高強(qiáng)度鋼在中型耙吸挖泥船上的應(yīng)用研究

劉樂(lè)樂(lè) 陳曙梅 喬國(guó)瑞

（1.上海交通大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 上海200030；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

屈服點(diǎn)大于或等于265 N/mm2的鋼屬于高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼與普通鋼最主要的區(qū)別是高強(qiáng)度鋼的含碳量明顯高于普通鋼，故普通鋼也被稱為低碳鋼。一般情況下含碳量越高其屈服強(qiáng)度也越高，但其塑性和韌性降低。目前高強(qiáng)度鋼在耙吸挖泥船上應(yīng)用普遍，很多挖泥船泥艙區(qū)域結(jié)構(gòu)全部使用高強(qiáng)度鋼。本文依托4 500 m3耙吸挖泥船研究高強(qiáng)度鋼在耙吸挖泥船上應(yīng)用時(shí)需考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文討論的高強(qiáng)度鋼是指H36，屈服極限為355 N/mm2。中型挖泥船［1］是指艙容在4 500～8 000 m3，依托項(xiàng)目的泥艙裝載能力為4 500 m3，為典型中型耙吸挖泥船，本船為單列泥門設(shè)計(jì)，沿海航區(qū)作業(yè)，無(wú)限航區(qū)調(diào)遣。其主要參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 依托項(xiàng)目耙吸挖泥船的主要參數(shù) m

中型挖泥船相對(duì)于小型挖泥船來(lái)說(shuō)，其作業(yè)區(qū)域更廣，且一般主尺度比不滿足規(guī)范的要求，故其波浪彎矩需要直接計(jì)算，這樣其總彎矩較大，對(duì)船體梁彎曲極為不利。

1 研究背景

4 500 m3耙吸挖泥船，泥艙采用泥艙圍板式結(jié)構(gòu)，頂部為開(kāi)敞泥艙，最上層連續(xù)甲板為中部帶大開(kāi)口的泥艙甲板。在寬度方向上，由于布置和通道需要，泥艙甲板沒(méi)有延伸到兩舷，從而使泥艙甲板寬度有限，其橫剖面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 橫剖面示意圖

由圖1不難發(fā)現(xiàn)泥艙甲板距離中和軸最遠(yuǎn)，但其有效剖面積很小。整個(gè)泥艙長(zhǎng)度約占整船長(zhǎng)度的40%，占據(jù)船舯0.4L范圍，為中垂、中拱彎矩最大處。耙吸挖泥船最常見(jiàn)的狀態(tài)為作業(yè)時(shí)的泥艙滿載和空載，其中空載時(shí)中拱靜水彎矩很小，但泥艙滿載時(shí)，泥漿密度高達(dá)1.6 t/m3、溢流高度高達(dá)10.7 m， 產(chǎn)生的中垂彎矩很大，頂部泥艙甲板的屈服屈曲強(qiáng)度基本決定了本船的總縱承載能力。若泥艙甲板結(jié)構(gòu)使用的是普通鋼，為滿足設(shè)計(jì)靜水彎矩，增加頂部有效剖面模數(shù)的唯一辦法就是增加板厚，導(dǎo)致泥艙質(zhì)量大幅增加，有悖于本船挖泥作業(yè)需考慮的淺吃水要求。基于以上考慮，首選使用高強(qiáng)度鋼。本文主要從總強(qiáng)度、泥艙局部強(qiáng)度、空船質(zhì)量、高強(qiáng)度鋼應(yīng)用范圍和高強(qiáng)度鋼對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響等五方面進(jìn)行論述。

2 泥艙局部強(qiáng)度

泥艙中泥漿的最大密度為1.6 t/m3，溢流高度為10.7 m。大密度、高壓頭對(duì)泥艙局部強(qiáng)度提出了更高的要求。根據(jù)規(guī)范［5］14.8.4的要求分別按照普通鋼和高強(qiáng)度鋼對(duì)泥艙圍壁及其骨材和桁材進(jìn)行設(shè)計(jì)。以泥艙縱壁及其最下面一根縱骨為設(shè)計(jì)對(duì)象，桁材每個(gè)強(qiáng)框相同，以任意強(qiáng)框?yàn)樵O(shè)計(jì)對(duì)象。泥艙艙壁板厚、泥艙艙壁扶強(qiáng)材及桁材計(jì)算結(jié)果的比較見(jiàn)下頁(yè)表2。

由表2可以清楚看到：如果采用高強(qiáng)度鋼，泥艙最下緣板厚可以減小2 mm，縱骨大小也大大降低，桁材腹板高度，厚度及其面板的寬度和厚度都也可大大減小。這樣，一方面可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，另一方面可以給輪機(jī)、電氣及特機(jī)等其他專業(yè)設(shè)備及管系預(yù)留更大空間，從而更有利于設(shè)備及管系的布置。

表2 泥艙部分板厚、骨材和桁材計(jì)算結(jié)果比較

3 泥艙甲板屈服屈曲強(qiáng)度

3.1 泥艙甲板屈服強(qiáng)度

中橫剖面中和軸位置距離船底板4.15 m，泥艙甲板處剖面模數(shù)為3.28 m3，作業(yè)工況靜水彎矩為315 000 kN·m，波浪彎矩為305 000 kN·m。根據(jù)規(guī)范總縱彎曲應(yīng)力σ=189 N/mm2。

根據(jù)規(guī)范可知如果泥艙甲板采取普通鋼，船中區(qū)域船體梁的許用彎曲應(yīng)力［σ］= 175 N/mm2，顯然泥艙甲板處實(shí)際船體梁的許用彎曲應(yīng)力大于許用應(yīng)力。故采用普通鋼不滿足條件，只有加大板厚才能滿足。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)板厚由原來(lái)的16 mm增加到25 mm以上，才能滿足要求，但也將使船體質(zhì)量增加約25 t。若將其改為高強(qiáng)度鋼，則其強(qiáng)度還有25%的富裕，這足夠說(shuō)明此處采用高強(qiáng)度鋼有很大好處。

3.2 泥艙甲板屈曲強(qiáng)度

作業(yè)工況時(shí)泥艙裝滿，船體靜水彎矩和波浪彎矩達(dá)到最大值，此時(shí)船體梁處于中垂?fàn)顟B(tài)，泥艙甲板受壓。下面就分別按照普通鋼和高強(qiáng)度鋼來(lái)計(jì)算泥艙甲板的屈曲強(qiáng)度。

根據(jù)鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［5］2.2.7屈曲強(qiáng)度計(jì)算要求，本船在泥艙甲板處，板凈厚度為16-2=14 mm，E=2.06× 105N/mm2，s= 0.7 m。表3分別按照普通鋼和高強(qiáng)度鋼給出了此處受壓時(shí)的臨界屈曲應(yīng)力。

表3 泥艙甲板處臨界屈曲應(yīng)力

由表3可知，當(dāng)采用普通鋼時(shí)，泥艙甲板上的實(shí)際受壓應(yīng)力大于臨界屈曲應(yīng)力，而采用高強(qiáng)度鋼時(shí)，臨界屈曲應(yīng)力大幅提高，實(shí)際受壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于臨界屈曲應(yīng)力，可見(jiàn)采用高強(qiáng)度鋼對(duì)增加泥艙甲板的抗屈曲能力非常有效。

3.3 泥艙段剛度問(wèn)題

通過(guò)局部計(jì)算、屈服和屈曲計(jì)算，可知泥艙段采用高強(qiáng)度鋼有很明顯的效果，但是在滿足強(qiáng)度的前提下，采用高強(qiáng)度鋼時(shí)，板厚及骨材尺寸均變小，需要考慮整體剛度問(wèn)題。本船按照泥艙區(qū)均采用高強(qiáng)度鋼的方案，通過(guò)計(jì)算中剖面慣性矩及最小剖面模數(shù)要求，考察其剛度問(wèn)題。

根據(jù)規(guī)范［5］2.2.5船體梁彎曲強(qiáng)度的要求，在甲板處和龍骨處的船中最小剖面模數(shù)W0及慣性矩見(jiàn)表4。

表4 船體中橫剖面剛度

由表4可知，無(wú)論采用高強(qiáng)度鋼還是普通鋼，規(guī)范對(duì)剖面慣性矩的要求是一樣的，與材料無(wú)關(guān)。但是對(duì)于挖泥船來(lái)說(shuō)，其慣性矩的余量非常大，即使我們采用高強(qiáng)度鋼后板厚和骨材都減薄減小了，慣性矩也會(huì)跟著減小，但是其最終大小還是非常富裕，可見(jiàn)挖泥船一般情況下不存在剛度問(wèn)題。

4 高強(qiáng)度鋼應(yīng)用范圍

4.1 高強(qiáng)度鋼沿船長(zhǎng)方向范圍

挖泥船泥艙位于船中，大概占總長(zhǎng)的40%，泥艙前后分別為泵艙和輔設(shè)備艙。靜水彎矩和波浪彎矩在船中附近范圍內(nèi)達(dá)到最大值，向船體兩端逐漸變小，泥艙段范圍以外的靜水彎矩和波浪彎矩已相對(duì)較小，而且這些是機(jī)器設(shè)備處所，強(qiáng)度已不是考慮的主要對(duì)象，剛度則變?yōu)橹饕獑?wèn)題，故泥艙段以外采用普通鋼比較合適。至于高強(qiáng)度鋼和普通鋼之間如何變化，在規(guī)范2.2.5.8中有如下規(guī)定：

當(dāng)船舯區(qū)域采用高強(qiáng)度鋼而兩端部采用低碳鋼時(shí)，使用高強(qiáng)度鋼板的區(qū)域用延伸至端部所要求的低碳鋼厚度與船舯高強(qiáng)度鋼板厚相同處為止（見(jiàn)圖 2）。

圖2 高強(qiáng)度鋼沿船長(zhǎng)方向范圍

4.2 高強(qiáng)度鋼沿型深方向范圍

前文說(shuō)明泥艙甲板需要采用高強(qiáng)度鋼，但是其他位置，特別是靠近中和軸位置其船體梁彎曲應(yīng)力很小，也就是說(shuō)此處屈服和屈曲強(qiáng)度都不存在任何問(wèn)題，完全可以采用普通鋼，但其高強(qiáng)度鋼和普通鋼的過(guò)渡要滿足規(guī)范［5］2.2.5.7的要求。規(guī)范中要求如下：當(dāng)強(qiáng)力甲板結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼時(shí)，范圍為從該甲板邊線向下的區(qū)域；當(dāng)船體結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼時(shí)，范圍為從平板龍骨向上的區(qū)域，見(jiàn)下頁(yè)圖3。

其中：y1和y2分別為中和軸至甲板邊線和平板龍骨的垂直距離，m；K為材料系數(shù)

圖3 高強(qiáng)度鋼沿型深方向范圍

按照規(guī)范要求，本文為依托船型設(shè)計(jì)了3種泥艙區(qū)使用高強(qiáng)度鋼的方案，分別為泥艙區(qū)全部使用高強(qiáng)度鋼、泥艙圍板和接觸泥漿的結(jié)構(gòu)使用高強(qiáng)度鋼，以及泥艙區(qū)僅主甲板以上（即泥艙圍板）使用高強(qiáng)度鋼，并且根據(jù)3種設(shè)計(jì)方案，分別計(jì)算其滿足最小要求的局部強(qiáng)度及總強(qiáng)度時(shí)的縱向構(gòu)件尺寸。由于采用不同鋼級(jí)，橫向結(jié)構(gòu)的板厚及骨材尺寸差異不大，因此僅考慮縱向結(jié)構(gòu)的質(zhì)量差異已經(jīng)可以滿足研究合理的高強(qiáng)度鋼使用比例問(wèn)題。研究泥艙區(qū)高強(qiáng)度鋼使用比例對(duì)縱向結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 泥艙區(qū)高強(qiáng)度鋼不同使用比例的結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比結(jié)果

根據(jù)表5的對(duì)比結(jié)果，對(duì)于依托項(xiàng)目，泥艙區(qū)全部使用高強(qiáng)度鋼的方案比僅主甲板以上結(jié)構(gòu)使用高強(qiáng)鋼的方案可以減輕103.9 t的空船質(zhì)量；而相比全部使用普通鋼的方案，則可減輕148.9 t的空船質(zhì)量。

5 使用高強(qiáng)度鋼的效益

以本船為例，泥艙段全部采用高強(qiáng)度鋼，船體兩端采用普通鋼，泥艙段以外區(qū)域，按照規(guī)范要求將材料進(jìn)行過(guò)渡。采用高強(qiáng)度鋼后，泥艙段總重約1 100 t，與采用普通鋼相比，約節(jié)省150 t鋼料。目前高強(qiáng)度鋼的單價(jià)比低碳鋼略高，因此我們要分析鋼材消耗量減少的經(jīng)濟(jì)效益是否能補(bǔ)償高強(qiáng)度鋼因單價(jià)較高而增加。使用高強(qiáng)度鋼與普通鋼的具體經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 使用高強(qiáng)度鋼及普通鋼的效益對(duì)比

由此可見(jiàn)，采用高強(qiáng)度鋼和采用普通鋼的效益區(qū)別不大。雖然采用高強(qiáng)度鋼對(duì)造價(jià)影響并不明顯，但減少的空艙質(zhì)量可用于增加裝載量（約增3%），對(duì)于挖泥船的長(zhǎng)期生產(chǎn)效益較為可觀。

6 高強(qiáng)度鋼對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

船用高強(qiáng)度鋼的缺口沖擊功實(shí)際上僅稍高于船用普碳鋼的對(duì)應(yīng)值。下頁(yè)圖4給出不同荷重循環(huán)次數(shù)下普通鋼和高強(qiáng)度鋼的可承受的應(yīng)力曲線。由這兩條應(yīng)力曲線可以看出：當(dāng)荷重循環(huán)次數(shù)增加到106以后，兩者的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)；但挖泥船的疲勞問(wèn)題主要為因裝載變化而產(chǎn)生的低周疲勞，荷重循環(huán)次數(shù)量級(jí)為104。由圖4［2］也不難看出，高強(qiáng)度鋼的低周疲勞強(qiáng)度略高于普通鋼。

圖4 高強(qiáng)度鋼和普通鋼的疲勞強(qiáng)度比較

高強(qiáng)度鋼在焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)冷裂紋和再熱裂紋。［3］冷裂紋一般在焊后冷卻過(guò)程中發(fā)生，冷裂紋的產(chǎn)生可能是在焊后數(shù)分鐘也可能數(shù)天后發(fā)生， 故也稱為延期裂紋。［3］在這個(gè)冷卻過(guò)程中，容易在熱影響區(qū)出現(xiàn)低塑性即所謂的脆性組織，這種組織是由氫從焊縫金屬擴(kuò)散到熱影響區(qū)集聚而成的淬硬區(qū)。當(dāng)焊縫擴(kuò)散氫量較高和接頭約束較大時(shí)易產(chǎn)生氫，最終導(dǎo)致裂紋。鋼的強(qiáng)度級(jí)別越高，這種淬硬傾向越強(qiáng)，延期裂紋的敏感性也越強(qiáng)。因此，焊接時(shí)必須采取措施防止延期裂紋的出現(xiàn)。焊接時(shí)應(yīng)使用低氫焊條，并對(duì)焊條進(jìn)行保溫、保濕； 同時(shí)，避免焊液飛濺，拒絕產(chǎn)生非圓形裂紋。再熱裂紋是指一些高強(qiáng)度鋼構(gòu)件在焊接后需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，而在此過(guò)程中容易在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)產(chǎn)生晶間裂紋。有時(shí)不僅在熱處理過(guò)程中發(fā)生，也可能在焊接后再次高溫加熱的使用過(guò)程中發(fā)生。為防止產(chǎn)生再熱裂紋，主要是選取對(duì)再熱裂紋不敏感的材料，選擇強(qiáng)度較低的焊接材料，提高預(yù)熱溫度和焊接線能量，以及盡量減少焊接接頭的殘余應(yīng)力。［4］

但通過(guò)合理選取焊接材料，控制焊接過(guò)程，保證焊接質(zhì)量，可以減少冷裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生，減少焊接對(duì)高強(qiáng)度鋼性能的影響。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)4 500 m3耙吸挖泥船的高強(qiáng)度鋼和普通鋼在本船上使用的比較，可獲得以下結(jié)論：

（1）使用高強(qiáng)度鋼對(duì)泥艙局部強(qiáng)度有利。

（2）使用高強(qiáng)度鋼對(duì)泥艙甲板屈服和屈曲強(qiáng)度大有好處；由于挖泥船本身剛度很大，即使泥艙段全部使用高強(qiáng)度鋼，其剛度也能滿足規(guī)范要求。

（3）沿船長(zhǎng)方向：船體兩端船體梁彎曲應(yīng)力降低，首尾是機(jī)器處所，剛度是考慮關(guān)鍵，所以船舯0.4L范圍內(nèi)采用高強(qiáng)度鋼，在0.4L范圍外逐漸過(guò)渡為普通鋼；沿型深方向：中和軸附近彎曲應(yīng)力最小，但是遠(yuǎn)離中和軸處（特別是泥艙板）彎曲應(yīng)力達(dá)到極值，所以主甲板到泥艙甲板采用高強(qiáng)度鋼。

（4）使用高強(qiáng)度鋼，結(jié)構(gòu)質(zhì)量可以減少7.5%，對(duì)船舶造價(jià)影響不大，但艙容可以增加3%，長(zhǎng)期作業(yè)效益較為可觀。

（5）從疲勞強(qiáng)度來(lái)看，在選擇適當(dāng)焊劑保證焊接過(guò)程規(guī)范的情況下，高強(qiáng)度鋼對(duì)挖泥船的低周疲勞有益無(wú)害。