ЗАМЕНА СЛИВНЫХ КАНАЛОВ ТЕПЛОХОДА «НЕВСКИЙ» НА ПЛАВУ
Авторы:
1.
Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова
2.
Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова
3.
Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова
Тип:
Статья
Страницы:
с 23
по 31
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2016
Одобрено:
25.05.2016
Опубликовано:
25.05.2016
Классификаторы:
УДК 629.555
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
ремонт корпуса, непотопляемость, общая прочность, касательные напряжения, главные напряжения, остаточные напряжения
Аннотация (русский):
Рассмотрена проблема ремонта корпуса судна на плаву на примере теплоходов типа «Невский» (проект Р-32БУ). Предложено решение ряда технических задач: обеспечения непотопляемости судна во время ремонта, прочности корпуса на различных стадиях ремонта. Проанализированы значения остаточных напряжений в связях корпуса, возникающие после ремонта. На основании расчета осадок носом и кормой, дифферентов и элементов начальной остойчивости обоснована необходимость установки временных заглушек на месте бортовых сливных каналов, позволяющих не допустить свободный доступ воды в междудонное пространство корпуса и обеспечить непотопляемость судна. Так как корпус судна во время ремонта на плаву испытывает нагрузку от сил веса и сил поддержания, получены эпюры изгибающего момента и перерезывающих сил . В целях обеспечения общей прочности корпуса проанализированы значения возможных касательных напряжений в опасных точках, главных напряжений на верхних кромках ширстрека и напряжений в связях корпуса судна до и после ремонта. В ходе выполнения ремонтных работ в корпусе судна могут возникнуть остаточные напряжения, приводящие к снижению коэффициента запаса на выносливость и к появлению поправок к редукционному коэффициенту продольных ребер жесткости, которые могут вызвать потерю устойчивости ребер жесткости. Произведен расчет возможных остаточных напряжений при последовательной и одновременной замене сливных каналов. На основе выполненных расчетов даны рекомендации для разработки технологического процесса замены сливных каналов теплохода типа «Невский» на плаву.
Рассмотрена проблема ремонта корпуса судна на плаву на примере теплоходов типа «Невский» (проект Р-32БУ). Предложено решение ряда технических задач: обеспечения непотопляемости судна во время ремонта, прочности корпуса на различных стадиях ремонта. Проанализированы значения остаточных напряжений в связях корпуса, возникающие после ремонта. На основании расчета осадок носом и кормой, дифферентов и элементов начальной остойчивости обоснована необходимость установки временных заглушек на месте бортовых сливных каналов, позволяющих не допустить свободный доступ воды в междудонное пространство корпуса и обеспечить непотопляемость судна. Так как корпус судна во время ремонта на плаву испытывает нагрузку от сил веса и сил поддержания, получены эпюры изгибающего момента и перерезывающих сил . В целях обеспечения общей прочности корпуса проанализированы значения возможных касательных напряжений в опасных точках, главных напряжений на верхних кромках ширстрека и напряжений в связях корпуса судна до и после ремонта. В ходе выполнения ремонтных работ в корпусе судна могут возникнуть остаточные напряжения, приводящие к снижению коэффициента запаса на выносливость и к появлению поправок к редукционному коэффициенту продольных ребер жесткости, которые могут вызвать потерю устойчивости ребер жесткости. Произведен расчет возможных остаточных напряжений при последовательной и одновременной замене сливных каналов. На основе выполненных расчетов даны рекомендации для разработки технологического процесса замены сливных каналов теплохода типа «Невский» на плаву.
Ключевые слова:
ремонт корпуса, непотопляемость, общая прочность, касательные напряжения, главные напряжения, остаточные напряжения
ремонт корпуса, непотопляемость, общая прочность, касательные напряжения, главные напряжения, остаточные напряжения
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. Смирнов Н. Г. Теория и устройство судна / Н. Г. Смирнов. М.: Транспорт, 1992. 248 с.
2. Правила Российского речного регистра // URL: http://docs.cntd.ru/document/499012681.
3. Барышников С. О. Общие остаточные деформации корпусов судов / С. О. Барышников, Т. О. Карклина // Вестн. ИНЖЭКОНа. Сер.: Технические науки. 2010. № 8. C. 124-128.
4. Павлов А. В. Влияние остаточных напряжений на редукционные коэффициенты ребер жесткости / А. В. Павлов, В. Б. Чистов // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2014. № 5 (27). С. 60-64.
5. Павлов А. В. Остаточные напряжения в корпусе судна теплохода «Невский» при ремонте / А. В. Павлов // Материалы VI межвуз. науч.-практ. конф. аспирантов, студентов и курсантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (Санкт-Петербург, 14 мая 2015 г.). Спб.: ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2015. С. 151-155.
