DESIGNING CONTAINERS FOR MARITIME TRANSPORTATION OF LONG PIPES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Technique and Technology of Land Transport)
Astrakhan, Russian Federation
Astrakhan, Russian Federation
2.
Saint-Petersburg Mining University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Thermal Engineering and Heat Power Engineering)
Type:
Article
Pages:
from 97
to 108
Status:
Published
Received:
20.08.2014
Accepted:
25.08.2014
Published:
25.08.2014
Subject area:
UDK 656.1:627(075.8)
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
container, pipes, ship
Abstract (English):
Of containers for sea transportation of the pipes requires a number of tasks on provision of their high strength, durability, ease of construction, on control of the container weight and compliance with the rules of the Maritime Register of Shipping. An open universal container for transportation of a wide range of pipes of outside diameter, wall thickness and mass is developed. In the manufacture of the container, the standard steel profiles are used. This reduces the cost of containers. Creation of the containers for uncertain size pipes has required the development of special methods of calculation and design solutions in the structure of the container. When laying pipes orderly in the container it receives only the weight of the frame tubes, but in case of the displacement of the pipes the pressure on the container wall takes place. The developed type of the containers allows a transportation by road, rail and sea transport, using lift trucks and cranes for cargo-handling operations. The calculations for the strength have shown the possibility of placing in the containers and transportation of pipes up to 5 tons. The designed containers are successfully used in the transport operations at oil and gas facilities in the South of Russia.
Of containers for sea transportation of the pipes requires a number of tasks on provision of their high strength, durability, ease of construction, on control of the container weight and compliance with the rules of the Maritime Register of Shipping. An open universal container for transportation of a wide range of pipes of outside diameter, wall thickness and mass is developed. In the manufacture of the container, the standard steel profiles are used. This reduces the cost of containers. Creation of the containers for uncertain size pipes has required the development of special methods of calculation and design solutions in the structure of the container. When laying pipes orderly in the container it receives only the weight of the frame tubes, but in case of the displacement of the pipes the pressure on the container wall takes place. The developed type of the containers allows a transportation by road, rail and sea transport, using lift trucks and cranes for cargo-handling operations. The calculations for the strength have shown the possibility of placing in the containers and transportation of pipes up to 5 tons. The designed containers are successfully used in the transport operations at oil and gas facilities in the South of Russia.
Keywords:
container, pipes, ship
container, pipes, ship
Введение Основными нормативными требованиями при проектировании контейнеров (тары) являются высокая прочность и надежность, простота конструкции, минимальная масса и технологичность изготовления, при этом контейнеры должны отвечать как требованиям общепромышленных нормативно-технических документов (НТД) [1-5], так и основным положениям Морского регистра судоходства [6-8]. Техническим заданием на проектирование контейнеров для сухопутной и морской перевозки бурильных труб и труб обсадных колонн предусмотрено: - габаритные размеры тары: (L × B × H) 13,7 × 1,2 × 1,2 м; - вес тары: max 5000 кг; - тип тары: каркасная, без раскрытия бортов, без крышки, с закрытыми торцами; - перемещение тары при погрузо-разгрузке: автопогрузчиком и грузоподъемным краном; - конструкция тары должна предусматривать: фиксацию труб (цепь) в вертикальном направлении и возможность штабелирования тары на судне высотой не более 4,5 м; - транспортирование тары: автомобильный, железнодорожный и морской транспорт; - характеристика перевозимого груза: трубы Æ 76 × 4,5 мм - Æ 219 × 8 мм по ГОСТ 10704-76; - климатическое исполнение: У1 по ГОСТ 15150-69. Конструктивное исполнение тары Универсальность тары, предназначенной для перевозки широкого сортамента труб по их внешнему диаметру, толщине стенки и массовым характеристикам, требует выполнения условий в части недопустимости превышения расчетной грузоподъемности тары и укладки труб в тару без расклинивания. Выполнение последнего условия обеспечивается корректировкой внутреннего габарита тары под перевозку конкретного сортамента труб и установкой деревянных проставок в пазы стоечных швеллеров (рис. 1). Силовой каркас контейнера представляет собой рамную конструкцию, включающую в себя: 1. Нижний пояс, выполненный в виде двух параллельных нижних балок из прямоугольного профиля 180 × 100 × 8, соединенных между собой 9 поперечными балками из профиля 100 × 100 × 6. В наиболее нагруженной центральной части нижней балки сверху приваривается накладка из профиля 100 × 100 × 6. 2. Верхний пояс, состоящий из двух верхних балок из профиля 100 × 100 × 6, соединенных между собой с торцов тары 2 поперечными балками из профиля 100 × 100 × 6. 3. Вертикальные связи нижнего и верхнего поясов, состоящие из 18 стоек профилем 100 × 100 × 6. Рис. 1. Контейнер (тара) для бурильных труб: 1 - короб под вилочный захват машин безрельсового транспорта; 2 - балка нижняя; 3 - балка верхняя; 4 - стойка под проушину; 5, 6 - распорка; 7 - швеллер стоечный; 8 - проушина; 9 - стойка; 10 - накладка; 11 - опорный швеллер; 12-14, 16-18 - обшивка пола и стенок; 15 - торцовая обшивка тары; 19 - балка поперечная 4. Связи, воспринимающие сдвиговые нагрузки на тару в горизонтальном направлении, а также распределяющие точечную нагрузку по длине от грузоподъемных устройств, выполненных в виде 4-х распорок, идущих от проушин вниз, выполненных из профиля 100 × 100 × 6. 5. Связи, воспринимающие сдвиговые нагрузки в поперечном направлении в торцах тары, выполненных в виде 2-х диагональных раскосов. 6. Каркас, воспринимающий разрывающие тару усилия от труб, имеет -образную форму (рис. 2, а), состоит из 7 пар стоек, соединенные в нижней части через нижние балки поперечными балками и усиленный по верхней образующей поперечной балки - опорным швеллером 10 é, по боковой части каркаса с внутренней стороны стоек - стоечным швеллером 10 é (см. рис. 5, а). 7. Устройство для вилочного захвата погрузчика. Состоит из двух сплошных коробов, поперечно врезанных в нижние балки, выполненных из листовой стали толщиной 5 мм (рис. 1, а). 8. Проушина (4 шт.) для строповки и погрузки тары грузоподъемным краном (рис. 1) выполнена из листового металла толщиной 20 мм. 9. Элементы, предотвращающие сдвиг тары при штабелировании, включают в себя проушины и соответствующие отверстия снизу в нижних балках, усиленные по нижней плоскости листовым металлом толщиной 5 мм. Свободный ход штабелируемой тары в фиксирующих устройствах не должен превышать 30 мм [9]. 10. Пол тары и боковая обшивка выполнены из листового профиля толщиной 3 мм. Силы, действующие на тару Поскольку контейнер предназначен для хранения и перевозки труб разного типоразмера, анализ нагрузок на тару от упаковочных воздействий не позволяет сделать однозначный вывод о том, каким образом они будут уложены и как будут воздействовать на внутреннюю поверхность тары. Рассмотрим произвольную схему укладки труб в емкость контейнера прямоугольного сечения (рис. 2, а). Рассматривая равновесие отдельной трубы (рис. 2, б), можно увидеть, что реакции со стороны стенки и соседней трубы очень сильно зависят от угла контакта . Чем меньше будет этот угол, тем больше реакция со стороны стенки, при этом угол будет стремиться к бесконечности. Эффект клина особенно хорошо виден из плана сил. а б Рис. 2. Схема нагружения контейнера: а - силы взаимодействия при укладке труб в тару; б - схема действия сил на единичную трубу без учета сил трения в Рис. 2. Продолжение: в - то же, с учетом сил трения Если учитывать силы трения, возникающие в точках контакта (рис, 2 в), реакции уменьшатся на 80-90 % при коэффициенте трения 0,1-0,2. Общий вывод, который можно сделать из анализа планов сил, - боковое давление Fбок на стенку тары не поддается строгому прогнозированию и зависит от диаметров труб. В общем случае боковое давление будет равно Fбок = 0,5 Gгр cos α . Примерная оценка боковой силы от угла a контакта представлена в таблице. Зависимость боковой силы от угла контакта α Схема нагружения стенки α Схема нагружения стенки α Схема нагружения стенки 0 30 0,87 70 0,18 1 28,64 40 0,60 80 0,09 10 2,84 50 0,42 89 0,09 20 1,37 60 0,29 Вероятность возникновения боковых нагрузок, превышающих грузоподъемность контейнера в три раза, составляет 0,1 [10], при этом возможность заклинивания предотвращается податливостью самой конструкции. На рис. 3 показан угол давления 10°, при этом труба может занять положенное ей место, для чего габарит контейнера должен увеличиться на 0,015 диаметра трубы, т. е. при диаметре трубы 100 мм конструкция должна увеличиваться на 1,5 мм, что можно обеспечить устройством податливых сепарационных вставок, например, из дерева. В случаях, если угол контакта меньше 45°, можно рассматривать груз труб как жидкость, поскольку такая модель лучше всего передает особенности нагружения боковых стенок по высоте (рис. 4). Рис. 3. Схема «заклинивания» труб в контейнере Рис. 4. Фактическое нагружение контейнера «модельным» жидким грузом а б в Рис. 5. Компьютерные конечно-элементные модели контейнера: а - конструктивно-техническая; б - расчетная статическая (60 узлов, 108 конечных элементов); в - общая система координат 0XYZ Расчёт напряжённого состояния тары Следуя схеме на рис. 4, в качестве неблагоприятных, из возможного множества, были приняты три сочетания нагрузок, не противоречащих требованиям Российского морского регистра судоходства «Технические требования к размещению и креплению контейнеров международного стандарта на судах» [6-8]: 1. Нагрузка, распределенная от веса номинального груза, приложенная к стойкам по нижнему поясу qн = 14014 Н/м, и нагрузка, распределенная от «гидростатического» давления груза, увеличенная в 5 раз, приложенная к боковым стойкам qбк × 5 = 70071 Н/м при транспортировании контейнера вилочным погрузчиком. 2. Нагрузка, распределенная от веса номинального груза, приложенная к стойкам по нижнему поясу qн = 14014 Н/м, и нагрузка, распределенная от «гидростатического» давления груза, увеличенная в 5 раз, приложенная к боковым стойкам qбк × 5 = 70071 Н/м при транспортировании контейнера грузоподъемным краном с использованием 4-ветвевого стропа [11]. 3. Нагрузка, распределенная от веса номинального груза, приложенная к стойкам по нижнему поясу qн = 14014 Н/м, и нагрузка, распределенная от «гидростатического» давления груза, приложенная к боковым стойкам qбк = 14014 Н/м, а также динамическая нагрузка, приложенная по центрам боковых Fd = 3363 H и нижних стоек Fd = 3363 H (при этом вес груза учтен распределенной нагрузкой), с учетом коэффициента динамичности 1,2 и ускорения при транспортировании не более 2 м/с2, соответствующая размещению контейнеров на судне в 3-ярусном штабеле, раскрепленном найтовыми устройствами (рис. 6 в). max min а max min б max min в Рис. 6. Распределение эквивалентных напряжений в конечных элементах расчетной модели контейнера: а - при нагрузке по 1-му сочетанию; б - при нагрузке по 2-му сочетанию; в - при нагрузке по 3-му сочетанию С целью расчетного конечноэлементного анализа контейнера с грузом при сочетаниях нагрузок 1, 2 и 3 представим контейнер (см. рис. 1) в виде стержневой модели (см. рис. 5, б) для последующего расчета с использованием метода конечных элементов при помощи программы АРМ Structure3D (рис. 6). Следует учесть, что при моделировании прочность обшивки контейнера принята в запас прочности, а уравнение статического равновесия контейнера, как система со многими степенями свободы (60 × 6 = 360), имеет вид , где [k] - матрица жесткости модели; {v} - вектор деформационных перемещений узлов; {Рст} - вектор внешних нагрузок по сочетаниям 1, 2 и 3. В качестве критерия оценки напряжений использовались эквивалентные напряжения по Мизесу [12]: , где - нормальные напряжения в объемном напряженном состоянии; - касательные напряжения. По результатам расчетного анализа на рис. 6 представлены эквивалентные экстремальные напряжения в конечных элементах: мaх - максимальные (141 МПа), min - минимальные. Если в качестве материала для изготовления траверсы будет использоваться сталь (Ст3) с пределом текучести sт = 230 МПа, получаем, что коэффициент запаса прочности будет равен . (1) Для расчета металлоконструкций вспомогательной грузоподъемной техники, такой как контейнеры, не разработана полноценная методика, основывающаяся на методе предельных состояний [13]. Однако, исходя из практики и опыта применения метода допускаемых напряжений, с учетом несовершенства расчетной модели, а также неточности задания расчетных нагрузок, можно считать полученный коэффициент запаса прочности (1) удовлетворительным [4, 5]. Определены предельные перемещения отдельных точек модели тары для использования этих значений в качестве контрольных при проведении статических испытаний тары грузом 1,25 от номинального, составлены дополнительные расчетные модели, имитирующие нагружение тары при её транспортировании погрузчиком и с испытательным грузовым краном. Результаты расчета, где приведены перемещения точек расчетной модели тары в направлении оси Z общей системы координат (вертикальные перемещения) показаны на рис. 7. а б Рис. 7. Расчетная проверка жесткости контейнера: а - с номинальным грузом Qном = 11,5 т на вилочном погрузчике; б - с испытательным грузом Qисп = 1,25 × 11,5 = 14,375 т, подвешенным на кране Для транспортировки изделия длина строп 4-ветвевого стропа должна быть не менее 5,0 м при базе грузозахватных проушин 6,8 м [11]. Для стропа с числом ветвей более трех, воспринимающих расчетную нагрузку, учитывают не более трех ветвей. При расчете стропов, предназначенных для транспортировки заранее известного груза, в качестве расчетных углов между ветвями стропов могут быть взяты фактические углы. В канатных стропах для транспортировки тары должны использоваться канаты крестовой свивки по ГОСТ 3071, ГОСТ 3079, ГОСТ 2688, ГОСТ 7668 и ГОСТ 7669, коэффициент запаса прочности которых по отношению к нагрузке отдельной ветви стропа должен быть не менее 6 [3]. Для проверки соответствия тары требованиям стандарта ГОСТ 19822-88 [9] и ТУ 36.05.18-2-2001 [5] предприятие-изготовитель должен проводить приёмосдаточные и периодические испытания контейнеров, в состав которых должны входить: 1. Операционный контроль каждой единицы металлической тары на соответствие требованиям Руководства по эксплуатации тары и паспорта тары. 2. Испытания под нагрузкой. 3. Испытания строповочных грузозахватных элементов. При статических и динамических испытаниях тары под нагрузкой принимают: - статическую испытательную нагрузку 1,25 Рн; - динамическую испытательную нагрузку 1,1 Рн, где Рн - допускаемая рабочая нагрузка на тару от транспортируемого полезного груза. Испытание тары проводят по методике, не противоречащей ГОСТ 9570-84, с соблюдением требований безопасности по ГОСТ 12.3.010-82 [2]. При испытании тары под нагрузкой в поднятом положении с захватом крюками крановых строп за два диагонально расположенных строповочных элемента, следует дополнительно проверить отсутствие трещин в сварных швах строповочных элементов и их остаточных деформаций. Технология изготовления контейнеров Для изготовления тары используются [3, 4, 14]: 1. Профиль прямоугольный для строительных конструкций 180 × 100 × 8 ГОСТ 30245-94. 2. Профиль квадратный для строительных конструкций 100 × 100 × 6 ГОСТ 30245-94. 3. Швеллер 10П ГОСТ 8240-89. 4. Лист стальной толщиной 3 мм. 5. Лист стальной толщиной 5 мм. 6. Лист стальной толщиной 20 мм. Технология изготовления тары [3, 5] предполагает использование электросварки для соединения отдельных элементов, поэтому сварные швы должны быть спроектированы таким образом, чтобы их сечение было не меньше сечения основного металла, в этом случае сварные швы будут равнопрочны основному металлу металлоконструкции тары, и дополнительный расчет сварных швов не потребуется. Отсюда следует, что катеты тавровых сварных швов должны быть не меньше толщины основного металла свариваемых элементов (см. рис. 1). Подготовка поверхности изделия к окраске осуществляется согласно требованиям ГОСТ 9.402-80 «Покрытия лакокрасочные. Подготовка металлических поверхностей перед окрашиванием». Окраска поверхностей производится согласно требованиям ГОСТ 9.303-84 «Покрытия металлические. Общие требования». Наружная и внутренняя поверхность тары должны быть загрунтованы и окрашены. Лакокрасочные покрытия должны быть по внешнему виду отнесены к VII классу по ГОСТ 9.032-74. Группа условий эксплуатации тары - У2 по ГОСТ 9.104-79. По согласованию с потребителем допускается изготовлять тару загрунтованной. Материалы для покрытия металлических поверхностей тары: грунтовка ГФ-021 по нормативно-технической документации, эмаль ПФ-133 по ГОСТ 926-82, эмаль ПФ-115 по ГОСТ 6465-76, эмаль МП-12 по ГОСТ 9754-76. Применение контейнеров Предложенный проект контейнера реализован в условиях ООО «КРЭДА» (г. Астрахань) и используется для транспортировки труб и оборудования в условиях Каспийского бассейна (рис. 8). Изготовитель гарантирует соответствие тары требованиям проекта и ГОСТ 19822-88 [9] при соблюдении условий эксплуатации, хранения, транспортирования, устанавливаемых этим стандартом. Нормативный срок эксплуатации тары до экспертного обследования - 6 лет. Кроме того, потребителю тары следует строго соблюдать требования транспортировки пустой тары и тары с грузом, которые определяются действующими нормативными документами соответствующего грузоперевозчика [6, 8]. Тара должна устанавливаться на плоскую горизонтальную поверхность. Основное требование при грузоперевозке - это обеспечение защиты тары от самопроизвольного перемещения по транспортному средству, обеспечение устойчивости тары одиночной и в штабеле, а также соответствие установочной поверхности транспортного средства габаритам тары. а б Рис. 8. Эксплуатация изготовленных контейнеров на морских нефтяных платформах Результаты расчетов показали зависимость дополнительных нагрузок на тару от водоизмещения судна. При росте водоизмещения расчетные нагрузки уменьшаются. Это эффективно при использовании контейнеров для перевозки труб судами с большим водоизмещением или ограничить использование малотоннажных судов для перевозки при значительном волнении моря. При перевозке грузов на судах, для их крепления используются стандартные средства крепления многоразового использования. Для раскрепления тары могут быть использованы найтовые устройства (оттяжки), которые включают в себя прутковые, цепные, тросовые и ремневые оттяжки. Наиболее удобны, надежны и безопасны прутковые крепления, которые изготавливаются из стального прутка диаметром около 24 мм с разрывным усилием 240 кН (рис. 9, б). а б Рис. 9. Штабелирование контейнеров в условиях морской транспортировки: а - укладка/крепление тары на открытой палубе судна; б - найтовые устройства крепления (Lashing bars/rods) Заключение Опыт проектирования тары для морской перевозки труб показал, что при расчете крепления тары на палубе необходимо учитывать следующие факторы: 1. Фактическую массу тары. 2. Подверженность внешнему воздействию моря и ветра. 3. Напряжения, возникающие в системе крепления, корпусе судна, люковых закрытиях и таре. 4. Условия устойчивости судна. Как правило, груз укладывается на палубу в определенное количество рядов и ярусов, образуя тем самым блоки. Взаимное месторасположение тары должно быть таким, чтобы оно обеспечивало достаточный доступ для судового/берегового персонала, производящего крепление либо инспекцию тары.
1. GOST 14861-91. Tapa proizvodstvennaya. Tipy. M.: Izd-vo standartov, 1991.
2. GOST 12.3.010-82. Tara proizvodstvennaya. Trebovaniya bezopasnosti pri ekspluatacii. M.: Izd-vo standartov, 1982.
3. Hal'fin M. N. Gruzozahvatnye prisposobleniya i tara: ucheb. posobie; pod obsch. red. M. N. Hal'fina. Rostov n/D: Foliant, 2006. 144 s.
4. RD 24.090.97-98. Oborudovanie pod'emno-transportnoe. Trebovaniya k izgotovleniyu, remontu i rekonstrukcii metallokonstrukciy gruzopod'emnyh kranov. M., 1998. 35 s.
5. TU 36.05.18-2-2001. SGP i tara. Proektirovanie, izgotovlenie i remont.
6. RD 31.11.21.18-96. Pravila perevozki gruzov v konteynerah morskim transportom (utv. Prikazom Federal'noy sluzhby morskogo flota RF ot 29.11.1996 № 44) // URL: russia.bestpravo.ru/fed1996/data01/tex11886.htm.
7. Pravila perevozki konteynerov morskim transportnom (utv. Ministerstvom morskogo flota 01.02.1982 g.) // URL: www.rs-class.org/ru/register/publications/list.php?section_id=93.
8. Obschie polozheniya po t/n za konteynerami. Pravila izgotovleniya konteynerov. Pravila dopuscheniya konteynerov k perevozke gruzov pod tamozhennymi pechatyami i plombami. Pravila t/n za izgotovleniem konteynerov. Pravila t/n za konteynerami v ekspluatacii: Rossiyskiy morskoy registr sudohodstva, 2009 g. // URL: www.rs-class.org/ru/register/publications/list.php?section_id=93.
9. GOST 19822-88. Tara proizvodstvennaya. Tehnicheskie usloviya. M.: Izd-vo standartov, 1988.
10. ST SEV 3972-83. Nadezhnost' stroitel'nyh konstrukciy i osnovaniy. Konstrukcii stal'nye. Osnovnye polozheniya po raschetu. M., 1984. 15 s.
11. RD 10-33-93. Stropy gruzovye obschego naznacheniya. Trebovaniya k ustroystvu i bezopasnoy ekspluatacii. M: NPO OBT, 1994. 84 s.
12. Spravochnik po soprotivleniyu materialov / pod red. G. S. Pisarenko. Kiev: Nauk. dumka, 1988. 736 s.
13. GOST 28609-90. Krany gruzopod'emnye. Osnovnye polozheniya rascheta. M., 1990. 7 s.
14. SP 16.13330.2011 SNiP II-23-81*. Stal'nye konstrukcii. M., 2011. 248 s.
15. SNiP 2.01.07-85. Nagruzki i vozdeystviya. M., 1988. 127 s.
