CC BY
15УДК 629.5.081.326.012/.015.4
А.М. Борисов, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» К.Н. Пряничников, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
КОНСТРУКЦИЯ И ПРОЧНОСТЬ ТРАНСПОРТНОГО ДОКА НА БАЗЕ КОРПУСОВ БАРЖ ПРОЕКТА Р27
Ключевые слова: мелководные участки рек, транспортный док, корпус баржи проекта Р27, понтон, башни дока, конструкция корпуса, осадки, нагрузки, общая и местная прочность.
В статье приводятся результаты исследований по разработке конструкции и обеспечении прочности транспортного дока, создаваемого на базе утилизируемых корпусов нефтеналивных барж проекта Р27, позволяющего перевозить через мелководные участки русла реки груженые суда различных типов водоизмещением до 7300 т и осадке дока с судном до 2 м.
В последнее время судовладельцами отмечается проблема прохождения большегрузными судами с осадками около 3,6 м мелководных участков некоторых рек европейской части России, что приводит к простоям судов в ожидании подъема уровня воды и отрицательно сказывается на экономических показателях грузоперевозок.
Исследования показывают, что на участке Нижний Новгород - Городец в результате просадки русла в последние годы не обеспечивается гарантированная глубина реки Волги (3,8 м). Так, в навигацию 2014-2015 гг. в отдельные периоды глубина на короле нижнего бьефа Городецкого гидроузла уменьшалась до 2 м, что значительно затрудняет судоходство на этом участке.
На кафедре теории конструирования инженерных сооружений (ТКИС) ФГБОУ ВО «ВГУВТ» разработана принципиальная конструкция транспортного дока, который может быть изготовлен с использованием элементов ранее эксплуатировавшихся судовых конструкций [1], и обеспечивающего прохождение мелководных участков рек большегрузными судами с осадкой корпуса более 3 м.
Проектируемый двухбашенный док является автономным, предназначен для до-кования и транспортировки через Городецкий гидроузел судов различных типов водоизмещением до 7300 тонн и осадке дока с судном не более 2 м на короле нижнего бьефа шлюза.
Для изготовления понтона дока предлагается использовать корпуса трех нефтеналивных барж проекта Р27, срок эксплуатации которых к настоящему времени составляет 35-40 лет и более. Корпуса барж с главными размерениями L^В^Н=110*20*2,85 м не имеют двойного дна и двойных бортов, поэтому с учетом экологической безопасности они ограниченно могут использоваться для перевозки нефтепродуктов и в соответствии с принятыми решениями руководством отрасли подлежат утилизации в ближайшие годы. После отделения оконечностей цилиндрические вставки двух корпусов барж длиной по 68,2 м (в оконечностях понтона) и третьей баржи длиной 63,8 м (в средней части понтона) соединяются между собой в понтон транспортного дока общей длиной 200,2 м и шириной 20,0 м, по бортам которого на уровне ОП устанавливаются специально изготовленные металлические башни длиной 200,2 м, шириной 3,5 м и высотой 8,75 м. Палуба безопасности в башнях дока расположена на высоте 6,75 м от ОП (рис. 1).
Габаритные размеры дока приняты из условий обеспечения требуемого водоизмещения и размещения системы док-судно в камере Городецкого шлюза, имеющего размеры камеры 30*300 м. Длина понтона дока принята с учетом сохранения макси-
мальной длины балластируемых отсеков (19,8 м) и размеров рамной шпации баржи-донора в средней части корпуса 2,2 м. Длина пиковых отсеков составляет 6,6 м. Таким образом, длина дока по стапель-палубе и башен принимается равной Lд = 200,2 м, ширина дока Вд = 26,0 м. Ширина башни на уровне днища принята 3,0 м, а выше стапель-палубы - 3,5 м для обеспечения надежного соединения башни с корпусом понтона. Ширина стапель-палубы принята Встп = 19,0 м из условий размещения в доке судов шириной до 17,5 м. Высота понтона в ДП принимается как у баржи проекта Р27 равной /гп=3,25 м.
150
КВЛ2
КВЛ1
в
I
%
17000
5200
Д\П
5200
20000
3500
26000
ОП
Рис. 1. Схема поперечного сечения транспортного дока
Корпус транспортного дока разделен продольными и поперечными переборками на 36 балластных отсеков, общее количество принимаемого балласта Б = 19819 т. Балластные отсеки ограничены существующими поперечными и продольными переборками в корпусе соединяемых частей барж. Схема расположения продольных и поперечных переборок дока приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема размещения переборок дока
В торцевой части понтона установлены транцевые водонепроницаемые переборки. Высота башен дока от ОП принята Нд = 8,75 м в зависимости от максимальной осадки докуемого судна Тс = 3,6 м. При доковании судно должно пройти над кильблоками, размещаться и закрепляться на кильблоках или иных приспособлениях в доке. Максимальная осадка дока при погружении составляет Тпогр = 7,55 м (КВЛ2) при обеспечении минимальной высоты надводного борта башни = 1,2 м. Водоизмещение дока в состоянии «порожнем со 100% запасов» принято: Дпор = 3048 т; водоизмещение дока «в грузу с судном» принято Дгр = 10370 т, при этом осадка дока с расчетным судном водоизмещением 7300 т (сухогрузный теплоход проекта RSD 44) соста-
вит Т= 2,0 м (КВЛ1) и обеспечит возможность прохождения дока с судном в грузу через мелководные участки Городецкого гидроузла.
Транспортный док имеет продольную систему набора с сохранением расположения продольных связей в корпусе понтона как у баржи проекта Р27, продольная шпация а1 = 600 мм. Башни также выполнены с продольной системой набора и продольной шпацией а! = 500 мм. Поперечный рамный набор баржи проекта Р27 выполнен из швеллера и представляет собой навесную конструкцию. При восприятии значительных нагрузок корпусом понтона дока навесной набор заменен более мощным рамным набором таврового сечения с постановкой усиленных поперечных раскосных ферм, расположенных в плоскости рамных шпангоутов. В диаметральной плоскости понтона также дополнительно установлена продольная раскосная ферма. Мидель-шпангоут транспортного дока приведен на рисунке 3.
Рис. 3. Мидель-шпангоут транспортного дока
Общая продольная и общая поперечная прочность транспортного дока проверена в соответствии с Правилами РРР [2, 3] при перевозке груженого сухогрузного теплохода проекта RSD 44 водоизмещением 7300 т. Для корпуса понтона принята остаточная толщина наружной обшивки, переборок и продольных связей цилиндрической части корпуса типовой баржи проекта Р27. Остаточная толщина связей корпуса понтона, составленного из изношенных корпусов барж, несколько меньше требуемой Правилами РРР [2, 3], однако, их прочность подтверждается выполненными расчетами общей и местной прочности.
Конструктивные решения при проектировании дока приняты в соответствии с Руководством [4]. Для изготовления металлических башен, рамного набора и элементов раскосных ферм корпуса понтона принимается судостроительная сталь категории В по ГОСТ Р 52927-2015 с пределом текучести RеН = 235 МПа. Толщина листов наружной обшивки башен принята по результатам расчетов прочности: обшивка днища и настил топ-палубы имеют толщину 16 мм; верхний пояс обшивки наружного и внутреннего борта от палубы безопасности до топ-палубы имеет толщину 14 мм; толщина настила палубы безопасности и листов наружной обшивки башен ниже палубы безопасности принята 10 мм.
По днищу, палубе безопасности и топ-палубе башен установлены продольные
рамные балки таврового сечения на расстоянии 500 мм друг от друга. По наружному борту бортовые стрингеры установлены на расстоянии 2750 мм и 4750 мм от ОП соответственно. Стрингер внутреннего борта башни расположен на расстоянии 4750 мм от ОП. В плоскости стрингеров ниже палубы-безопасности на каждом рамном шпангоуте установлены распорки из швеллера № 40.
Для обеспечения общей прочности по наружному и внутреннему борту башен выше палубы-безопасности, расположенной на высоте 6,75 м от ОП, вместо холостых продольных балок установлены стрингеры на расстоянии 500 мм друг от друга.
Расчеты общей и местной прочности выполнены в соответствии с требованиями Правил РРР [2]. При расчете общей продольной прочности разнесение массы дока и судна проекта RSD 44 с грузом выполнено по 22 теоретическим шпациям. В соответствии с п. 2.2.8 [2] полезная нагрузка дока (7300 т), вызывающая прогиб корпуса, разнесена по его длине с учетом возможной неравномерности ее распределения так, что 5% нагрузки перенесено из оконечностей судна в среднюю часть.
Расчетные изгибающие моменты и напряжения при общем продольном изгибе определены с использованием программного обеспечения кафедры ТКИС, имеющего согласование с Российским Речным Регистром (программы «^ШЕАУЫШ», «MDW и «WINPREDM»). Результаты расчетов изгибающих моментов для наиболее опасного состояния при прогибе системы док-судно в сечении по миделю (10 т.шп.) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Значения максимальных изгибающих моментов общего изгиба в сечении по миделю системы док-судно
Изгибающий момент на тихой воде Мтв, МН-м Дополнительный волновой момент Мдв, МН-м Расчетный момент Мр, МН-м Осадка средняя Тср, м
- 608,4 - 67,7 - 676,1 1,82
Момент инерции поперечного сечения дока при прогибе равен 1д = 13,8 м4; момент инерции судна - 1С = 4,8 м4; суммарный момент инерции системы док-судно составит
1Д + 1С = 13,8 + 4,8 = 18,6 м4.
Результаты расчета дока по напряжениям общего изгиба по программе «WINPREDM» приведены в таблице 2, по предельным моментам - в таблице 3.
Таблица 2
Результаты расчета дока по допускаемым напряжениям в сечении по миделю
Нормальные напряжения топ-палубы, МПа Нормальные напряжения в днище, МПа
расчетные допускаемые расчетные допускаемые
-172 176 146 141
Расчетные значения нормальных напряжений, приведенные в таблице 2, не превышают допускаемых Правилами РРР [2] (превышением 3,5% можно пренебречь). Коэффициент запаса по предельному моменту, определяемый по формуле k = Мпр/Мр и приведеный в таблице 3, также незначительно превышает нормативное значение (1,5%), установленное п. 2.2.82 Правил РРР [2], которым также можно пренебречь с учетом точности выполняемых расчетов.
Расчет осадок дока выполнен с учетом гибкости корпуса. Максимальная стрелка
прогиба корпуса дока не превышает допускаемых значений при действии напряжений общего продольного изгиба с =146 МПа (п. 3.4.33 [4]). В результате выполненных расчетов можно сделать вывод, что общая продольная прочность дока обеспечена.
Таблица 3
Предельные изгибающие моменты корпуса дока
Максимальный расчетный момент Мр, МНм Предельный изгибающий момент Мпр, МНм Расчетный коэффициент запаса k Нормативный коэффициент запаса ka
502,0 687,2 1,37 1,35
При расчете общей поперечной прочности док рассматривается как балка длиной 26,0 м, загруженная силами веса и силами поддержания (рис. 4), где погонные нагрузки от веса судна 4340 кН/м, веса башен с оборудованием 2794 кН/м, веса понтона с остаточным балластом и оборудованием 527 кН/м уравновешиваются силами поддержания со стороны днища, имеющих величину 3924 кН/м.
Рис. 4. Схема к расчету общей поперечной прочности дока
В результате выполненных расчетов изгибающий момент в сечении А-А (по внутренней стенке башни) равен МА = - 6855 кН-м, в сечении Б-Б (в ДП дока) -МБ = - 47518 кН-м.
Эквивалентный брус корпуса дока в сечении Б-Б имеет высоту Нэ = 3,25 м; площадь верхнего пояска SE = 6167 см2; площадь нижнего пояска Sн = 6920 см2; площадь стенки' SCT = 2112 см2 и следующие геометрические характеристики:
- момент инерции сечения относительно нейтральной оси Iy = 3,44-Ш8 см4;
- минимальный момент сопротивления Wmin = 2,02-Ш6 см3;
- максимальный момент сопротивления Wm3x = 2,23-Ш6 см3.
Нормальные напряжения от общего поперечного изгиба в сечении Б-Б определяются по формулам:
а) верхний пояс фермы
Мб
W
- 47,518 2,02
= 23,5МПа ;
б) нижний пояс фермы
в =
W
- 47,518 2,23
= 21,3МПа .
На основании выполненных расчетов общая поперечная прочность дока обеспечена, поскольку максимальные напряжения в связях эквивалентного бруса не превышают допускаемых значений (23,5 МПа < 141 МПа).
Расчет местной прочности дока выполнен как для плоской рамы, геометрическая схема которой приведена на рисунке 5. Максимальная нагрузка действует в теоретической шпации 7-8, имеющей длину 10 м, и составляет 8328 кН. Нагрузка, действующая на грузовую площадь верхнего пояса рамы размерами 20,0 х 2,20 м, составляет 1832 кН. Силы, действующие в узлах верхнего пояса рамы, определяются в соответствии с грузовыми площадями:
Р4 = Р20 = 18,0 кН;
Р6 = Р18 = 191,5 кН;
Р8 = Р16 = 306,9 кН;
Р10 = Р12 = Р14 = 266,4 кН.
Погонная нагрузка от давления воды, действующая на грузовую площадь нижнего пояса рамы, составляет 30,2 кН/м.
Геометрические характеристики стержней рамы приведены в таблице 4.
2 i 6 ,3 ,10 12 к-¿1 n 16 18 20 ??
X X X X X X X X X X Ей ¡Ы \
J L/ к k J S 7 9 11 13 15 17 A
'ИМ fit! f f t f f f f \ \ \ "111 Hit t t t I t I 1 I I v
3000 2800 2400 2400 2400 2ШЗ 2400 2400 2800 N 3000
mo
30.2 кН/п
Рис. 5. Геометрическая схема поперечной рамы дока
Расчет рамы выполнен с использованием программного комплекса «SCAD Office» по конечно-элементной схеме. В результате расчета рамы определены осевые силы N (кН) и изгибающие моменты М (кН-м) в начальном, среднем и конечном сечении каждого конечного элемента. Результаты расчета и суммарные напряжения от общего поперечного изгиба и местного изгиба приведены в таблице 4.
Таблица 4
Нормальные напряжения в стержнях рамы от общего и местного изгиба
н =
№ стержня № конечного элемента Осевая сила N, кН Изгибающий момент М, кН-м Нормальные напряжения, МПа
от общего изгиба от местного изгиба суммарные напряжения
10-11 (верхний пояс) 61 -715,37 17,074 -23,5 -112,6 -136,1
4-5 (нижний пояс) 35 776,78 25,274 21,3 113,0 134,3
2-7 (опорный раскос) 97 -335,51 -1,17 - -125,5 -125,5
Примечание. Напряжение в опорном раскосе 2-7 от осевой силы N равно а = -93,7 МПа.
Максимальные суммарные напряжения по модулю не превышают допускаемых значений (136,1 МПа < 176 МПа). Напряжение сжатия от силы N в опорном раскосе 2 - 7 по модулю также не превышает допускаемых значений (93,7 МПа < 117,5 МПа).
В результате выполненных предварительных расчетов можно сделать вывод, что общая и местная прочность корпуса при эксплуатации транспортного дока обеспечена.
Для проведения доковых операций на проектируемом транспортном доке предусмотрены кильблоки, устройства для заведения судов в док, швартовные устройства, балластная система и другое специализированное оборудование. Балластные насосы выбраны из условия приема 20000 м3 воды в течение 2-х часов. Для этого потребуется шесть балластных насосов производительностью 1400-1500 м3/час каждый и два автономных дизель-генератора мощностью 2*220 кВт.
На месте докования в нижнем течении мелководного участка р. Волги потребуется отрытие котлована глубиной около 10 м и установка свайно-закольного устройства для закрепления дока на месте докования. К месту шлюзования транспортный док должен быть отбуксирован с помощью буксира-толкача. После шлюзования в нижнем бьефе Городецкого гидроузла производится докование на участке акватории, имеющей достаточные глубины для его проведения, с последующим выводом докуемого судна из транспортного дока и продолжением его движения по линии эксплуатации вверх по Волге. Док при этом подготавливается к очередному докованию и последующему шлюзованию большегрузного судна, следующего вниз по течению. При необходимости на этом участке для уменьшения простоев могут работать несколько транспортных доков, следующих во встречных направлениях.
Приведенные расчеты являются приближенными и подлежат уточнению при выполнении проектных работ на базе конкретных судов, технического состояния их корпусов и решаемых экономических задач.
Таким образом, благодаря проектируемому транспортному доку можно ожидать снижение эксплуатационных расходов и простоев транспортных большегрузных судов при прохождении мелководных участков в районе Городецкого гидроузла и других проблемных участков рек. В межнавигационный период док также может использоваться для проведения судоремонтных работ.
Список литературы:
[1] Российский Речной Регистр. Строительство судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания с использованием элементов эксплуатировавшихся судов. Руководство Р.003-2003. -М.: «Витапресс Графикс», 2003. - 36 с.
[2] Российский Речной Регистр. Правила. В 5 т. Т. 2. - М.: Наука, 2015. - 437 с.
[3] Российский Речной Регистр. Правила. В 5 т. Т. 1. - М.: Наука, 2015. - 383 с.
[4] Российский Речной Регистр. Проектирование плавучих доков и кессон-доков. Руководство Р.022-2007. - М.: Изд. «МАИ», 2003. - 66 с.
THE CONSTRUCTION AND STABILITY OF TRANSPORTATION DOCKS ON THE BASIS OF HULLS OF BARGE PROJECT R27
A.M. Borisov, K.N. Pryanichnikov
Key words: shallow water river spots, transportation dock, barge hull project R27, dock tower, hull's construction, draughts, loadings, general and local stability.
The article highlights the results of researches in developing construction and providing for stability of a transportation dock made from disposed hulls offuel oil barges project R27, allowing transportation of loaded vessels of different types with the displacement up to 7300 tons and dock draught up to 2 m.
