CC BY
15УДК 656.6:620.179.1:539.4
A.А. Миронов, д.т.н, доцент, НГТУ им.Р.Е. Алексеева, 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
B.В. Мишакин, д.т.н, с.н.с, ИПМРАН филиал ИПФАН А.В. Гончар, к.т.н., с.н.с, ИПМ РАН филиал ИПФАН К.В. Курашкин, к.т.н., с.н.с, ИПМ РАН филиал ИПФАН 603024, г. Нижний Новгород, ул. Белинского, 85
КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСОВ МОРСКИХ СУДОВ
Ключевые слова: корпус судна, неразрушающие методы контроля, усталость, пластическая деформация.
Для судов, длительное время находящихся в эксплуатации, предлагается проведение исследований состояния металла корпуса. Используются методы измерения коэрцитивной силы, акустической анизотропии, твердости, анализ микроструктуры.
Существующая система обеспечения безопасной эксплуатации морских судов предусматривает проведение плановых освидетельствований корпусов судов согласно Правилам Российского морского регистра судоходства [1]. В соответствие с приложением 2 к указанным Правилам основным содержанием работ по оценке технического состояния корпуса является проведение визуально-измерительного контроля корпусных конструкций. В состав работ входит осмотр конструкций с целью выявления таких повреждений, как коррозия, остаточные деформации, трещины и последующие измерения остаточных толщин и параметров повреждений. Допустимые величины износа и параметров остаточных деформаций конструкций устанавливаются из условия обеспечения безопасной эксплуатации корпуса судна в течение 5 лет. При этом нормативы для элементов конструкций с износом определяются от размеров, требуемых правилами постройки для нового корпуса.
Анализ существующей системы обеспечения безопасной эксплуатации корпусов судов позволяет наметить пути дальнейшего ее совершенствования. Для конструкций с повреждениями эффективным подходом для анализа их напряженно-деформированного состояния является использование современных программных продуктов, реализующих численную процедуру метода конечных элементов (МКЭ). В отличие от расчетных моделей, используемых правилами постройки для нового корпуса, в этом случае возможен учет неравномерности износа, как по сечению, так и по площади элементов конструкций корпуса. Следующим важным моментом является тот факт, что процедура освидетельствования не исключает риска появления повреждений, связанных с изменением состояния металла. Длительная эксплуатация судна в условиях волновых нагрузок приводит к накоплению металлом усталостных повреждений в концентраторах напряжений. Данный процесс не только повышает риск образования усталостных макротрещин, но и снижает сопротивление стали развитию трещин. Последнее проявляется в снижении ударной вязкости и повышении температуры вязко-хрупкого перехода. Другим фактором, приводящим к снижению сопротивления хрупкому разрушению, является деформационное старение стали в зонах развития пластических деформаций в элементах конструкций при кратковременных перегрузках [2]. В конечном итоге после длительной эксплуатации указанные явления приводят к образованию опасных повреждений корпусных конструкций в виде протяженных тре-
щин, имеющих хрупкий характер [3]. В целях предотвращения таких повреждений требуются исследования состояния металла.
Исследование механических характеристик по результатам статических и циклических испытаний образцов из вырезок металла является не эффективным подходом. Это связано не только с необходимостью выполнения работ по замене вырезанных участков, но и с тем, что для надежного выявления зон накопления повреждений требуется исследования значительного объема конструкций, а сами зоны носят локальный характер. Для решения задачи оценки состояния металла корпуса перспективным является использование методов и средств неразрушающего контроля. Развитию данного направления посвящены различные международные программы [4].
Одним из перспективных методов оценки состояния металла крупногабаритных конструкций является коэрцитиметрия. В основе метода лежит связь изменения магнитных параметров металла с изменением в его структуре в процессе зарождения и развития микродефектов как в условиях много- и малоцикловой усталости [5], так и при монотонном пластическом деформировании [6]. Накопленный опыт применения данного метода при оценке остаточного ресурса металлоконструкции обобщен в ряде нормативных документов [7], [8]. Из анализа представленных в указанных работах номограмм следует, что для широко используемой при постройке корпусов судов стали 09Г2С при значениях коэрцитивной силы Нс < 5 А/см фактическое состояние металла в условиях малоциклового нагружения является удовлетворительным и обеспечивается надежная эксплуатация конструкции. При значении Нс > 7 А/см надежность эксплуатации конструкции резко снижается, критическое значение при полном исчерпании ресурса составляет Нс = 9,5 А/см. К настоящему времени имеется опыт использования метода для оценки состояния судовых конструкций [9]. Коэрцитиметрия, как и любой метод неразрушающего контроля, имеет свои преимущества и недостатки и для повышения достоверности оценки состояния металла требует своего сочетания с другими методами.
Выявление зон пластической деформации металла, приводящей к изменению кристаллографической текстуры, может быть осуществлено акустическим методом определения анизотропии упругих свойств [10]. Метод основан на измерении времени распространения поперечных упругих волн при поляризации датчика в двух ортогональных направлениях. Значение параметра акустической анизотропии определяется отношением:
. 2(ц2 - ц)
А = ——, (1)
('1 + *2)
где '1 и '2 - времена распространения поперечных упругих волн, поляризованных в
продольном и поперечном направлениях соответственно.
Из результатов указанных работ следует, что при пластическом деформировании существенно изменяется величина и дисперсия значений параметра акустической анизотропии.
Измерение твердости переносными твердомерами позволяет определить степень охрупчивания, фактический предел прочности, а в сочетании с результатами химического и металлографического анализов и предел текучести стали [11]. Металлографический анализ структуры позволяет также выявить необратимые структурные изменения, такие как грубые полосы скольжения и микротрещины, возникающие при исчерпании ресурса металла при циклических нагрузках.
Объектом практического применения комплексного подхода к оценке технического состояния корпуса судна явился большой морской танкер проекта 1559-В, находящийся в эксплуатации более 40 лет. В состав работ, кроме стандартной процедуры освидетельствования, были включены исследования состояния металла и разра-
ботка мероприятий по восстановлению прочности корпусных конструкций. По результатам освидетельствования корпуса танкера выявлен значительный износ настила палубы над грузовыми танками от миделя до кормовой надстройки и зафиксировано образование трещин в ряде корпусных конструкций. Распределение средних значений толщин палубы с учетом наличия коррозионных пятен в указанном выше районе представлено на рис. 1. Минимальное значение замеренной толщины настила палубы составило 8,5 мм при построечном значении 14 мм.
(мм) I
56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 шп.
Рис. 1. Средние значения толщин палубы в сечениях по шпангоутам
Коэрцитиметрия металла главной палубы позволила выявить аномальные зоны, в которых величина коэрцитивной силы достигала значения 6,1 А/см, что соответствует согласно данным [7, 8] остаточному ресурсу металла 36%. Распределения коэрцитивной силы вдоль главной палубы при ориентации датчика вдоль и поперек палубы представлены на рис. 2. Аномальными зонами повышенных значений коэрцитивной силы являлись районы люков.
Сравнительный анализ параметра акустической анизотропии в районе люков в сочетании с данными по коэрцитиметрии и измерению твердости позволил выявить наиболее потенциально опасные зоны металла. На рис. 3 представлен пример такого сравнения. Зона люка танка № 2 в сечении шпангоута № 38 имеет наименьшую дисперсию параметра акустической анизотропии, равномерное распределение коэрцитивной силы со средним значением 4 А/см и твердость, соответствующую значению предела прочности марки стали корпуса 430 МПа. В зоне люка танка № 5 наблюдаются высокая дисперсия значений параметра акустической анизотропии с выбросами до 12-10-3, повышенные значения коэрцитивной силы, превышающие уровень 5 А/см, и твердость, соответствующую пределу прочности 550 МПа, что в совокупности указывает на повышенный уровень поврежденности металла.
Выполненные исследования позволили сделать вывод, что за исключением отдельных локальных зон металл главной палубы, являющейся для данного проекта наиболее нагруженной частью корпуса, находится в удовлетворительном состоянии. Повышенный износ палубы в грузовом районе, представленный на рис. 1, потребовал восстановления общей продольной прочности корпуса, что было достигнуто установкой четырех укрепляющих полос, протяженностью 0,5 длины судна. Для отдельных пластин палубы со значительным неравномерным износом выполнен анализ их устойчивости с использованием процедуры МКЭ и предложены конструктивные решения их укрепления в виде установки дополнительных ребер и накладных полос в зависимости от доступности проведения сварочных работ.
№ шпангоута
Рис. 2. Распределение коэрцитивной силы вдоль главной палубы
Рис. 3. Распределения параметра акустической анизотропии в зависимости от расстояния от люка
Опыт применения предлагаемого комплексного подхода к оценке технического состояния корпуса судна, связанного с последовательным переходом оценки состояния металла от больших площадей к локальным зонам, позволяет сделать вывод о его эффективности. Дальнейшим развитием подхода может служить привлечение ультразвуковых методов обнаружения усталостных дефектов сварных швов в выявленных наиболее нагруженных зонах корпуса.
Список литературы:
[1] Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации - Санкт-Петербуг, Российский морской регистр судоходства, 2017. - 448 с.
[2] Горицкий В.М. Диагностика металлов / В.М. Горицкий. - М.: Металлургиздат, 2004. - 408 с.
[3] Повреждения судовых конструкций / Н.В. Барабанов [и др.]. - Л.: Судостроение, 1977. -400 с.
[4] Троицкий В.А. Совершенствование мониторинга технического состояния морских судов / В.А. Троицкий // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2009. - №4. - С. 26-29.
[5] Magnetic techniques for estimating elastic and plastic strains in steels under cyclic loading / E.S. Gorkunov, R.A. Savrai, A.V. Makarov, S.M. Zadvorkin // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures [Электронный ресурс]. - 2015. - Is. 2. - P. 6-15.
[6] Некоторые закономерности изменения коэрцитивной силы пластичных (незакаленных) сталей при активном растяжении / В.М. Мацевитый, Г.Я. Безлюдько, К.В. Вакуленко, И.Б. Казак, В.В. Карабин // Вестн. НТУ «ХПИ». Технологии в машиностроении. - 2010. - № 25. - С. 19-24.
[7] РД ИКЦ «КРАН» 007-97/02. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и техническом диагностировании (экспертизе промышленной безопасности). - М., 2002. - 55 с.
[8] РД ИКЦ «КРАН» 009-99. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, при проведении экспертизы промышленной безопасности. - М., 2002. - 37 с.
[9] Обзорная оценка состояния и детальная экспертиза усталости металла большеразмерных объектов и конструкций неразрушающим коэрцитиметрическим методом / Г.Я. Безлюдько, О.П. Завальнюк, В.Б. Нестеренко, А.Ю. Марченко, Р.Н. Соломаха // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2012. - № 3. - С. 57-65.
[10] Мишакин В.В. Исследование процесса разрушения сталей акустическим методом и методом делительных сеток / В. В. Мишакин, В. А. Клюшников, Н. В. Кассина // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2009. - № 5. - С. 33-39.
[11] РД 03-380-00 Инструкция по обследованию шаровых резервуаров и газгольдеров для хранения сжиженных газов под давлением.
INTEGRATIVE APPROACH TO SEA-GOING SHIPS' HULLS TECHNICAL STATE EVALUATION
A.A. Mironov, V. V. Mishakin, A. V. Gonchar, K. V. Kurashkin
Key words: ship's hull, nondestructive methods of control, fatigue, deformation.
Examination of the hull metal state of over aged ships is offered. Methods of measuring of coercive force, acoustic anisotropy, solidity, the analysis of micro-structure are used.
Статья поступила в редакцию 06.04.2017 г.
УДК 629.555
Н.А. Рехалова, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА С ВЫХОДЯЩИХ В МОРЕ СУДОВ, КЛАССИФИЦИРУЕМЫХ РОССИЙСКИМ РЕЧНЫМ РЕГИСТРОМ
Ключевые слова: энергоэффективность судна, конструктивный коэффициент энергоэффективности (ККЭЭ), выбросы диоксида углерода, суда смешанного (река-море) плавания.
В статье представлены результаты расчета конструктивного коэффициента энер-
