книги из ГПНТБ / Юнитер А.Д. Повреждения и ремонт корпусов морских судов

расположением машинного отделения в корме этот район прости­ рается от сечения, расположенного не менее чем на 5 м в корму от носовой переборки машинного отделения.

Наружная обшивка, настил второго дна, листы переборок и платформ, ограничивающих цистерны, воспринимают давление воды; настил палуб воспринимает распределенные по палубам грузы. Эти части корпуса, подверженные действию внешних рас­ пределенных усилий, представляют собой, с точки зрения строи­ тельной механики, пластины, ограниченные жестким контуром.

Днищевые и бортовые шпангоуты и стрингеры передают реак­ тивные воздействия наружной обшивки и внутреннего дна на по­ перечные и продольные переборки; бимсы и карлингсы передают давление, действующее на палубы, поперечным и продольным пе­ реборкам; стойки переборок, в свою очередь, передают реакции листов переборок палубам и т. д. Эти связи (набор днища, бор­ та, палуб и переборок) служат опорным контуром для пластин и, с точки зрения строительной механики, представляют собой бал­ ки с распределенной нагрузкой. Кроме того, набор днища и палуб (а также продольных переборок на танкерах) обеспечивает устой­ чивость листов днищевой обшивки и палубного настила (листов продольных переборок).

Такие корпусные связи, как переборки и борта, служат опор­ ным контуром для днища и палуб; палубы — для переборок и бортов. Поперечная прочность судна обеспечена такими связями, как палубы, поперечные переборки, бимсы, шпангоуты, днище.

В составе корпусных конструкций имеются связи, предназна­ ченные для восприятия различных местных нагрузок и передачи их на связи, которые являются опорным контуром для перекры­ тий (например, подкрепления под механизмы, для постановки в док и т. п.).

Вместе с тем в судовом корпусе нет строгого распределения функций, выполняемых отдельными связями. Продольные сзязи днища воспринимают напряжения общего изгиба судна и одно­ временно напряжения от изгиба днищевого перекрытия под дей­ ствием наружного и внутреннего давлений статического и динами­ ческого характера. Например, днищевая обшивка судна воспри­ нимает давление воды, служит пояском у днищевых стрингеров, флоров и продольных ребер, выполняет функции подкрепленной пластины (днища), уравновешивающей реакции противоположных бортов и поперечную нагрузку. Кроме того, она является основ­ ной связью, обеспечивающей общую продольную и поперечную прочность судна, а также прочность при воздействии усилий от слемминга.

Сложный характер нагружения имеют не только связи кор­ пуса, но и их отдельные узлы. Рассмотрим в качестве примера один из наиболее ответственных узлов корпусной связи — узел пересечения продольных днищевых балок танкеров с поперечными переборками. Конструкция этого узла должна обеспечивать уча­ стие балок набора в общем изгибе корпуса судна, восприятие

30

опорного момента от поперечной нагрузки и, кроме того, не долж­ на препятствовать подтоку жидкого груза к приемникам труб грузовой и зачистной систем. К этому узлу предъявляются также и требования по обеспечению непрерывности продольных балок. Здесь недопустим резкий обрыв балки, так как высокая концент­ рация напряжений в сочетании со сварочными напряжениями, с

обращено на оформление выреза в переборке для прохода непре­ рывной кницы и на подготовку кромок под сварку.

Интересная деталь: конструктивный узел, считавшийся безуп­ речным всего каких-нибудь десять лет назад, сегодня признан негодным. В частности, несмотря на столь сложную (технологи­ чески) форму выреза в переборке, в вершине кницы образуется жесткая точка, что может привести к появлению трещин.

Правила Регистра СССР [32] и других классификационных обществ требуют в местах прохода балок или книц через непро­ ницаемые конструкции обязательной установки ребер жесткости. Кроме того, при значительном удалении конца продольной дни­ щевой балки от поперечной переборки появляется опасность воз­ никновения трещин в днищевой обшивке. Поэтому введено допол­ нительное ограничение: расстояние а (рис. 5) должно быть не более 25 мм.

Известно, что от надежности отдельных узлов зависит надеж­ ность конструкции в целом. Об этом особенно нужно помнить при ремонте корпуса судна, так как чаще всего ремонту подле­ жат отдельные узлы, а не конструкция в целом.

31

В связи с частыми случаями появления трещин на сварных -судах особенно важно при оценке общей прочности учитывать условия сопротивления конструкции возникновению и распрост­ ранению трещин. Так как образование трещин связано с растя­ гивающими, а не сжимающими напряжениями, то наиболее опас­ ными являются напряжения в днище (для судов с прогибом на тихой воде) и напряжения в верхней расчетной палубе (для су­ дов с перегибом на тихой воде).

Известно, что в случае расположения машинно-котельного от­

Например, по данным натурных испытаний [35] шести судов (трех сухогрузных лайнеров длиной 146 м, двух рудовозов дли­ ной 218 м и одного автомобильного парома длиной ПО м) было установлено, что современный сухогрузный лайнер-теплоход с ма­ шинным отделением, расположенным в средней части корпуса, получает на тихой воде изгибающий момент, который почти всег­ да является моментом перегиба, а наибольшее напряжение в верх­ ней палубе составляет 6 кгс/мм2.

Для танкеров и рудовозов в загруженном состоянии изгибаю­ щий момент на тихой воде является моментом прогиба, а макси­ мальное напряжение составляет 5 кгс/мм2. При наибольших ве­ личинах изгибающих моментов растянутым здесь оказывается днище.

Трещины в днище танкеров появлялись не только в районе миделя, но и на значительном расстоянии от него. По данным норвежских опытов, для танкера типа Т-2 смещение в нос от ми­ деля максимального изгибающего момента прогиба (с учетом волновой составляющей) достигало (при длине волны, равной длине судна, и скорости 14 узлов) примерно 0,17 длины судна.

На современных больших танкерах и судах для навалочных грузов максимальные изгибающие моменты могут действовать

В связи с необходимостью чередующейся загрузки таких су­ дов (когда заполненный грузом танк или трюм соседствует с пу­ стым) увеличиваются изгибающие моменты и перерезывающие силы на тихой воде. Это обстоятельство не замедлило сказаться (было обнаружено значительное количество трещин).

На сухогрузных судах трещины чаще появлялись в палубе и шпрстречном поясе (имеются в виду трещины, возникающие при

является палубный стрингер, однако напряжения от общего изги­ ба корпуса в местах резкой концентрации напряжений (верхняя палуба) превышают напряжения в палубном стрингере. Поэтому

32

такие конструктивные узлы, как подкрепления палубы у углов люков, а также у концов надстроек и других им подобных пре­ рывистых связей, по степени ответственности являются не менее важными, чем перечисленные выше. С другой стороны, в составе прочного корпуса судна трудно обнаружить связи, которые нель­ зя было бы отнести к разряду ответственных.

Как показывают натурные испытания, зоны повышенных на­ пряжений в районах резкого обрыва связей охватывают площади, размеры которых значительно превышают толщину листов. Такие концентраторы принято называть макроконцентраторами. Распре­ деление напряжений в их районе, зависящее от геометрии и тол­ щины прерывистых связей, можно регулировать при проектирова­ нии конструкций. Коэффициент концентрации напряжений (или коэффициент макроконцентрации), по данным работы [18], ко­ леблется от 1,5 до 3.

Кроме того, в сварных конструкциях встречаются многочис- - ленные микроконцентраторы, в роли которых выступают различ­ ные дефекты сварных швов (непровары, поры, шлаковые включе­ ния, подрезы и т. п.), а также околошовная зона. Именно поэто­ му в Правилах Регистра СССР [32] имеются указания о распо­ ложении швов как можно дальше от мест резкого обрыва связей (углов вырезов и т. п.).

Отсутствие микроконцентраторов при постройке и ремонте су­

бот по сборке и сварке, а также проверкой качества сварных швов гаммаграфированцем, ультразвуковой дефектоскопией и дру­ гими способами.

С другой стороны, отрицательное влияние микроконцентрато­ ров при оценке усталостной долговечности принято относить к свойствам типичного элемента конструкции [18]. По этой же причине для определения характеристик усталостной и хрупкой прочности сварных конструкций в последнее время все чаще про­ водят опыты с плоскими листовыми крупными образцами со сварными швами [4].

Часто в конструкциях появляются трещины усталостного ха­ рактера, что связано главным образом с воздействием волновых нагрузок и вибрации. Определение реальных внешних сил, дейст­ вующих на корпус судна в условиях волнения, остается проблемой, окончательно еще не решенной.

Понятно, что без знания внешних сил невозможна оценка прочности судна. Действительные волны на море не являются идентичными теоретической трохоидальной волне высотой в Ч2о длины. Например, во время натурных испытаний на траулере в Северной Атлантике (близ Исландии) зимой были зарегистри­ рованы исключительно высокие волны высотой до 21,3 м и длиной около 220 м, а также гораздо более крутые волны высотой 16,7 м при длине около 50 м [35].

Внастоящее время считаются приемлемыми результаты тео­ ретического анализа волновых нагрузок с позиций линейной тео­ рии качки, которые хорошо согласуются с данными натурных экспериментов.

§6. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ПОВРЕЖДЕННОГО КОРПУСА

Впоследнее время к оценке прочности судовых конструкций подходят с позиций надежности, т. е. способности конструкции

выполнять свои функции в определенных условиях эксплуатации с достаточной степенью гарантии и наибольшей экономической эффективностью в течение заданного срока [13, 17, 19, 24].

Фактически речь идет об обеспечении эксплуатации конструк­ ции без возникновения опасных состояний, называемых в теории надежности отказами. В работе [4] в качестве таких отказов рассматриваются следующие повреждения конструкций:

нарушение предела прочности, связанное с превышением на­ пряжений в каком-либо сечении, предела текучести материала либо с потерей устойчивости элементов конструкции;

хрупкое разрушение, проявляющееся практически мгновенно, когда развитие трещины происходит без заметных пластических деформаций;

возникновение усталостных трещин в узлах конструкций. Если случаи нарушения предельной прочности корпусов мор­

ских судов относительно редки, то трещины (хрупкие и усталост­ ные) встречаются довольно часто.

Аналогичный подход к оценке прочности корпуса принят в ра­ боте [34]. В частности, показано, что прочность элемента конст­ рукции или системы в целом оценивается не какой-либо одно­ значно определенной величиной, а определяется вероятностью возникновения аварийных повреждений, т. е. отказов.

По отношению к корпусу судна «аварийные повреждения» (Failure) могут быть разбиты по меньшей мере на две категории, определенные на Международном конгрессе по конструкции судов (1967 г.) как «повреждение» (Damage) и «полное разрушение» (Collapse).

Повреждение означает, что конструкция претерпела такие из­ менения в своем состоянии, которые отрицательно сказываются на ее дальнейшей эксплуатации, даже если они и не вызывают внезапной потери ее функций. Например, в эту группу можно от­ нести чрезмерные остаточные деформации, появившиеся в резуль­

воспринимать проектную нагрузку, но, во избежание неблагопри­ ятного воздействия повреждения на эксплуатационные качества, внешний вид и, как результат, на уверенность эксплуатационни­ ков в надежности конструкции, необходимо произвести ремонт при первой же возможности.

34

Полное разрушение означает настолько значительное повреж­ дение, что конструкция уже не в состоянии выполнять свои функ­ ции. Например, прогрессирующая усталостная трещина, интен­ сивное нарастание деформаций, неожиданная потеря устойчиво­ сти (образование пластического шарнира) или быстрое распрост­ ранение хрупкой трещины. Естественно, при подобных разрушениях дальнейшая эксплуатация конструкции недопусти­ ма. необходим немедленный ремонт.

Случаи полного разрушения (или катастрофического повреж­ дения) от потери устойчивости характерны для относительно высоконагруженных корпусов речных судов [13].

Для морских судов наиболее характерны случаи полного раз­ рушения из-за возникновения опасных хрупких трещин при небла­

были причиной полного разрушения более 40 морских судов, при­ чем возникновение трещин на растянутом пояске эквивалентного бруса наблюдалось при умеренных величинах внешних усилий, значительно меньших предельного значения. В последние годы случаи катастрофического повреждения корпуса были зарегист­ рированы на нескольких танкерах и рудовозах, переломившихся на две части и затонувших в океане.

Случаи полного разрушения конструкций в том смысле, какой заложен в формулировке, довольно редки. Чаще всего разрушение связано с приложением к конструкции случайных, не предусмот­ ренных нормальной эксплуатацией, нагрузок, например, при по­ садке на мель, ударах при швартовке, навалах или столкнове­ ниях и т. п.

Отдельно стоит вопрос обеспечения достаточной прочности из­ ношенного корпуса (коррозионный износ).

При определении прочных размеров корпуса в Правилах Ре­ гистра СССР и других классификационных обществ учитывают­ ся (в явной или неявной форме) запасы на коррозию. Например, для судов, построенных на класс Регистра СССР, Норвежского Веритаса и других обществ, заложенный в Правилах запас на коррозию составляет 10% по отношению к моменту сопротивле­ ния поперечного сечения корпуса. Это означает, что если в про­ цессе эксплуатации судна из-за коррозионного разрушения об­ шивки, палубного настила и продольных связей момент сопро­ тивления корпуса уменьшится на 10%, то дальнейшая эксплуата­ ция судна без ремонта невозможна [32, 34].

Кроме того, в Правилах классификационных обществ принят запас прочности для учета усталости конструкции, возможности хрупкого разрушения, а также исходя из наличия в конструкциях дополнительных (т. е. не учитываемых расчетом) напряжений от слемминга, температурных напряжений, напряжений от работаю­ щих винтов и т. п.

Поскольку нас интересуют в данном случае повреждения кор­ пусов относительно новых судов, то в дальнейшем речь будет идти главным образом о дефектах, влияющих на прочность и экс­ плуатационные качества судов, но не связанных с коррозионным разрушением и возрастным износом.

Практически при дефектации корпуса такого разделения де­ фектов не бывает. Определению подлежат все виды повреждений корпуса.

Часто характер деформации или повреждения корпуса позво­ ляет сразу сделать заключение о причине повреждения, особенно в тех случаях, когда повреждения связаны с приложением к кор­ пусу усилий, не предусмотренных нормальной эксплуатацией суд­ на. Например, повреждения вследствие взрыва или пожара, столк­ новения с другим судном, при швартовых операциях, плавании в тяжелых ледовых условиях, создании чрезмерного давления внут­

изошло при нормальной эксплуатации судна и не связано, по мне­ нию лиц, проводящих дефектацию, с явлениями, перечисленными выше, то для установления объема и метода ремонта необходимо выяснить обстоятельства, при которых получено повреждение, и в случае необходимости произвести испытания материала конст­ рукции.

При анализе причин возникновения трещины следует выяс­ нить, появилась ли она сразу или постепенно увеличивалась по длине, когда, при каких обстоятельствах было обнаружено по­ вреждение, Сколько времени и при каких эксплуатационных усло­ виях плавало судно с обнаруженной трещиной или деформацией. Если предполагаемой причиной трещины является работа распо­ ложенного рядом механизма, то следует проверить его установку и частоту вращения.

При наличии в листе трещины (особенно если отсутствуют в этом месте какие-либо концентраторы напряжений) необходимо определить механические свойства и химический состав металла

В подробном техническом акте освидетельствования корпуса в связи с повреждением (например, в акте инспектора Регистра

СССР или заключении комиссии) должны быть указаны предпо­ лагаемые причины появления трещин или деформаций, данные о состоянии моря, температуре наружного воздуха, степени загруз­ ки судна и распределении груза по трюмам, осадке носом и кор­ мой, сведения о наличии коррозии и вмятин в месте появления трещины. Кроме того, должны быть приведены рекомендуемые мероприятия (либо требования) по предотвращению появления трещин в дальнейшем. Ниже будут даны примеры оформления данных дефектации.

36

§7. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИИ КО РПУСА

Впроцессе дефектации корпуса, независимо от продолжи­ тельности его эксплуатации, необходимо выявлять трещины и разрывы по сварным швам и целому металлу; при наличии оста­ точных деформаций нужно обмерять стрелки прогибов и размеры вмятин, гофр и бухтин. Для облегчения дефектации рекомендует­ ся предварительно нанести снаружи на бортах мелом положение переборок и номера шпангоутов в районе дефектов.

Наиболее распространенными видами повреждений корпуса

формацию (прогиб) наружной обшивки или палубного настила совместно с набором.

Остаточная деформация листовой конструкции, противополож­ ная вмятине, называется выпучиной.

Нужно отметить, что иногда под термином «вмятина» пони­ мают различные местные деформации в корпусных конструкциях, образующиеся в результате ударов, некачественной правки листов и т. п. Такое определение вмятины, в частности, приведено в 'от­ раслевых судостроительных стандартах.

В зарубежной практике для обозначения остаточной деформа­ ции обшивки совместно с набором либо без него применяется один термин. Некоторое различие в определении термина связа­ но с направлением и размером деформации.

Вмятина характеризуется своими размерами (длиной, шири­ ной), максимальной стрелкой прогиба по отношению к первона­

точную деформацию листов обшивки, палубного настила в виде прогибов между смежными балками набора (без деформации по­ следних) на значительной длине (более двух шпаций). Гофриров­ ка придает перекрытию ребристый вид. Применяемый в судострое­ нии термин «ребристость» означает совокупность бухтин и впадин, обращенных к набору.

Повреждения типа гофрировки часто связаны с потерей устой­ чивости пластины при сжатии, а также с большими нормальными давлениями как статическими (например, при навале), так и ди­ намическими (слемминг).

Гофрировка характеризуется максимальной стрелкой прогиба, протяженностью и расположением.

1 set in — большая вмятина, indent — небольшая (местная) вмятина.

37

Обозначения гофрировки на чертеже растяжки в отечествен­ ной и зарубежной практике идентичны (см. рис. 7): показывается

между смежными балками набора без деформации последних.

3550*2100

И— НапраЬление прогиба паста

В судостроительных стандартах бухтины определяют как мест­ ные деформации в виде волнообразных выпучин и впадин, обра­ зующихся на участках полотнищ между ребрами жесткости, а также на плоских стенках листового набора.

Действительно, понятие «бухтиноватость» наиболее полно определяет изменение формы плоских участков полотнищ либо настила палуб и других конструкций корпуса в результате дефор­ маций от сварки либо некачественной правки. Для судов, нахо­ дящихся в эксплуатации, наиболее близкими по характеру де­ формации к бухтиноватости являются повреждения настила па­ луб и платформ вследствие пожара.

Кроме того, термин «бухтина» может характеризовать дефор­ мацию высокой стенки листового набора. Что же касается обыч­

характер деформации (лист вмят). Возможным вариантом такого применения термина может быть добавление слова «местная»

38

(местная вмятина), что определяло бы характер деформации (прогиб листа между смежными балками набора).

Бухтина или «местная вмятина» характеризуется размерами (длина и ширина), максимальной стрелкой прогиба, расположе­

обычно применяют определения, указывающие на причину возник­ новения . дефекта. Например, усталостная трещина, коррозионная, вибрационная, трещина вслед­

имеют ярко выраженную глад­ кую блестящую зону; для хрупкого разрушения и обычного стати­

ческого излома характерна зернистая зона.

Часто причину возникновения трещины нельзя определить сра­

В зарубежной практике принято применять при описании не­ больших пробоин (как и сквозных проржавлений) выражение «holed», а в случае больших по объему и степени разрушения пробоин — выражение «pierced».

Для разрушенных листов обшивки и палубного настила при­ меняют такие определения, как «полностью разрушен», «вмят и разорван», «деформирован» и т. п.

Говоря о больших разрушениях и повреждениях корпуса, сле­ дует особо остановиться на методике их описания в акте или дру­ гом текстовом документе. В отечественной практике оформления документации, например, при ремонте корпуса, обычно вначале приводят результаты дефектации, а затем необходимые указания

39