CC BY
87
снижение ударной вязкости (в 1,8 раза) при наличии трех полос структурной неоднородности. При этом на поверхности разрушения появляются характерные полосы, подтверждающие характер разрушения, наблюдаемый на практике (см рис. 9, б, в). Следовательно, зональная и перлитная полосчатость могут значительно снижать ударную вязкость сталей.
2. При ориентации полос перлитной неоднородности горизонтально относительно направления удара маятника (удар вдоль полос) ударная вязкость изменяется незначительно даже при на-
личии трех полос (см. рис. 10, б). Иным образом (по сравнению с ориентацией перлитных полос нормально относительно удара) выглядит и поверхность разрушения, представляя собой явное расслоение образца (см. рис. 11, а), что, однако, не снижает существенно работы разрушения.
Выполненные компьютерные эксперименты по влиянию структурной неоднородности позволили выделить основные структурные факторы, влияющие на ударную вязкость сталей, и приступить к созданию регрессионной многофакторной модели ударной вязкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колбасников, Н.Г. Теория обработки металлов давлением. Сопротивление деформации и пластичность металлов |Текст| / Н.Г. Колбасников,— СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2000,- 320 с.
2. Колбасников, Н.Г. Энтропия. Структура. Фазовые превращения и свойства металлов [Текст] / Н.Г. Колбасников, С.Ю Кондратьев,— СПб.: Наука, 2006,- 360 с.
3. Боровков, А.И. Конечно-элементное моделирование и исследование двухопорного ударного изгиба стального образца с целью определения ударной вязкости [Текст] / А.И. Боровков, A.C. Немов, Н.Г. Колбасников, AM. Золотов //Научно-технические ведомости СПбГПУ,- 2007. № 3,- С. 53-58.
4. Сорокин, В.Г. Марочник сталей и сплавов [Текст] / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, С.А. Вят-
кин [и др.] / Под общ. редакцией В.Г. Сорокина,— М.: Машиностроение, 1989,— 640 с.
5. Матросов, Ю.И. Сталь для магистральнвх трубопроводов [Текст] / Ю.И. Матросов, Д.А. Литви-ненко, С.А. Голованенко,— М.: Металлургия, 1989,- 288 с.
6. Гольдштейн, М.И. Специальные стали |Текст] / М.И. Гольдштейн, C.B. Грачев, Ю.Г. Век-слер,- М.: МИСИС, 1999. 408 с.
7. Хайстеркамп, Ф. Ниобийсодержащие низколегированные стали [Текст] / Ф. Хайстеркамп, К. Хулка, Ю.И. Матросов, Л.И. Эфрон [и др.].— М.: «СП Интермет Инжиниринг», 1999,— 94 с.
8. Структура металлов [Текст]: Пер с англ. в двух частях. 4.2 / Ч.С. Баррет, Т.Б. Масальский,— М.: Металлургия, 1984,— 344 с.
УДК625.12:539.4
С.О. Барышников, A.B. Березина, В.Б. Чистов ОБ ОПТИМАЛЬНОМ СРОКЕ СЛУЖБЫ КОРПУСА СУДНА
Срок службы корпуса судна связан со сроком службы всего судна и способами поддержания его технического состояния на заданном уровне. Для крупного судовладельца, обладающего большим количеством судов, назначение срока службы каждого конкретного судна — задача прежде всего экономическая, и решается она с учетом задаваемых способов поддержания технического состояния судна и амортизационных отчислений. Так, в прошлые годы, когда крупнейшим судовладельцем было государство
с плановым хозяйством, амортизационные сроки службы судов устанавливались Правилами ремонта, в которых определялись периодичность и объем ремонта. Для крупных серий судов разрабатывались «Единые ремонтные ведомости» (ЕРВ), включающие не только указания на способы ремонта, но и на объем и стоимость его выполнения. Следует отметить, что определяющей частью для установления амортизационного срока службы судна был его корпус, поддержание технического состояния которого на заданном
уровне заключалось в замене дефектных элементов на новые, соответствующие проектным данным. При таком подходе было доказано, что выгоднее вкладывать материал в новый корпус, увеличивая толщину связей, чем заменять какую-то часть из них из-за износа в течение срока службы судна [1].
На упомянутом принципе основано проектирование толщин связей корпуса судна. При этом срок службы корпуса судна задается заказчиком и учитывается проектировщиком. Процесс проектирования размеров связей включает следующие этапы:
1. Определение размеров связей из условий местной и общей прочности путем прямого расчета по аналитическим зависимостям, учитывающим размеры связей, материал корпуса и нагрузку на связь.
2. Производится корректировка толщин связей по минимальному их значению, требуемому правилами РРР (таблица 2.4.1ПСПВП и 2.1.6 ПССП).
3. Делается расчет срока службы отдельных связей корпуса по 2.2.87 ПСВП, и при необходимости толщины связей увеличиваются, так как «полученные в результате расчета сроки службы отдельных связей не должны быть меньше планируемого срока службы судна, принятого в проекте»:
Г=(/пр-[/])/ср + 5, (1)
где /пр — толщина рассматриваемой связи, принятой в проекте, мм; ср— расчетная скорость изнашивания, определяемая по 2.2.88 ПСВП, мм/год;
ср = (1+1,65у)с , (2)
V — коэффициент вариации скорости изнашивания; с" — рекомендуемая табл. 2.2.88 ПСВП или табл. 2.1.16 ПССП средняя скорость изнашивания, мм/год; [/] — допускаемая остаточная толщина для листов обшивки или настилов по таблице 3.6.5 ПОСЭ.
4. Выполняется проверка общей прочности в конце срока службы по предельным моментам (2.2.94 ПСВП)
\Мпра\>\КнМр\, (3)
где Мпр и — предельный момент при прогибе и перегибе судна, определяемый по формуле
Мпрн=Ю3\¥прна0, (4)
]¥пр и — момент сопротивления поперечного сечения эквивалентного бруса, вычисляемый
с учетом износов и местных остаточных деформаций связей корпуса относительно той связи, в которой напряжения равны опасным, м3; а0 — опасное напряжение для указанной связи, в МПа; назначается в соответствии с 2.2.76; Ки — коэффициент запаса прочности по предельному моменту с учетом износов и местных остаточных деформаций связей корпуса, принимается равным коэффициенту Кгоднпо пункту 3.3 приложения 1 ПОСЭ; Мр — расчетный изгибающий момент при прогибе и при перегибе, кНм.
При определении момента сопротивления 1¥пр и гибкие связи корпуса редуцируются в предположении, что в одной из них нормальные напряжения общего изгиба равны по абсолютной величине опасным, а износы и деформации определяются при возрасте судна, равном планируемому сроку службы, уменьшенному на 5 лет, т. е. остаточная толщина связи для расчета принимается согласно формуле
/ост = ср(Г-5) + [/], (5)
где ср — расчетная толщина связи, определяемая как
ср=(1+н)С. (6)
Таким образом, согласно Правилам РРР необходимо проектировать корпус судна так, чтобы до конца планируемого срока службы он не требовал ремонта для восстановления общей прочности и прочности каждого элемента из-за износа. Выполнение требований Правил РРР для корпусов с большим планируемым сроком службы и значительными скоростями изнашивания отдельных связей приведет к значительному увеличению толщин ряда элементов, повышению массы корпуса и, следовательно, его стоимости.
Оптимальным сроком службы корпуса будет, по-видимому, тот, который при наименьших затратах на его создание и содержание за весь срок службы сохранит его общую и местную прочность. Всегда можно спроектировать корпус судна таким образом, что толщины основных групп связей будут на уровне минимальных, требуемых Правилами РРР. Этого можно достичь, варьируя шпацию, пролет балок, увеличивая толщины на отдельных участках и другими мероприятиями. При этом определение оптимального срока службы корпуса будет связано с обеспечением минимальных затрат металла на создание и ремонт корпуса. В табл. 1—4 показаны результаты расчета сроков службы элементов
Таблица 1
Срок службы отдельных связей корпуса сухогруза класса М (I = 130 м)
Наименование связи /,1Р, мм (табл. 2.4.1) Ы , мм (табл. 3,6,5) с, мм/год (по.2.2. 88) V (по.2.2. 88-2) с, мм (по.2.2. 88-1) Т, год [/'<кт] , мм (по.3.6.3) Т, год
Наружная обшивка, ограничивающая балластные и топливные цистерны: днище 8,8 7,8 4,9 4,4 0,08 0,425 0,136 33,7 30,0 7,0 6,2 27,5 25,0
борт 8,8 7,8 5,3 4,7 0,06 0,446 0,104 38.7 34.8 6,6 5,9 41,5 36,7
Настил палубы: палубный стрингер 9,8 8,7 5,9 5,3 0,04 0,468 0,071 60 52,9 7,9 7,0 53 47,5
пастил второго дна 10,4 9,3 5,9 5,2 0,12 0,383 0,196 28 25,9 7,3 6,5 31 28,3
Обшивка второго борта: верхний и средний поясья 6,9 6,1 4,9 4,4 0,07 0,436 0,120 21,7 19,1 4,5 4,0 39,3 35,0
нижний пояс 7,9 7,0 4,9 4,4 0,12 0,383 0,196 20,3 18,3 5,1 4,5 30,0 25,8
'Примечанием табл. 1 —4 значения под чертой соответствуют выполнению связи из стали повышенной прочности (Яен = 295 МПа)
Таблица 2
Срок службы отдельных связей корпуса танкера класса М (Ь = 130 м)
Наименование связи /,1Р, мм (табл. 2.4.1) [¿«л] > ММ (табл. 3,6,5) с, мм/год (по.2.2. 88) V (по.2.2. 88-2) с, мм (по.2.2. 88-1) Т, год [['<кт] , мм (по.3.6.3) Т, год
Наружная обшивка, ограничивающая балластные и топливные цистерны: днище 8,8 7,8 4,9 4,4 0,10 0,404 0,167 28,4 25,4 7,2 6,2 21 и
борт — 5,3 4,7 0,06 0,446 0,104 38.7 34.8 6,6 5,9 41,5 36,7
Настил палубы 9,2 8,2 5,3 4,7 0,18 0,319 0,274 19,2 17,8 7,4 6,6 15 13,9
Палубный стрингер 9,8 8,7 5,9 5,2 0,04 0,468 0,071 60 54,3 79 7,0 53 48,5
Настил второго дна в грузовых тапках 7,9 7,0 5,5 4,9 0,10 0,404 0,167 19,4 17,6 5,6 4,9 28 26
Окончание табл. 2
Наименование связи / , мм пр> (табл. 2.4.1) [4л] >мм (табл. 3,6,5) с, мм/год (по.2.2. 88) V (по.2.2. 88-2) с , мм (по.2.2. 88-1) Т, год [?'М1], мм (по.3.6.3) Т, год
Обшивка внутрен-
них бортов:
верхние листы 7,9 4,4 0,10 0,404 0,167 25,1 5,1 33
7,0 3,9 - - - 23,6 4,6 29
средние листы 7,3 4,4 0,10 0,404 0,167 22,4 4,8 30
6,5 3,9 - - - 20,6 4,2 28
нижние листы 7,9 5,4 0,10 0,404 0,167 20,0 5,1 33
7,0 4,8 - - - 18,2 4,6 29
Обшивка продольных переборок: верхний пояс средний пояс нижний пояс 5,0 4,4 5,0 4,4 5,0 4,4 3,5 3,1 3,5 3,1 3,5 3,1 0,18 0,12 0,16 0,319 0,383 0,340 0,274 0,196 11,0 10,2 10.5 9,8 12,7 11.6 3,8 3,3 3,8 3,3 3,8 3,3 3,8 3,3 11,7 11,1 15,0 14,2 12,5 11,9
Таблица 3
Срок службы отдельных связей корпуса сухогруза класса М-СП (Ь = 130 м)
Наименование связи мм Ы , мм с, мм/год V с, мм/год Т, год Ь'<кт], мм Т, год
Наружная обшивка,
ограничивающая балла-
стные и топливные цис-
терны:
днище 9,2 5,4 0,12 0,383 0,196 24,4 7,4 20
8,2 4,8 - - 22,3 6,6 18,3
борт 9,2 5,4 0,13 0,372 0,210 23,1 6,9 22,7
8,2 4,8 - - - 25,4 6,2 20,4
Настил палубы
(палубный стрингер) 10,8 6,5 0,07 0,436 0,120 40,8 8,6 36,4
9,6 5,8 - - - 36,7 7,7 32,1
Настил второго дна 12,0 6,5 0,17 0,330 0,262 26,0 8,4 26,2
10,7 5,8 - - - 23,3 7,5 23,8
Обшивка второго
борта:
верхний и средний 6,9 4,5 0,12 0,383 0,196 17,2 4,5 25,0
поясья 6,1 4,0 - - - 15,7 4,0 22,5
нижний пояс 10,0 5,0 0,17 0,330 0,262 24,1 6,5 25,6
8,9 4,5 - - - 21,8 5,8 23,2
Таблица 4
Срок службы отдельных связей корпуса танкера класса М-СП (Ь = 130 м)
Наименование связи /,1Р, мм [J , мм по.3.6.5 с, мм/год по.2 V ср> мм/год Т, год [Vi] > мм Т, год
Наружная обшивка, огра11 ичивающая балластные и топливные цистерны: днище (кроме скулы) 9,2 8,2 5,3 4,7 0,12 0,383 0,196 24,9 22,9 7,4 6,6 20 18
борт(кроме ширстрека) 9,2 8,2 5,3 4,7 0,13 0,372 0,210 23.6 21.7 6,9 6,2 22 20,4
Настил палубы: над грузовым трюмом 9,8 8,7 5,4 4,8 0,21 0,287 0,309 19,2 17,6 7,8 7,0 14,5 13,1
Палубный стрингер 10,8 9,6 5,4 4,8 0,07 0,436 0,120 50 45 8,6 7,7
Настил второго дна в грузовых трюмах: 8,2 7,3 5,4 4,8 0,10 0,404 0,167 22,0 20,0 5,8 5,1 29 2,7
Обшивка внутренних бортов: верхний пояс 8,9 7,9 4,5 4,0 0,14 0,362 0,224 24,2 22,4 5,8 5,1 27,0 25,0
средний пояс 7,4 6,6 4,5 4,0 0,14 0,362 0,224 18,0 16,6 4,8 4,3 23,6 21,4
нижний пояс 8.4 7.5 5,4 4,8 0,14 0,362 0,224 18,4 17,0 5,5 4,9 25,7 23,6
Обшивка продольных переборок: верхний пояс 8,9 7,9 4,0 3,6 0,22 0,277 0,321 20.3 18.4 6,7 5,9 15.0 14.1
средний пояс 5,0 4,4 4,0 3,6 0,16 0,340 0,25 9,0 8,0 3,8 3,3 12,5 11,9
нижний пояс 6,9 6,1 4,0 3,6 0,21 0,287 0,309 14,4 13,1 5,2 4,6 13,1 12,1
и групп связей корпусов судов (сухогруз класса М, Ь — 130 м; танкер класса М, Ь — 130 м; сухогруз класса М-СП, Ь = 130 м) по формулам (1) и (2). Из таблиц видно, что сроки службы отдельных элементов корпуса могут колебаться в следующих диапазонах:
сухогруз Ь 130 кл. М 18,3—60 лет танкер Ь 130 кл. М 9,8—60 лет
сухогруз L 130 кл. М-СП 15,7-40,8 лет танкер L 130 кл. М-СП 8,0-50 лет Срок службы основных групп связей варьируется в более узких пределах:
сухогруз L 130 кл. М25, 8—53 лет танкер L 130 кл. Mil, 1—53 лет сухогруз L 130 кл. М-СП 20-36,4 лет танкер L 130 кл. М-СП 11,9-36 лет
Для оптимизации срока службы корпуса следует добиться, чтобы все группы связей к концу планируемого срока выходили из строя одновременно. Чтобы обеспечить это условие толщины отдельных групп связей следует увеличить по сравнению с минимальными. Увеличение толщин элемента группы связей в зависимости от планируемого срока службы 7можно определить по формуле, учитывающей предлагаемое ПСВП выражение (5):
Д=(1-у)с(Г-5)-Лпр, (7)
где к*1пр — допускаемый износ группы связей; к = (1 — к)\ к — коэффициент перед нормой средней остаточной толщины связей в таблице 3.6.3 ПОСЭ; /пр — минимальная толщина элемента в группе связей, требуемая ПСВП или ПССП, мм; Т — планируемый срок службы корпуса судна, лет.
о)
Л<7(7)
юо-
908070-
6)
Используя зависимость (7), можно рассчитать увеличение массы стального корпуса при обеспечении допускаемой средней остаточной толщины группы связей в течение всего планируемого срока службы судна из данной группы Д
ДС,= 10"7Д*лл,й/у (8)
где п — количество элементов (листы) в поперечном сечении группы связей с минимальной проектной толщиной; я, — количество сечений (участки корпуса, равные длине листа) в группе связей; Ь— средняя ширина листа, см; /— длина листа
о
в группе связей, см; у — 7,8 г/см плотность стали.
На графиках (рис. 1 и 2) показаны результаты расчета увеличения массы корпуса при обеспечении его надежности без ремонта палубы и днища танкеров длиной 130 м классов М и М-СП.
83,2-—
70,4--
2л
45 Т, ГОД
45 Т, ГОД
Рис. 1. Дополнительный расход материала (танкер класса М): а — палуба; б— днище
о)
Л
138,9__2л_
Замена листов,
96-
2л
Ьен= 235 МПа 91,2_0_0_ п Зл 83,2_2л_
70,4_2л_ о£®оу74,1
т Ер„=295 МПа
57,6\аЗЛ-
,3д0_51,3 3л
6д ЗЯ4 34,2—о-о-6л
Увеличение при постройке
Рис. 2. Дополнительный расход материала (танкер класса М-СП): а — палуба; б — днища
При выполнении расчетов было принято: проектная толщина — /пр, мм; скорость изнашивания — с, мм/год; коэффициент вариации V — по табл. 1—4; количество поясов в сечении с минимальной проектной толщиной — /7=10 (для палубы) и я = 11 для днища; количество сечений я, = 11, средняя ширина пояса 6= 135 см; средняя длина листа /= 600 см.
Если не увеличивать строительные толщины пропорционально проектируемому сроку службы, а выполнять замену листов для поддержания средней остаточной толщины на заданном уровне, то количество заменяемых листов в каждом сечении рассматриваемой группы связей во время каждого ремонта при заданном сроке службы корпуса можно определить по формуле
т. =-
А
с\Тл + \к-
М5)'
(9)
к-1
+ 5с^т1 (к-1)-к*(прп
где тк — количество листов, заменяемых на к-м ремонте; первым считается ремонт, при котором появляются заменяемые листы; Г1 — год выполнения первого ремонта, при котором появляются заменяемые листы; т, — количество листов, заменяемых на /-м ремонте.
Массу материала, израсходованную на замену листов в группе связей при каждом ремонте, можно определить по формуле
Т-Г-Г
т
А С/=10 г пхы^тк.
(10)
С использованием формул (9) и (10) выполнены расчеты массы заменяемых листов в палубе и днище танкеров класса М и М-СП; результаты показаны на графиках рис. 1 и 2. Графики подтверждают очевидный вывод, что выгодней вкладывать металл при постройке, чем заменять годные листы на новые, чтобы довести среднюю остаточную толщину группы связей в сечении до заданного уровня при каждом ремонте. Анализ результатов расчетов показывает, что при больших скоростях изнашивания, как на палубе танкера класса М-СП, при таком методе ремонта за 40 лет эксплуатации настил палубы придется заменить дважды. Можно отметить также, что применение сталей повышенной прочности несколько уменьшит массу заменяемых листов при ремонте, поскольку каждый из заменяемых листов будет иметь меньшую массу, но количество заменяемых листов за весь срок службы может даже увеличиться. На графиках отмечено количество заменяемых листов при каждом ремонте. На рис. 2 для танкера класса М-СП показано, как изменится расход металла при замене на сталь повышенной прочности (Лсн = 295 МПа). При анализе таблиц 1-4, сравнивая срок службы отдельного элемента (7) и группы связей (71), можно отметить, что для восстановления общей прочности придется заменять годные элементы (листы) для поддержания на заданном уровне средней толщины группы связей, а это свидетельствует, что существующая практика замены листов для восстановления общей прочности малоэффективна и от нее следует отказаться. Рассматривая ремонт корпуса как восстановление его общей и местной прочности до заданного уровня, можно практически отказаться от замены годных листов для восстановления его общей прочности, обеспечив достижение поставленной цели подкреплением корпуса.
Один из существующих способов подкрепления, используемых для восстановления общей прочности корпуса судна с износами, — подкрепление накладываемыми полосами, которые устанавливают под продольным набором с наружной стороны обшивки днища или настила палубы (рис. 3), перекрывая одно или несколько
Рис. 3. Схема восстановления общей прочности корпуса накладной полосой
конструктивных сечений либо всю среднюю часть корпуса судна. Размеры поперечного сечения накладных полос, определенные из условия сохранения устойчивости полос даже при сжимающих напряжениях, которые превышают предел текучести материала, установлены в [2] и равны следующим:
ширина полосы Ьп = 0,5а = 250—300 мм; толщина полосы/п= 10—12 мм. Длина каждой полосы в этом случае должна определяться по формуле
/п = /л + 2а, + 2/',
где /л — длина листа (длина сечения), м; ах — рамная шпация, расстояние между поперечными балками палубы или днища, м;/' = 0,5м-часть полосы за первой и последней поперечными балками по длине полосы.
Целесообразнее устанавливать единые полосы, перекрывающие всю среднюю часть.
Зависимости от планируемого срока службы расхода материала и количества полос подкрепления сечением 12x300 мм при каждом ремонте показаны на рис. 1 и 2. Из рисунков видно, что дополнительный расход материала на стадии постройки корпуса для обеспечения его общей прочности до конца планируемого срока службы такой же, как при подкреплении корпуса полосами, компенсирующими износ крайней свя-
зи при ремонте. Не останавливаясь подробно на технологии установки полос, можно отметить лишь, что затраты труда и времени на установку полос невелики, так как эта работа производится в свободном, легко доступном месте и установка не требует выполнения каких-либо сопутствующих работ. Поэтому можно считать, что затраты на ремонт корпуса установкой накладных полос сопоставим с потерями, связанными с уменьшением грузоподъемности судна из-за дополнительного расхода металла на стадии постройки. Таким образом при использовании метода восстановления общей прочности корпуса накладными полосами можно при проектировании судна не стремиться к обеспечению общей предельной прочности до конца планируемого срока службы и назначить толщины листов крайних связей на уровне минимальных, требуемых ПСВП или ПССП. Последнее утверждение не касается случаев, когда крайняя связь имеет большую скорость изнашивания, а планируемый срок службы велик (как это имеет место на палубе танкеров). Чтобы исключить длительную эксплуатацию судов с высоким уровнем напряжений в крайних связях, следует сокращать планируемый срок их службы, предусматривать возможность подкрепления судна не более чем 2—4 полосами.
Определяющим показателем для установления оптимального срока службы корпуса будет объем элементов за весь срок службы. Правила РРР предусматривают проектирование элементов корпуса судна таким образом, что допускается появление не более 5 % элементов корпуса, требующих ремонта за 5 лет до планируемого срока. Уже отмечалось, что при проектировании элемента группы связей, мы можем получить его толщину на уровне минимальной, требуемой Правилами, и тогда срок службы такого элемента может быть рассчитан по формуле (1). Результаты расчета времени выхода из строя первого элемента в группе связей показаны в табл. 1—4. Можно рассчитать количество элементов из группы связей, которые выходят из строя к заданному сроку службы, т. е. ко времени выполнения того или иного ремонта, по параметру X:
V ^пр _ |/ост ] _
Х =-Т-' (11)
Vе
где X— параметр; [?ост] — допускаемая остаточная толщина элемента (лист) группы связей по
таблице 3.6.5 ПОСЭ; Тр — год выполнения ремонта.
Из табл. 1—4 видно, что в ряде групп связей остаточная толщина отдельных элементов окажется меньше допускаемого значения уже после 8 лет эксплуатации. Поэтому проектную толщину элементов в такой группе связей следует определять по формуле
V=Cpin + c(l + l>65v)(r-5)> (12)
где Т— планируемый срок службы судна.
При толщине связей, полученной по формуле (12), на последнем ремонте, выполняемом за 5 лет до конца планируемого срока, будут требовать замены не более 5 % листов из всей группы связей.
Лист, изношенный до толщины, меньше допускаемой, целесообразно подкрепить накладными полосами, как показано на рис. 2. Накладные полосы должны устанавливаться над всеми продольными балками в пределах ремонтируемого листа. Толщина накладной полосы /пол = = 3—5 мм, ширина 6пол = 140—180 мм (большая ширина — при расстоянии между балками более 0,5 м). Полосы привариваются к ремонтируемому листу нахлесточным сварным швом с катетом, равным толщине накладной полосы.
Подкрепленный лист с толщиной /ост при действии распределенной нагрузки будет эквивалентен по прочности листу толщиной / , которую можно определить как меньшую из величин
{р =tOCТ ' ^ И fp=tOCT + ?пол'
где /пол — толщина накладной полосы.
При хорошем доступе со стороны набора полосы подкрепления могут устанавливаться с внутренней стороны. Возможны и другие варианты подкрепления листов обшивки и настилов, например постановкой дополнительных ребер, делящих пластину на части. Аналогично следует поступать и с балками набора.
Использование ремонта подкреплением позволяет полностью исключить на корпусе судна замену элементов конструкции корпуса из-за износа. Из таблиц 1—4 и формулы (12) видно, что планируемый срок службы судна следует ограничить 25 годами, так как в противном случае требуется значительное увеличение строительных толщин элементов конструкции корпуса.
Никаких капитальных ремонтов или реноваций корпуса внутри планируемого срока службы выполнять не следует.
Правилами ремонта можно разрешить судовладельцам выполнить реновацию корпуса, но в этом случае придется заменить большое количество листов, так как допускаемая толщина при реновации согласно Руководству 3.002-2002 «Обновление судов внутреннего и смешанного плавания» равна
[^нНимпЧ1^7;.^-^, (о) где Гу1(у2) — планируемый после проведения обновления срок службы, принимаемый в зависимости от уровня обновления (для у 1 — не менее 15лет,дляу2 — неменее Шлет).
Если требовать от судовладельца обновления на уровень у 1, то параметр X= 1,65 и показывающий, что ремонтировать надо 5 % листов, уменьшится на величину
С(1 + 2У)(15-5)_1 + 2У_ 1 | уС(25-5) _ 2У _2У +
и станет отрицательным, т. е. замены потребуют более половины листов в группе связей. При таком большом объеме замены корпусных конструкций целесообразно выполнять ее индустриальными методами — секциями или блоками. Это позволит получить действительно обновленный корпус судна.
Если такой ремонт окажется экономически невыгодным, то судно должно быть списано.
Корпус судна, спроектированный по Правилам РРР, должен обладать определенным уровнем надежности, так чтобы за время эго эксплуатации в течение заданного при проектировании срока службы коэффициент запаса по предельному моменту изменялся от к — коэффициента запаса, требуемого при постройке (к = 1,35 по 2.2.82 ПСВП) — до Кп = Кгош в конце срока службы. Здесь Кп — коэффициент запаса прочности по предельному моменту с учетом износов и местных остаточных деформаций корпуса (см. п. 2.2.94 и 2.2.-95 ПСВП); Агодн — нормальное значение коэффициента запаса прочности для годного технического состояния (определяется по таблице 3.3 Приложения 1 ПОСЭ). Следует отметить, что коэффициент Кгти, как и все нормативы дефектов в ПОСЭ, проверяется последний раз за 5 лет до конца планируемого срока службы судна. Таким образом, для обеспечения заданного уровня надежности корпус судна с ми-
1—1 1 ^ 1 1 1
1-- -у ¡п 4 1 Г? к-- - •Си /
в 1 1
—Еэ + ®пи 6— 1
г 1 ' \ 1
ел _
Рис. 4. Схема восстановления прочности листа подкреплением накладными полосами
нимальным коэффициентом запаса прочности по предельному моменту должен эксплуатироваться не более 5 лет. Это же относится и к другим дефектам корпуса, в том числе к нормативам остаточных толщин (3.6.3 и 3.6.5 ПОСЭ).
Зависимость изменения коэффициента запаса по предельному моменту внешне будет похожа на зависимость изменения средней остаточной толщины элементов лимитирующей крайней связи. В качестве примера рассматриваются возможные варианты изменения средней остаточной толщины палубы танкера класса М длиной Ь = 130 м в процессе эксплуатации и ремонта, представленные на рис. 5: линия 7 показывает изменение средней остаточной толщины листов настила палубы танкера от минимальной, требуемой при постройке (табл. 2.4.1 ПСВП), до минимальной в процессе эксплуатации за 5 лет до конца планируемого срока службы судна (табл. 3.6.5 ПОСЭ); в нашем примере принят планируемый срок службы судна 45 лет. В этом случае можно создать конструкцию корпуса такой, что в начале срока службы коэффициент запаса по предельному моменту будет равным 1,35, а после 40 лет эксплуатации — 1,15. Уровень надежности такого судна в первом приближении будет пропорционален площади, ограни-
Рис. 5. Изменение средней остаточной толщины в процессе эксплуатации и ремонта
ченной линией 7 и уровнем допустимой средней остаточной толщиной (на графике — пунктирная линия). Изменение остаточной толщины по зависимости 1 не учитывает скорость изнашивания крайней связи. Если учесть большую скорость изнашивания палубы, то для исключения ремонта из-за износа требуется увеличить построечные толщины листов палубы до толщин, определяемых по формуле
йр=[£ст] + с(Г-5) = 6,6 + 0,18(45-5) = 13,8мм.
На рисунке изменение остаточных толщин соответствует зависимости 2. При таком варианте обеспечения общей прочности до конца планируемого срока коэффициент запаса по предельному моменту при постройке значительно превосходил бы требуемый Правилами. Надежность такого судна была бы излишне велика: только в палубу было бы вложено дополнительно около 40 т материала, но при этом не требовалось бы выполнять ремонт настила из-за износа.
Можно восстанавливать общую прочность корпуса до заданного уровня, выполняя замену листов или устанавливая накладные полосы, так чтобы средняя остаточная толщина после каждого ремонта была больше или равна допускаемой 6,6 мм. Изменения средней остаточной толщины в этом случае показывает кривая 3. Если общая прочность восстанавливается путем замены годных листов, то для обеспечения общей прочности в течение всего планируемого срока службы пришлось бы дважды заменить настил палубы. Рас-
ход материала можно существенно сократить, если использовать ремонт подкреплением, в частности накладными полосами. Количество затраченного на ремонт металла показано на рис. 1. Но главное состоит в том, что при таком подходе к организации ремонта надежность корпуса за весь срок его службы будет значительно меньше требуемой Правилами, так как судно три четверти планируемого срока службы будет эксплуатироваться с минимальным коэффициентом запаса прочности по предельному моменту, не превышающим Кгти. Такое — недопустимо.
Оптимальные толщины настила палубы могут быть получены, если увеличить построечные толщины по сравнению с минимальными, требуемыми Правилами, и одновременно сократить срок службы, при котором корпус судна будет эксплуатироваться без ремонта для восстановления общей прочности. Таким сроком службы следует принять 25 лет, так как в этом случае даже при самой большой средней скорости изнашивания группы связей увеличением проектной толщины с 8,2 мм до 9,5 мм обеспечивается возможность не ремонтировать корпус из-за износа в течение 20 лет эксплуатации. После 20 лет эксплуатации можно подкрепить палубу, поставив 4 полосы, а после 25 лет выполнить реновацию на уровень у1, заменив палубу секциями, и эксплуатировать корпус до 40 лет, после чего для восстановления общей прочности поставить 3—4 полосы и эксплуатировать до конца планируемого срока службы. Необходимую при этом увеличенную толщину палубы при постройке можно определить по формуле
/¿р =4,7 + 0,18(1 + 0,319)(25-5) = 9,5мм, (14)
где [/осг]тт _ допускаемая остаточная толщина по таблице 3.6.5 ПОСЭ, мм; Т{ = 25 — срок службы до обновления.
Толщину палубы при обновлении можно определить по формуле, рекомендованной «Руководством Р.002-2002: обновление судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания»:
'обн= ['осг]™„ +с(1 + 2У)(Гу1-5), (15)
гдеТУ| = 15 — планируемый после обновления срок службы.
После подстановки значений получим 'обн = 4<7 + 0,18(1 + 2 • 0,319)(15 - 5) = 7,7 мм.
Так как при обновлении придется менять настил палубы секциями, то толщину при обновлении удобнее принять равной минимальной при проектировании, рекомендованной 2.4.1 ПСВП.
Из графиков на рис. 5 видно, что при такой ремонтной схеме надежность корпуса за весь срок службы судна будет на требуемом уровне.
Следует отметить, что проведение реновации в более ранние сроки, чем 25 лет, хоть и дает возможность снизить увеличение толщины при постройке, потребует таких же затрат металла при замене палубы, но в более ранние сроки, а уровень надежности за весь срок службы уменьшится.
Если скорость изнашивания в лимитирующей крайней группе связей больше, чем получается из зависимости
" Г-10 ' где /т;п — минимальная толщина при постройке по таблице ПСВП; [?ост] — допускаемая толщина по таблице 3.6.3; Т— планируемый срок службы корпуса, то после 25 лет эксплуатации следует выполнить обновление корпуса судна, доведя
СПИСОК }
1. Свечников, О.И. Снижение металлоемкости корпусов судов внутреннего плавания [Текст] / О.И. Свечников,— М.: Транспорт, 1987
средние толщины в группах связей до толщины требуемой при обновлении.
Если неравенство (16) выполняется для любой из других групп связей корпуса, то после 25 лет эксплуатации выполнять ремонт с доведением средней остаточной толщины до требуемой при обновлении необходимо только для группы связей, в которой это условие выполняется.
Такой подход должен быть утвержден в Правилах ремонта.
Приведенные в статье расчеты показывают, что при существующих скоростях изнашивания основных связей корпуса оптимальным следует считать срок службы корпуса судна 25 лет. При этом, возможно, потребуется незначительно увеличить толщины отдельных, наиболее изнашиваемых групп связей, но это незначительное увеличение компенсируется возможностью эксплуатации корпуса судна без замены его элементов из-за износа.
Предлагается возможность продлить срок безопасной эксплуатации корпуса судна после 25 лет, обновляя его на заданный уровень по истечении указанного срока с использованием замены значительной части элементов секциями или блоками.
2. Барышников, С.О. Технология ремонта корпусов судов внутреннего плавания подкреплением накладными полосами [Текст]: автограф, дис. ... канд. техн. наук / С.О. Барышников,— Л. 1984,— 189 с.
УДК 004.896
Е.В. Зубков, Л.А. Галиуллин
ГИБРИДНАЯ НЕЙРОННАЯ СЕТЬ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Расширение производства автомобилей, тракторов и возрастающая роль их в удовлетворении потребностей современного общества обусловили непрерывное совершенствование силовых агрегатов машин — двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Объявленные мощность, экономичность, токсичность и другие оценочные показатели ДВС, а также его надежность и долговечность устанавливают путем испытаний в стендовых и эксплуатационных условиях [1].
