某鋁質(zhì)高速船海底閥箱進(jìn)水管復(fù)板焊接裂紋修理

劉正陽(yáng)，陳南華，王光放，林 琳

（1.中國(guó)人民解放軍91007部隊(duì)，福安 355011；2.廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250）

1 前言

船舶通常設(shè)計(jì)有用于吸入外界海水或淡水的開(kāi)口，這個(gè)開(kāi)口稱為海底門，也稱為海底閥箱。在海底閥箱上設(shè)有海底格柵、海底閥、海水濾器及相關(guān)管路，通過(guò)相應(yīng)的泵向主輔機(jī)、消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)等供應(yīng)海水，保證設(shè)備正常的運(yùn)行和改善船員的生活居住條件。海底閥箱開(kāi)口破壞了船殼結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，而且對(duì)于高速船船底會(huì)產(chǎn)生較大的砰擊壓力，導(dǎo)致該區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此應(yīng)采取相應(yīng)措施對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》、CCS《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范（2018）》等對(duì)海底閥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，可概括為：（1）海底閥箱結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量利用船體原有的結(jié)構(gòu)，并盡量不間斷船體原有的主要構(gòu)件；（2）圍板及頂板厚度，應(yīng)不小于該處的船體外板厚度；（3）圍壁板及頂板應(yīng)有足夠的剛度。此外，為保證海底閥箱結(jié)構(gòu)的密性，圍板、頂板、船體外板間，均需采用雙面連續(xù)焊并按要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)密性試驗(yàn)。對(duì)于中小型高速船來(lái)說(shuō)，因其空間狹小、設(shè)備和管路較多，導(dǎo)致海底閥箱區(qū)域施工困難、焊縫密集，可能存在局部焊接質(zhì)量不佳的現(xiàn)象，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接裂紋。本文以某鋁質(zhì)高速船海底閥箱進(jìn)水管復(fù)板出現(xiàn)焊接裂紋的現(xiàn)象為實(shí)際案例，對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，從結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、海水濾器及相連管路固定兩方面提出合理可行的修理方案，經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證取得了預(yù)期的效果。

2 海底閥箱布置及故障概況

本船設(shè)有前主機(jī)、后主機(jī)、輔機(jī)、消防等4個(gè)海底閥箱，每個(gè)海底閥箱由海底閥箱格柵、進(jìn)水管、2個(gè)碟板閥、1個(gè)海水濾器等組成，海水濾器和碟板閥通過(guò)進(jìn)水管及復(fù)板通過(guò)焊接形式固定在海底閥箱頂板上（見(jiàn)圖1）。

圖1 海底閥箱布置示意圖

本船在使用一段時(shí)間后，前機(jī)艙主機(jī)海底閥箱進(jìn)水管復(fù)板與海底閥箱頂板焊接處出現(xiàn)一條長(zhǎng)約200 mm裂紋，裂紋已貫穿頂板并有滲水現(xiàn)象。

3 故障原因分析

3.1 進(jìn)水管復(fù)板寬度偏差

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，出現(xiàn)裂紋位置的進(jìn)水管復(fù)板寬度28.7 mm，遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)值67.0 mm。為此，研究進(jìn)水管復(fù)板寬度對(duì)海底閥箱及進(jìn)水管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，采用有限元法對(duì)主機(jī)海底閥箱及進(jìn)水管結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明：在同等載荷作用下，復(fù)板寬度為67.0 mm時(shí)，海底閥箱及進(jìn)水管結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在復(fù)板與進(jìn)水管焊接處，其值為3.74 MPa；復(fù)板寬度為28.7 mm時(shí)，海底閥箱及進(jìn)水管結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在復(fù)板與頂板焊接處，其值為5.52 MPa，同比增加了47.6%。

上述結(jié)果說(shuō)明，進(jìn)水管復(fù)板寬度偏小會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力明顯升高，最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置從復(fù)板與進(jìn)水管焊接處轉(zhuǎn)移至復(fù)板與頂板焊接處，這與實(shí)際故障情況相吻合；同時(shí)，復(fù)板寬度偏小導(dǎo)致該區(qū)域焊縫過(guò)于集中，焊接熱量輸入過(guò)大，使鋁合金材料性能明顯下降，主機(jī)工作時(shí)引起海水濾器及相連管路振動(dòng)，導(dǎo)致海底閥箱及進(jìn)水管結(jié)構(gòu)薄弱處焊縫疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。

3.2 海水濾器及相連管路支撐

4 修理方案

基于上述故障原因分析，分別從結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、海水濾器及相連管路固定兩方面提出治理方案。

4.1 結(jié)構(gòu)治理方案

采用有限元法對(duì)主機(jī)海底閥箱及進(jìn)水管結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算分析。在同等載荷作用下，針對(duì)復(fù)板寬度變化、頂板厚度變化、增加肘板等因素，對(duì)應(yīng)的海底閥箱及進(jìn)水管結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力如表1所列。

表1 不同方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

（1）方案一：在復(fù)板寬度為28.7 mm的基礎(chǔ)上，增加4塊均布的厚6 mm肘板（高100 mm，長(zhǎng)度方向延伸至閥箱圍板上方）。計(jì)算結(jié)果表明，增加肘板后應(yīng)力水平較復(fù)板寬度為67.0 mm時(shí)下降了11.8%。

（2）方案二：頂板整體由8 mm換新為10 mm，并增加4塊均布的厚6 mm肘板（高100 mm，長(zhǎng)度方向延伸至閥箱圍板上方）。計(jì)算結(jié)果表明，頂板換新及增加肘板后應(yīng)力水平較復(fù)板寬度為67.0 mm時(shí)下降了7.8%。

從表1可以看出：

（1）進(jìn)水管與海底閥箱頂板連接處設(shè)置復(fù)板，可顯著降低該區(qū)域的應(yīng)力水平；復(fù)板的寬度對(duì)應(yīng)力結(jié)果影響較大，應(yīng)綜合考慮施工便利性及焊接熱影響，合理地選擇復(fù)板寬度；

四十多年過(guò)去了，童年往事，歷歷在目。貧窮限制了我們的眼界和想象，那時(shí)候我們以為當(dāng)下的生活就是最好的生活。其實(shí)更好的生活在別處，在異鄉(xiāng)，在遠(yuǎn)方——只不過(guò)四十多年前，整個(gè)社會(huì)閉塞落后，我們沒(méi)有機(jī)會(huì)看到外面的世界，我們不知道人之為人應(yīng)該有更美更好的生活。我們成了井底之蛙，我們被迫安貧樂(lè)道故步自封卻沾沾自喜……

（2）進(jìn)水管與海底閥箱頂板采用肘板連接效果最為明顯，同時(shí)施工較為方便；

（3）頂板換新為10 mm，即增加頂板厚度也可以取到降低應(yīng)力的效果，但存在施工量大、焊接難度高、鋁合金二次焊接等缺點(diǎn)。

本船由于海底閥箱區(qū)域空間非常狹小，基于施工可達(dá)性、減少焊接工作量、避免鋁合金二次焊接等因素考慮，結(jié)構(gòu)修理采取方案一。

4.2 管系固定方案

（1）海水濾器前端鋁管固定

海水濾器前端鋁管，采用增設(shè)吊架支架進(jìn)行加固；

（2）海水濾器

海水濾器固定措施，主要是設(shè)置120 °等分抱箍與濾器緊固，由3根角鋁組成的支架與鋁質(zhì)抱箍用螺栓上緊，支架與鄰近的船體構(gòu)件焊接固定，以減小海水濾器工作時(shí)產(chǎn)生的上下、左右振動(dòng)位移，見(jiàn)圖2所示。

圖2 海水濾器固定安裝圖

（3）海水濾器后端

海水濾器后端固定，應(yīng)盡量選擇在接近變徑管處增設(shè)吊架支架進(jìn)行加固；

（4）海水濾器后端至主機(jī)進(jìn)口管路

海水濾器后端至主機(jī)進(jìn)口管路，參考CB/Z 345-2008《船舶管系布置和安裝工藝要求》選擇合適位置設(shè)置吊架支架進(jìn)行加固；

（5）工藝要求

管子固定，可根據(jù)不同位置、不同功能選用具有抗沖擊、抗振動(dòng)的吊架支架形式；管子與管子支架、吊架之間應(yīng)采取絕緣措施；管子電絕緣吊架，主要由絕緣U形螺柱、絕緣墊塊、螺母等組成。絕緣吊架的鋼質(zhì)零件應(yīng)先進(jìn)行鍍鋅處理，再進(jìn)行電絕緣處理，襯套和絕緣墊材料可采用丁晴橡膠、聚四氟乙烯塑料、耐高溫橡膠、尼龍11等制造。

管子吊架要與相應(yīng)的支架牢固連接，管子支架應(yīng)設(shè)置在船體縱桁、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等強(qiáng)構(gòu)件或其它船體構(gòu)件上，不應(yīng)將支架直接裝焊在船體外板上或支承在其它設(shè)備、系統(tǒng)的部件上；吊架支架的設(shè)置應(yīng)能防止管子振動(dòng)和保證管子的強(qiáng)度，避免由于溫度的變化和船體變形所產(chǎn)生的負(fù)荷作用到相連的設(shè)備上；管子吊架支架安裝形式，可根據(jù)船上具體位置選擇圖3所示三種形式。

圖3 支架安裝形式

5 結(jié)論

基于某鋁質(zhì)高速船海底閥箱進(jìn)水管復(fù)板出現(xiàn)焊接裂紋的故障現(xiàn)象，從海底閥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和海水濾器及相連管路固定兩方面，對(duì)產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析，提出了切實(shí)可行的治理方案，并得到以下結(jié)論：

（1）高速船在高速航行時(shí)，船底會(huì)產(chǎn)生較大的砰擊壓力，同時(shí)海底閥箱開(kāi)口破壞了船殼結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，導(dǎo)致該區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此海底閥箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

（2）海底閥箱進(jìn)水管與頂板連接處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。進(jìn)水管復(fù)板寬度對(duì)應(yīng)力影響較大，應(yīng)綜合考慮施工便利性及焊接熱影響，合理地選擇復(fù)板寬度；海底閥箱進(jìn)水管與頂板采用肘板連接，可顯著降低應(yīng)力水平；

（3）由于鋁合金材料的特殊性，焊接對(duì)材料性能影響非常明顯，應(yīng)采用合理的焊接工藝，盡量避免焊縫過(guò)于集中，減小焊接熱影響區(qū)域；

（4）海水濾器及相連管路應(yīng)采取措施進(jìn)行固定，以降低機(jī)器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞至海底閥箱結(jié)構(gòu)，并延長(zhǎng)海底閥箱結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；

（5）文中提出的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和海水濾器及相連管路固定方案，已經(jīng)過(guò)實(shí)船驗(yàn)證并取得了預(yù)期效果，可為高速船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和管系生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供借鑒。但對(duì)于海底閥箱包括進(jìn)水流道的水動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)疲勞壽命等，尚需進(jìn)一步深入研究。