CC BY-NC
18
Б01: 10.24937/2542-2324-2022-1-8-1-35-41 УДК: 629.561.5+629.5.081.32
С.В. Антоненко1, В.М. Дитковская2, К.А. Молоков1, В.В. Новиков1
1ФБГОУ Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия 2АО «Балтийский завод», Санкт-Петербург, Россия
РАЗРАБОТКА ВАРИАНТА ОПОРНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОСТАНОВКИ ЛЕДОКОЛА «АРКТИКА» В СУХОЙ ДОК
В процессе эксплуатации нового атомного ледокола «Арктика» произошел отказ гребного электродвигателя (ГЭД) правого борта. Для выгрузки ГЭД через вырез в борту было необходимо поставить судно в сухой док Кронштадтского морского завода на опорное устройство (ДОУ) увеличенной высоты. В связи с этим возникла необходимость изготовления большого количества дополнительной оснастки. Для минимизации стоимости и длительности подготовки и последующего демонтажа ДОУ было желательно уменьшить площадь ДОУ до разумного минимума. При этом следовало определить материал и конструкцию деревянных подушек центральной и боковых килевых дорожек с учетом, в частности, того обстоятельства, что допускаемые нагрузки на днище дока вне центральной килевой дорожки достоверно неизвестны и потому требовалось ограничить нагрузки на боковые дорожки. В распоряжении авторов имелись предварительные проработки ДОУ и проектные расчеты реакций кильблоков. Были очевидны значительные резервы прочности. В работе выполнены расчеты ДОУ с использованием известного метода пяти моментов, а также метода проектирования ДОУ на заданную кривую опорных реакций с учетом предполагаемой строительной погиби. По результатам этих расчетов были разработаны конкретные рекомендации по конструкции ДОУ, направленные на снижение количества кильблоков при безусловном выполнении требований прочности.
Ключевые слова: доковое опорное устройство, ледокол, сухой док, опорные реакции, рекомендации по проектированию.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Введение
Северный морской путь играет важную роль для России и в перспективе должен стать транспортной артерией, позволяющей не только перевозить грузы для Российского Севера, но и значительно сократить протяженность маршрутов грузоперевозок между странами Юго-Восточной Азии и Северной Европы. Для обеспечения круглогодичной навигации на Балтийском заводе строится серия самых мощных в мире атомных ледоколов проекта 22220. Головной ледокол «Арктика» был сдан в октябре 2020 г. Но в ходе швартовных испытаний в декабре 2019 г. вышла из строя одна обмотка гребного электродвигателя (ГЭД) правого борта. Судно было принято в эксплуатацию с одним из двигателей, имеющим ограничение по мощности 50% и ограничением суммарной мощности энергетической установки. Условием приемки судна были обязательства АО «Балтийский завод» о последующей замене аварийного ГЭД.
Для выполнения этой работы требовалось поставить ледокол в сухой док им. Велещинского Кронштадтского морского завода и выгрузить неисправный ГЭД через вырез в борту. Ввиду большой ширины судна и значительных габаритов ГЭД требовалась высота килевой дорожки 26002800 мм, чтобы ширина дока, учитывая наличие уступов его боковых стен, была достаточной для безаварийного выполнения работы. При разработке проекта докования выяснилось, что имеющейся в доке оснастки (оснований кильблоков и клеток) недостаточно. Необходимо изготовить большое количество новых оснований, что требует значительных затрат. Дополнительная сложность заключалась в том, что док является памятником архитектуры, документация, позволяющая судить о допускаемых нагрузках на днище дока вне центральной килевой дорожки, отсутствует, поэтому было необходимо принять меры, исключающие опасность перегрузки боковых дорожек, которая
Для цитирования: Антоненко С.В., Дитковская В.М., Молоков К.А., Новиков В.В. Разработка варианта опорного устройства для постановки ледокола «Арктика» в сухой док. Труды Крыловского государственного научного центра. 2022; Специальный выпуск 1: 35-41.
могла бы привести к повреждению дока. В связи со значительной длиной свесов обеих оконечностей нужно было также обеспечить прочность концевых участков килевой дорожки.
В разработке проекта докования принимали участие представители Балтийского завода, Кронштадтского морского завода, ЦКБ «Айсберг» и Крыловского государственного научного центра. К разработке альтернативного варианта и рекомендаций по постановке ледокола в док в январе 2021 г. были привлечены работники Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), имеющие опыт докования крупных кораблей с большими свесами оконечностей. Для работы им была передана необходимая проектная документация.
Анализ проектного ДОУ
Проектантом судна был разработан доковый чертеж, в соответствии с нормативным документом [1] предназначенный для условного сухого дока. Он предусматривал постановку ледокола на три дорожки, центральную и боковые, имеющие дубовые подушки с сосновыми прокладками толщиной 50 мм с увеличением в корме до 15 мм, а в носу до 20 мм на участках длиной примерно 10-15 м. Ширина кильблоков (их размер вдоль судна) была равна практической шпации и составляла 800 мм, шаг 1600 мм формально обеспечивал требование полной очистки и окраски днища за два докования. ДОУ располагалось между 34 и 174 шпангоутами ледокола. Центральная килевая дорожка имела разрыв в районе 77-99 шпангоутов, где прочность днищевого перекрытия снижена для предотвращения повреждений внутренних конструкций при посадке судна на мель. При расчете судно рассматривалось как непризматическая балка, лежащая на
О)
50 100 150
независимых точечных податливых опорах; каждая опора включала в оконечностях один кильблок, в средней части - два или три, в зависимости от наличия в сечении центрального кильблока. Учитывались деформации сдвига балки и отклонения от закона Гука у сосновых прокладок при деформациях, превышающих 4 % [1].
Полученные проектантом эпюры давлений на кильблоки (а) в МПа и просадок деревянных подушек (б) в мм приведены на рис. 1. По оси абсцисс отложены расстояния от носового перпендикуляра в метрах.
Допускаемые давления на дубовые кильблоки составляют 3,2 МПа, расчетные значения не превышают этой величины. Общая прочность корпуса не вызывает сомнений и далее не обсуждается. Обратим внимание на то, что, согласно п. 2.9.2 [1], допуск на высоту кильблоков составляет ±10 мм, тогда как на протяжении 22 м в средней части просадки не превышают 1 мм, а на протяжении 51 м -2 мм при общей длине килевой дорожки 112 м. Нетрудно понять, что неизбежные отклонения кильблоков от горизонта, а в еще большей степени -неучтенная погибь килевой линии судна приведут к неопределенному, причем существенному изменению опорных реакций.
При проектном доковом водоизмещении 25600 т опорная площадь превышает 300 м2, тогда как требуемая руководящим документом - 112 м2, что свидетельствует о значительных резервах прочности.
Отметим, что увеличение толщины сосновой прокладки на концах килевой дорожки не предполагало соответствующего уменьшения высоты дубовой подушки. Следовательно, оно должно было компенсироваться уменьшением высоты металлических оснований. Трудно представить, что эта мера была бы осуществлена на практике.
0 50 100 150
-5 -10 -15 -20 -25
Рис. 1. Давления на кильблоки (а) и их просадки (б) в условном сухом доке
На основе этого чертежа было разработано два варианта ДОУ для сухого дока им. Велещинского, один из которых предполагал изготовление металлических кильблоков (оснований), а другой - более дешевых бетонных. Был принят для реализации первый вариант. Длина ДОУ была увеличена, теперь оно располагалось на 29,5-179 шпангоутах, с установкой в корме специального ложемента. В отличие от проектного чертежа, при сохранении практически неизменной опорной площади значительная часть кильблоков имела сосновые подушки.
В окончательном варианте (апрель - май 2021 г.) кильблоки устанавливались от 30,5 до 176 шп. Стремление уменьшить длину свешивающихся оконечностей ограничивалось известными затруднениями эффективного нагружения кильблоков при малой ширине киля. Дубовые подушки предусматривались только в оконечностях и на ограниченных участках в средней части. Кильблоки боковых дорожек набирались из сосны.
В названных документах не ставилась задача поиска решений, направленных на удешевление ДОУ, хотя важность ее не оспаривалась сторонами -участниками работ. Известно, по крайней мере, три способа регулирования и ограничения реакций доковых опор: использование сминающихся прокладок, килевых дорожек (ДОУ) переменной жесткости и профилирование ДОУ [2, 3]. В данном случае был принят второй вариант, хотя имеется успешный опыт комбинации разных способов (см., например, [4, 5]).
Исходные положения
Представленные в статье разработки ДВФУ выполнялись фактически параллельно с подготовкой проекта докования в Санкт-Петербурге. Результаты расчетов и предложения по мере готовности передавались в Балтийский завод. Обратная связь с другими организациями, занимающимися подготовкой проекта докования, отсутствовала. Фактически работа выполнялась в порядке личной инициативы ее участников.
Расчетная оценка распределения опорных реакций при постановке судна в док, какими бы точными методами она не выполнялась, может дать сколь угодно большие погрешности, если не опирается на достоверные исходные данные. Этот тезис давно известен. Наиболее важными являются сведения о строительной погиби судна и механических характеристиках деревянных подушек (жесткости, в меньшей степени - прочности). Испытания подушек из древесины, которая должна была использо-
ваться в доке, не проводились. Поэтому нами были приняты величины модулей упругости дуба и сосны не 20000 и 6000 т/м2, как в руководящем документе [1] и в проектных расчетах, а 6000 и 1500 т/м2, что лучше соответствует нашим экспериментальным данным [6].
Для определения строительной погиби килевой линии ледокола использовались результаты замеров осадок на момент проведения опыта кренова-ния: осадка на носовом перпендикуляре 8,69 м, на миделе - 9,02 м, на кормовом перпендикуляре 9,20 м, стрелка общего прогиба на плаву 71 мм.
Рекомендации по выбору материала деревянных подушек исходили из того, что избыточная прочность доковых опор может приводить к неконтролируемым перегрузкам, которые в данном случае могут вызвать повреждение днища дока. Также принималось во внимание то, что дуб - материал более дефицитный и дорогой, чем сосна. Требуемая [1] площадь опорной поверхности сосновых подушек кильблоков при условии, что боковые кильблоки воспринимают доковый вес судна наряду с центральными, составляет примерно 225-230 м2, т. е. меньше, чем по чертежу с дубовыми подушками кильблоков.
Известно, что при достаточно большой жесткости корпуса судна свешивающиеся оконечности любой длины не вызывают существенных перегрузок концевых кильблоков. Корпус ледокола, несомненно, обладает значительной жесткостью при продольном изгибе, но ввиду большой длины параметр и = Еи,
характеризующий соотношение жесткостей судна (Е1) и упругого основания (к), составляет примерно 2,8, намного превышая 1,5, когда изгибом судна без большой ошибки можно пренебречь. Это наглядно видно на рис. 1, б; правда, там приняты завышенные, на наш взгляд, модули упругости деревянных подушек и дополнительно учтена работа мягкой прокладки в пластической стадии.
Разработка рекомендаций
Работа проводилась в несколько этапов. Были выполнены расчеты реакций для нескольких вариантов ДОУ методом пяти моментов с учетом сдвига, при этом длина судна между перпендикулярами делилась на 40 равных частей, чтобы количество приведенных опор в пределах килевой дорожки не было слишком мало. В районах свешивающихся оконечностей устанавливались фиктивные опоры малой жесткости; нелинейность деформации сос-
новых прокладок не учитывалась. Рассматривались варианты судна без строительной погиби и со строительным прогибом, стрелка которого составляла 100 мм на длине между перпендикулярами. Кроме того, прорабатывались варианты с уменьшением количества опор и с увеличением длины свесов (чтобы по возможности избежать установки кильблоков в местах, где горизонтальный киль наиболее узкий).
При разработке рекомендаций исходили из следующих положений:
1. Постановка такого тяжелого судна на высокую килевую дорожку - уникальная операция для дока и завода в целом. Изготовленная для этой постановки оснастка в таком количестве, скорее всего, больше никогда не понадобится. Но после выхода судна из дока потребуется площадка значительных размеров для ее хранения (или разделка на металлолом). Поэтому количество вновь изготавливаемых металлических оснований должно быть сведено до разумного минимума.
2. Проектные расчеты местной прочности днища ледокола показали, что прочность и устойчивость связей днищевого перекрытия при постановке судна на дубовые кильблоки обеспечиваются. Следовательно, проверка местной прочности не требуется.
3. В условиях недостаточной информации о строительной погиби судна важно, чтобы кильблоки имели достаточную податливость и при этом не были чрезмерно прочными. С этой точки зрения целесообразно полностью отказаться от применения дуба в составе кильблоков, что одновременно снизит стоимость лесоматериалов.
4. Для наиболее полного использования механических свойств древесины среднее давление на кильблоки нужно принять большим, чем предусмотрено в нормативном документе [1] (см. [7]). Учитывая особенности доковой постановки, нет необходимости заботиться о сохранности деревянных подушек, значительная часть которых неизбежно будет списана, независимо от степени их поврежденности. Было предложено принять среднее давление на ДОУ равным 120 т/м2, что, как показывает практика, не представляет серьезной опасности для подушек хвойных пород, имеющих небольшую высоту при сравнительно большой ширине. Влияние геометрии деревянных подушек не принято учитывать в расчетах, однако оно весьма значительно. Следовательно, опорную площадь можно уменьшить с 304 м2 по проектному чертежу до 215 м2.
5. Чтобы полностью исключить возможность повреждений дока в районе боковых дорожек, деревянные подушки боковых кильблоков набирать с промежутками брус через брус (по 200 мм). Расчетная нагрузка на боковую дорожку не может быть меньше, чем требуется для восприятия возможных кренящих моментов по [1].
6. Горизонтальный киль ледокола в оконечностях относительно узкий и не обеспечивает нагруже-ние кильблоков по всей площади. Поэтому заслуживает внимания вопрос о возможности отказа от установки кильблоков на крайних концевых участках, тем более что в случае недооценки строительного прогиба килевой линии они будут недогружены. Но при этом желательно уменьшать количество кильблоков в средней части, максимально сохраняя их в оконечностях.
7. Для более надежной оценки общего строительного прогиба перед вводом судна в док желательно заблаговременно определить его изгиб на плаву и пересчитать на условия постановки в док, используя известные методы.
8. Целесообразно проектировать ДОУ на заданную - равномерную - кривую опорных реакций, для чего определить надлежащее профилирование.
Был предложен конкретный вариант расположения кильблоков центральной и боковых дорожек, в котором площадь деревянных (сосновых) подушек составила 225,6 м2. Протяженность килевой дорожки -от 33,5 до 166 шпангоута, т.е. заметно (примерно на 10 м) короче, чем во всех проектных вариантах.
Исходя из осадок и нагрузки судна на момент кренования, была рассчитана упругая линия корпуса под действием сил веса и сил поддержания, которая показана на рис. 2.
20 40 60 80 100 120 140 160
Рис. 2. Упругая линия корпуса на момент кренования:
1 - от изгиба; 2 - от сдвига; 3 - суммарная
Рис. 3. Профилирование ДОУ и распределение давлений на кильблоки
Как указано выше, измеренная стрелка прогиба корпуса при креновании составила 71 мм. Таким образом, судно имеет строительный прогиб, составляющий приблизительно 190 мм на длине между перпендикулярами. Если суммировать ординаты упругой линии (рис. 2) и кривой изгиба судна на тихой воде, которая достоверно неизвестна и была принята параболической, получается кривая строительной погиби.
После этого для рекомендуемого варианта ДОУ было рассчитано желаемое распределение опорных реакций, которое немного отличалось от равномерного за счет некоторого отличия положения центра тяжести (ЦТ) опорной поверхности от ЦТ судна. Расчет изгиба судна под действием сил докового веса и заданных реакций показал, что корпус перегибается практически на те же 120 мм, что и при креновании. На основании этих данных были определены ординаты профилирования килевой дорожки как разность между кривыми строительной погиби и упругой линии, умноженная на 1,1 для учета просадок деревянных подушек, которые составляют примерно 10 % от их высоты -тем самым при большей высоте подушки в оконечностях, но одинаковом давлении просадки будут немного больше. Профиль килевой дорожки, мм (а) и распределение давлений на кильблоки, МПа (б) без учета (кривая 1) и с учетом (кривая 2) строительной погиби показаны на рис. 3. По оси абсцисс отложены расстояния от носового перпендикуляра в метрах. Кривая профилирования условно построена на всю длину судна. Нарушение плавности кривых давления обусловлено не-
одинаковой высотой деревянной подушки кильблоков центральной и боковых дорожек.
Принятие рекомендаций позволило бы значительно уменьшить количество вновь изготавливаемых металлических оснований, избежать использования бруса твердой породы, изготовления специальной опоры (рис. 4, б), предназначенной для единственной доковой постановки, уменьшить нагрузку на боковые дорожки.
Заключение
Проектирование докового опорного устройства в соответствии с требованиями нормативного документа в нестандартных случаях, когда обычные расчеты дают крайне неравномерное распределение реакций доковых опор, приводит к решениям, далеким от оптимальных. Для обеспечения постановки в док ледокола «Арктика» потребовалось изготовление большого количества опорных конструкций (рис. 4, 5), которые, вероятно, в перспективе будут излишними. В работе предложены рекомендации по проектированию ДОУ, предполагающие принятие мер по регулированию и ограничению реакций кильблоков с целью сокращения затрат на подготовку и последующий демонтаж ДОУ. Частично эти рекомендации были учтены.
В августе 2021 г. ледокол был успешно поставлен в док. В течение месяца неисправный агрегат был выгружен и заменен на новый, и уже 12 сентября судно вышло из дока. Некоторые подробности этой операции описаны в [8] и ряде других публикаций.
Рис. 4. Носовая (а) и кормовая (б) опоры (фото В.М. Дитковской)
Рис. 5. Кильблоки центральной (а) и боковой (б) дорожки (фото В.М. Дитковской)
Список использованной литературы
1. РД5.076.011-82. Методические указания. Корпуса кораблей и судов. Методы расчета прочности. Расчет на ЭВМ общей и местной прочности кораблей и судов при постановке в сухой и плавучий доки.
2. Архангородский А.Г., Беленький Л.М., Литвин А.Б. Сминающиеся прокладки в судостроении и судоремонте. Л.: Судостроение, 1966. 132 с.
3. Козляков В.В., Финкель Г.Н., Хархурим И.Я. Проектирование доковых опорных устройств. Л.: Судостроение, 1973. 176 с.
4. Антоненко С.В. Опыт постановки в плавучий док судов с большими свесами оконечностей // Судостроение. 2010. № 3. С. 62-67.
5. Антоненко С.В. Постановка в плавучий док судов с большими свесами оконечностей // Судостроение. 2010. № 5. С. 59-62.
6. Антоненко С.В. Результаты исследований прочности, жесткости и ползучести деревянных подушек кильблоков // Судостроение. 1991. № 1. С. 43-46.
7. Антоненко С.В. О регламентации проектирования и расчета доковых опорных устройств // Судостроение, № 6, 2020. C. 52-55.
8. Как проходила уникальная операция по замене гребного электродвигателя на атомном ледоколе «Арктика»? [Электронный ресурс]. URL: https://pikabu.ru/story/-kak_prokhodila_unikalnaya_operatsiya_po_zamene_grebno go_yelektrodvigatelya_na_atomnom_ledokole_arktika_849 5435 (дата обращения: 02.12.2021).
Сведения об авторах
Антоненко Сергей Владимирович, д.т.н., профессор Департамента морской техники и транспорта Политехнического института, Дальневосточный федеральный университет. Адрес: 690922, Россия, г. Владивосток, остров Русский, пос. Аякс, 10, e-mail: sergey.antonenko.43@mail.ru.
Дитковская Валерия Михайловна, начальник отдела общепроектных и спусковых работ, АО «Балтийский завод». Адрес: 199106, Россия, г. Санкт-Петербург, Косая линия,16, e-mail: V_Ditkovskaya@bz.ru.
Молоков Константин Александрович, к.т.н., доцент Департамента промышленной безопасности Политехнического института, Дальневосточный федеральный университет. Адрес: 690922, Россия, г. Владивосток, остров Русский, пос. Аякс, 10, e-mail: spectrum011277@gmail.com.
Новиков Валерий Васильевич, к.т.н., доцент Департамента морской техники и транспорта Политехнического института, Дальневосточный федеральный университет. Адрес: 690922, Россия, г. Владивосток, остров Русский, пос. Аякс, 10, e-mail: leka1551@rambler.ru.
Поступила / Received: 29.12.21 Принята в печать / Accepted: 28.02.22 © Коллектив авторов, 2022
