舾裝件缺陷導(dǎo)致局部裂紋的分析及預(yù)防

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(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452)

舾裝件缺陷導(dǎo)致局部裂紋的分析及預(yù)防

孫冰，鄭坤，周斌

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452)

為了從設(shè)計和建造階段入手，減少LNG運(yùn)輸船出現(xiàn)甲板缺陷，結(jié)合修船案例，對甲板缺陷原因進(jìn)行分析并給出推薦的修改方法，總結(jié)出適用于LNG運(yùn)輸船甲板舾裝件檢驗的重點。舾裝件結(jié)構(gòu)加強(qiáng)一般是為了應(yīng)對舾裝件帶來的靜載荷，要避免由于局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)突變，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。肘板趾端超高是導(dǎo)致肘板缺乏彈性，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)的的主要原因。

LNG運(yùn)輸船；舾裝件；局部裂紋；疲勞損傷

根據(jù)Philip G. Rynn在2007年油船結(jié)構(gòu)論壇上關(guān)于雙殼油輪結(jié)構(gòu)缺陷的觀點：超過80%的甲板結(jié)構(gòu)缺陷(甲板裂紋、扶強(qiáng)材裂紋)是由錯誤安裝的舾裝件導(dǎo)致的。因此有必要將舾裝件結(jié)構(gòu)加強(qiáng)作為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的一部分進(jìn)行考慮，因為局部的一點小缺陷有可能發(fā)展為主要結(jié)構(gòu)上的缺陷，進(jìn)而帶來嚴(yán)重的后果。近年來，全球范圍內(nèi)對于天然氣的需求帶動了大型LNG運(yùn)輸船的發(fā)展。油船、LNG運(yùn)輸船、LPG運(yùn)輸船、化學(xué)品船具有一個共同的名字——液貨船，都具有大量的甲板管路和支撐管路的舾裝件，因此，考慮通過對油船協(xié)會在油船塢修過程中發(fā)現(xiàn)的甲板缺陷進(jìn)行分析，嘗試將導(dǎo)致缺陷的原因進(jìn)行分類，提出改進(jìn)意見，力求在LNG運(yùn)輸船建造階段將不合理的、容易導(dǎo)致后期缺陷的設(shè)計找出來，減小糾錯成本，最大程度提升船舶運(yùn)行的安全。

1 典型案例分析

選取具有代表性的將甲板缺陷案例，以如下步驟進(jìn)行描述：發(fā)生結(jié)構(gòu)缺陷的位置(重點關(guān)注是否發(fā)生在船中0.4L內(nèi))；導(dǎo)致缺陷的原因；問題分類(設(shè)計問題、生產(chǎn)工藝問題、裝配問題)；產(chǎn)生缺陷的類型(裂紋、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等)[1]。

1.1 主甲板管匯區(qū)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷案例

圖1 肘板趾端超高導(dǎo)致甲板裂紋

肘板趾端超高導(dǎo)致甲板裂紋，見圖1。此處結(jié)構(gòu)缺陷為管子支架處安裝的肘板趾端與甲板連接處出現(xiàn)裂紋。問題出現(xiàn)的直接原因是肘板趾端超高，已經(jīng)達(dá)到50 mm。此缺陷位于船中0.4L區(qū)域內(nèi)，宜將其定性為設(shè)計/安裝時出現(xiàn)的問題[2]。

針對這個問題，宜采取的修復(fù)措施：更換肘板，肘板趾端高度需保持在10～15 mm。舊的肘板切除后需要對原肘板趾端與甲板連接區(qū)域進(jìn)行磁粉探傷，如甲板上出現(xiàn)裂紋則需進(jìn)行甲板挖補(bǔ)。

結(jié)構(gòu)缺陷為船中0.4L區(qū)域內(nèi)管匯區(qū)承滴盤支撐立柱與甲板連接處出現(xiàn)裂紋。出現(xiàn)問題的原因是：承滴盤參加了總縱彎曲，而原設(shè)計中立柱中間是沒有法蘭連接的，因此承滴盤立柱與甲板連接處承受的彎矩過大，出現(xiàn)裂紋。此缺陷位于船中0.4L區(qū)域內(nèi)，宜將其定性為設(shè)計問題[3]。

針對這個問題，宜采取的修復(fù)措施：將承滴盤支架立柱中加入法蘭結(jié)構(gòu)，使用間隙配合并加以特氟龍墊片，這樣立柱的上下2部分可以存在相對位移。或者將承滴盤分成幾段，避免其參與總縱彎曲。

建議：承滴盤支架應(yīng)設(shè)置反頂加強(qiáng)，支架立柱應(yīng)該具有彈性，也可以在立柱與甲板連接處設(shè)置帶有軟趾端的肘板。

此處結(jié)構(gòu)缺陷為船中0.4L范圍內(nèi)，肘板與甲板連接處，甲板板出現(xiàn)裂紋。出現(xiàn)問題的原因：肘板與旁邊設(shè)備基座結(jié)構(gòu)互相干擾，無法進(jìn)行裝配焊接，于是工人自行將肘板趾端切掉，導(dǎo)致肘板趾端超高(見圖2)，形成硬點，導(dǎo)致甲板裂紋產(chǎn)生。此缺陷應(yīng)定性為設(shè)計/施工問題[4]。

圖2 肘板趾端超高導(dǎo)致甲板裂紋

針此缺陷，應(yīng)采取的修復(fù)措施：移除設(shè)備基座和肘板，探傷確認(rèn)裂紋位置，將出現(xiàn)裂紋的甲板進(jìn)行挖補(bǔ)，將設(shè)備基座位置進(jìn)行調(diào)整，避開肘板，更換肘板，保證肘板趾端的高度在10～15 mm。

圖3所示為梯子缺乏反頂加強(qiáng)導(dǎo)致艙壁裂紋。此處缺陷位于機(jī)艙區(qū)域油艙內(nèi)，油艙艙壁與梯子腳處復(fù)板連接處由于振動出現(xiàn)裂紋。此處為設(shè)計問題。發(fā)生振動的原因是復(fù)板反面并沒有加強(qiáng)筋作為反面加強(qiáng)[5]。

圖3 梯子缺乏反頂加強(qiáng)導(dǎo)致艙壁裂紋

針對此處缺陷，應(yīng)采取的修復(fù)措施：對艙壁進(jìn)行挖補(bǔ)，在梯子腳反面設(shè)置加強(qiáng)筋進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

圖4所示為腳手眼板未割除導(dǎo)致振動裂紋。此處缺陷位于機(jī)艙區(qū)域淡水艙內(nèi)，由于腳手眼板焊接質(zhì)量較差，伴隨腳手眼板的振動問題，導(dǎo)致艙壁加強(qiáng)筋出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展到艙壁裂紋，導(dǎo)致淡水艙出現(xiàn)滲漏。此處定性為設(shè)計/施工問題[6]。

針對此處出現(xiàn)的問題，考慮實際情況確定是否需要保留腳手眼板，如需割除則需要注意留根處的打磨。加強(qiáng)筋和出現(xiàn)裂紋的艙壁需要進(jìn)行換新，所有挖補(bǔ)區(qū)域焊縫需要100%超聲探傷和磁粉探傷。

圖4 腳手眼板未割除導(dǎo)致振動裂紋

甲板室艙壁與甲板形成硬點導(dǎo)致裂紋見圖5。此處缺陷位于船中0.4L范圍內(nèi)，甲板室與甲板連接處。甲板室與甲板連接處的角焊縫出現(xiàn)裂紋，此處裂紋有可能會延伸到甲板板。發(fā)生裂紋的原因是此處設(shè)計甲板室與甲板連接屬于“硬點”，在船中0.4L區(qū)域內(nèi)參與總縱彎曲，經(jīng)過周而復(fù)始的中拱中垂運(yùn)動后，硬點處出現(xiàn)疲勞裂紋。

圖5 甲板室艙壁與甲板形成硬點導(dǎo)致裂紋

針對此處出現(xiàn)的問題，首先需要對出現(xiàn)裂紋的區(qū)域進(jìn)行碳刨，通過磁粉探傷確認(rèn)所有裂紋已經(jīng)移除，如果裂紋延伸至甲板板，則需要對甲板板進(jìn)行挖補(bǔ)。完成甲板室壁板與甲板板的焊接工作后，需要沿船長方向設(shè)置肘板，要注意肘板下方甲板板反面應(yīng)有反頂加強(qiáng)。

2 案例分析結(jié)果

通過案例分析可以發(fā)現(xiàn)，常見的缺陷原因包括：肘板趾端超高、甲板/艙壁反面反頂加強(qiáng)設(shè)置缺失/錯位、剛度過大的甲板舾裝件參與總縱彎曲、結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致的硬點等。

肘板趾端超高形成硬點、剛度過大的甲班舾裝件參與總縱彎曲、結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致的硬點大部分是可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計/審圖階段發(fā)現(xiàn)并消除掉的。這需要設(shè)計/審圖人員適當(dāng)改變對舾裝件的傳統(tǒng)觀念，將舾裝件結(jié)構(gòu)加強(qiáng)作為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的一部分進(jìn)行考慮。

反頂加強(qiáng)設(shè)置錯位的原因大多是甲板機(jī)械尺寸曾經(jīng)出現(xiàn)過變動，原設(shè)計中的反頂加強(qiáng)位置更新沒有完成；反頂加強(qiáng)設(shè)置缺失大多是因為設(shè)計人員缺乏經(jīng)驗，對于振動區(qū)域/承壓區(qū)域的管子支架僅僅設(shè)置了復(fù)板而未考慮設(shè)置反頂加強(qiáng)。

3 推薦的舾裝件設(shè)計檢驗關(guān)注點

3.1 舾裝件安裝的廠標(biāo)

在審圖過程中人們的關(guān)注點在主要結(jié)構(gòu)上，對于舾裝件及其加強(qiáng)材的安裝大多僅有一句：按照船廠的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

但是各個船廠關(guān)于甲班舾裝件及其下方的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，目前也沒有公認(rèn)的推薦標(biāo)準(zhǔn)。而且，一般來說，船廠的標(biāo)準(zhǔn)是不需要提交船級社進(jìn)行審核的。因此，船東方在進(jìn)行合同談判時就應(yīng)該要求船廠提交相關(guān)的建造標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行審核并提出意見。

3.2 設(shè)計和審圖

正常情況下船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計先于舾裝設(shè)計，在進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)部分審圖時可能未包含所有的甲板機(jī)械或者舾裝件下面的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。因此有時后期的圖紙修改(如更換了甲板設(shè)備)可能沒有及時反映在結(jié)構(gòu)設(shè)計(如甲板下方的設(shè)備反頂結(jié)構(gòu)加強(qiáng))中[7]。

在審圖時船東應(yīng)當(dāng)要求船廠提交舾裝件安裝手冊，包括管子支架、系泊設(shè)備基座、甲板設(shè)備、穿艙件等的安裝要求[8]。在電腦上改圖紙比在現(xiàn)場進(jìn)行修割要容易并且便宜的多，因此船東在進(jìn)行合同談判時需要對有關(guān)設(shè)計和圖紙修改提交的條款提出要求。例如，在合同中加一條“對退審圖紙的任何修改都需要提交船東審核”，可以方便船東在船舶建造期間對所有的改圖進(jìn)行檢查。

3.3 現(xiàn)場檢驗

如上文所述，在審圖階段不一定能檢查甲板舾裝是否與甲板下的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)對位準(zhǔn)確，因此，在現(xiàn)場檢驗過程中就需要對其進(jìn)行檢驗。在進(jìn)行現(xiàn)場檢驗時，不僅僅要將現(xiàn)場情況與退審圖進(jìn)行對照，還需要與舾裝手冊進(jìn)行對照。

在分段檢驗階段，舾裝件反頂加強(qiáng)一般就能裝在分段上了，這個時候應(yīng)該按照舾裝手冊的要求進(jìn)行檢查。甲板舾裝件必須與其下方的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)對位[9]。

船東對于舾裝件的檢查應(yīng)該包含(不限于)：

1)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)等級和尺寸。

2)結(jié)構(gòu)件是否漏裝。

3)結(jié)構(gòu)件與反頂加強(qiáng)是否錯位。

4)漏焊或者焊腳尺寸是否足夠大。

5)結(jié)構(gòu)件位置有沒有沖突。

6)舾裝件的表面處理及涂裝是否符合規(guī)格書要求。

3.4 進(jìn)行設(shè)計時的考慮重點

盡管各家船廠都有自己的舾裝手冊，但是還是有必要在局部的甲板高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行設(shè)計上的改進(jìn)，尤其是當(dāng)甲板上使用了高強(qiáng)度鋼材的時候[10]。

3.4.1 關(guān)于甲板上的支撐或者支柱的關(guān)注點

1)考慮減少或者消除管子分節(jié)(避免內(nèi)部腐蝕)，建議使用開放式的型材，如T型、L型、I型、X型、H型，等。

2)與甲板反面的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對位(能與甲板反面的主要結(jié)構(gòu)對位就更好了)。

3)當(dāng)支撐或者支柱對甲板面有壓力時，推薦使用復(fù)板。

4)當(dāng)支撐下方正好是肋板上的過梁孔時，需要在孔的位置設(shè)置零板。

3.4.2 關(guān)于穿艙件(管子)

1)在安裝時盡量使用套管，如果使用套管，盡量采用無縫鋼管。

2)對于直徑超過200 mm的大管子使用環(huán)形托架，將環(huán)形托架固定在肋板上。

3.4.3 甲板開口

1)要確保甲板開孔是數(shù)控切割的并且進(jìn)行了光順打磨，沒有缺口[11]。

2)在高應(yīng)力區(qū)域或者應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)該避免開設(shè)人孔。

3.4.4 反頂加強(qiáng)

注意反頂加強(qiáng)與原有結(jié)構(gòu)的過渡，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變。

在受到剪切力比較大的區(qū)域使用較厚的嵌補(bǔ)板。

3.4.5 其他

肘板趾端高度要保持在10～15 mm，要保證結(jié)構(gòu)有彈性，強(qiáng)度夠，還要能夠方便進(jìn)行趾端的包角焊。

盡量使用彈性趾端(即設(shè)置肘板時盡量使用月牙板而非三角板)。

當(dāng)舾裝件縱向尺寸較大時，通常其剛度也比較大，可以考慮分成幾段，避免參與船舶總縱彎曲時內(nèi)部應(yīng)力過大[12]。

要注意較高結(jié)構(gòu)(如雷達(dá)桅)等的振動問題。

避免出現(xiàn)需要檢查維護(hù)的部位缺少人孔的情況。

3 結(jié)論

大型LNG運(yùn)輸船作為船舶工業(yè)的明星產(chǎn)品，匯聚了行業(yè)內(nèi)頂尖的設(shè)計建造團(tuán)隊和高性能機(jī)械設(shè)備，因為長達(dá)40年的疲勞壽命對LNG船整體的可靠性提出了苛刻的要求。計算機(jī)有限元分析的廣泛應(yīng)用使得有機(jī)會找到LNG運(yùn)輸船主體結(jié)構(gòu)上的每一處結(jié)構(gòu)薄弱點進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，但相對滯后的舾裝件設(shè)計/安裝水平也使得各方不得不面對“千里之堤，毀于蟻穴”的風(fēng)險。

提升設(shè)計水平的同時，優(yōu)秀的現(xiàn)場工作人員也是避免舾裝件結(jié)構(gòu)缺陷的關(guān)鍵因素。因為即便有好的設(shè)計，如果裝配結(jié)構(gòu)錯位或者出現(xiàn)焊接缺陷也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷。尤其是考慮到國內(nèi)船廠的現(xiàn)狀，大部分時候，負(fù)責(zé)舾裝件的焊工和進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)焊接的焊工技術(shù)上有巨大的差別，因此需要注意舾裝件焊工的人員培訓(xùn)和教育。

[1] 閻曉艷，林莉，唐文勇，等.LNG船的疲勞強(qiáng)度計算與分析[J].船舶,2003(6):19-23.

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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

孫冰(1986—)，男，碩士，工程師

研究方向：大型LNG運(yùn)輸船現(xiàn)場監(jiān)造質(zhì)量控制