某船支柱垫板与甲板连接焊缝产生裂纹的原因分析

朱佳伟

摘    要：本文对某型船甲板支柱垫板与甲板焊缝开裂现象，从焊接接头破坏机理进行计算分析，确定其开裂原因并提出修复方案及优化意见，对类似工程施工具有借鉴作用。

关键词：疲劳断裂；焊接接头；焊缝缺陷；性能评估

中图分类号：U671.8                                文獻标识码：A

Analysis of the Weld Cracks in the Connection between

Support Plant and  Deck of a Ship

ZHU Jiawei

（ Third Military Representative Office of Navy in Guangzhou，  Guangzhou 511462 ）

Abstract： In this paper，the cracking phenomenon of the weld between the strut pad and the deck of a certain type of ship is used.The failure mechanism of welded joints is calculated and analyzed， which determines the cause of cracking and proposes the repair plans and optimization suggestions. It has guiding significance and reference for the construction of similar projects.

Key words： fatigue breakage;  weld joints;  weld defects;  performance evaluation

1     前言

某型船在使用过程中出现甲板支柱垫板与甲板连接焊缝开裂现象，对船舶使用带来较大的安全隐患。为了解产生裂纹的原因和提出相应解决措施，开展了相关研究。

焊缝裂纹位置位于该船首部艇甲板下绞盘带缆区域，为支撑艇甲板的支柱下方垫板与甲板连接焊缝出现裂纹，勘验时发现#165和#168肋位共4根支柱垫板焊缝出现开裂，裂纹出现的位置如表1所示。

2     裂纹产生原因分析

2.1   概述

焊接接头的破坏与非焊接接头不同，因为焊接接头存在材料非均质特性、几何不连续性以及残余应力，见图1。

焊接接头的破坏模式可归纳为两种：第一种是焊缝附近沿着板的厚度方向的破坏模式，称为模式A，它的破坏起始于焊趾；第二种是焊缝破坏，称为模式B，它的破坏起始于焊根，穿过焊缝金属，见图2。

从断裂力学的观点看，模式A裂纹取决于破坏位置板截面方向相对于裂纹平面的法向应力分布，应力状态取决于板厚；而模式B取决于破坏路径所定义的裂纹平面的法向应力分布，应力状态取决于实际焊喉尺寸；而模式A的破坏可以通过结构优化，减小结构应力集中，降低出现概率；模式B的破坏可以通过设计适当的焊缝尺寸和焊接工艺，予以避免。

通过现场勘验可以看出，裂纹主要出现在焊缝中间而不是焊趾，也就是说焊接接头破坏为模式B，即因为焊缝尺寸过小或焊接质量不佳引起的。

2.2   计算分析

1）理论方法

（1）支柱承压时焊缝计算分析

在支柱承受竖直向下的压力载荷时，当支柱垫板与甲板完全接触时，支柱压力通过板与板的接触传递，垫板与甲板间连接焊缝几乎不传递压力载荷，在该状态下焊缝不会被压坏。

由于支柱为细长杆，当支柱承受的压力载荷超过其稳定性许用载荷时，支柱会出现失稳造成弯曲，从而对连接焊缝产生弯曲应力。

依据《钢质海船入级与建造规范（2021）》，支柱所承受的压力载荷 P按下式计算：

P = 7.06 abh + Po    kN                                               （1）

式中： a为支柱所支持的甲板面积的长度，m；b为支柱所支持的甲板面积的平均宽度，m；h为支柱所支持的甲板的计算压头，m；Po为上方支柱所传递的载荷，kN。

对于#165 距舯7 500支柱： a=3.9 m，b=2.7 m ，h=3.2 m ，l=2.6 m ，Po =24.8 kN；对于#168 距舯1800支柱：a=3.9 m，b=4 m，h=3.2 m，l=2.6 m，Po =24.8 kN；对于#173 舯纵支柱： a=2.275 m，b=5.4 m，h=3.2 m，l=2.6 m，Po = 0 kN。

将上述数值代入式（1），得到各支柱所承受的压力，P如表2所列。

按照规范，管形支柱的壁厚 t 应不小于按下列两式计算所得之值：

t=P /（0.392 dp-4.9l）   mm                                    （2）

t=dp / 40   mm                                                            （3）

式中： P 为支柱所受的载荷 P， kN；l为支柱的有效长度， m；dp为管形支柱的平均直径， mm。

将上述数值代入式（2）（3），得到管形支柱的壁厚如表2所列：

表2  各支柱计算结果

由表2可知，艇甲板下#161～#175间支柱的强度及稳定性均满足规范要求。从现场勘验来看，支柱不存在弯曲、扭曲等变形，在承压状态下支柱的压杆稳定性足够，不会对支柱垫板与甲板间连接焊缝造成影响。

（2）支柱承拉时焊缝计算分析

对支柱承拉状态，规范中未作要求，仅要求对于压载舱或其他液舱内的支柱应注意可能受拉的影响。在支柱承拉时，拉力载荷需要通过支柱与垫板间连接焊缝以及垫板与甲板间连接焊缝传递，现对这两个焊缝强度进行分析。

① 对于支柱两端连接，规范要求应保证支柱上下端处的结构能合理地承受和传递载荷，在支柱的下方应设置复板或加厚板，具体厚度或尺寸规范无要求。设计中参考了CB 261《水面舰艇圆形钢支柱选用要求》，对于本区域的φ133×8 mm和φ194×12 mm支柱，采用不设肘板样式，见图3所示。

焊接要求：对于t=8 mm管型支柱，端部连接采用5 mm焊角高度、围焊；对于t=12 mm管型支柱，端部连接采用7 mm焊角高度、围焊。

② 支柱承受拉力载荷时，由于规范没有给出拉力载荷的计算公式，在此仅对单位拉力载荷状态下焊缝情况进行定性分析。

对于φ133×8 mm支柱：支柱与垫板间连接焊缝受力面积为1 532.79 mm2；垫板与甲板间连接焊缝受力面积为2832.34 mm2；垫板与甲板间连接焊缝是支柱与垫板间连接焊缝应力的1.85倍。

对于φ194×12 mm支柱：支柱与垫板间连接焊缝受力面积为3 125.57 mm2；垫板与甲板间连接焊缝受力面积为6328.89 mm2；垫板与甲板间连接焊缝是支柱与垫板间连接焊缝应力的2.02倍。

由此可见，在一定受拉状态下，不管是φ133×8 mm还是φ194×12 mm支柱，支柱垫板与甲板间连接焊缝应力均小于支柱与垫板间的焊缝应力。实船中支柱垫板与甲板连接焊缝处出现裂纹，即在低應力处而不是高应力处出现裂纹，与前面的分析不符，说明垫板与甲板间连接焊缝裂纹是因为焊接施工等原因造成焊缝强度不足，而不是因为焊缝设计强度不足造成。

2）有限元方法

为了更准确地获得焊缝受力情况，特别是支柱受拉状态的拉力载荷，现采用有限元直接计算方法对该区域焊缝强度进行分析。选择的计算工况为：中拱最大合成弯矩工况（满载排水量）；中垂最小合成弯矩工况（正常排水量）。

采用全船有限元模型进行分析，通过强框结构位置的节点力加载法进行加载，保证加载后各个给定剖面的弯矩剪力与以上计算工况要求弯矩剪力一致；模型为了模拟船处于自由正浮状态，不设定任何边界条件，而选择全船型心点进行惯性释放。通过全船有限元计算分析，结果如下。

（1）#168附近艇甲板下4根支柱轴向应力如下：在最大中拱工况下，最大拉应力值出现在#165支柱，拉应力最大为104 MPa，远小于Q235钢的许用应力164.5 MPa；中垂状态下，最大压应力值出现在#165支柱，压应力最大为88.6 MPa，远小于Q235钢的许用应力。

（2）在中拱状态，#165附近区域支柱受拉，计算得到支柱与垫板间连接焊缝拉应力以及垫板与甲板间连接焊缝拉应力，见表3所列。从表3可以看出，焊缝应力均小于许用应力，焊缝不会被拉坏。

在中垂状态，#165附近区域支柱受压，支柱压力通过垫板与甲板间的接触传递，垫板与甲板间的焊缝几乎不承受压力载荷，在该状态下，焊缝不会被压坏；支柱承受的压力小于许用设计载荷，支柱不会被压坏或失稳。

2.3   焊缝破坏原因分析

根据以上计算结果：船舶在中垂状态，支柱垫板焊缝不承受载荷，不会被压坏；船舶在中拱状态，支柱承受拉力载荷，支柱与垫板间连接焊缝及垫板与甲板间连接焊缝均承受载荷，垫板与甲板间连接焊缝满足强度要求，不会破坏。由于支柱垫板与甲板间连接焊缝应力小于支柱与垫板间连接焊缝应力，垫板与甲板间连接焊缝不会先出现破坏。

实船垫板与甲板连接焊缝有破坏裂纹，可能原因如下：

1）该区域为半露天区域，靠近船舶首部，存在甲板上浪，焊缝长期处于干湿交替状态，同时本船长期处于南海高盐雾环境，加速了焊缝腐蚀，造成焊脚高度变小，达不到要求；

2）本船为了甲板流水方便，甲板设置0.168 m高的梁拱，由于垫板与甲板采用搭界形式焊接，施工时垫板与甲板不平行，中间容易有较大缝隙，造成施工时焊角高度不易保证；

3）从勘验图片看出，焊缝破坏处焊缝表面粗糙不平，初始缺陷（裂纹）造成焊缝在高海况下的破坏。

3    修复方案

按照上面的计算分析，垫板与甲板间的焊缝达到满焊围焊要求时，就算在最大中拱工况下支柱受拉时，焊缝也不应被拉坏。但由于使用环境、施工等原因，该位置垫板与甲板间的焊缝强度达不到设计要求，在高海况时可能会被被拉坏。针对该情况，主要修复方案为：

1）将破坏位置的垫板与甲板间的连接焊缝完全铲除并打磨光滑，然后重新围焊焊满，如见图4所示。

2）由于甲板存在梁拱，施工时垫板与支柱垂直，与甲板不平行，造成垫板与甲板间存在较大缝隙，在进行垫板围焊时，该缝隙的存在造成焊接质量难以保证，如图5所示。

为了增大船舶航行安全性，现针对支柱与甲板连接节点进行优化，主要措施为增加连接结构焊缝面积：在支柱四周增加肘板，肘板尺寸与顶端肘板一致；对原垫板与甲板间连接焊缝全部铲除并打磨光滑，并对垫板与新增肘板连接处部分铲除，如图6所示；然后重新焊接，保证肘板与甲板间采用围焊，垫板与甲板间围焊焊满。

图6  肘板加强示意

4     结论

针对甲板支柱垫板与甲板间连接焊缝开裂现象，利用理论方法及有限元分析方法开展计算校核，分析焊缝开裂原因并提出解决方案及优化建议，对于船舶结构焊缝开裂等相似缺陷处理提供技术参考，对提高焊接结构的可靠性具有一定的应用价值。

参考文献

[1]方洪渊.焊接结构学（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2017.

[2]陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策（第2版）[M]. 北京：机械工业出版社，2006.