Обеспечение усталостной прочности конструкций судов в эксплуатации

УДК 629.5.02

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ СУДОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

А.Г. Чесноков

Намечены основные пути обеспечения усталостной прочности конструкций эксплуатирующихся морских судов.

Библиогр. 12.

Усталостные трещины считаются наиболее опасными повреждениями корпуса судна, так как способны привести к разрушению его конструкций. Разрушение может произойти внезапно, даже при незначительных размерах начальных дефектов, или через определенное время, после распространения трещин.

Кроме того, что трещины снижают общую и местную прочность корпуса и отдельных его связей, они могут нарушить и его непроницаемость. Нарушение непроницаемости приводит к порче груза, выводу из строя рабочей аппаратуры, ухудшению условий обитаемости экипажа, а в некоторых случаях и к гибели судов из-за потери остойчивости и плавучести.

Появление усталостных повреждений, как правило, сопровождается выводом судов из эксплуатации с последующим ремонтом дефектных конструкций, чаще всего методом замены. А это наносит судовладельцу материальный ущерб, заключающийся как в прямых затратах, идущих на выполнение работ по устранению повреждений, так и сопутствующих, связанных с потерей прибыли из-за вынужденного простаивания судов.

Анализ показал, что усталостные повреждения конструкций судов обусловлены общим изгибом корпуса или местной деформацией его отдельных связей. Чаще трещины возникали в конструкциях, наиболее удаленных от нейтральной оси и растянутых на тихой воде. На пассажирских судах, плавбазах и сухогрузных судах трещины появляются в надпалубных конструкциях (рубки, продольные комингсы) и палубах [1,3,7-9], а на танкерах - в днище.

Источником повреждений, как правило, являются места с высокой концентрацией напряжений. К ним относятся различного рода дефекты (конструктивные, эксплуатационные и технологические) и прерывистые связи.

Характерным примером конструктивного дефекта являются узлы с жесткими точками, образованные пересечением плоских листовых элементов. Для исключения нежелательного пересечения листовых связей обычно используют - как это требуют нормативные документы - метод подкрепления, заключающийся в данном случае в установке книц или бракет в плоскости одного из листов. Размеры элементов подкрепления определяют специальным расчетом [2]. Однако в процессе эксплуатации судна выполнить эти рекомендации не всегда представляется возможным, поэтому перспективным считается направление разработки альтернативных схем оформления узлов, таких как, например, податливые соединения [3,4].

Эксплуатационные дефекты наружной обшивки корпуса в виде канавочного износа обычно устраняют методом замены участка обшивки с этим дефектом или наплавкой по ним сварных швов, что не всегда бывает оправданным. Применение же норм дефектации [5] при обосновании допускаемого канавочного износа наружной обшивки судов смешанного плавания чаще не дает положительного результата и на практике приводит к массовому появлению трещин уже в период между очередным и промежуточным докованиями.

Не менее важной считается проблема снижения повреждаемости наружной обшивки в районах сварных швов, обусловленной технологическими дефектами этих швов. Сложность этой проблемы заключается в том, что уровень номинальных напряжений, действующих в обшивке, находится в допускаемых пределах, и поэтому для ее решения требуется нетрадиционный подход.

В прерывистых связях трещины, как правило, появляются в следующих местах:

1. у концов продольных разрезных комингсов и скуловых килей;

2. в расширительных соединениях рубок;

3. в узлах соединения рубок с продольными комингсами;

4. в углах вырезов боковых стенок рубок, палуб корпуса и верхних поясков продольных комингсов;

5. в углах вырезов стенок рамного набора (для прохода балок основного набора).

Причина этих повреждений - конструктивные недостатки, которые обусловлены либо существующими рекомендациями, основанными на несовершенных расчетных схемах, либо отсутствием таковых, что привело к ошибкам при проектировании.

При расчете продольных разрезных комингсов и рубок необходимо учитывать конечную жесткость поперечного набора палубы, играющего для них роль упругого основания. Учет податливости позволит уточнить напряженное состояние комингсов и рубок в районах концентрации напряжений, а это может послужить основой разработки рекомендаций по исключению рубок из общего изгиба.

Требуют исследования такие вопросы как напряженное состояние рубок в районах регулярных групповых и спаренных вырезов, концевых участков скуловых килей и узлов соединения рубок с продольными комингсами.

Рекомендации по проектированию или модернизации рассмотренных узлов конструкций, полученные при решении соответствующих задач, с учетом существующих критериев усталостной долговечности, могут быть основаны как на классическом варианте конструктивного оформления прерывистых связей (изменение размеров и геометрии концентраторов), так и на нетрадиционном -использовании подвижных и податливых соединений [6].

Следует отметить, что осуществить модернизацию часто повреждаемых конструкций можно только в период ближайшего ремонта. Но так как трещины появляются в начальной стадии эксплуатации, то перед судовладельцем возникает проблема дальнейшей эксплуатации поврежденного судна.

Существующими нормативными документами [5] регламентируются допускаемые размеры трещин. Однако, на основании этого же источника, трещины допускаются только в связях, не участвующих в обеспечении общей прочности. Опыт же эксплуатации показывает, что в некоторых элементах корпуса и надпалубных конструкциях, участвующих в общем изгибе, образовавшиеся трещины распространяются медленно или вовсе не распространяются [1,79]. Все это является основанием для проведения исследований тре-щиностойкости этих узлов конструкций. Результатом этой работы могут быть как нормативы допускаемых длин трещин, так и мероприятия по торможению тех трещин, размеры которых превысили допускаемый предел.

Разработка норм допускаемых усталостных повреждений представляет собой сложную задачу. Анализ исследований трещинос-тойкости образцов с концентраторами в виде некоторых вырезов

[10] показал, что эти критерии должны зависеть от вида связи и типа его деформирования, от вида концентратора, его геометрии и размеров, от величины номинальных напряжений, а также механических характеристик материала, из которого изготовлена связь. Допускаемая длина трещины должна быть такой, чтобы при возможном распространении в течение заданного периода эксплуатации судна (до ближайшего ремонта) она, достигнув определенного размера, не стала бы источником квазихрупкого разрушения при воздействии на корпус судна предельной нагрузки.

При исследовании усталостного и квазихрупкого разрушения необходимо учесть неравномерность поля напряжений в районах концентраторов и структурную неоднородность конструкции, в которой эта трещина распространяется. Высокий градиент напряжений и наличие ребер жесткости, ориентированных поперек фронта трещины, способствует ее торможению.

Все трещины, появившиеся в корпусе судна в период его эксплуатации, должны быть зафиксированы, взяты под контроль и периодически осматриваться на предмет возможного их роста. Если они привели к нарушению непроницаемости корпуса и помещений, то должны быть заделаны.

При устойчивом росте трещины, с последующим превышени-

ем ею допускаемого предела, следует выполнить комплекс мероприятий по предупреждению ее быстрого развития. Для этого необходимо произвести прогноз распространения этой трещины и, с учетом конкретных обстоятельств, разработать меры по ее торможению конструктивными методами.

В настоящее время для предотвращения распространения трещин широко используют метод подкрепления, основанный на установке дополнительных ребер жесткости или ремонтных заплат

[11]. В некоторых случаях применяют метод ослабления дефектной конструкции, являющийся альтернативным методу подкрепления и заключающийся в высверливании кончика трещины и дополнительных разгружающих отверстий у ее вершины [12].

Следует отметить, что использование одного из вышеперечисленных методов не всегда представляется возможным, а в некоторых случаях бывает не эффективным. Кроме того, отсутствие конкретных рекомендаций по применению, например, ремонтных заплат, привело к тому, что они широко распространены в основном при ремонте наружной обшивки корпуса судна с целью восстановления непроницаемости, а не прочности.

Решение поставленных проблем могло бы повысить надежность корпусов судов за счет снижения их повреждаемости и эффективность эксплуатации судов из-за уменьшения затрат на ремонт. Это представляется наиболее актуальным в настоящее время, когда флот стареет и существует дефицит средств на его замену или ремонт.

Литература:

1. Чесноков А. Г. Анализ повреждений надпалубных конструкций// Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций: Тез. докл. / Науч. -техн. конф. «Бубновские чтения - 91».

- Нижний Новгород: Нижегор. политехн. ин-т, 1991. - С. 87-88.

2. Чесноков А. Г. Проектирование подкреплений конструкций с жесткими точками у концов рубок// Совершенствование проектирования, эксплуатации морских судов и энергетических комплек-

сов: Труды ДВГТУ; Сер. 3. - Владивосток: ДВГТУ, 1993. - Вып. 3.

- С. 78-81.

3. Барабанов Н. В. , Чесноков А. Г. Применение подвижных соединений в судовых конструкциях// Судостроение. - 1987. - № 2.

- С. 9-11.

4. Чесноков А. Г. Расчетное проектирование судовых конструкций в районах жестких точек: Автореф. дис. ...канд. техн. наук/ Дальневост. политехн. ин-т. - Владивосток, 1987. - 22 с.

5. Инструкция по определению технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов. - С. Пб. : Российский Морской Регистр Судоходства, 1998. - 71 с.

6. Лактюнкин В. И. , Чесноков А. Г. Об использовании подвижных соединений при модернизации корпусных конструкций// Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций: Тез. докл. / Х Дальневосточная науч. -техн. конф. - Владивосток: Дальневост. политехн. ин-т, 1987. - С. 148-149.

7. Луценко В. Т. , Чесноков А. Г. Ремонт главной палубы на плавзаводе «Иероним Уборевич»// Повышение эффективности судоремонтных работ: Сб. науч. тр. - Владивосток, 1987. - С. 73-77.

8. Луценко В. Т. , Чесноков А. Г. Ремонт корпусных конструкций КПБ «Константин Суханов»// Судорем. фл. рыб пром-сти. -1989. - № 71. - С. 50-51.

9. Чесноков А. Г. Повреждения и ремонт рубок плавбаз типа «Пятидесятилетие СССР»// Морской транспорт: Экспресс-информация. Сер. Техническая эксплуатация флота и судоремонт. - 1999.

- Вып. 11(897) - 12(898). - С. 6-8.

10. Петинов С. В. Основы инженерных расчетов усталости судовых конструкций. - Л. : Судостроение, 1990. - 224 с.

11. Партон В. В. Механика разрушения: От теории к практике.

- М. : Наука, 1990. - 240 с.

12. Карпов Г. Н. Задачи конструкционного торможения трещин: Автореф. дис. .канд. техн. наук. - Калининград, 1982. - 16 с.