船舶修理課題七船體構(gòu)件的-課件.ppt

1、課題七 船體構(gòu)件的常見損傷,一、腐蝕與裂紋,1、 船體構(gòu)件的損傷分類,船體構(gòu)件損傷的分類見圖 3-1。,相對(duì)來(lái)講，接觸性的損傷、均勻腐蝕以及由于構(gòu)件的強(qiáng)度不足所造成的裂紋、變形等比容易修復(fù)，通常只需將損傷的部位校正或切換即可；而點(diǎn)蝕、溝槽狀的腐蝕以及由于設(shè)計(jì)不合理、制造質(zhì)量不佳、船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中使用不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻膿p傷卻不同。在以后將要針對(duì)這后幾種損傷進(jìn)行分析。,2、 腐蝕,21 腐蝕的基本概念 從外在形態(tài)上，可對(duì)船體構(gòu)件的腐蝕作如表3-1的分類。,運(yùn)煤船貨艙內(nèi)的肋骨與外板的焊縫的開裂等,氫原子進(jìn)入金屬內(nèi)部使金屬失去延展性(氫脆)甚至開裂(氫裂),氫脆、氫裂,螺旋槳軸,交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的共同作

2、用所引起,疲勞腐蝕,螺旋槳軸,張應(yīng)力與特定的腐蝕介質(zhì)的共同作用而引起的脆性開裂,應(yīng)力腐蝕,如螺旋槳的表面的汽蝕；舵板前部的汽蝕,運(yùn)動(dòng)的液體與金屬界面上形成氣泡，氣泡的反復(fù)形成及潰滅而在金屬界面上造成的蜂窩狀的破壞,空泡腐蝕 (汽蝕),雜貨船可搬式艙蓋的底端部與艙口圍的面板,兩種固體相接觸，其一或其二都是金屬，且作相對(duì)的振動(dòng)或滑動(dòng)，在界面上造成的破壞,微動(dòng)腐蝕 (振蝕),海水泵的葉片，防浪閥的拐彎處，樓子區(qū)域排水管的下端,金屬與腐蝕性流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速破壞,磨損腐蝕,船體構(gòu)件的腐蝕從原理上講雖大致只有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種，但其細(xì)致的機(jī)理卻是多種多樣的。 化學(xué)腐蝕是指金屬與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

3、而引起的破壞。 電化學(xué)腐蝕是指金屬與電解質(zhì)溶液相接觸，形成原電池，其中電位較低的部分遭受腐蝕現(xiàn)象。,船體金屬在海水介質(zhì)中以及潮濕的、含鹽分的海上空氣中所發(fā)生的腐蝕是電化學(xué)腐蝕。 但同是電化學(xué)腐蝕，發(fā)生在不同的艙室、不同的船體構(gòu)件上的腐蝕卻又有不同的機(jī)理和形態(tài)，腐蝕的速度也不盡相同。船級(jí)社根據(jù)數(shù)千條船的測(cè)厚數(shù)據(jù)制定出了如圖32及彩圖3-1所示的腐蝕余量，從中我們可以看出船體不同部位的腐蝕程度的差異。,船長(zhǎng)200m以上及以下的散貨船的腐蝕預(yù)留量見圖33、圖3-4。,22 均勻腐蝕 腐蝕機(jī)理見彩圖32。 均勻腐蝕是指構(gòu)件、艙室整體上以同樣的速度被腐蝕、磨耗。均勻腐蝕(見彩圖3-3)多發(fā)生在無(wú)涂裝的貨

4、油艙、干燥的空艙、散貨船的內(nèi)底板等處所。事實(shí)上，腐蝕大多是以小深度的點(diǎn)蝕開始，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后大量的、大面積的點(diǎn)蝕就會(huì)使整個(gè)構(gòu)件或艙室的表面上的腐蝕狀態(tài)趨于均勻化。,2.3 局部片狀腐蝕 事實(shí)上，除了極端的點(diǎn)蝕和溝槽狀腐蝕之外，均勻腐蝕與不均勻腐蝕無(wú)非是從某個(gè)時(shí)間斷面上而言，局部腐蝕(見彩圖3-4)擴(kuò)大化及連成片后就成為均勻腐蝕。局部的片狀腐蝕通常和涂裝的初始狀態(tài)、船舶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)漆膜的局部破壞有關(guān)。,2.4 點(diǎn)蝕,點(diǎn)蝕發(fā)生部位、成因見表3-2及彩圖3-53-8。,表32 點(diǎn)蝕一覽表,彩圖3-8所示的點(diǎn)蝕發(fā)生在第6貨艙(壓載兼用貨艙)的艙蓋側(cè)移出后存放的位置，點(diǎn)蝕發(fā)生的原因在于艙蓋上冷凝水在艙

5、蓋移出后的滴落。同樣由于水的滴落引起的主甲板的點(diǎn)蝕還會(huì)發(fā)生在纜繩的下面、消防水龍頭的下面等。,2.5 焊縫溝槽狀腐蝕 溝槽狀腐蝕的成因、修理方法見表3-3及彩圖3-9。,表33 溝槽狀腐蝕的特征,3 、裂紋,船體構(gòu)件上所發(fā)生的裂紋可被分類如下。,31 脆性裂紋 按照金屬材料斷裂前塑性變形量的大小，可將斷裂分為延性斷裂和脆性斷裂。 延性斷裂是指船體構(gòu)件上所承受的載荷超過(guò)了構(gòu)件材料本身的屈服強(qiáng)度極限，使得構(gòu)件的某一部位發(fā)生塑性變形，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋、破斷的一種破壞形態(tài)。 脆性斷裂是一種沿金屬晶界的解理或半解理斷裂；金屬材料在低溫、高應(yīng)變速度及高應(yīng)力集中的情況下會(huì)出現(xiàn)這種沒(méi)有或只有少量塑性變形的脆性斷裂

6、。脆性斷裂的發(fā)生突然而擴(kuò)展快速，裂紋的擴(kuò)展速度可達(dá)到15002000ms。,雖然和1946年前后出現(xiàn)大量脆性斷裂的“自由輪”時(shí)代相比，現(xiàn)代造船用的鋼材的塑性很高，但在一定的條件下，這類屬于低合金高強(qiáng)鋼的船體構(gòu)件也會(huì)出現(xiàn)脆性裂紋。,3.1.1 船體結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中出現(xiàn)近縫區(qū)冷裂紋的特征 (1)細(xì)小性 發(fā)絲狀微裂紋(haircrack)，不仔細(xì)看很難發(fā)現(xiàn)，但在著色探傷后則一目了然，如彩圖310及彩圖311所示。 (2)多發(fā)性 曾有過(guò)在6m長(zhǎng)的焊縫上發(fā)現(xiàn)30余處裂紋的事例，如彩圖312及彩圖313所示。同種紅粉筆標(biāo)出的都是發(fā)現(xiàn)微裂紋的部位。,(3)多是橫向裂紋 如彩圖310及彩圖311所示的是橫向裂紋

7、。 (4)易擴(kuò)展性 這種脆性裂紋的潛伏期很短，往往會(huì)在一兩天之內(nèi)，在內(nèi)應(yīng)力的作用下很快地?cái)U(kuò)展。彩圖3-14所示的裂紋是由第一層焊道發(fā)生的微裂紋的擴(kuò)展。第一層采用的是CO2單面焊雙面成型的方法，由于在打底焊道上產(chǎn)生的裂紋未經(jīng)清除，就開始了蓋面埋弧焊的施焊，再加上埋弧焊的熱輸入量較大，在熱應(yīng)力的作用下，加速了裂紋的擴(kuò)展。,312 近縫區(qū)冷裂紋的成因及防止措施 船體結(jié)構(gòu)用鋼在近縫區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的成因及防止措施 主要有如下三個(gè)方面： (1)氫脆及其防止 焊縫中的氫主要來(lái)源于焊材及焊接坡口中的水分。因此，為了避免氫脆首先要采用低氫的焊材，低氫焊材(焊條、焊劑)在焊前要經(jīng)過(guò)烘烤，焊絲要避免吸潮、表面生銹；焊

8、接坡口內(nèi)要保證沒(méi)有結(jié)露、浮銹。所用的焊接陶質(zhì)襯墊也應(yīng)避免吸潮，盡可能地在坡口預(yù)熱后再貼上，以免預(yù)熱過(guò)程中產(chǎn)生的水分滲入襯墊中。,(2)組織硬化及其防止 熔敷金屬在凝固的過(guò)程中，若冷卻速度過(guò)大，則會(huì) 產(chǎn)生諸如馬氏體等的淬硬組織，要保證冷卻速度不至過(guò)快， 首先要使焊接線能量保持適中，因?yàn)檫^(guò)大的線能量(大電流、 快速度)會(huì)造成焊縫的晶粒粗大及脆化；過(guò)小焊接線能量(小電流、高焊速)同樣也是在焊道中產(chǎn)生淬硬組織的原因之一，所以兩者在焊接施工中也應(yīng)避免。 第二個(gè)防止冷卻速度過(guò)大的措施是要進(jìn)行充分的預(yù)熱，盡量避免在環(huán)境溫度低于攝氏-10的情況下焊接高強(qiáng)度鋼，因?yàn)閷?duì)于龐大的船體構(gòu)件來(lái)講，再充分的預(yù)熱，也只是一

9、過(guò)渡性 的、對(duì)焊接坡口周圍局部的預(yù)熱，該熱量會(huì)很快地被周圍的船體構(gòu)件傳走，待到開始施焊時(shí)，坡口處的溫度早就恢復(fù)到環(huán)境溫度了。冬季，低溫脆性裂紋在北方地區(qū)的修造船廠出現(xiàn)的主要原因是溫度管理問(wèn)題。,(3)拘束的影響及降低拘束應(yīng)力的措施 拘束限制了熔敷金屬的自由膨脹和收縮，往往在焊縫 中產(chǎn)生殘留拉應(yīng)力，對(duì)焊接部位的拘束越大，在焊縫中產(chǎn) 生的殘留拉應(yīng)力也越大，焊縫就越容易產(chǎn)生脆性裂紋。降 低殘留應(yīng)力的措施有如下幾個(gè)方面： 在焊縫的設(shè)計(jì)方面要注意以下的原則： a、盡量減少焊接接頭部位的應(yīng)力集中：采用平滑過(guò)渡、避免焊縫過(guò)度集中等，如圖35所示。,彩圖3-15中所示的裂紋出現(xiàn)在20年船齡的好望角型散 貨船的

10、No.6貨艙的前后橫壁上。上圖中厚板作了削斜處理 后，板厚差的過(guò)渡是沒(méi)有問(wèn)題的，但還是出現(xiàn)了裂紋，其原因就在于板厚相差過(guò)大，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱不均，力的傳遞有失平滑。,b.在滿足結(jié)構(gòu)使用條件的前提下，應(yīng)當(dāng)盡量減少結(jié)構(gòu) 的剛度，不需要焊的地方可以不焊，并輔以應(yīng)力緩和槽來(lái) 避免出現(xiàn)高拘束應(yīng)力。 c不采用過(guò)厚的截面，因?yàn)樵龃蟛牧系暮穸葧?huì)提高鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低其斷裂韌性。 d對(duì)于次要構(gòu)件或不受力的焊縫的設(shè)計(jì)，應(yīng)和主要構(gòu)件一樣予以足夠的重視，因?yàn)榇嘈粤鸭y一旦從這些非重要構(gòu)件的焊接接頭處產(chǎn)生，就會(huì)很快地?cái)U(kuò)展到主要的構(gòu)件上。最好不要隨 意在船體的主要構(gòu)件上焊接小附件，修造船過(guò)程中用過(guò)的、焊在船體主要構(gòu)件上的腳

11、手架、吊鼻、馬板要及時(shí)清理掉并作妥善的焊補(bǔ)打磨處理。,在焊接工藝方面要注意以下幾個(gè)方面： a.要采用合理的焊接順序(見圖3-6)，減少焊接殘余 拉伸應(yīng)力的不利影響。盡量避免全封閉焊道、極小面積 換板情況的出現(xiàn)。,b.在高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)上最好不要隨意在船體的主要構(gòu)件上 焊接小附件，修造船過(guò)程中用過(guò)的、焊在船體主要構(gòu)件 上的腳手架、吊鼻、馬板要及時(shí)清理掉并作妥善的焊補(bǔ)打 磨處理。定位焊道、修補(bǔ)焊道的長(zhǎng)度要不小于50，且弧坑要填飽滿，避免裂紋從起弧和收弧處發(fā)生。 C.防止、減少焊接缺陷的存在：對(duì)既往脆斷事故的調(diào)查結(jié)果表明，40以上的脆斷事故是從焊接缺陷處開始的，所以要盡力避免出現(xiàn)熔合不良、碳弧氣刨清根不良

12、、咬邊、錯(cuò)口、角變形、表面不光順等焊接缺陷的存在。,d.防止對(duì)鋼板表面的機(jī)械損傷：有時(shí)裂紋也可能從 鋼板的機(jī)械損傷處始發(fā)，如彩圖3-16所示，裂紋是從換 新后的內(nèi)底板上被砸傷處始發(fā)，并呈人字形擴(kuò)展到埋弧自動(dòng)焊焊縫上的。彩圖3-17所示的是在進(jìn)行所在艙室水壓試驗(yàn)時(shí)的狀況，飛濺起的水幕說(shuō)明裂紋已完全貫穿。 事后，對(duì)產(chǎn)生裂紋的鋼板取樣進(jìn)行了包括低溫沖擊韌性在內(nèi)的機(jī)械性能復(fù)驗(yàn)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)材料性能方面的問(wèn)題。,32 應(yīng)力腐蝕裂紋 應(yīng)力腐蝕是金屬受到內(nèi)外拉應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)的 共同作用后出現(xiàn)的脆性開裂。當(dāng)船體構(gòu)件由于漆膜的破壞 而暴露在腐蝕性介質(zhì)(海水、貨物)中時(shí)，局部的金屬會(huì)從介質(zhì)中吸附能造成腐蝕性破

13、壞的成分，使金屬表面原子間的結(jié)合力減弱，表面能降低，在拉應(yīng)力的作用下會(huì)溶解而形成裂縫：一邊是拉應(yīng)力的破壞裂紋尖端氧化膜，使新的電化學(xué)腐蝕中的陽(yáng)極不斷地暴露；一邊是腐蝕性介質(zhì)中的破壞性成分繼續(xù)楔人裂縫尖端使腐蝕加劇，裂紋迅速向縱深擴(kuò)展。 漆膜最初的破壞是由于漆膜的老化、漆膜與被保護(hù)金屬的線脹系數(shù)的差異、承受應(yīng)變的能力的差異等造成的。,微裂縫可能很多，但主裂縫總是垂直于應(yīng)力的方向的。 事實(shí)上，在船體構(gòu)件的裂紋中，大多數(shù)都有應(yīng)力腐蝕 作用的痕跡。單純的延性、脆性、疲勞裂紋所占的比例并不大。 防止、減少應(yīng)力腐蝕裂紋出現(xiàn)的措施主要在于減小構(gòu)件的焊接殘余拉應(yīng)力，避免強(qiáng)力裝配下的焊接等。 為了節(jié)省吊鼻等的清

14、理、打磨所需的工時(shí)，造船廠往往會(huì)把這些小構(gòu)件留在船體結(jié)構(gòu)上，盡管這些小構(gòu)件被焊接、涂裝得很好，但腐蝕往往從這些構(gòu)件處開始，其原因是焊接殘余應(yīng)力的存在。,3.3 疲勞裂紋 疲勞裂紋是船體構(gòu)件上裂紋發(fā)生的一種主要形式， 約占裂紋出現(xiàn)率的90。 疲勞裂紋發(fā)生部位、成因等見表34。,提高船體焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施(見圖3-73-10)： (1)采用合理的結(jié)構(gòu)形式，減少應(yīng)力集中。 (2)盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的接頭形式。 對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)小、疲勞強(qiáng)度高，角接接頭次之，搭接接頭最差，這正是船級(jí)社把在主甲板、外板、橫壁、肋骨等主要受力構(gòu)件上用復(fù)板(doubler)進(jìn)行的修理僅視為臨時(shí)性修理的原因。 即

15、便是對(duì)接焊縫，表面光順與否，尤其是焊縫和母材的過(guò)渡是否圓滑對(duì)疲勞強(qiáng)度有較大的影響。所以，在焊縫打磨時(shí)，尤其要注意不要造成過(guò)渡區(qū)內(nèi)的損傷，并注意順力線的傳遞方向打磨。,(3)肘板端部、扶強(qiáng)材端部的軟趾化處理。 大量的損傷事例表明，船體構(gòu)件的疲勞裂紋發(fā)生在 肘板、扶強(qiáng)材的焊趾部(hot spot)。所以對(duì)這些部位進(jìn)行軟化處理、減少應(yīng)力集中是提高疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵。 (4)提高剛性，減小相對(duì)位移。 比較而言，肘板、扶強(qiáng)材的趾端太強(qiáng)(hard point)，而骨材趾端下的支持作用又相對(duì)較弱(骨材與骨材不對(duì)位，而部分或直接坐在板材上，高應(yīng)力集中區(qū)的趾端區(qū)域的相鄰構(gòu)件有過(guò)焊孔、過(guò)粱孔等降低強(qiáng)度的切孔，面外應(yīng)力的存在，等等)，都會(huì)導(dǎo)致相對(duì)位移，它是由于局部的剛性不足造成的，因此提高結(jié)構(gòu)的對(duì)中度、消除錯(cuò)位、消除大肘板的面外自由度等，可有效地減小疲勞裂紋的出現(xiàn)率。,3.4高強(qiáng)鋼與疲勞裂紋 高強(qiáng)鋼的使用比例越高(見圖3-11)