艦船結(jié)構(gòu)腐蝕余量要求標準分析

夏齊強，朱 韜，徐 憶

（海軍研究院，上海 200235）

0 引言

對于艦船結(jié)構(gòu)而言，多年的實踐經(jīng)驗表明，隨著使用時間的增長，削弱結(jié)構(gòu)能力的最突出的因素主要是板梁結(jié)構(gòu)的腐蝕，腐蝕會導致板結(jié)構(gòu)的有效厚度減小，承載能力隨之減弱。一旦發(fā)生腐蝕破壞，會威脅到艦船整體結(jié)構(gòu)的安全。對于民用船舶，各船級社、船東以及國際海事組織已經(jīng)認識到了腐蝕的重要性，明確了各類船舶腐蝕余量選取要求及校核計算扣除原則，提出了船體不同部位的最小允許尺寸，許多機構(gòu)正在制定保持老齡化船舶完整性的標準。對于軍用船舶，各國海軍也開始研究制定艦船的腐蝕選取要求及評估標準和相應的維護策略。本文主要對國內(nèi)外腐蝕余量標準相關(guān)規(guī)定進行系統(tǒng)分析，旨在為我國艦船腐蝕余量選取要求研究制定提供參考。

1 艦船結(jié)構(gòu)腐蝕余量要求標準

1.1 總體情況

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計是按照船舶有關(guān)規(guī)范嚴格進行的，提供的總縱強度計算書是以新建造的船舶為對 象，對新造船舶船體結(jié)構(gòu)抵御總縱彎曲、總縱剪力和總縱扭轉(zhuǎn)能力的全面校核。隨著船舶服役期的增加，船體由于腐蝕、疲勞損傷等作用，其抵抗外力所致破壞性變形的能力也隨之下降。鑒于老齡船舶的頻頻失事，腐蝕是導致老齡船舶結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，在船體的壽命期內(nèi)，不考慮腐蝕等原因引起的結(jié)構(gòu)承載能力的變化將是非常危險的。為此，國內(nèi)外船級社均制定了各自的腐蝕余量選取要求，對船體不同部位的腐蝕余量的選取及扣除原則都有明確的規(guī)定。

散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR 規(guī)范）[1]按船舶類型、船舶長度、艙室類型、結(jié)構(gòu)構(gòu)件部位對腐蝕增量進行了規(guī)定，提出了腐蝕增量最小值，并規(guī)定了腐蝕增量扣除原則，指出結(jié)構(gòu)強度評估應在總提供尺寸上扣除適當?shù)母g增量后進行評估，標準要求較為細致。結(jié)構(gòu)的設(shè)計基于一個凈尺寸，從理論和實用的角度出發(fā)，將船舶運營期間可能發(fā)生的腐蝕余量從船體構(gòu)件的建造厚度中剝離出去，采用凈尺寸的概念對船體構(gòu)件的最低要求進行規(guī)定，對于確保船舶結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的安全是合理和必要的。我國原有CCS 規(guī)范[2]主要是基于構(gòu)件的建造厚度以及相應的統(tǒng)計規(guī)律、統(tǒng)計結(jié)果和研究手段等建立的，與凈尺寸的要求有一定的距離。從2006年開始，我國的鋼質(zhì)海船入級規(guī)范中，也將CSRT規(guī)范（雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）、CSRB 規(guī)范（散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）全盤引用，作為散貨船及雙殼油船的結(jié)構(gòu)規(guī)范。與CCS 原有規(guī)范指南比較，CSR共同規(guī)范在規(guī)范體系、適用范圍、載荷、規(guī)范計算等方面存在一定的區(qū)別。就結(jié)構(gòu)腐蝕余量相關(guān)規(guī)定而言，二者主要區(qū)別在于：1）設(shè)計壽命，共同規(guī)范要求船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為25 年，而不是CCS 原有規(guī)范的20 年；（2）規(guī)范計算尺寸基礎(chǔ)，在進行船體梁的屈服校核、總應力計算、屈曲校核、極限強度校核以及強度直接計算、疲勞校核時，共同規(guī)范采用“凈尺寸方法”，即計算所取的結(jié)構(gòu)尺寸為凈尺寸，是在總提供厚度的基礎(chǔ)上折減一定比例的腐蝕余量；而CCS 原有規(guī)范采用的是構(gòu)件建造厚度。

ABS 鋼質(zhì)船規(guī)范[3]根據(jù)不同船型（油船、散貨船、集裝箱船等），根據(jù)各自結(jié)構(gòu)特點給出了腐蝕余量具體數(shù)值；同時，ABS 軍船規(guī)范[4]采用與鋼質(zhì)船（民船）規(guī)范完全相同的條款規(guī)定。ABS 的2006鋼規(guī)中按照不同部位對油輪設(shè)計名義腐蝕值進行了明確規(guī)定，分別為船底板1.5 mm，貨艙甲板1.0 mm，邊艙（壓載艙）甲板2.0 mm 等；而FPSO 的腐蝕環(huán)境較運營油輪惡劣的現(xiàn)實，規(guī)定FPSO 設(shè)計過程中需要增大腐蝕余量以保證結(jié)構(gòu)安全，在ABS 2006鋼規(guī)提供的數(shù)值基礎(chǔ)上各自增加0.5 mm。ABS 規(guī)范在“凈尺度”原則的框架下建立，規(guī)定在進行結(jié)構(gòu)分析、強度校核以及有限元建模過程中均采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件凈尺寸，需在總結(jié)構(gòu)構(gòu)件總厚度中扣除相應的腐蝕余量。

DNV 民船規(guī)范[5]按艙室類型、結(jié)構(gòu)構(gòu)件劃分，規(guī)定了單側(cè)腐蝕余量從0 mm～2.5 mm，在結(jié)構(gòu)評估過程中，應根據(jù)評估要求和分析類型從總要求厚度中扣除從0%～100%不等的腐蝕余量；而在DNV軍船規(guī)范[6]中，主要劃分為一般構(gòu)件，潤滑油、汽油或相當油艙，壓載水艙、污水艙、通海閥箱，錨鏈艙等類型，范圍為0.5 mm～2.0 mm，結(jié)構(gòu)評估則采用建造厚度扣除腐蝕余量的結(jié)構(gòu)凈尺寸進行計算校核。

LR 民船入級規(guī)范[7]給出了不同位置結(jié)構(gòu)以建造板厚為基準的腐蝕余量值以及腐蝕余量范圍。另外，針對個別位置，如艙口蓋、艙口圍板，規(guī)范中給出了專門的腐蝕余量扣除值。針對個別具體船型，如集裝箱船，規(guī)范也給出了單獨的腐蝕余量扣除方式，具體規(guī)定與CCS 規(guī)范類似。LR 軍船規(guī)范[8]也是按結(jié)構(gòu)部位給出了腐蝕余量要求值，從0.5 mm～2.0 mm。在進行強度計算和結(jié)構(gòu)分析時，LR 民船規(guī)范和軍船規(guī)范均采用結(jié)構(gòu)的凈厚度，即在建造厚度的基礎(chǔ)上扣除相應腐蝕余量。

我國軍船規(guī)范GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》[9]中水面艦船的結(jié)構(gòu)強度校核中沒有考慮腐蝕的影響；GJB/z 119—1999《水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法》[10]中總縱強度、疲勞強度以及局部強度校核時均沒有考慮腐蝕的影響，僅在直升機平臺甲板板的最大彎曲應力計算時考慮了腐蝕，但腐蝕余量取值在標準中沒有明確給出?？偟膩碚f，我國現(xiàn)有軍船設(shè)計規(guī)范對于腐蝕余量的選取要求尚不清晰，在構(gòu)件尺寸計算、強度校核中沒有明確給出腐蝕余量扣除方法等。

1.2 主要特點

分析上述現(xiàn)行各規(guī)范腐蝕余量要求標準，可以發(fā)現(xiàn)目前腐蝕余量規(guī)定大致可以分為4 類：

1）CSR 規(guī)范、DNV 規(guī)范類似，腐蝕余量是根據(jù)構(gòu)件的不同（如甲板板，舷側(cè)外殼板等）及構(gòu)件所處位置的不同（如貨油艙，壓載艙等）給出的；

2）ABS 規(guī)范腐蝕余量根據(jù)不同船型以及構(gòu)件所處的位置、類型給出；

3）CCS 規(guī)范和LR 規(guī)范類似，腐蝕余量基于結(jié)構(gòu)厚度給出；CCS 規(guī)范的腐蝕余量主要是基于結(jié)構(gòu)的建造厚度，以10 mm 為界限分別規(guī)定；LR 民船規(guī)范的腐蝕余量按照結(jié)構(gòu)類型及所處位置基于結(jié)構(gòu)厚度給出，并規(guī)定了腐蝕余量的最大最小值范圍。

4）DNV 軍船規(guī)范與LR 軍船規(guī)范類似，均規(guī)定了不同結(jié)構(gòu)部位腐蝕余量選取值，但結(jié)構(gòu)劃分方式有所不同。另外，LR 軍船規(guī)范對飛行甲板要求較DNV 規(guī)范高。

國外船級社如ABS、LR、DNV 在進行軍船強度評估時，都考慮了腐蝕余量。目前國內(nèi)軍船設(shè)計規(guī)范中，沒有明確給出腐蝕余量扣除等問題。從應力計算的角度分析，CSR、ABS 和DNV 規(guī)范均采用“凈尺度”原則，在進行強度評估時應扣除相應的腐蝕余量，并給出了不同分析類型所應扣除腐蝕余量具體量值；而CCS 規(guī)范（除集裝箱船另外規(guī)定），在結(jié)構(gòu)強度評估過程中并未明確要求扣除腐蝕余量，并且在疲勞校核指南中，要求使用構(gòu)件的建造尺寸，并通過腐蝕修正系數(shù)對結(jié)果進行修正。

2 基于通用規(guī)范的船體結(jié)構(gòu)腐蝕余量選取要求分析

2.1 船體不同結(jié)構(gòu)部位腐蝕余量要求

1）設(shè)計水線區(qū)域

在CSR 規(guī)范中，對于最小設(shè)計壓載吃水線與結(jié)構(gòu)吃水線之間的外殼板其腐蝕余量為1.5 mm，暴露于水下和水面的舷側(cè)外板的腐蝕余量為1.0 mm；CCS 集裝箱船規(guī)范中對此部分沒有明顯的差異，暴露于海水及大氣的外板其腐蝕余量都是取為1.0 mm；ABS 規(guī)范中對于油船腐蝕余量的規(guī)定整個舷側(cè)外板的名義腐蝕余量設(shè)計值為1.5 mm；ABS 規(guī)范中對于該部位散貨船腐蝕余量的規(guī)定更加細致，舭板上轉(zhuǎn)角至甲板下1.5 m 范圍內(nèi)的舷側(cè)外板腐蝕余量為1.5 mm、甲板下1.5 m 至甲板舷側(cè)外板腐蝕余量為2.0 mm；DNV 民船規(guī)范中對于船體外表面的腐蝕余量統(tǒng)一為0.5 mm；DNV 軍船規(guī)范中除規(guī)定的一些特殊艙室外的其他構(gòu)件其腐蝕余量統(tǒng)一為0.5 mm；LR 軍船規(guī)范中對于所有位于設(shè)計水線1 m線以下的船體外殼板的腐蝕余量取為0.5 mm；由上述的對比可知，DNV 軍、民船規(guī)范以及LR 軍船規(guī)范對于這部分的腐蝕余量都取為0.5 mm，較其他民船規(guī)范小。

2）露天甲板

在CSR 規(guī)范中，露天甲板板腐蝕余量為1.7 mm；CCS 集裝箱船規(guī)范規(guī)定暴露于大氣的外板其腐蝕余量取為1.0 mm；ABS 規(guī)范中對于油船甲板板腐蝕余量取為2 mm，對于散貨船甲板板腐蝕余量在開口區(qū)域外取為2.0 mm、開口區(qū)域內(nèi)取為1.5 mm，對于集裝箱船甲板板腐蝕余量在開口區(qū)域外取為1.5 mm，開口區(qū)域內(nèi)取為1.0 mm；DNV 民船規(guī)范中對于船體外表面的腐蝕余量統(tǒng)一為0.5 mm；DNV軍船規(guī)范中除規(guī)定的一些特殊艙室外的其他構(gòu)件其腐蝕余量統(tǒng)一為0.5 mm；LR 軍船規(guī)范中對于飛行甲板的腐蝕余量取為1.5 mm。

3）最小設(shè)計吃水以下外板

在CSR 規(guī)范中該部分腐蝕余量為1.0 mm；CCS集裝箱船規(guī)范規(guī)定該部分的腐蝕余量取為1.0 mm；ABS 規(guī)范中對于油船舷側(cè)板其腐蝕余量取為1.5 mm，底部外部取為1.0 mm、ABS 規(guī)范中對于散貨船底板（包含比龍骨和舭板）的腐蝕余量取為1.0 mm，舷側(cè)外板（舭板上轉(zhuǎn)角至甲板下1.5 m）的腐蝕余量取為1.5 mm；ABS 規(guī)范中對于集裝箱船底部和舭部其腐蝕余量取為1.0 mm，對于舷側(cè)外板油艙區(qū)域的腐蝕余量取為1.5 mm、干燥區(qū)域其腐蝕余量取為1.0 mm；DNV 民船規(guī)范中對于船體外表面的腐蝕余量統(tǒng)一為0.5 mm；DNV 軍船規(guī)范中除規(guī)定的一些特殊艙室外的其他構(gòu)件其腐蝕余量統(tǒng)一為0.5 mm；LR軍船規(guī)范中對于所有位于設(shè)計水線1 m 線以下的船體外殼板的腐蝕余量取為0.5 mm。

4）船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)干燥艙

船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)干燥艙，包括居住艙、工作艙、儲藏艙、彈藥艙等。在CSR 規(guī)范中對于干艙的腐蝕余量取為0.5 mm；CCS 集裝箱船規(guī)范對于居住艙其腐蝕余量取為0 mm，其他干艙腐蝕余量取為0.5 mm；ABS 規(guī)范中對于油船、散貨船和集裝箱船對于該部分的腐蝕余量沒有給出明確規(guī)定；DNV 民船規(guī)范中對于居住艙其腐蝕余量取為0 mm，其他干艙腐蝕余量取為0.5 mm；DNV 軍船規(guī)范中對于該部分的腐蝕余量沒有給出明確規(guī)定；LR 軍船規(guī)范中對于所有構(gòu)成艙室邊界的板結(jié)構(gòu)的腐蝕余量取為0.5 mm可酌情選取。

5）船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)潮濕艙

船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)潮濕艙，包括淋浴艙、洗漱艙、廁所、洗衣機室、廚房、開水間、錨鏈艙。在CSR規(guī)范中對于錨鏈艙根據(jù)構(gòu)件類型及所處位置其腐蝕余量在1.0 mm～2.0 mm 之間；CCS 集裝箱船規(guī)范對于該部分艙室腐蝕余量取為0.5 mm；ABS 規(guī)范中對于油船、散貨船和集裝箱船該部分的腐蝕余量沒有給出明確規(guī)定；DNV 民船規(guī)范中對于通海閥箱、尿素艙、污水艙、污油艙、錨鏈艙的腐蝕余量取為1.0 mm；DNV 軍船規(guī)范中對于錨鏈艙的腐蝕余量取為2.0 mm；LR 軍船規(guī)范中對于所有構(gòu)成潮濕艙室邊界的板結(jié)構(gòu)的腐蝕余量取為0.5 mm，可酌情選取。

6）船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)液艙

船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)液艙，主要包括油艙（燃油艙、航空油艙、滑油艙）、水艙（淡水艙、飲用水艙、水柜、鍋爐水艙、壓載水艙）、液貨艙等。在CSR 規(guī)范中，其腐蝕余量為0.7 mm；CCS 集裝箱船規(guī)范規(guī)定其腐蝕余量取為0.5 mm；ABS 規(guī)范中對于油船該部分的腐蝕余量取為1 mm、ABS 規(guī)范中對于散貨船其液艙所在位置不同其腐蝕余量略有不同，在1.5 mm～2 mm 之間，對于集裝箱船其液艙所在位置不同其腐蝕余量略有不同，在1 mm～1.5 mm 之間；DNV 民船規(guī)范中對于壓載水艙腐蝕余量取為1.0 mm，其他艙其腐蝕余量取為0；DNV 軍船規(guī)范中對于壓載水艙腐蝕余量取為1.0 mm，其他油艙取為0.7 mm；LR 軍船規(guī)范中對于液艙其腐蝕余量取為0.5 mm 可酌情選取。

2.2 各規(guī)范比較

船體結(jié)構(gòu)不同區(qū)域腐蝕余量標準詳細對比見表1。

由表1 的對比可知，上述規(guī)范對于船體不同結(jié)構(gòu)部位腐蝕余量均有明確值，其中CSR 規(guī)范、CCS集裝箱船規(guī)范和ABS 民船規(guī)范中對于設(shè)計水線區(qū)域、露天甲板以及最小設(shè)計吃水以下外板的腐蝕余量較DNV、LR 軍民船規(guī)范腐蝕余量扣除多，對于船體內(nèi)部艙室（干燥艙和潮濕艙）除ABS 民船規(guī)范沒有明確定義，其他規(guī)范一般取0.5 mm。

3 我國艦船結(jié)構(gòu)腐蝕余量要求標準化工作建議

3.1 吸收借鑒國外軍民船規(guī)范經(jīng)驗成果

國外民船規(guī)范對于涉及船舶生命力安全要求一直都很重視，技術(shù)內(nèi)容反映了目前船舶設(shè)計最新理論成果和經(jīng)驗總結(jié)，標準規(guī)范水平走在前列。國外船級社如ABS、LR、DNV 在進行軍船強度評估時，都考慮了腐蝕余量。目前國內(nèi)軍船設(shè)計規(guī)范中，沒有明確給出腐蝕余量扣除等問題。充分吸收借鑒國外船級社規(guī)范建設(shè)經(jīng)驗及研究成果，對于指導我國艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計標準規(guī)范研究制定具有重要的參考借鑒意義。

3.2 加強腐蝕對艦船結(jié)構(gòu)強度影響研究

船體結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復雜，影響船體腐蝕的因素眾多，航海環(huán)境、船體構(gòu)件位置、裝載情況以及腐蝕防護措施等都會對腐蝕情況產(chǎn)生影響，目前尚未有系統(tǒng)的研究我國艦船不同結(jié)構(gòu)部位腐蝕規(guī)律，對不同腐蝕區(qū)域、不同腐蝕狀態(tài)、腐蝕速率、腐蝕方式對船舶結(jié)構(gòu)強度的影響尚不清晰，需要研究建立適合我國艦船結(jié)構(gòu)腐蝕模型，開展考慮腐蝕影響的艦船結(jié)構(gòu)強度評估問題研究，為我國艦船腐蝕余量選取要求制定提供理論依據(jù)。

3.3 加快推進艦船材料腐蝕相關(guān)標準制修訂

隨著海軍艦船裝備的快速發(fā)展，艦船設(shè)計水平和綜合性能大幅提升，特別是艦船總體性能、船體結(jié)構(gòu)與材料、腐蝕防護等領(lǐng)域取得了較大進展，各種新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)不斷得以研究和應用，現(xiàn)有標準規(guī)范已不能滿足現(xiàn)代艦船材料的各項要求，與艦船裝備技術(shù)發(fā)展、作戰(zhàn)使用需求不協(xié)調(diào)，急需加快推進我國艦船材料腐蝕相關(guān)標準制修訂工作，為保障艦船研制提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

腐蝕作為伴隨艦船整個壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)安全的重要影響因素，會引起船體構(gòu)件厚度減小、承載能力減弱以及穩(wěn)性失效，直接危害艦船生命力安全，必須在設(shè)計階段予以考慮。民船設(shè)計規(guī)范對船體不同部位的腐蝕余量的選取及扣除原則都有明確的規(guī)定，我國水面艦船的結(jié)構(gòu)強度校核中基本沒有考慮腐蝕的影響，軍船規(guī)范也未提出明確的腐蝕余量選取要求，后續(xù)可吸收借鑒國外軍民船規(guī)范經(jīng)驗，結(jié)合軍船腐蝕模型規(guī)律研究及考慮腐蝕影響的艦船結(jié)構(gòu)強度分析，開展規(guī)范腐蝕余量選取要求研究，加快推進艦船材料腐蝕相關(guān)標準制修訂，為水面艦船腐蝕余量選取提供支撐。