首航后舷侧压载舱为何出现油漆裂纹

中国船级社大连分社 孙 洋

某系列船的首制船在投入营运后首个航次前往南非装载铁矿石，随后返回国内某港口卸货，验船师在对其进行首制船首航后回访过程中通过向船员了解及下舱检查，确认其内壳纵舱壁L49纵骨穿越孔补板的搭接角焊缝熔合区附近的油漆出现了裂纹（如图一所示）。现场将油漆清除后发现该处的焊缝和板材并没有出现裂纹。通过排查发现，该船几乎从艏到艉每个压载舱内的各强框架的该位置都出现了同样问题。鉴于船员是在船舶装货后发现的缺陷，所以当时无法确定该缺陷出现的具体阶段，那么出现缺陷的背后隐藏着哪些风险呢？

问题的初步认识

不难看出，该处结构表面油漆的裂纹只是个表象，深层原因必然是由结构的变形引起的，至于该处结构的变形量是否在规范所要求的范围内，必须要通过计算得到。审图中心和设计单位都对该处结构进行了规范要求的校核，结果显示在各种载况下该处结构的应力水平最高仅为60%～70%，并非高应力区域且满足规范的要求。由于是油漆的缺陷，初步分析可能是油漆漆膜的延展性不足造成的，货物与船体结构本身形成的温差也是影响油漆属性的因素。虽然当时尚未得出明确的结论，但是对于该处缺陷即使仅仅是油漆的裂纹，因为破坏了压载舱涂层，会导致此处结构腐蚀的速度加快，最终发展成结构缺陷。所以一方面，我们提醒船公司要求船员对该处缺陷保持持续的关注，如有异常立即通知船级社，并对船舶后续航次的装载情况进行关注；另一方面，建议对涂层进行修复的同时，也可以考虑对该处结构进行补强以抵消油漆漆膜延展性的不足，船公司方面因为航期的安排并没有采纳此条建议。

随着该系列船的后续船陆续交付使用，通过向船公司了解得知，后续的几艘船也都出现了同样的问题。这充分说明该缺陷的出现并不是个例，而是共性问题，鉴于此，我们又对该问题进行了进一步的分析。从当时首制船回访时检查的船舯部分的4个压载舱的情况来看，是大部分框架都出现了裂纹（共32道框架有30道出现了裂纹），但是的确存在没有出现裂纹的框架。这种情况的出现很有可能跟不同位置漆膜的厚度不同有一定关系，从现场情况来看，出现裂纹的位置漆膜普遍感觉比较厚。另外，为什么偏偏是焊缝熔合区而不是旁边别的位置出现裂纹，应该不仅仅是结构应力的问题，必须要考虑漆膜的属性。仔细分析一下这个位置的油漆施工细节，不难发 现类似位置的油漆漆膜的确 容易出现比较厚的情况，搭接补板的角焊缝而且靠近开孔自由边处，施工人员在喷涂的时候倾向于多补一两下，当然这也是个人的操作习惯，也存在少数施工人员不进行修补的情况，这就容易形成漆膜薄厚不一的状况；同时角焊缝熔合区往往因过度打磨出现板材表面凹陷，这也会导致漆膜增厚。有资料显示，油漆开裂的原因主要有三个：一是油漆本身质量问题；二是漆膜过厚导致的表面张力增大；三是温差大（如果漆膜厚度过大，会放大这种效果）。综合考虑各因素后，我们定性的认为油漆漆膜过厚是产生裂纹的主要原因，船体应力和温度差都有可能成为辅助因素。

缺陷分析与验证

当然，以上只是一些推测，现实的情况是船体结构并没有出现缺陷，问题还是要归结到油漆漆膜的延展性上来。缺陷产生的原因可能是：不足以造成结构缺陷的应力导致了油漆的裂纹，而之所以有个别肋位的框架没有出现裂纹，很有可能是这些位置受到的结构应力较小而且漆膜厚度相对薄一些，即延展性更好一些，在这种相对较小的应力水平下不致于开裂。最终问题就归结到多大的应力能使多厚的漆膜出现裂纹。经咨询得知，关于油漆的一些性能参数是生产厂商通过做实验得到的，包括油漆漆膜厚度的合理范围、厚度对延展性的影响、油漆的附着力、温度对油漆的影响等，而油漆在受到结构应力产生的变形量尚不能通过计算得到。油漆服务商在现场检验时主要关注的是漆膜厚度、均匀度、油漆作业时的物理条件等参数，基本不会去考虑船体应力产生的结构变形对油漆产生的破坏。而另一方面审图中心在结构计算时也不会去考虑油漆的因素，即使考虑了也没有计算方法。所以，这个问题暂时只能定性，还无法进行定量分析。应力、应变和漆膜厚度之间必然有一定的关系但是不能体现在公式上。综合以上的分析，问题基本可定性为油漆漆膜过厚致使延展性变差造成的，即使不能破坏结构的应力也足以让漆膜厚度达到一定值的涂层开裂，反过来也是成立的，即如果漆膜厚度比较合理，即使结构本身应力水平较高，油漆也不会出现缺陷。

为了验证是否因为油漆漆膜厚度过厚使漆膜延展性不足而导致的缺陷、以及是否在装货前的压载航行时就已经出现了缺陷，我们对当时在建的后续船所有压载舱和空舱的该处位置的漆膜厚度进行了测量，结果显示各框架该位置的漆膜厚度从320μm到1500μm不等。结合该船在试航过程中的配载情况，对该处结构的涂层进行了排查，结果发现该船压载舱里的每一道框架都出现了同样的油漆裂纹（试航期间每个海水压载舱都曾注满海水），并且将油漆敲掉后进行了磁粉探伤其结果显示结构并无缺陷。但是该船在货舱区首尾设置的两对空舱内的相同位置的框架并没有出现油漆裂纹。根据该次试航验证的情况，可以得出几个阶段性的结论：

首先油漆裂纹在装载货物前就已经出现了，即压载舱内的油漆裂纹与装货与否没有关系；其次漆膜厚度从320μm到1500μm的位置都出现了油漆裂纹，因此基本上排除了漆膜厚度过厚导致的延展性不足是产生油漆开裂的直接原因。最后，虽然本次试航空舱内未出现油漆裂纹，但是考虑到首制船在装货后空舱内也出现了相同的油漆裂纹，因此可判断出现油漆裂纹的原因还是因为应力导致结构变形造成的。但是该位置的结构计算显示应力水平并不是很高，由此可见问题还是要归结到油漆漆膜延展性和结构应力之间的关系上。

从上面的分析可以看出，把油漆漆膜厚度作为主要因素已经被验证是不合理的，从缺陷的表现形式看，该问题应该归结为不足以造成结构损坏的应力导致了结构表面涂层的损坏，换言之，是油漆漆膜的延展性不满足结构变形引起的。

结构的应力和应变需要通过计算得到，为了确保此处结构计算的准确性,审图中心又对该处结构的模型进行了细化，充分考虑了搭接补板这个节点形式的模拟，并进行了超出规范要求的细网格划分。这个超出规范要求的有限元计算结果显示：L49纵骨穿越孔与补板搭接处角隅最大应力为351N/mm2，应力水平为81%，L49纵骨面板与强框架腹板水平筋相交处根部最大应力为426N/mm2，应力水平为91%。其结果均满足许用应力衡准的要求，但是应力水平对比之前规范要求的计算结果增加了20%～30%，该位置属于超出规范要求的高应力区域。我们看到，在规范要求的计算范围内，这个位置的应力处于较低的水平，按要求不需要进一步细化计算，但通过实船结果的反馈，审图中心对这一位置进行了规范要求之外的细化计算，结果表明应力处于较高水平，在上述高应力水平下，该节点产生了较大的变形量，也是油漆出现裂纹的原因。

最终分析结果

值得注意的是，该系列船在进行规范校核时确定的高应力结构区域有多处，而且应力水平更高，为什么这些位置的油漆没有出现问题而偏偏是本文之前所述的位置？这充分说明了仅从结构应力和变形的角度来考虑也是不够全面的，还应该考虑到该位置油漆施工是否存在不用于其它位置的特殊因素从而影响到了该处油漆的延展性。结合该船涂装施工的情况并在征求过一些油漆专家的意见之后，得出了一些合理的结论。首先明确了一个在之前的分析中并没有提及的观点，即钢板和油漆的变形量几乎是在同一个数量级上的，结构的变形对油漆的延展性是有一定需求的，这和油漆的属性、漆膜厚度、底漆以及钢板表面状态等都有关系，在两者不相匹配的情况下，较大的结构变形可能造成漆膜开裂。出现裂纹的位置是搭接补板的角焊缝熔合区靠近纵骨穿越孔的角隅处，此位置在油漆施工时的确属于比较特殊的位置。施工人员在对类似位置的角焊缝进行焊后打磨处理时容易在焊缝的根部形成轻微的板面凹陷，这将会导致该位置在油漆施工时产生较厚的漆膜厚度从而降低了漆膜延展性，与此同时，这种打磨处理同时会完全清除掉该位置的底漆，再加上涂装作业前的板面抛光都会使该位置的结构表面过于光滑，从而影响到漆膜的附着力致使漆膜的延展性能下降，最终无法满足钢板的变形而出现裂纹。

综上所述，该位置出现裂纹的原因为：油漆漆膜的延展性不足以承受该处结构在受力后产生的变形量。这个问题的关键在于结构本身在计算和校核时都满足了规范和衡准的要求，但是恰恰在这样的前提下，油漆的属性因为一些因素不能满足要求，最终在结构没有出现缺陷的情况下，油漆率先出现了开裂的情况，直接导致压载舱内的涂层被破坏，随着PSPC标准的实施，这种海水压载舱内涂层被破坏的情况是不允许的。这种涂层的破坏将会进一步加快对应结构的腐蚀速度，最终出现结构性的缺陷。

目前解决这个问题有两种方法，其一就是从结构方面考虑对结构进行加强进一步减弱该处结构的应力水平，直至油漆漆膜的属性可以满足结构变形的要求而不出现裂纹，这种办法存在的问题是在结构设计和审图阶段很难对类似结构进行准确的判断，因为缺少评判标准，经过计算本身已经满足规范衡准要求的结构位置从道理上来说是不需要再进行结构加强的；其二就是增强油漆本身的性能参数，使其本身的延展性能够与结构变形相匹配，而这也增加了对涂层性能标准的要求。考虑到当初在制定PSPC标准时，就有船东方提出要规定漆膜的厚度上限来增强油漆的延展性，对90/10原则给出新的定义，但是这将会大大增加造船成本，所以造船国方面极力反对，因此后来也只是制定出了只有下限的标准，本案例充分说明对于漆膜厚度还是有进一步探讨的必要的。就目前来看，通过使用超高性能的油漆来解决类似的问题恐怕也不太容易被造船方接受，对类似位置的涂装施工过程进行控制倒是一个现实可行的办法。