ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ ИЗНОШЕННЫХ КОРПУСОВ ОЧИСТИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ И ДОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
Авторы:
1.
Волжская государственная академия водного транспорта
Тип:
Статья
Страницы:
с 9
по 15
Статус:
Опубликован
Получено:
20.10.2013
Одобрено:
25.10.2013
Опубликовано:
25.10.2013
Классификаторы:
УДК 629.12.004.6
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 39.42-08
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 39.42-08
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
изношенный стальной корпус, арматура, железобетон, композитный сталежелезобетонный корпус, расход материалов, трудоемкость
Аннотация (русский):
Приводятся результаты исследования возможности усиления железобетоном подводной части изношенных стальных корпусов очистительной станции и дока, принадлежащих ОАО «ЛОРП». Усиление железобетоном подводной части корпуса очистительной станции ЗК-7 и дока СМД-10 позволит восстановить их прочность и водонепроницаемость для дальнейшей нормальной эксплуатации в течение не менее 20 лет при значительно меньшем расходе металла, трудоемкости и стоимости работ по сравнению с традиционной заменой изношенных металлоконструкций на новые.
Приводятся результаты исследования возможности усиления железобетоном подводной части изношенных стальных корпусов очистительной станции и дока, принадлежащих ОАО «ЛОРП». Усиление железобетоном подводной части корпуса очистительной станции ЗК-7 и дока СМД-10 позволит восстановить их прочность и водонепроницаемость для дальнейшей нормальной эксплуатации в течение не менее 20 лет при значительно меньшем расходе металла, трудоемкости и стоимости работ по сравнению с традиционной заменой изношенных металлоконструкций на новые.
Ключевые слова:
изношенный стальной корпус, арматура, железобетон, композитный сталежелезобетонный корпус, расход материалов, трудоемкость
изношенный стальной корпус, арматура, железобетон, композитный сталежелезобетонный корпус, расход материалов, трудоемкость
Введение В современных условиях значительное количество транспортных и стоечных судов имеет срок эксплуатации 40–50 и более лет. Корпуса судов в результате интенсивного коррозионного износа страдают водотечностью, недостатком прочности и для продления их эксплуатации нуждаются в ремонте наиболее изнашиваемой подводной части корпуса. Традиционная замена изношенных металлоконструкций на новые связана с большой трудоемкостью ремонтных работ, выполняемых в доке или на слипе с использованием судоподъемных средств, требует значительных затрат материалов и средств. В то же время в результате длительной эксплуатации нуждаются в ремонте изношенной подводной части корпуса и сами доки, ремонт которых также связан с использованием судоподъемных средств или доков больших размеров. Кроме этого, при выводе доков из эксплуатации для их ремонта сокращается судоремонтная база отрасли в целом, поскольку при этом приходится занимать дополнительные стапельные места. Накопленный кафедрой «Сопротивление материалов, конструкция корпуса и строительная механика корабля» (СМ, КК и СМК) Волжской государственной академии водного транспорта опыт ремонта железобетоном и положительный опыт эксплуатации более 100 отремонтированных речных и морских судов [1, 2] показывают, что в результате усиления железобетоном (ЖБУ) внутренней или наружной поверхности изношенного стального корпуса судна создается композитная сталежелезобетонная плита, позволяющая при минимальном расходе металла, стоимости и трудоемкости работ обеспечить необходимую прочность и водонепроницаемость корпуса для дальнейшей нормальной последующей эксплуатации судна в течение 10–15 лет и более. Так, выполненный по разработкам кафедры на плаву в акватории ремонтно-эксплуатационной базы «Память Кирова» Вятского речного пароходства в 1989–1990 гг. ремонт железобетоном внутренней поверхности изношенной обшивки (внутреннее ЖБУ) подводной части корпуса очистительной станции (ОС) пр. 276-III «Альма» и подробно описанный в журнале «Речной транспорт» [3] показал, что надежность полученного при ремонте композитного сталежелезобетонного корпуса достаточна и судно находится в эксплуатации до настоящего времени. По заданию ОАО «ЛОРП» в 2011 г. на кафедре «СМ, КК и СМК» исследована возможность восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных стальных корпусов ОС ЗК-7 и дока СМД-10 с использованием железобетона. Ремонт железобетоном очистительной станции. ОС ЗК-7 является несамоходным стоечным судном, выполнена на базе корпуса танкера № ТР-2808 пр. 576 Т грузоподъемностью 3 300 т класса «✠Р 1,2», построенного в 1960 г. и переоборудованного по проекту АЦКБ № 82650А в 1984 г. в ОС (зачистной комплекс). Предназначена для зачистки, сбора и дегазации грузовых и специальных отсеков и систем транспортных судов от остатков нефтепродуктов. Судно эксплуатируется в водных бассейнах разряда «Р». Форма корпуса ОС ЗК-7 и главные размерения судна до устройства ЖБУ сохранены как у танкера пр. 576 Т: L ´ B ´ H ´ Тгр (Тп ) = 106,81 ´ 13,0 ´ 4,8 ´ 2,6 (0,88) м. Водоизмещение в состоянии «порожнем» составляет 986 т; «в грузу» – 3 075 т. Валовая вместимость отсеков станции составляет 6 463 м3, регистровая вместимость – 2 284 рег. т, дедвейт станции при осадке в полном грузу при осадке Т = 2,6 м составляет 1953 т. Корпус станции разделен 11 непроницаемыми поперечными переборками на 12 отсеков, в диаметральной плоскости (ДП) установлена продольная гофрированная переборка, имеется двойное дно высотой 800 мм и двойные борта шириной 1 300 мм в районе грузовых трюмов. Система набора корпуса – смешанная в средней части (продольная по палубе и днищу и поперечная по борту) и поперечная в оконечностях. По результатам дефектации износы наружной обшивки составляют 26 %, внутренних бортов – 23 %, настила палубы – 20 %, переборок грузовых отсеков – 36 %. Износ набора днища и палубы составляет 13 %, внутреннего борта грузовых отсеков – 18 %, борта сухих отсеков – 38 %. В акте дефектации отмечается, что подводная часть наружной обшивки корпуса судна по всей площади имеет сплошной язвенный и канавочный коррозионный износ на площади распространения около 30 % со средней глубиной язв обшивки днища и скулы 2,2 мм, подводной части наружного борта – 2,8 мм. Максимальная глубина отдельных язв достигает 4,5 мм. За время эксплуатации судна наружная обшивка неоднократно ремонтировалась и заменялась на новую. Железобетонное усиление корпуса ОС ЗК-7 (рис. 1) выполняется с наружной стороны подводной части изношенной обшивки днища и бортов (на высоте 3,3 м от основной плоскости (ОП)) по всей длине корпуса для обеспечения его прочности и водонепроницаемости при последующей эксплуатации в течение не менее 20 лет. Работы по усилению наружной обшивки железобетоном (наружное ЖБУ) выполняются на слипе Г-300 (в доке) с использованием метода торкретирования, т. е. автоматизированного нанесения цементно-песчаной смеси под давлением двумя слоями толщиной 20–25 мм на предварительно очищенную и армированную с наружной стороны поверхность изношенного корпуса судна с помощью специального оборудования. При этом обеспечивается высокая адгезия (сцепление бетона с обшивкой), достигается наибольшая плотность, прочность и непроницаемость бетона. Для ведения торкретных работ высота корпуса под днищем ОС должна быть не менее 1,8–2,0 м, а кильблоки при выполнении работ приходится перемещать относительно ДП судна, высвобождая для армирования и последующего торкретирования занимаемые ими участки обшивки днища. При торкретировании работы по изготовлению опалубки (как при обычном бетонировании) выполнять не требуется, поскольку усиливаемая наружная обшивка используется в качестве опалубки. Метод торкретирования применяется в строительстве при прокладке тоннелей, в метростроении, в гидротехническом строительстве, при создании гидротехнических и очистных сооружений, резервуаров, где требуется обеспечить высокую прочность и непроницаемость бетона. Поэтому для обеспечения надежности и долговечности ЖБУ и с учетом отсутствия у заказчика опыта ведения бетонно-торкретных работ рекомендуется привлечь для их выполнения специализированную строительную организацию с арендой соответствующего оборудования. Рис. 1. Размещение наружного ЖБУ корпуса ОС ЗК-7 Указанные выше качества ЖБУ обеспечиваются за счет создания в подводной части корпуса композитной плиты, состоящей внутри из изношенной стальной обшивки толщиной около 5,2 мм, зачищенной от грязи, краски, остатков нефтепродуктов и коррозии, и снаружи – из монолитного армированного судостроительного торкретбетона класса В30 минимальной толщиной 40 мм, прочно связанных между собой и совместно работающих (рис. 2, а). Толщина ЖБУ принята с учетом омоноличивания полуторной арматурной сетки, сваренной с наружной обшивкой и состоящей из стержней арматуры класса А-III (или А-II) диаметром 10 мм, при обеспечении защитного слоя арматуры бетоном толщиной не менее10 мм. Стержни рабочей арматуры в сетке устанавливаются с шагом 100 мм, распределительная арматура устанавливается с шагом 200 мм. Сетки могут изготавливаться заранее в специальном кондукторе или собираться на месте из отдельных стержней («россыпью»). Кромка ЖБУ по бортам по всей длине и штевни в оконечностях защищаются стальным уголком. С учетом деформированности обшивки (вмятины, бухтины и гофрировка) толщина ЖБУ на отдельных участках может увеличиваться, поэтому средняя толщина бетона при определении расхода материалов принята h = 45 мм. На всех этапах устройства ЖБУ должен быть обеспечен контроль качества выполняемых работ. Специализированная лаборатория должна обеспечить контроль качества приготовленного торкретбетона. В результате устройства ЖБУ на площади около 1 994 м2 корпус ОС получит утяжеление около 233 т. При этом осадка «порожнем» увеличится на 0,18 м, а осадка «в грузу» – на 0,20 м и составит Тгр = 2,80 м, что позволяет сохранить проектную грузоподъемность станции и обеспечить требуемую минимальную высоту надводного борта. В случае необходимости сохранения проектной осадки Тгр = 2,60 м грузоподъемность судна снижается на величину утяжеления. Ремонт железобетоном дока. Металлический двухбашенный секционный док СМД-10 класса «✠Р 1,2» построен по проекту Д 600 в 1972 г. и к настоящему времени имеет возраст 40 лет. Док СМД-10 является стоечным судном, максимальная грузоподъемность – 600 т, предназначен для производства ремонта движительно-рулевого комплекса и подводной части корпусов судов. а б Рис. 2. Конструкция ЖБУ: а – наружное усиление обшивки; б – внутреннее усиление обшивки с набором: 1 – рабочая арматура; 2 – распределительная арматура; 3 – холостой набор; 4 – наружная обшивка; 5 – сварка пересечений стержней арматуры; 6 – сварка арматуры с обшивкой; 7 – сварка стержней по длине; 8 – монтажная арматура; 9 – рамный набор; 10 – сварка монтажной арматуры с набором; 11 – сварка рабочей арматуры с полкой холостого набора Корпус дока состоит из понтона и двух жестко связанных с ним башен (рис. 3), выполнен в виде прямоугольника в плане с плоским днищем, бортами и транцами, горизонтальной стапель-палубой, палубой безопасности, топ-палубой и имеет следующие главные размерения: L ´ B ´ Hб (Hп) ´ Тгр (Тп) = 30,0 ´ 27,0 ´ 7,0 (2,0) ´ 1,7 (0,97) м; ширина стапель-палубы – 21,0 м, топ-палубы – 2,5 м; высота башен от стапель-палубы составляет 5,0 м; возвышение палубы безопасности от стапель-палубы – 1,5 м. Рис. 3. Размещение внутреннего ЖБУ в корпусе стального дока СМД-10 В средней части корпуса дока принят постоянный сухой балласт в количестве 372 т и 8 т укреновочного балласта. Чтобы выполнить погружение дока на максимальную глубину 5,5 м в отсеки понтона принимается жидкий балласт в количестве 1 504 т. Для обеспечения осадки дока «порожнем» Тп = 0,97 м общее расчетное количество принимаемого балласта составляет 782 т. Система набора корпуса – поперечная, шпация по всему корпусу а = 600 мм, рамные шпангоуты установлены через две шпации. Понтон дока двумя продольными и двумя поперечными водонепроницаемыми переборками разделен на девять отсеков, в плоскости рамных шпангоутов установлены поперечные раскосные фермы. Семь отсеков понтона используются для приема жидкого балласта. В двух других размещается насосное отделение и отсек для приема сухого и укреновочного балласта. По результатам дефектации износ днищевой обшивки составляет около 13 %, бортов и транцев – 20 %, настила стапель-палубы и топ-палубы – 2,5 %, переборок балластных отсеков – 10 %. Износ набора днища и палубы составляет 15 %, борта балластных отсеков – 23 %, борта сухих отсеков – 5 %. Подводная часть наружной обшивки корпуса дока по всей площади имеет значительный язвенный коррозионный износ с глубиной язв обшивки днища в средней части 2,8–3,2 мм, днища у бортов – до 3,5 мм, обшивки борта и транцев – до 1,5 мм. Для поддержания корпуса дока с оценкой техсостояния «годное» судовладельцу потребовалось бы выполнить значительный объем судоремонтных работ по корпусу традиционными в судоремонте методами, связанными с заменой изношенных металлоконструкций на новые и с использованием судоподъемных средств. Для обеспечения прочности и водонепроницаемости дока предлагается выполнить ЖБУ с внутренней стороны изношенной наружной обшивки корпуса (внутреннее ЖБУ) на площади 1 038 м2 (рис. 3), включая все днище, борта и транцы на высоте 2,0 м от ОП. При этом работы по устройству внутреннего ЖБУ могут выполняться на плаву без использования судоподъемных средств. Остальные связи корпуса находятся в удовлетворительном состоянии и их ремонт, при необходимости, может быть выполнен традиционными в судоремонте методами. Конструкция внутреннего ЖБУ днища (см. рис. 2, б) представляет собой композитную плиту, состоящую снаружи из изношенной стальной обшивки средней толщиной 6,0 мм, а с внутренней стороны – из монолитного армированного судостроительного бетона класса В30 средней толщиной плиты днища, бортов и транцев – 95 мм, прочно связанных между собой и совместно работающих. При этом обшивка днища рассматривается как листовая арматура, защищающая бетон от повреждений. В результате устройства ЖБУ дока уменьшается прием постоянного сухого балласта на величину утяжеления (257 т) и количество принимаемого постоянного сухого балласта составит 115 т. Величина принимаемого жидкого балласта и последовательность заполнения отсеков дока при погружении и всплытии сохраняются, как и в проектной документации. При этом проектные осадки дока в состоянии «порожнем в балласте» и «в грузу» до и после усиления корпуса железобетоном также сохраняются. Поскольку величина утяжеления в результате ЖБУ корпуса дока не влияет на его работоспособность, то для обеспечения надежности и долговечности толщина ЖБУ (h = 95 мм) принята с учетом омоноличивания холостого набора (∟75 х 75 х 7,1), работающего в качестве арматуры отрыва. Арматура ЖБУ выполняется в виде сеток, установленных в пределах рамной шпации поверх холостого набора и приваренных к полкам уголков, а также к стенкам рамного набора и переборок – с помощью монтажных стержней. Для армирования применяется стержневая арматура периодического профиля класса А-II (А300) или A-III (А400) диаметром 10 мм, установленная с шагом 100 мм и сваренная в пересечениях. Применение арматуры периодического профиля обеспечивает ее повышенное сцепление с бетоном, высокую прочность, трещиностойкость и долговечность ЖБУ. Сетки могут собираться заранее в специально изготовленном кондукторе или собираться «россыпью» на месте из отдельных стержней. В первом случае уменьшается трудоемкость сварочных работ, выполняемых непосредственно в корпусе дока. В стенках рамного набора (флоров и кильсонов) до бетонирования днища для свободного перетекания в корпусе жидкости выполняются голубницы, расположение которых устанавливается с учетом действия минимальных напряжений в рамных связях и принятой толщины плиты ЖБУ. Укладка бетона выполняется после предварительной очистки ремонтируемых поверхностей от мусора, грязи, остатков отслаивающейся краски и продуктов коррозии, а также после выполнения подготовительных работ. При этом от качества очистки и подготовки бетонируемой поверхности, а также от соблюдения технологической дисциплины на всех этапах работ зависят надежность и долговечность работы железобетонного усиления. Невыполнение или отклонение от технологических требований при устройстве ЖБУ может привести к снижению качества и работоспособности сталежелезобетонной обшивки. Для бетонирования бортов и транцев после выполнения бетонирования днища устанавливается опалубка с соблюдением защитного слоя бетона для арматуры. Выполнение каждого этапа по устройству ЖБУ корпуса фиксируется приемосдаточным актом. Технология выполнения ремонта дока СМД-10 отражает все этапы выполнения работ и разработана в предположении выполнения ЖБУ корпуса силами заказчика под наблюдением представителя проектанта и Российского речного регистра. Однако, при отсутствии у заказчика опыта ведения бетонных работ, рекомендуется использовать бетон, приготовленный на ближайшем заводе железобетонных конструкций (ЖБК) в соответствии с разработанной в проекте дозировкой составляющих. При транспортировке готового бетона необходимо учитывать, что время начала его схватывания составляет не более одного часа. Бетон должен быть уложен на место в течение не более двух часов после его приготовления. Специализированная лаборатория завода ЖБК должна обеспечить контроль качества приготовленного бетона, которое подтверждается соответствующим сертификатом на каждую партию отпускаемого бетона. В технической документации по ремонту ОС ЗК-7 и дока СМД-10 для корпуса с ЖБУ выполнены расчеты общей и местной прочности с учетом износа связей. Оценка общей прочности выполнена расчетным методом по предельному моменту с определением коэффициента запаса прочности (Кпр = Мпр/Мр) и его сравнением с нормативным. В каждом случае предельный изгибающий момент Мпр, МН·м, определяется для судна после выполнения ремонта корпуса железобетоном и в конце его предполагаемого срока службы с использованием программ «WINRAVNUS» и «MDW», согласованных с Российским речным регистром и имеющихся в программном обеспечении кафедры «СМ, КК и СМК». Расчетные изгибающие моменты определены для наиболее неблагоприятных состояний нагрузки ОС и дока в эксплуатации. Полученные коэффициенты запаса прочности по предельному моменту после выполнения ЖБУ корпусов ОС и дока превышают нормативное значение коэффициента для условно нового судна (k =1,35) и в конце предполагаемой эксплуатации (Кгодн = 1,15), что подтверждает обеспечение их достаточной прочности. Расчеты местной прочности выполнены для композитной сталежелезобетонной обшивки днища и включают расчеты плиты при перегибе и прогибе корпуса, а также расчеты по трещиностойкости для наиболее неблагоприятных состояний нагрузки ОС и дока при эксплуатации. Проверка плиты на раскрытие трещин показала, что герметичность подводной части судов, усиленных железобетоном, обеспечивается. В результате выполненных расчетов общая и местная прочность ОС ЗК-7 и дока СМД-10 с ЖБУ корпуса обеспечивается в течение последующих 27 лет эксплуатации. Поскольку при прогнозе заложенные в техдокументации скорости износа связей могут отличаться от фактических, то по истечении 20 лет эксплуатации судов, усиленных железобетоном, необходимо провести дефектацию их корпусов с определением остаточных толщин связей, выполнением соответствующих расчетов прочности и принятии решений о возможности дальнейшей эксплуатации судов или необходимости ремонта. Если условия эксплуатации ОС и дока в дальнейшем будут отличаться от запланированных в проекте, то дефектация связей корпусов и соответствующие расчеты прочности должны выполняться по истечении 10 лет их эксплуатации после ремонта железобетоном. В технической документации по ОС ЗК-7 и по доку СМД-10 разработаны основные этапы и технология ведения работ по ЖБУ их корпусов, а также определены ожидаемые технико-экономические показатели выполнения ремонта, основные из которых приведены в таблице. Основные технико-экономические показатели выполнения ЖБУ Показатель ОС ЗК-7 Док СМД-10 Расход стали, т 30,5 15,4 Расход цемента, т 71,0 66,0 Расход бетона, м3 129 119 Трудоемкость, тыс. чел. ч 8,11 5,89 Рассчитанные в техдокументации основные технико-экономические показатели усиления железобетоном подводной части корпуса ОС ЗК-7 и дока СМД-10 являются оценочными, укрупненными и подлежат уточнению и корректировке с учетом конкретных условий материально-технической и производственной базы судоремонтного предприятия заказчика, а также сложившегося уровня цен на основные материалы в регионе на момент выполнения ремонта судов. Заключение Выполнение ЖБУ изношенной подводной части корпусов ОС ЗК-7 и дока СМД-10 позволят восстановить их прочность и водонепроницаемость для дальнейшей нормальной эксплуатации в течение не менее 20 лет при значительно меньшем расходе металла, трудоемкости и стоимости работ по сравнению с традиционной заменой изношенных металлоконструкций на новые. Усиление железобетоном с наружной стороны изношенной обшивки корпуса ОС ЗК-7 позволяет отказаться от трудоемких работ, выполняемых в двойном дне (ДД) в очень неудобном положении. При отсутствии ДД (или в отсеках, где оно отсутствует) восстановление прочности и водонепроницаемости корпуса ОС может выполняться с помощью устройства на плаву внутреннего ЖБУ [3, 4]. Усиление корпуса дока СМД-10 железобетоном может выполняться на плаву и позволяет отказаться от использования судоподъемных средств как при выполнении предлагаемого ремонта, так и в последующей эксплуатации судна. Это позволяет расширить судоремонтную базу отрасли за счет предприятий, не имеющих судоподъемных средств. Осмотр и дефектация подводной части корпусов судов, усиленных железобетоном, могут проводиться на плаву как у железобетонных судов. В каждом конкретном случае выбор способа ремонта (сталь или железобетон, внутреннее или наружное усиление) должен быть сделан на основании конструктивных особенностей судна, условий его эксплуатации, расчетов технико-экономических показателей и производственных возможностей судоремонтного предприятия.
1. Сергеев Д. Н. Ремонт и восстановление стальных судов железобетоном / Д. Н. Сергеев. Л.: Морской транспорт, 1946. 224 с.
2. Указания по восстановлению металлических судов железобетоном / Технический совет наркомречфлота. М.: Речиздат, 1945. 56 с.
3. Борисов А. М. Восстановление корпуса ОС железобетоном / А. М. Борисов // Речной транспорт. 1991. № 10-11. С. 22-24.
4. Борисов А. М. Ремонт железобетоном корпуса очистительной станции СПВ-1 / А. М. Борисов // Вестн. Волж. гос. акад. водного транспорта. 2007. Вып. 22. С. 150-158.
