淺談船體結構中疲勞裂紋的分析與控制

張笑天

摘 要 隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，人們的科學文化素質也在逐步提高。科技發展的同時也促進并帶動交通設施的進步。船舶作為航海海運必不可少的交通工具之一，在人們的生活中越來越發揮出不可忽視的作用。誠然，船舶如同所有的制造產品一樣，存在著一定的使用周期，超過了這個周期，必然會產生一定的破損乃至損壞。很多長期在海洋航行的船舶在經歷風吹浪打磨蝕后都出現了疲勞裂紋，這種情況在船的上下邊艙表現最為突出。因此，為了有效延長船舶的使用壽命，正確的裂紋預防和控制措施尤為迫切，還可以為今后船舶制造的節點設計提供一些有益的參考。

關鍵詞 船體結構；疲勞裂紋；分析；控制

前言

根據資料分析與觀察，長期在海洋航行的船舶，其上下邊艙中出現各種各樣的疲勞裂紋，我們需要分析其產生原因，找出正確的預防和控制方法，可以為新造船舶設計的節點提供一些有益的參考[1]。

1 裂紋出現的部位及其特征

（1）裂紋的性質。典型疲勞裂紋周圍的涂裝情況良好，發生腐蝕的部位沒有因腐蝕而引起的減薄現象，斷口的邊緣整齊劃一，如刀切一般。

（2）易出現疲勞裂紋的船型。大型散貨船、集裝箱船雙層底及上下邊艙中都可能出現疲勞裂紋。

（3）易出現疲勞裂紋的區域。大型散貨船、集裝箱船雙層底及上下邊艙在船舯0.4L區域受總縱彎曲的交變應力最大，在船舯部前后第二、第三個底壓載、上下邊艙等位置，及雙層底污水井等區域極易發生疲勞裂紋。

（4）易發生疲勞裂紋的構件。疲勞裂紋大多發生在外底、舷側縱骨，上邊艙反頂縱骨，及靠外側縱桁上的構件，裂紋起始部位有兩種：一是肘板及輔強材的趾端；二是流水孔、人孔、過梁孔、過焊孔等開孔邊緣。一般來講，上述疲勞裂紋在船齡15年左右多發，有的船甚至在5年船齡后就可能出現裂紋[2]。

2 疲勞裂紋產生原因

裂紋產生原因有以下幾種。

（1）使用過程中的問題。船舶在營運過程中遭遇嚴酷的海況、裝卸貨程序安排不當，造船在船舯部產生過大的應力。

（2）節點設計的問題。船舶在新造時的節點設計不合理，如肘板、輔強材、半桁等沒有進行軟趾化處理，相對于與其連接的肘板、輔強材來講，其下的縱骨剛性較弱等。

（3）施工質量問題。在船舶新造時，由于裝配、焊接、打磨施工質量不佳而造成的裂紋始發點，在上述3個因素中，由于結構錯位造成面外位移是誘發裂紋的主要因素。包角不完全、咬邊、過度打磨在構件上造成溝槽等，也是疲勞裂紋發生的根源。另外一個造成疲勞強度下降的原因是由于加工精度不佳造成肋板框架與縱骨之間不得不進行的強制裝配，從而使該焊縫中有較大的拉應力的殘留。

（4）高強鋼的使用問題。在滿足抗拉強度的前提下，與采用普通鋼材料的構件相比，高強鋼構件的尺寸小，較易產生較大的應變，這是高強鋼結構比普通鋼構件易出疲勞裂紋的原因之一。另外的原因是為了降低空船重量，20世紀80年代初建造的船舶，高強鋼的使用比例一下子提高了很多，但節點的設計仍沿用普通鋼的設計方法，對疲勞強度的考慮有欠周全，這就造成了該時期建造的船舶在投入運營10年到15年的期間裂紋的多發。然而，通過調查發現，同時期建造的同型船舶，盡管高強鋼的使用比例相近，裂紋的出現率卻因其造船廠的不同而大不相同，因此在高強鋼的使用問題上如何揚長避短是有必要進行深入研究的課題[3]。

3 裂紋的控制方法

一是在船舶運營過程中，嚴格按照規定裝卸貨、亞排水程序進行操作，避免在構件上產生過大的應力。

二是通過對節點進行疲勞強度的分析，優化設計，降低應力集中，采用軟趾化的肘板或輔強材，避免在產生較大應力的部位設置開孔等等。

三是在裝配時要避免強力裝配及錯位，包角焊要飽滿光順，避免咬邊；開孔的自由邊要打磨光順，避免留下缺口；要避免在高強鋼構件上隨意起弧，裝配用的馬板等清除后要打磨光順避免留下缺口。

四是針對大型集裝箱船抗扭箱區域，運用高強度EH40和EH47止裂鋼。研究表明，采用低碳高錳、Nb-Ti-Ni多元微合金化成分設計，配合TMCP控軋控冷工藝，制造的超高強度止裂鋼，在最大設計應力和不同止裂韌性值對應的溫度下，開展等溫雙重拉伸試驗，鋼板的止裂性能滿足技術指標要求。在國內，已有船廠在大型集裝箱船建造時，實船應用高強度止裂鋼[4]。

4 裂紋的處理

裂紋由于其延伸性，是一種危險缺陷，發現裂紋必須立即處理，否則將會延伸至整條焊縫、相鄰結構。對于微小的發絲狀裂紋以及不超過板厚1/3的裂紋，可通過碳刨補焊的方式處理，而不用切換。對于較大及深度超過板厚1/3以上的，需對全部焊縫返修或結構換新處理，另外在返修、換新過程中，需在與之相鄰結構或者焊縫位置打止裂孔，以防止新的裂紋產生[5]。

5 結束語

通過上述討論，我們了解到了大中型散貨船、集裝箱船下邊艙及雙層底疲勞裂紋的發生規律，通過原因分析，有針對性地制定出裂紋的控制措施，并對處理方法進行了闡述。在我們今后船舶制造過程中，通過設計方式優化、制造方法改進，提前對裂紋進行預防，以提高造船質量，延長船舶運營年限。

參考文獻

[1] 王藝陶.加筋板裂紋擴展概率模型與船體結構可靠性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2017.

[2] 何文濤.船體結構疲勞裂紋擴展及其可靠性分析直接計算法研究[D].北京：華中科技大學，2015.

[3] 陳家旺.船舶結構的疲勞壽命評估及動態斷裂研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2011.

[4] 牛松.基于斷裂力學的船體結構疲勞評估方法[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

[5] 吳曉源.大型FPSO船舶結構疲勞壽命預報方法研究[D].上海：上海交通大學，2008.