（船舶与海洋工程专业论文）老龄普通货船安全运营船体结构风险评估和安全保障技术.pdf

y1 0 0 8 i 1 3 上超耋蔓盍堂亟土堂焦逾塞耋监萱通货监窒全营运墅住绪掏凰险盆圭丘独塞全堡瞳煎丕 摘要 近年来，我国对外贸易增长迅速，中国已经成为世界上举足轻重的制造业基地， 制造业出口占总出1 3 量的9 1 以上，其中大量的货物需要通过海运实现。海运量的迅 速增长给国内航运企业带来千载难逢的发展机会，然而由于我国仍然属于发展中国 家，与发达的航运大国相比，经济实力存在较大的差距。因此目前有很多航运企业通 过购买二手船以达到迅速占领市场扩大市场份额的目的，这些二手船中大部分属于船 龄大于1 5 年的老龄船舶。 然而随着船舶船龄的增加，船舶结构趋于老化、设备维护保养困难、公司在维护保养 方面投入的资金不足、管理方面缺乏足够的经验和风险控制技术，船龄大于1 5 年的 老龄船舶在p s c 检查中发现的缺陷明显增加，老龄船所具有的风险已经严重影响了航 行安全和海洋环境的保护。 因此，研究和探索老龄船舶特有的风险并提升相应的安全保障技术已经迫在眉 睫。目前，各航运企业多是凭借机务管理人员的经验、船级社的检验控制和船舶修理 维护方面的专家建议实施老龄普通货船的技术评估和日常管理，管理覆盖面容易疏 漏，具有很大的主观笼统评估，有些甚至是错误的。在此同时大量航运企业为了投入 产出比的最大化，船舶的1 3 常维护保养的重点偏重于维持性使用，缺乏对老龄船舶 特有风险充分的认识，对我国的海运安全造成了巨大的压力。 本文通过对船体材料时效特性、腐蚀特性分析，针对老龄普通货船在总纵强度评 估、局部强度方面存在问题的分析讨论，结合船体结构在腐蚀以后其疲劳强度、构件 稳定性以及残余变形应力的分析研究，并综合考虑了船舶运营中其它重要风险因素的 分析，探讨船舶结构性风险出现的概率、影响以及可能的后果。在风险因素分析的基 础上，通过对缺陷检查、判定和处理的讨论，提出了具体的解决方案一通过采取结构 检查有效性评估和船舶修理企业质量控制体系的有效性评估以及缺陷处理有效性评 估，提出具体的安全保障措旌。 关键词结构，风险，保障 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h eg l o b a ls h i p p i n gm a r k e li s i n f u b l o s s o m n om a t t e rt h ei i n e r s h i p p i n g ，b u l kc a r r i e r , o rt h ec r u d eo i lt r a n s p o r t a t i o ni si nas o u n dd e v e l o p i n gp e r i o d i nt h ep a s tf e wy e a r s s h i p p i n gi n d u s t r yd e v e l o p e dr a p i d l yi nc h i n a w l i ht h em o r e a n dm o r ef i e r c ec o m p e t i t i o nj ni n t e r n a t i o n a l s h i p p i n gm a r k e t m a n ys h i p p i n g c o m p a n i e sa r ec o n f r o n t i n gl h ec r u c i a lc h a l l e n g ea n di i r e - a n d - d e a t hp r e s s u r e s e c o n d h a n dv e s s e | st h ef i r s tc h o i c e a n dm o s ti so f15y e a ro l do ra b o v e a sc h e v e s s e ia g e d s h i p ss t r u c t u r ef a i l u r ea n dd i f f i c u l tt om a c h i n e r yi n c r e a s e d ，t h e d e f i c i e n c i e ss e to u ti np s ci n s p e c t i o nr a i s e da sw e l l 1 h er i s kf o rt h ea g e dv e s s e | i s h a r m f ujl ot h ee n v i r o n m e n la n ds a f e s a i l i n g s oa n a l y s i st ot h er i s ko ft h ea g e dv e s s e lw a sa p p r o a c h e dl ot h ed e a d l i n e c u r r e n t l y , t h e r i s k a n a l y s i s w o r km o s t l yb a s e do nt h e e x p e r i e n c e o ft h e s u p e r i n t e n d e n l s ，t h es o c i e t y ss u r v e y o r so rt h es h i p y a r d ss p e c i a l i s t ，w h i c hn e e d e d t oc o p ew i t ho v e r c a u t i o u s t h ep a p e rc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e rf u i l ye x p o u n d sl h es h i p s a c c i d e n t s t h es e c o n dc h a p t e rc a r r i e so u tv a r i o u sa n a l y s i so fs t e e l t h et h i r d c h a p t e ra n a l y s i st h el o n g i t u d i n a ls t r e n g t ha n dl o c a js t r e n g t h t h ef o u r t hc h a p t e r p r o v i d e st h eo t h e rf a c t o r st h a ti n f i u e n c et h es a f e - s a i l i n go fl h es h i p s t h ef 附h d i s c u s s e st h ed e f i c i e n c i e si n s p e c t i o na n di u d g e m e n t a n dt h es i x t hp u tf o r w a r dt h e t e c h n i c a im e t h o d sf o rs a f eg u a r a n t e et ot h ea g e dv e s s e l k e y w o r d s ：s t r u c t u r e ，v e n t u r e ，i n d e m n i f y z h e n gg a o z h o n g ( s h j pa n do c e a ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yc a ic u n q i a n q 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 e t 期： 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解 密后遵守此规定。p 作者签名： 、 7 土攫基要态堂亟堂焦i 佥塞耋盟蟹垣煎监塞全置运监佳绪翅匝隍盆圭丘独塞垒堡睦基盔 第一章绪论 1 1 问题的提出 近年来，我国对外贸易增长迅速，中国已经成为世界上举足轻重的制造业基地， 制造业出口占总出口量的9 1 以上，其中大量的制成品需要通过海运实现，同时国 内经济持续高速的增长也促使国内海运贸易量以及进口货物量的大幅度增长，这其 中除石油产品以外，绝大部分为散杂货物，需要通过普通货船完成运输任务。海运 量的迅速增长给国内航运企业带来千载难逢的发展机会，然而由于我国仍然属于发 展中国家，与发达的航运大国相比，经济实力存在较大的差距。因此目前有很多航 运企业通过购买二手船以以达到迅速占领市场扩大市场份额的目的，这些二手船中 大部分属于船龄大于1 5 年的老龄船舶。 然而随着船舶船龄的增加，船舶结构趋于老化、设备维护保养困难、公司在维 护保养方面投入的资金不足、管理方面缺乏足够的经验和技术，船龄大于1 5 年的 老龄船舶在p s c 检查中发现的缺陷明显增加，老龄船所具有的风险已经严重影响了 航行安全和海洋环境的保护。这从p a r i sm o u2 0 0 4 年度p s c 检查缺陷情况汇总可 以清晰地看出： 表1 1 缺陷分类比较 总缺陷数1 5 年以上船 1 5 年以 舶所占缺陷数 上与5 年以下 船舶缺陷比例 安全( 救3 0 2 6 7 2 4 4 0 92 1 倍 生、消防、总体 安全和航行安 全) 海洋环境 3 7 1 43 3 1 61 6 倍 工作和居 7 6 0 7 5 9 1 43 4 倍 住环境 船员证书 3 1 2 7 2 4 1 11 2 倍 操作 2 9 7 l1 9 4 81 8 倍 管理2 7 9 4 2 1 9 91 8 倍 表1 2 缺陷涉及船型比较 土显整蔓盔堂亟堂焦迨塞耋敛萱垣焦篮窒全萱运丝住结翅凰建佥蜇塑塞垒堡隆撞垄 缺陷数与5 年以下同类船型比 较 1 5 年以上干杂货船 1 1 0 93 6 倍 1 5 年以上散货船 5 2 62 4 倍 1 5 年以上其它货船接近于1 自a n n u a lr e p o r t2 0 0 4 ( p 枷sm o u ) 因此，研究和探索老龄船舶特有的风险并提升相应的安全保障技术已经追在眉 睫。目前，各航运企业多是凭借机务管理人员的经验、船级社的检验控制和船舶修 理维护方面的专家建议实施老龄普通货船的技术评估和日常管理，管理覆盖面容易 疏漏，具有很大的主观笼统评估，有些甚至是错误的。在此同时大量航运企业为了 投入产出比的最大化，船舶的日常维护保养的重点偏重于维持性使用，缺乏对老龄 船舶特有风险充分的认识，对我国的海运安全造成了巨大的压力。 因此通过对老龄普通货船运营过程中结构安全方面存在的特有风险进行分析 和评估，提出合理有效的安全保障措施确保老龄船舶营运安全，形成一套行之有效 的指导性文件，指导老龄货船安全运营和日常维护保养工作，促进和提高船公司对 老龄船舶的管理水平，监督船员进行细致有效的船舶日常检查工作，同时为主管机 关、检验机构以及保险商等相关机构提供一些有益的参考，是十分必要的。 1 2 研究背景及现状 1 2 1 研究背景 船舶安全运营一直困扰着海事界，如何在经济性、可靠性和安全性中间选择一 个合理的平衡点是广大学者孜孜以求的梦想。经济的发展需要初始的积累，选择购 买二手船一直是海运企业扩展船队、扩大市场份额的捷径。如何确保安全，目前已 成为社会各界关注的重点，媒体的关注、大众的呼声和各国政府的压力，将海洋安 全推向了风头浪尖。 随着海运业的蓬勃发展，船舶更趋向于大型化，一旦出险，其财产损失、人身 伤亡以及不可避免的环境损害都是不可估量的。 我国正处在发展阶段，大量购入的二手船一直是我国海洋安全的潜在隐患。如 何在老龄船的安全控制方面取得突破是我国海事界面临的重大难题。 土整签要态堂亟堂僮论塞耋彀萱通货丝塞全萱垂避佳结掬甩隍筮盔丘塑塞全堡瞳基苤 1 2 2 国内研究现状 目前国内海事界已普遍认识到老龄普通货船存在的风险，交通部2 号令也出台 了专门的关于对老旧运输船舶执行特别检验的通知，规定国内航行的老龄船舶 需要每年进行特别定期检验，进一步规范老龄船舶的法定检验要求。针对国内船舶 事故居高不下的情况，交通部还专门出台了关于进一步做好低质量船舶专项治理 工作的通知，着重强调对风险程度高的沙滩造船和老龄船舶的检验控制。但是由 于技术水平方面的限制，国内对于老龄船舶的风险评估和分析尚处于起步阶段，通 知只是提出特别定期检验的范围，并没有明确老龄船舶特别定期检验的详细技术要 求，且都是只从检验控制的角度出发，实际上船舶的实际控制人一也即航运企业并 没有从根本上引起对老龄船舶特有风险的认识并相应地采取必要的措施。另外，国 内关于老龄船舶检验要求中规定的老旧船舶船龄与国际上通行定义的老龄船舶船 龄存在一定的差距，根据l r 提供的研究资料表明，从船舶事故发生率来讲，1 5 2 0 年之间船龄的船舶失事所占的比例最大。 国内航行船舶安全管理体系的认可将船舶的安全管理提高到了一个新的平台， 但目前仅局限于液货船、散货船、滚装船和客船等一些高风险类别的船舶。 随着国内对海洋环境保护重视程度的提高，海事部门会加大对老龄货船的监管 力度，作为船公司需要顺应时代发展，及时提高对老龄船舶的管理水平。 1 2 3 国外研究现状 风险评估和分析就目前来说还是一个新兴的学科，企业管理和信息安全方面的 风险研究资料很多，研究成果已经在很多大型企业得到了广泛的应用。目前，欧洲 参与s a f e d o r ( 安全的设计、营运和规则) 研究项目的国家认为目前传统型标准 没有基于海运业总体可以接受的水平，仍然处于“在黑暗中摸索阶段”，需要进行 彻底的改革，确定1 0 0 的总体可接受风险水平。基于风险的方法能够更易于与其 它行业的比较，用失效概率处理可接受的风险衡准并进一步考虑失效的后果。但是 如何确定可以接受的风险水平是研究中遇到的重大难题。 8 0 - 9 0 年代大量散货船灭失以及近年来部分严重溢油事故导致海洋环境灾难性 后果使得各国政府和公众对海洋环境的关注，国外各研究机构对船舶的风险评估和 分析研究目前主要集中在液货船和散货船。各大石油公司为了应对可能的海洋环境 污染加大了检查力度并形成了一套比较成熟的检查和管理机制，要求船方提供自检 报告接受o c i m f 的各项安全检查并要求船公司进行船体结构的c a p 检验。同时各 圭墨堑矍盍堂亟圭堂僮途塞耋数黄适货筮塞全萱运龃焦绮技函睑盆扭塑窒垒堡隆基盔 港口国主管机关相继出台了防止油类污染的各项法规，对油类污染的索赔以及惩罚 性罚款的额度大幅度增加，国际公约方面也出台了现有单壳油轮的强制c a s 检验 和报废制度，各研究机构对防止油类污染的风险评估和分析正方兴未艾，一些研究 成果正在相关领域得到了应用。而散货船结构方面特有的弱点正是其灭失率较高的 根本性原因，i m o 和i a c s 成员船级社为了应对这一点，在散货船的结构设计方面 作了大量的研究工作，进而提出了大量的改进措施并形成了s o l a s 公约的强制条 款，加强检验计划( e s p ) 和强制船舶状况评估( c e r ) 的实施、货舱进水探测系 统的增加、货舱肋骨重新评估和加强、舱口盖的重新评估和加强等措施的相继出台， 将散货船的事故率降低到了一个新的水平，取得了海事界的一致好评。2 0 0 5 年i a c s 关于散货船和液货船统一规范的出台，统一了全球绝大部分船舶的设计建造和检验 标准。 然而由于上述研究都是针对于新船或如新的船舶而言，其采用的规范标准都对 应于新造船舶，对营运中船舶并未制定出行之有效的技术标准和评价体系。 1 3 研究目的和主要内容 1 3 1 风险评估分析 风险详细评估和分析主要包括弱点分析、现有安全措施的分析、综合风险分析 并进一步对风险进行量化和分析，确定安全措施的选择、安全策略的改进和分析， 设计安全解决方案。风险分析主要采用p 2 d r 模型 1 ，p 2 d r 模型包含四个主要部 分：p o l i c y ( 安全策略) 、p r o t e c t i o n ( 防护) 、d e t e c t i o n ( 检测) 和r e s p o n s e ( 响应) 。 防护、检测和响应组成了一个所谓的“完整的、动态”的安全循环，在安全策略的整 体指导下保证系统的安全。 图1 1p 2 d r 模型 通过针对老龄货船自身的特点的分析，制定合理有效的船舶检查保养重点以及 相应的标准，提高航运企业的风险意识、风险识别和风险评估能力，使得航运企业 4 龌攫蔓鑫堂亟主堂焦：i 金塞耋监萱通货监塞全萱运蹬佳缱控凰隍盆扭塑塞垒握隍筮苤 在合理的费用效益比的前提下，提升老龄船舶安全运营的可靠性，完善船舶的“应 急响应机制”。 1 3 2 提高老龄货船的维护管理水平，控制船舶维护保养费用。 结合老龄普通货船自身的特点，通过缺陷损害类型模块进行定性分析，列明老 龄船舶结构维护保养、管理和控制人为因素等方面存在的风险，结合对现有老龄船 舶检查和管理安全措施分析，提出安全策略和安全措施方案。 结构失效分析主要包括船舶结构特性分析、结构材料的时效特性分析、结构腐 蚀程度和速率、结构应力失效特性以及结构疲劳特性分析，提出船体结构缺陷损害 类型，合理有效地进行船体结构直观的检查和判断分析。 通过分析，推断关键的损害类型，应对涉及潜在损害后果的各种损害类型进行 研究，从中得出损害类型的等级表。采用不同的故障分析方法开发评估方法，进而 避免笼统的主观评估又可以实现评估工作的客观化和具体化。发生损害时，重要的 是区别损害发生的频繁性和后果的严重性。这里选择方法的核心是风险优先数 ( r p z ) 的推算，r p z 考虑了上述作用方向一个损害的各种不同严重性。对于每种 研究的损害类型而言，r p z 是综合考虑三个因素得出的： r p z = s + h 4 e s 为后果的严重度，指的是在整个系统层面上他们的后果方面的损害类型的意 义； h 为故障发生的频繁度，指的是在整个的损害发生中该损害类型所占的百分 比： e 为可识别性，是指在后果可避免方面类型损害早期识别的可能性。 如果某一种缺陷导致的损害结果涉及到船舶生存的强烈作用，此时需要牺牲通 过评估得出的算术平均值。 关于缺陷损害后果类别对损害发生的频繁性h 、可识别性e 和严重性s 是通过 收集各国p s c 检查资料统计、近年来船舶海洋事故统计分析资料、船级社以及船舶 建造和修理方面和航运企业的专家从不同角度的分析判断得出的。 通过风险评估，阐明老龄货船维护保养管理中应当重视的问题，在船舶正常修 理和日常维护工作中有的放矢地编制维护计划，控制节约维修资金的使用，达到最 佳的费用效益比。 土壅篷蔓盘堂殛堂焦逾毫耋监萱通篡丝塞全萱垂篮链结控凰险岔圭丘塑塞全拯睦基垄 1 3 3 为今后船舶检查提供指导作用 通过模块风险分析，确定影响老龄普通货船安全运营的主要因素，平衡费用 效益比和可靠性进而制定和选择安全保障措施并改进老龄船舶安全运营的安全策 略。对航运企业组织的或船员自身对船舶的检查做到较强的针对性。 1 3 4 为完善和发展船舶应急响应系统提供参考 船舶应急响应系统是目前i a c s 各成员船级社投入大力气研究的课题，主要是 为了在船舶发生事故、被港口国检查滞留等情况下确保船舶安全，减少对航运企业、 海上人命安全和海洋环境保护方面的危害程度。通过老龄普通货船的风险评估和分 析，客观地确定影响老龄船舶安全性、经济性、人员保护和环境安全的关键性风险 因素，更好地为完善“船舶应急响应系统”( s e r s ) 。 土星鸯矍态堂亟堂焦途塞 耋监萱垣冀篮塞全萱运超佳结捡凰隍垃圭匠塑塞全握瞳基盔 第二章船舶事故统计分析 根据r d kp i 提供的统计资料，基于船舶本身原因而灭失主要有三个因素一结 构失效、机械故障和设备故障。由于海事界在结构失效控制和机械设备故障控制方 面的重大革新，9 0 年代以后，船舶灭失的趋势得到了很大程度的改善，然而所造成 的财产损失、海洋环境污染以及人员伤亡仍然不可低估。从船舶类型来看，干散货 船占据了近5 0 ，而结构问题是干散货船灭失的重要因素之一。统计资料同时表明， 在结构失效因素中，船龄是引起我们注意的重要因素之一，船龄超过1 0 年的船舶 事故率有了很大上升，尤其是那些船龄达到或超过1 5 年的船舶( 具体请参见附图 2 1 和附图2 2 ) ，主要是由于舱口密性系统的损坏以及结构老化如疲劳、裂纹、过 度腐蚀和结构失稳等因素的综合结果。 从近年来美国船级社a b s 对英国、美国、加拿大和澳大利亚各类船舶事故统计 分析结果来看，影响船舶安全的风险因素主要包括以下几种： 目前状态评估出现偏差 风险识别和判断人员知识背景、技能水平不足 人为错误 人员疲劳 驾驶管理和舱内通信不够完善 程序瑕疵 管理层面配员不足 缺少了望 机械操作人为错误 机械设备故障 设计缺陷 非人为因素恶劣气候 结构失效 下面所附的图表是u kp & i 的船舶灭失统计数据，尽管在船舶灭失因素中有关 船龄问题还存在一些争论，然而不可否认的是统计数据表明当船龄处于1 5 “2 0 年时 其灭失率相对会升高，这主要是由于船舶处于可能的结构加速腐蚀、设备老化故障 率增加以及机械性磨损临近允许极限状态的必然结果。结构在腐蚀后其应力分布会 发生很大的变化，部分构件受力情况偏离设计时预定的工况，进而导致失稳、裂纹 等危险因素产生。港口国检查统计数据显示1 5 年及以上船龄的普通货船其缺陷发 土基龌蔓太堂亟堂焦监塞 耋监篮亟煞篮窒全萱垂趁佳结控匦隍垃圭匠塑塞全埕瞳撞苤 现率大大高于5 年以内船龄的船舶，这从另一个侧面也验证了这一点。当然，9 0 年 代初期部分新船( 即船龄处于o 1 4 年的船舶) 的灭失率也相对较高，这一方面是 由于建造时不合理的工艺或结构残余应力释放过程中不可预知的因素造成的，另一 方面是由于检验控制方面出现纰漏而导致的，9 0 年代后期，在加强了船舶建造工艺 以及对散货船实旌加强检验的控制以后，这种趋势得到了明显改善。 图2 1 灭失船舶船龄统计趋势( u kp & i 统计资料) 图2 2 灭失船舶船龄数据统计( u kp & i 统计资料) 星龌蔓丕堂亟土堂焦监塞耋监萱逼筮照塞全萱运魈住缝捡丛险筮褪塑塞全馒睦遮查 图2 3 设计舱口盖缺陷导致的灭失船舶数据统计( u k p i 统计资料) 土壅旌蔓盔堂亟堂僮途塞 耋数萱通冀丛塞全萱运匿佳绮捡匦险岔赶塑塞垒堡醒夔丕 第三章船体结构钢的时效特性和腐蚀特性 3 1 船体结构钢的时效特性 目前通用的一般船体结构钢为镇静钢，按照其化学成分和物理性能分为两大类 共1 0 个等级，主要包括一般强度船体结构钢和高强度船体结构钢。试验证明，一 般船体结构钢随着时间的推移，其屈服强度仃，和抗拉强度仃。均有较小程度的升高， 钢材的塑性和冲击韧性艿降低较大，经历长时间营运船体结构的切片试验结果表明 其占下降程度达到了2 6 ”4 6 。因此在设计和施工中一般不考虑船体结构钢强度的时 效特性，但必须关注其韧性降低导致的不良影响。而对于高强度钢( h t s ) ，应力分 布情况对结构细节的影响较之于一般强度船体结构钢更为严重，由于时效特性的影 响，高强度钢更易出现局部坑点状腐蚀和构件节点处的裂纹，必须关注其韧性降低 导致的不良影响。 钢材韧性的降低主要是因为随着时间的推移，船体结构钢中杂质硫s 存在偏析 的特性，造成钢材中局部含硫量的增加，严重时会在局部形成分层现象( 主要是 m n s ) 。局部硫含量的升高使得钢材的时效敏感性和冷脆敏感性增加，钢中正常的硫 含量并不引起裂纹，这一允许限额在中国船级社出版的焊接与材料规范中规定 为0 0 3 5 。如果钢材中硫含量偏高，则可能在晶界上形成低熔点的硫复合夹杂物( 共 晶或化合物) ，引起焊缝熔合线附近沿晶开裂的液化裂纹，甚至焊缝热裂纹，同时 高硫含量也会在焊缝上形成气孔。 老龄船舶建造时由于规范不同，部分结构包括船体外板采用沸腾钢( r o l l e d s t e e l ) 或半镇静钢( s e m i - k i l l e ds t e e l ) ，钢材含硫量接近或超过允许值的上限， 另外老龄船舶由于局部结构腐蚀也需要割换部分板材。焊接时，焊缝是在焊接应力 状态下，进行从液相到固相的结晶，焊缝组织又为铸造组织，从而杂质元素硫偏析 造成的危害更为严重，使得热化裂纹倾向加大，对焊接接头的力学性能有重大不利 影响。 这两种情况都必须认真考虑硫偏析造成的不良影响。营运经验表明，为数不少 的船体损伤和破坏是由于脆性断裂引起的。脆性断裂产生的原因通常是许多不利因 素结合在一起的结果，诸如不好的材料、较低的温度、不好的结构形式、不合适的 施工工艺、焊接引起的应力集中、动载荷的影响等。日本研究人员所作的统计分析 表明，所有已知的船体脆性断裂实际上都与采用非镇静钢或船级社标准的a 和b 级 钢有关，通常裂纹在冲击韧性在3 8 n m m m 2 的钢板上便会中止。发生裂纹损伤的绝 上婪堑蔓盔堂亟堂焦监塞 壹监萱道堂丛塞全萱垂墼住缝捡凰险盐扭塑塞全握睦挂垄 大部分事故发生在环境温度一l + 7 温度范围内出现的。因此老龄船舶修理过程中应 严格控制焊丝和焊条药皮中的硫含量，选择合适的焊接材料，制定合理的焊接工艺 和焊接规程，当环境温度低于o 时应进行适当的焊前预热和焊后保温。 3 2 船体结构钢的腐蚀特性“2 3 从热力学的角度出发，般钢材都处于热力学不稳定状态，具有自发产生腐蚀 的倾向。而船舶在营运过程中，船体结构钢还经受海洋大气腐蚀、海水腐蚀、海生 物腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀和摩擦磨损腐蚀，海水中含有大量的c l 一，c l - 对钢铁 的活化作用较强并阻止钢材表面钝化膜的形成，所以钢铁在海水中的阳极极化作用 较强，腐蚀速度相当大，腐蚀造成的危害也特别巨大。 船体结构钢的腐蚀可以是均匀的，这是一种危险性比较小的腐蚀，在设计中也 容易控制。全浸于海水中的碳钢在我国各海区的平均腐蚀速度为o 1 l m m 左右年。 飞溅区的腐蚀速率一般为全浸区的1 0 倍左右，这些数据的考虑已在中国船级社的 钢质海船建造及入级规范中得到了明确的体现。 然而在船舶实际运营过程中，更多的是发生不均匀腐蚀和局部腐蚀，大体分为： 斑状腐蚀、溃疡腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和选择性腐蚀。这些腐蚀波动较大，腐蚀 倾向随海水成分、不均匀的海生物附着、疏松或不均匀的腐蚀产物、非金属涂层局 部破损、氧化铁皮、海水污染的不同而变化。太平洋巴拿马运河的碳钢挂片实验表 明，头两年6 0 个最深蚀坑的平均腐蚀深度为1 3 5 r a m 年，是平均腐蚀速度的l o 倍。 不均匀腐蚀和局部腐蚀会破坏船舶密性和局部结构，日常检查中由于检验条件的限 制，不能做到及时发现，是一种危险性很大的隐患。为了方便分析起见，通过将局 部点腐蚀量进行平均进而考虑结构的有效承载能力，是目前常用的分析方法之一。 根据近年统计数据分析，我们可以得到如下的腐蚀进程示意图： ，、 ，一 耋 基 毒 重 稿毗i i i 矗。 ， 卜 u崔p h e i p h a s ei i i 图3 1 腐蚀进程示意图 在船舶营运的第一阶段，由于涂层状况良好，结构基本上无任何腐蚀。随着时 土基监要丕堂亟主堂焦逾塞耋数萱耋亘货龃塞全萱运照焦结塑凰隍盆杰匠塑塞全堡瞳基盔 问的增加，结构腐蚀进入第二阶段，腐蚀涂层保护能力减弱，结构的腐蚀速率呈指 数分布函数迅速增加。第三阶段，结构保护涂层完全损坏，结构腐蚀速率达到最大 值。根据a b s 对1 1 6 8 6 艘老龄船舶的测厚数据分析显示，第一阶段的时间约为 o 一1 0 5 4 1 1 4 9 4 年，第二阶段为1 0 5 4 1 1 4 9 4 年- 1 9 7 3 2 8 1 年。 根据a b s 的统计分析资料表明，船龄达到1 5 年之后，由于船体结构的腐蚀， 其甲板承载能力s m ( d e c k ) 迅速下降，腐蚀后相应的船体梁结构的换板量所占的百 分比呈线性增加，具体见下表： 图3 2 船体梁换板量与船龄曲线图 另外，电腐蚀的影响对于老龄船舶而言是不可忽略的重要因素。老龄船舶由于 各种原因如碰撞、磨损等原因需要安排水上或码头修理，直流电焊机的使用使得船 体结构产生阳极溶解，如不加注意，可能造成很大的外部杂散电流，导致严重的电 腐蚀并可能发生严重事故。电腐蚀的特点归纳起来有这么几点： 1 ) 腐蚀速度相当快，电腐蚀速度可以由法拉第定律确定( v = 1 1 4 i ) 。试验结 果表明，如漏出电流为l m a c m 2 ，一年以后腐蚀深度大约可达到l o m m 。 2 ) 腐蚀带有明显的局部性质，呈坑点状或局部穿孔，具有锐利的边缘和与涂 层破损相同的类型。 3 ) 腐蚀破坏往往产生在船体水下漆膜脱落的部位、漏涂漆部位、船体凸出部 位、船体焊缝加强高度部位以及漆膜特别薄的部位。 4 ) 由于外部电流往往很大，阴极保护无法阻止这种电腐蚀。 目前仍有部分船厂对停靠在码头上的船舶采用岸边单线供电法，船体与码头之 司仅依靠系船钢缆和上下船梯导电。一般情况下，钢缆与船体和码头接触不良，因 比船体一钢缆上下船梯一码头之间具有较大的电阻，直接导致焊接电流i 流经船 本一海水码头。根据法拉第定律，船岸接触越差，则船体电腐蚀速度越快。 另外，船舶航修时，如将焊机放置在修理船上，修理船和被修船之间不可避免 土龌瀣蔓盔堂亟堂焦丝塞 耋监萱通筮篮塞全萱运魈住绪抱凰险佥盘塑塞全握睦蕉盔 地会出现平衡电流，不合理的供电线路设置也可能使流经船体一海水一大地的电流 急剧增大，造成局部严重的电腐蚀。如果船舶安装了牺牲阳极保护系统，阳极将被 剧烈腐蚀。而在船舶的牺牲阳极保护系统失效的情况下，缺少涂层保护的船体结构 钢便不可避免地产生穿孔腐蚀，实际上船舶在进坞时由于坞墩的影响该处结构难以 得到涂层保护，这时产生的危害尤其严重。 实际工作中应当仔细检查焊接接地情况，并可以辅之以采用船体电位测量法进 行检查。一般船体水下部分允许通过的电流密度为o 1 m a m 2 ，在这种情况下，电腐 蚀导致的船体外部结构腐蚀的速度为0 1 m 年。 攫筮要盔堂亟堂焦垃塞耋签萱运货丝塞全萱运龃佳结掏匦隍盆圭匠塑塞全堡瞳拉盔 第四章老龄船舶船体结构强度风险因素 船舶结构设计理论将船体视为弹性支撑的薄壁梁结构，强度评估是结构设计的 出发点，对于任何结构而言，只有保证设计工况下结构任一点的受力小于材料的许 用应力，结构才是安全有效的。结构受力最大点决定结构的安全性和可靠性，这就 是我们熟知的“木筒理论”。 4 1 老龄船舶船体总体强度的标准评定 造船设计中，通常采用以损伤统计和船级社的营运经验分析作为强度准则依据 的基础。作为危险状态考虑的主要因素有船体形状畸变和完整性破坏。 形状畸变表现为残余变形，危险应力出现是与其最大的峰值应力相联系的，规 范要求在整个船舶正常营运期内不超过一次( 1 0 1 ) 。完整性破坏一般呈现为各种裂 缝形式，主要发生在受拉构件中，其出现的频率值约为1 0 一。因此在设计中主要考 虑应力特性和载荷值大小。 目前，各船级社都规定老龄船舶应结合换证检验进行总纵强度的定性分析，通 过计算比较船中剖面模数和惯性矩的规范要求值与实际值的偏差，得出是否满足要 求的结论。然而对于大部分老龄船舶来说，由于其甲板剖面结构的腐蚀程度远远大 于双层底剖面，可能导致船舶长度方向部分区域承受波浪弯矩能力的降低，极端情 况下部分船舶受到的波浪弯矩数值会达到结构实际承受值的1 1 0 1 3 0 ，尤其在船舶 隔舱装载或在海上调换压载水期间，因此进行总纵强度的定量分析是十分必要的。 以笔者采用中国船级社认可软件计算的某轮为例： 定性分析结果满足规范要求，即根据测厚结果选取船体结构3 个横剖面进行计 算，其剩余甲板船底剖面模数均大于设计值的9 0 。 进一步计算隔舱装载情况下波浪弯矩和波浪剪力以进行总纵强度定量分析。 1 ) 、波浪弯矩计算： m 。( + ) = + 1 9 0 m k o b c b 1 0 。9 5 k n ，m m w ( - ) = 一1 1 0 m k r b ( c b + o 7 ) 1 0 。9 5 k n 1 1 1 2 ) 、波浪剪力计算： f - ( 十) = + 3 0 f l k l b ( c 。+ 0 7 ) i 0 9 5 k n f ( 一) = 一3 0 f 2 k l b ( c 。+ 0 7 ) 1 0 。9 5 k n 式中：f l ，f 2 ：剪力分布系数 i4 土篷塑蔓太堂亟堂焦途童 耋数萱亟篮罄塞全萱垂题链结抱匦睑盆堑垫塞垒堡睡基莶 全船各位置的波浪载荷如下 位置肋位 c 即向尾)( 向首) 0 0 0 0 l 0 0 7 5 l o 1 5 0 l 0 2 0 0 l 0 3 0 0 l 0 3 5 0 l 0 4 0 0 l 0 5 0 0 l 波浪弯矩 k n * m 波浪弯矩 k n * m 波浪剪力 k n 波浪剪力 k n f r 2 2 4 + 5 2 00 0 0 0 0 e + 0 00 0 0 0 0 卧0 00 o o o o e + 0 00 o o o o e + 0 0 f r 2 0 4 + 5 8 71 9 0 0 0 e + 0 52 0 2 9 9 e + 0 57 9 8 4 8 e + 0 37 4 7 4 0 e + 0 3 f r l 8 6 + 6 3 43 8 0 0 1 e + 0 54 0 5 9 8 e + 0 5 15 9 7 0 e + 0 4 1 4 9 4 8 e + 0 4 f r l 7 5 + 8 05 0 6 6 8 e + 0 5 5 4 1 3 0 e + 0 5 1 5 9 7 0 e + 0 4 一1 4 9 4 8 e + 0 4 f r l 5 3 + 5 4 77 6 0 0 2 e + 0 5 8 1 1 9 6 e + 0 5 1 5 9 7 0 e + 0 4 - i 4 9 4 8 e + 0 4 f r l 4 3 + 5 88 8 6 6 9 e + 0 5 9 ，4 7 2 8 e + 0 5 1 3 5 7 4 e + 0 4 1 1 1 9 8 e + 0 4 f r l 3 2 + 3 2 98 8 6 6 9 e + 0 59 4 7 2 8 e + 0 51 1 1 7 9 e + 0 41 1 1 7 9 e + 0 4 f r l l l + 1 1 28 8 6 6 9 e + 0 59 4 7 2 8 e + 0 51 1 1 7 9 e + 0 4一1 1 1 7 9 e + 0 4 位置肋位 ( a p 向首)( 向首) 0 ，0 0 0 l 0 0 7 5 l 0 1 5 0 l 0 2 0 0 l 0 3 0 0 l 0 3 5 0 l 0 4 0 0 l 0 5 0 0 l 波浪弯矩 k n * m 波浪弯矩 k n * m 波浪剪力 k n 波浪剪力 k n f r i + 2 1 30 0 0 0 0 e + 0 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 f r 2 0 + 3 9 71 6 6 2 5 e + 0 5一1 7 7 6 2 e + 0 55 1 5 7 i e + 0 35 5 0 9 5 e + 0 3 f r 3 6 + 4 9 03 3 2 5 1 e + 0 53 5 5 2 3 e + 0 51 0 3 1 4 e + 0 4一1 1 0 1 9 e + 0 4 f r 4 7 + 2 1 94 4 3 3 4 e + 0 54 7 3 6 4 e + 0 51 ，3 7 5 2 e + 0 41 4 6 9 2 e + 0 4 f r 6 8 + 4 3 66 6 5 0 2 e + 0 57 1 0 4 6 e + 0 51 3 7 5 2 e + 0 41 4 6 9 2 e + 0 4 f r 7 9 + 1 6 57 。7 5 8 5 e + 0 58 2 8 8 7 e + 0 51 2 4 6 5 e + 0 41 2 9 3 5 e + 0 4 f r 8 9 + 6 5 4 8 8 6 6 9 e + 0 5- 9 4 7 2 8 e + 0 51 1 1 7 9 e + 0 4一1 1 1 7 9 e + 0 4 f r l l i + 1 1 28 8 6 6 9 e + 0 59 4 7 2 8 e + 0 51 1 1 7 9 e + 0 41 1 1 7 9 e + 0 4 3 ) 比较目前状态下计算结果与最大设计静水弯矩、设计静水剪力 表4 1 比较目前状态下计算结果与最大设计静水弯矩、设计静水剪力 肋中拱静水弯矩中垂静水弯矩中拱静水剪力中垂静水剪力 位 0 n 。m ) 0 甜m )( k n )( k n ) 号目前目前目前目前 设计值设计值设计值设计值 许用值许用值许用值许用值 7 1 4 6 8 23 2 3 6 8 1- 4 1 4 1 7 81 9 9 9 31 7 9 5 2 6 7 56 6 7 2 1 22 1 4 0 52 0 4 1 6 ( 1 )( 压载出)( 装矿到)( 问龋出)( 装矿星嘻) 15 上握瀣要塞堂亟土堂焦监塞 耋敬萱通货丛塞全萱运篮住绪捡凰险盆圭丘塑塞垒堡瞳夔苤 2 9 7 7 4 34 8 8 6 0 72 1 5 1 32 2 7 9 8 | 0 8 56 0 2 5 4 54 8 9 0 4 42 6 1 4 0- 2 6 1 4 0 ( 压载出)( 装矿到)( 压载出)( 间隔出) 2 6 8 0 1 5 4 0 2 0 7- 3 9 8 2 3 71 5 3 4 3 1 6 057 1 2 3 4 66 6 4 0 3 71 9 4 8 4 ( 间隔到) 2 0 5 5 8 ( 压载出)( 装矿到) ( 间隔出) ( 2 ) 表4 2 各种装载情况下船舶弯矩和剪力计算 c o n dn o 6c o n dn o 7c o n d n o8c o n d n 09 海上许用静水 弯矩( t - m ) 和 装载工况间隔装矿出港间隔装矿到港 许用静水剪力 装矿出港装矿到港 ( 1 , 3 ，4 ，6 舱)( 1 , 3 ，4 ，6 舱) ( t ) f r 5 2 弯矩( t - m )1 6 8 0 91 5 6 9 81 6 8 0 91 5 6 9 85 7 4 6 9 剪力( t )1 3 1 51 8 3 01 3 1 51 8 3 03 4 8 0 f r 7 9 弯矩( t - m )，3 5 7 7 9- 4 2 2 2 01 0 7 0 91 7 1 5 0 5 7 4 6 9 剪力( t )- 4 6 36 3 92 0 3 81 8 6 2 3 5 1 3 f r 1 0 5 弯矩( t - m )- 4 1 0 1 2- 4 9 7 1 01 1 2 8 51 8 9 7 4 5 7 4 6 9 剪力( t )1 3 31 0 12 3 2 42 2 9 23 9 7 8 f r 1 2 3 弯矩( t - m )_ 4 7 2 1 2- 4 9 8 0 73 5 8 1 83 8 4 1 35 7 4 6 9 剪力( t ) 2 1 1 9 43 4 2 1 6 93 9 5 7 f r 1 4 8 弯矩( t - m )3 7 4 0 9 - 4 0 5 9 5 1 0 6 2 3 1 3 8 0 9 5 7 4 6 9 剪力( t ) 4 4 9 6 4 62 5 3 52 7 3 23 6 7 3 f t l l 7 4 弯矩( t - m )1 6 9 2 61 6 6 8 37 0 3 77 2 8 i 5 7 4 6 9 剪力( t )9 8 61 1 4 31 5 6 41 4 0 73 1 4 8 f r 2 0 2 弯矩( t - m )8 8 7 95 7 8 61 8 8 4 65 6 4 0 5 7 4 6 9 剪力( t )9 9 41 0 2 39 9 41 0 2 3 3 6 3 2 通过计算，得出如下结论： ( 1 ) 、鉴于该轮属老龄船舶，核对静水弯矩和波浪弯矩数值，隔舱装载情况下所 取值已接近极限值，建议取消隔舱装载工况。 ( 2 ) 、对于压载工况，在打、排压载水时可能出现更大的弯矩值，要特别注 意避免。在船舶压载途中请注意以下事项：( a ) 、对位于船中的顶边舱及双层底压 载舱，不能采用一次性排空1 0 0 水量的方式；对位于首尾的压载舱，不能采用一次 性灌注1 0 0 水量的方式。否则，船舶会产生严重的中拱变形。( b ) 、为了防止在压 载( 减压载) 过程中出现较大的扭矩，应对称操作，即左右舱同时进行压载( 减压载) 。 上整鋈璺态堂亟堂焦监塞 壹监萱垣冀丛塞全萱垂魈住绮捡匝瞳盐盔匠塑窒全堡瞳越盔 ( c ) 、较佳的操作时机是当船舶离港较近时进行压载( 减压载) ，这样可以避免使 船舶处于较大的波浪中。 ( 3 ) 、改善载货工况，避免产生较大的中垂静水弯矩。 ( 4 ) 、保持对主甲板、甲板骨架以及轻载水线以下的舷侧外板的腐蚀的观察， 并加强对该区域船体结构的保养。 ( 5 ) 建议本船按c c s 船舶压载水管理计划编制指南( 2 0 0 1 ) 的要求编制船 舶压载水管理计划及船舶压载水管理计划安全评估报告。 4 2 局部强度的影响因素 很多失事船舶的事故分析表明，部分老龄船舶局部结构不满足现行规范的要求 是事故发生不可忽视的因素。 4 2 1 舱口盖