船体结构残余应力的形成与控制

2022-10-23邹江平

船舶标准化工程师 2022年4期

邹江平

（舟山中远海运重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

现代船体结构件的组合方式多采用焊接，焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法，在现代船舶工业中有着广泛的应用。然而，在焊接施工过程中产生的内部残余应力会对结构性能产生一定影响，应采取有效控制措施以减小或消除焊接残余应力来提高船舶的结构稳定性。选择合适的船舶结构应力测试方法是十分重要的。船体内部残余应力会直接降低船体结构的韧性和强度，并可能导致焊接结构出现裂纹甚至断裂。采取有效的控制措施减少或消除焊接残余载荷，对提高造船构件的整体稳定性、避免损伤船舶极限强度可靠性具有重要意义。本文对造成装配、焊接残余应力的因素进行分析，并根据船体各部位不同阶段的焊接特点，提出相应的控制措施，尽可能降低残余应力的影响。

1 船舶焊接残余应力分析

1.1 形成原因

在船舶金属结构的焊接过程中，大多数部件未进行焊前预热，这将导致焊接过程中构件的温度分布不均匀。焊缝中的熔敷金属和焊缝周边区域需要经历如下热循环：加热、熔化、凝固和冷却。金属在焊接过程中的热膨胀和冷收缩受到很大的约束，存在2种类型的焊接残余应力：1）结构不同区域的自平衡残余应力；2）在整个船舶建造过程中，由于尺寸不一的零件的强制装配和安装精度控制的缺失造成的残余应力。残余应力的产生与焊接对象的不均匀受热和弹塑性变形密切相关。

1.2 影响因素

在焊接过程中，焊接区域不同部位的温度会有所不同，不均匀的温度分布也会有不同的延伸。焊接区域周围的冷却金属会限制膨胀部分的收缩，使热膨胀和冷收缩不能同步，这就导致了残余应力和构件变形。焊接结构的刚度限制了加热（冷却）过程中的自由膨胀（收缩）的程度，使得构件在焊接连接中产生应力和变形。高强度钢主要用于主船体货舱区，而船体分段结构中存在大量的封闭焊缝，使结构内力与刚度相互约束，在焊接过程中形成较大的残余应力且无法散尽。除此之外，焊缝在结构中的位置、方向、焊接方法也会对焊接残余应力产生一定影响。焊接过程中残余应力的存在不仅降低了船体焊接结构的性能，而且降低了船舶的整体强度，甚至会造成突发性的脆性断裂，如何尽可能地降低或消除船体零件装配和焊接过程中的残余应力是一个重要的问题。

2 残余应力的分类

2.1 装配残余应力

一些小型船厂没有成套的冷成形设备，也不具备双曲面外板成形加工技术。其在装配过程中直接将构件抬起，并强制用千斤顶推到位，类似野蛮施工将会导致构件弹性边界的应力过大。此外，由于受到工装工艺能力的限制，装配零件的精准度仍存在很大的问题。装配过程中构件边界应力隐含其中，难以释放，这会导致弹性变形过大、船体结构刚度不足、结构失稳、渗漏、振动和裂纹等问题。构件在装配过程中对局部应力是有所要求的，应力超出允许范围则会导致船体结构强度不足、船体结构振动异常、船舶疲劳程度加快、裂纹产生加快，甚至可能造成在极端恶劣的海况下出现船体断裂这种无法挽回的后果。

2.2 焊接残余应力

船舶构件焊接残余应力主要是在焊接过程中船体构件局部受热不均造成的。在焊接过程中，加热区域小，温度变化幅度大。焊缝金属急速热胀冷缩，而焊接接头处的结构刚性约束了焊缝变形，导致焊接接头的组织发生变化，热应力超过弹性极限，最终导致构件内部应力残留。因此，对船体高强度钢及铸钢件等构件进行焊前预热及焊后保温是一种针对残余应力控制的积极预案。

3 船体结构应力监测

3.1 监测点布置

将船体结构按其特点分为6类：甲板与平台、船体外板、舱壁与实肋板、纵向骨材、舷侧肋骨、支柱，在每一类结构内将各点应力响应按照从大到小排序。设置参考距离，将收缩高应力区域作为高应力监测点。

3.2 监测点选择

根据3.1小节所述方法选择的监测点位置基本是海况下船体结构最敏感的部位。然而，船舶遇到极劣波向和频率组合的概率相对较低，在大多数情况下，船会遇到不同程度的海况，如果海况数据不完整，按照传统方法选择的位置就不全面。根据加权平均值选取结构应力监测点，利用反应函数对检测点进行计算。需要注意的是，该方法需基于以下2个假设：1）船舶遭遇的浪向符合均匀分布，速度对直线度的影响不大，船舶接收波的方向可视为近似均匀分布；2）相应的权函数仅取决于船舶的载荷条件和遭遇频率，装载条件的时间分布系数可根据船舶的实际位置或有关规范确定。

因此，以船舶航区波谱数据为基础，计算每种应力产生的概率，以发生概率与各船体结构工况分布系数作为权重，采用加权平均值进行应力响应计算，在此基础上选择船体应力检测点。

4 残余应力的控制

4.1 装配过程控制

超差现象是装配过程中的一个常见问题。如果超出公差的零件在焊前未经适当处理就直接强行装配焊接，构件的应力分布会发生变化，承受负荷能力减弱，结构强度受损。在外力的作用下，超差现象会产生额外的弯矩，可能会导致焊接根部断裂，应尽可能把控接头的焊接量，将焊缝根部间隙控制在允许范围内。如果焊缝的间隙较大，但仍在超差范围之内，可先在坡口斜面进行适当焊接长肉，当间隙达到要求时再进行焊接；若接头间隙超过规定范围，则需要进行局部板材更换，当分段合龙或构件局部换补时，需割开原始焊缝并延伸一小段；当构件的对接误差或横截面的偏差量超过规范要求时，必须更换或重新组装。

4.2 焊接工艺控制

由于船舶建造过程较为复杂，有必要采取相应措施以减少残余应力。根据不同阶段装配和焊接的特点采取有针对性的措施以降低残余应力。在造船周期中，多种因素均会导致船体结构应力残留（主要是焊接应力残留），消除或尽可能地减小所有船体焊接部件的残余应力是一项重要的任务。一般而言，所有船体结构部件在装配过程中应保持尺寸正确，焊缝间隙均匀。装配不符合图纸、标准及工艺要求的部件或分段不能进行下一步的焊接工作。对装配达标的结构部件或分段施焊时，原则上应按由中央向左右、前后的顺序进行。对称结构部件则应安排偶数焊工同时从中间往两侧进行对称焊接；非对称结构焊缝进行焊接时，应根据焊缝所处的船体结构中的位置，从靠近结构中央的一端往边缘一端施焊或从焊缝中点向两端施焊。使用手工焊、CO焊来进行相对较长焊缝的焊接时，应采用跳焊法、分段退焊法或分中分段退焊法。立向下焊接时则应采用直通焊。当多层焊时，每层焊道的焊接方向需一致，各层的焊接方向可以相反，每层焊道的接头应尽量相互错开约30 mm。当结构中同时存在对接焊缝与角焊缝时，应先焊对接焊缝，再焊角焊缝；而同时存在立角焊缝与平角焊缝时，则应先焊接立角焊缝，再焊平角焊缝。

对船体焊接工艺的控制能够减少船体残留应力的影响，有效降低船舶的高应力风险。

4.3 精度管理

在整个船体结构的施工过程中，零件加工、板架制作、分段拼装、总段预合龙、船台搭载等一系列工序造成的建造尺寸累计误差是不可避免的。设计和生产过程中就应考虑对各种偏差和误差进行控制，包括起重驳运变形和长期摆放变形误差。精度控制就是要清晰地把控每道工序的精度。现代造船的船体零件一般通过软件建模进行套料，在设计时应加放适当的收缩余量，在装配前及焊后对其进行精度测量并必须达到标准要求。在装配过程中，安装任何船体零件都需要进行测量划线与精度验证，这种测量不仅可以有效地控制结构的精度，同时也能有效减少整个建造过程中的内部残余应力。因此，各工序的残余应力和变形应在相应环节及时消除，避免累积。

4.4 温差法和敲击法消除焊接残余应力

使用温差法消除残余应力时需要利用氧乙炔枪在焊缝两侧一个适当的宽度范围内进行加热，在氧乙炔枪加热之后的一定距离，用水管喷水，将氧乙炔枪和水管以大致相同速度向前移动，利用热胀冷缩的原理来抵消构件内部残余应力。利用传统的锤击法也可消除内部焊接应力，在局部构件焊接完成后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属内部应力释放，能有效地减少焊接应力残留。据测定，利用锤击法可使残余应力减少约 1/4，如后期对焊缝进行规范打磨，效果将会更好。