系列工艺孔的开设与结构变形

楼俊浩，周 洋

(上海船厂船舶有限公司，上海 200082)

系列工艺孔的开设与结构变形

楼俊浩，周 洋

(上海船厂船舶有限公司，上海 200082)

在船舶的改装项目中，特别是涉及到钢结构改装的项目，作业人员经常性的遇到工艺孔的开设和结构的变形方面的问题，而且工艺孔的开设很容易引起结构的变形，这就需要工程技术人员在工程推进中特别注意变形控制。文章就工艺孔系列开设时与结构的变形进行关联讨论，由变形控制要求引申出工艺孔开设注意事项，以及开设此类工艺孔时适用的原则。

船舶改装;工艺孔;结构变形

船舶在修理、改装过程中工艺孔的开设对于修理工作的开展相当有利，但在完整船体或结构部位开设工艺孔势必造成结构的局部 (临时的)破坏，对该区域的结构强度有所消减，结构存在变形的可能性，特别是船舶的大型改装工程，经常性的开设大量的大开口、大尺度工艺孔，对船体的结构强度影响很大，结构变形控制显得相当的重要和紧迫。本文就船舶大型改装项目中，系列工艺孔的开设、产生的结构变形、变形控制等展开探讨，以期获得船舶改装工程中对于开设工艺孔方面产生结构变形应加以注意的要素。

1 工艺孔开设的分类

1.1 常规小工艺孔的开设

因修理需要经常性的开设常规工艺孔 (对于局部结构而言尺度范围较小的工艺孔)，其破坏结构的程度很小，在强度损失方面可以忽略不计。例如开设在纵骨间距之内，长度不超过肋距;或在肋距之内，高度不超过纵桁间距;或在垂向扶强材之间，高度不超过2层平台间距等。

1.2 结构内部大量改建需要开设的大尺度工艺孔

船舶改装需要在甲板、旁板或内底板等区域开设大尺度的工艺孔，方便材料的进入或板架、分段的进入。受新制分段的尺度入场要求，工艺孔的尺度必须足够大，此时无法避免局部构件被临时破坏。但需要注意在开设工艺孔之前应对结构强度进行评估，在必须开设工艺孔的位置，计算结构破坏后强度的消减及对该区域船体的变形影响，找出原结构力传递中断的临时替代方案或临时保持措施。必须维持的原则是:原有结构力的传递必须得到有效的替代，以确保在工艺孔开设期间局部强度得到保证，结构变形处于受控状态。特别是在大开口横向工艺孔的开设中务必注意横向强力临时扶强材的设置，不主张对纵向构件破坏数量过多。

1.3 船体改建需要系列开设的工艺孔

在大型改装工程中，各舱室类似位置工艺孔的开设成为一个系列是常有的事情，特别是船舶双底、双壳的改装。双壳改装中内壁呈纵向连续，需要由甲板开设系列纵向长工艺孔以便板架分段吊装入内或由货舱吊装板架分段到位。在主甲板区域沿船长方向连续开设工艺孔，或在横舱壁与纵向内壁连接处同位置开设类似工艺孔。在双底改装中内底板同样是纵向连续结构型式，需要穿越横向舱壁，在横舱壁与内底板交接处同样开设同位置类似工艺孔。上述工艺孔的开设基本是系列化的，对船体结构的破坏呈系列类似状态，对结构强度的消减有相同的机理，而带来的结构变形控制难度加大，若变形产生的后果更加严重，将造成主尺度的变化，进而影响质量控制、船检验收、船东认可等。

图1 甲板 (内壁)工艺孔位置图

2 系列工艺孔的开设与船体结构变形

1)需要特别注意船体横剖面模数的损失不得大于10%，极限不得超过20%。根据某船舶研究设计院对某船厂改装的VLCC货舱区域有限元模型计算结果得知:当横剖面模数损失大于20%后，结构将处于不稳定状态和不可控状态。所以在横舱壁上开设工艺孔需相当谨慎，特别是船体内部插入新增结构分段，需要在横舱壁上开设系列工艺孔。

2)甲板区域纵向系列工艺孔的开设 (图1)，对船体结构的强度产生两个影响:横向传递的力持续被破坏;纵向构件连续性缺失，纵向强度受损。

通常而言，外旁板向内主甲板上同一纵向基线上工艺孔同时开设累计不得超过三分之一的船长，同时连续开设不得超过一个货舱长度。甲板上纵向工艺孔的开设必定破坏横向构件，或舱壁、或肋骨、或框架肋板。横向构件被割断，使外旁板局部处于悬垂状态，偶有外力影响，很容易失稳。纵向构件割断越多，外旁板越会失稳变形，受潮流和波浪及船舶固有结构力影响，产生向内或向外的变形，严重的连续变形会导致船体整体的翘曲。

根据OBO系列改装船的经验，在船的中部3#～5#舱范围内较容易产生变形。原因在于船中0.3L(L为船长)内，无论船处于中拱还是中垂状态，应力都较为集中。刚割开时船体结构处于暂时的平衡，没有显现出变形，如果不采取措施，时间一长，船体稍微受外力 (潮水涨落、外档靠船等)影响就会产生变形，且会变形积累。要求后续工作的速度要快，一是及时补齐横向构件，二是在明显的变形产生前完成分段的搭载和焊接，使得横向力的传递不至于大面积中断。

由于板架分段的尺度不会很小，纵向工艺孔的开设往往会割断1根或数根纵骨，原有纵向力的传递在工艺孔区域间断，横剖面模数减小，总纵强度受损。在船舶改装过程中，虽然是静水空载 (或轻载)浮态，但受综合力的影响，存在船体总纵弯曲，使得主甲板永远受力，工艺孔周围的构件就有相对运动的趋势。一旦结构稳定状态发生改变，结构自然就会变形。只是变形速度较慢，需要在改装时间内将变形量控制在可接受范围内 (主尺度的千分之二)。工艺孔开设后，采取必要的临时扶强，3星期左右完成封闭较为妥当。否则严重情况下，会使甲板翘曲、横舱壁凸肚。

3)货舱横舱壁区域系列工艺孔的开设 (图2)，对船体结构的强度影响最大的是局部结构力失效，浮态空载船体固有总纵弯曲力作用下中拱，结构变形，部分材料塑性变形，船体主尺度被改变。

图2 横舱壁工艺孔位置图

当然，船体主尺度发生改变是极端情况，除非结构变形处于失控状态。但仍需特别注意货舱横舱壁与内底板交接处工艺孔的开设，为了使内底板板架能穿越横舱壁，必须开设工艺孔，而且需要所有舱室横舱壁的贯穿，同时割开横舱壁是非常危险的举动。从船体重力方向横舱壁力的传递过程来看，整个甲板、舱口、横舱壁的力集中传递到内底板，再由内底板分散到内底纵骨，再向肋板、外底板、旁板等传递。在横舱壁与内底板的交接是相当重要的关节点，它是力集中与分散的枢纽，并且横舱壁与内底板成T型强力结构，保证了力的有效传递。若此处结构失效，势必导致船体由上传递下来的力与由下传上来的力中断，无法很好的衔接与传递，从而产生上部构架塌陷的趋势。比较极端的表现是，中间甲板内陷，旁板外鼓，主甲板受拉变形，型宽变化、总长变化，舱室尺度变化，舱口围变形，舱盖无法匹配等。

所以，必须限制同时对货舱横舱壁的下部开设工艺孔。同一舱室的前后横舱壁禁止同时开工艺孔，且同一横舱壁开设工艺孔时，尺度极限不得大于半个舱宽，最好控制在三分之一货舱宽度范围内。采取先后开设的工艺次序，保证有一半的横舱壁结构完整。

3 系列工艺孔开设的原则

1)方便作业原则。系列工艺孔的开设目的是为了工作的需要，板架、分段的安装需要具备良好的吊装路线和空间。在板架装焊过程中，工艺孔的开设应当密切配合工程的进度。需要时及时开设，结构改装到位后及时封闭。

2)强度保证原则。所有系列工艺孔的开设必须以强度保证为基础，若有强力结构破坏的必须要求设立临时扶强材。工艺孔的设定，在方便作业的基础上，尽可能的减少对结构强度的破坏。需要考虑2种情况:一是区分主要的力和次要的力;另一种是用替换力。前者是沿力的主要方向切割，开设工艺孔，防止主要力的集中，导致变形的产生，而忽视次要力的影响，或者不考虑次要力的影响。后者是临时扶强材的运用，将短时间内中断的力临时得到延续，在改造完成时再恢复正常的力的传递。

3)间断开设原则。系列工艺孔的开设不得连续进行，必须是“跳帮”间断开割，在完成一批作业后必须进行工艺孔封闭焊接后方能进入下一批的工艺孔开设。无论是甲板区域的系列工艺孔，还是横舱壁区域的系列工艺孔，都禁止同时开设，限制连续开割。一个舱室区域内的工艺孔开设后必须保证一半以上结构的完整性。

4)尺度控制原则。在大型改装过程中必须有船体挠度的定期测量监控 (图3)。系列工艺孔开设前，测量出船体在纵向、横向和垂直方向的状态，并做记录。在改装工程中定期望光测量，一般以1周到半个月为一个记录周期。工艺孔开设过程中，一般依照先主要构件，然后次要构件的次序。根据记录数据的比对，发现产生变形的构件，必须立即采取措施，防止变形的扩大和继续。分析数据区分局部变形，还是整体变形。如果是整体变形，必须立即停止所有的切割、开口动作，分析变形的源头，在采取了有效措施后方能恢复施工。

图3 尺度控制示意图

在改装过程中若发现船体局部尺度有偏移的，必须在周围区域停止切割，并采取局部开刀、千斤顶推拉方式修正构件或板材的变形，在板材和构件焊接完成85%以上工作量后，方能进入下一个作业程序。若产生的变形是整体的，务必停止全船区域的切割焊接作业，核查变形来源，采取补救措施后方能恢复施工。通常确认外板和主甲板的尺度变形量，在修正了足够的变形量后，加装与旧有构件(骨材、肋骨、肋板等)同尺度的临时扶强材。再次核查船体尺度参数，确认在允许范围之内后方能进行后续步骤。工艺孔开设完成后，应当对整体进行切割剖口检查和尺度数据测量记录。最后测量要求船体扭曲不得超过20 mm，极限不大于50 mm。相同吃水状态下，船体变形量不得大于20 mm，极限不得大于50 mm。

4 结束语

船舶大型改装过程中，工艺孔的开设无法避免，系列的工艺孔也是经常需要，开设工艺孔是为了改装工作的顺利进行与完成，若是由于工艺孔的开设导致了大量变形的产生，使得结构处于危险状态，则无法有效达到船舶改装的目标。因此，各船企在承接改装项目时，需要对结构进行必要的评估;在改装过程中对变形投入足够的关注度，使得工艺孔的开设真正为工程的顺利推进“开通道路”。

Many technology holes will be opened during the steel structure modification projects going on，with some existing problems on structure deformation，to which engineers and technicians should pay special attention for control.This article discusses the techniques on the concerned principles and matters to control such deformation in opening technology holes.

ship modification;technology hole;structure deformation

U673

C

1001－8328(2012)01－0022－03

楼俊浩 (1958-)，男，浙江宁波人，工程师，大学专科，主要从事修船工作。

2011－09