腐蚀情况下船舶缆桩及其附属结构的使用年限分析

耿世兴 伍生春

（上海海事大学商船学院，中国上海201306）

0 引言

船舶常年行驶于海洋之中，其所处的恶劣环境使钢制海船腐蚀严重，海船的首部和中部容易上浪，在这些区域，钢结构表面受到海水的周期湿润和风浪的冲击，经常处于干湿交替的状态，加快了的甲板及缆桩的腐蚀。 海船在系泊状态下受到风、流和波浪等外力作用下做复杂的运动，由于船舶的惯性作用，缆桩及与其相连的甲板受到很大的冲击力，当船龄较长，尤其是20 年及以上船龄的海船，钢结构表面受到腐蚀严重，钢板厚度减少，当缆桩及与其相连的甲板强度不足以承受外力冲击时，发生断裂，船舶在外力作用下发生移位，可能会与码头或他船相撞，发生事故。因此，分析对腐蚀情况下缆桩及与其相连甲板的强度，并对其安全使用年限的分析计算有十分重要的意义。

1 系泊状态下的船舶受力分析

船舶系缆状态下，必须要能抵抗因下列因素中的一部分或全部作用产生的力。

1）风

2）水流

3）潮汐

4）船舶震荡

5）波浪、涌浪

6）吃水变化

7）冰

本文将分析船舶在港内系泊状态下，主要在受风、水流的作用下受力。

风对船的作用力：

式中，Ra——风压力，kN；

Ka＝0.7208×10－3（横向压力），kN·s2/m4；0.4207×10－3（纵向压力），kN·s2/m4；

va——相对风速，m/s；停泊中：（一般船舶）平均速度va=15m/s；

（大型船舶）平均速度va=20m/s；

Aa——水线以上受风部位的投影面积，m2；

计算va时不计梁拱、舷弧和纵倾。

Aa=Lpp（D′－d）

式中，Lpp——船舶垂线间长，m；

D′——型深，m；

d——吃水，m。

水流对船舶的作用力：

式中，Rw——水流压力，kN；

Aw——设计船舶的浸水面积m2；

vw——水流速度，m/s；港内取水流速度vw＝1.03m/s。

Aw＝1.7d·Lpp+△/d

式中，d——平均吃水，m；

△——排水体积，m3；

Lpp——船长，m。

停泊状态下船舶缆绳所受的总力T：

式中，T——总拉力，kN；

RaL——风对船的纵向作用力；

RaT——风对船的横向作用力；

α——缆绳在水平面与船体横

方向夹角，并假设各个缆绳在水平面与船体横方向夹角相等。 α＝60°。

2 缆桩的受力分析

按照国标GB/T554 规定，带缆桩为A～E 五种类型的缆桩，其中A带缆桩为常用类型。 其结构型式如图1 所示。

图1 A 型带缆桩结构型式图Fig.1 Structure type of the A mooring bitts

缆桩与底座上板接触部位的受力分析，缆桩受力如图2，对桩柱与底座上板接触处做受力分析。对桩柱与底座上板接触处缆桩受的正应力为：

式中，F——缆绳受力，kN；

D——缆桩直径，mm；

图2 缆桩受力图Fig.2 The force diagram of bitts

桩柱与覆板接触处桩柱受的剪应力应力为：

式中，F——缆绳受力，kN；

D——缆桩直径，mm；

则在桩柱与覆板上板接触处桩柱受的最大应力为：

式中，F——缆绳受力，kN；

D——缆桩直径，mm；

桩柱与覆板接触处的覆板上板受力为：

式中，F——缆绳受力，kN；

t3——覆板上板厚度，mm；

D——缆桩直径，mm。

经过计算分析式（4）（5），各种尺寸的缆桩在相同的F 的情况下δmax＞δ′max，所以桩柱与底座上板连接处为危险截面。

3 缆桩底座与甲板连接处的受力分析

缆桩底座与甲板通过焊接连接在一起，由于缆桩底座尺寸远小于甲板，假设在外力F 的作用下甲板发生的弹性形变，根据胡克定律，应力τ 与应变ε 成正比， 即：τ∝ε， 或者写成τ＝Gε，G 为甲板的切变模量，则其受力情况如图3 所示。

图3 甲板受力图Fig.3 The force diagram of deck

假设在底座中点为处为原点，底座与甲板接触面的纵向中线为x轴，底座两端与甲板相连处最大剪切应力为τ′max，则有接触面上的受力分布为：

根据缆桩受力矩平衡得到：

式中，F——缆桩受外力，kN；

D——桩柱直径，mm；

t——甲板厚度，mm；

L——缆桩覆板长，mm；

B——缆桩覆板宽度，mm。

经过计算分析式（4）（6），不同尺寸的缆桩在δmax、τ′max分别达到各自的许用应力时，τ′max对应的F 小， 所以缆桩和与缆桩底座相连的甲板部位受到腐蚀时，在外力F 作用下缆桩覆板与甲板接触处两端最先容易断裂。

4 腐蚀情况下缆桩使用年限的计算

经过以上分析， 船体腐蚀时缆桩覆板与甲板连接处容易发生断裂，腐蚀情况下，该处甲板的安全厚度t′为：

式中，［τ ］——甲板许用剪切应力，［τ ］取280N/mm2；

缆桩底座与甲板连接处发生腐蚀断裂危险时的年限m 为：

式中，t——甲板原始厚度，mm；

ξ——甲板的腐蚀余量，ξ 取0.2mm/a。

综合式（1）（2）（3）（4）（8）（9）得到：

5 结束语

本文通过对缆桩及覆板与甲板相连的部位建立简单的力学模型，计算分析出腐蚀情况下容易产生危险的截面，并得出该部位使用年限的计算方法，为船舶缆桩及覆板与甲板连接部位的安全使用年限提供了参考。

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