岛礁工作艇吊艇架T形钩断裂原因分析与处理

钱 沣，田 澄

（1.中国人民解放军91937部队，浙江宁波 315000；2.中国人民解放军91045部队，上海 200940）

0 引言

准确测量岛礁地形及地质构造数据是构建“数字海洋”的基础工作之一。因吃水深度原因，母船无法深入岛礁内部，而岛礁工作艇具有吃水浅、机动性强、安全高效等特点，进而成为岛礁测量的主要力量。在母船开到岛礁附近后，人员换乘工作艇，由母船吊放岛礁工作艇，搭载测量设备完成对岛礁的测量。

1 事故案例

某母船配备的吊艇架为LE100-1重力倒臂式吊艇架，为成熟产品，已获CCS、DNV、ABS等多家船级社的认可。该吊艇架装置采用重力式，主要由吊艇臂、头部转角滑轮、浮动滑车（含T形钩）、主钢丝绳等组成（图1）。装置安装于母船两舷侧，主要依靠工作艇的自身重力来进行工作艇的收放，根据SOLAS等规范要求，吊艇架装置需满足在外横倾20°和内横倾20°时，均能通过工作艇自身重力倒出至舷外，以便收放工作艇。另外规范要求当工作艇处于存放状态时，需将主钢丝绳卸载以保护钢丝绳，因此将吊艇臂头部设计为开口槽形结构，既能满足各种工况下的收放工作，也能在存放状态下，通过吊艇臂槽板与浮动滑车T形钩的刚性连接，将钢丝绳卸载。

图1 吊艇架主要结构及组成

浮动滑车T形钩的主要作用是当工作艇存放于艇架上时，浮动滑车下端通过吊艇链与工作艇吊钩相连，浮动滑车T形钩再挂于吊艇臂头部的凹槽内，由其承受工作艇的重量，此时吊艇架主钢丝绳可以卸载，从而达到保护钢丝绳的目的（图2）。吊臂为S形曲杆，由滚轮装置支撑在座架上的槽钢里，由其直接承受工作艇的重量（图3）。滑车是工作艇和吊臂间的联接件，经滑车的作用，可减少起艇绞车的功率，并且在吊臂倒出时，利用滑车T形钩，使工作艇的重量作用于吊臂上。平时存放时，有系艇索绑固小艇，防止小艇运动时产生晃动。本次故障是在岛礁工作艇的吊放过程中，吊挂工作艇的T形钩突然断裂，导致工作艇的意外释放（图4、图5）。

图2 浮动滑车主要结构

图3 吊艇架吊臂头部结构

图4 T形钩安装位置

图5 T形钩断口

2 故障分析

经过对断裂的T形钩进行光谱检测分析，得出T形钩材料为20#钢，设计参数上符合救生设备的强度规范要求，根据断面形式判断，认为T形钩长期在恶劣海况下不仅受到垂直方向的冲击拉力，也承受了横向的冲击剪切力，长此以往出现了疲劳受损，最终导致断裂，初步认定断裂原因为疲劳断裂。根据前期现场勘验、样品检测，以及与使用人员的沟通，结合吊艇架实船使用情况，组织了相关技术评审，对吊艇架T形钩的断裂原因进行排查、分析。

2.1 理论计算

经查阅技术规格书，未明确吊艇架具体存放及使用海况，因此本吊艇架装置设计和试验时均依照救生设备规范进行。吊艇架装置正常存放状态下，浮动滑车T形钩挂于吊臂头部槽板内，T形钩为主要受力件，承受工作艇全部重力。吊艇架装置设计最大工作负荷为100 kN，由艏艉2个吊艇臂共同吊放工作艇，则单个T形钩所承受的最大拉力为50 kN。

T形钩直径为Φ30 mm，材料为20#钢，其机械性能σb≥430 N·mm2，根据计算T形钩最大拉应力：σ=F/S=5000/（3.14×152）=70.77 N·mm2。根据救生设备规范要求，所有吊艇链、链环、卸扣、吊钩等吊重零部件需留有不小于6倍的安全系数，即许用应力[σ]=σb/k=430/6=71.67 N·mm2。[σ]＞σ，满足规范要求。

2.2 T形钩材料分析

经过对断裂的T形钩样品进行光谱检测分析，得出T形钩材料为20#钢，符合图纸设计要求。

2.3 实际使用情况分析

吊艇架T形钩作为工作艇存放时的主要承载部件，在船舶停泊或航行海况较好时，主要承受垂向拉力。母船经常在恶劣海况中航行，可达6～7级海况，此时船舶产生较大的横摇和纵摇运动，对T形钩产生了较大的冲击。虽然工作艇通过钢丝绳系固在吊艇架上，目前采用的钢丝绳系固方式主要约束了工作艇的横向位移，而对工作艇纵向位移的约束作用较小。另外母船系固艇装置绑扎方案缺乏纵向绑扎装置，导致在恶劣海况下工作艇与吊艇架产生了明显的纵向位移（现场艇体和艇支撑有较长擦痕），使T形钩长期受到冲击剪切等作用。经过后续现场勘验姐妹船的T形钩，另发现两处存在疲劳裂纹，也印证了前期分析的疲劳断裂。

2.4 故障定位

根据上述设计过程的梳理和现场T形钩样品的材料检测报告，T形钩满足规范和图纸设计要求，可排除由于设计原因导致本次故障的可能。根据现场勘察并了解母船实际使用情况，T形钩作为存放工作艇时的主要承载部件，经常处于恶劣环境下，在经历多次、长时间的冲击剪切载荷下，使得T形钩疲劳受损，产生裂纹，进而导致海水渗入。海水呈酸性，会加剧裂纹面的腐蚀，最终在经历大风浪后断裂。

2.5 机理分析

针对现场T形钩断裂的情况，分析其断裂的原因如下：①该吊艇架配套使用的为钢质工作艇，空艇重量约为9 t，比一般的玻璃钢工作艇空艇超重很多，且艏艉重量不均匀，艉部负载超过5 t，使得艉部T形钩承受较大应力；②母船实际航行经常遭遇恶劣海况，有时能达到6～7级的海况环境，船体晃动十分严重，工作艇在存放时与吊艇架易产生相对位移，T形钩不仅承受正常的垂向冲击拉力，也承载了横向的冲击剪切作用，加速了T形钩的疲劳损伤。

参考起重机设计规范中各种海况对起升动载力起升系数的影响，根据公式：

式中 ψw——波浪系数，7级海况波浪系数为33.3

K——起重机系统的刚度，N/mm

Qi——起升载荷，N

（K/Qi）0.5值可取为0.057。

则：ϕh=0.83＋ψw（K/Qi）0.5=0.83＋33.3×0.057=2.73

则T形钩在7级海况下所承受的最大应力为：

σmax=ϕh·F/S=2.73×50000/3.14×152=193.2 N·mm2

20#钢材料屈服强度σs≥290 N·mm2，许用强度[σs]=σs/2=145 N·mm2＜193.2 N·mm2。

确实满足不了7级海况下材料屈服强度要求。

（3）系固艇装置绑扎方案中未考虑纵向绑扎，在存放状态下由于风浪的作用，工作艇与吊艇架产生了相对纵向移动（现场艇体和艇支撑架之间有明显擦痕），使得T形钩长期受到严重的剪切冲击。

3 改进措施

T形钩断裂是多种因素结合起来造成的，在后续技术改进上，应综合考虑上述分析的因素，一方面需对T形钩加大外形设计，以增强其承受的冲击力，另一方面需优化系固艇方案，减小救生艇与吊艇架在恶劣海况下产生的相对位移。同时加强设备维护保养，每年对钢构进行检测。进一步完善操作规程，经常检查吊艇设备各部件是否正常，确保安全。每周检查固艇锁具，是否系牢，大风浪航行前必须进行全面细致地检查。进一步督促船员定期对重要部件加注润滑油。

3.1 优化T形钩

考虑修改工作艇重量的可能性较小，需核实工作艇艉部最大重量，在不影响与吊艇臂的配合和整个收放过程的前提下，对T形钩进行结构强度升级（图6），将原直径Φ30 mm优化为Φ35 mm以增强抵抗变形、疲劳和裂纹的能力。

图6 T形钩优化设计

另外在工艺上加大T形钩圆弧角，将T形钩连接部位的圆弧角由R2 mm扩大为R4 mm，防止应力集中，并在生产过程中加强检验，确保误差度。

优化后的T形钩在7级海况下最大应力为：

σmax=ϕhF/S=2.73×50000/（3.14×17.52）=141.9 N·mm2

20#钢材料屈服强度σs≥290 N·mm2，则许用强度σs=σs/2=145 N·mm2，[σs]＞σmax，符合要求。

3.2 绑扎、固艇系统加强

所有在役船舶需加强固艇、系艇绳索的绑固。现有配套的横向系固绳索需加强绑扎紧度，另外考虑增加纵向绑扎绳索，尽量减少艇和艇架之间在恶劣海况下的相对纵向位移。

3.3 吊艇臂头部局部抗应力调整

吊艇臂头部槽形板实际结构圆弧角较小，在船舶纵向晃动时易对T形钩产生剪切作用，可通过人工打磨的方式加大圆弧角。

3.4 加强T形钩处的维护保养工作

因T形钩长期处于受力状态，并承受长时间的冲击载荷，后续需与船员沟通，加强培训工作，要求对该部分进行定期检查，每年至少进行一次专项检查（磁粉/着色探伤），若发现有变形或裂纹需及时更换。

4 结论

T形钩作为存放岛礁工作艇的主要受力部件，需要一定的强度，分析认定此次T形钩断裂故障的成因是恶劣海况下引起的疲劳断裂。结构设计时未考虑恶劣海况是一个方面，绑扎方案中未考虑纵向绑扎也是重要原因。