腐蝕情況下船舶纜樁及其附屬結(jié)構(gòu)的使用年限分析

耿世興 伍生春

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，中國上海201306）

0 引言

船舶常年行駛于海洋之中，其所處的惡劣環(huán)境使鋼制海船腐蝕嚴(yán)重，海船的首部和中部容易上浪，在這些區(qū)域，鋼結(jié)構(gòu)表面受到海水的周期濕潤和風(fēng)浪的沖擊，經(jīng)常處于干濕交替的狀態(tài)，加快了的甲板及纜樁的腐蝕。 海船在系泊狀態(tài)下受到風(fēng)、流和波浪等外力作用下做復(fù)雜的運動，由于船舶的慣性作用，纜樁及與其相連的甲板受到很大的沖擊力，當(dāng)船齡較長，尤其是20 年及以上船齡的海船，鋼結(jié)構(gòu)表面受到腐蝕嚴(yán)重，鋼板厚度減少，當(dāng)纜樁及與其相連的甲板強(qiáng)度不足以承受外力沖擊時，發(fā)生斷裂，船舶在外力作用下發(fā)生移位，可能會與碼頭或他船相撞，發(fā)生事故。因此，分析對腐蝕情況下纜樁及與其相連甲板的強(qiáng)度，并對其安全使用年限的分析計算有十分重要的意義。

1 系泊狀態(tài)下的船舶受力分析

船舶系纜狀態(tài)下，必須要能抵抗因下列因素中的一部分或全部作用產(chǎn)生的力。

1）風(fēng)

2）水流

3）潮汐

4）船舶震蕩

5）波浪、涌浪

6）吃水變化

7）冰

本文將分析船舶在港內(nèi)系泊狀態(tài)下，主要在受風(fēng)、水流的作用下受力。

風(fēng)對船的作用力：

式中，Ra——風(fēng)壓力，kN；

Ka＝0.7208×10－3（橫向壓力），kN·s2/m4；0.4207×10－3（縱向壓力），kN·s2/m4；

va——相對風(fēng)速，m/s；停泊中：（一般船舶）平均速度va=15m/s；

（大型船舶）平均速度va=20m/s；

Aa——水線以上受風(fēng)部位的投影面積，m2；

計算va時不計梁拱、舷弧和縱傾。

Aa=Lpp（D′－d）

式中，Lpp——船舶垂線間長，m；

D′——型深，m；

d——吃水，m。

水流對船舶的作用力：

式中，Rw——水流壓力，kN；

Aw——設(shè)計船舶的浸水面積m2；

vw——水流速度，m/s；港內(nèi)取水流速度vw＝1.03m/s。

Aw＝1.7d·Lpp+△/d

式中，d——平均吃水，m；

△——排水體積，m3；

Lpp——船長，m。

停泊狀態(tài)下船舶纜繩所受的總力T：

式中，T——總拉力，kN；

RaL——風(fēng)對船的縱向作用力；

RaT——風(fēng)對船的橫向作用力；

α——纜繩在水平面與船體橫

方向夾角，并假設(shè)各個纜繩在水平面與船體橫方向夾角相等。 α＝60°。

2 纜樁的受力分析

按照國標(biāo)GB/T554 規(guī)定，帶纜樁為A～E 五種類型的纜樁，其中A帶纜樁為常用類型。 其結(jié)構(gòu)型式如圖1 所示。

圖1 A 型帶纜樁結(jié)構(gòu)型式圖Fig.1 Structure type of the A mooring bitts

纜樁與底座上板接觸部位的受力分析，纜樁受力如圖2，對樁柱與底座上板接觸處做受力分析。對樁柱與底座上板接觸處纜樁受的正應(yīng)力為：

式中，F(xiàn)——纜繩受力，kN；

D——纜樁直徑，mm；

圖2 纜樁受力圖Fig.2 The force diagram of bitts

樁柱與覆板接觸處樁柱受的剪應(yīng)力應(yīng)力為：

式中，F(xiàn)——纜繩受力，kN；

D——纜樁直徑，mm；

則在樁柱與覆板上板接觸處樁柱受的最大應(yīng)力為：

式中，F(xiàn)——纜繩受力，kN；

D——纜樁直徑，mm；

樁柱與覆板接觸處的覆板上板受力為：

式中，F(xiàn)——纜繩受力，kN；

t3——覆板上板厚度，mm；

D——纜樁直徑，mm。

經(jīng)過計算分析式（4）（5），各種尺寸的纜樁在相同的F 的情況下δmax＞δ′max，所以樁柱與底座上板連接處為危險截面。

3 纜樁底座與甲板連接處的受力分析

纜樁底座與甲板通過焊接連接在一起，由于纜樁底座尺寸遠(yuǎn)小于甲板，假設(shè)在外力F 的作用下甲板發(fā)生的彈性形變，根據(jù)胡克定律，應(yīng)力τ 與應(yīng)變ε 成正比， 即：τ∝ε， 或者寫成τ＝Gε，G 為甲板的切變模量，則其受力情況如圖3 所示。

圖3 甲板受力圖Fig.3 The force diagram of deck

假設(shè)在底座中點為處為原點，底座與甲板接觸面的縱向中線為x軸，底座兩端與甲板相連處最大剪切應(yīng)力為τ′max，則有接觸面上的受力分布為：

根據(jù)纜樁受力矩平衡得到：

式中，F(xiàn)——纜樁受外力，kN；

D——樁柱直徑，mm；

t——甲板厚度，mm；

L——纜樁覆板長，mm；

B——纜樁覆板寬度，mm。

經(jīng)過計算分析式（4）（6），不同尺寸的纜樁在δmax、τ′max分別達(dá)到各自的許用應(yīng)力時，τ′max對應(yīng)的F 小， 所以纜樁和與纜樁底座相連的甲板部位受到腐蝕時，在外力F 作用下纜樁覆板與甲板接觸處兩端最先容易斷裂。

4 腐蝕情況下纜樁使用年限的計算

經(jīng)過以上分析， 船體腐蝕時纜樁覆板與甲板連接處容易發(fā)生斷裂，腐蝕情況下，該處甲板的安全厚度t′為：

式中，［τ ］——甲板許用剪切應(yīng)力，［τ ］取280N/mm2；

纜樁底座與甲板連接處發(fā)生腐蝕斷裂危險時的年限m 為：

式中，t——甲板原始厚度，mm；

ξ——甲板的腐蝕余量，ξ 取0.2mm/a。

綜合式（1）（2）（3）（4）（8）（9）得到：

5 結(jié)束語

本文通過對纜樁及覆板與甲板相連的部位建立簡單的力學(xué)模型，計算分析出腐蝕情況下容易產(chǎn)生危險的截面，并得出該部位使用年限的計算方法，為船舶纜樁及覆板與甲板連接部位的安全使用年限提供了參考。

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