CN100415433C - 具有应力消除槽的机械焊接结构及装有这种结构的液化气运输船 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机械焊接结构，该结构具有在平面内延伸且通过一侧的直边缘(15)定界的第一平坦的薄金属结构元件(10)、和第二金属结构元件(20)，该第二金属结构元件焊接在第一结构元件(10)的直边缘(15)上、或焊接在与所述直边缘(15)连接且插入第一和第二结构元件(10，20)之间的中间元件(25)上，第二结构元件(20)在所述直边缘(15)的至少一点(151)上施加作用力，该力分解为至少一个在垂直于所述直边缘(15)的所述平面内延伸的分量。根据本发明，第一结构元件(10)具有平行于所述直边缘(15)延伸、且面对所述作用力施加的点定位的应力消除槽(12)。

Description

具有应力消除槽的机械焊接结构及装有这种结构的液化气运输船
技术领域
本发明涉及金属结构工业。
更准确地说，根据第一方面，本发明涉及一种机械焊接结构，该结构具有在平面内延伸且通过一侧的直边缘定界的第一平坦的薄金属结构元件、和第二金属结构元件，该第二金属结构元件焊接在第一结构元件的直边缘上，或焊接在与所述直边缘连接且插入在第一和第二结构元件之间的中间元件上，第二结构元件在所述直边缘的至少一点上施加作用力，该力分解为至少一个在垂直于所述直边缘的所述平面内延伸的分量。
背景技术
这种类型的结构在现有技术中是公知的，且在各种各样的金属结构中使用。
它们尤其用于通称为甲烷运输船的液化气运输船的结构中。
甲烷运输船被分成许多隔舱，每个隔舱装有液化气罐。每个罐具有用于容纳气体的主隔板和次隔板，它们连接于焊在隔舱壁上的锚固条上。主绝热装置使主防壁与次防壁隔绝，且次绝热装置使次防壁与隔舱壁隔绝。肋板形式的加强筋焊在所述壁的外表面上。
加强筋、锚固条和隔舱壁构成了上述类型的机械焊接结构，且分别对应第一结构元件、第二结构元件和中间元件。
这些船具有的缺点是，隔舱壁上特定锚固条的焊缝承受较大的疲劳应力。
实际上，这些焊缝承受由隔板施加给锚固条的应力造成的永久载荷。当罐充满液化气时，这些隔板承受非常低的温度，它们收缩、朝隔舱内部牵拉锚固条。
而且，船承受着浪涌造成的交替延伸和纵向压缩循环。这些延伸和压缩产生的周期性应力增加了焊缝的永久载荷。
当锚固条处于特定的刚性壁位置时，在船运行多年之后可能在特定焊缝中出现疲劳破坏。在锚固条位于加强筋附近时尤其如此，特别是当锚固条和加强筋在壁的两侧互相面对地布置，且如图1所示相交时。
一种类似结构公开在专利文献US6009821中。在公开在专利文献CN1200782中的另一种结构中，第一和第二结构元件包括狭槽，但该方案不能满意地提高结合处耐机械疲劳和周期应力的特性。
发明内容
就此而言，本发明旨在弥补上述缺陷。
为此，根据在前言中给出的一般定义的本发明结构，主要特征在于第一结构元件具有平行于所述直边缘延伸、且面对所述作用力施加的点定位的应力消除槽。
在本发明的可行实施例中，应力消除槽位于紧接所述直边缘附近的位置。
有利的是，应力消除槽静止时小于2cm宽。
优选的是，第一结构元件具有沿平行于所述直边缘的方向细长的形状，第一结构元件在所述力作用的点的高度具有垂直于所述方向的第一尺寸，所述应力消除槽具有沿所述方向大于所述第一尺寸的长度。
例如，应力消除槽在相对的两端通向在第一结构元件上钻出的圆孔，这些孔具有至少是所述应力消除槽宽度的三倍的直径。
有利的是，第一结构元件在所述圆孔周围通过垫板加强。
根据第二方面，本发明涉及一种液化气运输船，该船具有船体、由连接于船体的隔板分隔的隔舱、和排布在隔舱内的液化气存储罐，隔舱的隔板至少之一是前述类型的机械焊接结构，该隔板具有构成中间元件的壁、焊接在所述壁的与存储罐相对的外表面上且构成第一结构元件的至少一个加强筋、以及焊接在所述壁的与所述外表面相对的内表面上的部件，比如角撑板或锚固元件，该部件构成了第二结构元件。
有利的是，第二结构元件是锚固元件，所述存储罐具有连接于该锚固元件的液化气容纳隔板，施加在加强筋上的力是由容纳隔板施加在锚固元件上的应力产生的。
优选的是，锚固元件是在垂直于加强筋的平面内延伸的锚固条。
例如，所述壁在垂直于船运动的正常方向的平面内延伸，加强筋在垂直于所述壁的平面内延伸。
从下面以象征性的非限制方式参照附图给出的描述，本发明的其他特征和优点将更为明显。
附图说明
图1是本发明的机械焊接结构的第一实施例的斜视图；
图2A是在没有应力消除槽的典型载荷下，图1中结构的下四分之一的应力等级示意图，图2B是第二结构元件中应力的放大顶视图；
图3A是相当于图2A的图，指的是设有应力消除槽的结构，图3B是第二结构元件中应力的放大顶视图；
图4是本发明的气体运输船的机械焊接结构第一示例的斜视图；
图5是本发明的液化气运输船的机械焊接结构第二示例的斜视图；
图6是本发明的液化气运输船的机械焊接结构第三示例的透视图；
图7是本发明的船的简化示意图；
图8A至8C是在由图1中的箭头VIII限定的平面内的截面，示出了应力消除槽的三个实施例变体。
具体实施方式
图1中示出的机械焊接结构具有在平面P内延伸的第一平坦的薄金属结构元件10，该元件在一侧由直边缘15定界，该机械焊接结构还具有焊接在连接到该直边缘15的中间元件25上的第二金属结构元件20。
中间元件25插入在第一和第二结构元件10和20之间，第二结构元件20在直边缘15的至少一个点151处施加力F，该力分解成至少一个在垂直于直边缘15的平面P内延伸的分量。
在图1中，中间元件25是平坦的金属板，第一结构元件10是焊接在板25的第一表面251上的肋板，且第二结构元件20是焊接在所述板的与第一表面相对的第二表面252上的另一肋板。
第二结构元件20具有焊接在板25上的直连接边缘21。
第一和第二结构元件10和20互相面对地排布在壁25的两侧上，且以直角相交。
力F施加的点151对应于第一和第二结构元件10和20的相交点。
第一结构元件10在其上延伸的平面P基本上垂直于板25。类似地，第二结构元件20在垂直于板25的平面内延伸。
根据本发明，第一结构元件10具有平行于直边缘15延伸、且面对力F作用的点151定位的应力消除槽12。
通过比较图2A、2B和图3A、3B，人们当然看出了这种应力消除槽的优点。
图2A表示在没有应力消除槽的典型载荷下机械焊接结构中的应力等级。所述结构被相等的应力线分成区，且给每一区赋予表现应力等级的代码。所述代码可以采用值a、b、c、d、e、f或g，以这一顺序对增加的应力等级编码。
在图2A和2B中可以看出，位于第一和第二结构10和20之间的相交点151周围的区域标为代码g。
第二结构元件20的焊缝上的应力大致同心地逐渐减小，从g至a移离点151，这在图2B中可以看出。
图3A和3B示出了在有应力消除槽12的相同载荷条件下的应力等级。这些等级以与图2A和2B相同的方式编码。
如图3A所示，应力消除槽12在力F的作用下打开。该槽由与直边缘15平行且分别离这一直边缘15更近和更远的纵向近边缘122和远边缘123限界。远边缘123基本上保持笔直。另一方面，近边缘122在变形过程中与远边缘123分离。
如图1所示，应力消除槽12这样布置，即相交点151面对槽12的中心点定位。该中心点位于槽的两相对纵向端121之间的中间位置。
如图3A所示，近边缘122与远边缘123在应力消除槽12的中心处沿直边缘15的方向有很大的分离，而在槽的两纵向边缘121处没有与远边缘123的明显分离。
相交点151的区域内的应力极大地减小，该区域仅标为代码为c的应力等级。
如前所述，第二结构元件20的焊缝上的应力大致同心地逐渐减小，从c至a移离点151，如图3B所示。
应力消除槽12具有显著减小这一焊缝的所述位置处应力的作用。
优选的是，应力消除槽12布置在紧接直边缘15附近的位置。其位置的精确选择是由本领域的专家根据结构的不同元件的几何特性和材料作出的。
这种选择取决于两个相互对立的要求。
一方面，对于槽来说必须充分靠近直边缘15，以使近边缘122可以容易地变形。另一方面，必须不能太靠近，以便在第一结构元件10中切出所述槽时，使板25上的第一结构元件10不受到损坏。
如果需要，所述槽可以沿板25加工出，如图8a和8c所示。在这种情况下，它在第一结构元件10的直边缘15内切出，其远边缘123属于第一结构元件10，其近边缘122属于板25。这种配置可以使近边缘122最大变形。
在后一种情况下，应力消除槽12不能在第一结构元件10焊接在板25上之后现场切出。相反，该槽在车间内在直边缘15上切出，然后将第一结构元件安装在板25上。
而且，应力消除槽12在静止时，也就是说在没有力F时，在横向方向上具有小于2cm的宽度。
这一宽度主要由用于加工所述槽的刀具决定。它必须不能太大，以便不改变第一结构元件10的惯性。
如果所述槽主要在张力下工作，也就是说如果力F趋于使近边缘122与远边缘123分离，那么所述槽的宽度最好约为1mm。
如果所述槽工作在张力和压力下，也就是说如果力F趋于使近边缘122和远边缘123分离、或使它们接近，那么根据情况，所述槽具有5-20mm的宽度。这种槽在图8A中示出。
如图1所示，第一结构元件10具有在相交点151的位置处垂直于直边缘15的第一尺寸，所述应力消除槽具有比所述第一尺寸大的纵向长度。
这一特性可以使近边缘122具有足够的柔性。
应力消除槽12在其相对两端121通向在第一结构元件10中钻出的圆孔13。这些孔13具有最好是应力消除槽12宽度的三倍的直径。
对于5mm宽的槽，孔13具有30mm的直径。
这些孔具有与应力消除槽12对齐排列的中心。
在应力消除槽紧靠板25排布的情况下，圆孔13沿着与直边缘15相对的方向偏心。
在这种情况下它们通过从远边缘123开始并延伸超过约240°的圆弧形状的边缘定界，且通过直到板25的直线边缘延长，该直线边缘垂直于板25。所以，孔13在板25一侧开口，如图8A和8C所示。
这些孔可以减小作用在应力消除槽12端部121的应力。在没有孔的情况下，这些应力会非常大，所以最后在这些端部会有很大的撕裂危险。
然而，当槽12的近边缘和远边缘122和123分离时，孔13周围的应力较高。为了增加这一区域的强度，第一结构元件10在圆孔13周围通过图4和5中示出的垫板14加强。
这些垫板中的每一个都是焊接在第一结构元件10上的钢环形式。对于30mm直径的孔13来说，每一环都具有约70mm的直径，且具有中心开口，该中心开口具有与孔13相同的直径，且与之对齐。
这种类型的机械焊接结构可以自然地用于甲烷运输船类型的液化气运输船。
这种船在图7中示出，它具有在船的正常运动方向上细长的船体30、由连接于船体30的隔板50限界的隔舱40、以及排布在隔舱40内的液化气存储罐60。
隔舱40的两隔板是上述类型的机械焊接结构。
这些隔板50的每一个都具有构成中间元件25的壁51、焊接在所述壁的与存储罐60相对的外表面511上且构成第一结构元件10的至少一个加强筋52、以及焊接在壁51的与所述外表面511相对的内表面512上的至少一个部件，比如加强角撑板或锚固元件，该部件构成第二结构元件20。
在图7所示的实施例中，每一壁51具有两个构成锚固元件的第二元件20，存储罐60包含两个连接于这些锚固元件的液化气容纳隔板61，加强筋52承受由容纳隔板61施加在锚固元件上的应力产生的作用力。
这些锚固元件是在垂直于加强筋52的平面内延伸的锚固条62。
壁51在垂直于船的正常前进方向的平面内延伸，加强筋52在垂直于壁51的平面内延伸。
此时，图1的元件配置恰好再次见到。
加强筋52具有两个面对锚固条62布置的应力消除槽12。
船的其他结构可以具有上述机械焊接结构的特性。
第一示例在图4中示出，且对应于横向隔板50t和纵向隔板50l之间的拐角，这些隔板是与如图7所述的隔板50相同的类型。
横向隔板50t具有横向壁51t、和焊接在横向壁51t的外表面上的横向加强筋52t。
类似地，纵向隔板50l具有纵向壁51l和焊接在纵向壁51l的外表面上的纵向加强筋52l。
横向壁51t在垂直于船的正常运动方向的平面内延伸。纵向壁51l在平行于船的正常运动方向的平面内延伸。它们各自的内表面512形成直角，且具有共用边缘。
纵向加强筋51l和横向加强筋51t在垂直于横向壁51t和纵向壁51l的同一平面内延伸。
锚固托架54焊接在所述两内表面512形成的拐角内。该托架用于在隔舱40的拐角内连接储罐60的容纳隔板61。
这一托架是L形的，且具有平行于横向壁51t延伸的第一分支541、和平行于纵向壁51l延伸的第二分支542。这些分支都互相垂直连接。
所述托架具有在两分支的连接点处的肘弯部分，该肘弯部分指向纵向壁50l和横向壁50t的共用边缘。
第一和第二分支541和542都分别通过焊接在横向壁51t和纵向壁51l的内表面上的锚固点543连接。
第一分支541的锚固点543沿焊接在横向壁51t上的横向加强筋52t的边缘排布。
类似地，第二分支541的锚固点543沿焊接在纵向壁51l上的纵向加强筋52l的边缘排布。
应力消除槽12在横向加强筋52t内延伸，面对第一分支541的锚固点543，且可以限制这些锚固点543的焊缝上的应力。
如图4所示，最接近纵向壁的锚固点543面对槽12的端部121排布，离纵向壁最远的锚固点543面对槽12的中心排布。
第二示例在图5中示出。它涉及一种如图7所述的隔板50类型的隔板。焊接在壁51的内表面512上的部件是支撑梁55的角撑板53。梁55可用于隔板61或其应力需要吸收的其他元件的连接。
角撑板53具有直角三角形的总体形状，具有形成直角的支撑边缘531和连接边缘532。支撑边缘531焊接在梁55上，连接边缘532焊接在壁51的内表面512上。
连接边缘532沿焊接在壁51上的加强筋52的边缘延伸。应力消除槽12在加强筋52内加工出，面对角撑板53的连接边缘532。
槽12的中心面对离梁55最远的连接边缘532端部排布。
最后的示例在图6中示出，相当于如图7所述的隔板50类型的两隔板之间的拐角。这种结构非常类似于图4的结构，唯一的区别是锚固托架54由加强角撑板53代替，且横向加强筋52t平行于而不是如图4垂直于纵向壁51l延伸。
角撑板53具有焊接在横向壁51t的内表面512上的第一边缘和焊接在纵向壁51l的内表面512上的第二边缘。
第一边缘与横向加强筋51t(原文如此；52t)相交。应力消除槽12在该加强筋上加工出，且使第一边缘与该槽12在其中心处相交。
所以，实际上上述类型的机械焊接结构尤其适用于液化气运输船，但也可以用于任何种类的金属结构。
已经描述的示例主要涉及船的隔板，该隔板垂直于船的正常运动方向，但不限制本发明的机械焊接结构用于构成沿不同方向确定方位的隔板。
中间元件比如壁可以插入第一和第二结构元件之间，但第一结构元件也可以直接互相焊接。
本发明的应力消除槽可以减小不同结构元件中的应力，因此可以减少关于确定这些元件尺寸的要求。
由此可以在材料方面节省和经济节省。
在焊缝上的应力较小时，也可以更容易地进行对这些焊缝的调整控制。
最后，应当指出的是，构成本发明的结构的不同元件通常由碳钢制成，但也可以使用其他材料，而不脱离本发明的范围。

Claims (9)

1. 一种机械焊接结构，该结构具有在一平面内延伸且通过一侧的直边缘(15)定界的第一平坦的薄金属结构元件(10)、和第二金属结构元件(20)，该第二结构元件焊接在第一结构元件(10)的直边缘(15)上，或焊接在与所述直边缘(15)连接且插入在第一和第二结构元件(10，20)之间的中间元件(25)上，第二结构元件(20)在所述直边缘(15)的至少一点(151)上施加作用力，该力分解为至少一个在垂直于所述直边缘(15)的所述平面内延伸的分量，第一结构元件(10)具有平行于所述直边缘(15)延伸、且面对所述作用力施加的点定位的应力消除槽(12)，其特征在于，第一结构元件(10)具有沿平行于所述直边缘(15)的方向细长的形状，第一结构元件(10)在所述力作用的点(151)的位置具有垂直于所述方向的第一尺寸，所述应力消除槽(12)具有沿所述方向大于所述第一尺寸的长度。
2. 如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述应力消除槽(12)位于紧接所述直边缘(15)附近的位置。
3. 如权利要求2所述的结构，其特征在于，所述应力消除槽(12)静止时小于2cm宽。
4. 如权利要求1所述的结构，其特征在于，应力消除槽(12)在两相对端(12)呈现为在第一结构元件(10)上钻出的圆孔(13)，这些孔具有是所述应力消除槽(12)宽度的至少三倍的直径。
5. 如权利要求4所述的结构，其特征在于，第一结构元件(10)在所述圆孔(13)周围通过垫板(14)加强。
6. 一种液化气运输船，该船具有船体(30)、由连接于船体(30)的隔板(50)分隔的隔舱(40)、和排布在隔舱(40)内的液化气存储罐(60)，隔舱的隔板(50)至少之一是如权利要求1至5任一所述的机械焊接结构，该隔板具有构成中间元件(25)的壁(51)、焊接在壁(51)的与存储罐(60)相对的外表面(511)上且构成第一结构元件(10)的至少一个加强筋(52)、以及焊接在壁(51)的与所述外表面(511)相对的内表面(512)上的部件，该部件构成了第二结构元件(20)。
7. 如权利要求6所述的船，其特征在于，第二结构元件(20)是锚固元件(54，62)，存储罐(60)具有连接于该锚固元件(54，62)的液化气容纳隔板(61)，施加在加强筋(52)上的力是由容纳隔板(61)施加在锚固元件(54，62)上的应力产生的。
8. 如权利要求7所述的船，其特征在于，所述锚固元件是在垂直于加强筋(52)的平面内延伸的锚固条(62)。
9. 如权利要求6至8任一所述的船，其特征在于，所述壁(51)在垂直于船运动的正常方向的平面内延伸，加强筋(52)在垂直于所述壁(51)的平面内延伸。
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