肘板產生較大的影響，導致在甲板以上的縱向艙口圍肘板趾端焊接區(qū)域多處出現(xiàn)不同程度的裂紋。筆者對裂紋產生的部位進行分析，并提出相應的處理方案。

1 裂紋產生的原因分析

通過檢測發(fā)現(xiàn)產生裂紋的部位都集中在縱向艙口圍肘板的趾端，如圖1所示。查閱船級社規(guī)范，原有縱向艙口圍端部肘板趾端的設計是按照船級社規(guī)范推薦的形式做的，符合船級社的規(guī)范要求[1]。

根據(jù)規(guī)范要求，縱向艙口圍端部肘板根部伸出橫向艙口圍板的距離應不小于0.7Hc，即艙口圍腹板高度的70%。本艙口圍高度1 100 mm，按規(guī)范要求根部距離應不小于0.7×1 100 mm=770 mm，而現(xiàn)有設計的端部肘板根部延伸到了950 mm，大于規(guī)范要求。參照船級社規(guī)范，該肘板的設計滿足規(guī)范要求?？紤]到船舶在波浪中航行時中垂中拱波浪彎矩對艙口圍肘板的影響很大，為了保險起見，對該艙口圍肘板進行有限元計算分析。對該處結構進行有限元計算時，在原有的三艙段模型基礎上，對該縱向艙口圍區(qū)域的網(wǎng)格進行了細化，按50×50的網(wǎng)格進行建模，并計算了各個工況下的應力情況。計算結果顯示，原縱向艙口圍端部肘板趾端的最大應力達到了779 MPa，超出了規(guī)定允許值（554 MPa）[2-3]。

圖1 裂紋產生的部位

在計算過程中發(fā)現(xiàn)，該肘板的端部圓弧形狀對趾端的應力結果影響很大。根據(jù)現(xiàn)場檢測結果來看，艙口圍分段在制作過程中下口加放了50 mm的余量。在艙口圍分段上船安裝過程中，由于甲板面不平，該余量大部分沒有被割除。為減小現(xiàn)場施工的難度，現(xiàn)場采用了在肘板面板和腹板處開刀修復余量的工藝。余量修割完后，將肘板面板下壓，導致腹板的底部產生了圓弧，加劇了該處的應力集中。在如此高應力的區(qū)域，再加上局部應力集中，開裂也就在情理之中了。從圖1中可以看出，現(xiàn)場產生裂紋的部位與分析結果顯示的高應力區(qū)和現(xiàn)場面板修割的部位完全吻合。至此，該縱向艙口圍肘板趾端開裂的原因已基本確定，主要有以下兩點[4-5]。

（1）肘板底部圓弧半徑僅150 mm，圓弧過渡過小，使肘板根部的應力不能有效地向外傳遞，集中于肘板的趾端，導致裂紋。

（2）現(xiàn)場余量修割方法不當，導致底部圓弧發(fā)生變化，趾端角度變大，加劇了該處應力集中情況，致使肘板在短時間內出現(xiàn)了不同程度的裂紋[6]。

2 焊接裂紋處理方案

依據(jù)船級社規(guī)范要求，對關鍵位置的焊接結構節(jié)點進行以下改進。

（1）降低名義應力等級，可通過增加局部構件尺寸來降低名義應力，從而減小焊接結構節(jié)點的熱應力。

（2）減小幾何應力集中，通過采用軟連接的良好節(jié)點細節(jié)設計形式，降低幾何非連續(xù)性產生的幾何應力集中因數(shù)。

（3）控制建造偏差，減小構件連續(xù)對中的偏差，以減小由此產生的應力集中因數(shù)。

（4）改善焊縫形狀，特別注意在焊縫趾端處良好的幾何形狀和平滑過渡，以減小由此產生的應力集中因數(shù)。

參考規(guī)范要求，并結合有限元分析，找到了避免此類裂紋產生的一個簡單方法，就是將縱向肘板的趾端盡量向前延伸，端部軟趾做得盡量長、盡量軟一些，使根部的應力能很好地向外傳遞，避免應力集中在肘板趾端[7-8]。

由于后續(xù)系列船的艙口圍已分段制作完畢，且大部分已上船安裝，壓載艙涂裝也已結束，如何進行改進成為一大難題，如若改動太大，必將影響到甲板以下壓載艙的油漆，而且還將造成大量的挖補工作。通過對幾個備選方案的計算對比，最終確定了一個既滿足規(guī)范要求，又不影響甲板以下油漆涂層，且修改工作量較小的方案。該方案只需在原有結構的基礎上進行修割，即對縱向肘板的端部過渡圓弧進行修割，達到使趾端軟化的目的，從而減小趾端的應力，如圖2、圖3所示[9]。

圖2 縱向艙口圍端部襯板修割方案

圖3 橫向艙口圍襯板修割方案

從計算的趾端應力結果不難看出，修改后的縱向肘板趾端應力得到了明顯的改善，說明肘板趾端的過渡形式對趾端應力的影響很大，在今后的艙口圍結構設計中需特別注意肘板趾端過渡形式的選擇。從分析結果還可以看出，肘板過渡形式修改后，肘板底部的管孔周圍應力有明顯提高，這一點需注意[10]。

3 結束語

對散貨船甲板縱向艙口圍肘板趾端產生焊接裂紋的原因進行了分析，并提出了裂紋處理方案，對今后艙口圍的結構設計具有參考價值。

[1]中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]劉文華.30 000 t級散貨船結構強度有限元分析[J].船舶設計通訊，2008(2):30-36.

[3]劉賢賀.82000噸散貨船貨艙區(qū)結構有限元分析[J].船舶職業(yè)教育，2013，1(2):44-48.

[4]胡晨光.關于“西昌?！薄叭鸩！迸摽趪鸭y的分析[J].廣東造船，1999(3-4)：6-8.

[5]謝東維，張波.82 000 DWT散貨船貨艙區(qū)結構有限元分析[J].廣船科技，2010(1):14-19.

[6]彭紅英，李大飛.32 000 DWT散貨船貨艙段結構有限元分析[J].廣東造船，2013(2):30-31，38.

[7]肖茵茨.40 000 DWT散貨船艙段強度有限元分析[J].廣東造船，2012(3):52-54.

[8]吳志亞.EH47高強度厚鋼板角焊縫裂紋修補工藝研究[J].船舶工程,2015，37（6）：67-70.

[9] 趙文斌.散貨船縱向艙口圍的加強設計[J].船舶設計通訊，2012(2):25-27，44.

[10]楊慶和，張云風，周亮.36 000 DWTCSR散貨船縱向艙口圍端部節(jié)點優(yōu)化[J].船舶設計通訊，2013(增刊):26-31.

Referring to the specification of classification society and finite element technology,the cause of welding cracks at the bracket toe end of longitudinal hatch coaming in the bulk carrier deck was analyzed and it was identified that there was the presence of high stress at welded structure node,thus a processing scheme was put forward tosolve this problem.

甲板；艙口圍；焊接；技術改進

Deck；Hatch Coaming；Welding；TechnicalImprovement

TH131.2

B

1672-0555（2016）04-053-03

2016年5月

朱達新（1971—），男，本科，講師，主要從事中等專業(yè)學校機械及相關領域的理實一體化教學和研究工作