Введение к работе
Актуальность. Одним из наиболее эффективных способов повышения безопасности судов в аварийных ситуациях является выполнение специальных конструктивных мероприятий. Совершенно очевидно, что введение такой, ставшей ныне классической, конструкции, как двойное дно транспортных судов было именно таким мероприятием.
Аварийная прочность – направление строительной механики корабля, изучающее закономерности деформирования корпусных конструкций в аварийных ситуациях (типа навалов, столкновений, посадки на мель и т.п.), способы определения объема аварийных повреждений корпусных конструкций, а также методы управления развитием возможной аварийной ситуации за счет изменения конструкции корпуса судна.
По данным С.Ф.Глазова за 60е-80е годы ХХ в. навигационные аварии (столкновения и посадки на мель) составляют 63 % от аварий нефтяных танкеров, приведших к разлитию грузов (для химовозов – 53 %). Как показали исследования И.М.Короткина, анализировавшего аварии и катастрофы кораблей иностранных флотов за период 1900-1974г.г., навигационные аварии для них составляют 77 % от всех зарегистрированных.
По данным ЦНИИ МФ доля навигационных аварий составляла 45 % от общего их числа для танкеров валовой вместимостью 6000 брт и более в период 1968-1983 г.г.
Если первоначально целью аварийной прочности было только повышение живучести судна при авариях, то с появлением атомных судов и супертанкеров на первый план вышла задача предотвращения загрязнения окружающей среды экологически опасными веществами вследствие судовых аварий. Одновременно совершенствовались и пути решения задач аварийной прочности: от чисто эмпирических подходов к анализу статистики повреждений на основе вероятностных методов и, в дальнейшем, к созданию расчетных моделей разрушения корпусных конструкций.
Одной из первых задач аварийной прочности, решавшихся в отечественной практике, было обеспечение безопасности при аварийных навалах в процессе швартовки в море, в рамках которого решалась задача деформирования бортового перекрытия судна в упруго-пластической и пластической стадиях. По указанному направлению известны работы А.Г.Архангородского, Н.В.Барабанова, Л.М.Беленького, В.П.Белкина, А.М.Бененсона, Г.В.Бойцова, Е.П.Бураковского, А.И.Бронского, В.П.Дурнова, В.В.Козлякова, В.А.Курдюмова, А.И.Симановича и других.
С появлением в составе отечественного арктического флота атомных ледоколов возникла задача расчета эффективности противотаранной защиты их энергетических установок. Решая указанную задачу, существенный вклад в развитие отечественной аварийной прочности внесли сотрудники ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова Ю.Ф.Лепп и М.В.Филиппео.
Резкое увеличение дедвейта нефтяных танкеров, развитие флота химовозов, начало добычи нефти на морском шельфе сделали задачу расчета эффективности конструктивной защиты от навигационных аварий актуальной также для танкеров, химовозов и морских буровых установок. Эту задачу в нашей стране решали: Е.М.Апполонов, Г.В.Бойцов, С.В.Вербицкий, В.Н.Волков, Н.Н.Волков, С.М.Вилков, С.Ф.Глазов, А.А.Головкин, В.С.Дорин, В.И.Евенко, А.А.Захаров, Ю.А.Зимницкий, Б.М.Конторович, И.М.Короткин, С.Б.Кодацкий, С.С.Кощий, М.А.Кудрин, М.А.Кутейников, О.Е.Литонов, С.И.Логачев, Е.А.Маслич, О.М.Палий, А.А.Родионов, К.Е.Сазонов и другие.
Значительный вклад в решение указанных задач внесли и зарубежные исследователи. Так, среди специалистов, занимавшихся проблемой обеспечения защиты судовых атомных реакторов, обязательно должны быть отмечены Y.Akita, V.U.Mynorsky, K.A.Reckling, F.Spinelli, G.Woisin.
Исследования защищенности танкеров и химовозов при навигационных авариях проводятся в настоящее время за рубежом весьма широко, наиболее известны работы таких исследователей, как L.Cheang, P.Embrison, F.Fernandez-Gonsales, A.Guida, O.Kitamura, J.W.Lee, P.G.Noble, J.K.Paik, P.T.Pedersen, B.C.Simosen, T.Wierbicki.
В современных условиях, когда на повестке дня стоит освоение месторождений нефти и газа на арктическом побережье и шельфе России, следует ожидать не только количественного увеличения судов с экологически опасными веществами на борту, но и расширения их номенклатуры (например, стоечные суда для добычи и хранения нефти или газа), а также необходимости учёта новых опасных факторов (в частности, аварийных ледовых воздействий). Таким образом, актуальность работы не вызывает сомнений.
Целью работы является решение проблем аварийной прочности и обеспечения экологической безопасности судов, предназначенных для морской транспортировки токсичных грузов, за счет совершенствования судокорпусных конструкций. Для этого необходимо создание прогрессивной технологии обеспечения аварийной прочности корпусов таких судов, включающей разработку расчётных сценариев аварийной ситуации и новых конструктивных решений, прогнозирование объёма повреждений и оценку защищённости судов.
Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи:
-
Выявление типичных аварийных повреждений судов и основных видов аварийных ситуаций, подлежащих анализу.
-
Разработка общей методики регламентации аварийной прочности судов, описывающей основные методы проведения исследований по трём главным направлениям: разработка сценариев аварийных ситуаций, обоснование критериев безопасности (защищённости), построение расчётных моделей разрушения корпусных конструкций.
-
Выработка критерия разрушения листовых элементов судокорпусных конструкций, подверженных растяжению и изгибу, который учитывает как реальные резервы пластического деформирования материала, так и факторы, способствующие их снижению.
-
Разработка практически применимых методов расчета параметров силового взаимодействия и энергопоглощения при деформировании судокорпусных конструкций в аварийных ситуациях с учётом образования трещин, как для традиционных конструкций судового корпуса, так и для специальных защитных конструктивных элементов.
-
Построение вероятностно-экономической концепции регламентации защищенности судов и нормирования аварийной прочности применительно к типичным аварийным ситуациям, включающей сопоставление затрат на усиление защитных конструкций с ожидаемым статистически взвешенным ущербом от аварии.
-
Разработка методических принципов проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов, на основе обобщения накопленного опыта обеспечения безопасности судов, имеющих на борту экологически опасные вещества.
Методы исследований. Методы теории пластичности, теории предельного равновесия, экспериментальные методы исследования работы конструкций в области пластических деформаций, методы технико-экономического анализа, методы теории вероятности и математической статистики, методы нелинейной оптимизации, методы моделирования разрушения льда при взаимодействии с корпусом судна.
Научная новизна и основные научные результаты:
-
Разработана общая технология оценки безопасности судна при навигационных авариях. Предложены способы конкретизации расчетных сценариев типовой аварии, формирования и уточнения критериев защищенности, разработки и совершенствования расчетных моделей разрушения корпусных конструкций.
-
Обоснована целесообразность использования для решения задач аварийной прочности методов расчета усилия взаимодействия и энергопоглощения при глубоком пластическом деформировании корпусных конструкций на основе инженерных физических моделей, верифицированных с помощью экспериментов на натурных и полунатурных конструкциях.
-
Сформулирован критерий разрушения для листовых элементов, учитывающий особенности деформирования судокорпусных конструкций при авариях.
-
Разработаны методы расчета усилия взаимодействия и энергопоглощения при глубоком пластическом деформировании всех типов традиционных и некоторых специальных корпусных конструкций.
-
Разработан комплекс методик решения задач аварийной прочности на основе инженерных физических моделей, включающий методики определения объёма повреждений при столкновении судов, обсыхании на мели, касании подводного камня днищем на волнении, столкновении с подводной преградой, падении груза, ударе о грунт в случае аварийного затопления судна;
-
Сформулирован критерий защищенности в случае удара о подводный камень на волнении, основанный на регламентации максимально допустимой глубины внедрения камня. На основе сформулированного критерия предложено специальное конструктивное решение для повышения защищённости в случае удара о подводный камень на волнении (на конструкцию получен патент РФ №2096241).
-
Разработан метод выполнения вероятностно-экономического анализа целесообразности усиления конструктивной противотаранной защиты на основе оригинального критерия, учитывающего стоимость ликвидации последствий вылива нефти в результате аварийного столкновения.
-
Предложен оригинальный сопоставительный инженерный критерий оценки экологической безопасности при навигационных авариях судов, имеющих на борту высокотоксичные или радиоактивные вещества, применимый к аварийным ситуациям типа «столкновение судов» и «посадка на камень».
-
Сформулированы рекомендации по использованию аппарата формальной оценки безопасности для оценки аварийной прочности судов.
-
Разработана общая технология проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов как с использованием только традиционных перекрытий судового корпуса, так и на основе специальных конструкций.
Практическая ценность работы связана с решением важной проблемы методического обеспечения проектирования корпусов судов, перевозящих экологически опасные вещества, способных с необходимой надежностью предотвращать попадание их в окружающую среду в аварийных ситуациях. Результаты исследований обеспечивают регламентацию аварийной прочности судов на основе верифицированных методик определения объёма повреждений в аварийных ситуациях. Разработанная комплексная технология обеспечения аварийной прочности судов позволяет на научной основе решать задачи проектирования корпусов перспективных судов, перевозящих экологически опасные вещества, а также задачи оценки риска недопустимых повреждений существующих судов.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
-
Методика оценки безопасности судна при навигационных авариях, включающая три основных направления: разработка сценариев аварийных ситуаций; обоснование критериев безопасности (защищённости); построение расчётных моделей разрушения корпусных конструкций.
-
Критерий разрушения листовых элементов, учитывающий особенности деформирования судокорпусных конструкций при авариях.
-
Расчетные методы, описывающие процесс глубокого пластического деформирования корпусных конструкций, образования трещин и разрывов, основанные на инженерных физических моделях, верифицированных с помощью экспериментов на натурных и полунатурных конструкциях.
-
Технология проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов, с использованием традиционных и специальных конструктивных решений.
-
Вероятностно-экономический анализ целесообразности усиления конструктивной противотаранной защиты нефтяных танкеров на основе критерия, учитывающего стоимость ликвидации последствий аварийного вылива нефти в результате столкновения.
-
Сопоставительный критерий оценки экологической безопасности при навигационных авариях судов, имеющих на борту высокотоксичные или радиоактивные вещества.
Внедрение результатов работы. На основании выполненных исследований созданы «Методические рекомендации по расчёту прочности защитных оболочек и конструктивной защиты АЭУ», которые и в настоящее время используются в отечественной практике для оценки эффективности противотаранной защиты.
Разработанные в диссертации расчетные методы легли в основу сложившейся к настоящему времени отечественной методической базы и практики оценки и регламентации аварийной прочности судов и плавучих сооружений. Они использовались при проектировании перспективных судов: атомного ледокола (пр. 22220, ОАО «ЦКБ «Айсберг»), плавучего атомного энергоблока (пр. 20870, ОАО «ЦКБ «Айсберг»), крупнотоннажных арктических газовозов (пр. 23750, Северное ПКБ), надводных кораблей, плавучих нефте- и газохранилищ, а также при разработке в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова технико-экономического обоснования транспортной системы для вывоза нефти с месторождения Приразломное (оценка риска разлива нефти вследствие навигационных аварий танкеров).
Другим важным направлением применения новых результатов явилось обоснование возможностей повышения эксплуатационной надежности и продления срока службы существующего флота судов АТО (ПТБ пр. 2020 и ПТБ «Имандра», ОАО «ЦКБ «Айсберг»).
Существенную роль новая методология регламентации аварийной прочности и оценки объёма повреждений в аварийных ситуациях сыграла при выборе принципиальных технических решений для ряда судов на этапах предпроектных проработок и эскизного проектирования (круизное судно итальянской фирмы FINCANTIERI, крупнотоннажный арктический газовоз ЦКБ «Балтсудопроект», плавучее газохранилище фирмы MOSS Maritime и др.).
Результаты работы были использованы при выполнении Федеральных Целевых Программ «Национальная технологическая база» и «Развитие гражданской морской техники» (НИР «ПЛАСТИКА», «АРКТИКА-КРАБ», «СБОР», «СПГ-Альтернатива»).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на всероссийских конференциях по строительной механике корабля памяти академика Ю.А.Шиманского в 2001 г. и «Бубновские чтения» в 2004 г., а также на международных научно-технических конференциях к 300-летию Российского флота «Navy and Shipbuilding Nowadays» в 1996 г., третьей международной конференции по судостроению в ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова в 2002 г. (ISC’2002), «Arctic Shipping 2006» (Санкт-Петербург), «Greenship’2011» (Wuxi, Китай).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 27 научно-технических статей (включая 10 в изданиях из перечня ВАК и 3 патента) и выпущены 54 научно-технических отчета.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 180 страниц текста, 98 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 297 названий, приложения содержат 6 страниц текста, 6 рисунков, 12 таблиц.
