REPLACEMENT OF DRAIN PASSAGES OF MOTORSHIP "NEVSKIY" AFLOAT
Authors:
1.
State University of Maritime and Inland Shipping named after Admiral Makarov
2.
State University of Maritime and Inland Shipping named after Admiral Makarov
3.
State University of Maritime and Inland Shipping named after Admiral Makarov
Type:
Article
Pages:
from 23
to 31
Status:
Published
Received:
20.05.2016
Accepted:
25.05.2016
Published:
25.05.2016
Subject area:
UDK 629.555
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:
repair of hull, resistance to flooding, overall strength, shear stresses, main stresses, residual stresses
Abstract (English):
The paper considers the problem of repair of ship hull afloat by the example of motorships like "Nevskiy" type (project Р-32БУ). The solutions of a number of the operational tasks such as ensuring the resistance to flooding of the vessel when repairing and hull structural strength at various stages of repair works are presented. The values of residual stresses in conjunctions of the hull, which appear after repair works, are analyzed. On the basis of the calculation of draft at forward perpendicular and draft at aft perpendicular, draft differences and the elements of metacentric stability the necessity of installation of temporary plugs in the shipborne drain passages that do not let free access of water into hull double bottom space and ensure the resistance to flooding is explained. As a ship hull during repair works afloat is under load due to weight forces and forces of buoyancy, bending-moment curves and shearing force curves are received. In order to ensure the overall strength of the hull, the values of possible shear stresses at critical points, main stresses at top edges of gunwale strake and stresses in conjunctions of the ship hull before and after repair works. During repair works residual stresses can appear in the ship hull, which can lead to reduction of assurance factor for fatigue strength and arising of corrections to reduction factor of longitudinal ribs, which can cause loss of stability of stiffening ribs. The calculation of possible residual stresses during consequential and simultaneous replacement of drain passages was made. On the basis of the calculations the recommendations for the development of the technological process of replacement of drain passages of the motorship like "Nevskiy" afloat are given.
The paper considers the problem of repair of ship hull afloat by the example of motorships like "Nevskiy" type (project Р-32БУ). The solutions of a number of the operational tasks such as ensuring the resistance to flooding of the vessel when repairing and hull structural strength at various stages of repair works are presented. The values of residual stresses in conjunctions of the hull, which appear after repair works, are analyzed. On the basis of the calculation of draft at forward perpendicular and draft at aft perpendicular, draft differences and the elements of metacentric stability the necessity of installation of temporary plugs in the shipborne drain passages that do not let free access of water into hull double bottom space and ensure the resistance to flooding is explained. As a ship hull during repair works afloat is under load due to weight forces and forces of buoyancy, bending-moment curves and shearing force curves are received. In order to ensure the overall strength of the hull, the values of possible shear stresses at critical points, main stresses at top edges of gunwale strake and stresses in conjunctions of the ship hull before and after repair works. During repair works residual stresses can appear in the ship hull, which can lead to reduction of assurance factor for fatigue strength and arising of corrections to reduction factor of longitudinal ribs, which can cause loss of stability of stiffening ribs. The calculation of possible residual stresses during consequential and simultaneous replacement of drain passages was made. On the basis of the calculations the recommendations for the development of the technological process of replacement of drain passages of the motorship like "Nevskiy" afloat are given.
Keywords:
repair of hull, resistance to flooding, overall strength, shear stresses, main stresses, residual stresses
repair of hull, resistance to flooding, overall strength, shear stresses, main stresses, residual stresses
Введение При разработке технологии замены сливных каналов теплохода типа «Невский», предложенной ЗАО «Ленречпорт», необходимо решить ряд технических задач: - обеспечить непотопляемость судна во время ремонта; - обеспечить прочность корпуса на различных стадиях ремонта; - проанализировать значения возникающих после ремонта остаточных напряжений в связях корпуса. Решение технических задач При выполнении ремонтных работ по замене сливных каналов на плаву появляется вероятность попадания большого количества воды в междудонное пространство корпуса. На рис. 1 представлены весовая нагрузка и посадка судна, на рис. 2 - конструкция сливных каналов в корпусе. Рис. 1. Весовая нагрузка (а); посадка судна (б) Рис. 2. Схема сечения кормового сливного канала: Ткк - осадка в районе кормового сливного канала; ДП - диаметральная плоскость (а); схема сечения носового сливного канала: Ткн - осадка в районе носового сливного канала (б) В табл. 1 представлен расчет осадок, дифферентов и элементов начальной остойчивости теплохода «Невский» [1]: Таблица 1 Расчет осадок, дифферентов и элементов начальной остойчивости Элемент Обозначение и расчетная формула Проект Р-32БУ Водоизмещение судна, т D 1050 Положение центра тяжести по длине от миделя, м xg - 4,00 Положение центра величины по длине от миделя, м xc 3,32 Дифферентующее плечо, м -7,32 Большой метацентрический радиус, м R 736 Большая метацентрическая высота, м H = R - a 735 Дифферентующий момент, кНм M = Dxd 79350 Момент дифферентующий на 1 см, кНм/см 733 Общий дифферент, см 108 Положение центра тяжести площади ватерлинии по длине от миделя, м xω 2,06 Изменение осадки носом, м 52 Изменение осадки кормой, м 56 Средняя осадка, м Tср 0,84 Осадка носом, м 0,32 Осадка кормой, м 1,40 Малый метацентрический радиус, м ρ 20,55 Малая метацентрическая высота, м 18,21 Момент кренящий на 1º, кНм/град 339 Используя данные о весовой нагрузке и табл. 1, можно рассчитать осадку в местах расположения сливных каналов по формуле: - для носового сливного канала: - для кормового сливного канала: где Lн и Lк - расстояние от носового перпендикуляра до бортового отверстия носового и кормового канала соответственно. После подстановки значений получим Tкн = 0,14 м, а для Tкк = 1,35 м (для судов проекта (пр.) Р-32БУ). На рис. 2 видно, что бортовые отверстия сливных каналов расположены выше порожней ватерлинии, однако оставлять открытыми эти большие отверстия на время ремонта рискованно, т. к. они располагаются близко к порожней ватерлинии и во время работ по замене сливных каналов открывают свободный доступ воды внутрь корпуса. В связи с вышеизложенным, в технологическом процессе предусматривается постановка временных заглушек на эти отверстия на бортах корпуса судна. Если по каким-то причинам края отверстий оказываются ниже порожней ватерлинии, на основании данных табл. 1 можно рассчитать расположение и количество балласта, необходимого, чтобы отверстия на борту оказались выше уровня порожней ватерлинии, после чего должны быть поставлены заглушки. Во время ремонта на плаву корпус судна испытывает нагрузку от сил веса и сил поддержания. В ходе исследования были рассчитаны эпюры изгибающих моментов и поперечных сил для судов пр. Р-32БУ представленные на рис. 3, где на оси Х обозначены номера теоретических шпангоутов (расстояние между шпангоутами равно 5,43 м). Для расчета напряжений в связях перед ремонтом, во время ремонта и остаточных напряжений после ремонта использованы значения изгибающего момента М = 25 000 кНм и поперечной силы N = 2 172 кН, действующих в районе кормовых сливных каналов. Рис. 3. Эпюр изгибающего момента (а); перерезывающая сила (б) Схема эквивалентного бруса, геометрические характеристики сечения и напряжения в связях корпуса перед началом ремонта приводятся на рис. 4 и в табл. 2. Рис. 4. Схема эквивалентного бруса теплохода «Невский» Таблица 2 Характеристики сечения эквивалентного бруса Характеристика Обозначение Значение Площадь сечения эквивалентного бруса, м F 0,531 Отстояние нейтральной оси от основной, м 2,22 Отстояние нейтральной оси от палубы, м 2,16 Отстояние нейтральной оси от комингса, м 3,33 Момент инерции сечения, м4 2,024 Момент сопротивления относительно днища, м3 W1 0,912 Момент сопротивления относительно палубы, м3 W2 0,937 Момент сопротивления относительно полки комингса, м3 W3 0,608 Напряжения в днище, МПа 27,40 Напряжения в палубе, МПа 26,70 Напряжения в полке комингса, МПа 41,10 В процессе ремонта при замене сливных каналов необходимо вырезать участки палубы и обшивки борта. Это приводит к ослаблению сечения и к увеличению напряжений в продольных связях корпуса. Схема эквивалентного бруса при замене одного кормового канала представлена на рис. 5. Расчет геометрических характеристик сечения представлен в табл. 3 и 4. Рис. 5. Схема кормовой части судна при замене одного кормового сливного канала Таблица 3 Поправки к площади сечения корпуса Удаленные связи F, м2 φ φ · F, м2 Z, м Si = φ* · Fi · Z, м3 Ii = φ* · Fi · Z2, м4 Iсобств, м4 Настил палубы -0,0263 1,0 -0,0263 4,38 -0,1152 -0,5048 - Стенка карлингса -0,0021 1,0 -0,0021 4,22 0,0089 -0,0374 - Полка карлингса -0,0012 1,0 -0,0012 3,98 -0,0048 -0,0190 - Ребра жесткости палубы -0,0029 1,0 -0,0029 4,30 -0,0126 -0,0542 - Стенка бункера -0,0157 1,0 -0,0157 3,90 -0,061 -0,2391 - 0,0011 Сумма - - ΔA = - 0,0482 - ΔB = - 0,2008 ΔС = - 0,8555 - Таблица 4 Характеристики сечения эквивалентного бруса при замене одного сливного канала Характеристика Обозначение Значение Площадь сечения эквивалентного бруса, м F 0,4828 Отстояние нейтральной оси от основной, м l1 2,02 Отстояние нейтральной оси от палубы, м l2 2,36 Отстояние нейтральной оси от комингса, м l3 3,53 Момент инерции сечения, м4 J 1,802 Момент сопротивления относительно днища, м3 W1 0,892 Момент сопротивления относительно палубы, м3 W2 0,764 Момент сопротивления относительно полки комингса, м3 W3 0,51 Напряжения в днище, МПа σд 28,00 Напряжения в палубе, МПа σп 32,70 Напряжения в полке комингса, МПа σк 49,00 Схема кормовой части судна при одновременной замене двух кормовых сливных каналов представлена на рис. 6. Расчет геометрических характеристик сечения корпуса приведен в табл. 5 и 6. Рис. 6. Схема кормовой части судна при одновременной замене кормовых сливных каналов Таблица 5 Поправки к площади сечения корпуса Удаленные связи F, м φ* φ* · F, м2 Z, м Si = φ* · Fi · Z, м3 Ii = φ* · Fi · Z2, м4 Iсобств, м4 Настил палубы -0,0526 1,0 -0,0526 4,38 -0,2304 -1,056 - Стенка карлингса -0,0042 1,0 -0,0042 4,22 0,0178 -0,0748 - Полка карлингса -0,0024 1,0 -0,0024 3,98 -0,0096 -0,0380 - Ребра жесткости палубы -0,0058 1,0 -0,0058 4,30 -0,0252 -0,1082 - Стенка бункера -0,0314 1,0 -0,0314 3,90 -0,1226 -0,782 -0,0022 Сумма - - ΔA = - 0,0964 - ΔВ = - 0,4016 ΔС = -1,711 Таблица 6 Характеристики сечения эквивалентного бруса при одновременной замене сливных каналов Характеристика Обозначение Значение Площадь сечения эквивалентного бруса, м F 0,4345 Отстояние нейтральной оси от основной, м l1 1,78 Отстояние нейтральной оси от палубы, м l2 2,60 Отстояние нейтральной оси от комингса, м l3 3,77 Момент инерции сечения, м4 J 1,539 Момент сопротивления относительно днища, м3 W1 0,865 Момент сопротивления относительно палубы, м3 W2 0,592 Момент сопротивления относительно полки комингса, м3 W3 0,408 Напряжения в днище, МПа σд 28,90 Напряжения в палубе, МПа σп 42,20 Напряжения в полке комингса, МПа σк 61,30 Как видно из рис. 4-6 и соответствующих им табл. 2-6, нормальные напряжения в продольных связях даже при одновременной замене двух кормовых сливных каналов не превосходят допускаемых значений [2]. В табл. 7 приведен расчет геометрических характеристик, необходимых для расчета касательных напряжений в опасных точках при замене кормовых сливных каналов. Таблица 7 Расчет геометрических характеристик Характеристика Fi, м2 z - zно, м Fi, м2 z - zно, м Комингс наклонный лист 0,0373 2,88 0,1074 0,0373 3,12 0,1164 Комингс полка 0,0156 3,53 0,0551 0,0156 3,75 0,0585 Фланец полка 0,0055 3,43 0,0189 0,0055 3,67 0,0202 Полоса 0,0036 2,93 0,0106 0,0036 3,20 0,0115 Настил палубы 0,0417 ,36 0,0984 0,0417 2,60 0,0400 Стенка карлингса 0,0021 2,22 0,0047 0,0021 2,46 0,0052 Полка карлингса 0,0012 1,96 0,0024 0,0012 2,20 0,0026 Ребра жесткости палубы 0,0049 2,28 0,0109 0,0049 2,52 0,0123 - - Пластины борта 1 0,0142 1,88 0,0267 0,0142 2,12 0,0301 Ребра бункера 1 0,0027 1,98 0,0053 0,0027 2,22 0,0060 Стенка бункера 1 0,0434 0,96 0,0417 0,0434 1,20 0,0545 Пластины борта 2 0,0109 1,12 0,0122 0,0109 1,36 0,0148 Пластины борта 3 0,0109 0,41 0,0045 0,0109 0,65 0,0091 Ребра борта 0,0015 1,88 0,0028 0,0015 2,12 0,0032 Стрингер полка 0,0024 0,76 0,0018 0,0024 1,02 0,0025 Стрингер стенка 0,0038 0,76 0,0029 0,0038 1,02 0,0039 Ребра бункера 2 0,0027 1,48 0,0040 0,0027 1,72 0,0046 Шельф полка 0,0025 0,76 0,0019 0,0025 1,02 0,0026 Шельф стенка 0,0060 0,93 0,0056 0,0060 1,17 0,0070 Ребра бункера 3 0,0027 0,48 0,0013 0,0027 0,72 0,0019 Ребра бункера 4 0,0027 0,08 0,0002 0,0027 0,32 0,0009 Стенка бункера 2 0,0157 1,90 0,0298 - 2,12 - - - Определяя касательные напряжения в опасных точках при замене кормовых сливных каналов, воспользуемся формулой Д. И. Журавского [3]: При замене одного сливного канала касательные напряжения будут: При одновременной замене сливных каналов: Главные напряжения на верхней кромке ширстрека будут: - при замене одного сливного канала: - при одновременной замене сливных каналов: При ремонте корпус судна теплохода «Невский» находится в напряженном состоянии, т. к. на него действуют силы веса и силы поддержания от стапельных тумб. Поэтому во время ремонта в корпусе судна вероятно возникновение остаточных напряжений, которые могут привести к снижению коэффициента запаса на выносливость [3] и к появлению поправок к редукционным коэффициентам продольных ребер жесткости [4]. В табл. 8 приведены значения возможных остаточных напряжений при последовательной и одновременной замене кормовых сливных каналов. Таблица 8 Остаточные напряжения в корпусе при замене сливных каналов на плаву Остаточные напряжения Обозначение При замене одного сливного канала Обозначение При замене двух сливных каналов одновременно Напряжения сжатия в днище -0,60 МПа -1,50 МПа Напряжения растяжения в незамененной части палубы 6,00 МПа 15,50 МПа Напряжения сжатия в замененной части палубы -26,70 МПа -26,70 МПа Напряжения растяжения в полке комингса 7,90 МПа 20,20 МПа В [5] проводился анализ возможных остаточных напряжений при ремонте теплохода «Невский» (пр. Р-32БУ) в плавучем доке и на слипе при стандартной методике расстановки стапельных тумб. В результате расчетов было выявлено, что остаточные напряжения будут существенны и могут вызвать потерю устойчивости продольных ребер жесткости. Анализ расчетов Анализ рассчитанных напряжений на различных стадиях ремонта корпуса при замене сливных каналов позволяют утверждать, что: - прочность на всех стадиях ремонта корпуса судна будет обеспечена даже при одновременной замене двух кормовых сливных каналов; - при замене кормовых сливных каналов имеет место высокий уровень главных напряжений на верхней кромке ширстрека (58,70 МПа); - остаточные напряжения растяжения после ремонта в незаменненой части палубы достигают существенных значений при одновременной замене сливных каналов (15,5 МПа) и незначительных - при последовательной их замене (6,0 МПа); - остаточные напряжения сжатия в замененной части палубы существенны и практически одинаковы как при последовательной, так и при одновременной замене кормовых сливных каналов (-26,7 МПа). Они могут способствовать потере устойчивости продольных ребер жесткости палубы при прогибе корпуса в процессе эксплуатации; - остаточные напряжения растяжения в полке комингса при одновременной замене двух кормовых сливных каналов достигают заметной величины (20,2 МПа) и могут снизить коэффициент запаса на выносливость; - напряжения во всех связях при замене носовых сливных каналов существенно ниже, т. к. изгибающий момент и поперечная сила, действующие в районе носовых сливных каналов, в два раза меньше, чем в районе кормовых сливных каналов. Заключение Таким образом, чтобы избежать появления значительных остаточных напряжений растяжения в полки комингса, при разработке технологического процесса следует предусматривать последовательную замену кормовых сливных каналов. Кроме того, следует рассмотреть возможность выполнения работ по одновременной замене трех сливных каналов (одного кормового и двух носовых). Замена второго кормового сливного канала должна выполняться только после окончания работ по замене первых трех каналов.
1. Smirnov N. G. Teoriya i ustroystvo sudna / N. G. Smirnov. M.: Transport, 1992. 248 s.
2. Pravila Rossiyskogo rechnogo registra // URL: http://docs.cntd.ru/document/499012681.
3. Baryshnikov S. O. Obschie ostatochnye deformacii korpusov sudov / S. O. Baryshnikov, T. O. Karklina // Vestn. INZhEKONa. Ser.: Tehnicheskie nauki. 2010. № 8. C. 124-128.
4. Pavlov A. V. Vliyanie ostatochnyh napryazheniy na redukcionnye koefficienty reber zhestkosti / A. V. Pavlov, V. B. Chistov // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2014. № 5 (27). S. 60-64.
5. Pavlov A. V. Ostatochnye napryazheniya v korpuse sudna teplohoda «Nevskiy» pri remonte / A. V. Pavlov // Materialy VI mezhvuz. nauch.-prakt. konf. aspirantov, studentov i kursantov «Sovremennye tendencii i perspektivy razvitiya vodnogo transporta Rossii» (Sankt-Peterburg, 14 maya 2015 g.). Spb.: GUMRF im. adm. S. O. Makarova, 2015. S. 151-155.
