島礁工作艇吊艇架T形鉤斷裂原因分析與處理

錢 灃，田 澄

（1.中國人民解放軍91937部隊，浙江寧波 315000；2.中國人民解放軍91045部隊，上海 200940）

0 引言

準確測量島礁地形及地質構造數據是構建“數字海洋”的基礎工作之一。因吃水深度原因，母船無法深入島礁內部，而島礁工作艇具有吃水淺、機動性強、安全高效等特點，進而成為島礁測量的主要力量。在母船開到島礁附近后，人員換乘工作艇，由母船吊放島礁工作艇，搭載測量設備完成對島礁的測量。

1 事故案例

某母船配備的吊艇架為LE100-1重力倒臂式吊艇架，為成熟產品，已獲CCS、DNV、ABS等多家船級社的認可。該吊艇架裝置采用重力式，主要由吊艇臂、頭部轉角滑輪、浮動滑車（含T形鉤）、主鋼絲繩等組成（圖1）。裝置安裝于母船兩舷側，主要依靠工作艇的自身重力來進行工作艇的收放，根據SOLAS等規范要求，吊艇架裝置需滿足在外橫傾20°和內橫傾20°時，均能通過工作艇自身重力倒出至舷外，以便收放工作艇。另外規范要求當工作艇處于存放狀態時，需將主鋼絲繩卸載以保護鋼絲繩，因此將吊艇臂頭部設計為開口槽形結構，既能滿足各種工況下的收放工作，也能在存放狀態下，通過吊艇臂槽板與浮動滑車T形鉤的剛性連接，將鋼絲繩卸載。

圖1 吊艇架主要結構及組成

浮動滑車T形鉤的主要作用是當工作艇存放于艇架上時，浮動滑車下端通過吊艇鏈與工作艇吊鉤相連，浮動滑車T形鉤再掛于吊艇臂頭部的凹槽內，由其承受工作艇的重量，此時吊艇架主鋼絲繩可以卸載，從而達到保護鋼絲繩的目的（圖2）。吊臂為S形曲桿，由滾輪裝置支撐在座架上的槽鋼里，由其直接承受工作艇的重量（圖3）?；囀枪ぷ魍Ш偷醣坶g的聯接件，經滑車的作用，可減少起艇絞車的功率，并且在吊臂倒出時，利用滑車T形鉤，使工作艇的重量作用于吊臂上。平時存放時，有系艇索綁固小艇，防止小艇運動時產生晃動。本次故障是在島礁工作艇的吊放過程中，吊掛工作艇的T形鉤突然斷裂，導致工作艇的意外釋放（圖4、圖5）。

圖2 浮動滑車主要結構

圖3 吊艇架吊臂頭部結構

圖4 T形鉤安裝位置

圖5 T形鉤斷口

2 故障分析

經過對斷裂的T形鉤進行光譜檢測分析，得出T形鉤材料為20#鋼，設計參數上符合救生設備的強度規范要求，根據斷面形式判斷，認為T形鉤長期在惡劣海況下不僅受到垂直方向的沖擊拉力，也承受了橫向的沖擊剪切力，長此以往出現了疲勞受損，最終導致斷裂，初步認定斷裂原因為疲勞斷裂。根據前期現場勘驗、樣品檢測，以及與使用人員的溝通，結合吊艇架實船使用情況，組織了相關技術評審，對吊艇架T形鉤的斷裂原因進行排查、分析。

2.1 理論計算

經查閱技術規格書，未明確吊艇架具體存放及使用海況，因此本吊艇架裝置設計和試驗時均依照救生設備規范進行。吊艇架裝置正常存放狀態下，浮動滑車T形鉤掛于吊臂頭部槽板內，T形鉤為主要受力件，承受工作艇全部重力。吊艇架裝置設計最大工作負荷為100 kN，由艏艉2個吊艇臂共同吊放工作艇，則單個T形鉤所承受的最大拉力為50 kN。

T形鉤直徑為Φ30 mm，材料為20#鋼，其機械性能σb≥430 N·mm2，根據計算T形鉤最大拉應力：σ=F/S=5000/（3.14×152）=70.77 N·mm2。根據救生設備規范要求，所有吊艇鏈、鏈環、卸扣、吊鉤等吊重零部件需留有不小于6倍的安全系數，即許用應力[σ]=σb/k=430/6=71.67 N·mm2。[σ]＞σ，滿足規范要求。

2.2 T形鉤材料分析

經過對斷裂的T形鉤樣品進行光譜檢測分析，得出T形鉤材料為20#鋼，符合圖紙設計要求。

2.3 實際使用情況分析

吊艇架T形鉤作為工作艇存放時的主要承載部件，在船舶停泊或航行海況較好時，主要承受垂向拉力。母船經常在惡劣海況中航行，可達6～7級海況，此時船舶產生較大的橫搖和縱搖運動，對T形鉤產生了較大的沖擊。雖然工作艇通過鋼絲繩系固在吊艇架上，目前采用的鋼絲繩系固方式主要約束了工作艇的橫向位移，而對工作艇縱向位移的約束作用較小。另外母船系固艇裝置綁扎方案缺乏縱向綁扎裝置，導致在惡劣海況下工作艇與吊艇架產生了明顯的縱向位移（現場艇體和艇支撐有較長擦痕），使T形鉤長期受到沖擊剪切等作用。經過后續現場勘驗姐妹船的T形鉤，另發現兩處存在疲勞裂紋，也印證了前期分析的疲勞斷裂。

2.4 故障定位

根據上述設計過程的梳理和現場T形鉤樣品的材料檢測報告，T形鉤滿足規范和圖紙設計要求，可排除由于設計原因導致本次故障的可能。根據現場勘察并了解母船實際使用情況，T形鉤作為存放工作艇時的主要承載部件，經常處于惡劣環境下，在經歷多次、長時間的沖擊剪切載荷下，使得T形鉤疲勞受損，產生裂紋，進而導致海水滲入。海水呈酸性，會加劇裂紋面的腐蝕，最終在經歷大風浪后斷裂。

2.5 機理分析

針對現場T形鉤斷裂的情況，分析其斷裂的原因如下：①該吊艇架配套使用的為鋼質工作艇，空艇重量約為9 t，比一般的玻璃鋼工作艇空艇超重很多，且艏艉重量不均勻，艉部負載超過5 t，使得艉部T形鉤承受較大應力；②母船實際航行經常遭遇惡劣海況，有時能達到6～7級的海況環境，船體晃動十分嚴重，工作艇在存放時與吊艇架易產生相對位移，T形鉤不僅承受正常的垂向沖擊拉力，也承載了橫向的沖擊剪切作用，加速了T形鉤的疲勞損傷。

參考起重機設計規范中各種海況對起升動載力起升系數的影響，根據公式：

式中 ψw——波浪系數，7級海況波浪系數為33.3

K——起重機系統的剛度，N/mm

Qi——起升載荷，N

（K/Qi）0.5值可取為0.057。

則：?h=0.83＋ψw（K/Qi）0.5=0.83＋33.3×0.057=2.73

則T形鉤在7級海況下所承受的最大應力為：

σmax=?h·F/S=2.73×50000/3.14×152=193.2 N·mm2

20#鋼材料屈服強度σs≥290 N·mm2，許用強度[σs]=σs/2=145 N·mm2＜193.2 N·mm2。

確實滿足不了7級海況下材料屈服強度要求。

（3）系固艇裝置綁扎方案中未考慮縱向綁扎，在存放狀態下由于風浪的作用，工作艇與吊艇架產生了相對縱向移動（現場艇體和艇支撐架之間有明顯擦痕），使得T形鉤長期受到嚴重的剪切沖擊。

3 改進措施

T形鉤斷裂是多種因素結合起來造成的，在后續技術改進上，應綜合考慮上述分析的因素，一方面需對T形鉤加大外形設計，以增強其承受的沖擊力，另一方面需優化系固艇方案，減小救生艇與吊艇架在惡劣海況下產生的相對位移。同時加強設備維護保養，每年對鋼構進行檢測。進一步完善操作規程，經常檢查吊艇設備各部件是否正常，確保安全。每周檢查固艇鎖具，是否系牢，大風浪航行前必須進行全面細致地檢查。進一步督促船員定期對重要部件加注潤滑油。

3.1 優化T形鉤

考慮修改工作艇重量的可能性較小，需核實工作艇艉部最大重量，在不影響與吊艇臂的配合和整個收放過程的前提下，對T形鉤進行結構強度升級（圖6），將原直徑Φ30 mm優化為Φ35 mm以增強抵抗變形、疲勞和裂紋的能力。

圖6 T形鉤優化設計

另外在工藝上加大T形鉤圓弧角，將T形鉤連接部位的圓弧角由R2 mm擴大為R4 mm，防止應力集中，并在生產過程中加強檢驗，確保誤差度。

優化后的T形鉤在7級海況下最大應力為：

σmax=?hF/S=2.73×50000/（3.14×17.52）=141.9 N·mm2

20#鋼材料屈服強度σs≥290 N·mm2，則許用強度σs=σs/2=145 N·mm2，[σs]＞σmax，符合要求。

3.2 綁扎、固艇系統加強

所有在役船舶需加強固艇、系艇繩索的綁固。現有配套的橫向系固繩索需加強綁扎緊度，另外考慮增加縱向綁扎繩索，盡量減少艇和艇架之間在惡劣海況下的相對縱向位移。

3.3 吊艇臂頭部局部抗應力調整

吊艇臂頭部槽形板實際結構圓弧角較小，在船舶縱向晃動時易對T形鉤產生剪切作用，可通過人工打磨的方式加大圓弧角。

3.4 加強T形鉤處的維護保養工作

因T形鉤長期處于受力狀態，并承受長時間的沖擊載荷，后續需與船員溝通，加強培訓工作，要求對該部分進行定期檢查，每年至少進行一次專項檢查（磁粉/著色探傷），若發現有變形或裂紋需及時更換。

4 結論

T形鉤作為存放島礁工作艇的主要受力部件，需要一定的強度，分析認定此次T形鉤斷裂故障的成因是惡劣海況下引起的疲勞斷裂。結構設計時未考慮惡劣海況是一個方面，綁扎方案中未考慮縱向綁扎也是重要原因。