CC BY
69
СУДОСТРОЕНИЕ, СУДОРЕМОНТ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА
УДК 629.12.004.67 ББК 39.42-08
А. М. Борисов
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ ИЗНОШЕННЫХ КОРПУСОВ ОЧИСТИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ И ДОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
A. M. Borisov
RESTORATION OF STRENGTH AND WATER RESISTANCE OF WORN-OUT HULLS OF THE CLEANING STATION AND THE DOCK USING FERROCONCRETE
Приводятся результаты исследования возможности усиления железобетоном подводной части изношенных стальных корпусов очистительной станции и дока, принадлежащих ОАО «ЛОРП». Усиление железобетоном подводной части корпуса очистительной станции ЗК-7 и дока СМД-10 позволит восстановить их прочность и водонепроницаемость для дальнейшей нормальной эксплуатации в течение не менее 20 лет при значительно меньшем расходе металла, трудоемкости и стоимости работ по сравнению с традиционной заменой изношенных металлоконструкций на новые.
Ключевые слова: изношенный стальной корпус, арматура, железобетон, композитный сталежелезобетонный корпус, расход материалов, трудоемкость.
The results of research of the possibility of strengthening with ferroconcrete of underwater part of worn-out steel hulls of the cleaning station and the dock owned by the public company "LORP" are given. Strengthening of the underwater part of the hull of the cleaning station ZK-7 and the dock SMD-10 helps to restore their durability and water resistance for further exploitation during 20 years and more with rather small material consumption, labour intensiveness and monetary costs in comparison with the common replacement of the worn-out metal constructions into new ones.
Key words: worn-out steel hull, steel reinforcement, ferroconcrete, composite steel-ferroconcrete hull, material consumption, labor intensiveness.
Введение
В современных условиях значительное количество транспортных и стоечных судов имеет срок эксплуатации 40-50 и более лет. Корпуса судов в результате интенсивного коррозионного износа страдают водотечностью, недостатком прочности и для продления их эксплуатации нуждаются в ремонте наиболее изнашиваемой подводной части корпуса. Традиционная замена изношенных металлоконструкций на новые связана с большой трудоемкостью ремонтных работ, выполняемых в доке или на слипе с использованием судоподъемных средств, требует значительных затрат материалов и средств.
В то же время в результате длительной эксплуатации нуждаются в ремонте изношенной подводной части корпуса и сами доки, ремонт которых также связан с использованием судоподъемных средств или доков больших размеров. Кроме этого, при выводе доков из эксплуатации для их ремонта сокращается судоремонтная база отрасли в целом, поскольку при этом приходится занимать дополнительные стапельные места.
Накопленный кафедрой «Сопротивление материалов, конструкция корпуса и строительная механика корабля» (СМ, КК и СМК) Волжской государственной академии водного транспорта опыт ремонта железобетоном и положительный опыт эксплуатации более 100 отремонтированных речных и морских судов [1, 2] показывают, что в результате усиления железобетоном (ЖБУ) внутренней или наружной поверхности изношенного стального корпуса судна создается композитная сталежелезобетонная плита, позволяющая при минимальном расходе металла, стоимости и трудоемкости работ обеспечить необходимую прочность и водонепроницаемость корпуса для дальнейшей нормальной последующей эксплуатации судна в течение 10-15 лет и более. Так, выполненный по разработкам кафедры на плаву в акватории ремонтно-эксплуатационной базы «Память Кирова» Вятского речного пароходства в 1989-1990 гг. ремонт железобетоном внутренней поверхности изношенной обшивки (внутреннее ЖБУ) подводной части корпуса очистительной станции (ОС) пр. 276-Ш «Альма» и подробно описанный в журнале «Речной транспорт» [3] показал, что надежность полученного при ремонте композитного сталежелезобетонного корпуса достаточна и судно находится в эксплуатации до настоящего времени.
По заданию ОАО «ЛОРП» в 2011 г. на кафедре «СМ, КК и СМК» исследована возможность восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных стальных корпусов ОС ЗК-7 и дока СМД-10 с использованием железобетона.
Ремонт железобетоном очистительной станции. ОС ЗК-7 является несамоходным стоечным судном, выполнена на базе корпуса танкера № ТР-2808 пр. 576 Т грузоподъемностью
3 300 т класса «*Р 1,2», построенного в 1960 г. и переоборудованного по проекту АЦКБ № 82650А в 1984 г. в ОС (зачистной комплекс). Предназначена для зачистки, сбора и дегазации грузовых и специальных отсеков и систем транспортных судов от остатков нефтепродуктов. Судно эксплуатируется в водных бассейнах разряда «Р».
Форма корпуса ОС ЗК-7 и главные размерения судна до устройства ЖБУ сохранены как у танкера пр. 576 Т: L х В х Н х Тгр (Тп ) = 106,81 х 13,0 х 4,8 х 2,6 (0,88) м. Водоизмещение в состоянии «порожнем» составляет 986 т; «в грузу» - 3 075 т. Валовая вместимость отсеков станции составляет 6 463 м3, регистровая вместимость - 2 284 рег. т, дедвейт станции при осадке в полном грузу при осадке Т = 2,6 м составляет 1953 т.
Корпус станции разделен 11 непроницаемыми поперечными переборками на 12 отсеков, в диаметральной плоскости (ДП) установлена продольная гофрированная переборка, имеется двойное дно высотой 800 мм и двойные борта шириной 1 300 мм в районе грузовых трюмов. Система набора корпуса - смешанная в средней части (продольная по палубе и днищу и поперечная по борту) и поперечная в оконечностях.
По результатам дефектации износы наружной обшивки составляют 26 %, внутренних бортов -23 %, настила палубы - 20 %, переборок грузовых отсеков - 36 %. Износ набора днища и палубы составляет 13 %, внутреннего борта грузовых отсеков - 18 %, борта сухих отсеков - 38 %.
В акте дефектации отмечается, что подводная часть наружной обшивки корпуса судна по всей площади имеет сплошной язвенный и канавочный коррозионный износ на площади распространения около 30 % со средней глубиной язв обшивки днища и скулы 2,2 мм, подводной части наружного борта - 2,8 мм. Максимальная глубина отдельных язв достигает 4,5 мм. За время эксплуатации судна наружная обшивка неоднократно ремонтировалась и заменялась на новую.
Железобетонное усиление корпуса ОС ЗК-7 (рис. 1) выполняется с наружной стороны подводной части изношенной обшивки днища и бортов (на высоте 3,3 м от основной плоскости (ОП)) по всей длине корпуса для обеспечения его прочности и водонепроницаемости при последующей эксплуатации в течение не менее 20 лет. Работы по усилению наружной обшивки железобетоном (наружное ЖБУ) выполняются на слипе Г-300 (в доке) с использованием метода торкретирования, т. е. автоматизированного нанесения цементно-песчаной смеси под давлением двумя слоями толщиной 20-25 мм на предварительно очищенную и армированную с наружной стороны поверхность изношенного корпуса судна с помощью специального оборудования. При этом обеспечивается высокая адгезия (сцепление бетона с обшивкой), достигается наибольшая плотность, прочность и непроницаемость бетона. Для ведения торкретных работ высота корпуса под днищем ОС должна быть не менее 1,8-2,0 м, а кильблоки при выполнении работ приходится перемещать относительно ДП судна, высвобождая для армирования и последующего торкретирования занимае-
мые ими участки обшивки днища. При торкретировании работы по изготовлению опалубки (как при обычном бетонировании) выполнять не требуется, поскольку усиливаемая наружная обшивка используется в качестве опалубки.
Метод торкретирования применяется в строительстве при прокладке тоннелей, в метростроении, в гидротехническом строительстве, при создании гидротехнических и очистных сооружений, резервуаров, где требуется обеспечить высокую прочность и непроницаемость бетона. Поэтому для обеспечения надежности и долговечности ЖБУ и с учетом отсутствия у заказчика опыта ведения бетонно-торкретных работ рекомендуется привлечь для их выполнения специализированную строительную организацию с арендой соответствующего оборудования.
Рис. 1. Размещение наружного ЖБУ корпуса ОС ЗК-7
Указанные выше качества ЖБУ обеспечиваются за счет создания в подводной части корпуса композитной плиты, состоящей внутри из изношенной стальной обшивки толщиной около 5,2 мм, зачищенной от грязи, краски, остатков нефтепродуктов и коррозии, и снаружи - из монолитного армированного судостроительного торкретбетона класса В30 минимальной толщиной 40 мм, прочно связанных между собой и совместно работающих (рис. 2, а). Толщина ЖБУ принята с учетом омоноличивания полуторной арматурной сетки, сваренной с наружной обшивкой и состоящей из стержней арматуры класса А-Ш (или А-П) диаметром 10 мм, при обеспечении защитного слоя арматуры бетоном толщиной не менее10 мм. Стержни рабочей арматуры в сетке устанавливаются с шагом 100 мм, распределительная арматура устанавливается с шагом 200 мм. Сетки могут изготавливаться заранее в специальном кондукторе или собираться на месте из отдельных стержней («россыпью»). Кромка ЖБУ по бортам по всей длине и штевни в оконечностях защищаются стальным уголком.
С учетом деформированности обшивки (вмятины, бухтины и гофрировка) толщина ЖБУ на отдельных участках может увеличиваться, поэтому средняя толщина бетона при определении расхода материалов принята И = 45 мм.
На всех этапах устройства ЖБУ должен быть обеспечен контроль качества выполняемых работ. Специализированная лаборатория должна обеспечить контроль качества приготовленного торкретбетона.
В результате устройства ЖБУ на площади около 1 994 м2 корпус ОС получит утяжеление около 233 т. При этом осадка «порожнем» увеличится на 0,18 м, а осадка «в грузу» - на 0,20 м и составит Тгр = 2,80 м, что позволяет сохранить проектную грузоподъемность станции и обеспечить требуемую минимальную высоту надводного борта. В случае необходимости сохранения проектной осадки Тгр = 2,60 м грузоподъемность судна снижается на величину утяжеления.
Ремонт железобетоном дока. Металлический двухбашенный секционный док СМД-10 класса «*Р 1,2» построен по проекту Д 600 в 1972 г. и к настоящему времени имеет возраст 40 лет. Док СМД-10 является стоечным судном, максимальная грузоподъемность - 600 т, предназначен для производства ремонта движительно-рулевого комплекса и подводной части корпусов судов.
а б
Рис. 2. Конструкция ЖБУ: а - наружное усиление обшивки; б - внутреннее усиление обшивки с набором: 1 - рабочая арматура;
2 - распределительная арматура; 3 - холостой набор; 4 - наружная обшивка; 5 - сварка пересечений стержней арматуры; 6 - сварка арматуры с обшивкой; 7 - сварка стержней по длине; 8 - монтажная арматура;
9 - рамный набор; 10 - сварка монтажной арматуры с набором;
11 - сварка рабочей арматуры с полкой холостого набора
Корпус дока состоит из понтона и двух жестко связанных с ним башен (рис. 3), выполнен в виде прямоугольника в плане с плоским днищем, бортами и транцами, горизонтальной стапель-палубой, палубой безопасности, топ-палубой и имеет следующие главные размерения: L х В х Нб (Нп) х Тгр (Тп) = 30,0 х 27,0 х 7,0 (2,0) х 1,7 (0,97) м; ширина стапель-палубы - 21,0 м, топ-палубы - 2,5 м; высота башен от стапель-палубы составляет 5,0 м; возвышение палубы безопасности от стапель-палубы - 1,5 м.
27000
Рис. 3. Размещение внутреннего ЖБУ в корпусе стального дока СМД-10
В средней части корпуса дока принят постоянный сухой балласт в количестве 372 т и 8 т укреновочного балласта. Чтобы выполнить погружение дока на максимальную глубину 5,5 м в отсеки понтона принимается жидкий балласт в количестве 1 504 т. Для обеспечения осадки дока «порожнем» Тп = 0,97 м общее расчетное количество принимаемого балласта составляет 782 т.
Система набора корпуса - поперечная, шпация по всему корпусу а = 600 мм, рамные шпангоуты установлены через две шпации. Понтон дока двумя продольными и двумя поперечными водонепроницаемыми переборками разделен на девять отсеков, в плоскости рамных шпангоутов установлены поперечные раскосные фермы. Семь отсеков понтона используются для приема жидкого балласта. В двух других размещается насосное отделение и отсек для приема сухого и укреновочного балласта.
По результатам дефектации износ днищевой обшивки составляет около 13 %, бортов и транцев - 20 %, настила стапель-палубы и топ-палубы - 2,5 %, переборок балластных отсеков - 10 %. Износ набора днища и палубы составляет 15 %, борта балластных отсеков - 23 %, борта сухих отсеков - 5 %. Подводная часть наружной обшивки корпуса дока по всей площади имеет значительный язвенный коррозионный износ с глубиной язв обшивки днища в средней части 2,8-3,2 мм, днища у бортов - до 3,5 мм, обшивки борта и транцев - до 1,5 мм.
Для поддержания корпуса дока с оценкой техсостояния «годное» судовладельцу потребовалось бы выполнить значительный объем судоремонтных работ по корпусу традиционными в судоремонте методами, связанными с заменой изношенных металлоконструкций на новые и с использованием судоподъемных средств.
Для обеспечения прочности и водонепроницаемости дока предлагается выполнить ЖБУ с внутренней стороны изношенной наружной обшивки корпуса (внутреннее ЖБУ) на площади 1 038 м2 (рис. 3), включая все днище, борта и транцы на высоте 2,0 м от ОП. При этом работы по устройству внутреннего ЖБУ могут выполняться на плаву без использования судоподъемных средств. Остальные связи корпуса находятся в удовлетворительном состоянии и их ремонт, при необходимости, может быть выполнен традиционными в судоремонте методами.
Конструкция внутреннего ЖБУ днища (см. рис. 2, б) представляет собой композитную плиту, состоящую снаружи из изношенной стальной обшивки средней толщиной 6,0 мм, а с внутренней стороны - из монолитного армированного судостроительного бетона класса В30 средней толщиной плиты днища, бортов и транцев - 95 мм, прочно связанных между собой и совместно работающих. При этом обшивка днища рассматривается как листовая арматура, защищающая бетон от повреждений.
В результате устройства ЖБУ дока уменьшается прием постоянного сухого балласта на величину утяжеления (257 т) и количество принимаемого постоянного сухого балласта составит 115 т. Величина принимаемого жидкого балласта и последовательность заполнения отсеков дока при погружении и всплытии сохраняются, как и в проектной документации. При этом проектные осадки дока в состоянии «порожнем в балласте» и «в грузу» до и после усиления корпуса железобетоном также сохраняются.
Поскольку величина утяжеления в результате ЖБУ корпуса дока не влияет на его работоспособность, то для обеспечения надежности и долговечности толщина ЖБУ (И = 95 мм) принята с учетом омоноличивания холостого набора (1_75 х 75 х 7,1), работающего в качестве арматуры отрыва.
Арматура ЖБУ выполняется в виде сеток, установленных в пределах рамной шпации поверх холостого набора и приваренных к полкам уголков, а также к стенкам рамного набора и переборок - с помощью монтажных стержней. Для армирования применяется стержневая арматура периодического профиля класса А-11 (А300) или А-111 (А400) диаметром 10 мм, установленная с шагом 100 мм и сваренная в пересечениях. Применение арматуры периодического профиля обеспечивает ее повышенное сцепление с бетоном, высокую прочность, трещиностой-кость и долговечность ЖБУ. Сетки могут собираться заранее в специально изготовленном кондукторе или собираться «россыпью» на месте из отдельных стержней. В первом случае уменьшается трудоемкость сварочных работ, выполняемых непосредственно в корпусе дока.
В стенках рамного набора (флоров и кильсонов) до бетонирования днища для свободного перетекания в корпусе жидкости выполняются голубницы, расположение которых устанавливается с учетом действия минимальных напряжений в рамных связях и принятой толщины плиты ЖБУ.
Укладка бетона выполняется после предварительной очистки ремонтируемых поверхностей от мусора, грязи, остатков отслаивающейся краски и продуктов коррозии, а также после выполнения подготовительных работ. При этом от качества очистки и подготовки бетонируемой поверхности, а также от соблюдения технологической дисциплины на всех этапах работ зависят надежность и долговечность работы железобетонного усиления. Невыполнение или отклонение от технологических требований при устройстве ЖБУ может привести к снижению
качества и работоспособности сталежелезобетонной обшивки. Для бетонирования бортов и транцев после выполнения бетонирования днища устанавливается опалубка с соблюдением защитного слоя бетона для арматуры. Выполнение каждого этапа по устройству ЖБУ корпуса фиксируется приемосдаточным актом.
Технология выполнения ремонта дока СМД-10 отражает все этапы выполнения работ и разработана в предположении выполнения ЖБУ корпуса силами заказчика под наблюдением представителя проектанта и Российского речного регистра. Однако, при отсутствии у заказчика опыта ведения бетонных работ, рекомендуется использовать бетон, приготовленный на ближайшем заводе железобетонных конструкций (ЖБК) в соответствии с разработанной в проекте дозировкой составляющих. При транспортировке готового бетона необходимо учитывать, что время начала его схватывания составляет не более одного часа. Бетон должен быть уложен на место в течение не более двух часов после его приготовления. Специализированная лаборатория завода ЖБК должна обеспечить контроль качества приготовленного бетона, которое подтверждается соответствующим сертификатом на каждую партию отпускаемого бетона.
В технической документации по ремонту ОС ЗК-7 и дока СМД-10 для корпуса с ЖБУ выполнены расчеты общей и местной прочности с учетом износа связей. Оценка общей прочности выполнена расчетным методом по предельному моменту с определением коэффициента запаса прочности (^пр = Мпр/Мр) и его сравнением с нормативным. В каждом случае предельный изгибающий момент Мпр, МН-м, определяется для судна после выполнения ремонта корпуса железобетоном и в конце его предполагаемого срока службы с использованием программ <^Ш-RAVNUS» и «MDW», согласованных с Российским речным регистром и имеющихся в программном обеспечении кафедры «СМ, КК и СМК». Расчетные изгибающие моменты определены для наиболее неблагоприятных состояний нагрузки ОС и дока в эксплуатации.
Полученные коэффициенты запаса прочности по предельному моменту после выполнения ЖБУ корпусов ОС и дока превышают нормативное значение коэффициента для условно нового судна ^ =1,35) и в конце предполагаемой эксплуатации (^годн = 1,15), что подтверждает обеспечение их достаточной прочности.
Расчеты местной прочности выполнены для композитной сталежелезобетонной обшивки днища и включают расчеты плиты при перегибе и прогибе корпуса, а также расчеты по трещи-ностойкости для наиболее неблагоприятных состояний нагрузки ОС и дока при эксплуатации. Проверка плиты на раскрытие трещин показала, что герметичность подводной части судов, усиленных железобетоном, обеспечивается.
В результате выполненных расчетов общая и местная прочность ОС ЗК-7 и дока СМД-10 с ЖБУ корпуса обеспечивается в течение последующих 27 лет эксплуатации. Поскольку при прогнозе заложенные в техдокументации скорости износа связей могут отличаться от фактических, то по истечении 20 лет эксплуатации судов, усиленных железобетоном, необходимо провести дефектацию их корпусов с определением остаточных толщин связей, выполнением соответствующих расчетов прочности и принятии решений о возможности дальнейшей эксплуатации судов или необходимости ремонта. Если условия эксплуатации ОС и дока в дальнейшем будут отличаться от запланированных в проекте, то дефектация связей корпусов и соответствующие расчеты прочности должны выполняться по истечении 10 лет их эксплуатации после ремонта железобетоном.
В технической документации по ОС ЗК-7 и по доку СМД-10 разработаны основные этапы и технология ведения работ по ЖБУ их корпусов, а также определены ожидаемые техникоэкономические показатели выполнения ремонта, основные из которых приведены в таблице.
Основные технико-экономические показатели выполнения ЖБУ
Показатель ОС ЗК-7 Док СМД-10
Расход стали, т 30,5 15,4
Расход цемента, т 71,0 66,0
Расход бетона, м3 129 119
Трудоемкость, тыс. чел. ч 8,11 5,89
Рассчитанные в техдокументации основные технико-экономические показатели усиления железобетоном подводной части корпуса ОС ЗК-7 и дока СМД-10 являются оценочными, укрупненными и подлежат уточнению и корректировке с учетом конкретных условий материально-технической и производственной базы судоремонтного предприятия заказчика, а также сложившегося уровня цен на основные материалы в регионе на момент выполнения ремонта судов.
Заключение
Выполнение ЖБУ изношенной подводной части корпусов ОС ЗК-7 и дока СМД-10 позволят восстановить их прочность и водонепроницаемость для дальнейшей нормальной эксплуатации в течение не менее 20 лет при значительно меньшем расходе металла, трудоемкости и стоимости работ по сравнению с традиционной заменой изношенных металлоконструкций на новые.
Усиление железобетоном с наружной стороны изношенной обшивки корпуса ОС ЗК-7 позволяет отказаться от трудоемких работ, выполняемых в двойном дне (ДД) в очень неудобном положении. При отсутствии ДД (или в отсеках, где оно отсутствует) восстановление прочности и водонепроницаемости корпуса ОС может выполняться с помощью устройства на плаву внутреннего ЖБУ [3, 4].
Усиление корпуса дока СМД-10 железобетоном может выполняться на плаву и позволяет отказаться от использования судоподъемных средств как при выполнении предлагаемого ремонта, так и в последующей эксплуатации судна. Это позволяет расширить судоремонтную базу отрасли за счет предприятий, не имеющих судоподъемных средств.
Осмотр и дефектация подводной части корпусов судов, усиленных железобетоном, могут проводиться на плаву как у железобетонных судов.
В каждом конкретном случае выбор способа ремонта (сталь или железобетон, внутреннее или наружное усиление) должен быть сделан на основании конструктивных особенностей судна, условий его эксплуатации, расчетов технико-экономических показателей и производственных возможностей судоремонтного предприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сергеев Д. Н. Ремонт и восстановление стальных судов железобетоном / Д. Н. Сергеев. Л.: Морской транспорт, 1946. 224 с.
2. Указания по восстановлению металлических судов железобетоном / Технический совет нарком-речфлота. М.: Речиздат, 1945. 56 с.
3. Борисов А. М. Восстановление корпуса ОС железобетоном / А. М. Борисов // Речной транспорт. 1991. № 10-11. С. 22-24.
4. Борисов А. М. Ремонт железобетоном корпуса очистительной станции СПВ-1 / А. М. Борисов // Вестн. Волж. гос. акад. водного транспорта. 2007. Вып. 22. С. 150-158.
REFERENCES
1. Sergeev D. N. Remont i vosstanovlenie stal'nykh sudov zhelezobetonom [Repair and restoration of steel vessels using ferroconcrete]. Leningrad, Morskoi transport Publ., 1946. 224 p.
2. Ukazaniia po vosstanovleniiu metallicheskikh sudov zhelezobetonom [Guidelines on restoration of metal vessels using ferroconcrete]. Tekhnicheskii sovet narkomrechflota. Moscow, Rechizdat, 1945. 56 p.
3. Borisov A. M. Vosstanovlenie korpusa OS zhelezobetonom [Restoration of the hull of the cleaning station using ferroconcrete]. Rechnoi transport, 1991, no. 10-11, pp. 22-24.
4. Borisov A. M. Remont zhelezobetonom korpusa ochistitel'noi stantsii SPV-1 [Repair of the hull of the cleaning station SPV-1 using ferroconcrete]. Vestnik Volzhskoi gosudarstvennoi akademii vodnogo transporta, 2007, iss. 22, pp. 150-158.
Статья поступила в редакцию 22.05.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Борисов Александр Михайлович - Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород; доцент кафедры «Сопротивление материалов, конструкция корпуса и строительная механика корабля»; [email protected].
Borisov Alexander Mikhailovich - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Assistant Professor of the Department "Strength of Materials, Hull Construction and Structural Mechanics of Ship"; [email protected].
