GB_003-915m駁船裝載中甲板結(jié)構(gòu)破損事故分析(張金軍)

1、91.5m駁船裝載中甲板結(jié)構(gòu)破損事故分析張金軍 張金軍：男（1983-）碩士研究生，工程師，主要從事船舶專業(yè)的教學(xué)與科研。南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系,江蘇 南通 226026摘要：91.5m駁船由張家港駛往河北唐山港。航行至連云港正東海域，因大風(fēng)導(dǎo)致駁船搖擺，3臺轉(zhuǎn)盤臂架大組件墜入海中。本文按照中國船級社國內(nèi)航行海船建造規(guī)范的相關(guān)要求，利用Patran/MSC Nastran對91.5m駁船甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用有限元方法進(jìn)行直接計(jì)算，以驗(yàn)證實(shí)際所取構(gòu)件在承受甲板上轉(zhuǎn)盤和門機(jī)載荷后是否滿足規(guī)范要求。關(guān)鍵詞：駁船；綁扎；有限元；甲板Deck Structure Damage Acciden

2、t Analysis Based on 91.5m Barge in LoadingAbstract: The 91.5m barge was from Zhangjiagang to Hebei Tangshan port. Sailing to the East Lianyungang sea, the high winds was caused the barge swing, with 3 turntable arm components into the sea. This paper, in accordance with the relevant requirement of t

3、he China Classification Society “domestic sailing vessel construction norms”, calculates 91.5m barge deck structure strength by finite element method direct calculation using Patran/MSC Nastran. Verify if the actual structure under deck turntable and portal crane load meets the requirements of the s

4、pecifications.Keywords: barge, lashing, finite element, deck1 引言2014年8月18日晨1:35分，“華富219”拖帶裝載碼頭門機(jī)散件的91.5m駁船，由張家港駛往河北唐山港。航行至連云港正東海域，因大風(fēng)導(dǎo)致駁船搖擺， 3臺轉(zhuǎn)盤臂架大組件墜入海中。為了客觀真實(shí)的對事故發(fā)生的原因進(jìn)行技術(shù)性分析，因此需要從技術(shù)角度對船舶貨物裝載是否滿足貨物裝載的技術(shù)性、安全性要求進(jìn)行分析認(rèn)定。其中包括對船舶載貨前的船舶貨物綁扎方案、穩(wěn)性計(jì)算書等進(jìn)行考量，對出海前轉(zhuǎn)盤和門機(jī)在綁扎部位處的強(qiáng)度進(jìn)行評估，以校核是否符合強(qiáng)度的規(guī)范要求。按照中國船級社國內(nèi)航行海

5、船建造規(guī)范第二篇第8章散貨船附錄1的相關(guān)要求，利用MSC.Patran/MSC.Nastran對91.5m駁船甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用有限元方法進(jìn)行直接計(jì)算，以驗(yàn)證實(shí)際所取構(gòu)件在承受甲板上轉(zhuǎn)盤和門機(jī)載荷（重點(diǎn)在轉(zhuǎn)盤上，其重量：453t；重量重心：Zg=10.50；橫向受風(fēng)面積：279.0m2）后是否滿足規(guī)范要求12。2 船舶介紹91.5m駁船為無人駁船，適用于甲板載貨，可航行于無限航區(qū)。船體為全焊接鋼制結(jié)構(gòu)，帶有平式甲板和兩只呆木。主船體被8個(gè)水密橫艙壁和3個(gè)水密縱艙壁分隔成33個(gè)艙。本船依據(jù)中國船級社鋼質(zhì)海船入級規(guī)范進(jìn)行復(fù)核。轉(zhuǎn)入國內(nèi)航行時(shí)，按照中華人民共和國海事局國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則對載重

6、線、噸位等進(jìn)行計(jì)算，裝載計(jì)算依據(jù)國際海事組織A.749（18）決議關(guān)于IMO文件包括的所有船舶的完整穩(wěn)性規(guī)則的有關(guān)要求進(jìn)行。甲板上舾裝件有1只1500kg無桿首錨，帶28mm鋼絲繩300m；每艙提供630×430mm平式水密人孔蓋，螺帽和墊片為不銹鋼；33張鋼質(zhì)直梯用于進(jìn)入甲板下空艙；2只拖攬耳板安裝于甲板上；8個(gè)直徑為325mm的系泊帶纜樁；用于綁扎駁船胎的小型耳板等。主要尺度包括如下：總長91.50 m，型寬24.40 m，型深5.50 m，滿載吃水3.80 m，空載吃水0.54 m，肋距0.61 m。3結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析3.1 有限元模型據(jù)中國船級社國內(nèi)航行海船建造規(guī)范

7、7;1.9.6的相關(guān)規(guī)定：縱向：縱向范圍一般應(yīng)至少覆蓋船中貨艙區(qū)的1/2個(gè)貨艙+1個(gè)貨艙+1/2個(gè)貨艙長度；橫向：取整個(gè)船寬；垂向：取整個(gè)型深。為了能更加詳細(xì)得看到整船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。91.5m駁船有限元模型范圍縱向從船首至船尾，橫向?yàn)榇瑢?，垂向?yàn)樾蜕?。模型的選取符合規(guī)范的要求3。從91.5m基本結(jié)構(gòu)圖和橫剖面圖上可知，該船的主要構(gòu)件尺寸如下：船底板12mm，甲板板12mm，舷側(cè)板12mm，縱艙壁8mm，橫艙壁8mm；船底肋板L450×9.5/100，船底縱骨L125×75×10，甲板強(qiáng)橫梁L450×9.5/100，甲板縱骨L125×75×

8、;7，舷側(cè)強(qiáng)肋骨L450×9.5/100，舷側(cè)縱骨L125×75×7，縱艙壁垂直桁L450×9.5/100，縱艙壁縱骨L125×75×7等。按照實(shí)際尺寸進(jìn)行有限元建模。91.5m駁船有限元建模中模型材料定義為：彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比0.3，密度7.85t/m3。（如圖1和圖2所示）圖1 91.5m駁船有限元模型 圖2 91.5m駁船甲板橫剖面模型3.2 載荷施加由于重大件貨物具有重量大、體積大、外觀尺寸矩等特點(diǎn)，所以對船舶及其相關(guān)的貨運(yùn)技術(shù)要其他運(yùn)輸船舶有所不同。主要體現(xiàn)在以下三個(gè)：1）裝卸重大件貨物時(shí)船舶

9、的穩(wěn)性及橫傾角。2）重大件貨物的綁扎。船舶在航行中受風(fēng)浪影響會引起橫搖及縱搖，如綁扎不牢固，會引起重大件貨物的移動(dòng)，輕則造成事故，重則導(dǎo)致船毀人亡。3）局部強(qiáng)度。重大件重量大，尺寸不規(guī)矩，在裝載時(shí)應(yīng)注意局部強(qiáng)度，避免超過局部強(qiáng)度的許可負(fù)荷，造成船體受損，裝載時(shí)應(yīng)從選用合適的積載位置及用適當(dāng)?shù)囊r墊來盡量減少局部負(fù)荷，以確保安全。針對以上分析，載荷施加主要通過有限元方法對綁扎這塊進(jìn)行有限元分析。有限元模型的載荷應(yīng)包括舷外水壓力、貨物重量，結(jié)構(gòu)自重等。其中舷外水壓力按照實(shí)際裝載情況下的吃水來施加，在軟件中通過施加場的方式來操作（9800*(2.261-'Z)）；貨物載荷主要包括甲板裝載3臺轉(zhuǎn)

10、盤（每臺453t）、4臺門機(jī)（每臺208t）以及艙內(nèi)壓載水等；整船的空船重量通過結(jié)構(gòu)的密度和重力加速度來施加。以下為這3部分具體操作過程4。按照穩(wěn)性計(jì)算可得，裝載門機(jī)和轉(zhuǎn)盤后吃水為2.261m，施加到船體外部。貨物加載按照穩(wěn)性計(jì)算書，貨物施加主要包括以下重量內(nèi)容（如表1所示）：表1 重量分布表項(xiàng)目質(zhì)量垂向縱向力臂（m）力矩（t-m）力臂（m）力矩（t-m）空船質(zhì)量1178.03.8504535.30-0.083-97.774尾中 轉(zhuǎn)盤453.016.0007248.00-36.314-16450.242尾左 轉(zhuǎn)盤453.016.0007248.00-17.557-7953.321尾右 轉(zhuǎn)盤45

11、3.016.0007248.00-17.459-7908.927前1 門架208.014.5003016.0027.5995740.592前2 門架208.014.5003016.0018.8313916.848前3 門架208.014.5003016.0010.1602113.28前4 門架208.014.5003016.00-89.000-18512NO1 壓載艙（P&M&S）1200.02.7503300.0033.85540626NO5 壓載艙（P&S）700.02.7501925.00-9.150-6405合計(jì)5269.08.26943568.30-0.936

12、-4930.54 91.5m駁船承運(yùn)的轉(zhuǎn)盤呈“品”字形裝載在該駁船甲板的后方，駕駛員面向駁船的尾部，裝載區(qū)域長度36.60m，對應(yīng)船體結(jié)構(gòu)為#0-#20肋位之間，每臺轉(zhuǎn)盤總重量為453噸。根據(jù)實(shí)際綁扎要求：（1）1#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)甲板#13-#19肋位間，轉(zhuǎn)盤高度為8.9m，轉(zhuǎn)盤右側(cè)距甲板重心2.45m，距甲板右舷邊緣約0.8m。（2）2#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)甲板#13-#19肋位間，轉(zhuǎn)盤高度為8.9m，轉(zhuǎn)盤右側(cè)距甲板重心1.05m，距甲板右舷邊緣約2.25m。（3）3#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)甲板#2-#9肋位間，轉(zhuǎn)盤高度為8.9m，轉(zhuǎn)盤總成居于甲板中心裝載。（如圖3所示）圖3 門機(jī)和轉(zhuǎn)盤分布圖通過以上計(jì)算

13、可以發(fā)現(xiàn)，在對載荷計(jì)算過程中已經(jīng)考慮船舶傾斜以及風(fēng)等因素的影響。由于91.5m駁船在航行至連云港正東海域，因大風(fēng)導(dǎo)致駁船搖擺，將3臺轉(zhuǎn)盤臂架大組件墜入海中，這樣載荷施加與實(shí)際情況相符合。將以上綁扎桿件的載荷施加到10個(gè)具體位置上，每個(gè)轉(zhuǎn)盤底部與甲板接觸面積為15m2來計(jì)。具體施加如圖4所示。 圖4載荷加載從91.5m配載圖中看出，甲板前部裝載的四訂座門架及門機(jī)配件是不對稱放置的，在遇有風(fēng)浪時(shí)會加大向一舷的傾斜，在計(jì)算載荷時(shí)已經(jīng)考慮橫向滑移力。在事故當(dāng)時(shí)風(fēng)向及風(fēng)浪達(dá)到6級的情況下，船舶的橫揺度計(jì)算時(shí)達(dá)到13度。本計(jì)算按照實(shí)際綁扎的要求進(jìn)行計(jì)算，暫且認(rèn)為綁扎位置不變的情況進(jìn)行考慮，如果計(jì)算值超出許

14、用值的話，將提出一系列加強(qiáng)措施來彌補(bǔ)綁扎時(shí)候出現(xiàn)的缺陷。焊接位置的強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告中體現(xiàn)不出，只能認(rèn)為本報(bào)告計(jì)算強(qiáng)度的問題跟焊接技術(shù)方面沒有直接聯(lián)系。本船由于貨物的裝載過程中會出現(xiàn)較大縱傾或是橫傾現(xiàn)象，首中部艙內(nèi)通過設(shè)置壓載水進(jìn)行調(diào)節(jié)5。 3.3 計(jì)算結(jié)果通過有限元計(jì)算，結(jié)合甲板部位變形的仿真計(jì)算結(jié)果。可以得出：（1）1#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)轉(zhuǎn)盤總成配重后側(cè)的2根撐桿連接在船20#-21#肋位間的甲板上的耳板，變形略上翻；轉(zhuǎn)盤總成右側(cè)3根撐桿也呈現(xiàn)一定形狀，變形向內(nèi)側(cè)明顯上翻；轉(zhuǎn)盤總成左側(cè)有2根撐桿耳板裂口，變形呈現(xiàn)向下彎曲，另外一個(gè)向上；轉(zhuǎn)盤總成前部2根撐桿裂口，位于10#-11#肋位之間，變形呈現(xiàn)向

15、下大的彎曲。（2）2#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)轉(zhuǎn)盤總成配重后側(cè)的2根撐桿連接在船20#-21#肋位間的甲板上的耳板，變形略上翻；轉(zhuǎn)盤總成右側(cè)3根撐桿也呈現(xiàn)一定形狀，變形向下彎曲；轉(zhuǎn)盤總成左側(cè)有2根撐桿耳板裂口，變形呈現(xiàn)向上彎曲，彎曲量比較明顯；轉(zhuǎn)盤總成前部2根撐桿裂口，位于10#-11#肋位之間，變形呈現(xiàn)板向上彎曲。（3）3#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)與91.5m駁船甲板焊接的撐桿連接耳板部位全部撕裂；轉(zhuǎn)盤總成配重前側(cè)的2根撐桿裂口呈現(xiàn)一定形狀，變形呈現(xiàn)略上翻；轉(zhuǎn)盤總成配重左側(cè)的3根撐桿裂口呈現(xiàn)一定形狀，變形呈現(xiàn)略上翻；轉(zhuǎn)盤總成配重后側(cè)的2根撐桿裂口呈現(xiàn)一定形狀，變形呈現(xiàn)略下翻；轉(zhuǎn)盤總成配重前側(cè)的3根撐桿裂口呈現(xiàn)一

16、定形狀，變形呈現(xiàn)略下翻。以上計(jì)算與船舶實(shí)際破損情況跟實(shí)際情況比較接近，如圖5所示。 圖5 現(xiàn)場甲板破損圖 圖6 甲板相當(dāng)應(yīng)力云圖通過以上計(jì)算，匯總該工況下的應(yīng)力結(jié)果。見表2。表2應(yīng)力匯總 構(gòu)件名稱許用應(yīng)力（N/mm2）計(jì)算應(yīng)力（N/mm2）是否滿足規(guī)范甲板se220198滿足船底板se220105滿足舷側(cè)外板、縱艙壁se22096.5滿足t17351.2滿足甲板縱桁se235112滿足t11557.8滿足甲板強(qiáng)橫梁se175273滿足t95155滿足橫艙壁se175124滿足t9566.4滿足通過圖6和表2可以得出：甲板、船底板、舷側(cè)外板以及橫縱艙壁結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，而甲板內(nèi)部的強(qiáng)

17、橫梁計(jì)算應(yīng)力大于許用應(yīng)力，甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足規(guī)范的要求。甲板板架區(qū)域由于轉(zhuǎn)盤位置處的載荷比較大，出現(xiàn)較大的變形，而門機(jī)區(qū)域載荷較小未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力超出許用值。這些跟實(shí)際事故照片相一致。雖然甲板應(yīng)力值小于220MPa，一旦甲板強(qiáng)橫梁結(jié)構(gòu)失效，甲板強(qiáng)度也會隨著出現(xiàn)撕裂等現(xiàn)象。綜合以上分析，得出造成這一現(xiàn)象的原因主要是門機(jī)綁扎在甲板上的生根位置不當(dāng)以及甲板與轉(zhuǎn)盤接觸部位加強(qiáng)不當(dāng)造成，因此須對綁扎位置或者綁扎生根處的船體進(jìn)行局部加強(qiáng)。4 結(jié)語對重大件貨物的綁扎，首先要正確選擇綁扎索具。常用的綁扎索具有纖維繩、鋼絲繩和鏈條，并且配合松緊螺絲、卸扣等一起使用。綁扎重大件貨物宜用鋼絲繩及鏈條。使用鏈條綁扎方便、速度快；但不易收緊；使用鋼絲繩則較易收緊但綁扎沒有鏈條方便，各有利弊，應(yīng)根據(jù)具體情況選用。重大件貨物的綁扎還應(yīng)注意以下一些問題：（1）綁扎松緊要適宜。要求綁扎緊固，不使其松動(dòng)，又要防止過緊折斷。同時(shí)又要易于解開，以便萬一發(fā)生意外時(shí)能立即松綁。（2）提高綁扎效果，節(jié)省綁索為此綁扎角盡可能小，并應(yīng)使各道綁索受力均衡。（3）保證貨件不受損傷。為避免綁索直接接觸貨物表面，壓損或磨損貨件，應(yīng)在規(guī)定的部位進(jìn)行綁扎，必要時(shí)應(yīng)在綁扎部位先加鋪墊。對于怕水濕的貨物，除合理選擇貨位外，在綁扎前應(yīng)先鋪蓋油布，易腐蝕部位應(yīng)涂 以防