Конструктивно-технологическая рациональность продукции судостроения как условие повышения её экологической чистоты Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Список литературы

[1] Бреслав Л.Б. Экономические модели в судостроительном производстве. Л.: Судостроение, 1984.

DEFINITION ECONOMICALLY OPTIMAL PERIODS OF MODERNIZATION OF VESSELS

A. I. Klyanchenkov

Recommendations to destination terms of realization modernization works are given.

УДК 629.12.502

E. Г. Бурмистров, к. т. н., доцент, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РАЦИОНАЛЬНОСТЬ ПРОДУКЦИИ СУДОСТРОЕНИЯ КАК УСЛОВИЕ ПОВЫШЕНИЯ ЕЁ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЧИСТОТЫ

В статье затрагиваются вопросы обеспечения конструктивно-технологической рациональности судовых конструкций с точки зрения ресурсосбережения и повышения экологической чистоты продукции судостроения. Предложены основные направления решения данной проблемы. Приведены примеры, иллюстрирующие возможность снижения металлоёмкости конструкций и повышения их технологичности и ремонтопригодности.

Обеспечение конструктивно-технологической рациональности продукции судостроения является одним из приоритетов конструкторской и технологической подготовки производства. За счёт внедрения эффективных конструктивно-технологических решений на проектируемых, строящихся и модернизируемых судах может быть достигнуто значительное уменьшение металло- и ресурсоёмкости, как отдельных судовых конструкций, так и изделия в целом. Таким образом, решение проблемы снижения металло- и ресурсоёмкости - суть важная часть решения проблемы повышения экологической чистоты и экологической безопасности продукции судостроения.

Уменьшение металлоёмкости судов - часть общегосударственной проблемы ресурсосбережения. Современный уровень технического прогресса позволяет решать эту проблему комплексно, предоставляя в распоряжении проектировщиков, судостроителей и потребителей достаточно эффективные способы, методы и средства достижения цели. Условно можно выделить следующие основные направления решения задачи:

- обеспечение снижения конструктивной металлоёмкости, включающей конструкторские решения, обеспечивающие вновь создаваемым судам меньшую, по сравнению с судами-аналогами металлоёмкость при улучшении эксплуатационных качеств судна (в том числе за счёт применения заменителей металлов и конструкционных материалов нового поколения);

- обеспечение снижения технологической металлоёмкости, дающей возможность за счёт новых технологических приёмов, оборудования и средств технологического оснащения снизить металлоёмкость при постройке и ремонте судов;

- обеспечение снижения эксплуатационной металлоёмкости, позволяющей за счёт поддерживающих мероприятий в период эксплуатации (включая техобслуживания и ремонты) уменьшить расход металла.

Проблема оптимального с точки зрения металлоёмкости проектирования судна может быть подразделена на ряд отдельных, относительно самостоятельных задач. При их решении могут быть применены некоторые достаточно обоснованные подходы, в том числе:

- расчётные методы, в некоторых случаях позволяющие снизить металлоёмкость судовых конструкций;

- технико-экономические обоснования при выборе спецификационных характеристик судна, позволяющие на ранних стадиях проектирования оптимизировать массу материала, рационально распределить металл и уменьшить трудоёмкость постройки судна [1].

В судостроении около 65 % используемого металла идёт на постройку корпуса. Поэтому вопросы оптимальных конструкторских решений чрезвычайно важны в первую очередь в корпусостроении. Снижение металлоёмкости в этой сфере должно носить комплексный характер. Это означает, что при проектировании и модернизации судов необходимо учитывать не только затраты металла при постройке судна, но и последующий его расход на ремонт корпуса (из-за деформаций и нарушений прочности его конструкций, усталостных и коррозионных повреждений и т. д.). Кроме того, для решения общей задачи снижения металлоёмкости необходимо решение конкретных задач, возникающих при проектировании, постройке и эксплуатации судов. Например, при проектировании должны быть решены вопросы противокоррозионной защиты, обеспечивающие наилучшие защитные свойства в течение заданного срока службы судна. Это условие, однако, выполнимо только при наличии в проекте судна комплексной защиты конструкций с использованием различных принципов, методов и средств согласно действующей нормативно-технической документации и последних достижений НТП. В обоснованных случаях может предусматриваться даже применение коррозионно-стойких конструкционных материалов, в том числе композитных, полимерных и др. Преимущество полимерных композиционных материалов (ПКМ), используемых в конструкциях корпусов судов вместе с металлами (МПКМ) или взамен их, по сравнению с традиционными конструкционными материалами, состоит, прежде всего, в том, что им можно придать различные функциональные свойства [2]. Применение ПКМ и МПКМ взамен стали и алюминиево-магниевых сплавов весьма эффективно, так как они имеют высокие механические свойства, обеспечивают достаточную коррозионную стойкость, теплоизоляцию, вибродемпфирование, немагнит-ность и т. п. [3 , 4]. Однако в настоящее время существуют определённые препятствия, не допускающие повсеместной замены ПКМ и МПКМ традиционных конструкционных материалов. Прежде всего, речь идёт о технологических трудностях изготовления крупногабаритных плоских и лекальных полотнищ, а также конструкций более сложной формы из многофункциональных многослойных макронеоднородных ПКМ и МПКМ. Концептуальные же основы технологии изготовления корпусных конструкций базируются на промышленно освоенных операциях и процессах. Кроме того, наличие полимеров в основе ПКМ и МПКМ предъявляет высокие требования по обеспечению пожарной и экологической безопасности, а также обеспечению требований обитаемости в судовых помещениях. Поэтому при окончательном выборе в пользу применения таких материалов предварительно должен быть решён весь комплекс сопутствующих вопросов.

Такой же подход должен соблюдаться и при назначении размеров связей корпуса (на стадии проектирования или модернизации). В данном случае необходимо обеспе-

чить минимальные затраты на сохранение и восстановление их надёжности, а также предусматривать меры по предотвращению ремонта корпуса в результате коррозионного износа методом плановых замен в течение нормативного срока службы судна. При этом в целесообразных пределах могут быть изначально завышены толщины наиболее изнашиваемых и наименее доступных для ремонта связей с одновременным решением вопроса о возможности замены связей, имеющих более высокий уровень ремонтопригодности. Такой подход позволяет обеспечить равноизнашиваемость связей корпуса к концу срока службы судна.

Резервом уменьшения массы является также упрощение конструкций различных узлов связей корпуса. Например, широкое применение технологически упрощенных узлов со свободными вырезами (рис. 1). Обеспечивая равнопрочность конструкции, такие узлы дают значительную экономию металла при раскрое. Кроме того, они более технологичны, поскольку позволяют существенно уменьшить объём пригоночных работ и использовать прогрессивный метод раздельной сборки и сварки конструкций.

-нЧ

1-1

Рис. 1. Варианты узлов пересечения балок главного направления с перекрестной связью: а - с непосредственной сваркой стенок; б, в - с нахлесточными заделками; г - с кничной перевязкой стенок; д - улучшенной формы

Интересные решения повышения технологичности и уменьшения металлоёмкости могут быть найдены и для стыковых соединений балок набора. Работоспособность таких соединений определяется только качеством их выполнения и практически не зависит от вида сечения соединяемых профилей [5]. Поэтому в качестве критерия уменьшения металлоёмкости, в данном случае, можно рассматривать максимально возможное увеличение эффективного коэффициента концентрации напряжений аэ

а., =

г г л5А

\Jrip )

(1)

где/; - полная площадь поперечного сечения свободного пояска;

[пр - проваренная площадь сечения.

Традиционные же конструктивные решения (приварка к полкам балок полосовых либо полособульбовых элементов-коротышей, перекрывающих стыки и перекрытие стыковых соединений кничными элементами при размещении стыков в районе опорных сечений балок), обеспечивая прочность, приводят к повышению трудоёмкости и металлоёмкости конструкции.

Весьма эффективным представляется также применение для основных корпусных конструкций сталей повышенной прочности категорий А32 и Д32 с пределом текучести 315 МПа для листового проката толщиной до 7 мм и более и полособульбовых профилей высотой 120 мм и более (экономия - порядка 9 %), а также использование крупногабаритного листового проката для корпусных конструкций, изготавливаемых из листового материала толщиной 8 мм и более. Это позволяет сократить около 10 % протяжённости стыкуемых кромок листов по стыкам и пазам, снизить расход сварочных материалов (на 7-12 %), значительно уменьшить общие сварочные деформации корпусных конструкций.

Снижение металлоёмкости можно обеспечить также за счёт рационального раскроя листов и заготовок с использованием современных технологий и оборудования, применения усовершенствованных и передовых технологий обработки металла, применении прогрессивных методов антикоррозионной защиты проката и изделий, как на межоперационный период, так и при использовании на судне.

К сожалению, в рамках данной статьи не представляется возможным подробно рассмотреть все возможные направления снижения металлоёмкости судов. Однако даже из приведённых примеров ясно, что спектр возможностей уменьшения материалоёмкости на данном этапе жизненного цикла судна чрезвычайно широк. В этой связи особое значение приобретает рассмотрение вопроса снижения металлоёмкости не только в объёмном, но и в стоимостном выражении. Такой подход является наиболее универсальным методом оценки потребительских свойств продукции судостроения.

Для общей оценки сравнительной эффективности конструктивной металлоёмкости судов может быть предложена методика, базирующаяся на известных положениях [6]. Исходя из расчётной оценки коэффициентов эффективности конструктивной металлоёмкости проектируемого судна Км и судна-прототипа КмПр, должно выполняться условие

Ки>С-Кпм”, (2)

где С - требуемое по техническому заданию увеличение эффективности конструктивной металлоёмкости проектируемого судна

Iг _ Qcж ~ 073 ~ 0Нас (3)

& + 6*. ’

где Осж - ожидаемые доходы от эксплуатации за весь срок службы;

(- текущие расходы (эксплуатационные и сопутствующие) на содержание судна за весь срок службы;

бнас - стоимость насыщения судна (в том числе комплектующего, построечного и

иного оборудования и систем, а также их поставки, монтажа, оборудования, отделки,

комплектования, наладки, ремонта, обслуживания и т. п.) за весь срок службы; бс = Омк + + ориентировочная стоимость постройки корпуса судна;

Яик =цРмк ~ стоимость металла корпуса судна;

'/ - средняя удельная стоимость используемого металлопроката;

?мк~ масса металлического корпуса, от;

<2ик- стоимость изготовления корпуса;

{2сз — стоимость применённых средств защиты;

Орем~ <2змр+0Ири-к+Очм-к+ 0.рсз ~ предполагаемая стоимость ремонтов корпуса судна за весь срок службы;

<2змр ~ стоимость металла, заменяемого при ремонтах;

Яирм-к ~ стоимость изготовления ремонтных металлоконструкций;

С7зм-к - стоимость работ по замене металлоконструкций;

<2рсз - стоимость применения средств защиты при ремонтах.

Не менее важными с точки зрения обеспечения экологической чистоты продукции судостроения представляются конструктивно-технологические мероприятия, направленные на повышение экологической безопасности производственных процессов, осуществляемых при постройке судна. В данном случае, в качестве существенных можно рассматривать такие конструктивные решения, которые обеспечивают выполнение минимального объёма работ на построечных местах и в труднодоступных и замкнутых судовых помещениях и отсеках с одновременным перемещением основного объёма таких работ в цеховые условия.

1А (П Ш . 11 1

Рис. 2. Конструктивные решения по вынесению стыкуемых рйбер жёсткости из замкнутых судовых помещений, а) для подпапубных балластных цистерн на бапккэриерах АО «Бурмейстер Ог Вайн»; б) для палубных перекрытий на танкерах типа «5РАТ».

Наглядным примером реализации этого принципа может служить вынесение стыкуемых продольных рёбер жёсткости из замкнутых подпалубных балластных цистерн в свободное пространство на балккэриерах АО «Бурмейстер Ог Вайн» (рис. 2а) и конструктивное решение палубных перекрытий на новейших танкерах типа «БРАТ» постройки ОАО «3-д «Красное Сормово» (рис. 26). Подобный же подход применён на экологически чистом танкере-продуктовозе типа «Дмитрий Медведев», проекта ЦКБ «Изумруд». В данном случае это связано с тем, что обязательные для судов такого типа двойные борта создают ряд технических проблем, от решения которых во многом зависит и экологическая безопасность выполняемых работ. При традиционном подходе (в проектах судов с поперечной системой набора корпуса) работы в между-бортном пространстве выполняются с преобладанием ручного труда. Для их организации требуется в стеснённом замкнутом пространстве устанавливать, а затем разбирать строительные леса, подводить энергосистемы и т. д. При стыковке блоков-секций затрудняется или невозможно использование агрегатов для сборки и сварки монтажных соединений обшивки. Не удаётся избежать и большого объёма дополнительных работ (таких как контроль качества стыковых соединений, зачистка и окраска и др.). Принятие же смешанной системы набора (с поперечной по бортам) позволило исключить полностью или свести до минимума целый ряд непроизводительных и трудоёмких технологических операций. Принципиально новая конструкция обеспечила применение технологии сборки и сварки монтажных стыков корпуса с помощью сборочно-сварочных агрегатов. Это, в свою очередь, позволило существенно сократить количество приварных сборочных элементов (гребенок, рыбин и проч.), повысить производительность сборочно-сварочных работ в 1,5-2 раза, существенно улучшить условия труда работающих. Такая конструкция экономически целесообразна и при эксплуатации, поскольку исключает застаивание жидкого балласта, снижает вероятность образования очагов коррозии и связанные с этим затраты на ремонтновосстановительные работы. Кроме того, исключается необходимость установки в ме-

ждубортном пространстве переходных площадок с настилом и леерным ограждением. Их функции выполняют штатные бортовые стрингеры.

На современных судах наиболее сложной конструкцией как по насыщенности сварными соединениями, так и по компоновке продольных и поперечных связей судового корпуса является двойное дно. Наличие двойного дна существенно усложняет технологию и постройки и ремонта корпуса из-за необходимости выполнения большого объёма работ в междудонных пространствах, малопригодных для использования механизированных технологических процессов. Работы выполняются, как правило, вручную, при неудобном положении рабочего и отсутствии достаточного воздухообмена Ремонтопригодность этого элемента конструкции корпуса также является крайне низкой, в то время как износы и повреждения здесь появляются гораздо чаще, чем у других конструкций. Поэтому при проведении значительных по объёму ремонтных работ, связанных с полной заменой настила второго дна и части набора в некоторых случаях целесообразно изменение конструкции с целью повышения её технологичности. Реализовать такой подход можно одним из трёх методов:

- разработкой варианта конструкции, позволяющего уменьшить объём работ в междудонном пространстве за счёт предварительного изготовления секций или панелей и сокращения протяжённости сварных швов;

- применением конструкций, присущих глухому двойному дну, исключающих работы в замкнутых судовых помещениях;

- использованием композитной слойчатой конструкции настила.

Выполнение работ по смене настила подетальным или даже секционным методом без изменения конструкции характеризуется повышенной трудоёмкостью и тяжелыми условиями труда, так как значительный объём сборки и сварки приходится вести в закрытых междудонных пространствах. В качестве одного из вариантов изменения конструкции с целью повышения её технологичности может быть применён составной рамный набор [6]. Такой набор изготавливается из трёх частей: нижней и верхней балок и промежуточных бракет (рис. За).

а)

и~

тГ

6)

Рис. 3. Составной рамный набор: а) элементы набора: 1 - нижняя балка; 2 - бракета; 3 - верхняя балка;

б) в собранном виде

Технология ремонта с использованием такого набора позволяет сократить трудоёмкость на 60-70 %, на 40-60 % уменьшается объём подгоночных и сварочных работ выполняемых в междудонном пространстве, улучшается качество сварных соединений холостого набора с рамным, появляется возможность окраски открытых конструкций.

Большие возможности по повышению технологичности конструкций 2‘г0 дна открываются при использовании метода, описанного в работе [7]. Основной идеей дан-

ного предложения является применение для замены конструкций второго дна предварительно изготовленных панелей, состоящих из листов настила и продольных ребер жёсткости (рис. 4).

Такой метод ремонта относится к индустриальным, так как позволяет механизировать не только процессы сборки и сварки панелей на поточных линиях в условиях цеха, но и сварку монтажных соединений на стапеле. Основной объём сварочных работ при этом выполняется со стороны настила, в нижнем положении с применением относительно чистой, с точки зрения экологической безопасности автоматической сварки под слоем флюса. Благодаря этому достигается уменьшение общей трудоёмкости ремонтных работ (на 30-35 %), а объём работ, выполняемых в закрытых между-донных пространствах, сокращается более чем в 2 раза. Кроме того, повышается ремонтопригодность второго дна (при последующих ремонтах), улучшаются эксплуатационные качества и т. д.

Приведённые примеры, на взгляд автора, достаточно наглядно иллюстрируют возможности конструктивно-технологической рационализации отдельных судовых конструкций и судна в целом в направлении обеспечения экологической чистоты продукции судостроения и экологической безопасности применяемых технологий. Стоит заметить, однако, что результативность перечисленных мероприятий возможна лишь при высокой технологической дисциплине и организации производства. Оценка же результатов этих мероприятий как минимум должна предполагать учёт использования металла с количественной оценкой по коэффициенту использования материала (КИМ), учёт расходования энергоресурсов по соответствующим показателям, отслеживание уровней оптимальности применяемых технических решений и технологических регламентов, контроль над снижением сопутствующих потерь.

Список литературы

[1] Бойцов Г.В. Оптимизация судового корпуса с учётом требований снижения его металлоёмкости и трудоёмкости сборки // Судостроение. 1984. - № 3. С. 45-49.

[2] Фролов С.Е. Методы создания новых макронеоднородных композиционных материалов и технологические решения при изготовлении из них корпусных конструкций // Судостроение. -2003. -№3.- С. 55-59.

[3] Фролов С.Е. Трёхслойные полимерные и металлополимерные композиционные материалы с объёмноармированным средним слоем для безнаборных полотнищ и обшивок корпусов судов // Вопросы материаловедения. 2000. - № 2(22).

[4] Фролов С.Е. Комбинированное применение полимерных материалов в сендвич-композициях корпусов перспективных скоростных судов // Вопросы материаловедения. 2001. -

Рис. 4. Изменение конструкции двойного дна при ремонте панельным методом

№ 1(25).

[5] Требуков С.Я. Снижение металлоёмкости рыболовных судов / С.Я. Требуков // Технология судостроения. 1989. - №9. С. 55-59.

[6] Протопопов В.Б. Конструкция корпусов судов внутреннего и смешанного плавания /

В.Б. Протопопов, О.И. Свешников, Н.М. Егоров. - Л.: Судостроение, 1984. -375 с.

[7] Разработка технического проекта смены настила второго дна на плаву на судах проекта 576 при среднем и капитальном ремонтах: Отчёт о НИР (заключ.) / Горьковск. инст. инж. водн. тр-та; Руковод. Работы Ю.Г. Кулик; № 745111; Инв. № 02850010. - Горький, ГИИВТ, 1985. 145 с.

- Исполн. Зубакин Ю.А.

CONSTRUCTIVE-TECHNOLOGICAL RATIONALITY OF PRODUCTION OF SHIPBUILDING AS CONDITION OF INCREASE OF HER ECOLOGICAL CLEANLINESS E. G. Burmistrov

In article questions of maintenance of constructive-technological rationality of ship designs from the point of view resyrsosberegenia and increases of ecological cleanliness of production of shipbuilding are mentioned. The basic directions of the decision of the given problem are offered. Examples, an illystrirushie opportunity of reduction of metal consumption of designs and increases of their adaptability to manufacture and maintainability are given.

УДК 629.12.628.4.04

Е. Г. Бурмистров, к. т. н., доцент, ВГАВТ,

И. А. Сычева, студент, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ СУДОВ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Рассмотрен организационно-технологический аспект проблемы утилизации судов. Показаны перспективы совершенствования технологии судоразделки. Дана классификация основных способов разделки корпусов судов по способам её выполнения. Проанализированы технико-экономические показатели основных видов резки. Предложено организовать специализированные региональные центры для разделки судов и их утилизации.

Проблема утилизации судов вызывает значительный интерес не только специалистов водного транспорта, но и представителей органов власти, крупных финансовопромышленных компаний, общественных организаций. В качестве одного из основных вопросов данная проблема обсуждалась и на 51й сессии Комитета по защите морской среды ИМО (Лондон, 27 марта - 2 апреля 2004 г.). На повышенный интерес к этой проблеме указывает и значительно возросшее в последнее время количество публикаций в отечественной и зарубежной прессе.

Авторами уже рассматривался организационно-технологический аспект данной проблемы [1]. Однако мы считаем необходимым ещё раз и более подробно рассмотреть этот вопрос, особенно в части, касающейся совершенствования технологии разделки судового корпуса и надстройки. Напомним, что в настоящее время организационным документом, определяющим координацию работ исполнителей на всех стадиях жизненного цикла судна, за исключением утилизации, служит генеральный график. Он представляет собой информационную модель совокупности типовых собы-