Оценка прочности корпусов судов внутреннего и смешанного плавания в эксплуатации

О. Г. Егорова

Морское Инженерное Бюро-СПб, Санкт-Петербург, Россия

ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ КОРПУСОВ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО И СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Объект и цель научной работы. Объект - грузовые суда внутреннего и смешанного река-море плавания. Цель - разработка методики, позволяющей производить прямые проверочные расчеты остаточной местной прочности конструкций корпусов судов.

Материалы и методы. При выполнении анализа использовались база данных Морского Инженерного бюро и Правила Классификационных обществ. Применялись методы строительной механики корабля.

Основные результаты. Выполнено обоснование возможности уменьшения величины волновых нагрузок при выполнении расчета местной прочности судов в эксплуатации. В ходе работы были получены коэффициенты допускаемых напряжений балок и пластин для обоснования достаточности их остаточной прочности в эксплуатации.

Заключение. Применение подобной методики обеспечивает возможность принятия обоснованных технических решений для изношенных пластин, балок, рам и перекрытий при проведении очередных освидетельствований и при выполнении проектов по обновлению корпусов судов, что в рамках действующей нормативной базы невозможно.

Ключевые слова: суда внутреннего и смешанного река-море плавания, фактическая местная прочность конструкций корпусов судов, требования правил РРР, фактический износ, остаточные толщины, 3 проблемы СМК, нормирование, коэффициенты допускаемых напряжений.

Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Егорова О.Г. Оценка прочности корпусов судов внутреннего и смешанного плавания в эксплуатации. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 4(382): 83-88.

УДК 629.5.02:624.04 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-4-382-83-88

O. Yegorova

Marine Engineering Bureau, St. Petersburg, Russia

HULL STRENGTH ASSESSMENT FOR INLAND AND MIXED NAVIGATION SHIPS IN SERVICE

Object and purpose of research. This paper studies inland and mixed (river-sea) navigation carriers. The purpose of the study is to develop the procedure for direct verification calculations of residual local strength for hull structures.

Materials and methods. The analysis relied on the database of Marine Engineering Bureau and Rules of classification societies. The analysis was performed by means of naval structural mechanics.

Main results. The paper confirms that the wave loads taken in local strength calculations for ships in service can be reduced. The study yielded the coefficients of acceptable stresses in beams and plates to confirm that their residual strength in service is sufficient.

Conclusion. This procedure enables justified technical decisions for worn-out plates, beams, frames and ceilings for the purposes of regular checks and hull retrofit projects, which is impossible with the current regulatory basis.

Key words: inland and mixed (river-sea) navigation vessels, actual local strength of hull structures, requirements of Russian River Register, actual wear, residual thicknesses, 3 issues with Quality Management System, assignment of acceptable values, acceptable stress coefficients.

Author declares lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Yegorova O. Hull strength assessment for inland and mixed navigation ships in service. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 4(382): 83-88 (in Russian).

УДК 629.5.02:624.04 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-4-382-83-88

В связи со старением флота, нарастанием проблем с достоверной оценкой состояния, массовыми изменениями условий эксплуатации существующих судов (переклассификации, изменения районов плавания, изменения назначения, увеличения грузоподъемности) сегодня остается актуальной задача получения прямых расчетных оценок не только общей, но и местной прочности корпусов судов внутреннего плавания (СВП) и смешанного плавания (ССП) в их фактическом состоянии.

Решению задачи расчета фактической местной прочности морских судов с использованием нормативной базы Российского Морского Регистра Судоходства (РС) были посвящены работы проф. Г.В. Бойцова [1, 4] и проф. А.И. Максимаджи [2].

Однако для речных судов подобная задача не решалась, и в действующих Правилах РРР такой методики нет. Целью статьи является разработка основ методологии проверочных расчетов фактической местной прочности конструкции корпусов СВП и ССП.

В соответствии с [6] техническое состояние изношенного корпуса СВП или ССП считается годным (остаточная прочность достаточна для эксплуатации до следующего очередного освидетельствования), если выполняются следующие требования:

средние остаточные толщины групп {ГР связей не менее указанных в табл. 3.5.3 [6] по условию ¿гр > ЛГр£ где Кгр = 0,55-0,90 - коэффициент допускаемого уменьшения средней толщины группы (зависящий от степени участия связи в общем изгибе), £ - проектная толщина элементов корпуса;

параметры вмятин не более указанных в табл. 3.5.4 [6];

минимальные остаточные толщины £ листов обшивки не менее указанных в табл. 3.5.5 [6] по условию и > 4шп, где ^ = 2,5-7,5 мм - минимально допускаемая толщина элементов корпуса в эксплуатации (зависящая от типа связи, длины Ь и класса судна);

выполнены требования пункта 3.5.6 в отношении геометрических параметров вмятин, бух-тин, гофрировок, остаточных площадей поперечных сечений балок / (по условию / > КБ / где КБ = 0,5-0,7 - коэффициент допускаемого уменьшения площади, / - построечная величина площади сечения балки), язвин, канавочного износа и ряда качественных характеристик состояния (отсутствия признаков перелома корпуса, потеря устойчивости книц продольного

набора, обеспечение водонепроницаемости, отсутствия трещин и разрывов).

Прямые расчеты общей прочности корпуса с учетом износа и деформаций являются обязательными для ССП, имеющих возраст 15 лет и более, а также допускаются по желанию судовладельца для СВП, имеющих износы или местные деформации конструкций, превышающие нормируемые в [6] границы. Такая проверка осуществляется в рамках критерия предельной прочности с нормативными коэффициентами запаса Кгодн = 1,15-1,27 (в зависимости от класса судна) согласно Приложению 1 [6] путем сравнения величины предельного изгибающего момента «фибровой текучести» поперечного сечения корпуса с учетом фактических из-носов и деформаций Мпр Жс = ^ экс Соп, где Шпр экс -соответствующий момент сопротивления сечения, соп - опасные напряжения, с нормативной величиной предельного момента Кгодн Мр, где Мр = Мтв + Мв -наибольший расчетный изгибающий момент, возникающий в данном сечении корпуса под действием нагрузки на тихой воде Мта и дополнительных усилий на волнении Мв.

Следует заметить, что иных нормативных требований к прямым расчетам остаточной прочности корпусов судов в Правилах РРР нет. Для оценки фактической местной прочности элемента корпуса СВП и ССП необходимо решить три задачи строительной механики: задания расчетных нагрузок, определения внутренних усилий в конструкции и нормирования.

Действующие Правила РРР построены на основе известной и привычной схемы расчетов прочности по допускаемым напряжениям в упругой стадии с заданием конструкций в стержневой идеализации. Соответственно, было бы логично на первом этапе анализа расчетные схемы Правил не менять (вторая проблема решена).

РРР нормирует при расчетах местной прочности расчетные внешние нагрузки р и допускаемые при воздействии этих нагрузок в конструкции судна нормальные [с] = Кс Кн ЯеН и касательные [т] = 0,57Кт Кн ЯеН напряжения для корпуса на начало срока службы, т.е. без износа. При этом ЯеН - предел текучести материала, Кс = 0,50-0,95 и Кт = 0,60-0,80 - коэффициенты допускаемых напряжений согласно табл. 2.2.68 [5] для нового корпуса, Кн - коэффициент использования механических свойств стали.

При определении наибольшей расчетной внешней нагрузки анализируются составляющие, имеющие различную природу и различную изменчи-

вость. Среди них нагрузки от груза, балласта, запасов, забортной воды, испытательного напора, аварийного затопления, волнения, слеминга.

Для расчетов местной прочности существующих судов с фактическим износом можно применять расчетные нагрузки по Правилам. Однако такой подход будет давать несколько завышенные величины для нагрузок, имеющих выраженный случайный характер, например, волновых, т.к. максимальный выброс такой величины зависит от числа ее реализаций. Соответственно, чем короче оставшийся отрезок времени службы судна, тем меньше становится «выброс» волновой нагрузки Ртах. Для долговременных волновых распределений Ртах можно описать законом Вейбулла в виде

Ртах = а^ТШС^) = Ь^ 1П(ГЭ / Тв ) ,

где ар, Ьр - параметры закона Вейбулла; Ьр = 1; N -число циклов нагрузки; Тэ - оставшийся срок службы судна (для СВП принят от 38 лет до 1 года, для ССП - от 25 лет до 1 года); Тв = - средний волновой период; Ь - длина судна.

В табл. 1 представлено относительное изменение Ртах в виде отношения к данной величине для нового корпуса СВП и ССП

кр = Ртах (Тэ) / Ртах То) = ВД / Тв) / 1п(Тр / Тв).

Таким образом, при расчетах местной прочности судов для обоснования эксплуатации на 5 лет величины волновых нагрузок, взятые по Правилам РРР для новых судов, могут быть уменьшены на 911 %, что вполне согласуется с принятыми в аналогичной процедуре РС [4] величинами.

Решая третью проблему, следует учесть, что в Правилах РРР заданы коэффициенты Кс и К для пластин и балок нового корпуса, и их нужно откорректировать с учетом норм допускаемых износов связей для групп связей (коэффициентов КГР и КБ). Например, для пластин, проверку наибольших напряжений при изгибе которых производят, как правило, по формуле с = 5р(Ь/100$2, где Ь - короткая сторона опорного контура, р - расчетное давление, так как большинство пластин СВП и ССП имеют соотношение сторон опорного контура больше двух. Зная норматив толщины пластины Кгр£ получаем, что опасные для эксплуатации на последующие 5 лет напряжения могут быть определены как

[о]э = КсЯеН/ кГр = 1,23...3,3КСКнЯеН.

Коэффициенты допускаемых напряжений для пластин при обоснованиях достаточности их оста-

Таблица 1. Коэффициент уменьшения расчетных волновых нагрузок kp

Table 1. Reduction coefficient of design wave loads kp

Остаточный срок службы, Тэ, годы Суда внутреннего плавания Суда смешанного плавания

38 1,000 -

30 0,971 -

25 0,977 1,000

20 0,966 0,988

10 0,928 0,950

5 0,891 0,911

2 0,815 0,834

1 0,804 0,823

точной прочности на 5 лет можно записать как Ксэ = Кс /К2ГР.

Для задач, связанных с другими значениями остаточного срока службы Тэ, считая, что скорость износа постоянна по времени, коэффициенты допускаемых напряжений будут определяться по формулам Ксэ = Кс /К2эгр, где Кэгр = Кг - (1 - Кг) /То(5 - Тэ), где Т0 - нормативный (полный) срок службы судна. Например, при проведении обновления судна на уровень У1 (Тэ = 15 лет) и при сроке службы Т0 = 25 лет КУ1ГР = КГР + 0,5(1 - КГР).

Для балок нормальные и касательные напряжения определяются как с = М/Ши т = МТ, где М и N - наибольшие значения изгибающего момента и перерезывающей силы, возникающие под действием Ртах(Тэ); Ш = СШ1,5/,5 - момент сопротивления поперечного сечения балки; СШ - удельная площадь по моменту сопротивления. Отсюда следует, что опасные для эксплуатации на последующие 5 лет напряжения в балках могут быть определены как [с]э = Кс Кн Ян /Кгр1,5 = 1Л7...1,91К Кн Реп и [т]э = Кт Кн Ян /Кгр1,5 = 1,17...1,91К Кн Яп. Коэффициенты допускаемых напряжений для балок при обоснованиях достаточности их остаточной прочности на 5 лет можно записать как Ксэ = Кс /КГР

и Ктэ = Кт /Кгр.

При расчетах перекрытий и рам в стержневой идеализации коэффициенты допускаемых напряжений определяются так же, как и для балок.

В табл. 2 приведены полученные авторами значения коэффициентов Ксэ и Ктэ для набора, обшивки, настила для судов I группы (грузовые СВП всех классов, пассажирские суда, нефтебункеровоч-ные станции, суда технического флота классов «М»,

Таблица 2. Значения коэффициентов допускаемых напряжений для расчетов фактической местной прочности корпусов СВП и ССП

Table 2. Acceptable stress coefficients to be taken in local hull strength calculations for inland and mixed navigation ships

Наименование и характеристика связей корпуса Характеристика расчетных напряжений от нагрузок Нормируемые значения допускаемых напряжений в долях от опасных напряжений

Продольные непрерывные комингсы судов, перевозящих грузы на люковых крышках и на палубе, а также Суммарные нормальные напряжения от общего изгиба и от изгиба перекрытий:

в пролете 1,05

карлингсы и кильсоны на опоре 1,33

Продольные балки (неразрезные ребра жесткости) палубы и днища Суммарные нормальные напряжения от общего и местного изгиба:

в пролете 1,19

на опоре 1,33

Продольные балки (неразрезные ребра жесткости) бортов Суммарные нормальные напряжения от общего и местного изгиба:

в пролете 1,31

на опоре 1,46

Продольные балки (неразрезные ребра жесткости) второго дна Суммарные нормальные напряжения от общего и местного изгиба:

в пролете 1,62

на опоре 1,81

Обшивка днища и настилы палубы Нормальные напряжения от местной нагрузки:

в пролете 1,25

на опоре 1,48

Обшивка борта Нормальные напряжения от местной нагрузки:

в пролете 1,42

на опоре 1,68

Настил второго дна Нормальные напряжения от местной нагрузки:

в пролете 1,89

на опоре 2,25

Поперечный рамный набор Нормальные напряжения от местной нагрузки:

корпуса: флоры, рамные шпангоуты и бимсы в пролете 1,43

на опоре 1,62

Поперечный холостой набор корпуса: днищевые и бортовые шпангоуты, бимсы и связи внутреннего дна Нормальные напряжения от местной нагрузки:

в пролете 1,62

при поперечной системе набора r r r на опоре

Таблица 2. Продолжение

Наименование и характеристика связей корпуса Характеристика расчетных напряжений от нагрузок Нормируемые значения допускаемых напряжений в долях от опасных напряжений

Продольные и поперечные переборки (в том числе и стенки цистерн): Нормальные напряжения от местной нагрузки:

рамные стойки и шельфы в пролете 1,62

на опоре 1,72

холостые стойки (ребра жесткости) в пролете 1,62

на опоре 1,81

листы продольных непроницаемых в пролете 1,51

переборок на опоре 1,69

листы поперечных непроницаемых переборок и внутреннего борта

в пролете

2,01

на опоре

2,25

Касательные напряжения в сплошных сечениях

1,51

Стенки балок рамного набора

Нормальные напряжения в районе вырезов

1,81

Касательные напряжения в районе вырезов

1,51

Примечания:

1. В расчетах прочности корпуса судна при подъеме из воды и спуске на воду, при испытании на непроницаемость и герметичность, а также при затопленном отсеке судна необходимо принимать следующие нормируемые значения допускаемых суммарных напряжений (от общего изгиба и от местной нагрузки): для пластин и настилов - 2,2Лен, для балок и ребер - 1,81ЛеН.

2. Для изолированно работающих связей (пиллерсы и раскосы), проверяемых на устойчивость, нормируемые значения допускаемых напряжений при сжатии должны быть не более ЛеН.

«О» длиной 50 м и более, а также все ССП). Эти результаты прямо вытекают из имеющихся в Правилах РРР нормативов и обеспечивают сохранение тех же результатов оценки состояния корпусов «годное», что и при использовании [6]. Вследствие использования в Правилах РРР расчетной схемы определения напряжений в упругой стадии, для значительного числа связей получены коэффициенты Ксэ > 1.

Подобные последствия применения метода условных измерителей в практических расчетах отмечал еще академик Ю.А. Шиманский [7]. Такой результат отражает, во-первых, условность принятой расчетной схемы и расчетных нагрузок (коэффициенты Ксэ и Ктэ представляют собой условные измерители) и, во-вторых, вполне реальный факт допущения пластических деформаций во многих конструкциях СВП и ССП в эксплуатации. Следует заметить, что в расчетных схемах, которые применяют физически обоснованные нагрузки [3], при

использовании расчетов в упругой стадии по состоянию даже к середине срока службы, например, для пластин второго дна Кс, достигает 1,5, для пластин наружной обшивки - 1,2.

Порядок расчетов остаточной местной прочности следующий.

1. Определение геометрических характеристик элементов конструкции (Щ / £) с учетом износа.

2. Определение расчетных нагрузок с учетом редуцирования волновых нагрузок в зависимости от остаточного срока службы Тэ и коэффициента уменьшения кр.

3. Определение напряжения сэ и тэ, возникающих от действия расчетных нагрузок в изношенной конструкции.

4. Сравнение действующих напряжений с допускаемыми величинами для заданного остаточного срока службы, полученными с помощью коэффициентов допускаемых напряжений Ксэ и Ктэ.

Заключение

Conclusion

Предлагаемая автором методика позволяет производить прямые проверочные расчеты остаточной местной прочности конструкций судов внутреннего и смешанного плавания с сохранением расчетных схем, принятых в действующих Правилах Регистра. Ее применение обеспечивает возможность принятия обоснованных технических решений для изношенных пластин, балок, рам и перекрытий при проведении очередных освидетельствований и выполнении проектов по обновлению корпусов судов, что в рамках действующей нормативной базы невозможно.

Библиографический список

References

1. Бойцов Г.В., Кудрин МА. Новые принципы нормирования прочности корпусов судов // Труды НТК «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов» ПЭНС-99. Владивосток: ДВГТУ, 1999. С. 4-11. [G. Boytsov, M. Kudrin. New principles of assigning required values for hull strength // Transactions of Scientific & Technical Conference Challenges in strength and operational reliability of ships (PENS-99). Vladivostok: Far Eastern State Technical University (FESTU), 1999; 4-11. (in Russian)].

2. Максимаджи А.И. Нормирование остаточной прочности корпусов морских транспортных судов // Науч.-техн. сб. Российского Морского Регистра Судоходства. 1999. Вып. 22. С. 88-97. [A. Maksimaji. Assigning required values for residual hull strength of sea-going carriers // Compendium of papers, Russian Maritime Register of Shipping. 1999; 22: 88-97. (in Russian)].

3. Нормы прочности морских судов / Российский Морской Регистр Судоходства. Л.: РС, 1991. [Required strength levels for sea-going ships / Russian

Maritime Registry of Shipping. Leningrad: RS, 1991. (in Russian)].

4. Нормативно-методические указания по расчетам прочности морских судов: сборник нормативно-методических материалов Российского Морского Регистра Судоходства. Кн. 11. СПб: РС, 2002. [Regulatory and methodological guide on strength calculations for sea-going ships: Compendium of regulations and guidelines, Russian Maritime Registry of Shipping. Book 11. St. Petersburg: RS, 2002. (in Russian)].

5. Правила классификации и постройки судов / Правила. Российский Речной Регистр. Т. 2. Ч. 1 «Корпус и его оборудование». М.: Российский Речной Регистр, 2016. С. 8-197. [Rules for Classification and Construction of Ships / Rules. Russian River Register. Vol. 2. Part I Hull and hull equipment. Moscow: Russian River Register, 2016; 8-197. (in Russian)].

6. Правила освидетельствования судов в эксплуатации / Правила. Российский Речной Регистр. Т. 1. М.: Российский Речной Регистр, 2016. С. 239-383. [Survey rules for ships in service / Rules. Russian River Register. Vol. 1. Moscow: Russian River Register, 2016; 239-383. (in Russian)].

7. Справочник по строительной механике корабля. Т. 3. Л.: Судпромгиз, 1960. [Naval structural mechanics. Reference book. Vol. 3. Leningrad: Sudpromgiz, 1960. (in Russian)].

Сведения об авторе

Егорова Ольга Геннадьевна, инженер, Морское Инженерное Бюро-СПб Адрес: 197101, Россия, Санкт-Петербург, ул. Мира, 15/1, офис 76. Телефон: 8 (812) 233-64-03; e-mail: office@mebspb.com.

About the author

Yegorova, Olga G., Engineer, Marine Engineering Bureau -St. Petersburg, address: office 76, 15/1, Mira st., St. Petersburg, Russia, post code 197101. Tel.: 8 (812) 233-64-03; e-mail: office@mebspb.com.

Поступила / Received: 01.03.17 Принята в печать / Accepted: 12.05.17 © Егорова О.Г., 2017