樓俊浩，周 洋

(上海船廠船舶有限公司，上海 200082)

系列工藝孔的開設(shè)與結(jié)構(gòu)變形

樓俊浩，周 洋

(上海船廠船舶有限公司，上海 200082)

在船舶的改裝項(xiàng)目中，特別是涉及到鋼結(jié)構(gòu)改裝的項(xiàng)目，作業(yè)人員經(jīng)常性的遇到工藝孔的開設(shè)和結(jié)構(gòu)的變形方面的問題，而且工藝孔的開設(shè)很容易引起結(jié)構(gòu)的變形，這就需要工程技術(shù)人員在工程推進(jìn)中特別注意變形控制。文章就工藝孔系列開設(shè)時(shí)與結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行關(guān)聯(lián)討論，由變形控制要求引申出工藝孔開設(shè)注意事項(xiàng)，以及開設(shè)此類工藝孔時(shí)適用的原則。

船舶改裝;工藝孔;結(jié)構(gòu)變形

船舶在修理、改裝過程中工藝孔的開設(shè)對(duì)于修理工作的開展相當(dāng)有利，但在完整船體或結(jié)構(gòu)部位開設(shè)工藝孔勢(shì)必造成結(jié)構(gòu)的局部 (臨時(shí)的)破壞，對(duì)該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所消減，結(jié)構(gòu)存在變形的可能性，特別是船舶的大型改裝工程，經(jīng)常性的開設(shè)大量的大開口、大尺度工藝孔，對(duì)船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很大，結(jié)構(gòu)變形控制顯得相當(dāng)?shù)闹匾途o迫。本文就船舶大型改裝項(xiàng)目中，系列工藝孔的開設(shè)、產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形、變形控制等展開探討，以期獲得船舶改裝工程中對(duì)于開設(shè)工藝孔方面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形應(yīng)加以注意的要素。

1 工藝孔開設(shè)的分類

1.1 常規(guī)小工藝孔的開設(shè)

因修理需要經(jīng)常性的開設(shè)常規(guī)工藝孔 (對(duì)于局部結(jié)構(gòu)而言尺度范圍較小的工藝孔)，其破壞結(jié)構(gòu)的程度很小，在強(qiáng)度損失方面可以忽略不計(jì)。例如開設(shè)在縱骨間距之內(nèi)，長(zhǎng)度不超過肋距;或在肋距之內(nèi)，高度不超過縱桁間距;或在垂向扶強(qiáng)材之間，高度不超過2層平臺(tái)間距等。

1.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)部大量改建需要開設(shè)的大尺度工藝孔

船舶改裝需要在甲板、旁板或內(nèi)底板等區(qū)域開設(shè)大尺度的工藝孔，方便材料的進(jìn)入或板架、分段的進(jìn)入。受新制分段的尺度入場(chǎng)要求，工藝孔的尺度必須足夠大，此時(shí)無法避免局部構(gòu)件被臨時(shí)破壞。但需要注意在開設(shè)工藝孔之前應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，在必須開設(shè)工藝孔的位置，計(jì)算結(jié)構(gòu)破壞后強(qiáng)度的消減及對(duì)該區(qū)域船體的變形影響，找出原結(jié)構(gòu)力傳遞中斷的臨時(shí)替代方案或臨時(shí)保持措施。必須維持的原則是:原有結(jié)構(gòu)力的傳遞必須得到有效的替代，以確保在工藝孔開設(shè)期間局部強(qiáng)度得到保證，結(jié)構(gòu)變形處于受控狀態(tài)。特別是在大開口橫向工藝孔的開設(shè)中務(wù)必注意橫向強(qiáng)力臨時(shí)扶強(qiáng)材的設(shè)置，不主張對(duì)縱向構(gòu)件破壞數(shù)量過多。

1.3 船體改建需要系列開設(shè)的工藝孔

在大型改裝工程中，各艙室類似位置工藝孔的開設(shè)成為一個(gè)系列是常有的事情，特別是船舶雙底、雙殼的改裝。雙殼改裝中內(nèi)壁呈縱向連續(xù)，需要由甲板開設(shè)系列縱向長(zhǎng)工藝孔以便板架分段吊裝入內(nèi)或由貨艙吊裝板架分段到位。在主甲板區(qū)域沿船長(zhǎng)方向連續(xù)開設(shè)工藝孔，或在橫艙壁與縱向內(nèi)壁連接處同位置開設(shè)類似工藝孔。在雙底改裝中內(nèi)底板同樣是縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)型式，需要穿越橫向艙壁，在橫艙壁與內(nèi)底板交接處同樣開設(shè)同位置類似工藝孔。上述工藝孔的開設(shè)基本是系列化的，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的破壞呈系列類似狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的消減有相同的機(jī)理，而帶來的結(jié)構(gòu)變形控制難度加大，若變形產(chǎn)生的后果更加嚴(yán)重，將造成主尺度的變化，進(jìn)而影響質(zhì)量控制、船檢驗(yàn)收、船東認(rèn)可等。

圖1 甲板 (內(nèi)壁)工藝孔位置圖

2 系列工藝孔的開設(shè)與船體結(jié)構(gòu)變形

1)需要特別注意船體橫剖面模數(shù)的損失不得大于10%，極限不得超過20%。根據(jù)某船舶研究設(shè)計(jì)院對(duì)某船廠改裝的VLCC貨艙區(qū)域有限元模型計(jì)算結(jié)果得知:當(dāng)橫剖面模數(shù)損失大于20%后，結(jié)構(gòu)將處于不穩(wěn)定狀態(tài)和不可控狀態(tài)。所以在橫艙壁上開設(shè)工藝孔需相當(dāng)謹(jǐn)慎，特別是船體內(nèi)部插入新增結(jié)構(gòu)分段，需要在橫艙壁上開設(shè)系列工藝孔。

2)甲板區(qū)域縱向系列工藝孔的開設(shè) (圖1)，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度產(chǎn)生兩個(gè)影響:橫向傳遞的力持續(xù)被破壞;縱向構(gòu)件連續(xù)性缺失，縱向強(qiáng)度受損。

通常而言，外旁板向內(nèi)主甲板上同一縱向基線上工藝孔同時(shí)開設(shè)累計(jì)不得超過三分之一的船長(zhǎng)，同時(shí)連續(xù)開設(shè)不得超過一個(gè)貨艙長(zhǎng)度。甲板上縱向工藝孔的開設(shè)必定破壞橫向構(gòu)件，或艙壁、或肋骨、或框架肋板。橫向構(gòu)件被割斷，使外旁板局部處于懸垂?fàn)顟B(tài)，偶有外力影響，很容易失穩(wěn)?？v向構(gòu)件割斷越多，外旁板越會(huì)失穩(wěn)變形，受潮流和波浪及船舶固有結(jié)構(gòu)力影響，產(chǎn)生向內(nèi)或向外的變形，嚴(yán)重的連續(xù)變形會(huì)導(dǎo)致船體整體的翹曲。

根據(jù)OBO系列改裝船的經(jīng)驗(yàn)，在船的中部3#～5#艙范圍內(nèi)較容易產(chǎn)生變形。原因在于船中0.3L(L為船長(zhǎng))內(nèi)，無論船處于中拱還是中垂?fàn)顟B(tài)，應(yīng)力都較為集中。剛割開時(shí)船體結(jié)構(gòu)處于暫時(shí)的平衡，沒有顯現(xiàn)出變形，如果不采取措施，時(shí)間一長(zhǎng)，船體稍微受外力 (潮水漲落、外檔靠船等)影響就會(huì)產(chǎn)生變形，且會(huì)變形積累。要求后續(xù)工作的速度要快，一是及時(shí)補(bǔ)齊橫向構(gòu)件，二是在明顯的變形產(chǎn)生前完成分段的搭載和焊接，使得橫向力的傳遞不至于大面積中斷。

由于板架分段的尺度不會(huì)很小，縱向工藝孔的開設(shè)往往會(huì)割斷1根或數(shù)根縱骨，原有縱向力的傳遞在工藝孔區(qū)域間斷，橫剖面模數(shù)減小，總縱強(qiáng)度受損。在船舶改裝過程中，雖然是靜水空載 (或輕載)浮態(tài)，但受綜合力的影響，存在船體總縱彎曲，使得主甲板永遠(yuǎn)受力，工藝孔周圍的構(gòu)件就有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。一旦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)自然就會(huì)變形。只是變形速度較慢，需要在改裝時(shí)間內(nèi)將變形量控制在可接受范圍內(nèi) (主尺度的千分之二)。工藝孔開設(shè)后，采取必要的臨時(shí)扶強(qiáng)，3星期左右完成封閉較為妥當(dāng)。否則嚴(yán)重情況下，會(huì)使甲板翹曲、橫艙壁凸肚。

3)貨艙橫艙壁區(qū)域系列工藝孔的開設(shè) (圖2)，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響最大的是局部結(jié)構(gòu)力失效，浮態(tài)空載船體固有總縱彎曲力作用下中拱，結(jié)構(gòu)變形，部分材料塑性變形，船體主尺度被改變。

圖2 橫艙壁工藝孔位置圖

當(dāng)然，船體主尺度發(fā)生改變是極端情況，除非結(jié)構(gòu)變形處于失控狀態(tài)。但仍需特別注意貨艙橫艙壁與內(nèi)底板交接處工藝孔的開設(shè)，為了使內(nèi)底板板架能穿越橫艙壁，必須開設(shè)工藝孔，而且需要所有艙室橫艙壁的貫穿，同時(shí)割開橫艙壁是非常危險(xiǎn)的舉動(dòng)。從船體重力方向橫艙壁力的傳遞過程來看，整個(gè)甲板、艙口、橫艙壁的力集中傳遞到內(nèi)底板，再由內(nèi)底板分散到內(nèi)底縱骨，再向肋板、外底板、旁板等傳遞。在橫艙壁與內(nèi)底板的交接是相當(dāng)重要的關(guān)節(jié)點(diǎn)，它是力集中與分散的樞紐，并且橫艙壁與內(nèi)底板成T型強(qiáng)力結(jié)構(gòu)，保證了力的有效傳遞。若此處結(jié)構(gòu)失效，勢(shì)必導(dǎo)致船體由上傳遞下來的力與由下傳上來的力中斷，無法很好的銜接與傳遞，從而產(chǎn)生上部構(gòu)架塌陷的趨勢(shì)。比較極端的表現(xiàn)是，中間甲板內(nèi)陷，旁板外鼓，主甲板受拉變形，型寬變化、總長(zhǎng)變化，艙室尺度變化，艙口圍變形，艙蓋無法匹配等。

所以，必須限制同時(shí)對(duì)貨艙橫艙壁的下部開設(shè)工藝孔。同一艙室的前后橫艙壁禁止同時(shí)開工藝孔，且同一橫艙壁開設(shè)工藝孔時(shí)，尺度極限不得大于半個(gè)艙寬，最好控制在三分之一貨艙寬度范圍內(nèi)。采取先后開設(shè)的工藝次序，保證有一半的橫艙壁結(jié)構(gòu)完整。

3 系列工藝孔開設(shè)的原則

1)方便作業(yè)原則。系列工藝孔的開設(shè)目的是為了工作的需要，板架、分段的安裝需要具備良好的吊裝路線和空間。在板架裝焊過程中，工藝孔的開設(shè)應(yīng)當(dāng)密切配合工程的進(jìn)度。需要時(shí)及時(shí)開設(shè)，結(jié)構(gòu)改裝到位后及時(shí)封閉。

2)強(qiáng)度保證原則。所有系列工藝孔的開設(shè)必須以強(qiáng)度保證為基礎(chǔ)，若有強(qiáng)力結(jié)構(gòu)破壞的必須要求設(shè)立臨時(shí)扶強(qiáng)材。工藝孔的設(shè)定，在方便作業(yè)的基礎(chǔ)上，盡可能的減少對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞。需要考慮2種情況:一是區(qū)分主要的力和次要的力;另一種是用替換力。前者是沿力的主要方向切割，開設(shè)工藝孔，防止主要力的集中，導(dǎo)致變形的產(chǎn)生，而忽視次要力的影響，或者不考慮次要力的影響。后者是臨時(shí)扶強(qiáng)材的運(yùn)用，將短時(shí)間內(nèi)中斷的力臨時(shí)得到延續(xù)，在改造完成時(shí)再恢復(fù)正常的力的傳遞。

3)間斷開設(shè)原則。系列工藝孔的開設(shè)不得連續(xù)進(jìn)行，必須是“跳幫”間斷開割，在完成一批作業(yè)后必須進(jìn)行工藝孔封閉焊接后方能進(jìn)入下一批的工藝孔開設(shè)。無論是甲板區(qū)域的系列工藝孔，還是橫艙壁區(qū)域的系列工藝孔，都禁止同時(shí)開設(shè)，限制連續(xù)開割。一個(gè)艙室區(qū)域內(nèi)的工藝孔開設(shè)后必須保證一半以上結(jié)構(gòu)的完整性。

4)尺度控制原則。在大型改裝過程中必須有船體撓度的定期測(cè)量監(jiān)控 (圖3)。系列工藝孔開設(shè)前，測(cè)量出船體在縱向、橫向和垂直方向的狀態(tài)，并做記錄。在改裝工程中定期望光測(cè)量，一般以1周到半個(gè)月為一個(gè)記錄周期。工藝孔開設(shè)過程中，一般依照先主要構(gòu)件，然后次要構(gòu)件的次序。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生變形的構(gòu)件，必須立即采取措施，防止變形的擴(kuò)大和繼續(xù)。分析數(shù)據(jù)區(qū)分局部變形，還是整體變形。如果是整體變形，必須立即停止所有的切割、開口動(dòng)作，分析變形的源頭，在采取了有效措施后方能恢復(fù)施工。

圖3 尺度控制示意圖

在改裝過程中若發(fā)現(xiàn)船體局部尺度有偏移的，必須在周圍區(qū)域停止切割，并采取局部開刀、千斤頂推拉方式修正構(gòu)件或板材的變形，在板材和構(gòu)件焊接完成85%以上工作量后，方能進(jìn)入下一個(gè)作業(yè)程序。若產(chǎn)生的變形是整體的，務(wù)必停止全船區(qū)域的切割焊接作業(yè)，核查變形來源，采取補(bǔ)救措施后方能恢復(fù)施工。通常確認(rèn)外板和主甲板的尺度變形量，在修正了足夠的變形量后，加裝與舊有構(gòu)件(骨材、肋骨、肋板等)同尺度的臨時(shí)扶強(qiáng)材。再次核查船體尺度參數(shù)，確認(rèn)在允許范圍之內(nèi)后方能進(jìn)行后續(xù)步驟。工藝孔開設(shè)完成后，應(yīng)當(dāng)對(duì)整體進(jìn)行切割剖口檢查和尺度數(shù)據(jù)測(cè)量記錄。最后測(cè)量要求船體扭曲不得超過20 mm，極限不大于50 mm。相同吃水狀態(tài)下，船體變形量不得大于20 mm，極限不得大于50 mm。

4 結(jié)束語

船舶大型改裝過程中，工藝孔的開設(shè)無法避免，系列的工藝孔也是經(jīng)常需要，開設(shè)工藝孔是為了改裝工作的順利進(jìn)行與完成，若是由于工藝孔的開設(shè)導(dǎo)致了大量變形的產(chǎn)生，使得結(jié)構(gòu)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則無法有效達(dá)到船舶改裝的目標(biāo)。因此，各船企在承接改裝項(xiàng)目時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的評(píng)估;在改裝過程中對(duì)變形投入足夠的關(guān)注度，使得工藝孔的開設(shè)真正為工程的順利推進(jìn)“開通道路”。

Many technology holes will be opened during the steel structure modification projects going on，with some existing problems on structure deformation，to which engineers and technicians should pay special attention for control.This article discusses the techniques on the concerned principles and matters to control such deformation in opening technology holes.

ship modification;technology hole;structure deformation

U673

C

1001－8328(2012)01－0022－03

樓俊浩 (1958-)，男，浙江寧波人，工程師，大學(xué)?？?，主要從事修船工作。

2011－09