某铝质高速船海底阀箱进水管复板焊接裂纹修理

刘正阳，陈南华，王光放，林 琳

（1.中国人民解放军91007部队，福安 355011；2.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250）

1 前言

船舶通常设计有用于吸入外界海水或淡水的开口，这个开口称为海底门，也称为海底阀箱。在海底阀箱上设有海底格栅、海底阀、海水滤器及相关管路，通过相应的泵向主辅机、消防系统、空调系统、压载水系统等供应海水，保证设备正常的运行和改善船员的生活居住条件。海底阀箱开口破坏了船壳结构的连续性，而且对于高速船船底会产生较大的砰击压力，导致该区域容易产生应力集中现象，因此应采取相应措施对其进行补强。

GJB 4000-2000《舰船通用规范》、CCS《国内航行海船建造规范（2018）》等对海底阀箱结构设计的要求，可概括为：（1）海底阀箱结构应尽量利用船体原有的结构，并尽量不间断船体原有的主要构件；（2）围板及顶板厚度，应不小于该处的船体外板厚度；（3）围壁板及顶板应有足够的刚度。此外，为保证海底阀箱结构的密性，围板、顶板、船体外板间，均需采用双面连续焊并按要求进行结构密性试验。对于中小型高速船来说，因其空间狭小、设备和管路较多，导致海底阀箱区域施工困难、焊缝密集，可能存在局部焊接质量不佳的现象，在长期的使用过程中容易出现焊接裂纹。本文以某铝质高速船海底阀箱进水管复板出现焊接裂纹的现象为实际案例，对其产生的原因进行分析，从结构加强、海水滤器及相连管路固定两方面提出合理可行的修理方案，经实船验证取得了预期的效果。

2 海底阀箱布置及故障概况

本船设有前主机、后主机、辅机、消防等4个海底阀箱，每个海底阀箱由海底阀箱格栅、进水管、2个碟板阀、1个海水滤器等组成，海水滤器和碟板阀通过进水管及复板通过焊接形式固定在海底阀箱顶板上（见图1）。

图1 海底阀箱布置示意图

本船在使用一段时间后，前机舱主机海底阀箱进水管复板与海底阀箱顶板焊接处出现一条长约200 mm裂纹，裂纹已贯穿顶板并有渗水现象。

3 故障原因分析

3.1 进水管复板宽度偏差

根据现场勘验，出现裂纹位置的进水管复板宽度28.7 mm，远小于原设计值67.0 mm。为此，研究进水管复板宽度对海底阀箱及进水管结构强度的影响，采用有限元法对主机海底阀箱及进水管结构进行仿真分析。分析结果表明：在同等载荷作用下，复板宽度为67.0 mm时，海底阀箱及进水管结构最大等效应力出现在复板与进水管焊接处，其值为3.74 MPa；复板宽度为28.7 mm时，海底阀箱及进水管结构最大等效应力出现在复板与顶板焊接处，其值为5.52 MPa，同比增加了47.6%。

上述结果说明，进水管复板宽度偏小会导致应力明显升高，最大应力出现的位置从复板与进水管焊接处转移至复板与顶板焊接处，这与实际故障情况相吻合；同时，复板宽度偏小导致该区域焊缝过于集中，焊接热量输入过大，使铝合金材料性能明显下降，主机工作时引起海水滤器及相连管路振动，导致海底阀箱及进水管结构薄弱处焊缝疲劳裂纹产生和扩展。

3.2 海水滤器及相连管路支撑

4 修理方案

基于上述故障原因分析，分别从结构加强、海水滤器及相连管路固定两方面提出治理方案。

4.1 结构治理方案

采用有限元法对主机海底阀箱及进水管结构进行仿真计算分析。在同等载荷作用下，针对复板宽度变化、顶板厚度变化、增加肘板等因素，对应的海底阀箱及进水管结构最大等效应力如表1所列。

表1 不同方案计算结果对比表

（1）方案一：在复板宽度为28.7 mm的基础上，增加4块均布的厚6 mm肘板（高100 mm，长度方向延伸至阀箱围板上方）。计算结果表明，增加肘板后应力水平较复板宽度为67.0 mm时下降了11.8%。

（2）方案二：顶板整体由8 mm换新为10 mm，并增加4块均布的厚6 mm肘板（高100 mm，长度方向延伸至阀箱围板上方）。计算结果表明，顶板换新及增加肘板后应力水平较复板宽度为67.0 mm时下降了7.8%。

从表1可以看出：

（1）进水管与海底阀箱顶板连接处设置复板，可显著降低该区域的应力水平；复板的宽度对应力结果影响较大，应综合考虑施工便利性及焊接热影响，合理地选择复板宽度；

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（2）进水管与海底阀箱顶板采用肘板连接效果最为明显，同时施工较为方便；

（3）顶板换新为10 mm，即增加顶板厚度也可以取到降低应力的效果，但存在施工量大、焊接难度高、铝合金二次焊接等缺点。

本船由于海底阀箱区域空间非常狭小，基于施工可达性、减少焊接工作量、避免铝合金二次焊接等因素考虑，结构修理采取方案一。

4.2 管系固定方案

（1）海水滤器前端铝管固定

海水滤器前端铝管，采用增设吊架支架进行加固；

（2）海水滤器

海水滤器固定措施，主要是设置120 °等分抱箍与滤器紧固，由3根角铝组成的支架与铝质抱箍用螺栓上紧，支架与邻近的船体构件焊接固定，以减小海水滤器工作时产生的上下、左右振动位移，见图2所示。

图2 海水滤器固定安装图

（3）海水滤器后端

海水滤器后端固定，应尽量选择在接近变径管处增设吊架支架进行加固；

（4）海水滤器后端至主机进口管路

海水滤器后端至主机进口管路，参考CB/Z 345-2008《船舶管系布置和安装工艺要求》选择合适位置设置吊架支架进行加固；

（5）工艺要求

管子固定，可根据不同位置、不同功能选用具有抗冲击、抗振动的吊架支架形式；管子与管子支架、吊架之间应采取绝缘措施；管子电绝缘吊架，主要由绝缘U形螺柱、绝缘垫块、螺母等组成。绝缘吊架的钢质零件应先进行镀锌处理，再进行电绝缘处理，衬套和绝缘垫材料可采用丁晴橡胶、聚四氟乙烯塑料、耐高温橡胶、尼龙11等制造。

管子吊架要与相应的支架牢固连接，管子支架应设置在船体纵桁、强横梁、强肋骨等强构件或其它船体构件上，不应将支架直接装焊在船体外板上或支承在其它设备、系统的部件上；吊架支架的设置应能防止管子振动和保证管子的强度，避免由于温度的变化和船体变形所产生的负荷作用到相连的设备上；管子吊架支架安装形式，可根据船上具体位置选择图3所示三种形式。

图3 支架安装形式

5 结论

基于某铝质高速船海底阀箱进水管复板出现焊接裂纹的故障现象，从海底阀箱结构设计和海水滤器及相连管路固定两方面，对产生该现象的原因进行分析，提出了切实可行的治理方案，并得到以下结论：

（1）高速船在高速航行时，船底会产生较大的砰击压力，同时海底阀箱开口破坏了船壳结构的连续性，导致该区域容易产生应力集中现象，因此海底阀箱的结构设计应严格按照相关规范或标准进行补强；

（2）海底阀箱进水管与顶板连接处的节点设计应给予重点关注。进水管复板宽度对应力影响较大，应综合考虑施工便利性及焊接热影响，合理地选择复板宽度；海底阀箱进水管与顶板采用肘板连接，可显著降低应力水平；

（3）由于铝合金材料的特殊性，焊接对材料性能影响非常明显，应采用合理的焊接工艺，尽量避免焊缝过于集中，减小焊接热影响区域；

（4）海水滤器及相连管路应采取措施进行固定，以降低机器运行时产生的振动传递至海底阀箱结构，并延长海底阀箱结构的疲劳寿命；

（5）文中提出的结构加强和海水滤器及相连管路固定方案，已经过实船验证并取得了预期效果，可为高速船结构设计和管系生产设计提供借鉴。但对于海底阀箱包括进水流道的水动力特性、结构疲劳寿命等，尚需进一步深入研究。