CC BY
56
В.А.Кулеш , С.В.Каленч}к , О.Э. Суров . А.И Мамонтов , А.В. Житников , А.В.Подгорнов ЭКСПЕРТИЗА ПРОЧНОСТИ ПЛАВУЧЕГО ДОКА ПД-83М
Стальной 6-понгонный плавучий док ПД-83М грузоподъёмностью 25000 т. построен в 1965 г. в Японии на класс Регистра Ллойда. Конструктивная схема корпуса показана на рис. 1. Эксплуатировался на судоремонтном заводе в г. Находка. С середины 2008 г. приобретён компанией VIN ALINE. (Вьетнам) для развития судоремонтной базы флота.
За период эксплуатации с 1965 по 2005 гг. были произведены четыре дефектации и ремонта корпуса. Места ремонтов отражены выделением на рис. I. Наибольшие объёмы ремонта приходятся на конструкции стапель-палубы, преимущественно центральных отсеков, и верхнюю часть бортовых балластных отсеков. Причины ремонтов связаны с ускоренной коррозией конструкций, расположенных над уровнями балласта и ватерлинии, при повышенных температурах нагрева на солнце.
Система антикоррозионной защиты дока достаточно эффективная в морской воде утрачивает эффективность в зонах конденсации её паров. В рабочем состоянии осадка дока 5 м (-80% высоты понтонов), а уровень балласта в отсеках ограничен 2-4 м (-'50% высоты понтонов). Кроме того, с возвышением конструкций над уровнями балласта и ватерлинии температура их нагрева на солнце повышается, усиливая процесс коррозии. Влияют и конструктивные особенности.
Отказы и ремонты стапель-падубы в первую очередь относятся к центральные отсекам и концевым понтонам, где расчетные давления при noi рукснии-всплытии дока достигают больших значений, чем в бортовых отсеках. Если в центральных отсеках за 40 лет эксплуатации ремонтировалось до 90% конструкций стапель-папу бы, то в бортовых отсеках не более 10%. Анализ также выявил более быструю коррозию конструкций дока, обращенных на южную сторону света.
На рис. 1 также выделены места ремонта башен выше уровня балластных отсеков. Они связаны с надломом башен па миделе в апреле Î 998 г. при подъёме комплекта из 3 буксиров с общим доковым весом около 1000 т.
На рис. 2 дана качественная картина основных проблем и ремонтов для центрального отсека и верхней (башенной) части бортового отсека. Как видно, кроме замены настила стаг\аль-палубы характерны замены прилегающих полотнищ поперечной и продольной (на 9 м от ДП) переборок. Здесь, кроме повышенной коррозии, влияние оказывают конструктивные недостатки - пластины ориентированы длинной стороной вдоль стапеля. Центральная переборка з ДП с пластинами, ориентированными перпендикулярно стапелю, имеет болез высокую надёжность.
Для балок набора в верхней части балластных отсеков также характерна повышенная коррозия - вплоть до сквозных про ржавлении стенок вдоль сварных швов. В результате этого теряется связь балки с присоединённым пояском, что ведет к падению прочности и жесткости с получением остаточных прогибов кате самих балок, так и прилегающих листов.
Отсутствие ка рис.2 информации по нижней части бортовых (башекных) отсеков связано с тем, что их дефектации практически не производились. Косвенно это говорит о более низких параметрах износа в этих частях отсеков и, как следствие, более высокой надёжности.
Особые вопросы связаны с заклёпочным соединением башен и понтонов, обеспечивающим свойство «самодокования», а также с проекгной и эксплуатационной грузоподъёмностью дока. Свойство «самодокования» не использовалось более 40 лет на данном доке, как и на подавляющем большинстве других доков. Снижение общей продольной прочности дока и^'За изолированности понтонов друг от друга значительно, но не оправдано. В данном случае это способствовало упомянутому надлому баш^ч дока в возрасте 33 года.
Грузоподъёмность дока (по проекту 7 00 т.) ограничивали дважды - в 20-летнем возрасте до
12500 т., а на рубеже 40-летнего возраст цо 16500 т. Причиной ограничений было техническое состояние конструкций, но сама грузопод1- шость оценивалась не расчетами, а по планам докований и от достигнутых ранее параметров. Г у истории из бортовых журналов максимальные по весу объекты, поднятые доком за 40 лет:
21.03.1966 т/х «Азия» 14000 т,
17.01.1977 т/х «Rio Cuanza» 16500 т,
10.П. 1988 п/б «Сухона» 15800т.
Данные показывают, что 16500 т лишь соответствует «рекорду)/ грузоподъемности дока в возрасте 12 лет. За 40-летний период док использовал менее 66% проектной грузоподъёмности.
Расчеты на соответствие корпуса действующим Правилам РС (Регистра Судоходства) при грузоподъемности 25000 т показали, что принятые проектантом конструктивные решения находятся в соответствии с требованиями. Расхождение имеется только в отношении системы набора понтонов - Правила рекомендуют поперечную систему, а на доке - продольная. t < ? г - '■ ;i<
Построечные толщины конструктивных элементов корпуса в основном соответствуют требованиям Правил РС. Отступления более 10% имеют:
• продольные переборки (9.0 м от ДП) из-за низкой устойчивости;
• отдельные листы поперечных, переборок башен.
Многие рамные балки понтонов и башен имеют заниженные проектные запасы по площади стенки, что связано с общей недооценкой корабелам« в 60-х годах роли сдвиговой прочности.
Продольная система набора понтонов приводит к малым запасам сдвиговой прочности поперечных переборок и низкой устойчивости пастила стапель-палубы, что объясняет его большие ремонты на рис. 1.
Расчеты общей продольной прочности показали, чго док спроектирован на постановку одного или более расположенных в кильватер судов общей массой до 25000 т при условии, что их суммарная длина находится в пределах (0.85 — 1.15) Lcn (где Lcn. - длина стапель-палубы).
На основе требований Правил РС и с учетом имеемых отступлений определены нормы допускаемых остаточных размеров и деформаций связей корпуса для подтверждения класса РС при грузоподъемности 25000 т. Фрагмент этой работы отражен на рис.З в отношении стапель-палубы и поперечных переборок понтонов. Как видно, для наиболее проблемных конструкций понтонов допуски на износ менее 30 и даже 15%. Дополнительно были даны рекомендации по дальнейшей эксплуатации дока. К основным относятся:
• Рассмотрение вопроса о необходимости дальнейшего сохранения функции «самодокования>>. Анализ показал, что соединение понтонов только под башнями позволяет увеличить общую прочность дока до 1,5 раз и снизить уровень напряжений в клепаном соединении башен до 3 раз.
• Продольная система набора понтонов явно неудачна. Здесь возможна или планомерная замена настила стапеля на большие толщины или внедрение системы неравномерного (по ширине дока) приёма балласта - минимум в центральных и максимум в бортовых отсеках.
В результате выполненных работ и сделанных рекомендаций новым владельцем дока было принято решение* о модернизации путем подкрепления дока в процессе предстоящего в 2008 году ремонта. Кроме дефектации и замены наиболее изношенных конструкций при модернизации были запланированы подкрепления в районе всех междупонтонных зазоров, которые отражены на рис 4. Цель - доведение общей прочности дока до уровня не ниже построечного и обеспечение безопасного перегона дока с места ремонта до места последующей эксплуатации.
Мероприятия по подкреплению (см. рис .4):
1. Замена заклепочного соединения башен с понтонами на сварное путем удаления фланца заклепочного соединения и примыкающих к нему изношенных листов и установки новых листов толщиной 15 мм.
2. Замена или восстановление накладных листов (верхних бракет) по внешним стенкам башен, установленных в 1968 г. для перегона дока,
3. Установка вварных. листов с размерами 15x1600x5000 мм в районе днищевого соединения понтонов.
4. Установка продольных ребер жесткости и книц в плоскоеги стоек концевых переборок понтонов по вварыым листам днища.
5. Установка листовых связей (нижних бракет) с размерами 15x720x720 мм под наружными и 10x720x720 мм под внутренними стенками башен у днища понтонов, ввареных в плоскости наружной стенки и стоек концевых переборок понтонов, соответственно.
До реализаций подкреплений решались вопросы их влияния на общую прочность доха, а также местной прочности самих подкреплений.
Выполнены расчеты характеристик эквивалентного бруса дока ш момент постройки, с учетом подкреатений 1968 года для перегона, фактического (с износом) и последующим подкреплением 2008 года. Результаты даны в таблице.
Сопоставление моментов сопротивления корпуса дока при разных вариантах
№ Варианты расчетов W, м3
] Требуемый Правилами РС для перегона, \Утц, 5,89
2 Построечный (по проектным размерам) \Уо 5,67
3 Проектный для перегона в 1968 г. \¥П0 5,64
4 Фактический (по остаточным размерам) \У' 4,59
5 Фактический с подкреплениями для перегона в 2008 г. \¥ 6,52
По результатам расчетов установлено следующее:
1.3а время эксплуатации момент сопротивления корпуса уменьшился на 19% и не удовлетворяет действующим требованиям Правил РС к перегону дока.
2. Фактический момент сопротивления корпуса дока с учетом подкреплений превышает требуемый Правилами РС для перегона на 11%.
3. Допустимая для перегона дока в 2008 г. высота волны 3%-ной обеспеченности с учетом подкреплении составит 7.82 м, что превышает допустимую по проекту перегона 1968 г.
На основе расчетов и анализа концентрации напряжений с помощью МКЭ (Метод Конечных Элементов) определен наилучший вариант подкреплений нижней части междупонтонных зазоров по внешним стенкам башен (см. рис. 5) путем установки бракет с размерами 720x720x15 с радиусом свободной кромки 300 мм и подкрепляющим её пояском 100x15. При установке этих подкреплений уровень местных напряжений будет ниже, чем при перегоне в 1968 г. Дополнительно к этим подкреплениям рекомендовано установить вварные бракеты по внутренним стенкам башен в трех средних междупонтонных зазорах с каждого борта для снижения концентрации напряжений.
При установке подкреплений для снижения влияния температурных деформаций корпуса рекомендовано проводить работы в темное время суток. Предлагаемые подкрепления, с учетом анализа общей и местной прочности, дали основание рекомендовать к использованию для перегона в 2008 г. документацию, разработанную в 1968 г. при ограничении волнения моря 6 баллами.
После ремонта и модернизации дока необходимо проведение натурных испытаний для устранения возможных недостатков, а также дать рекомендации по повышению безопасности морского перегона дока по условиям прочности.
Важнейшая задача ~ определить допускаемую для дока стрелку прогиба-перегиба (f) после модернизации с существенным изменением его жесткости — момента инерции сечений башен (J) и прочности - момента сопротивления (W). Задача решена на основе уравнения -Г Jo W|
1 ° W ’
где индексы соответствуют параметрам при постройке (0) и после модернизации (1). Получено, что параметры прогибов дока должны быть уменьшены на 30%.
Для решения задач прочности при испытаниях и в последующей эксплуатации дока была сформирована его МКЭ-модель в балочной идеализации из 258 элементов на основе компьютерной программы FESTA, имеющей сертификат РС. Конфигурация модели с 6 типами профилей отражена на рис. 6а. Вариант схемы приложения сил веса и поддержания дока показан на рис. 66. Тестирование модели показало отличие от проектных, расчетов не более 3%.
На основе расчетов были разработаны и переданы владельцу' рекомендации по балластировке дока для случаев: ^ л
• устранения крена, дифферента и спрямления башен дока;
• перегиба дока при испытаниях, результаты частично представлены на рис. бв-д;
• прогиба дока при испытаниях:
• предварительного перегиба для перегона дока в море.
Весь комплекс описанных работ был выполнен оперативно за 4 месяца - с момента отправки дока из России во Вьетнам и до начала его буксировки от места ремонта к месту последующей эксплуатации.
Одним из важнейших результатов работ стало сравнительно глубокое понимание недостатков дока и вероятных проблем дальнейшей эксплуатации. Для снижения их последствий владельцу даны рекомендации, которые включают предложения по разработке и внедрению АСУ (Автоматизированной Системы Управления) дальнейшей эксплуатации дока.
4^
(О
Рис Л. Конструктивная схема ГТД-83М и места Ремонтов корпуса (выделены)
до 40 лет оксплуатзции
Рис. 2. Картина характерных проблем и мест ремонта конструкций балластных отсеков
Рис. 3. Снижение момента сопротивления - УУ и расчетной площади сечений стенок- А понтона от степени износа со схемой определения допусков на износ
Наружная
стенка
Внутренняя
стенка
Стапель-палуба
Рис..4. Принципиальная схема ремонта заклёпочных соединений и подкреплений междупонтонных зазоров дока
Рис. 5. Результаты расчетов напряжённо-деформированного состояния борта в местах подкреплений междупонтонных зазоров оракетами
б) схема приложения сил веса и сил поддержания для случая перегиба башен
в) эпюры изгибающих моментов (для башен ~ выделены)
МшЕ
г) эпюры перерезывающих сил (для башен - выделены)
/N[113*
д) эпюры прогибов (для башен - выделены)
Рис 6 ^ Балочная МКЭ-модель и результаты расчетов прочности дока для случая испьпаний на перегиб посче его ремонта с подкреплением
