首航后舷側壓載艙為何出現油漆裂紋

中國船級社大連分社 孫 洋

某系列船的首制船在投入營運后首個航次前往南非裝載鐵礦石，隨后返回國內某港口卸貨，驗船師在對其進行首制船首航后回訪過程中通過向船員了解及下艙檢查，確認其內殼縱艙壁L49縱骨穿越孔補板的搭接角焊縫熔合區附近的油漆出現了裂紋（如圖一所示）。現場將油漆清除后發現該處的焊縫和板材并沒有出現裂紋。通過排查發現，該船幾乎從艏到艉每個壓載艙內的各強框架的該位置都出現了同樣問題。鑒于船員是在船舶裝貨后發現的缺陷，所以當時無法確定該缺陷出現的具體階段，那么出現缺陷的背后隱藏著哪些風險呢？

問題的初步認識

不難看出，該處結構表面油漆的裂紋只是個表象，深層原因必然是由結構的變形引起的，至于該處結構的變形量是否在規范所要求的范圍內，必須要通過計算得到。審圖中心和設計單位都對該處結構進行了規范要求的校核，結果顯示在各種載況下該處結構的應力水平最高僅為60%～70%，并非高應力區域且滿足規范的要求。由于是油漆的缺陷，初步分析可能是油漆漆膜的延展性不足造成的，貨物與船體結構本身形成的溫差也是影響油漆屬性的因素。雖然當時尚未得出明確的結論，但是對于該處缺陷即使僅僅是油漆的裂紋，因為破壞了壓載艙涂層，會導致此處結構腐蝕的速度加快，最終發展成結構缺陷。所以一方面，我們提醒船公司要求船員對該處缺陷保持持續的關注，如有異常立即通知船級社，并對船舶后續航次的裝載情況進行關注；另一方面，建議對涂層進行修復的同時，也可以考慮對該處結構進行補強以抵消油漆漆膜延展性的不足，船公司方面因為航期的安排并沒有采納此條建議。

隨著該系列船的后續船陸續交付使用，通過向船公司了解得知，后續的幾艘船也都出現了同樣的問題。這充分說明該缺陷的出現并不是個例，而是共性問題，鑒于此，我們又對該問題進行了進一步的分析。從當時首制船回訪時檢查的船舯部分的4個壓載艙的情況來看，是大部分框架都出現了裂紋（共32道框架有30道出現了裂紋），但是的確存在沒有出現裂紋的框架。這種情況的出現很有可能跟不同位置漆膜的厚度不同有一定關系，從現場情況來看，出現裂紋的位置漆膜普遍感覺比較厚。另外，為什么偏偏是焊縫熔合區而不是旁邊別的位置出現裂紋，應該不僅僅是結構應力的問題，必須要考慮漆膜的屬性。仔細分析一下這個位置的油漆施工細節，不難發 現類似位置的油漆漆膜的確 容易出現比較厚的情況，搭接補板的角焊縫而且靠近開孔自由邊處，施工人員在噴涂的時候傾向于多補一兩下，當然這也是個人的操作習慣，也存在少數施工人員不進行修補的情況，這就容易形成漆膜薄厚不一的狀況；同時角焊縫熔合區往往因過度打磨出現板材表面凹陷，這也會導致漆膜增厚。有資料顯示，油漆開裂的原因主要有三個：一是油漆本身質量問題；二是漆膜過厚導致的表面張力增大；三是溫差大（如果漆膜厚度過大，會放大這種效果）。綜合考慮各因素后，我們定性的認為油漆漆膜過厚是產生裂紋的主要原因，船體應力和溫度差都有可能成為輔助因素。

缺陷分析與驗證

當然，以上只是一些推測，現實的情況是船體結構并沒有出現缺陷，問題還是要歸結到油漆漆膜的延展性上來。缺陷產生的原因可能是：不足以造成結構缺陷的應力導致了油漆的裂紋，而之所以有個別肋位的框架沒有出現裂紋，很有可能是這些位置受到的結構應力較小而且漆膜厚度相對薄一些，即延展性更好一些，在這種相對較小的應力水平下不致于開裂。最終問題就歸結到多大的應力能使多厚的漆膜出現裂紋。經咨詢得知，關于油漆的一些性能參數是生產廠商通過做實驗得到的，包括油漆漆膜厚度的合理范圍、厚度對延展性的影響、油漆的附著力、溫度對油漆的影響等，而油漆在受到結構應力產生的變形量尚不能通過計算得到。油漆服務商在現場檢驗時主要關注的是漆膜厚度、均勻度、油漆作業時的物理條件等參數，基本不會去考慮船體應力產生的結構變形對油漆產生的破壞。而另一方面審圖中心在結構計算時也不會去考慮油漆的因素，即使考慮了也沒有計算方法。所以，這個問題暫時只能定性，還無法進行定量分析。應力、應變和漆膜厚度之間必然有一定的關系但是不能體現在公式上。綜合以上的分析，問題基本可定性為油漆漆膜過厚致使延展性變差造成的，即使不能破壞結構的應力也足以讓漆膜厚度達到一定值的涂層開裂，反過來也是成立的，即如果漆膜厚度比較合理，即使結構本身應力水平較高，油漆也不會出現缺陷。

為了驗證是否因為油漆漆膜厚度過厚使漆膜延展性不足而導致的缺陷、以及是否在裝貨前的壓載航行時就已經出現了缺陷，我們對當時在建的后續船所有壓載艙和空艙的該處位置的漆膜厚度進行了測量，結果顯示各框架該位置的漆膜厚度從320μm到1500μm不等。結合該船在試航過程中的配載情況，對該處結構的涂層進行了排查，結果發現該船壓載艙里的每一道框架都出現了同樣的油漆裂紋（試航期間每個海水壓載艙都曾注滿海水），并且將油漆敲掉后進行了磁粉探傷其結果顯示結構并無缺陷。但是該船在貨艙區首尾設置的兩對空艙內的相同位置的框架并沒有出現油漆裂紋。根據該次試航驗證的情況，可以得出幾個階段性的結論：

首先油漆裂紋在裝載貨物前就已經出現了，即壓載艙內的油漆裂紋與裝貨與否沒有關系；其次漆膜厚度從320μm到1500μm的位置都出現了油漆裂紋，因此基本上排除了漆膜厚度過厚導致的延展性不足是產生油漆開裂的直接原因。最后，雖然本次試航空艙內未出現油漆裂紋，但是考慮到首制船在裝貨后空艙內也出現了相同的油漆裂紋，因此可判斷出現油漆裂紋的原因還是因為應力導致結構變形造成的。但是該位置的結構計算顯示應力水平并不是很高，由此可見問題還是要歸結到油漆漆膜延展性和結構應力之間的關系上。

從上面的分析可以看出，把油漆漆膜厚度作為主要因素已經被驗證是不合理的，從缺陷的表現形式看，該問題應該歸結為不足以造成結構損壞的應力導致了結構表面涂層的損壞，換言之，是油漆漆膜的延展性不滿足結構變形引起的。

結構的應力和應變需要通過計算得到，為了確保此處結構計算的準確性,審圖中心又對該處結構的模型進行了細化，充分考慮了搭接補板這個節點形式的模擬，并進行了超出規范要求的細網格劃分。這個超出規范要求的有限元計算結果顯示：L49縱骨穿越孔與補板搭接處角隅最大應力為351N/mm2，應力水平為81%，L49縱骨面板與強框架腹板水平筋相交處根部最大應力為426N/mm2，應力水平為91%。其結果均滿足許用應力衡準的要求，但是應力水平對比之前規范要求的計算結果增加了20%～30%，該位置屬于超出規范要求的高應力區域。我們看到，在規范要求的計算范圍內，這個位置的應力處于較低的水平，按要求不需要進一步細化計算，但通過實船結果的反饋，審圖中心對這一位置進行了規范要求之外的細化計算，結果表明應力處于較高水平，在上述高應力水平下，該節點產生了較大的變形量，也是油漆出現裂紋的原因。

最終分析結果

值得注意的是，該系列船在進行規范校核時確定的高應力結構區域有多處，而且應力水平更高，為什么這些位置的油漆沒有出現問題而偏偏是本文之前所述的位置？這充分說明了僅從結構應力和變形的角度來考慮也是不夠全面的，還應該考慮到該位置油漆施工是否存在不用于其它位置的特殊因素從而影響到了該處油漆的延展性。結合該船涂裝施工的情況并在征求過一些油漆專家的意見之后，得出了一些合理的結論。首先明確了一個在之前的分析中并沒有提及的觀點，即鋼板和油漆的變形量幾乎是在同一個數量級上的，結構的變形對油漆的延展性是有一定需求的，這和油漆的屬性、漆膜厚度、底漆以及鋼板表面狀態等都有關系，在兩者不相匹配的情況下，較大的結構變形可能造成漆膜開裂。出現裂紋的位置是搭接補板的角焊縫熔合區靠近縱骨穿越孔的角隅處，此位置在油漆施工時的確屬于比較特殊的位置。施工人員在對類似位置的角焊縫進行焊后打磨處理時容易在焊縫的根部形成輕微的板面凹陷，這將會導致該位置在油漆施工時產生較厚的漆膜厚度從而降低了漆膜延展性，與此同時，這種打磨處理同時會完全清除掉該位置的底漆，再加上涂裝作業前的板面拋光都會使該位置的結構表面過于光滑，從而影響到漆膜的附著力致使漆膜的延展性能下降，最終無法滿足鋼板的變形而出現裂紋。

綜上所述，該位置出現裂紋的原因為：油漆漆膜的延展性不足以承受該處結構在受力后產生的變形量。這個問題的關鍵在于結構本身在計算和校核時都滿足了規范和衡準的要求，但是恰恰在這樣的前提下，油漆的屬性因為一些因素不能滿足要求，最終在結構沒有出現缺陷的情況下，油漆率先出現了開裂的情況，直接導致壓載艙內的涂層被破壞，隨著PSPC標準的實施，這種海水壓載艙內涂層被破壞的情況是不允許的。這種涂層的破壞將會進一步加快對應結構的腐蝕速度，最終出現結構性的缺陷。

目前解決這個問題有兩種方法，其一就是從結構方面考慮對結構進行加強進一步減弱該處結構的應力水平，直至油漆漆膜的屬性可以滿足結構變形的要求而不出現裂紋，這種辦法存在的問題是在結構設計和審圖階段很難對類似結構進行準確的判斷，因為缺少評判標準，經過計算本身已經滿足規范衡準要求的結構位置從道理上來說是不需要再進行結構加強的；其二就是增強油漆本身的性能參數，使其本身的延展性能夠與結構變形相匹配，而這也增加了對涂層性能標準的要求。考慮到當初在制定PSPC標準時，就有船東方提出要規定漆膜的厚度上限來增強油漆的延展性，對90/10原則給出新的定義，但是這將會大大增加造船成本，所以造船國方面極力反對，因此后來也只是制定出了只有下限的標準，本案例充分說明對于漆膜厚度還是有進一步探討的必要的。就目前來看，通過使用超高性能的油漆來解決類似的問題恐怕也不太容易被造船方接受，對類似位置的涂裝施工過程進行控制倒是一個現實可行的辦法。