Техническое состояние корпусной конструкции и расчет нагрузок действующих на продольные и поперечные связи после переоборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Азербайджанская Государственная Морская Академия

ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ КОРПУСНОЙ КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ НАГРУЗОК ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ПРОДОЛЬНЫЕ И ПОПЕРЕЧНЫЕ СВЯЗИ ПОСЛЕ ПЕРЕОБОРУДОВАНИЯ

Рзаева А.Г.

Аннотация

нагрузка танкер корпус судно

В статье рассмотрена вновь установленная система набора на танкере "Юamaxэ" и действующие на нее основные нагрузки отражающиеся от главной балки. Проанализирована общая работа корпуса судна на сжатие. Учтено, что на корпусную конструкцию в ходе эксплуатации действуют силы давления жидкости как снаружи так и изнутри корпуса, автором было предложено установить систему набора так чтобы увеличить общую прочность корпуса судна и повысить живучесть судна, за счет точно спроектированного расчета и постройки двойного дна и второго борта. Рассчитывая основные и учитывая стихийно возникающие нагрузки, мы применили соответствующую технологию, где наружная обшивка в сборе с набором принимают нагрузки на "себя" и сводят их к минимуму.

Ключевые слова: Продольный и поперечный набор, максимальная и минимальная нагрузка, испытание на растяжение и на изгиб, расчетная нагрузка, фальшборт, палуба.

Основная часть

Судовая корпусная конструкция в процессе постройки и далее в эксплуатации подвергается нагрузкам которые возникают статически, динамически и стихийно[5]. Чтобы определить насколько опасны и неординарны действующие на корпусную конструкцию нагрузки, автор проанализировал и сделал соответствующие выводы, которые позволят снизить их появление до минимума.

Переоборудованный танкер проекта 1598 "Юamaxэ" построен по продольной системе набора. Главные балки, воспринимающие основные нагрузки действующие во время эксплуатации на корпусную конструкцию, являются продольными балками днищевого и подпалубного набора, а поперечные балки изготовленные из полособульб, являются балками которые препятствуют действующим силам воды сжать борта судна с двух сторон. Согласно [4] поперечными связями служат рамные шпангоуты, которые устанавливают через два-три или четыре шпации, т. е. на расстоянии от 1650 мм - до 2400 мм друг от друга. На танкере "Юamaxэ" расстояние между установленными рамными шпангоутами равно 2310 мм. Расстояние между холостыми балками продольного набора, согласно [4], устанавливают на расстоянии от 500мм до 800мм, а кильсоны и карлингсы на расстоянии 1500-2500 мм друг от друга. На танкере "Юamaxэ" расстояние между бортовыми холостыми балками набора равно 770мм.

Согласно расчетным данным, продольная система днищевого набора танкера обеспечивает повышенную прочность корпуса на общий изгиб, а бортовая наружная обшивка подкрепленная продольными ребрами жесткости, устойчиво работает на сжатие. Для этого наружную обшивку корпуса судна и настил палубы свариваем из отдельных металлических листов судостроительной стали, при этом длинные кромки соединяем встык вдоль длины судна, где они образуют пояса наружной обшивки. Металлические листы сваренные друг с другом по наименьшей кромки и расположенные поперек судна образуют сварные швы называемые стыками [1].

Учитывая, что с внутренней стороны корпусной конструкции бортовой обшивки судна расположены шпангоуты и их расстояние равно 715 мм необходимо, чтобы стыки образованные в момент сварки листов лежали на расстоянии ¹/₄-¹/₃ шпации от шпангоутов. Имея такую сварную построечную корпусную конструкцию, при которой листы в длину располагаются вдоль судна, мы со своей стороны устанавливая продольные листы на прямой вертикальной переборке и сваривая их друг с другом придерживались выше сказанных показателей не нарушая требования правил Регистра.

Недостатком продольной системы набора является более сложная стыковка деталей подготовленной к установке и сварке секции двойного борта и двойного дна и меньшая поперечная прочность всей изготовленной корпусной конструкции. Для того чтобы корпусная конструкция имела наибольшую поперечную прочность при продольной постройке системы набора и одновременно уменьшенную нагрузку действующая как на наружную обшивку так и на продольные и поперечные связи корпусного набора в целом, необходимо равномерно распределить и рассчитать все толщины корпусного набора судна и действие на нее сил сопротивления воды и волнового сопротивления не выходя за расчетные данные полученных экспериментальным путем [3].

Используя полученные расчеты при установке настила двойного дна, подпалубного продольного и поперечного набора на переоборудованном судне позволило применить судостроительную сталь соответствующей категории Д32 разной толщины, для того чтобы действующая нагрузка силы воды не смогла сжать судно как со стороны бортов так и днища. Все листы установлены вдоль длины судна. Толщина бортовых построечных листов равна построечной растяжке судна и одинакова для обеих бортов. Чтобы в процессе постройки локализовать возникающие нагрузки, необходимо строго соблюдать технологию установки и сварки всех элементов корпусной конструкции, а также, необходимо, снять напряжения возникающие в установочных металлических листах по специально разработанной методики (Технологическая разработка и применение методов предупреждающие возникновение напряжений в корпусных конструкциях).

Для уменьшения величин напряжения возникающих в корпусной конструкции двойного борта, при установке и сварке его к настилу двойного дна, к главной палубы и к рамному бортовому набору, при изгибе или при перегибе судна, необходимо, при производстве сварочных работ соединить все элементы подпалубного и днищевого наборов с геометрической точностью так, чтобы в установленных листах корпусной конструкции не возникли деформации, трещины, скручивания. Дефекты такого рода возникающие в процессе постройки или переоборудования судов могут привести к нежелательным последствиям, таким как, к сквозным микроскопическим трещинам, свищам в сварных швах на настиле палубы, днища, переборок, у подпалубного и днищевого набора, а также на поверхности металлических листов.

Подготовленную обшивку корпусной конструкции на чертеже растягиваем поперек судна-по шпангоутам по одну сторону от ДП. Здесь обшивка корпусной конструкции судна и настил палубы являются основными связями эквивалентного бруса, которые обеспечивают общую и местную прочность корпуса судна. В обеспечении прочности корпусной конструкции основную роль отводят отдельным поясам обшивки, так как нагрузка распределена неодинакова и определяется положением относительно нейтральной оси эквивалентного бруса. K наиболее нагруженным элементам корпусной конструкции относят: пояса палубы и днищевой обшивки; верхний пояс обшивки борта, называемый ширстреком в соединении с ватервейсовым поясом; закругленный скуловой пояс в месте перехода бортов в днище со скуловыми бортовыми килями [2,3,4].

Исходя их условия обеспечения общей прочности корпуса судна, учитывая нагрузки и напряжения возникающие и действующие на корпус с максимальными усилиями в поперечном и продольном направлениях, автор рассчитал прочность поперечных переборок с прилегающими к ней частями палубы и днища. В данном условии поперечные балки бортового набора шпангоутами необходимо пренебречь, так как они не оказывают никакого влияния на действующие силы.

Принимая во внимание то, что прочность корпусной конструкции во многом зависит от определенных факторов и технологических операций, то для его выполнения, в процессе переоборудования, автором предложено увеличить все расчетные значения прочностных характеристик корпусных конструкции состоящие из экспериментальных данных полученных в процессе эксперимента на изгибающий момент и из коэффициента прочности допускаемых напряжений. Если не учесть этот фактор, то под действием возникающих внешних и внутренних сил вызванные случайными нагрузками действующие на корпусную конструкцию, могут появится неуравновешенные силы инерции корпусного механизма, которые в процессе эксплуатации приводят к вибрациям корпуса судна в днищевой части, а также к разрыву продольных и поперечных связей корпусной конструкции. Нами установленные металлические листы расчетной толщины позволяют при максимальной нагрузке сохранить свои первоначальные качества, несмотря на то, что данные элементы корпусной конструкции были подвергнуты максимальному испытанию на растяжение и на изгиб [2].

Материал, судостроительная листовая сталь до установки на танкер "Юamaxэ", во время переоборудования, была тщательно испытана и согласно расчетным толщинам с точностью до мм установлена по всему периметру грузовых танков, балластных отсеках, дополнительных грузовых отсеках по бортам так, чтобы в новых листах обшивки не образовывались деформации и не создавались напряжения.

Например, cогласно [4] суда плавающие в битом льду, имеют вдоль всего корпуса ледовый пояс, толщину обшивки которого в носовой части судна принимают равной 1,25t, в районе ахтерпика -1,2t, на остальной длине судна -1,15t (где t - толщина обшивки борта в соответствующем районе для судна без ледовых подкреплений), у сухогрузных судов палубный настил второго дна для защиты от повреждений при перегрузочных операциях утолщают на 3 мм и более, т. е. t_ш.>t₀+3 мм (где t₀ -толщина наружной обшивки днища), a на нефтеналивном судне ширину ширстрека по расчетам устанавливают не менее 0,2 высоты борта - Н.

Толщина обшивки и настила палубы назначается из условия обеспечения общей прочности корпуса. Однако Правилами Морского Регистра установлены минимально допустимые толщины отдельных поясов из условия обеспечения судну необходимой долговечности с учетом коррозии и механического износа. Минимальную толщину наружной обшивки, настила палубы, ширстрека и палубного стрингера назначают в зависимости от длины, класса и типа судна.

Анализируя техническое состояние палубы судна невольно сталкиваешься с тем, что палуба является одним из основных элементов корпуса судна к которой соединяются все продольные и поперечные связи левого и правого бортов, у которых имеются как продольные так и поперечные соединения. Каждая из соединений прямо или косвенно соединяется с палубой судна и образует прочную раму, которая соединяется с другими такими же рамами, без которых не было бы прочных связей всей корпусной конструкции, начиная от днища к бортам и от борта на палубу.

Учитывая требования предъявляемые Регистром к современным корпусным конструкциям палубы и надстройкам, произведем математический расчет нагрузки действующей на палубу во время перевозки нефтеналивного груза. Рассматривая расчетное давление действующее на участках верхней палубы с надстройкой, определим минимальное расчетное давления для танкера по формуле:

p = 0,7·p_w ? p_min, (1)

где p_min = 0,015L + 7 = 0,015141,6 + 7 = 9,124, мы примем равным 9,1 кПа,

р_W = 13,5 кПа - волновая нагрузка на уровне палубы.

р = 0,713,5 = 9,45 кПа > 9,1 кПа.

В процессе эксплуатации танкера на конструкцию палубы и платформ, ограничивающими танками и отсеками, действует давление которое определяем по формуле и называем ее расчетным:

р_г= 0,75 · р_г · g · ?z = 0,75 · 0,95 ·9,81· 2,5 = 17,474 кПа, (2)

где z = 2,5 м - высота воздушной трубы над палубой,

р_г = р_к = 25 кПа - давление, на которое отрегулирован предохранительный клапан и взят в качестве расчетного.

Так как на танкере грузовые отсеки имеют водонепроницаемые и водопроницаемые гофрированные переборки действующие упругие силы деформации и остаточных толщин поперечного и продольного изгиба сопротивляются силам внешней нагрузки, степень ее жесткости автор определил по формуле:

(3)

Здесь наибольшая стрелка прогиба установленных продольных балок судового корпусного набора балок зависит от размера нагрузки Р действующей на корпус судна после переоборудования, от пролета балок l, момента инерции поперечного сечения I, от упругих свойств материала Е, а также от способа крепления концов продольной балки к корпусу k и согласно Правилам Регистра данное выражение можно выразит следующей формулой [2,3,4]:

(4)

Расчет толщины листовых элементов подпалубного набора показывает что толщина листов настила палубы S_min мм, при L < 100м, должна быть не менее:

S_min = (7+0,02·L)v^ќЮ = (7 + 0,02·141,6 ) · v^ќ0,78 =8,7 мм (5)

Полученная расчетная толщина необходима для того, чтобы установочные толщины были не ниже указанной в расчете, а самое главное, чтобы техническое состояние корпусной конструкции в момент эксплуатации позволил танкеру выработать свой моторесурс отведенный для судов данной категории без простоев и перебоев на ремонт [4,5].

Толщину настила расчетной палубы на переоборудованном танкере мы приняли меньше чем обшивка борта, и поэтому на танкере нами был предусмотрен один палубный стрингер и два бортовых. Ширину стрингеров b, мм, определили по формуле и она должна быть:

b=5L+800 = 5141,6+800 = 1508 мм; (6)

где L длина судна.

В результате полученных расчетных данных и учитывая, что мы построили двойную переборку для балластного отсека шириной 1000мм, ширина стрингеров равна ширине балластного отсека. Толщина установленного листа стрингера равна 12 мм.

Анализируя полученные данные о прочности корпусной конструкции и допустимых напряжений, мы рассчитали и обеспечили жесткость корпусной конструкции, которая не превышает установленных норм. Для этого, произвели расчет палубного набора, где вычислили действие нагрузок на продольные и поперечные балки, а также сопротивления поперечного сечения продольных балок подпалубного набора.

Момент сопротивления поперечного сечения продольных подпалубных балок определили по формуле:

W = W_k (7)

(8)

где m = 12; k_b= 0,75; у=301; _k = 1+б_kS; коэффициенты данные которых заданы;

Q = pal = 250,7152,4 = 42,9 кН,

где р расчетное давление;

а расстояние между подпалубными балками;

l момент инерции поперечного сечения

где б_k = 0,07+6/W = 0,23 0,25 при W<200 см³.

S = u(Т12) = 0,2513 = 3,25 мм.

Для продольных подпалубных балок установлены полособульб 20б по ГОСТ 2193776 с W= 290,37 см³ с присоединенным пояском обшивки.

Рассчитав и получив расчет момента сопротивления сечения рамного бимса обеспечивающий поперечную прочность всего подпалубного набора главной палубы и бортового набора, мы приходим к выводу, что сопротивление бортового набора в сборе с системой набора палубы сможет противостоять действиям скручивающих напряжений в момент перегиба и прогиба судна и позволит корпусной конструкции переоборудованного танкера прийти в первоначальное. Для этого сопротивление поперечной прочности корпусной конструкции должно быть менее значений указанных в формуле 6 и 7.

Из формулы 6 и 7 следует, что: Q = pal = 250,7152,4 = 42,9 кН;

где = при W 200 см³;

Установленная и принятая при переоборудовании площадь поперечного сечения стенки бимса, вычислена по формуле:

f_c = f_cк = 28,641,03 = 29,49см². (9)

f_c = , (10)

где k = 0,65 - коэффициент допускаемых касательных напряжений;

_n = 0,57_n = 0,57301 = 171,6МПа - расчетный нормативный предел текучести по касательным напряжениям, МПа;

N_max=0,5pal = 319,5МПа - максимальное значение перерезывающей силы.

Согласно ОСТ5.937380 подпалубный бимс соединенный с переборкой двойного борта в дополнительных грузовых трюмах на переоборудованном танкере мы установили из сварной конструкции тавра 25б (W = 655 см³ с присоединенным пояском обшивки, f_с = 39,6 см²).

Для предупреждения возникновения нагрузок действующие на элементы фальшборта необходимо знать характер и направления их движения, которые могут возникнуть при эксплуатации у переоборудованного судна, когда силы действующие на корпусную конструкцию неравномерны и при этом вся установочная корпусная конструкция находится в постоянном напряжении. Только благодаря правильному распределению переменных статических и динамических нагрузок возникающие от колебания собственного корпуса судна, точной установки и сварки элементов корпусных конструкции, снятие своевременного напряжения в сварных соединениях, позволит предупредить возникновение неравномерных, неуравновешенных нагрузок и противостоят силам действующие на корпусную конструкцию судна и защитить от деформации и скручивания[1,2].

Данные нагрузки могут возникнуть при работе машин и механизмов вызвав тем самым, нежелательную общую вибрацию, которая может вызвать амплитуду колебаний всего корпуса в результате, корпусная конструкция может переломиться в нескольких местах и привести к гибели судна. Чтобы предупредить нежелательные процессы, мы ввели в расчет нагрузки и напряжения коэффициент запаса прочности, а минимально изгибающий момент увеличили в к раз, где к - коэффициент прочности корпусной конструкции по расчету.

Как любая металлическая конструкция, фальшборт при перегибе и изгибе судна подвергается напряжению, которые готовы "вырвать" закрепленые стойки с настила палубы. Поэтому фальшборт в районе палубы в носовой и кормовой части танкера длиной больше 100 м устанавливают так, чтобы он не участвовал в общем изгибе корпуса судна, а значит, обязан будет противостоять стихийным силам сопротивления воды возникающие при попадании судна на волну во время шторма [2,3]. Для этого высота фальшборта должна быть не менее 1,0 м. Фальшборт на переоборудованном танкере в носовой части установлен высотой h_ф = 1,2м, а в корме 1,0м. Стенка фальшборта по всей длине подкрепляется стойками, расстояние между которыми не более а =1,6 м [4,5].

Минимальная толщина стенки фальшборта согласно расчета должна быть установлена:

S_min = 0,025L+4 = 7,54 мм. 8,5мм при L < 100.

Мы установили толщину стенки фальшборта 8 мм.

Расчетной нагрузкой на фальшборт является волновое давление:

р = 21,29 кПа,

где p_min = (0,02L+14)ц_r = (0,02141,6 + 14)1 = 16,8 кПа 15 кПа.

ц = 1 для судов неограниченного района плавания.

Принимаем за расчетное давление р = 21,29 кПа.

Момент сопротивления стойки фальшборта, примыкающей к настилу палубы, должен быть не менее:

W = W_k = 167,151,18 = 197,24 см³.

где =;

m=2; k = 0,65;

Q = pal = 21,291,21,6 = 40,88 кН,

_k = 1+б_kS = 1+0,11,3 = 1,18;

где б_k = 0,07+6/W = 0,07+6/167,15 = 0,1 0,25 при W<200 см³.

S = u(Т12) = 0,1(2512) = 0,113 = 1,3 мм.

Для стоек фальшборта принимаем судостроительный материал полособульб 18а по ГОСТ 2193776 с W = 200 см³.

Анализируя полученные показатели технического состояния основных элементов корпусной конструкции и набора в целом можно сделать соответствующие выводы. Вся наружная обшивка корпусной конструкции судна, настила палубы, продольных и поперечных переборок совместно с системой набора спроектирована так, чтобы силы сопротивления воды действующие на корпуса судна извне (судно порожнем) не могли "смять" настил палубы судна, бортовую и днищевую обшивку, несмотря на то, что ширина судна в несколько раз меньше чем длина [2]. Этому препятствуют подпалубный, бортовой и днищевой наборы, расположенные в продольном и поперечном направлениях, способствующие принятию всех нагрузок "на себя" и далее свести их к минимуму. Но чтобы увеличить общую прочность корпусной конструкции судна и повысить ее мореходные качества мы построили танкеру двойное дно и двойные борта, что дает возможность без проблем выполнить разгрузочно погрузочные операций.

Технология математического и экспериментального расчета нагрузок действующих на элементы корпусной конструкцию извне, показывает насколько прочен и как противостоит действующим внутренним и внешним нагрузкам корпусная конструкция в эксплуатации. При испытании танкера в доке и на плаву, во вновь построенной корпусной конструкции двойного дна и второго борта в момент освидетельствования не было обнаружено ни трещин, ни разрывов, ни скручиваний. Техническое состояние построенной корпусная конструкция танкера удовлетворительное, так как она выдержала все нагрузки и испытания [1,2,4].

В настоящее время нефтеналивной танкер находится в эксплуатации и автор наблюдает за всем процессом происходящий с корпусной конструкцией. По имеемым данным во время прохождения докового освидетельствования на судоремонтном заводе на танкере не было замечено каких либо дефектов в районе как построенной так и построечной корпусной конструкции. Согласно освидетельствованию Регистра переоборудованный танкер соответствует всем международным нормам и стандартам и имеет право на получение свидетельства о выходе в эксплуатацию.

Литература

1. Баширов Р.Д., Рзаева А.Г. Технология ремонта корпуса судна. Баку, АГМА, 2014 год, 486 с.

2. Барышников С.О. Устранение остаточного перегиба корпусов судов. СПб; СПГУВК, 2011. 200 с.

3. Бронский А.И., Глозман М.К., Козляков В.В. Основы выбора конструкции корпуса судна. Л. Судостроение, 1974 г. 346 с.

4. Правила Регистра "Классификации и постройки морских судов", 2012г, том 1 и 2. 1151 с.

5. Путов Н.Е. Проектирование конструкции корпуса морских судов. Л. Судостроение, 1977г. 289 с.

Размещено на Allbest.ru