腐蝕損傷后的船排斜架車(chē)檢測(cè)與承載強(qiáng)度評(píng)估

陳川

摘 要：作為船舶在水面與陸地的運(yùn)輸紐帶，船排自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度至關(guān)重要。尤其在使用多年后，船排斜架車(chē)腐蝕損傷嚴(yán)重，承載強(qiáng)度減弱，需要對(duì)腐蝕后的船排進(jìn)行安全評(píng)估。本文采用超聲波測(cè)厚法對(duì)某使用多年的船排的腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)三維建模和有限元分析方法對(duì)承載強(qiáng)度進(jìn)行全面分析，獲得各工況下的等效應(yīng)力與變形云圖，得出評(píng)估及鑒定結(jié)果。

關(guān)鍵詞：船排斜架車(chē)；腐蝕檢測(cè)；有限元分析；安全評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：U671.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Corrosion Detection and Load Bearing Strength Assessment of Beaching Wedged Chassis

CHEN Chuan

（ No.4801 factory of PLA， Guangzhou 510715 ）

Abstract： It is very important to have a strength assessment of Beaching Wedged Chassis used for ship launching. Need for safety assessment for Beaching Wedged Chassis on account of serious corrosion damage and bearing strength weakening， especially after used for many years. This paper adopted the ultrasonic flaw detection to obtain the corrosion morphology of Beaching Wedged Chassis used for many years， as well as investigated the strength characteristics with three-dimensional modeling and finite element analysis. A series of calculation results are undertaken， appraisal and evaluation results are obtained.

Key words： Beaching Wedged Chassis； corrosion detection； finite element analysis； strength assessment

1 前言

在船舶修造業(yè)務(wù)中，船排結(jié)構(gòu)以其操作簡(jiǎn)單、可行性高的特點(diǎn)在船舶上下排中得到廣泛運(yùn)用。由于船排長(zhǎng)期處于干濕交替、水位不斷變化的環(huán)境中，易發(fā)生結(jié)構(gòu)腐蝕受損，甚至銹蝕穿孔、嚴(yán)重變形造成結(jié)構(gòu)失效等現(xiàn)象，有發(fā)生船舶、船排損壞、人員傷亡等風(fēng)險(xiǎn)；另外，船排結(jié)構(gòu)的設(shè)置方向與水流方向是否一致、船排結(jié)構(gòu)與底部支撐的銜接等因素也間接對(duì)船排結(jié)構(gòu)的安全性造成威脅。隨著船排結(jié)構(gòu)的使用年限增加，其受損程度加重，日益增加的事故隱患已成為船排上下排過(guò)程中不可忽視的問(wèn)題，非常有必要針對(duì)腐蝕損傷后的在役船排結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度進(jìn)行安全評(píng)估，有效的安全評(píng)估方法可以預(yù)報(bào)當(dāng)前船排結(jié)構(gòu)的受損狀態(tài)、剩余強(qiáng)度并提出相應(yīng)的解決方案，避免安全事故的發(fā)生。

某1 500 t船排斜架車(chē)已服役二十余年，整體腐蝕較為嚴(yán)重，存在大面積銹蝕、腐蝕穿孔現(xiàn)象。為保證該船排結(jié)構(gòu)的安全性，采用超聲波測(cè)厚法對(duì)其進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，并采用ANSYS軟件進(jìn)行三維建模，對(duì)承載強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析及安全評(píng)估。

2 船排結(jié)構(gòu)腐蝕形貌的檢測(cè)

該船排斜架車(chē)由于使用年限較長(zhǎng)，從外觀上可以目視到斜架車(chē)鋼結(jié)構(gòu)整體外觀較差，水線以下結(jié)構(gòu)附著大量泥沙，水線以上部分存在大面積腐蝕、銹蝕，部分結(jié)構(gòu)件已銹蝕至蓬松狀態(tài)，連接螺栓暫時(shí)無(wú)缺件、松動(dòng)現(xiàn)象（見(jiàn)圖1）。

在目視確定整體腐蝕情況后，隨后對(duì)該結(jié)構(gòu)較為危險(xiǎn)的損傷點(diǎn)進(jìn)行厚度測(cè)試。本次檢測(cè)采用超聲波測(cè)厚法，其測(cè)試設(shè)備為DM4，探頭為DA301-5MHz，當(dāng)時(shí)的測(cè)試環(huán)境為32 ℃，對(duì)該船排結(jié)構(gòu)的腐蝕形貌進(jìn)行了檢測(cè)記錄。

船排斜架車(chē)測(cè)厚以車(chē)輪作為橫坐標(biāo)，斜架車(chē)第一節(jié)架體前部為零點(diǎn)，第一排車(chē)輪編號(hào)為“1L”，以此類(lèi)推；以每個(gè)輪為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)上對(duì)腹板、上T型鋼、下T型鋼、桁架、節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行厚度測(cè)試，每個(gè)厚度測(cè)試值均為三次測(cè)量后取平均值。

通過(guò)大量的測(cè)厚工作，獲得了該船排斜架車(chē)各腐蝕損傷點(diǎn)的厚度數(shù)據(jù)。通過(guò)分析所獲的數(shù)據(jù)，可知該斜架車(chē)結(jié)構(gòu)整體腐蝕、銹蝕較為嚴(yán)重，所有主承載結(jié)構(gòu)件材料厚度測(cè)點(diǎn)中，上T型鋼厚度損傷量最大達(dá)38%，下T型鋼厚度損傷量最大達(dá)22%，腹板及桁架厚度損傷量也較大。

通過(guò)腐蝕形貌實(shí)際檢測(cè)，可以清楚了解到該船排斜架車(chē)的腐蝕情況。從檢測(cè)結(jié)構(gòu)可知，斜架車(chē)不同部位的腐蝕程度有所不同，但作為支撐構(gòu)件受壓載載荷的桁材其腐蝕情況均較為嚴(yán)重。桁材的厚度減少直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等安全性問(wèn)題，極容易發(fā)生安全事故，故有必要對(duì)該船排目前的承載能力進(jìn)行全面評(píng)估。

3 基于有限元模型的承載強(qiáng)度評(píng)估

采用ANSYS軟件對(duì)該船排結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載強(qiáng)度評(píng)估分析。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)的腐蝕形貌數(shù)據(jù)建立三維有限元模型。

3.1 三維建模

三維梁?jiǎn)卧狟EAM188進(jìn)行模擬該斜架車(chē)桁架結(jié)構(gòu)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)明的尺寸進(jìn)行建模，旨在計(jì)算該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能，其最終的有限元模型如圖2所示，網(wǎng)格大小取200 mm，對(duì)于梁?jiǎn)卧獊?lái)說(shuō)已滿(mǎn)足計(jì)算精度。僅在車(chē)輪處做簡(jiǎn)支約束，采用集中質(zhì)量單元MASS21進(jìn)行均勻加載，其計(jì)算的總載荷為1 500 t。

加載工況分為兩種（見(jiàn)圖3）：一為載荷分布在偏左側(cè)懸臂軌道上（1號(hào)區(qū)域）；二為載荷均勻分布在整體鋼結(jié)構(gòu)上（1+2號(hào)區(qū)域）。左側(cè)懸臂為1號(hào)區(qū)域，其余區(qū)域?yàn)?號(hào)區(qū)域（見(jiàn)圖4）。

3.2 強(qiáng)度校核結(jié)果及分析

通過(guò)ANSYS的計(jì)算結(jié)果以及等效應(yīng)力與變形云圖的觀察發(fā)現(xiàn)，由于斜架車(chē)左側(cè)懸臂較長(zhǎng)，承載剛性不足，當(dāng)載荷分布偏向1號(hào)區(qū)域時(shí)，該區(qū)域計(jì)算結(jié)果超過(guò)材料屈服強(qiáng)度極限，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核不合格；當(dāng)載荷分布在2號(hào)區(qū)域時(shí)，該區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核合格；當(dāng)載荷分布在1號(hào)和2號(hào)區(qū)域時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核合格。

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)載荷均勻分布1號(hào)區(qū)域時(shí)，計(jì)算應(yīng)力高達(dá)961 MPa，已經(jīng)超過(guò)屈曲強(qiáng)度，其計(jì)算結(jié)果無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求（見(jiàn)表1和圖5）；當(dāng)載荷均勻分布在1號(hào)和2號(hào)區(qū)域時(shí)，計(jì)算應(yīng)力為68 MPa，此時(shí)結(jié)構(gòu)尚處于彈性范圍內(nèi)，低于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求（見(jiàn)圖6）。因此，該船排斜架車(chē)結(jié)構(gòu)只能在限定載荷情況下使用，存在安全隱患。

4 結(jié)論

（1）船排斜架車(chē)結(jié)構(gòu)常年處于干濕交替的工作環(huán)境，其腐蝕情況嚴(yán)重，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)并制定相關(guān)的保養(yǎng)措施，以保證其有效使用；

（2）船排斜架車(chē)用于船舶上下排運(yùn)輸，安全性要求較高，應(yīng)定期針對(duì)腐蝕損傷后的船排承載強(qiáng)度進(jìn)行安全評(píng)估；

（3）采用超聲波測(cè)厚定期檢測(cè)，以及采用有限元模型分析法評(píng)估船排斜架車(chē)的承載強(qiáng)度，是一種較為經(jīng)濟(jì)、合理、可行的方法，可作為類(lèi)似鋼結(jié)構(gòu)物使用過(guò)程檢測(cè)及安全評(píng)估。

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