改善结构疲劳性能在散货船建造中的实践

刘馨潞

摘要 船舶在海上航行时,船体结构一直受到波浪力以及船舶运动产生惯性力的作用。而波浪力和惯性力都是不断变化的动载荷,他们在船体结构内部引起交变应力,很易造成结构的疲劳损伤乃至失效破坏。本文结合某超巴拿马型散货船的建造实践,就焊接、节点设计和材料选用3个方面对改善结构的疲劳性能进行了阐述。

关键词 疲劳性能;散货船建造;焊接;节点;材料

中图分类号 U661.43文献标识码 A文章编号 1674-6708(2009)10-0093-02

0 引言

钢质船舶诞生至今,疲劳失效一直被认为是船舶结构的一种主要破坏形式,随着高强度钢在船体结构中被广泛采用以及船舶的日趋大型化和类型多样化,船体结构的疲劳性能更显得重要。因船体在承受交变循环应力或应变时局部结构变化和内部缺陷发展,乃至疲劳裂纹的生成、扩展,最后导致船舶破坏的事例屡有报道,如日本为美国建造的SEDCO型半潜式平台在交货途中破损沉没,造成13人死亡;Alexan-derkeyland号半潜式平台在北海翻沉,使100余人葬身海底。调查分析的结果表明,结构的疲劳失效是造成事故的重要原因之一。本文结合某超巴拿马型单壳散货船的建造,通过从焊接、节点设计、材料的合理选用3个方面来探讨如何有效改善和提高结构的疲劳性能。

1 概述

1)焊接目前在工程生产上是最主要的连接方法,焊接结构的重量已占到钢铁总产量的50%以上甚至更多,然而由于施焊过程中的焊接缺陷、残余应力等因素,导致焊接结构承受交变载荷的能力远远低于母材金属,焊接结构经常不断发生断裂事故,调查分析表明,其中90%为疲劳失效。船舶作为在海上营运的特殊的钢质交通工具,其安全性显得尤为重要,如何通过改善焊接工艺、减少焊接缺陷和合理的后期焊缝处理方法来改善船舶的焊接点疲劳性能是值得关注的。

2)大量研究和实践表明,在船体结构承受主要应力和交变载荷的区域设置合理的结构连接节点形式,通过改善焊接趾端的几何形状,降低应力集中系数,能有效提高该区域的疲劳性能,改善船体的稳定性,提高船舶的使用寿命和营运性价比。

3)在我们船舶建造实践过程中,根据拟定的船舶受载荷情况,参照相关数据资料和公式,并建立数学模型进行了有限元分析,结合长期的统计结果,该散货船的主要交变载荷受力区域以及易疲劳失效点得以显示,主要表现在:(1)内底板与底墩侧板的连接;(2)波形舱壁与底墩面板的连接;(3)舷侧肋骨与边舱的连接,(4)肋板扶强材与纵骨的连接等

2 焊接与疲劳

2.1焊接接头易疲劳失效的主要原因

1)试验表明,焊接接头承受静载荷的能力一般不低于母材,但是,在承受交变动载荷的时候,其能力却远远低于母材,这是引起船体结构的焊接接头疲劳失效的一个主要因素;

2)当前,船舶建造任务繁重、工期紧,人员呈现不足的态势,船舶在建造过程中,现场施焊人员以及生产管理人员均盲目追求速度而忽略了焊接的质量,降低了疲劳性能;

3)不当的焊接工艺设计以及焊缝处理方法均降低了焊接接头的疲劳强度,加速了疲劳失效。

2.2 船舶建造过程中的焊接实践:

1)强化、细化船体焊接规格表,对全焊透、深熔焊要求的焊缝接头进行重点跟踪检查;

2)提高焊工的工作技能,从客观条件上保证焊接质量;

3)保证焊接质量,杜绝或减少如上述所说的焊接缺陷,加强巡查;

4)完善焊接工艺设计,主要通过焊接构件的尺寸和位置来制定详细的焊缝形状、坡口形式以及施焊前,焊接过程中的热处理和物理敲击程序等;

5)加强焊缝后处理意识,消除或减少焊接残余应力对疲劳强度的影响,在船舶建造实践过程中,主要采用以下几种工艺和方法:

(1)热处理,如表1所述区域采用热处理工艺是可行的;

(2)砂轮打磨,通过碳-钨砂轮对焊缝表面缺陷以及形状缺陷进行修整;

(3)锤击或喷丸,通过冲击加工,对焊缝产生压缩应力,提高接头的疲劳强度;

(4)超声波冲击处理,对焊缝内部进行冲击调整,改善疲劳性能的效果非常显著。

3节点设计与疲劳

通过研究计算和有限元分析的基础,确定全船(货舱区)的主要应力区和该区域构件的热点,对其进行精心的节点设计,有效减少或消除疲劳裂纹的产生,提高船体的疲劳性能。我们在该船舶的建造实践过程中,主要对以下几处典型的节点进行设计和改善[3]。

1)内底板与底墩侧板的连接、内底板与低边舱斜板的连接以及底墩与波形舱壁的连接等,均在保证三者中心线对齐的基础上,焊缝接头全焊透,并打磨圆滑过渡,通过控制该热点处的焊缝表面形状,降低应力集中系数来改善疲劳性能;

2)双层底、边舱区域,舱壁(肋板)上的扶强材与纵骨之间的连接,可通过控制过焊孔尺寸和增设软趾来改善其疲劳性能;

3)舷侧肋骨与上下边舱的连接,按照图1进行的软趾设计能有效增加其热点应力,改善疲劳性能;

4 材料的合理选用

随着船舶的大型化发展,人们总是希望材料具有较高的比强度,减轻船体自重的同时,提高其货物承载能力,所以高强钢应运而生,它也具有较高的疲劳强度,因为基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。

我们在船体结构中,对关键部位的构件均要考虑使用高强度钢来提高其交变应力的承载能力,其中最为典型的是该散货船上甲板在各个舱口角隅处的角隅板,甚至需选用DH36的高强钢,同时,不允许对角隅板自由边进行热加工处理,只能进行机械加工。另外一个典型的材料选用在于底墩下方的内底板,根据受力分析和计算, 首尾方向的底墩下方需采用Z向钢来抗层状撕裂[4]。

5 结论

船舶在海上航行时,船体结构一直受到波浪力及船舶运动产生惯性力的作用。而波浪力和惯性力都是不断变化的动载荷,他们在船体结构内部引起交变应力,很易造成结构的疲劳损伤。所以,我们在船舶建造初期就应该充分考虑后续的节点设计和焊接工艺,以及建造过程中的焊接质量,努力改善和提高船体的疲劳性能,保证船体结构中受交变载荷作用的构件有足够的疲劳寿命,保证船舶运营安全。

参考文献

[1]中华机械网.提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术,2008,10.

[2]章漪云,何晓航.高强度钢在船体结构中的应用探讨[J],2004,2.

[3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M],1992,11.

[4]中国船级社.船体结构疲劳强度指南[M],2007,9.