Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ опыта эксплуатации корпусов плавучих доков, методов оценки нагрузок, прочности и надежности 10
1.1. Анализ аварий, повреждений и ремонтов 11
1.2. Сопоставление подходов к определению нагрузок 23
1.3. Исследования коррозионного износа 32
1.4. Анализ методов оценки прочности конструктивных элементов 43
1.5. Анализ методов оценки надежности 57
1.6. Цели и задачи исследования 61
Глава 2. Определение вероятностных характеристик напоров с учетом введения эксплуатационных ограничений 63
2.1. Анализ статистики докований 63
2.2. Определение нагрузок с учетом эксплуатационных ограничений 69
2.3. Натурные исследования нагрузок 76
2.4. Методика определения вероятностных характеристик напоров 83
2.5. Заключение по главе 86
Глава 3. Коррозионный износ, прочность и надежность корпусов плавучих доков 88
3.1. Вероятностные характеристики коррозионного износа корпусов плавучих доков 88
3.2. Исследования прочности корпусов плавучих доков 93
3.3. Зависимости для оценки надежности корпусных конструкций 102
3.4. Методика оценки надежности корпусных конструкций 105
3.5. Заключение по главе 107
Глава 4. Использование результатов исследований при проектировании и диагностике стальных конструкций доков 110
4.1. Разработка методики безопасной эксплуатации
плавучих доков с поврежденными конструкциями 111
4.2. Разработка алгоритма и компьютерной программы диагностики корпусных конструкций с учетом эксплуатационных ограничений 118
4.3. Экономическое обоснование уровня надежности 123
4.4. Рекомендации по проектированию и внедрение результатов исследований 131
Заключение 136
Список литературы
- Сопоставление подходов к определению нагрузок
- Определение нагрузок с учетом эксплуатационных ограничений
- Исследования прочности корпусов плавучих доков
- Разработка алгоритма и компьютерной программы диагностики корпусных конструкций с учетом эксплуатационных ограничений
Сопоставление подходов к определению нагрузок
Особенностью аварии было то, что владелец оперативно привлек для консультаций специалистов ДВГТУ и процесс подъема был завершен, а после ремонта буксиров поврежденный док произвел погружение-всплытие для спуска судов и только после этого начался ремонт его корпуса. В данном случае две части дока работали практически в виде шарнирно-сочлененной системы. Балластировкой дока достигалось минимально возможное перемещение частей дока относительно друг друга в процессе погружения-всплытия и во время выполнения ремонта.
Автор принимал участие в обследовании поврежденного дока, результаты представлены в документе [111]. Причинами аварии явились.
1) Неработающая система замеров уровней балласта. Из-за этого не была обнаружена серьезная поломка - отказ клинкетной задвижки балластной системы в бортовом отсеке в районе мидель-шпангоута.
2) Недостаточно частый контроль прогибов дока. Практика показывает, что даже при исправно работающем оптическом прогибомере показания с него снимаются относительно редко. В результате, при быстром нарастании изгибающего момента, можно пропустить момент выхода за допускаемые значения прогибов.
Жидкостные прогибомеры менее надежны, хотя и дают непрерывную информацию об упругой линии дока. По данным проф. СВ. Антоненко, сбой в работе жидкостного прогибомера едва не явился причиной серьезной аварии плавучего дока ГП 80000 т.
Общим для всех трех случаев переломов корпусов явилась потеря устойчивости крайних сжатых элементов эквивалентного бруса. Перелом плавдока ГП 60000 т произошел в результате внештатной ситуации, два остальных случая произошли на заключительной стадии подъема судов. Известно также об авариях двух однотипных монолитных доков ГП 12000 т [19]. Ниже дано их описание.
Случай 1. Во время испытаний в 1971 г. на акватории Адмиралтейского завода в порту Ленинград при осадке дока 3.7 м (отстояние стапель-палубы у башни от ДП равно 3.85 м) возникли аварийные деформации конструкций башен и понтонов в виде гофров по всему поперечному сечению в районе 8 и 12 теоретических шпангоутов.
Случай 2. Перелом корпуса однотипного дока при возрасте 29 лет в виде гофра по всему поперечному сечению в районе 12 шп. Док построен в 1969 г., эксплуатировался в порту Мурманск. Во время доковой операции в районе 12 теоретического шпангоута внезапно образовался поперечный гофр по понтону и башням.
Предполагаемая [19] причина обоих аварий - перегрузка стоек ферменного набора силами сжатия, произошедшая при общем перегибе корпуса, что вызвало потерю их устойчивости с последующим деформированием остальных конструкций.
Анализ фотографий повреждений дока ГП 12000 т в 1971 г., предоставленных В.Н. Тряскиным, рис. П.2.5, а также документа [19] показывает, что ферменная конструкция с вертикальными стойками в виде спаренных уголков 75x75x8 и пролетом около 4 м является, по меньшей мере, нерационально спроектированной. Так, критические напряжения стоек равны 125 МПа, что почти в два раза меньше напряжений текучести.
Четыре из пяти рассмотренных выше случая нарушения продольной прочности произошли с доками в возрасте от 20 до 44 лет, что объяснимо с позиции уменьшения геометрических характеристик элементов корпуса из-за коррозионного износа. Далее в исследовании проблема продольной прочности раскрыта в части изучения коррозионного износа корпусов плавучих доков.
Частота переломов металлических корпусов доков из-за нарушения продольной прочности не так уж велика и составила порядка 5% от их общего числа. Гораздо чаще владельцы доков сталкиваются с проблемой поддержания местной прочности и устойчивости корпусных конструкций на должном уровне, что тесно связано с вопросом неравномерного распределения коррозионного износа [15]. В работе [90] достаточно подробно освещены случаи массового отказа корпусных конструкций из-за коррозионного износа и недостатка местной прочности, устойчивости элементов корпуса. Ниже приведены краткие сведения.
1. Повреждение перекрытий стенок башен между стапель-палубой и палубой безопасности в носовой части 5-го понтона шестипонтонного дока ГП 30000 т (порт Новороссийск), возникшие во время приемных испытаний -подъема танкера с доковой весом 30000 т. Осадка дока составляла около 13 м. Причина повреждения - ошибка завода-изготовителя. В результате прочность и жесткость распорок во всех башенных отсеках оказались меньше проектной в несколько раз. Как следствие, они вышли из строя, потеряв несущую способность в результате сложного изгиба при внецентренном растяжении.
2. Повреждения шпангоутных рам в виде "заваливания" верхней части рамных шпангоутов однотипного с описанным выше дока ГП 30000 т в возрасте 24 года. В [90] отмечаются причины этих повреждений: интенсивный коррозионный износ стыковых швов по стенке и полке рамных шпангоутов вплоть до полного разъедания сварных швов; несимметричный профиль рамного шпангоута в виде высокого сварного угольника; отсутствие книц, соединяющих продольные балки с рамными шпангоутами.
3. Повреждения бортовых конструкций дока ГП 27000 т, построенного в. 1964 г. при возрасте 28 лет. Повреждения в виде потери устойчивости распорок шпангоутных рам во всех бортовых балластных отсеках привели к образованию вмятин в бортовых перекрытиях между стапель-палубой и палубой безопасности. Причиной повреждений явилась недостаточная общая и местная устойчивость распорок. В [90] отмечается малый размер продольных ребер и раскосов, отсутствие подкреплений стенок рамных шпангоутов ребрами жесткости.
Наиболее слабой конструкцией доков югославской постройки грузоподъемностью 30000 т является стапель-палуба с построечной толщиной 11.5+12 мм (шпация 735 мм) [90]. За время ее эксплуатации средний износ составил около 50%. В результате поясья настила имеют погибь до 50+60 мм. Причиной являются как напоры, так и использование тяжелой колесной техники типа "Айчи".
Типичными примерами массовых повреждений конструкций корпуса являются плавучие доки ГП 4500, 25000, 27000 т. В исследованиях повреждений этих доков принимал участие автор, описание дано ниже.
Чрезмерный коррозионный износ ферменного набора башен плавучего дока ГП 4500 т (Диомидовский СРЗ, порт Владивосток) требовал его замены из-за недостаточной местной прочности и устойчивости на действие гидростатической нагрузки. Специалисты- завода разработали и внедрили альтернативное решение - подкрепление стенок башен наружным набором, показанное на рис. 1.1.2.
Определение нагрузок с учетом эксплуатационных ограничений
Напряжения текучести стальных элементов корпуса являются случайными величинами. Испытуемые образцы (1-2 от партии) показывают значительное превышение уровня нормативных значений [100].
Согласно статистике, вероятностные характеристики предела текучести стального проката для судостроения равны: среднее значение - 294 МПа, стандарт - 29.4 МПа [27]. Стальной прокат, поставляемый на зарубежные судостроительные верфи, имеет аналогичные характеристики: 296 МПа (среднее) и 15 20 МПа (стандарт) [119, 120].
Для расчетов используются браковочные (нормативные) значения напряжений текучести о"т = 235 МПа (обычная сталь). Ниже этого значения применение материала в судостроении не допускается.
Нагрузки, действующие на плавучие доки, характеризуются значительной изменчивостью, что подтверждается значительными колебаниями их уровней по разным рекомендациям, см. раздел 1.2. Расчетными являются нагрузки при равномерной балластировке, хотя реально действующие нагрузки могут быть значительно выше их уровня.
Коэффициенты запаса при нормировании прочности элементов корпуса назначают в зависимости от вида нагрузок, степени ответственности конструкции и особенностей конструктивного оформления. Так, при нормировании местной предельной прочности в [64] значения коэффициентов запаса для обычных судов изменяются в пределах 1.2 -г 1.6.
В то же время широко известны труды ученых-строителей, посвященные внедрению вероятностных методов в расчеты прочности и надежности. Ведущую роль здесь сыграл Н.С. Стрелецкий, который одним из первых опубликовал ряд работ на эту тему. В его работе [104] дано изложение концепции надежности сооружений, базирующейся на вероятностных методах расчета.
Среди последователей следует особенно отметить В.В. Болотина и А.Р. Ржаницина. Впервые использовали вероятностные методы расчетов усилий в системе док-судно С.В. Антоненко [1, 2] и Е.А. Шишенин. Разработке вероятностных методов расчета портовых гидротехнических сооружений посвящена работа В.Д. Костюкова [45].
В расчетах судовых конструкций использовали методы теории надежности Г.В. Бойцов, А.И. Бронский, В.Н. Бугаков, В.В. Екимов, В.В. Козляков, Г.Б. Крыжевич, А.И. Максимаджи, В.В. Олейников, О.М. Палий, Г.С. Чувиковский и др. Основное внимание, при этом, уделено оценке надежности конструкций под действием циклических нагрузкок и предельной прочности с использованием понятия выбросов случайной функции, что хорошо подходит для высоконадежных сооружений.
В.В. Екимов отмечает [27], что основой вероятностных методов в строительной механике является метод предельных состояний. В строительной практике различают три предельных состояния, при которых дальнейшая эксплуатация конструкции становится невозможной: 1. Несущая способность - прочность, устойчивость и усталость; 2. Появление чрезмерных деформаций при сохранении прочности и устойчивости; 3. Образование трещин или их раскрытие при сохранении прочности и устойчивости.
Для стальных конструкций судов и плавучих доков основными являются предельная прочность и устойчивость элементов корпуса. Деформации, как правило, возникают при нарушений прочности и устойчивости. Усталость может проявиться только для крайних волокон эквивалентного бруса в миделевом сечении при перегонах доков. Расчет вероятности отказа можно выполнить с использованием зависимости из [95]: Р= Jp,(x)-Pr(x)dx = l- Jpr(x)-Pq(x)-dx, (1.5.1) где Pq(x) - плотность вероятности распределения нагрузки; рг (х) - плотность вероятности распределения прочности; Pq (х) - интегральная функция распределения нагрузки; РДх) - интегральная функция распределения прочности; х - переменная интегрирования. Для расчетов по (1.5.1) необходимо знать функции распределения нагрузки и прочности.
Распределение предела текучести стали хорошо описывается двухпарамєтрическим нормальным законом распределения [27] с указанными выше значениями среднего и стандарта. Распределение предельной прочности конструкций также может быть представлено в виде нормального закона [46]. Средние значения предельной прочности и устойчивости элементов корпуса определяются по соответствующим выражениям раздела 1.4. Выражения для стандартов предельной прочности и устойчивости элементов корпуса можно получить линеаризацией функций разложением в ряд Тэйлора [98, 99].
В результате основной проблемой является знание о функции распределения нагрузки. Решением проблемы является выполнение натурных замеров во время доковых операций. Однако статистическая база подобных экспериментов позволит объективно оценить только основные характеристики - среднее значение и стандарт.
Для оценки надежности корпусных конструкций при минимальном количестве исходных данных о вероятностных характеристиках прочности, устойчивости и нагрузки хорошо подходит метод, отнесенный в работах В.В. Болотина [7, 8] к элементарным вероятностным моделям.
Наиболее полно метод представлен в работе А.Р. Ржаницына [95]. При допущениях об отсутствии корреляции и нормальном распределении прочности, устойчивости и нагрузки, вычисление вероятности отказа элементов корпуса Р имеет вид
Исследования прочности корпусов плавучих доков
Результаты расчетов - изменение предельных напоров для балочных перекрытий и обшивки в функции от износа - показаны на рис. 3.2.6. Здесь дополнительно приведены значения действующих напоров при равномерной балластировке без эксплуатационных ограничений, а также предельные напоры, получаемые при использовании требований Правил РС-99 к площади поперечного сечения стенок рамного набора в районе вырезов под проход балок основного набора F. Для этого они были преобразованы к виду
В результате анализа рис. 3.2.6 можно сделать следующие выводы: - требования Правил PC к рамным балкам завышают фактическую прочность высоких тонких стенок рамного набора, не подкрепленного ребрами жесткости. Погрешность значительно возрастает (до двух раз) при увеличении высоты стенки рамной балки (в 1.7 раза) при износах 0+50 %, рис. 3.2.6; - при износах 0- 50 % обшивка значительно более прочная (в 2 раза и более), чем набор (точнее стенки шельфов у опор). Это подтверждается фактическим состоянием конструктивных элементов торцевых переборок -отсутствием бухтин, гофрировок и наличием вмятин в торцевых переборках. Наоборот, характерна потеря устойчивости, разрывы стенок шельфов (в основном у опор), см. раздел 1.1.
Граница износов в 50% принята как максимально допустимая в нормативной практике при диагностике листов и балок набора [83]. Как известно, данный норматив был предложен О.И Братухиным и одобрен коллективом кафедры конструкции судов ДВПИ (ДВГТУ). В оригинальном звучании достижение этого норматива не гарантирует непроницаемость связей на настоящий момент [88].
Учитывая данные табл. 3.2.1 и рис. 3.2.6, можно сделать вывод, что отказы шельфов по расчетам соответствуют фактическому техническому состоянию плавдока ГП 27000 т, см. раздел 1.1. В то же время запас прочности стенок шельфов цлавдока ГП 25000 т. при наибольших (по данным дефектаций) износах превышает 50 % от уровня напоров при равномерной балластировке.
Зафиксированный для дока ГП 25000 т единичный случай потери устойчивости стенки шельфа у опоры (стрелка выпучины около 10 мм) может быть объясним значительной изменчивостью нагрузки в центральных отсеках, а также незафиксированным усиленным местным износом. При прогрессировании износов снижение прочности перекрытий данного проекта дока произойдет значительно быстрее, чем для плавдоков ГП 27000 т, что связано с большим соотношением высоты и толщины стенки.
Как было показано выше, необходимо осуществлять корректировку предельного значения перерезывающей силы, с учетом явления потери устойчивости. Для установления границы такой корректировки при проектировании и диагностике зададим значения редукционного коэффициента q N в (1.4.7) должны быть больше 0.99. Это реализуется при выполнении условия
В результате ранее выполненных исследований найдены вероятностные характеристики нагрузок и коррозионного износа, определены выражения для вычислений предельной прочности конструктивных элементов плавучих доков. Необходимо вывести выражения для определения средних значений и стандартов прочности и устойчивости элементов корпуса.
С этой целью воспользуемся решением в [98, 99], при котором функция нескольких случайных величин f(x,,Xj,...xn) линеаризируется разложением в ряд Тейлора. В этом случае среднее значение функции случайных величин приближенно равно функции средних значений этих величин. Дисперсия функции некоррелированных случайных величин определяется как D,(x1,x2,...x„) = (6f/5x1)vD,1 +(6f/5x2)2vDX! +...(5f/6x„)jD,n, (3.3.1) где (5f/5x.i)v - производная по xr Аргументы заменены на их средние значения; D - дисперсия случайных величин х,.
Учитывая полученные в разделах 1.4. и 3.2. выводы, средние значения предельной прочности и устойчивости конструктивных элементов определяются по следующим выражениям: для набора с раскосами плавдока ГП 27000 т.
Все множители в выражениях (3.3.2-5) - средние значения, в том числе толщины элементов и значения предела текучести. Используя (3.3.1), получим следующие выражения для нахождения дисперсии предельной прочности и устойчивости элементов корпуса: - предельное давление для обшивки и настилов Таким образом, были найдены подходы для определения вероятностных характеристик предельной прочности листовых и балочных элементов корпуса. Это позволяет перейти к составлению методики оценки надежности элементов корпуса. При составлении методики использованы выполненные ранее в главах 1-3 исследования нагрузок, коррозионного износа, прочности и надежности.
Рекомендуемые к использованию расчеты надежности применимы в большей степени при проектировании, когда необходимо определять надежность, долговечность конструкций, а значит, их толщины и вес. Это в значительной степени определяет массу корпуса плавучих доков, и, соответственно, их стоимость.
Расчетам надежности предшествует стандартная процедура определения геометрических характеристик листовых элементов и балок набора. В отличие от применяемого сейчас подхода, рекомендуются формулы разделов 1.4, 3.2-3, основанные на критерии предельной пластической прочности, с учетом явлений потери устойчивости раскосов, стенок рамного набора и напряжений от общего изгиба, а также взаимодействия разных силовых факторов в поперечных сечениях элементов.
Расчет надежности выполняется на конец заданного срока эксплуатации, то есть рассматриваются уже изношенные конструкции. Для них необходимо выполнить расчеты, определяющие средние значения и стандарты предельных напоров (с использованием выражений разделов 3.2 и 3.3). Далее вычисляется вероятность отказа элементов корпуса по (1.5.2).
Разработка алгоритма и компьютерной программы диагностики корпусных конструкций с учетом эксплуатационных ограничений
Первый опыт практической реализации компьютерных технологий для автоматизированной оценки технического состояния корпусов плавучих доков предпринят нами для плавучего дока ГП 25000 т [17]. Оценка технического состояния основывалась на принципах прямого расчета изношенных конструкций по критерию фибровой текучести. Коэффициенты допускаемых напряжений принимались по Нормам прочности [65].
При разработке автоматизированной оценки технического состояния плавучего дока ГП 27000 т использовался критерий предельной прочности. Расчетные зависимости ранее были определены в разделах 1.4, 3.2-3. В разделе 3.2 определено, что предельная прочность для набора при минимуме предельной прочности, соответствующей образованию изгибных шарниров или при потере устойчивости зависит от толщины линейно (т = 1). Для обшивки и рамного набора при образовании сдвиговых шарниров с возможной потерей устойчивости стенки характерна квадратичная зависимость (ш = 2). Тогда для большей алгоритмизации расчетов, учитывая неизменности скорости коррозии во времени, получено выражение для прогнозирования предельной прочности где р0 - предельная прочность на момент постройки; П - процент износа связи на момент дефектации; Т - возраст на момент прогноза технического состояния; Тл - возраст на момент дефектации. Как известно, диагностика судовых конструкций основана на прогнозировании отказа или его отсутствия в возрасте Тв + ДТ, где Т. -возраст дока на момент диагностики, а ДТ - период освидетельствования, который для надводной части корпусов плавучих доков составляет 5 лет, а для подводной - 10 лет [82].
В выражении (4.2.2) прочность и нагрузка являются случайными величинами. При детерминированной постановке задачи применяется коэффициент запаса к3 по предельной прочности. Его можно принять равным 1.2 для обшивки и 1.3 для набора (аварийные переборки по [65]).
Для увеличения точности прогнозирования и последующего уточнения технического состояния для связей, с износом, близким к предельному, При расчете в детерминированной постановке принято использовать нормативное значение предела текучести стали. Номинальные напоры определяются по методике в разделе 2.4. Предложенный алгоритм диагностики имеет вид. 1) Определяется возраст дока на момент экспертизы. 2) Определяются эксплуатационные ограничения (или их отсутствие) по массе докуемых судов Дс, их осадке Тс, предельной глубине погружения дока dnp и периоду освидетельствования Т. 3) Из банка технического состояния выбирается износ П, соответствующий возрасту в момент дефектации Тд и признак m. 4) Определяются напоры при равномерной балластировке. Выполняется корректировка напоров с учетом неравномерности балластировки по ширине, высоте и длине плавучего дока. Формируется банк нагрузок. 5) Для каждой связи, зная ее начальную предельную прочность pD, износ в возрасте Тд и нагрузку, принимается решение, имеющее вид
Иначе - требуется ремонт. На основе вышеприведенного алгоритма, совместно с В.А. Кулешом, О.Э. Суровым и О.Г. Пичугиным, была разработана компьютерная программа [18, 23] (акт внедрения см. Приложение 4).
Предложенный алгоритм может быть также использован для разработки программ, передаваемых проектными организациями в комплекте технической документации к построенному плавучему доку. В таком случае периодические дефектации корпуса дока позволят только уточнять скорости коррозионного износа корпусных конструкций, по сравнению с нормативными значениями, заложенными в программу. Выгоды от оперативного прогнозирования объемов дефектации и ремонта с учетом разных эксплуатационных ограничений и периодов освидетельствования очевидны.
Оценка и обоснование приемлемого уровня надежности при проектировании конструкций доков на основе экономических критериев практически не отражены в литературе. Для решения этих задач в работе использован метод чистой приведенной стоимости (NPV), который является одним из основных при оценке инвестиционных проектов [105, 110]. Значение NPV определяется как разница между приведенными к начальному моменту времени всех доходов и расходов за заданный срок службы объекта или проекта. Приведение осуществляется с помощью так называемого коэффициента дисконтирования (ставки дисконта), который определяет уровень доходности разных инвестиционных возможностей. При финансовом анализе за ставку дисконта принимают процент, под который может получить заем данное предприятие. Обязательным условием принятия проекта к реализации является положительная величина NPV. Из двух сопоставимых проектов выбирается тот, у которого значение NPV наибольшее.
Стоимость дока в выражении (4.3.1) является расходами вначале эксплуатации дока. Предполагается, что. изменение вероятности отказа не меняет доходов от эксплуатации, а оказывает влияние на начальную стоимость (массу) и затраты на ремонт корпуса.
Принцип проектирования на конец эксплуатации, приятый во многих классификационных обществах [67, 80, 90], приводит к тому, что отказы корпуса должны приходится именно на конец эксплуатации в 45-50 лет. Однако это нереальная ситуация, и расходы следует отнести к капитальному ремонту, который обычно имеет место в середине срока службы.
Величина кр должна косвенно учитывать потери доходов судоремонтного предприятия и потому может существенно превышать значение 1. Для определения коэффициента f(p) рассмотрены листовые связи типичных перекрытий четырех плавучих доков, характеристики которых приведены в табл. 4.3.1. Как известно, масса листовых конструкций составляет большую часть (55-н60%) от массы всего корпуса. Это характерно не только для доков, но и для обычных судов [34].
