CC BY
162
УДК 629.12.004.67 А. М. Борисов,
доцент,
ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ КОРПУСОВ СТАЛЬНЫХ СУДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
STRENGTH AND WATERTIGHTNESS RESTORING OF STEEL VESSELS HULLS
BY USING FERROCONCRETE
Приводятся конструктивные решения и опыт по восстановлению прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов стальных судов с использованием железобетона для продления их эксплуатации при минимальных затратах материалов и средств.
Provides design solutions and experience of strength and watertightness restoration of worn-out steel hulls of ships with ferroconcrete to extend their service with minimal material consumption and monetary costs.
Ключевые слова: изношенный стальной корпус, арматура, железобетон, композитный сталежелезобетонный корпус, расход материалов, трудоемкость.
Key words: worn-out steel hull, steel reinforcement, ferroconcrete, composite steel-ferroconcrete hull, material consumption, labor input.
В СОВРЕМЕННЫХ условиях при сокращении объемов судостроения и старении флота актуальными становятся задачи выполнения поддерживающего ремонта для восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов стальных судов при минимальных затратах металла, трудоемкости и стоимости работ.
Наиболее распространенным и традиционным способом ремонта судов в этом случае является замена изношенных металлоконструкций новыми. При этом требуются значительные затраты металла и трудоемкости, а при ремонте подводной части корпуса обязательным условием является использование судоподъемных средств (слип, док, кессон).
За рубежом ремонт, усиление и модернизация стальных конструкций железобетоном выполнялись главным образом применительно к береговым сооружениям, к мостам и стропильным фермам.
В нашей стране ремонт железобетоном стальных судов начал производиться с 1920 г., когда на верфи им. Володарского в г. Рыбинске был отремонтирован дебаркадер «Трезубово». В период с 1924 по 1929 г. более 20 судов были отремонтированы в Ленинграде и Астрахани. С 1940 г. был начат ремонт большой группы рейдовых нефтеналивных барж в Астрахани. Все эти суда имели крайне изношенные корпуса, требовавшие почти сплошной смены наружной обшивки и около 50 % набора. Сведения об отремонтированных судах в этот период приведены в работах [1; 2].
Опыт восстановления железобетоном прочности и водонепроницаемости в 1930-1950-е гг. более 100 речных и морских судов, имеющих в основном клепаную конструкцию корпуса, и их последующая эксплуатация в течение 12-15 и более лет показали надежность совместной работы элементов создаваемой композитной сталежелезобетонной обшивки.
Значительный вклад в развитие теории и разработки конструкции железобетонного усиления стальных судов внесли академик Ю. А. Шиманский, профессор И. Н. Сиверцев, инженеры Г. М. Арский, Н. М. Синотов, Д. Н. Сергеев, доцент Н. М. Егоров и др.
Проводимые с 1989 г. на кафедре сопротивления материалов, конструкции корпуса и строительной механики корабля (СМ, ККиСМК) ВГАВТ исследования и опыт эксплуатации отремонтированных железобетоном судов показывают техническую возможность и экономическую целе-
Выпуск 2
Выпуск 2
сообразность усиления железобетоном (ЖБУ) изношенных металлоконструкций вместо традиционной замены их новыми при допустимом утяжелении корпуса 3-5 % от грузоподъемности судна. При этом расход стали снижается в 3-5 раз, трудоемкость и стоимость работ — в 2-3 раза, работы при ремонте изношенной обшивки днища с внутренней стороны, а также изношенной палубы с наружной стороны могут выполняться на плаву без использования судоподъемных средств. При ремонте используются недефицитные материалы и оборудование, способствующие расширению судоремонтной базы.
Конструкция корпуса сварного судна по сравнению с клепаным имеет отличия, с учетом которых в настоящее время переработана конструкция и технология выполнения ЖБУ. Изменились также и подходы к расчету прочности композитной сталежелезобетонной конструкции. При разработке конструкции усиления судов железобетоном и при выполнении расчетов учитывается современное состояние исследований в области судостроительных и строительных бетонов, арматуры, цементов и новых материалов (добавки к бетону, пластификаторы и пр.), а также современные теории расчета железобетонных конструкций.
Сущность такого ремонта заключается в создании композитной сталежелезобетонной обшивки изношенной корпусной металлоконструкции (днища, бортов, транцев, переборок или палубы) толщиной 30-50 мм. Усиливаться железобетоном может и сильно изношенный стальной набор корпуса.
Выбор конструкции и метод расчета прочности при ремонте изношенного корпуса стального судна железобетоном требует индивидуального подхода в каждом конкретном случае. Следует детально изучить степень изношенности отдельных частей судового корпуса, поскольку только с учетом этого можно определить резервы общей и местной прочности судна и обеспечить минимальное утяжеление корпуса (или увеличение осадки) в результате выполнения ЖБУ. Кроме того, необходимо учесть технические возможности судоремонтной базы (наличие судоподъемных средств, оборудования и пр.), а также предполагаемое назначение и условия эксплуатации судна после ремонта.
Существующая практика ремонта стальных судов железобетоном выработала два основных типа усилений: наружное и внутреннее.
Наружное ЖБУ выполняется в виде устройства железобетонной плиты толщиной 30-50 мм с наружной стороны обшивки корпуса (рис. 1, а), прочно соединенной с ней и совместно работающей. При этом набор не препятствует укладке стержневой арматуры, что упрощает и удешевляет производство арматурных работ. Арматура и бетон в этом случае выполняются неразрезными и эффективно участвуют в обеспечении общей и местной прочности корпуса.
При усилении палубных настилов наружное ЖБУ наиболее целесообразно, поскольку работы по армированию и бетонированию выполняются в удобном нижнем положении. Недостатком наружного ЖБУ подводной части корпуса является необходимость использования судоподъемных средств при выполнении ремонта. При этом нанесение бетонной смеси может выполняться только с помощью торкретирования (то есть нанесения бетона под давлением с помощью специального оборудования).
Арматурная сетка при выполнении наружного ЖБУ приваривается к предварительно очищенной от краски и продуктов коррозии изношенной обшивке корпуса с наружной стороны. Наружное усиление днища целесообразно выполнять при значительной насыщенности корпуса механизмами, а также при наличии двойного дна.
Внутреннее ЖБУ (рис. 1, б) выполняется с внутренней стороны изношенной обшивки. Арматурная сетка при этом сваривается с набором корпуса. Толщина ЖБУ может колебаться от 30 до 100 мм в зависимости от конструкции набора. Омоноличенный холостой набор корпуса при этом работает как арматура отрыва, обеспечивая надежность и высокую работоспособность композитной сталежелезобетонной конструкции.
200 ,ш\ 4 /~ ^0
1/ ,:о
Вид снизу
'і т 1 ~ ' К) 1 9
к ' Г &
і 1200 \±
Рис. 1. 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
а
Выпуск 2
Выпуск 2
Основным преимуществом внутреннего ЖБУ является возможность выполнения ремонтных работ на плаву, без использования судоподъемных средств. Бетон защищает обшивку и набор от коррозии. Снаружи плита ЖБУ защищена изношенной стальной обшивкой. При выполнении внутреннего ЖБУ плита получается разрезной на рамном наборе (переборках) и осложняется ведение арматурных работ.
В условиях недостатка электроэнергии в 1930- е гг. и ограниченного применения сварки в стенках набора для пропуска арматуры выполнялись отверстия (прожиганием, сверлением или продавливанием). Стержни арматуры приходилось протаскивать через эти отверстия, в пересечениях стержни связывались проволокой и оканчивались концевыми крюками. Это, безусловно, были весьма трудоемкие работы, и в настоящее время они не применяются. Стержни арматуры свариваются с набором, переборками и в пересечениях между собой (см. рис. 1, б). В пересечениях стержней арматуры сеток вместо сварки допускается вязка проволокой. При усилении бортов, транцев и переборок требуется установка опалубки, выполняемой из отдельных щитов (фанера) или досок.
Для уменьшения объема сварочных работ непосредственно в корпусе судна изготовление арматурных сеток, как правило, выполняется заранее в специальном кондукторе, в котором продольные и поперечные арматурные стержни укладываются в специальные гнезда-фиксаторы. Уло -женные с заданным шагом арматурные стержни свариваются в пересечениях. Готовые сетки через технологические вырезы в палубе (или в бортах) подаются в корпус к месту укладки. Арматура сеток сваривается с полками или стенками холостого набора, а с помощью монтажных стержней — со стенками рамного набора и переборок. Это в значительной мере уменьшает трудоемкость арматурных работ.
При восприятии внешней нагрузки изношенная обшивка, арматура и бетон ЖБУ работают совместно как единая композитная сталежелезобетонная конструкция, обшивка которой рассматривается в качестве наружной листовой арматуры. При этом повышается местная прочность и устойчивость отремонтированной металлоконструкции.
Принятая конструкция ЖБУ плиты и набора должна быть проверена на прочность. Для этого выполняются расчеты общей и местной прочности в соответствии с требованиями строительной механики и действующих Правил Регистра. Оценка водонепроницаемости обшивки с ЖБУ проводится по величине раскрытия возможных трещин в растянутой зоне бетона усиления в соответствии с требованиями Правил Регистра к судовым железобетонным конструкциям.
Некоторые характеристики судов, по которым в последнее время была разработана техническая документация по усилению корпусов железобетоном и выполнен их ремонт, приведены в табл. 1.
В журнале «Речной транспорт» [3, с. 22-24] приведено описание выполнения ремонта железобетоном корпуса очистительной станции (ОС) пр. 276-111 «Альма» на плаву в акватории РЭБ «Память Кирова» Вятского речного пароходства в 1989-1990 гг. В соответствии с разработанной технической документацией срок эксплуатации ОС после выполнения внутреннего ЖБУ подводной части корпуса судна составляет не менее 10 лет. Однако ОС «Альма» находится в эксплуатации до настоящего времени. По отзывам судовладельца, проблем с композитным сталежелезобетонным корпусом станции за все время эксплуатации не наблюдалось.
Подводная часть корпуса дебаркадера № 305 пр. 133К с внутренней стороны усиливалась железобетоном на стапеле П/О «Городец» в 1989 г. Ремонт корпуса выполнялся на стапеле (а не на плаву, как предусматривалось в технической документации), поскольку проводившийся в это время ремонт причальной стенки не позволил разместить дебаркадер в акватории предприятия. Предполагавшийся срок эксплуатации судна после ремонта его корпуса железобетоном (не менее 15 лет) также выдержан. Судно находится на плаву в акватории затона «Сибирский» (Н. Новгород) до настоящего времени и, по отзывам судовладельца, проблем с железобетонным усилением за время эксплуатации выявлено не было.
В 1991 г. силами ВГАВТ в акватории порта «Пермь» было выполнено на плаву внутреннее ЖБУ изношенной обшивки подводной части корпуса понтона № 8 пр. 1431. Срок эксплуатации
понтона после ремонта корпуса железобетоном в соответствии с техдокументацией составлял 15 лет. Однако до настоящего времени понтон находится в эксплуатации.
В 1992-1995 гг. кафедрой СМ, ККиСМК был организован участок для ремонта железобетоном изношенных судов в акватории РЭБ им. Калинина (с. Работки) и силами ВГАВТ было отремонтировано на плаву шесть транспортных судов: пр. 559Б типа «Окский» (4 судна) и пр. Р27 типа «Бельская» (2 судна).
Таблица 1
Основные характеристики судов, усиленных железобетоном
Наименование пр. 133К Дебаркадер № 305 пр. 276-Ш ОС «Альма» пр. 1431 «Понтон-8» пр. Р27 «Бельская» пр. 559Б «Окский» пр. 942 пр. Р85
1. Тип судна, назначение стоечное, диспетчер- ская стоечное, очистительная станция стоечное судно для пропаривания судов нефтеналивная баржа сухогрузный т/х-площадка баржа-площадка бункерная баржа
2. Главные размерения, Ь^Б^И^Т, м 45,0х12х 2,7x0,87 74,6х15х 1,7х1,2 57,5х14х 3,1x0,45 110х20х 2,85х1,8 (2,6) 79,9х15х 2,8х1,7 (2,28) 63,1х14х 2,0х1,57 86,7х14х 3,5х2,68
3. Водоизмещение в грузу, В, т 404 1176 344 3418/5084 1632/2162 1248 2945
4. Грузоподъемность, 2, т 100 904 500 3000/4600 1200/1760 1000 2500
5. Возраст судна к началу ремонта 35 40 30 26-28 26-28 29-30 26-31
6. Класс Речного регистра Р Р Р Р О Р О
7. Вид усиления на слипе, внутреннее, днище, борта до стрингера на плаву, внутреннее, днище, борта до стрингера на плаву, внутреннее, днище, борта до стрингера на плаву, наружное, палуба на плаву, внутреннее, кормовые балластные отсеки на плаву, внутреннее, днище на плаву, внутреннее, днище
8. Площадь усиления, м2 628 1150 900 1730 150 787 983
9. Утяжеление, т (% от 2) 130 (32)* 117(10) 242 (70) 210 (4,2) 33 (1,8) 174 (17,4) 123 (4,9)
10. Увеличение осадки, АТ, м (%) 0,25 (28) 0,09 (7,5) 0,35 (78) 0,12 (3,2) 0,05 (1,3) 0,20 (50) 0,12 (1,3)
11. Расход основных материалов: сталь, т бетон, м 3 цемент, т 7,0/41,6 60,0 33,0 11,2/81,9 60,0 34,0 18,8/58,8 124 68,0 36/100,8 97.0 54.0 2,1/12,2 17,3 10,0 12,4 80,0 44,0 15.0 60.0 33,0
12. Трудоемкость, тыс. чел. ч 3,6 / 6,7 7,4 / 10,7 7,9 / 11,3 11,8 /17,9 1,4 / 2,1 6,39 4,54
13. Количество отремонтированных судов 1 1 1 3 (БНР-1; -35; -29) (О- 2 (№ 3362; 3364) 5 (№ 3204; 3201; 3206; 3202; 3205)
14. Место, год ремонта П/О «Городец», г. Городец, 1989 г. РЭБ им. Кирова, г. Аркуль, 19891990 гг. Порт «Пермь» г. Пермь, 1991 г. РЭБ им. Калинина, с. Работки, 1992-1993 гг.; П/О «Городец», 2002 г. РЭБ им. Калинина с. Работки, 1992-1995 гг. Порт «Пермь» г. Пермь, 1999-2002 гг. Порт «Пермь» г. Пермь, 2003-2005 гг.
15. Сведения по судну находится в эксплуатации находится в эксплуатации находится в эксплуатации находятся в эксплуатации; Б-35 — холодный отстой находятся в эксплуатации; О-1, О-6 — списаны находятся на холодном отстое находятся в эксплуатации
Примечания. 1. В строке 9 под знаком (*) принят процент от водоизмещения Б.
2. В строках 11 и 12 через дробь (/) приведены значения расхода стали и трудоемкости при ремонте обычным способом, связанным с заменой изношенных металлоконструкций новыми.
Выпуск 2
Выпуск 2
У теплоходов пр. 559Б было выполнено внутреннее ЖБУ изношенных кормовых балластных отсеков, включая изношенное днище со скуловыми подворотами, продольную и поперечные переборки отсека. На т/х «Окский-12», кроме того, железобетоном усиливался и рамный набор днища. Два теплохода («Окский-1» и «Окский-6») к настоящему времени списаны, а два других — находятся в эксплуатации.
Для нефтеналивных барж пр. Р27 типа «Бельская» большую проблему составляет интенсивный износ палубы («газовый пояс»), особенно при перевозке сернистых нефтепродуктов, когда при ремонте приходится заменять 1200-1500 м2 палубного настила. Выполнение наружного ЖБУ палубы для БНР-1, БНР-35 в 1992-1993 гг. и БНР-29 в 2000 г. позволило продлить их эксплуатацию до настоящего времени (БНР-35 переведена в холодный отстой). Срок эксплуатации барж после ремонта железобетоном в соответствии с техдокументацией составляет 10-14 лет.
В мае 1994 г. по требованию Речного регистра в акватории РЭБ им. Калинина были проведены натурные испытания прочности нефтеналивной баржи проекта Р27 «Бельская-35» (БНР-35) с целью выявления эффективности усиления изношенной палубы железобетоном при восприятии расчетных изгибающих моментов при прогибе и перегибе корпуса. Сопоставление теоретических и экспериментальных значений напряжений в связях корпуса судна показало близкое совпадение (расхождение в пределах 5-15 %), что свидетельствует о достоверности применяемой расчетной теории. В результате проведения натурных испытаний была подтверждена достаточная прочность корпуса баржи при действии эксплуатационных нагрузок.
Проведенные ВГАВТ обследования барж БНР-1 («Сундовик») и БНР-29 в 2010 и 2011 гг. соответственно показали хорошее состояние ЖБУ (при незначительных местных повреждениях бетонной поверхности, не влияющих на прочность) и достаточную надежность и прочность их корпусов при переводе судна с класса Р1,2 на класс О1,5. Поверхность ЖБУ палубы БНР-35, по отзывам судовладельца, также находится в удовлетворительном состоянии, проблему у этого судна составляет состояние подводной части корпуса (водотечность, отсутствие двойного дна и двойных бортов).
Выполнение внутреннего ЖБУ для барж пр. 942 и пр. Р85 силами предприятия в акватории порта «Пермь» в период с 1999 по 2006 г. также позволило продлить их эксплуатацию. Однако у некоторых из этих судов через 5-7 лет после ремонта была отмечена водотечность, что объясняется нарушениями технологической дисциплины работниками порта при слабом контроле при проведении ремонтных работ (некачественная очистка в некоторых местах усиливаемой поверхности обшивки от грязи и отслаивающихся продуктов коррозии, плохое осушение отсеков перед укладкой бетона, попытки разбавления густеющей бетонной смеси водой и пр.). Поскольку от качества подготовки ремонтируемых поверхностей и строгого соблюдения технологии устройства ЖБУ (подготовка ремонтируемой поверхности, точная дозировка составляющих бетона, уход за созреванием бетона и пр.) во многом зависят работоспособность и долговечность композитной сталежелезобетонной конструкции.
Преимущества железобетонного усиления (ЖБУ), отмеченные выше, могут быть снижены вследствие некоторого утяжеления корпуса, увеличения его осадки или уменьшения грузоподъемности. Это обстоятельство делает ремонт железобетоном целесообразным в тех случаях, когда масса корпуса судна не играет решающей роли или когда ремонтируется какая-либо одна наиболее изношенная часть корпуса (например, балластный отсек) и в общем балансе нагрузки масса ЖБУ может быть не так значительна. Теоретически выбор способа ремонта (сталью или железобетоном) должен быть сделан на основании расчетов технико-экономической эффективности. Однако на практике выбор способа ремонта часто основывался не на эксплуатационно-экономическом анализе, а диктовался обстоятельствами, из которых решающими оказывались отсутствие судоподъемных средств, экономия стали и долговечность ЖБУ.
В развитие имеющегося опыта в последнее время на кафедре СМ, ККиСМК ФБОУ ВПО «ВГАВТ» по заявкам судовладельцев ведутся разработки конструкции и технологии железобетонного усиления изношенных конструкций стоечных и транспортных судов для обеспечения их
водонепроницаемости и прочности при продлении эксплуатации [4, с. 126-131]. Кроме того, разрабатываются конструкции ЖБУ изношенных корпусов, выведенных из транспортного режима в стоечный, и создании на их базе плавучих гостиниц, гаражей, понтонов, доков, хранилищ, павильонов, торговых центров и пр.
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 Наркомречфлота. — М.: Речиздат, 1945. — 56 с.
3. Борисов А. М. Восстановление корпуса ОС железобетоном / А. М. Борисов // Речной транспорт. — 1991. — № 10-11.
4. Борисов А. М. Обоснование конструкции усиления железобетоном корпуса металлического дока проекта Д600 / А. М. Борисов // Вестник ВГАВТ. — Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. — Вып. 31.
[яЛ
Выпуск 2
