浅谈船体结构中疲劳裂纹的分析与控制

张笑天

摘 要 随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们的科学文化素质也在逐步提高。科技发展的同时也促进并带动交通设施的进步。船舶作为航海海运必不可少的交通工具之一，在人们的生活中越来越发挥出不可忽视的作用。诚然，船舶如同所有的制造产品一样，存在着一定的使用周期，超过了这个周期，必然会产生一定的破损乃至损坏。很多长期在海洋航行的船舶在经历风吹浪打磨蚀后都出现了疲劳裂纹，这种情况在船的上下边舱表现最为突出。因此，为了有效延长船舶的使用寿命，正确的裂纹预防和控制措施尤为迫切，还可以为今后船舶制造的节点设计提供一些有益的参考。

关键词 船体结构；疲劳裂纹；分析；控制

前言

根据资料分析与观察，长期在海洋航行的船舶，其上下边舱中出现各种各样的疲劳裂纹，我们需要分析其产生原因，找出正确的预防和控制方法，可以为新造船舶设计的节点提供一些有益的参考[1]。

1 裂纹出现的部位及其特征

（1）裂紋的性质。典型疲劳裂纹周围的涂装情况良好，发生腐蚀的部位没有因腐蚀而引起的减薄现象，断口的边缘整齐划一，如刀切一般。

（2）易出现疲劳裂纹的船型。大型散货船、集装箱船双层底及上下边舱中都可能出现疲劳裂纹。

（3）易出现疲劳裂纹的区域。大型散货船、集装箱船双层底及上下边舱在船舯0.4L区域受总纵弯曲的交变应力最大，在船舯部前后第二、第三个底压载、上下边舱等位置，及双层底污水井等区域极易发生疲劳裂纹。

（4）易发生疲劳裂纹的构件。疲劳裂纹大多发生在外底、舷侧纵骨，上边舱反顶纵骨，及靠外侧纵桁上的构件，裂纹起始部位有两种：一是肘板及辅强材的趾端；二是流水孔、人孔、过梁孔、过焊孔等开孔边缘。一般来讲，上述疲劳裂纹在船龄15年左右多发，有的船甚至在5年船龄后就可能出现裂纹[2]。

2 疲劳裂纹产生原因

裂纹产生原因有以下几种。

（1）使用过程中的问题。船舶在营运过程中遭遇严酷的海况、装卸货程序安排不当，造船在船舯部产生过大的应力。

（2）节点设计的问题。船舶在新造时的节点设计不合理，如肘板、辅强材、半桁等没有进行软趾化处理，相对于与其连接的肘板、辅强材来讲，其下的纵骨刚性较弱等。

（3）施工质量问题。在船舶新造时，由于装配、焊接、打磨施工质量不佳而造成的裂纹始发点，在上述3个因素中，由于结构错位造成面外位移是诱发裂纹的主要因素。包角不完全、咬边、过度打磨在构件上造成沟槽等，也是疲劳裂纹发生的根源。另外一个造成疲劳强度下降的原因是由于加工精度不佳造成肋板框架与纵骨之间不得不进行的强制装配，从而使该焊缝中有较大的拉应力的残留。

（4）高强钢的使用问题。在满足抗拉强度的前提下，与采用普通钢材料的构件相比，高强钢构件的尺寸小，较易产生较大的应变，这是高强钢结构比普通钢构件易出疲劳裂纹的原因之一。另外的原因是为了降低空船重量，20世纪80年代初建造的船舶，高强钢的使用比例一下子提高了很多，但节点的设计仍沿用普通钢的设计方法，对疲劳强度的考虑有欠周全，这就造成了该时期建造的船舶在投入运营10年到15年的期间裂纹的多发。然而，通过调查发现，同时期建造的同型船舶，尽管高强钢的使用比例相近，裂纹的出现率却因其造船厂的不同而大不相同，因此在高强钢的使用问题上如何扬长避短是有必要进行深入研究的课题[3]。

3 裂纹的控制方法

一是在船舶运营过程中，严格按照规定装卸货、亚排水程序进行操作，避免在构件上产生过大的应力。

二是通过对节点进行疲劳强度的分析，优化设计，降低应力集中，采用软趾化的肘板或辅强材，避免在产生较大应力的部位设置开孔等等。

三是在装配时要避免强力装配及错位，包角焊要饱满光顺，避免咬边；开孔的自由边要打磨光顺，避免留下缺口；要避免在高强钢构件上随意起弧，装配用的马板等清除后要打磨光顺避免留下缺口。

四是针对大型集装箱船抗扭箱区域，运用高强度EH40和EH47止裂钢。研究表明，采用低碳高锰、Nb-Ti-Ni多元微合金化成分设计，配合TMCP控轧控冷工艺，制造的超高强度止裂钢，在最大设计应力和不同止裂韧性值对应的温度下，开展等温双重拉伸试验，钢板的止裂性能满足技术指标要求。在国内，已有船厂在大型集装箱船建造时，实船应用高强度止裂钢[4]。

4 裂纹的处理

裂纹由于其延伸性，是一种危险缺陷，发现裂纹必须立即处理，否则将会延伸至整条焊缝、相邻结构。对于微小的发丝状裂纹以及不超过板厚1/3的裂纹，可通过碳刨补焊的方式处理，而不用切换。对于较大及深度超过板厚1/3以上的，需对全部焊缝返修或结构换新处理，另外在返修、换新过程中，需在与之相邻结构或者焊缝位置打止裂孔，以防止新的裂纹产生[5]。

5 结束语

通过上述讨论，我们了解到了大中型散货船、集装箱船下边舱及双层底疲劳裂纹的发生规律，通过原因分析，有针对性地制定出裂纹的控制措施，并对处理方法进行了阐述。在我们今后船舶制造过程中，通过设计方式优化、制造方法改进，提前对裂纹进行预防，以提高造船质量，延长船舶运营年限。

参考文献

[1] 王艺陶.加筋板裂纹扩展概率模型与船体结构可靠性分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2017.

[2] 何文涛.船体结构疲劳裂纹扩展及其可靠性分析直接计算法研究[D].北京：华中科技大学，2015.

[3] 陈家旺.船舶结构的疲劳寿命评估及动态断裂研究[D].镇江：江苏科技大学，2011.

[4] 牛松.基于断裂力学的船体结构疲劳评估方法[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[5] 吴晓源.大型FPSO船舶结构疲劳寿命预报方法研究[D].上海：上海交通大学，2008.