船舶修理课题七船体构件的-课件.ppt

1、课题七 船体构件的常见损伤,一、腐蚀与裂纹,1、 船体构件的损伤分类,船体构件损伤的分类见图 3-1。,相对来讲，接触性的损伤、均匀腐蚀以及由于构件的强度不足所造成的裂纹、变形等比容易修复，通常只需将损伤的部位校正或切换即可；而点蚀、沟槽状的腐蚀以及由于设计不合理、制造质量不佳、船舶营运过程中使用不当等原因造成的损伤却不同。在以后将要针对这后几种损伤进行分析。,2、 腐蚀,21 腐蚀的基本概念 从外在形态上，可对船体构件的腐蚀作如表3-1的分类。,运煤船货舱内的肋骨与外板的焊缝的开裂等,氢原子进入金属内部使金属失去延展性(氢脆)甚至开裂(氢裂),氢脆、氢裂,螺旋桨轴,交变应力与腐蚀介质的共同作

2、用所引起,疲劳腐蚀,螺旋桨轴,张应力与特定的腐蚀介质的共同作用而引起的脆性开裂,应力腐蚀,如螺旋桨的表面的汽蚀；舵板前部的汽蚀,运动的液体与金属界面上形成气泡，气泡的反复形成及溃灭而在金属界面上造成的蜂窝状的破坏,空泡腐蚀 (汽蚀),杂货船可搬式舱盖的底端部与舱口围的面板,两种固体相接触，其一或其二都是金属，且作相对的振动或滑动，在界面上造成的破坏,微动腐蚀 (振蚀),海水泵的叶片，防浪阀的拐弯处，楼子区域排水管的下端,金属与腐蚀性流体相对运动产生的加速破坏,磨损腐蚀,船体构件的腐蚀从原理上讲虽大致只有化学腐蚀和电化学腐蚀两种，但其细致的机理却是多种多样的。 化学腐蚀是指金属与介质发生化学反应

3、而引起的破坏。 电化学腐蚀是指金属与电解质溶液相接触，形成原电池，其中电位较低的部分遭受腐蚀现象。,船体金属在海水介质中以及潮湿的、含盐分的海上空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀。 但同是电化学腐蚀，发生在不同的舱室、不同的船体构件上的腐蚀却又有不同的机理和形态，腐蚀的速度也不尽相同。船级社根据数千条船的测厚数据制定出了如图32及彩图3-1所示的腐蚀余量，从中我们可以看出船体不同部位的腐蚀程度的差异。,船长200m以上及以下的散货船的腐蚀预留量见图33、图3-4。,22 均匀腐蚀 腐蚀机理见彩图32。 均匀腐蚀是指构件、舱室整体上以同样的速度被腐蚀、磨耗。均匀腐蚀(见彩图3-3)多发生在无涂装的货

4、油舱、干燥的空舱、散货船的内底板等处所。事实上，腐蚀大多是以小深度的点蚀开始，经过一段时间以后大量的、大面积的点蚀就会使整个构件或舱室的表面上的腐蚀状态趋于均匀化。,2.3 局部片状腐蚀 事实上，除了极端的点蚀和沟槽状腐蚀之外，均匀腐蚀与不均匀腐蚀无非是从某个时间断面上而言，局部腐蚀(见彩图3-4)扩大化及连成片后就成为均匀腐蚀。局部的片状腐蚀通常和涂装的初始状态、船舶运营过程中对漆膜的局部破坏有关。,2.4 点蚀,点蚀发生部位、成因见表3-2及彩图3-53-8。,表32 点蚀一览表,彩图3-8所示的点蚀发生在第6货舱(压载兼用货舱)的舱盖侧移出后存放的位置，点蚀发生的原因在于舱盖上冷凝水在舱

5、盖移出后的滴落。同样由于水的滴落引起的主甲板的点蚀还会发生在缆绳的下面、消防水龙头的下面等。,2.5 焊缝沟槽状腐蚀 沟槽状腐蚀的成因、修理方法见表3-3及彩图3-9。,表33 沟槽状腐蚀的特征,3 、裂纹,船体构件上所发生的裂纹可被分类如下。,31 脆性裂纹 按照金属材料断裂前塑性变形量的大小，可将断裂分为延性断裂和脆性断裂。 延性断裂是指船体构件上所承受的载荷超过了构件材料本身的屈服强度极限，使得构件的某一部位发生塑性变形，进而出现裂纹、破断的一种破坏形态。 脆性断裂是一种沿金属晶界的解理或半解理断裂；金属材料在低温、高应变速度及高应力集中的情况下会出现这种没有或只有少量塑性变形的脆性断裂

6、。脆性断裂的发生突然而扩展快速，裂纹的扩展速度可达到15002000ms。,虽然和1946年前后出现大量脆性断裂的“自由轮”时代相比，现代造船用的钢材的塑性很高，但在一定的条件下，这类属于低合金高强钢的船体构件也会出现脆性裂纹。,3.1.1 船体结构焊接过程中出现近缝区冷裂纹的特征 (1)细小性 发丝状微裂纹(haircrack)，不仔细看很难发现，但在着色探伤后则一目了然，如彩图310及彩图311所示。 (2)多发性 曾有过在6m长的焊缝上发现30余处裂纹的事例，如彩图312及彩图313所示。同种红粉笔标出的都是发现微裂纹的部位。,(3)多是横向裂纹 如彩图310及彩图311所示的是横向裂纹

7、。 (4)易扩展性 这种脆性裂纹的潜伏期很短，往往会在一两天之内，在内应力的作用下很快地扩展。彩图3-14所示的裂纹是由第一层焊道发生的微裂纹的扩展。第一层采用的是CO2单面焊双面成型的方法，由于在打底焊道上产生的裂纹未经清除，就开始了盖面埋弧焊的施焊，再加上埋弧焊的热输入量较大，在热应力的作用下，加速了裂纹的扩展。,312 近缝区冷裂纹的成因及防止措施 船体结构用钢在近缝区产生冷裂纹的成因及防止措施 主要有如下三个方面： (1)氢脆及其防止 焊缝中的氢主要来源于焊材及焊接坡口中的水分。因此，为了避免氢脆首先要采用低氢的焊材，低氢焊材(焊条、焊剂)在焊前要经过烘烤，焊丝要避免吸潮、表面生锈；焊

8、接坡口内要保证没有结露、浮锈。所用的焊接陶质衬垫也应避免吸潮，尽可能地在坡口预热后再贴上，以免预热过程中产生的水分渗入衬垫中。,(2)组织硬化及其防止 熔敷金属在凝固的过程中，若冷却速度过大，则会 产生诸如马氏体等的淬硬组织，要保证冷却速度不至过快， 首先要使焊接线能量保持适中，因为过大的线能量(大电流、 快速度)会造成焊缝的晶粒粗大及脆化；过小焊接线能量(小电流、高焊速)同样也是在焊道中产生淬硬组织的原因之一，所以两者在焊接施工中也应避免。 第二个防止冷却速度过大的措施是要进行充分的预热，尽量避免在环境温度低于摄氏-10的情况下焊接高强度钢，因为对于庞大的船体构件来讲，再充分的预热，也只是一

9、过渡性 的、对焊接坡口周围局部的预热，该热量会很快地被周围的船体构件传走，待到开始施焊时，坡口处的温度早就恢复到环境温度了。冬季，低温脆性裂纹在北方地区的修造船厂出现的主要原因是温度管理问题。,(3)拘束的影响及降低拘束应力的措施 拘束限制了熔敷金属的自由膨胀和收缩，往往在焊缝 中产生残留拉应力，对焊接部位的拘束越大，在焊缝中产 生的残留拉应力也越大，焊缝就越容易产生脆性裂纹。降 低残留应力的措施有如下几个方面： 在焊缝的设计方面要注意以下的原则： a、尽量减少焊接接头部位的应力集中：采用平滑过渡、避免焊缝过度集中等，如图35所示。,彩图3-15中所示的裂纹出现在20年船龄的好望角型散 货船的

10、No.6货舱的前后横壁上。上图中厚板作了削斜处理 后，板厚差的过渡是没有问题的，但还是出现了裂纹，其原因就在于板厚相差过大，结构的强弱不均，力的传递有失平滑。,b.在满足结构使用条件的前提下，应当尽量减少结构 的刚度，不需要焊的地方可以不焊，并辅以应力缓和槽来 避免出现高拘束应力。 c不采用过厚的截面，因为增大材料的厚度会提高钢材的脆性转变温度，降低其断裂韧性。 d对于次要构件或不受力的焊缝的设计，应和主要构件一样予以足够的重视，因为脆性裂纹一旦从这些非重要构件的焊接接头处产生，就会很快地扩展到主要的构件上。最好不要随 意在船体的主要构件上焊接小附件，修造船过程中用过的、焊在船体主要构件上的脚

11、手架、吊鼻、马板要及时清理掉并作妥善的焊补打磨处理。,在焊接工艺方面要注意以下几个方面： a.要采用合理的焊接顺序(见图3-6)，减少焊接残余 拉伸应力的不利影响。尽量避免全封闭焊道、极小面积 换板情况的出现。,b.在高强钢结构上最好不要随意在船体的主要构件上 焊接小附件，修造船过程中用过的、焊在船体主要构件 上的脚手架、吊鼻、马板要及时清理掉并作妥善的焊补打 磨处理。定位焊道、修补焊道的长度要不小于50，且弧坑要填饱满，避免裂纹从起弧和收弧处发生。 C.防止、减少焊接缺陷的存在：对既往脆断事故的调查结果表明，40以上的脆断事故是从焊接缺陷处开始的，所以要尽力避免出现熔合不良、碳弧气刨清根不良

12、、咬边、错口、角变形、表面不光顺等焊接缺陷的存在。,d.防止对钢板表面的机械损伤：有时裂纹也可能从 钢板的机械损伤处始发，如彩图3-16所示，裂纹是从换 新后的内底板上被砸伤处始发，并呈人字形扩展到埋弧自动焊焊缝上的。彩图3-17所示的是在进行所在舱室水压试验时的状况，飞溅起的水幕说明裂纹已完全贯穿。 事后，对产生裂纹的钢板取样进行了包括低温冲击韧性在内的机械性能复验，并没有发现材料性能方面的问题。,32 应力腐蚀裂纹 应力腐蚀是金属受到内外拉应力和特定的腐蚀介质的 共同作用后出现的脆性开裂。当船体构件由于漆膜的破坏 而暴露在腐蚀性介质(海水、货物)中时，局部的金属会从介质中吸附能造成腐蚀性破

13、坏的成分，使金属表面原子间的结合力减弱，表面能降低，在拉应力的作用下会溶解而形成裂缝：一边是拉应力的破坏裂纹尖端氧化膜，使新的电化学腐蚀中的阳极不断地暴露；一边是腐蚀性介质中的破坏性成分继续楔人裂缝尖端使腐蚀加剧，裂纹迅速向纵深扩展。 漆膜最初的破坏是由于漆膜的老化、漆膜与被保护金属的线胀系数的差异、承受应变的能力的差异等造成的。,微裂缝可能很多，但主裂缝总是垂直于应力的方向的。 事实上，在船体构件的裂纹中，大多数都有应力腐蚀 作用的痕迹。单纯的延性、脆性、疲劳裂纹所占的比例并不大。 防止、减少应力腐蚀裂纹出现的措施主要在于减小构件的焊接残余拉应力，避免强力装配下的焊接等。 为了节省吊鼻等的清

14、理、打磨所需的工时，造船厂往往会把这些小构件留在船体结构上，尽管这些小构件被焊接、涂装得很好，但腐蚀往往从这些构件处开始，其原因是焊接残余应力的存在。,3.3 疲劳裂纹 疲劳裂纹是船体构件上裂纹发生的一种主要形式， 约占裂纹出现率的90。 疲劳裂纹发生部位、成因等见表34。,提高船体焊接接头疲劳强度的措施(见图3-73-10)： (1)采用合理的结构形式，减少应力集中。 (2)尽量采用应力集中系数小的接头形式。 对接接头的应力集中系数小、疲劳强度高，角接接头次之，搭接接头最差，这正是船级社把在主甲板、外板、横壁、肋骨等主要受力构件上用复板(doubler)进行的修理仅视为临时性修理的原因。 即

15、便是对接焊缝，表面光顺与否，尤其是焊缝和母材的过渡是否圆滑对疲劳强度有较大的影响。所以，在焊缝打磨时，尤其要注意不要造成过渡区内的损伤，并注意顺力线的传递方向打磨。,(3)肘板端部、扶强材端部的软趾化处理。 大量的损伤事例表明，船体构件的疲劳裂纹发生在 肘板、扶强材的焊趾部(hot spot)。所以对这些部位进行软化处理、减少应力集中是提高疲劳强度的关键。 (4)提高刚性，减小相对位移。 比较而言，肘板、扶强材的趾端太强(hard point)，而骨材趾端下的支持作用又相对较弱(骨材与骨材不对位，而部分或直接坐在板材上，高应力集中区的趾端区域的相邻构件有过焊孔、过粱孔等降低强度的切孔，面外应力的存在，等等)，都会导致相对位移，它是由于局部的刚性不足造成的，因此提高结构的对中度、消除错位、消除大肘板的面外自由度等，可有效地减小疲劳裂纹的出现率。,3.4高强钢与疲劳裂纹 高强钢的使用比例越高(见图3-11)