船体构件裂纹的分析与修理

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1、船体构件裂纹的分析与修理摘要:文章阐述了船体结构中常见的构件裂纹问题,分析其产生的原因,并提供修理的方法,采取最合适的修理方案,以达到节约资源,提高经济效益的目的。目前,需修理船舶大多为上世纪70至80年代建造,船体结构比较单薄,这些船在使用的前10年内,其结构强度基本不会出现大的问题,但营运10年后,在腐蚀、疲劳、应力集中等因素的影响下,其结构强度往往不能保证,一些构件的裂纹问题也随之而来,这些裂纹按其形成的表面特征,从受力方面基本上可分为以下3种:①受中拱弯曲或中垂弯曲引发主船体构件产生裂纹;②受冲击载荷作用的构件产生裂纹;③受低

2、频变载荷作用和构件内应力集中产生的裂纹。针对裂纹的形成,根据产生的位置、发生的原因、结构节点型式的不同,可以采取不同的修理方法。1　主船体舯部构件的裂纹当船舶总纵弯曲时,弯曲力矩的最大值通常在船中0.4L的区域内,向艏艉两端的弯矩逐渐减少而趋于零。因此,船舶在波浪状态下航行,由于承受波浪载荷,中拱或中垂时,舯部船体构件因疲劳,在非对称肘板的单面大肘板根部或较小肘板的踵部产生高应力;而当所设置的纵骨其面板连接于腹板的下侧,且有其它构件焊接于腹板的自由边时,也可能使纵骨腹板与防倾肘板连接处抗疲劳强度不良,导致纵骨裂纹。产生裂纹的构件修理时

3、,常规做法是补焊或割换,但较好的修理方法建议视其节点的原结构型式,对结构做相应的改进。某2700TEU集装箱船,船中0.4L的区域内,舷边压载水舱舷侧纵骨与肋板连接的节点,在两舷多处发生裂纹,裂纹由纵骨翼板开始延伸至腹板,严重处已裂至舷边(见图1)。修理时分为两种情况:第一种是轻微裂纹的修理,首先根部要止裂,然后碳棒刨掉裂纹,着色探伤无延伸裂纹后,开出坡口补焊,焊接表面应磨平;第二种是裂纹延至舷边的结构部位,必须割除一段包含裂纹的纵骨,更换上材质和规格与原材料相同、长度大于肘板一边的纵骨。较好的修理方法是同时对以上两种情况节点的结构连

4、接型式进行改进:割除有裂纹一面的原肘板,换新一块新肘板,新肘板一端与肋板上的垂扶材连接,使肋板与纵骨通过肘板传递力。同时在肋板的背面加装长度大于X/2的新肘板,提高节点的结构强度。2　受冲击载荷作用的构件产生的裂纹一些船舶结构节点处,由于设计不当,冲击载荷作用处布置有开口的结构,这些构件受到振动载荷作用时易产生裂纹。某57000dwt滚装船甲板的舷边通道,由于铰链安装在通道壁前1m处,当活动甲板升降时,通道受冲击载荷作用产生振动,使通道口处产生裂纹。这种裂纹可能是因为通道布置不当引起,也可能是结构的强度设计不满足要求而产生,因此简单的

5、修复裂纹难以从根本上彻底解决问题。必须考虑增加构件的强度,才能避免裂纹的再生。修复可采用挖换原结构的方法。新构件可以增加板厚、提高材质或改变结构型式。而且换新的构件最好进行数控切割,以保证切割表面光顺无瑕疵。通道壁挖换一块2230mm×1710mm与原构件材质相同的高强度板,且板厚由30mm增为40mm。如果在通道口增大开口角隅的半径,确保嵌入板的圆形角隅上没有对接焊缝,设置全封闭的环形围板,以消除开口角隅处的应力集中,能更好的解决由于应力集中载荷作用下构件产生的裂纹问题。3　低频变载荷作用和局部刚性节点应力集中引起的构件裂纹在船体结

6、构上,由于某种原因,如材料的缺陷、两构件的交叉点、强力装配、焊接缺陷或结构型式不连续,而形成的结构上应力峰值较高区域的刚性节点,船舶营运时由于低频变载荷的作用,这些结构硬点最容易引起船体损伤,构件产生疲劳损坏,由此形成构件的裂纹。大部分疲劳裂纹发生在载荷分担率高的应力集中的结构上,如焊接接头处、开孔边缘处以及局部应力集中处。如图2,舵杆套垂扶材和包板上的裂纹,可能是由于肘板与垂扶材以及垂扶材与包板的结构硬点处,产生应力集中而引起,也可能是环绕肘板板厚的电焊回路焊接有缺陷而产生。对于这种裂纹,修复时要本着改善结构形状、提高焊工技能、消除

7、刚性节点和焊接缺陷的原则来制定方案。如图3,其肘板、垂扶材和外包板的材质、厚度相同,修复时可分别割除构件肘板和垂扶材的一部分,换新一块构件,使挂舵臂套两侧的结构上下与船壳板和底板连接,左右与舵杆套和包板连接,消除了原结构中肘板与垂扶材、垂扶材与包板的两处硬点,同时又便于力的传递,可有效阻止裂纹产生。实施焊接时,包角焊处一定不能熄弧。补焊裂纹要采用二氧焊丝或碱性焊条,且焊条使用前要进行烘干;在施焊以前注意对焊缝进行清理并预热。为使挖换的构件与原结构双面全焊透,其连接处要按规范要求开好坡口。构件实施多层焊时,如果在热态情况下敲击第一道焊缝

8、金属能释放内应力,确保焊接质量。结构裂纹在大龄船舶中非常普遍,实施上述的修理技术,能较好的从根本上解决腐蚀、疲劳等因素影响下构件的裂纹问题,保证工程质量,提高经济效益。