某船支柱墊板與甲板連接焊縫產(chǎn)生裂紋的原因分析

朱佳偉

摘? ? 要：本文對(duì)某型船甲板支柱墊板與甲板焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，從焊接接頭破壞機(jī)理進(jìn)行計(jì)算分析，確定其開(kāi)裂原因并提出修復(fù)方案及優(yōu)化意見(jiàn)，對(duì)類(lèi)似工程施工具有借鑒作用。

關(guān)鍵詞：疲勞斷裂；焊接接頭；焊縫缺陷；性能評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：U671.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis of the Weld Cracks in the Connection between

Support Plant and? Deck of a Ship

ZHU Jiawei

（ Third Military Representative Office of Navy in Guangzhou，? Guangzhou 511462 ）

Abstract： In this paper，the cracking phenomenon of the weld between the strut pad and the deck of a certain type of ship is used.The failure mechanism of welded joints is calculated and analyzed， which determines the cause of cracking and proposes the repair plans and optimization suggestions. It has guiding significance and reference for the construction of similar projects.

Key words： fatigue breakage;? weld joints;? weld defects;? performance evaluation

1? ? ?前言

某型船在使用過(guò)程中出現(xiàn)甲板支柱墊板與甲板連接焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，對(duì)船舶使用帶來(lái)較大的安全隱患。為了解產(chǎn)生裂紋的原因和提出相應(yīng)解決措施，開(kāi)展了相關(guān)研究。

焊縫裂紋位置位于該船首部艇甲板下絞盤(pán)帶纜區(qū)域，為支撐艇甲板的支柱下方墊板與甲板連接焊縫出現(xiàn)裂紋，勘驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)#165和#168肋位共4根支柱墊板焊縫出現(xiàn)開(kāi)裂，裂紋出現(xiàn)的位置如表1所示。

2? ? ?裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1? ?概述

焊接接頭的破壞與非焊接接頭不同，因?yàn)楹附咏宇^存在材料非均質(zhì)特性、幾何不連續(xù)性以及殘余應(yīng)力，見(jiàn)圖1。

焊接接頭的破壞模式可歸納為兩種：第一種是焊縫附近沿著板的厚度方向的破壞模式，稱為模式A，它的破壞起始于焊趾；第二種是焊縫破壞，稱為模式B，它的破壞起始于焊根，穿過(guò)焊縫金屬，見(jiàn)圖2。

從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)看，模式A裂紋取決于破壞位置板截面方向相對(duì)于裂紋平面的法向應(yīng)力分布，應(yīng)力狀態(tài)取決于板厚；而模式B取決于破壞路徑所定義的裂紋平面的法向應(yīng)力分布，應(yīng)力狀態(tài)取決于實(shí)際焊喉尺寸；而模式A的破壞可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，降低出現(xiàn)概率；模式B的破壞可以通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)暮缚p尺寸和焊接工藝，予以避免。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)可以看出，裂紋主要出現(xiàn)在焊縫中間而不是焊趾，也就是說(shuō)焊接接頭破壞為模式B，即因?yàn)楹缚p尺寸過(guò)小或焊接質(zhì)量不佳引起的。

2.2? ?計(jì)算分析

1）理論方法

（1）支柱承壓時(shí)焊縫計(jì)算分析

在支柱承受豎直向下的壓力載荷時(shí)，當(dāng)支柱墊板與甲板完全接觸時(shí)，支柱壓力通過(guò)板與板的接觸傳遞，墊板與甲板間連接焊縫幾乎不傳遞壓力載荷，在該狀態(tài)下焊縫不會(huì)被壓壞。

由于支柱為細(xì)長(zhǎng)桿，當(dāng)支柱承受的壓力載荷超過(guò)其穩(wěn)定性許用載荷時(shí)，支柱會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)造成彎曲，從而對(duì)連接焊縫產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。

依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范（2021）》，支柱所承受的壓力載荷 P按下式計(jì)算：

P = 7.06 abh + Po? ? kN? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中： a為支柱所支持的甲板面積的長(zhǎng)度，m；b為支柱所支持的甲板面積的平均寬度，m；h為支柱所支持的甲板的計(jì)算壓頭，m；Po為上方支柱所傳遞的載荷，kN。

對(duì)于#165 距舯7 500支柱： a=3.9 m，b=2.7 m ，h=3.2 m ，l=2.6 m ，Po =24.8 kN；對(duì)于#168 距舯1800支柱：a=3.9 m，b=4 m，h=3.2 m，l=2.6 m，Po =24.8 kN；對(duì)于#173 舯縱支柱： a=2.275 m，b=5.4 m，h=3.2 m，l=2.6 m，Po = 0 kN。

將上述數(shù)值代入式（1），得到各支柱所承受的壓力，P如表2所列。

按照規(guī)范，管形支柱的壁厚 t 應(yīng)不小于按下列兩式計(jì)算所得之值：

t=P /（0.392 dp-4.9l）? ?mm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

t=dp / 40? ?mm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中： P 為支柱所受的載荷 P， kN；l為支柱的有效長(zhǎng)度， m；dp為管形支柱的平均直徑， mm。

將上述數(shù)值代入式（2）（3），得到管形支柱的壁厚如表2所列：

表2? 各支柱計(jì)算結(jié)果

由表2可知，艇甲板下#161～#175間支柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。從現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)來(lái)看，支柱不存在彎曲、扭曲等變形，在承壓狀態(tài)下支柱的壓桿穩(wěn)定性足夠，不會(huì)對(duì)支柱墊板與甲板間連接焊縫造成影響。

（2）支柱承拉時(shí)焊縫計(jì)算分析

對(duì)支柱承拉狀態(tài)，規(guī)范中未作要求，僅要求對(duì)于壓載艙或其他液艙內(nèi)的支柱應(yīng)注意可能受拉的影響。在支柱承拉時(shí)，拉力載荷需要通過(guò)支柱與墊板間連接焊縫以及墊板與甲板間連接焊縫傳遞，現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)焊縫強(qiáng)度進(jìn)行分析。

① 對(duì)于支柱兩端連接，規(guī)范要求應(yīng)保證支柱上下端處的結(jié)構(gòu)能合理地承受和傳遞載荷，在支柱的下方應(yīng)設(shè)置復(fù)板或加厚板，具體厚度或尺寸規(guī)范無(wú)要求。設(shè)計(jì)中參考了CB 261《水面艦艇圓形鋼支柱選用要求》，對(duì)于本區(qū)域的φ133×8 mm和φ194×12 mm支柱，采用不設(shè)肘板樣式，見(jiàn)圖3所示。

焊接要求：對(duì)于t=8 mm管型支柱，端部連接采用5 mm焊角高度、圍焊；對(duì)于t=12 mm管型支柱，端部連接采用7 mm焊角高度、圍焊。

② 支柱承受拉力載荷時(shí)，由于規(guī)范沒(méi)有給出拉力載荷的計(jì)算公式，在此僅對(duì)單位拉力載荷狀態(tài)下焊縫情況進(jìn)行定性分析。

對(duì)于φ133×8 mm支柱：支柱與墊板間連接焊縫受力面積為1 532.79 mm2；墊板與甲板間連接焊縫受力面積為2832.34 mm2；墊板與甲板間連接焊縫是支柱與墊板間連接焊縫應(yīng)力的1.85倍。

對(duì)于φ194×12 mm支柱：支柱與墊板間連接焊縫受力面積為3 125.57 mm2；墊板與甲板間連接焊縫受力面積為6328.89 mm2；墊板與甲板間連接焊縫是支柱與墊板間連接焊縫應(yīng)力的2.02倍。

由此可見(jiàn)，在一定受拉狀態(tài)下，不管是φ133×8 mm還是φ194×12 mm支柱，支柱墊板與甲板間連接焊縫應(yīng)力均小于支柱與墊板間的焊縫應(yīng)力。實(shí)船中支柱墊板與甲板連接焊縫處出現(xiàn)裂紋，即在低應(yīng)力處而不是高應(yīng)力處出現(xiàn)裂紋，與前面的分析不符，說(shuō)明墊板與甲板間連接焊縫裂紋是因?yàn)楹附邮┕さ仍蛟斐珊缚p強(qiáng)度不足，而不是因?yàn)楹缚p設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足造成。

2）有限元方法

為了更準(zhǔn)確地獲得焊縫受力情況，特別是支柱受拉狀態(tài)的拉力載荷，現(xiàn)采用有限元直接計(jì)算方法對(duì)該區(qū)域焊縫強(qiáng)度進(jìn)行分析。選擇的計(jì)算工況為：中拱最大合成彎矩工況（滿載排水量）；中垂最小合成彎矩工況（正常排水量）。

采用全船有限元模型進(jìn)行分析，通過(guò)強(qiáng)框結(jié)構(gòu)位置的節(jié)點(diǎn)力加載法進(jìn)行加載，保證加載后各個(gè)給定剖面的彎矩剪力與以上計(jì)算工況要求彎矩剪力一致；模型為了模擬船處于自由正浮狀態(tài)，不設(shè)定任何邊界條件，而選擇全船型心點(diǎn)進(jìn)行慣性釋放。通過(guò)全船有限元計(jì)算分析，結(jié)果如下。

（1）#168附近艇甲板下4根支柱軸向應(yīng)力如下：在最大中拱工況下，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在#165支柱，拉應(yīng)力最大為104 MPa，遠(yuǎn)小于Q235鋼的許用應(yīng)力164.5 MPa；中垂?fàn)顟B(tài)下，最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在#165支柱，壓應(yīng)力最大為88.6 MPa，遠(yuǎn)小于Q235鋼的許用應(yīng)力。

（2）在中拱狀態(tài)，#165附近區(qū)域支柱受拉，計(jì)算得到支柱與墊板間連接焊縫拉應(yīng)力以及墊板與甲板間連接焊縫拉應(yīng)力，見(jiàn)表3所列。從表3可以看出，焊縫應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，焊縫不會(huì)被拉壞。

在中垂?fàn)顟B(tài)，#165附近區(qū)域支柱受壓，支柱壓力通過(guò)墊板與甲板間的接觸傳遞，墊板與甲板間的焊縫幾乎不承受壓力載荷，在該狀態(tài)下，焊縫不會(huì)被壓壞；支柱承受的壓力小于許用設(shè)計(jì)載荷，支柱不會(huì)被壓壞或失穩(wěn)。

2.3? ?焊縫破壞原因分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果：船舶在中垂?fàn)顟B(tài)，支柱墊板焊縫不承受載荷，不會(huì)被壓壞；船舶在中拱狀態(tài)，支柱承受拉力載荷，支柱與墊板間連接焊縫及墊板與甲板間連接焊縫均承受載荷，墊板與甲板間連接焊縫滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)破壞。由于支柱墊板與甲板間連接焊縫應(yīng)力小于支柱與墊板間連接焊縫應(yīng)力，墊板與甲板間連接焊縫不會(huì)先出現(xiàn)破壞。

實(shí)船墊板與甲板連接焊縫有破壞裂紋，可能原因如下：

1）該區(qū)域?yàn)榘肼短靺^(qū)域，靠近船舶首部，存在甲板上浪，焊縫長(zhǎng)期處于干濕交替狀態(tài)，同時(shí)本船長(zhǎng)期處于南海高鹽霧環(huán)境，加速了焊縫腐蝕，造成焊腳高度變小，達(dá)不到要求；

2）本船為了甲板流水方便，甲板設(shè)置0.168 m高的梁拱，由于墊板與甲板采用搭界形式焊接，施工時(shí)墊板與甲板不平行，中間容易有較大縫隙，造成施工時(shí)焊角高度不易保證；

3）從勘驗(yàn)圖片看出，焊縫破壞處焊縫表面粗糙不平，初始缺陷（裂紋）造成焊縫在高海況下的破壞。

3? ? 修復(fù)方案

按照上面的計(jì)算分析，墊板與甲板間的焊縫達(dá)到滿焊圍焊要求時(shí)，就算在最大中拱工況下支柱受拉時(shí)，焊縫也不應(yīng)被拉壞。但由于使用環(huán)境、施工等原因，該位置墊板與甲板間的焊縫強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，在高海況時(shí)可能會(huì)被被拉壞。針對(duì)該情況，主要修復(fù)方案為：

1）將破壞位置的墊板與甲板間的連接焊縫完全鏟除并打磨光滑，然后重新圍焊焊滿，如見(jiàn)圖4所示。

2）由于甲板存在梁拱，施工時(shí)墊板與支柱垂直，與甲板不平行，造成墊板與甲板間存在較大縫隙，在進(jìn)行墊板圍焊時(shí)，該縫隙的存在造成焊接質(zhì)量難以保證，如圖5所示。

為了增大船舶航行安全性，現(xiàn)針對(duì)支柱與甲板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，主要措施為增加連接結(jié)構(gòu)焊縫面積：在支柱四周增加肘板，肘板尺寸與頂端肘板一致；對(duì)原墊板與甲板間連接焊縫全部鏟除并打磨光滑，并對(duì)墊板與新增肘板連接處部分鏟除，如圖6所示；然后重新焊接，保證肘板與甲板間采用圍焊，墊板與甲板間圍焊焊滿。

圖6? 肘板加強(qiáng)示意

4? ? ?結(jié)論

針對(duì)甲板支柱墊板與甲板間連接焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，利用理論方法及有限元分析方法開(kāi)展計(jì)算校核，分析焊縫開(kāi)裂原因并提出解決方案及優(yōu)化建議，對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)焊縫開(kāi)裂等相似缺陷處理提供技術(shù)參考，對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)的可靠性具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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