СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСА СУДНА
METHOD OF ESTIMATING AVAILABLE INDEX OF SHIP HULL

Техническое состояние корпуса судна является одним из важнейших факторов обеспечения безопасности мореплавания и эффективности эксплуатации судна. Для осуществления текущего контроля технического состояния корпуса судна в ходе его эксплуатации необходимы методики, позволяющие осуществлять указанный контроль оперативно и с минимальными затратами. Предлагаемый способ относится к практическим методам исследования надежности и прогнозирования технического состояния корпуса судна для судов длиной 80 и более метров с использованием неразрушающей диагностики на основе системного изучения структурных повреждений корпусной стали, обусловленных усталостью материала.
Известен способ определения технического состояния корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов (пат. РФ №2354964, опубл. 2009.05.10), включающий обнаружение в корпусе судна методами неразрушающего контроля внутренних дефектов типа расслоение, возникших в процессе эксплуатации, измерение их площади и сравнение величины данных площадей с предельно допустимым значением, рассчитанным из условия возникновения в зоне дефекта напряжений, превышающих предел прочности и способствующих устойчивому росту в композите дефектов типа расслоение. Известный способ обеспечивает достоверную оценку технического состояния корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов, но не позволяет оценить техническое состояние стальных корпусов.
Наиболее близким к заявляемому является способ прогнозирования технического состояния корпуса судна (пат. РФ №2406637, опубл. 2011.04.07), включающий определение диагностируемого параметра через заданное время, определение расчетного ресурса и назначенного ресурса, анализ технического состояния путем сравнения расчетного ресурса с назначенным ресурсом, причем в качестве назначенного ресурса используют срок эксплуатации судна, в качестве диагностируемого параметра используют остаточную толщину корпуса, при этом производят условную разбивку корпуса судна на элементы, присваивают каждому элементу номер, определяют остаточную толщину каждого элемента, производят расчет срока его службы и определяют γ-процентный срок службы упомянутых элементов корпуса судна, за расчетный ресурс принимают определяемый в годах γ-процентный (γ=0,8) срок службы для упомянутых элементов корпуса судна, анализ технического состояния проводят путем сравнения рассчитанных для каждого элемента корпуса судна γ-процентных сроков службы со сроком эксплуатации судна.
Известный способ не учитывает деградацию корпусной стали вследствие развития ее структурной поврежденности, которая является основной характеристикой проявления усталости материала, вследствие чего способ не позволяет достоверно оценить техническое состояние корпуса судна.
В настоящее время установлена однозначная зависимость между структурой материала и его сопротивлением разрушению. Поэтому при прогнозировании остаточного ресурса корпуса судна и отдельных его конструкций необходима объективная оценка структурной поврежденности корпусной стали с учетом истории ее развития. В обеспечении безопасности корпуса судна при проектировании и на разных стадиях эксплуатации важно уметь прогнозировать его поведение при наличии структурной поврежденности корпусной стали, а также оценивать допустимый уровень указанного повреждения.
Задачей изобретения является создание достоверного способа оценки технического состояния корпуса судна с применением неразрушающей диагностики.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение достоверности оценки технического состояния корпуса судна путем учета структурного повреждения корпусной стали.
Указанный технический результат достигается способом оценки технического состояния корпуса судна, включающим определение диагностируемого параметра через заданное время, определение расчетного ресурса и назначенного ресурса и анализ технического состояния путем сравнения расчетного ресурса с назначенным ресурсом, в котором, в отличие от известного, в качестве диагностируемого параметра используют установленную с заданной вероятностью превышения протяженность l структурного повреждения стальных накладных листов-«свидетелей», размещаемых в наиболее нагруженной части корпуса судна, расчетный ресурс Т (в секундах) подсчитывают по формуле:
где
o
N, m - параметры стандартной усталостной кривой для стали,
- безразмерная величина амплитудных значений переменных напряжений в цикле их изменения,
a
σ - амплитудное значение переменных напряжений в цикле,
σ
s - величина стандарта волновых напряжений,
- предел усталости корпусной стали со структурными повреждениями,
e
T - средний период изменения волновых напряжений (с), определяемый по формуле Шлика:
4
где D - водоизмещение судна, тонн; L - длина судна, м; I - момент инерции миделевого сечения, см,
при этом для определения значения предела усталости  используют его аналитическое выражение для симметричного цикла нагружения:
где l - установленная с заданной вероятностью превышения протяженность структурного повреждения; µ - коэффициент Пуассона;  - предельный размах порогового коэффициента интенсивности напряжений при симметричном цикле нагружения;
T
σ - предел текучести корпусной стали,
а в качестве назначенного ресурса используют суммарную продолжительность вероятного волнового воздействия на корпус судна в течение остаточного периода эксплуатации судна.
При оценке продолжительности вероятного волнового воздействия на корпус судна в течение остаточного периода его эксплуатации учитывают вероятность упомянутого волнового воздействия и вероятность эксплуатационной востребованности судна (вероятность его нахождения в море) в указанный период.
Кроме того, для повышения достоверности оценки технического состояния корпуса судна с учетом истории нагружения и развития структурных изменений корпусной стали, протяженность l структурного повреждения стали корпуса определяют по результатам статистической оценки измеренной металлографическим методом величины структурных дефектов одного из 4-6 накладных листов-«свидетелей», размещаемых в районе миделя на уровне ширстрека. Оставшиеся накладные листы продолжают выполнять функцию «свидетелей» структурных изменений стали до момента проведения следующего технического освидетельствования, при этом последний накладной лист позволяет судить о структурном состояния корпусной стали на заключительном этапе эксплуатации судна.
Таким образом, предлагаемый способ оценки технического состояния корпуса судна основывается на системном изучении структурных повреждений корпусной стали, эволюция которых во времени определяется случайными, циклически действующими волновыми нагрузками, при этом величину структурного повреждения стали корпуса судна определяют на основе фактических данных, по которым стандартными статистическими методами создаются вероятностные модели, позволяющие сформировать предсказания или вероятностные суждения относительно проявления структурных изменений и развития их во времени.
Структурное повреждение металла, в частности корпусной стали, характеризуется пределом усталости . В настоящее время получен целый ряд расчетных зависимостей, позволяющих определить предел усталости металла по характеристикам его структурной поврежденности и его структурного состояния. Однако, как правило, их применение требует достаточно сложных структурных измерений с использованием образцов, взятых непосредственно из объекта исследования, а также дорогостоящего аппаратурного оснащения. При вычислениях с помощью применяемой в предлагаемом способе аналитической зависимости используются экспериментальные данные (значения диагностируемого параметра), полученные с помощью сравнительно простых металлографических измерений образцов-«свидетелей», не требующих изъятия частей корпуса судна.
Способ осуществляют следующим образом.
В районе миделя на уровне ширстрека как наиболее нагруженной части корпуса судна, длина которого составляет не менее 80 м, размещают 4÷6 дополнительных конструктивных элементов в виде стальных накладных листов, работающих в качестве «свидетелей» структурной поврежденности корпусной стали (фиг.1; стрелками отмечены места размещения накладных листов-«свидетелей»). Следует отметить, что суда меньшего размера менее чувствительны к обусловленным волновым воздействием переменным нагрузкам, которые при малом размере судна не оказывают существенного влияния на развитие структурных поврежденностей корпусной стали.
С периодичностью каждые 5 лет (регламентно), осуществляют плановую диагностику состояния корпусной стали на предмет развития ее структурной поврежденности. Для этого образцы, подготовленные на основе фрагментов одного из упомянутых накладных стальных листов-«свидетелей» (очередного), изучают с помощью металлографического микроскопа с соответствующей разрешающей способностью. Протяженность структурных дефектов стали (фиг.2, увеличение ×500) измеряют с помощью компьютерной программы обработки и анализа изображений, в частности Image Tool for Windows (Version 3.00), по нескольким полям видимой в микроскоп структуры.
Полученные результаты измерений заносят в таблицу (табл.1) и подвергают стандартной статистической обработке в соответствии с существующими на этот счет рекомендациями (Екимов В.В. Вероятностные методы в строительной механике корабля. - Л.: Судостроение, 1966. - 328 с.; Крамер Г. Вероятностные методы статистики. - М.: Мир, 2001. - 648 с.).
Все проводимые расчеты автоматизированы и осуществляются по заданным алгоритмам.
По результатам статистической оценки этих результатов осуществляют вероятностную оценку протяженности структурного повреждения, т.е. с заданной вероятностью превышения (с определенной степенью вероятности) (табл.2-4) определяют протяженность (величину) структурного повреждения l, которую используют в качестве диагностируемого параметра.
Используя полученное значение величины структурного повреждения l, с помощью уточненной аналитической зависимости определяют предел усталости  стали корпуса судна (с учетом ее деградации):
где  - предельный размах порогового коэффициента интенсивности напряжений при определенной асимметрии цикла, характеризующейся коэффициентом асимметрии г (при симметричном цикле нагружения r=-1);
- пороговый коэффициент интенсивности напряжений при отнулевом цикле, который устанавливают, используя зависимость, показанную на фиг.4,
при отнулевом цикле (r=0);
T
σ. - предел текучести корпусной стали.
-1
Поскольку, в соответствии с приведенными выше выражениями, при отнулевом цикле нагружения , то для симметричного цикла нагружения получают значение предела усталости σ:
-1
Затем, используя полученное значение σ, рассчитывают остаточный ресурс (в секундах) корпуса судна по формуле:
где
o
N, m - параметры усталостной кривой для стали (данные справочников),
σ
s - величина стандарта волновых напряжений,
- безразмерная величина амплитудных значений;
a
σ - амплитудное значение переменных напряжений в цикле,
e
T - средний период изменения волновых напряжений (с), определяемый по формуле Шлика:
4
где D - водоизмещение судна, тонн; L - длина, м; I - момент инерции миделевого сечения, см.
-5
-8
Умножением полученного значения остаточного расчетного ресурса Т на коэффициент 1,16·10 получаем остаточный ресурс, выраженный в днях. Для выражения остаточного ресурса в годах используют коэффициент 3,17·10.
ВВ
Э
ВВ
i
i
Bi
ЭВ
Оценку технического состояния корпуса судна осуществляют путем сопоставления полученного расчетом остаточного ресурса Т с назначенным ресурсом, в качестве которого используют суммарное время Т вероятного волнового воздействия на корпус судна в течение остаточного (на дату технического освидетельствования) эксплуатационного периода Т судна, которое определяется суммарным временем нахождения судна в различных эксплуатационных (волновых) режимах (Т=∑T,). При этом время T вероятного волнового воздействия в отдельном эксплуатационном режиме определяется вероятностью P проявления волнения и вероятностью Р эксплуатационной востребованности судна (вероятностью его нахождения в море) в этот промежуток времени по данным эксплуатационной службы:
i
Bi
ЭВ
Э
T=P·Р·Т.
Bi
ВВ
ЭВ
Э
С учетом того, что полная сумма вероятностей ∑P нахождения судна во всех отдельных волновых режимах равна 1, суммарное время нахождения судна в различных волновых режимах Т=Р·Т.
ВВ
Дальнейшая безопасная эксплуатация судна обеспечивается в том случае, когда расчетный остаточный ресурс Т превышает суммарное время Т вероятного волнового воздействия на корпус судна в течение остаточного срока эксплуатации (иными словами, время нахождения судна в море, или его морское время).
ВВ
Э
Использование в качестве назначенного ресурса суммарного времени вероятного волнового воздействия Т на корпус судна вместо времени Т остаточного эксплуатационного периода позволяет более достоверно оценить остаточную работоспособность корпусной стали на момент диагностики и точнее оценить перспективы работоспособности корпуса судна.
Пример конкретного осуществления способа
Была проведена оценка технического состояния выполненного из стали 09Г2С корпуса большого морского танкера “Владимир Колечицкий”.
Образцы кубической формы с размерами ребер не менее 10 мм были выполнены на основе фрагментов из «свидетелей» структурного повреждения корпусной стали, которые имеют вид накладных листов размером 60×500 мм (фиг.3) с соединительным сварным швом в средней части. После подготовки поверхности указанные образцы изучали на металлографическом микроскопе Leica DM4000M в состоянии до и после травления в 4% растворе азотной кислоты в спирте. Структурные дефекты измеряли при увеличении микроскопа ×500 с помощью программы Image Tool for Windows (Version 3.00). Исследования проводили по 10-12 полям видимой в микроскоп структуры.
Результаты металлографических измерений и характеристика структурных повреждений приведены в таблице 1.
В таблицах 2-4 показана статистическая обработка указанных результатов (стандартные расчетные формулы и полученные результаты).
Математическую обработку результатов осуществляют с помощью компьютера по заданному алгоритму.
С учетом статистических оценок структурных дефектов корпусной стали 09Г2С, измеренных в соответствии с предлагаемым способом металлографическим методом (таблицы 2-4), вероятность F проявления структурной поврежденности величиной l=248 мкм имеет следующее значение:
Вероятность превышения протяженности структурного повреждения l=248 мкм, или обеспеченность такого повреждения, составляет 0,02, или 2%.
Используя полученное значение l, проводят расчеты для низкоуглеродистой стали 09Г2С, для которой:
T
0,2
σ=σ=300÷308 МПа; µ=0,29;
;
;
MCe
MC
R=1,6R;
m=0,16,
MCe
где R - критерий, соответствующий началу самопроизвольного развития трещины,
MC
R - критерий, оценивающий сопротивление микроразрушению,
D - коэффициент перенапряжения, учитывающий повышение максимального (первого) главного напряжения,
стр
З
стр
З
d - структурный параметр, определяющий свойства структуры, d - максимальный размер зерна, при этом d=d/2,7 (Матохин Г.В. Оценка ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей: Монография. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2001. - 202 с.).
З
стр
З
-6
Металлографическими исследованиями стали 09Г2С установлено, что величина зерна d колеблется от 1,32 до 16 мкм, тогда d=d/2,7=16/2,7≅5,926 мкм=5,926·10 м.
Расчеты по приведенным выше формулам приводят к следующим результатам:
MCe
MC
R=1,6R=1,6·1425=2280 МПа;
отсюда значение предела усталости:
-1
Сравнение полученного приведенным выше расчетом значения предела усталости основного металла для стали 09Г2С, который основан на предлагаемой аналитической зависимости предела усталости металла от характеристик его структурной поврежденности, с его значением для симметричного цикла нагружения (σ=250 МПа), полученным по известным методикам на основе экспериментальных данных, обнаруживает различие всего 10,8%, что подтверждает достоверность и точность исходных данных предлагаемого способа.
σ
С учетом того, что средний период изменения волновых напряжений для загруженного состояния судна  для его состояния в балласте  стандарт волновых напряжений для корпусных сталей судов S=(20÷35) МПа; а предел прочности для стали 09Г2С не должен быть меньше 450МПа, значение расчетного ресурса стали корпуса БМТН на самом жестком волнении составляет 421 день (без учета концентрации напряжений).
ЭВ
В
При статистической вероятности пребывания судна в море, или вероятности его эксплуатационной востребованности, р=0,4, остаточном эксплуатационном периоде, равном 5 годам (Т=5 лет), и статистической вероятности волнового воздействия указанного режима волнения р=0,001 время Т' пребывания БМТ в данном эксплуатационном режиме:
В
ЭВ
Т'=рр·Т=0,001·0,4·5=0,02 года=7÷8 дней.
Таким образом, сталь корпуса БМТН «Владимир Колечицкий» на удалении от зон с повышенными напряжениями (в частности, сварного шва) по приведенным расчетам имеет остаточный ресурс, значительно превышающий время жестких волновых воздействий (рассматриваемое в данном случае в качестве назначенного ресурса).
Для учета последствий, вызванных сваркой (концентрации напряжений), при определении предела усталости образца корпусной стали 09Г2С (фрагмент накладного листа-«свидетеля» с БМТН «Владимир Колечицкий») с дефектом длиной 7÷8 мм вглубь сварного шва значение  которое соответствует увеличенным зернам аустенита в околошовной зоне, устанавливают по графику пороговых характеристик материалов (фиг.4) (Матохин Г.В. Оценка ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей: Монография. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2001. - 202 с.).
Используя полученное значение  по указанным выше формулам рассчитывают значение предела усталости при этом дефекте:
Для размера дефекта l=8 мм аналогичным образом устанавливают значение .
Таким образом, расчет предела усталости сварного соединения стали 09Г2С с дефектом длиной 7-8 мм вглубь сварного шва при симметричном цикле нагружения предлагаемым способом дает значения, практически совпадающие с данными (77 МПа), полученными по известным методикам.
Вычисление остаточного ресурса с использованием полученного значения предела усталости и с учетом концентрации напряжений в зоне сварного шва (коэффициент концентрации напряжений α приведен в справочниках, например, у Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. Пер. с английского. - М.: Мир, 1977, - 301 с.) дает значение расчетного ресурса Т≅5 дней. Таким образом, ресурс корпусной стали в зоне сварного шва будет исчерпан за короткий промежуток времени (малоцикловая усталость).
Однако сопоставление остаточного ресурса стали в зоне концентрации напряжений и вне ее свидетельствует об отсутствии повышенной деградации стали основных корпусных конструкций и характеризует отсутствие распространения структурной поврежденности из зоны сварного шва на сталь основных корпусных конструкций, расположенных вне зон малоцикловой усталости.
В противном случае, при выраженной деградации стали основных корпусных конструкций, наблюдалось бы объединение и накопление растущих структурных повреждений, их стремительное развитие с катастрофическими последствиями.
Предлагаемый способ с высокой степенью достоверности обеспечивает контроль деградации корпусной стали и направлен на предотвращение таких явлений в эксплуатации кораблей и судов.
Таблица 1
Начальные структурные повреждения стали 09Г2С
№ пп
Ширина дефекта мкм
Длина дефекта (l) мкм
Форма дефекта
1
21,7
37,2
Вытянутый
2
12,4
18,6
Вытянутый
3
74,4
Вытянутый
4
15,5
37,2
Вытянутый
5
9,3
9,3
Круглый
6
9,3
74,4
Вытянутый
7
6,2
34,1
Вытянутый
8
9,3
9,3
Круглый
9
От волосяной до 6,2
158,1
Вытянутый
10
6,2
6,2
Круглый
11
10,5
31,0
Вытянутый
12
21,7
130,2
Вытянутый
13
6,2
86,8
Вытянутый
14
Волосяной
77,5
15
6,2
31,0
Вытянутый
16
6,2
31,0
Вытянутый
17
31
31,0
Круглый
18
3,1
46,5
Вытянутый
19
12,4
12,4
Круглый
20
15,5
21,7
Вытянутый
21
6,2
58,9
Вытянутый
22
9,3
52,7
Вытянутый
23
От 3,1 до 31
204,6
Вытянутый
24
От 3,1 до 31
248
Вытянутый
25
3,1
3,1
Круглый
26
3,1
100
Вытянутый
27
6,2
9,3
Вытянутый
28
3,1
62
Вытянутый
29
3,1
77,5
Вытянутый
30
Волосяной
55,8
Отдельными участками на общей длине 232,5 мкм
31
9,3
18,6
32
Волосяной
12,4
33
Волосяной
6,2
34
Волосяной
9,3
35
9,3
241,8
Отдельными участками на общей длине 697,5 мкм
36
15,5
102,3
37
От 0,15 до 6,2
192,2
Таблица 2
Статистические характеристики протяженности повреждений (дефектов) стали 09Г2С
№ пп
Величина дефекта, l<sub>i</sub>, мкм
<img file="00000041.tif" he="8" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000042.tif" he="8" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
1.
37,2
28
704,00
2.
18,6
46,6
2171,56
3.
74,4
9,2
84,64
4.
37,2
28
784
5.
9,3
55,9
3124,81
6.
74,4
9,2
84,64
7.
34,1
31,1
967,21
8.
9,3
55,9
3124,81
9.
158,1
92,9
8630,41
10.
6,2
59,0
3481,0
11.
31,0
34,2
1169,64
12.
130,2
64,8
4193,4
13.
86,8
21,6
466,56
14.
77,5
12,3
151,29
15.
31,0
34,2
1169,64
16.
31,0
34,2
1169,64
17.
31,0
34,2
1169,64
18.
46,5
18,7
349,69
19.
12,4
52,8
2787,84
20.
21,7
43,5
1892,25
21.
58,9
6,3
34,69
22.
52,7
12,5
156,25
23.
204,6
139,4
19432,36
24.
248
182,8
33415,84
25.
3,1
62,1
3856,41
26.
100
34,8
1211,04
27.
9,3
55,9
3124,81
28.
62
3,2
10,24
29.
77,5
12,3
151,29
30.
55,8
9,4
88,36
31.
18,6
46,6
2171,56
32.
12,4
52,8
2787,84
33.
6,2
59
3481,0
34.
9,3
55,9
3124,81
35.
241,8
176,6
31187,56
36.
102,3
37,1
1376,41
37.
192,2
127,0
16129,00
<img file="00000043.tif" he="17" wi="55" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000044.tif" he="13" wi="92" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000045.tif" he="12" wi="109" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000046.tif" he="8" wi="73" img-content="undefined" img-format="tif" />
К таблице 2
σ<sup>2</sup> - дисперсия рассматриваемой совокупности l<sub>i</sub>,
s<sup>2</sup> - несмещенная оценка дисперсии, устраняющая отрицательное смещение
σ<sup>2</sup> от истинного значения из-за ограниченного количества l<sub>i</sub>,
s<sub>l</sub> - стандарт по несмещенной оценке дисперсии
Таблица 3
Характеристики статистического распределения величины повреждений
j
l<sub>j</sub>
l<sub>j+1</sub>, мкм
m<sub>j</sub>
<img file="00000047.tif" he="8" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000048.tif" he="8" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, мкм<sup>-1</sup>
1
0
35,43
17
0,459
0,013
2
35,43
70,86
7
0,189
0,0054
3
70,86
106,29
7
0,189
0,0054
4
106,29
141,72
1
0,027
0,00077
5
141,72
177,15
1
0,027
0,00077
6
177,15
212,58
2
0,054
0,00154
7
212,58
248
2
0,054
0,00154
l<sub>j</sub> и l<sub>j+1</sub> - границы разрядов статистического распределения
m<sub>j</sub> - количество повреждений l<sub>i</sub> в j разряде
<img file="00000049.tif" he="8" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /> - статистическая вероятность (возникновения повреждений l<sub>i</sub>) для каждого разряда
<img file="00000050.tif" he="8" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /> - плотность распределения статистической вероятности
Таблица 4
Основные результаты обработки экспериментальных данных
№ разряда j
m<sub>j</sub>
<img file="00000051.tif" he="13" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
P<sub>j</sub>
<img file="00000052.tif" he="14" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000053.tif" he="16" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000054.tif" he="13" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />
17
0,45946
0,418
0,0118
0,15215
<img file="00000055.tif" he="13" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
7
0,1892
0,243
0,00686
0,44089
<img file="00000056.tif" he="13" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
7
0,1892
0,1414
0,00399
0,5976
<img file="00000057.tif" he="13" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
6
0,1622
0,1743
0,00123
0,28833
∑
n=37
1,0002
0,9767
-
∑=χ<sup>2</sup>=1,19064
P<sub>j</sub> - вероятность разрядов для теоретического закона распределения
<img file="00000058.tif" he="14" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" /> - плотность распределения теоретической вероятности по разрядам
<img file="00000059.tif" he="16" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" /> - критерий Пирсона, оценивающий совпадение или несовпадение опытного закона с теоретическим.