腐蝕情況下船舶纜樁及其附屬結構的使用年限分析

耿世興 伍生春

（上海海事大學商船學院，中國上海201306）

0 引言

船舶常年行駛于海洋之中，其所處的惡劣環境使鋼制海船腐蝕嚴重，海船的首部和中部容易上浪，在這些區域，鋼結構表面受到海水的周期濕潤和風浪的沖擊，經常處于干濕交替的狀態，加快了的甲板及纜樁的腐蝕。 海船在系泊狀態下受到風、流和波浪等外力作用下做復雜的運動，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，當船齡較長，尤其是20 年及以上船齡的海船，鋼結構表面受到腐蝕嚴重，鋼板厚度減少，當纜樁及與其相連的甲板強度不足以承受外力沖擊時，發生斷裂，船舶在外力作用下發生移位，可能會與碼頭或他船相撞，發生事故。因此，分析對腐蝕情況下纜樁及與其相連甲板的強度，并對其安全使用年限的分析計算有十分重要的意義。

1 系泊狀態下的船舶受力分析

船舶系纜狀態下，必須要能抵抗因下列因素中的一部分或全部作用產生的力。

1）風

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系泊狀態下，主要在受風、水流的作用下受力。

風對船的作用力：

式中，Ra——風壓力，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——設計船舶的浸水面積m2；

vw——水流速度，m/s；港內取水流速度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。

停泊狀態下船舶纜繩所受的總力T：

式中，T——總拉力，kN；

RaL——風對船的縱向作用力；

RaT——風對船的橫向作用力；

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GB/T554 規定，帶纜樁為A～E 五種類型的纜樁，其中A帶纜樁為常用類型。 其結構型式如圖1 所示。

圖1 A 型帶纜樁結構型式圖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力為：

式中，F——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力應力為：

式中，F——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力為：

式中，F——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——纜繩受力，kN；

t3——覆板上板厚度，mm；

D——纜樁直徑，mm。

經過計算分析式（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小于甲板，假設在外力F 的作用下甲板發生的彈性形變，根據胡克定律，應力τ 與應變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力為τ′max，則有接觸面上的受力分布為：

根據纜樁受力矩平衡得到：

式中，F——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。

經過計算分析式（4）（6），不同尺寸的纜樁在δmax、τ′max分別達到各自的許用應力時，τ′max對應的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

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

式中，［τ ］——甲板許用剪切應力，［τ ］取280N/mm2；

纜樁底座與甲板連接處發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模型，計算分析出腐蝕情況下容易產生危險的截面，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。

［1］李志明.大風浪中船舶航行安全[J].氣象海洋環境與船舶航行安全，2001.

［2］黃武剛，馬坤，魯江.船舶在規則波中橫搖穩性變化理論研究[J].船舶工程，2011（3）.

［3］OCIM 系泊設備規范[S].2 版，1997.

［4］海船系泊設備配置設計通則[S].1989.

［5］于峰.三峽工程明渠汛期通航船舶絞灘纜樁強度分析[J].船舶工程，1998（04）.

［6］GBT554－2008 纜樁[S].中華人民共和國國家標準.

［7］劉慶潭，主編.材料力學[M].機械工程出版社，2003，2.

［8］肖千云，吳曉光，主編.艦船腐蝕防護技術[M].哈爾濱工程大學出版社.