大型集装箱船厚板区域施工控制要点

大型集装箱船厚板区域施工控制要点

胡超然

(中国船级社江苏审图中心，江苏 南京 210001)

摘要：大型集装箱船厚板结构区域的施工工艺对于保障其结构强度安全性具有至关重要的作用。通过分析“MOL Comfort”号集装箱船断裂的原因，得出若过分追求营运成本而减薄船体结构，将会造成局部构件的屈服失稳，探讨了某万箱级集装箱船厚板结构区域的建造及焊接工艺要求，建议现场检验人员应关注的潜在风险因素，为大型集装箱船的施工建造提供指导。

关键词：集装箱船；结构强度；厚板；施工管理；质量控制

0引言

目前越来越多的远洋承运人订造单船运力超过10 000 TEU的大型集装船。截至2012年，全球订造单船运力超过10000TEU的大型集装箱船总数超过170艘，其运力总量大致相当于全球集装箱船总运力的30%[1]。万箱级大型集装箱船在设计和建造技术难度都很高，尤其对其结构、强度和安全要求更加严格。事实上，从这几年全球发生的万箱船事故中发现，船体结构损坏已成为导致集装箱船海难的主要原因。

本文分析了“MOL Comfort”号箱型集装箱船结构断裂的成因，并研究了某万箱船的厚板区域建造与焊接工艺控制的要点，从而提醒现场检验人员关注建造过程中存在的风险因素，为大型集装箱船的施工建造提供指导建议。

1“MOL Comfort”号集装箱船断裂成因分析

大型集装箱船的结构属于典型的大开口船舶，其开口宽度达到甚至超过了船宽的85%，因此船舶结构的强度安全需要格外重视。而实际建造过程中为了追求经济效益，船体结构会大规模采用高强度钢从而减薄钢板厚度，进而减轻船舶重量，达到增加燃油效益和降低营运成本的目的。这种减薄钢板厚度的方法固然为市场竞争带来一定优势，但船舶结构的强度安全会存在隐患。例如，2013年三菱重工建造的“MOL Comfort”号8 000 TEU箱型集装箱船在也门外海320 km处发生事故，船舶从中间断成两截，随即沉没。根据日本国土交通省(MLIT)发布的报告称事故原因主要是船体产生中拱变形所致。

由上述调查报告推测船舶发生断裂应是在高强度载荷作用下局部结构的屈曲强度无法满足设计要求。据调查，“MOL Comfort”号船体所用的材料是2007年日本三菱重工与新日铁合作开发出的最新型高强度钢HTS47，这种新型高强度钢的优点是：相比于以前日本造船业所广泛应用的普通钢材更为轻薄。据日本船舶设计研究所人员的整体评价，使用HTS47钢板所造的大型船，减少的钢板重量相等于1艘小型轻质货船的重量[2]。而钢板越薄，屈服强度越下降，发生局部屈曲失稳的可能性就会增大。在压缩情况下，局部构件失稳后该部位也就丧失了抗拉伸的能力，增加了裂纹的可能性。需要注意的是，HTS47钢在全球造船范围内的首次应用正是“MOL Comfort”号这一批8 000 TEU集装箱船。同时日本船级社发布的“MOL Comfort”号初步调查结果表明：裂缝最早出现在船中央的底部，在对其余姐妹船的调查中发现，船舯部附近的底壳板有1个高20 mm的屈曲变形。因此，对其余姐妹船采取了加固的预防性安全措施以增强船体强度，并达到日本船级社规范要求强度的2倍[3]。

此外，导致事故的另一原因是使用HTS47强化钢制造船壳结构，在钢板强度增加的同时钢板焊接成功率会降低。因此，HTS47钢板在变薄的同时，也对焊接技术提出了更高的要求，所以更为精密的焊接工艺、更低的容错率势必将提高焊接难度。为了应对HTS47焊接难题，三菱重工联手新日钢与Sumikin焊接公司，设计完成了双电极振动电版气体弧光焊接机等可以使HTS47钢板弯曲的技术，但这套焊接技术能否真正匹配还有待时间的检验。HTS47轻薄钢板刚问世不久就被用于船体建造，加之这些新装备、技术和程序管理也是三菱重工首次运用， 故“MOL Comfort”号船体在焊接环节很难保证不出现一点瑕疵。

综上所述，当大型集装箱船大量采用高强度钢材以减薄钢板厚度时，需要注意以下2点隐患：

(1)过分追求营运成本而减薄船体结构，将会造成局部构件的屈曲失稳。

(2)钢板强度增加提升了焊接难度，降低了焊接成功率。

通过分析可知，大型集装箱船重要区域应采用加厚钢板以增加整船的总纵强度和局部强度，因此厚板区域的施工控制是大型集装箱船建造检验中需要高度重视的一个环节。但这个环节同样有一定的风险，因为厚板焊接区域对焊接工艺和焊工的技术水平提出了更高的要求，若施工环节没有严格的监控和管理，厚板区域很可能产生裂纹进而蔓延导致船体结构断裂，给船舶质量带来极大的隐患。本文以某10 000 TEU集装箱船为例，对厚板施工控制中应关注的重点进行分析从而指导现场施工建造。

2万箱船厚板区域施工要点

某10 000 TEU集装箱船使用AH32、AH36、DH32、DH36、EH36甚至EH40等不同级别的高强度钢板，并且船体结构大规模使用厚板焊接，这对现场施工工艺有非常高的要求。该万箱船使用的最厚板为：高强钢68 mm，普通钢80 mm。

2.1　厚板切割

厚板切割时针对不同尺寸和位置的缺陷应有详细的修补措施，船厂技术部门应对缺陷的修补下发工艺单并得到船级社认可后方能施工。另外，为了方便检验角隅板切割的线型，建议船厂制作标准形状的卡板。

2.2　焊接工艺

(1)中国船级社CCS《船舶焊接检验指南》对钢板预热温度和道间温度是有特殊要求的：应根据使用结构的钢材等级、碳当量、焊件厚度、施焊环境、焊接方法和拘束度等因素综合考虑，并通过焊接工艺认可试验确定[4]。

当根据材料的化学成分和构件厚度决定待焊构件的预热温度时，预热温度一般可按表1选取，其中T为板厚。

根据万箱船厚板分布的特点，船厂补做了20项厚板焊接工艺，工艺中选择的母材厚度为40~45 mm。按照表1的要求，这些焊接工艺必须选择适当的预热温度。以编号(FCAW+SAW)-056的焊接工艺为例：选择的母材厚度为50 mm，级别EH40，初步选取预热温度为50 ℃。规范中要求EH40钢材厚度在50~100 mm之间的碳当量Ceq≤0.42，实际根据钢材质保书中各元素化学成分的数据和规范中碳当量的计算公式进行计算可得Ceq=0.42，符合规范要求。

表1　建议的最小预热温度

因此根据母材的碳当量数值并参照表1，最终预热温度应选取75~100 ℃之间才符合要求。船厂根据验船师的建议制定的厚板预热温度见表2。

表2　万箱船厚板预热温度

需要注意的是，上述温度只是一个范围，实际进行焊接工艺时会有一个明确的预热温度值，且《材料与焊接规范》(2012)规定：生产焊接时预热温度应不低于认可试验时所使用的预热温度[5]。(FCAW+SAW)-056的焊接工艺进行试验时的预热温度为88 ℃，但是实际焊接时预热温度如果取85 ℃，虽然符合规范规定的预热范围，但是不能满足焊接工艺要求，其焊接质量亦不能得到保证。

(2)根据《材料与焊接规范》(2012)关于生产焊接时道间温度应不高于认可试验所使用的道间温度的规定，以及《船舶焊接检验指南》关于道间温度一般不低于钢板的预热温度且最高不超过250 ℃的规定，厚板焊接时不仅要考虑预热，还要注意控制热输入和道间温度。因此，建议船厂技术部在编写预热工艺时应结合厚板的焊接工艺试验明确不同工艺所对应的道间温度来指导焊工施焊。

(3)焊接工艺试验中焊接材料的选取也需要与母材匹配。以(FCAW+SAW)-056的焊接工艺为例，母材级别为EH40，按照规范要求与之最匹配的焊材级别为3Y40。由于示例焊接工艺为对接焊工艺，因此根据规范中焊接材料的力学性能，焊接材料的接头抗拉强度需要≥510 MPa,并要在-20 ℃下进行夏比V型缺口冲击试验，平均冲击功应≥47 J。其实超过3Y40等级的焊材也可以选择，但是焊材等级倘若超过母材太多，那么试验温度和试验要求也将更加严格，这样会增加试验的难度和经费，造成不必要的浪费。

2.3　厚板预热管理

由船厂技术部负责制定全船所需预热的结构部位指导现场焊工施焊。以抗扭箱分段为例，预热位置如图1数字标识。

图1　预热位置标识

凡焊前需要预热的角、对接焊缝，长度≥1 m的焊缝及甲板纵骨对接焊缝，应采用电加热器进行预热；长度<1 m时，可采用火焰加热。凡涉及所规定的各钢级需预热的焊缝应由专职电加热人员负责预热，用测温仪等方法进行自测。每条焊缝做好预热记录表，以备检查。工艺规定的预热管理流程大概如图2所示。

图2　预热管理流程

预热时每个区域应配有一个质检员进行专门巡检，并配备测温计能随时掌握预热温度是否符合要求。报检前应将预热过程中的所有记录表格准备完善以方便抽查。

2.4　定位焊及裂纹

该船厂依照传统焊接工艺在万箱船焊接过程中大量使用定位焊，而定位焊缝是厚板施焊过程中最容易出现问题的部位，其中角焊缝尤为显著。由于厚板在定位焊时，定位焊处的温度被周围的“冷却介质”很快冷却，造成局部过大的应力集中，引起裂纹的产生，对材质造成损坏。较好的解决措施是厚板在定位焊时，提高预加热温度，加大定位焊缝长度和焊脚尺寸，而且为了避免定位焊两端产生裂纹，定位焊的引、熄弧点严禁位于定位焊缝的两端。

为了避免裂纹的产生，建议厚板区域焊接处最好使用码板固定来代替定位焊。码板的厚度、材质和尺寸都应有统一标准。如果必须使用定位焊，则定位焊的焊接质量与正式焊缝质量要求应相同，不准有裂纹、夹渣、气孔等缺陷，并且正式焊接前将定位焊两侧50 mm预留，待接头其余焊缝完成后将定位焊焊缝用碳弧气刨去除，最后一遍盖面焊一次性完成，保证焊缝的美观和质量。

2.5　焊接中断

厚板焊接过程中原则上不应有焊接中断，因为中断时间较长很可能造成焊缝开裂。但是实际施工中很难控制工人在焊接完成前一直保持连续施焊，因此建议船厂进行试验，判断焊接中断可以接受的限度，例如最少应施焊几层几道或者焊道应填充多厚才能保证焊接中断对焊缝质量不会造成影响。

船厂试验如下：

(1)试板材质为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层(以下仅以正面施焊为例)。

(2)第1天14:30开始预热，到15:40预热温度为140 ℃，15:45开始施焊，至下午16:39试板正面共焊了5层。此时焊缝距母材表面高度为25 mm(其余2/3焊道深度第2天施焊)。

(3)第2天8:40开始预热，到9:50时开始施焊，直到11:20试板正面的其余8层施焊完毕。

(4)质量分析：探伤检测人员进行超声波无损检测试验，更换3种探头进行检测，检测范围为焊缝两边各420 mm(6倍板厚)，检查结果为合格。

通过该试验可以推算出：当对厚板进行焊接时，如焊道仅填满1/3时焊接工作遭到中断；但预热到规定温度之后继续施焊填满焊道，如果探伤结果能够合格，则厚板焊缝质量也可以接受。

2.6　引熄弧板要求

使用烘枪将引熄弧位置加热至要求的温度后再安装引熄弧板。当母材为普通船体结构钢时，引熄弧板材质需同样为普通船体结构钢，但不要求与母材材质相同。当母材为高强度船体结构钢时，引熄弧板材质需同样为高强度船体结构钢。

2.7　厚板变形控制

厚板的拼板焊接会诱发较大变形。目前船厂的焊接方式为：正面焊完翻身之后用压铁压住然后进行施焊；反面在烧的过程中密切注意拼板的变形量，及时调整压铁及电流，保证盖面完成以后拼板的平整度。尽管有上述措施，但是根据经验还是会产生较大的变形需要通过火工矫正的方式进行控制，因此建议船厂制定专门的火工矫正工艺，火工时有专人配备测温计进行检验和温度记录。例如高强度E级钢当板厚超过30 mm时空气应冷却至550 ℃以下才能进行水冷，避免高强钢在反复矫正时发生质地变化。

2.8　焊工资质

由于万箱船厚板区域使用的钢材等级最高为EH40，所以现场检验时需要注意焊接EH40结构钢的焊工是否有相应资质。因为从《材料与焊接规范》(2012)第3篇第4章表4.3.4.1及表4.3.4.2中可知，具有材料组别W01(即屈服强度规定值≤390 MPa的低合金高强度钢)的焊工资质并不能覆盖材料组别W03(即屈服强度规定值>390 MPa的低合金高强度钢)所以建造开工前船厂还需要申请专门的焊工考试，保证焊工具有材料组别W03的资质证书，且只有这类焊工才有资格对EH40结构钢进行施焊。

3结语

伴随航运业的“万箱时代”的来临，航运各界更应该准备好接受“万箱时代”安全风险的考验，而船级社也必将承受更大的压力和挑战。因此检验大型集装箱船时还需要预判潜在的风险因素，通过控制关键区域的建造质量来把握建造的重要环节，谨记事故教训。

参考文献：

[1]刘萧.MOL Comfort号事故谜中谜[J].中国船检，2013(9)：84-86.

[2]中国船级社.船舶焊接检验指南[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3]中国船级社.材料与焊接规范2012[M].北京：人民交通出版社，2012.

中图分类号：U671.83

文献标志码：A

作者简介：胡超然(1985—)，男，硕士，工程师，研究方向为船舶与海洋工程。

收稿日期：2015-03-03