舾装件缺陷导致局部裂纹的分析及预防

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(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

舾装件缺陷导致局部裂纹的分析及预防

孙冰，郑坤，周斌

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

为了从设计和建造阶段入手，减少LNG运输船出现甲板缺陷，结合修船案例，对甲板缺陷原因进行分析并给出推荐的修改方法，总结出适用于LNG运输船甲板舾装件检验的重点。舾装件结构加强一般是为了应对舾装件带来的静载荷，要避免由于局部结构加强产生的结构突变，避免出现应力集中。肘板趾端超高是导致肘板缺乏弹性，进而导致裂纹出现的的主要原因。

LNG运输船；舾装件；局部裂纹；疲劳损伤

根据Philip G. Rynn在2007年油船结构论坛上关于双壳油轮结构缺陷的观点：超过80%的甲板结构缺陷(甲板裂纹、扶强材裂纹)是由错误安装的舾装件导致的。因此有必要将舾装件结构加强作为船体结构设计的一部分进行考虑，因为局部的一点小缺陷有可能发展为主要结构上的缺陷，进而带来严重的后果。近年来，全球范围内对于天然气的需求带动了大型LNG运输船的发展。油船、LNG运输船、LPG运输船、化学品船具有一个共同的名字——液货船，都具有大量的甲板管路和支撑管路的舾装件，因此，考虑通过对油船协会在油船坞修过程中发现的甲板缺陷进行分析，尝试将导致缺陷的原因进行分类，提出改进意见，力求在LNG运输船建造阶段将不合理的、容易导致后期缺陷的设计找出来，减小纠错成本，最大程度提升船舶运行的安全。

1 典型案例分析

选取具有代表性的将甲板缺陷案例，以如下步骤进行描述：发生结构缺陷的位置(重点关注是否发生在船中0.4L内)；导致缺陷的原因；问题分类(设计问题、生产工艺问题、装配问题)；产生缺陷的类型(裂纹、结构变形、结构失稳等)[1]。

1.1 主甲板管汇区出现的结构缺陷案例

图1 肘板趾端超高导致甲板裂纹

肘板趾端超高导致甲板裂纹，见图1。此处结构缺陷为管子支架处安装的肘板趾端与甲板连接处出现裂纹。问题出现的直接原因是肘板趾端超高，已经达到50 mm。此缺陷位于船中0.4L区域内，宜将其定性为设计/安装时出现的问题[2]。

针对这个问题，宜采取的修复措施：更换肘板，肘板趾端高度需保持在10～15 mm。旧的肘板切除后需要对原肘板趾端与甲板连接区域进行磁粉探伤，如甲板上出现裂纹则需进行甲板挖补。

结构缺陷为船中0.4L区域内管汇区承滴盘支撑立柱与甲板连接处出现裂纹。出现问题的原因是：承滴盘参加了总纵弯曲，而原设计中立柱中间是没有法兰连接的，因此承滴盘立柱与甲板连接处承受的弯矩过大，出现裂纹。此缺陷位于船中0.4L区域内，宜将其定性为设计问题[3]。

针对这个问题，宜采取的修复措施：将承滴盘支架立柱中加入法兰结构，使用间隙配合并加以特氟龙垫片，这样立柱的上下2部分可以存在相对位移。或者将承滴盘分成几段，避免其参与总纵弯曲。

建议：承滴盘支架应设置反顶加强，支架立柱应该具有弹性，也可以在立柱与甲板连接处设置带有软趾端的肘板。

此处结构缺陷为船中0.4L范围内，肘板与甲板连接处，甲板板出现裂纹。出现问题的原因：肘板与旁边设备基座结构互相干扰，无法进行装配焊接，于是工人自行将肘板趾端切掉，导致肘板趾端超高(见图2)，形成硬点，导致甲板裂纹产生。此缺陷应定性为设计/施工问题[4]。

图2 肘板趾端超高导致甲板裂纹

针此缺陷，应采取的修复措施：移除设备基座和肘板，探伤确认裂纹位置，将出现裂纹的甲板进行挖补，将设备基座位置进行调整，避开肘板，更换肘板，保证肘板趾端的高度在10～15 mm。

图3所示为梯子缺乏反顶加强导致舱壁裂纹。此处缺陷位于机舱区域油舱内，油舱舱壁与梯子脚处复板连接处由于振动出现裂纹。此处为设计问题。发生振动的原因是复板反面并没有加强筋作为反面加强[5]。

图3 梯子缺乏反顶加强导致舱壁裂纹

针对此处缺陷，应采取的修复措施：对舱壁进行挖补，在梯子脚反面设置加强筋进行结构补强。

图4所示为脚手眼板未割除导致振动裂纹。此处缺陷位于机舱区域淡水舱内，由于脚手眼板焊接质量较差，伴随脚手眼板的振动问题，导致舱壁加强筋出现裂纹，进而扩展到舱壁裂纹，导致淡水舱出现渗漏。此处定性为设计/施工问题[6]。

针对此处出现的问题，考虑实际情况确定是否需要保留脚手眼板，如需割除则需要注意留根处的打磨。加强筋和出现裂纹的舱壁需要进行换新，所有挖补区域焊缝需要100%超声探伤和磁粉探伤。

图4 脚手眼板未割除导致振动裂纹

甲板室舱壁与甲板形成硬点导致裂纹见图5。此处缺陷位于船中0.4L范围内，甲板室与甲板连接处。甲板室与甲板连接处的角焊缝出现裂纹，此处裂纹有可能会延伸到甲板板。发生裂纹的原因是此处设计甲板室与甲板连接属于“硬点”，在船中0.4L区域内参与总纵弯曲，经过周而复始的中拱中垂运动后，硬点处出现疲劳裂纹。

图5 甲板室舱壁与甲板形成硬点导致裂纹

针对此处出现的问题，首先需要对出现裂纹的区域进行碳刨，通过磁粉探伤确认所有裂纹已经移除，如果裂纹延伸至甲板板，则需要对甲板板进行挖补。完成甲板室壁板与甲板板的焊接工作后，需要沿船长方向设置肘板，要注意肘板下方甲板板反面应有反顶加强。

2 案例分析结果

通过案例分析可以发现，常见的缺陷原因包括：肘板趾端超高、甲板/舱壁反面反顶加强设置缺失/错位、刚度过大的甲板舾装件参与总纵弯曲、结构突变导致的硬点等。

肘板趾端超高形成硬点、刚度过大的甲班舾装件参与总纵弯曲、结构突变导致的硬点大部分是可以在结构设计/审图阶段发现并消除掉的。这需要设计/审图人员适当改变对舾装件的传统观念，将舾装件结构加强作为船体结构设计的一部分进行考虑。

反顶加强设置错位的原因大多是甲板机械尺寸曾经出现过变动，原设计中的反顶加强位置更新没有完成；反顶加强设置缺失大多是因为设计人员缺乏经验，对于振动区域/承压区域的管子支架仅仅设置了复板而未考虑设置反顶加强。

3 推荐的舾装件设计检验关注点

3.1 舾装件安装的厂标

在审图过程中人们的关注点在主要结构上，对于舾装件及其加强材的安装大多仅有一句：按照船厂的标准执行。

但是各个船厂关于甲班舾装件及其下方的结构加强标准并不统一，目前也没有公认的推荐标准。而且，一般来说，船厂的标准是不需要提交船级社进行审核的。因此，船东方在进行合同谈判时就应该要求船厂提交相关的建造标准并进行审核并提出意见。

3.2 设计和审图

正常情况下船体结构的设计先于舾装设计，在进行船体结构部分审图时可能未包含所有的甲板机械或者舾装件下面的加强结构。因此有时后期的图纸修改(如更换了甲板设备)可能没有及时反映在结构设计(如甲板下方的设备反顶结构加强)中[7]。

在审图时船东应当要求船厂提交舾装件安装手册，包括管子支架、系泊设备基座、甲板设备、穿舱件等的安装要求[8]。在电脑上改图纸比在现场进行修割要容易并且便宜的多，因此船东在进行合同谈判时需要对有关设计和图纸修改提交的条款提出要求。例如，在合同中加一条“对退审图纸的任何修改都需要提交船东审核”，可以方便船东在船舶建造期间对所有的改图进行检查。

3.3 现场检验

如上文所述，在审图阶段不一定能检查甲板舾装是否与甲板下的结构加强对位准确，因此，在现场检验过程中就需要对其进行检验。在进行现场检验时，不仅仅要将现场情况与退审图进行对照，还需要与舾装手册进行对照。

在分段检验阶段，舾装件反顶加强一般就能装在分段上了，这个时候应该按照舾装手册的要求进行检查。甲板舾装件必须与其下方的结构加强对位[9]。

船东对于舾装件的检查应该包含(不限于)：

1)结构的材质等级和尺寸。

2)结构件是否漏装。

3)结构件与反顶加强是否错位。

4)漏焊或者焊脚尺寸是否足够大。

5)结构件位置有没有冲突。

6)舾装件的表面处理及涂装是否符合规格书要求。

3.4 进行设计时的考虑重点

尽管各家船厂都有自己的舾装手册，但是还是有必要在局部的甲板高应力区域进行设计上的改进，尤其是当甲板上使用了高强度钢材的时候[10]。

3.4.1 关于甲板上的支撑或者支柱的关注点

1)考虑减少或者消除管子分节(避免内部腐蚀)，建议使用开放式的型材，如T型、L型、I型、X型、H型，等。

2)与甲板反面的加强结构对位(能与甲板反面的主要结构对位就更好了)。

3)当支撑或者支柱对甲板面有压力时，推荐使用复板。

4)当支撑下方正好是肋板上的过梁孔时，需要在孔的位置设置零板。

3.4.2 关于穿舱件(管子)

1)在安装时尽量使用套管，如果使用套管，尽量采用无缝钢管。

2)对于直径超过200 mm的大管子使用环形托架，将环形托架固定在肋板上。

3.4.3 甲板开口

1)要确保甲板开孔是数控切割的并且进行了光顺打磨，没有缺口[11]。

2)在高应力区域或者应力集中区域应该避免开设人孔。

3.4.4 反顶加强

注意反顶加强与原有结构的过渡，避免出现结构突变。

在受到剪切力比较大的区域使用较厚的嵌补板。

3.4.5 其他

肘板趾端高度要保持在10～15 mm，要保证结构有弹性，强度够，还要能够方便进行趾端的包角焊。

尽量使用弹性趾端(即设置肘板时尽量使用月牙板而非三角板)。

当舾装件纵向尺寸较大时，通常其刚度也比较大，可以考虑分成几段，避免参与船舶总纵弯曲时内部应力过大[12]。

要注意较高结构(如雷达桅)等的振动问题。

避免出现需要检查维护的部位缺少人孔的情况。

3 结论

大型LNG运输船作为船舶工业的明星产品，汇聚了行业内顶尖的设计建造团队和高性能机械设备，因为长达40年的疲劳寿命对LNG船整体的可靠性提出了苛刻的要求。计算机有限元分析的广泛应用使得有机会找到LNG运输船主体结构上的每一处结构薄弱点进行补强，但相对滞后的舾装件设计/安装水平也使得各方不得不面对“千里之堤，毁于蚁穴”的风险。

提升设计水平的同时，优秀的现场工作人员也是避免舾装件结构缺陷的关键因素。因为即便有好的设计，如果装配结构错位或者出现焊接缺陷也会导致结构缺陷。尤其是考虑到国内船厂的现状，大部分时候，负责舾装件的焊工和进行船体结构焊接的焊工技术上有巨大的差别，因此需要注意舾装件焊工的人员培训和教育。

[1] 阎晓艳，林莉，唐文勇，等.LNG船的疲劳强度计算与分析[J].船舶,2003(6):19-23.

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[3] 彭铁军.浅析油船腐蚀及其特点[J].世界海运,2008(3):47-48.

[4] 孙向民.浅析现场检验中对老龄散货船甲板裂纹的原因分析和处理方法[C].中国航海学会船检专业委员论文集,银川，2005.

[5] 杭仲九.某散货船强力甲板裂纹的产生原因浅析及其修复措施[J].船舶,2002(3):42-44.

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[12] 王丹丹，高书鹏，曲杰，等.缺陷尺寸对不同剩余强度评价方法保守性的影响[J].船海工程,2015，44(4):143-145.

Analyses of Outfitting Related Structural Defects and Recommended Procedures

SUNBing,ZHENGKun,ZHOUBin

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China)

In order to reduce the structural defects on the deck of LNG carrier, combining with the ship-repairing cases, the causes of the outfitting related defects were analyzed to set forth the key points of inspection of outfitting for the LNG carriers. It can be concluded that the outfitting details must be designed to eliminate the structural hard spots, and normally high toe is the main reason of fatigue crack on the deck.

LNG carrier; outfitting; local crack; fatigue damage

U671.91

A

1671-7953(2017)05-0009-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.004

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

孙冰(1986—)，男，硕士，工程师

研究方向：大型LNG运输船现场监造质量控制