Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные проблемы эксплуатации морских судов Российского флота 13
1.1. Проблемы обновления морского флота России 13
1.2. Проблемы обеспечения безопасности судов, находящихся в эксплуатации 19
1.3. Общая характеристика проблемы продления срока эксплуатации судов 27
Выводы по главе 1 34
Глава 2. Подходы к исследованию проблемы обеспечения конструктивной безопасности морских судов и систематизация данных о повреждаемости корпусных конструкций 37
2.1. Проблемы объективной оценки конструктивной безопасности 37
2.2. Подходы к исследованию проблемы обеспечения конструктивной безопасности морских судов 40
2.3. Анализ данных о повреждаемости судовых корпусных конструкций 49
2.4. Обзор и анализ остаточных повреждений корпусов судов 77
Выводы по главе 2 94
Глава 3. Методология оценки технического состояния и объема ремонта корпусов судов, находящихся в эксплуатации 96
3.1. Общеметодологические подходы к оценке риска обеспечения конструктивной безопасности морского судна 96
3.2. Определение прогностической модели старения корпуса судна 102
3.3. Формирование информационной базы данных об изменениях технического состояния корпуса судна в процессе его эксплуатации 104
3.4. Особенности анализа технического состояния и назначения восстановительного ремонта корпуса эталонного судна 112
Выводы по главе 3 117
Глава 4. Теоретические основы и методология исследования несущей способности набора корпуса судна 118
4.1. Особенности работы продольных балок набора корпуса судна при повреждении сварных швов 118
4.2. Выбор рабочей гипотезы и расчетная схема работы балок судового набора 122
4.3. Аналитическое исследование влияния подкреплений на несущую способность балочной ветви судового набора 130
4.4. Исследование системы обеспечения конструктивной безопасности морских судов 139
4.5. Алгоритмы оценки и восстановления конструктивной безопасности морских судов 144
4.6. Экспериментальное исследование несущей способности подкрепленной балочной ветви 147
Выводы по главе 4 158
Глава 5. Методология анализа и синтеза новой технологии восстановления прочности и герметичности пластин судового корпуса 159
5.1. Построение математической модели 159
5.1.1. Выбор рабочей гипотезы и расчетной схемы объекта исследования 159
5.1.2. Анализ разгрузки пластины с трещиной методом конечных элементов (МКЭ) 165
5.1.3. Построение математической модели и вывод расчетных аналитических зависимостей 173
5.2. Экспериментальное исследование прочности сварных соединений с гребенчатой разделкой 185
5.2.1. Построение физической модели исследуемого объекта и планирование эксперимента 185
5.2.2. Постановка опытов и обработка результатов эксперимента 188
5.2.3. Сравнительная оценка классической и новой технологий ремонта трещин 200
5.3. Экспериментальное исследование эффективности влияния режимов сварки и сварочных материалов на качество соединения, выполненного способом гребенчатой разделки 208
5.3.1. Постановка опытов 208
5.3.2. Обработка экспериментальных данных 212
5.3.3. Металлографические исследования швов сварных соединении 220
5.3.4. Техническое нормирование сварочных работ на соединение судовых пластин с использованием способа гребенчатой разделки 227
Выводы по главе 5 .: 230
Основные выводы и заключение 232
Список использованных источников 235
Приложение 1 254
- Проблемы обеспечения безопасности судов, находящихся в эксплуатации
- Подходы к исследованию проблемы обеспечения конструктивной безопасности морских судов
- Формирование информационной базы данных об изменениях технического состояния корпуса судна в процессе его эксплуатации
- Аналитическое исследование влияния подкреплений на несущую способность балочной ветви судового набора
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В связи с изменившейся экономической ситуацией в нашей стране в транспортной отрасли возникло множество сложных проблем. При всем их разнообразии, на общем фоне повышения ответственности транспортных организаций за сроки доставки грузов и их сохранность, все заметнее становится влияние на качество перевозки проблемы обеспечения эксплуатационной безопасности морских судов. Сейчас эта проблема усугубляется интенсивным старением флота и замедленными темпами его обновления. Вместе с тем, мировое сообщество, озабоченное участившимися случаями аварий судов с катастрофическими исходами, существенно ужесточило контроль за соблюдением норм и стандартов безопасности. В соответствии с требованиями МКУБ обеспечение эксплуатационной безопасности является первейшей обязанностью судоходной компании. При этом априори подразумевается, что судно, получившее разрешение на перевозку, удовлетворяет всем критериям безопасности, установленным экспертами. Однако, несмотря на принимаемые меры, на море аварии по-прежнему происходят и частота их не снижается. По-видимому, существующие критерии, определяющие эксплуатационную безопасность судов, в должной мере не обоснованы, а результаты экспертных оценок оказываются недостоверными. Это заставило специалистов усомниться в состоятельности принятых при разработке действующих норм и правил подходов к оценке безопасности. На основании материалов исследований аварийной статистики по повреждениям корпусов судов нами установлено, что по тяжести аварий доминантной составляющей эксплуатационной безопасности на морском транспорте является конструктивная безопасность судов. Аварии, связанные с повреждениями корпуса судна трудно предвидеть и во многих случаях они заканчиваются тяжелыми катастрофами. Как правило, такие аварии происходят не сразу.
Возникновению опасных ситуаций предшествует фаза накопления дефектов в корпусных конструкциях. Эти внешние признаки их проявления, чаще всего, бывают скрыты от визуального наблюдения. Возникающие повреждения практически всегда недоступны для дефектовки и ликвидации их в рейсе. Сам процесс разрушения корпусных конструкций скоротечен. Поэтому в экстремальных условиях редко удается спасти команду и пассажиров. Отсюда можно сделать вывод, что решения задач, касающихся своевременного распознавания предпосылок угроз, принятия упреждающих мер по противодействию опасности, представляют интерес, как с научной, так и с практической точек зрения.
Актуальность и необходимость дальнейшего изучения обозначенной проблемы подтверждается результатами фундаментальных исследований ведущих отечественных и зарубежных ученых в области эксплуатации судов, проектирования корпусных конструкций, их диагностики и ремонта: Е. М. Апо- ллонова, А. Г. Архангородского, Н. В. Барабанова, А. М. Бененсона, Г. В. Бой- цова, И. М. Бородина, И. М. Бочкова, А. С. Брикера, А. П. Бронского, Е. П. Бу- раковского, Л. А. Васильева, М. Б. Вахитова, В. В. Козмякова, М. Н. Гаврилова, Н. Н. Гашкевича, А. А. Гвоздева, Р. Гильмора, К. П. Горбачева, П. Н. Дорохова, И. В. Друмева, Н. Ф. Ершова, Е. Ю. Желинской, В. А. Жиборова, С. Б. Карава- нова, И. И. Кисловой, В. В. Козлякова, Д. В. Коняева, Я. П. Короткина, В. В. Костырко, Н. А. Крылова, В. А. Кулеша, А. А. Курдюмова, В. Н. Кустова, В. М. Лисенкова, О. Е. Литова, В. А. Лихоманова, А. 3. Локшина, В. Т. Луценко, А. П. Максимаджи, С. С. Малахова, Г. В. Матюхина, Н. А. Махутова, Д. Н. Навроцкого, П. Т. Павлова, И. X. Порканского, В. В. Партона, В. А. Постнова, Н. А. Притыкина, М; Е. Путова, В. А. Резниченко, Н. А. Решетова, А. А. Родионова, А. В. Розенбаума, Л. П. Слепяна, Н. В. Степанова, Д. М. Ростовцева, О. Я. Тимофеева, Д. М. Томпсона, Б. Е. Топчия, В. А. Туркина, Г. П. Турмова, А. В. Файвисовича, О. Ф. Хьюза, Д. Т. Чапкиса, В. С. Чувиковского, В. П. Шашу-
бина, М. К. Шалкина, А. Д. Юнитера, Y. Akita, А. С. Antonion, W. Y. Beer, D. Bertram, H. Biles, R. V. Brown, C. Yordan, K. Kussmaul, L. Morgan, R. Nagamoto, A. S. Purelly, E. A. Phillips, С. H. Tsao.
Разработки названных авторов нами изучены. Они послужили основой для построения новых моделей старения корпуса судна и оценки остаточной несущей способности корпусных конструкций. Между тем, следует отметить, что работы этих авторов базируются на определенной системе основных положений, выявление и критический анализ которых позволил сформулировать иные исходные положения, позволяющие более полно и по иному учитывать некоторые особенности решения проблемы обеспечения прочности и остаточного ресурса в процессе эксплуатации, особенно при авариях и нештатных ситуациях. В этой связи предпринятое нами комплексное исследование проблемы, связанное с выработкой новых теоретических подходов к оценке технического состояния корпуса судна, а также разработкой мер по совершенствованию системы обеспечения конструктивной безопасности судна, представляется важным и актуальным.
Практическая направленность исследования ориентирована на разработку: нового инструментария для диагностики технического состояния корпуса судна в реальном режиме времени и новых средств и технологий восстановления прочности пластин и набора, имеющих повреждения.
Актуальность постановки выявленной проблемы, ее практическая значимость и методологическая непроработанность определили выбор темы диссертационной работы.
Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состоит в том, чтобы на основе обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований, накопленного опыта эксплуатации судов и нового методологического подхода, разработать научно обоснованные: инструментарий диагностики технического состояния корпусов судов, находящихся в эксплуатации, и новые средства восстановления поврежденных корпусных конструкций.
Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:
системного анализа внешней среды, влияющей на решение проблемы обеспечения конструктивной безопасности морских судов, находящихся в эксплуатации;
разработки единого методологического подхода к оценке риска обеспечения конструктивной безопасности морских судов;
формирования обобщенной информационной базы данных о динамике изменений технического состояния корпуса судна в процессе его эксплуатации;
построения прогнозной модели изменения технического состояния и назначения восстановительного ремонта корпуса эталонного судна;
выполнения исследования остаточного ресурса несущей способности системы набора корпуса, обеспечивающей конструктивную безопасность морских судов;
разработки алгоритмов оценки и восстановления несущей способности балок набора корпуса;
разработки методологии анализа и синтеза новой технологии ремонта пластин корпуса судна, расширяющих предметную область исследований в технологии судоремонта.
Объектом исследования являются: эксплуатация и ремонт основных фондов на транспорте.
Предмет исследования: средства и методы обеспечения конструктивной безопасности морских судов.
Область исследования: разработка методов и систем обеспечения безопасности плавания в современных условиях; совершенствование технологии выполнения работ и их организации в судоремонте.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории систем, теории математической статистики, теории риска и теории катастроф, метод конечных элементов, методы подобия и размерностей, методы дифференциальной геометрии, методы планирования многофакторного эксперимента. Металлографические исследования выполнялись путем изучения макрошлифов сварных соединений пластин. Эмпирические зависимости строились на основе регрессионного анализа и представлялись в безразмерном виде.
Научная новизна состоит в том, что в диссертации:
выполнен системный анализ и раскрыты закономерности повреждаемости корпусных конструкций морских судов;
предложена модель старения корпуса, впервые учитывающая иерархию функционирования её элементов;
разработан и научно обоснован инструментарий для оценки риска обеспечения конструктивной безопасности судов на весь период их жизненного цикла;
впервые, с использованием метода теории катастроф, решена задача по определению остаточного ресурса набора корпуса, имеющего повреждения;
развиты научные представления о механизме и характере потери несущей способности балок набора корпуса и получены новые аналитические зависимости для определения параметров подкрепляющих связей;
разработана методология анализа и синтеза новой технологии ремонта пластин судового корпуса;
созданы и проверены программные средства для оценки и прогнозирования технического состояния корпуса судна в реальном режиме времени.
Практическая ценность работы связана с решением актуальной научно- технической проблемы обеспечения конструктивной безопасности судов, находящихся в эксплуатации.
Разработанные в диссертации модели позволяют создать типовой инструментарий для прогнозирования изменений технического состояния корпуса на весь период жизненного цикла судна. Используемые в диссертации подходы и методики обобщения накопленных данных многолетних наблюдений за техническим состоянием судов, повреждаемостью корпусных конструкций и методам их восстановления могут лечь в основу разработок: новых технологий ремонта корпуса судна и систем управления безопасностью (СУБ) судов.
Предложенные в работе: методы оценки технического состояния корпусных конструкций; способы заварки трещин и варианты подкреплений поврежденных балок набора, расширяют технологические возможности судоремонтных заводов.
Информационная база исследования:
источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, ремонтных ведомостей, донесений капитанов судов, отчетов по НИР, материалов научных конференций и семинаров;
официальные документы правовой базы, включающие законы РФ, указы Президента РФ, Постановления и программы Правительства РФ, кодексы и Конвенции международных организаций, правила и нормы Российского морского Регистра судоходства.
Достоверность и обоснованность полученных результатов проведенных исследований подтверждается корректным применением научных методов решения поставленных в диссертации задач, достоверностью исходной информационной базы, широкой апробацией расчетных зависимостей и их хорошей сходимостью с экспериментальными данными, а также апробацией в практике деятельности судоремонтных заводов и судоходных компаний.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы широко использовались в практике работы сюрвейерских компаний при подготовке экспертных заключений о
состоянии судов для судовладельцев, страховых компаний и арбитражных судов. Они также использовались при разработке нормативных материалов, одобренных Тихоокеанской инспекцией морского Регистра судоходства России: «Способ заварки трещин»; «Программа и методика приемочных испытаний»; «Типовая технология ремонта трещин в судовых конструкциях способом гребенчатой разделки кромок»; «Дополнение к типовой технологии ремонта трещин и судовых конструкциях способом гребенчатой разделки кромок»; «Инструкция по герметизации металлических палуб и переборок судов»; «Новые схемы лакокрасочных защитных покрытий от коррозии листов наружной обшивки подводной части морских судов»; «Методика оценки стоимости судов, находящихся в эксплуатации».
Апробация работы. Диссертационная работа является обобщением исследовательских и практических работ, которые автор выполнял с 1985 г. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГМА (МГУ) им. адм. Г. И. Невельского (1986-1991 гг.); на XI Дальневосточной научно-технической конференции «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций» НТО им. акад. А. Н. Крылова, 1990 г.; на Всесоюзных межвузовских научно-технических конференциях в ТОВМУ (1989-1990 гг.); на международных конференциях ДВО Российской Академии транспорта «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1995,1997,1999,2001,2003 и 2005 гг.); Международной конференции «Экономика в координатах постиндустриального развития: Региональный аспект» (Хабаровск, 2002 г.); 2-я и 3-я Международные конференции по судостроению - ISC (С-Петербург, 1998; 2002 г.г.); Международная научно-практическая конференция, Безопасность водного транспорта (С-Петербург, 2003 г.).
На защиту выносятся: - концептуальный подход к формализации задачи оценки остаточного ресурса корпуса судна исходя из обобщающего понятия конструктивной безопасности;
методологический подход к разработке инструментария оценки риска обеспечения конструктивной безопасности судна;
прогнозная модель изменения технического состояния и назначения восстановительного ремонта корпуса судна;
научные представления о механизме и характере потери несущей способности балок набора корпуса;
методология анализа и синтеза технологии ремонта пластин судового корпуса.
Публикации. Результаты выполненных исследований по теме диссертации изложены в 43 научных трудах соискателя. В том числе: 2 монографиях, 39 статьях в сборниках научных трудов, материалах международных конференций и журналах. На новые технические решения получены 2 патента.
Проблемы обеспечения безопасности судов, находящихся в эксплуатации
Научная новизна состоит в том, что в диссертации: - выполнен системный анализ и раскрыты закономерности повреждаемости корпусных конструкций морских судов; - предложена модель старения корпуса, впервые учитывающая иерархию функционирования её элементов; - разработан и научно обоснован инструментарий для оценки риска обеспечения конструктивной безопасности судов на весь период их жизненного цикла; - впервые, с использованием метода теории катастроф, решена задача по определению остаточного ресурса набора корпуса, имеющего повреждения; - развиты научные представления о механизме и характере потери несущей способности балок набора корпуса и получены новые аналитические зависимости для определения параметров подкрепляющих связей; - разработана методология анализа и синтеза новой технологии ремонта пластин судового корпуса; - созданы и проверены программные средства для оценки и прогнозирования технического состояния корпуса судна в реальном режиме времени.
Практическая ценность работы связана с решением актуальной научно- технической проблемы обеспечения конструктивной безопасности судов, находящихся в эксплуатации. Разработанные в диссертации модели позволяют создать типовой инструментарий для прогнозирования изменений технического состояния корпуса на весь период жизненного цикла судна. Используемые в диссертации подходы и методики обобщения накопленных данных многолетних наблюдений за техническим состоянием судов, повреждаемостью корпусных конструкций и методам их восстановления могут лечь в основу разработок: новых технологий ремонта корпуса судна и систем управления безопасностью (СУБ) судов.
Предложенные в работе: методы оценки технического состояния корпусных конструкций; способы заварки трещин и варианты подкреплений поврежденных балок набора, расширяют технологические возможности судоремонтных заводов. Информационная база исследования: - источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, ремонтных ведомостей, донесений капитанов судов, отчетов по НИР, материалов научных конференций и семинаров; - официальные документы правовой базы, включающие законы РФ, указы Президента РФ, Постановления и программы Правительства РФ, кодексы и Конвенции международных организаций, правила и нормы Российского морского Регистра судоходства. Достоверность и обоснованность полученных результатов проведенных исследований подтверждается корректным применением научных методов решения поставленных в диссертации задач, достоверностью исходной информационной базы, широкой апробацией расчетных зависимостей и их хорошей сходимостью с экспериментальными данными, а также апробацией в практике деятельности судоремонтных заводов и судоходных компаний. Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы широко использовались в практике работы сюрвейерских компаний при подготовке экспертных заключений о состоянии судов для судовладельцев, страховых компаний и арбитражных судов. Они также использовались при разработке нормативных материалов, одобренных Тихоокеанской инспекцией морского Регистра судоходства России: «Способ заварки трещин»; «Программа и методика приемочных испытаний»; «Типовая технология ремонта трещин в судовых конструкциях способом гребенчатой разделки кромок»; «Дополнение к типовой технологии ремонта трещин и судовых конструкциях способом гребенчатой разделки кромок»; «Инструкция по герметизации металлических палуб и переборок судов»; «Новые схемы лакокрасочных защитных покрытий от коррозии листов наружной обшивки подводной части морских судов»; «Методика оценки стоимости судов, находящихся в эксплуатации».
Апробация работы. Диссертационная работа является обобщением исследовательских и практических работ, которые автор выполнял с 1985 г. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГМА (МГУ) им. адм. Г. И. Невельского (1986-1991 гг.); на XI Дальневосточной научно-технической конференции «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций» НТО им. акад. А. Н. Крылова, 1990 г.; на Всесоюзных межвузовских научно-технических конференциях в ТОВМУ (1989-1990 гг.); на международных конференциях ДВО Российской Академии транспорта «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1995,1997,1999,2001,2003 и 2005 гг.); Международной конференции «Экономика в координатах постиндустриального развития: Региональный аспект» (Хабаровск, 2002 г.); 2-я и 3-я Международные конференции по судостроению - ISC (С-Петербург, 1998; 2002 г.г.); Международная научно-практическая конференция, Безопасность водного транспорта (С-Петербург, 2003 г.).
На защиту выносятся: - концептуальный подход к формализации задачи оценки остаточного ресурса корпуса судна исходя из обобщающего понятия конструктивной безопасности; - методологический подход к разработке инструментария оценки риска обеспечения конструктивной безопасности судна; - прогнозная модель изменения технического состояния и назначения восстановительного ремонта корпуса судна; - научные представления о механизме и характере потери несущей способности балок набора корпуса; - методология анализа и синтеза технологии ремонта пластин судового корпуса. Публикации. Результаты выполненных исследований по теме диссертации изложены в 43 научных трудах соискателя. В том числе: 2 монографиях, 39 статьях в сборниках научных трудов, материалах международных конференций и журналах. На новые технические решения получены 2 патента.
Подходы к исследованию проблемы обеспечения конструктивной безопасности морских судов
Ввиду того что 25-м комплектом поправок (п. 8.3.3, 8.3.4 Приложения 1 и к основному тексту Парижского Меморандума) предусматривается обследование балластных танков при расширенных инспекциях танкеров и балкеров, с учетом мнения ИНТЕРТАНКО 36, сессия Парижского меморандума признала наличие объективных трудностей при проведении подобных работ и приняла решение о создании новой рабочей группы по данному аспекту [108]. Также неясными остаются вопросы о правомочности офицера РБС отдать распоряжение о проведении замеров остаточных толщин, что не в полной мере корреспондируется с резолюцией ИМО А. 744.
На практике при оценке конструктивной безопасности, как правило, офицер РБС ограничивается записью о коррозии соответствующей части корпуса с предоставлением 3-месячной отсрочки для устранения несоответствия. Это дословно означает, что указанная конструкция (часть корпуса) должна быть очищена и окрашена к следующей инспекции.
Поэтому, как правило, контроль за конструктивной безопасностью осуществляют классификационные общества путем проведения ежегодных, промежуточных (в том числе один раз в 2,5 года) и классификационных освидетельствований (очередных), проводимых один раз в 5 лет.
Однако остается неясным вопрос, как быть с конструктивной безопасностью судов, не имеющих класса. Фактически освидетельствование конструктивной безопасности таких судов должна проводить соответствующая администрация флага (назначенное ею лицо или организация). На деле же с открытием новых удобных реестров судов и большой сложностью в оценке технического состояния корпусов судов, построенных по различным правилам, оценка конструктивной безопасности носит довольно поверхностный (формальный) характер.
Например, сам факт периодических докований судов (раз в 36 месяцев) признается администрацией как соответствие конструктивной безопасности конвенционным требованиям.
Введение МКУБ имеет своей целью повысить уровень безопасности мореплавания, однако пока оно не привело к заметному улучшению дел в этом направлении.
Морские страховые компании регистрируют увеличение потерь судов в мире на 200 %, а службы государственного портового контроля регистрируют повышение количества задержанных (по причине субстандартности) судов на 150 %. Причина - несоблюдение требований МКУБ судовладельцами на практике [198].
Внутренний и внешний аудит судоходных компаний, осуществляемый классификационными обществами по линии ИМО, не приносит желаемых результатов по соблюдению требований МКУБ. Встает вопрос о том, как и кто может проконтролировать качество аудиторской проверки. В принципе это могли бы сделать офицеры PSC, но парадокс ситуации состоит в том, что если бы МКУБ был с самого начала внедрен должным образом, то само существование служб Госпортконтроля оказалось бы под вопросом, так как по результатам проверки должны были бы выдаваться «чистые акты» формы В.
Выполненный выше анализ (см. разд. 1.1) проблемы обеспечения безопасности транспортных средств в морской отрасли показал (и это признано отечественными и зарубежными специалистами,[179-190, 198-204] ;-, что ситуация, в которой оказался торговый флот России, характеризуется кризисом основных средств - износом флота и сокращением его количественного состава. Суммы средств, необходимые для возрождения Российского флота, оказываются соизмеримыми с национальным бюджетом страны [96-99,102].
В связи с этим сейчас актуальными являются исследования, связанные с продлением сроков эксплуатации «старых» судов путем восстановления их работоспособности за счет обновления и модернизации, в основном их корпуса [137]. Однако, как оказалось, сегодня для обоснования возможности решения этой задачи нет стройной теоретической базы. В этой области знаний явно просматривается [17,22,25,26,28-33,42,52,80,82,86,106] дефицит новых теоретических концепций [94] и видения возможных подходов к измерению реальной несущей способности корпусных конструкций судов, методологий и теорий, касающихся выявления и реализации неиспользуемых ресурсов, заложенных в них при проектировании и постройке [92,95,134]. Поэтому нами предлагается новый методологический подход к обеспечению прочности корпусов судов на базе управления остаточным ресурсом их конструктивной безопасности.
На вербальном уровне обоснование предлагаемого подхода состоит в следующем. При проектировании корпусных конструкций [44,52] решается задача создания таких конструкций, которые способны безотказно длительное время выполнять заданные эксплуатационные функции. Поэтому корпус судна в заданный (проектный) промежуток времени за счет запасов прочности не может (теоретически) оказаться за границами предельного состояния. Следуя [69], это условие можно записать в следующем виде:
Формирование информационной базы данных об изменениях технического состояния корпуса судна в процессе его эксплуатации
Подобная проблема объективной оценки конструктивной безопасности судов исторически сложилась в соответствии со спецификой морского судоходства, когда суда строятся и находятся под надзором различных классификационных обществ. Страны, входящие в Международную морскую организацию (ИМО)} по-прежнему считают, что ИМО должна установить минимальные технические стандарты класса при строительстве новых судов, поскольку в условиях, когда нет единых международных стандартов, классификационные общества в принципе имеют право модифицировать стандарты так, как они сочтут нужным [199].
Греция и судоходный регистр Багамских островов, отмечают, в частности, что отсутствие международно признанных стандартов класса судов ведет к тому, что методы анализа металла на усталость в различных классификационных обществах разнятся. В результате на танкерах с двойным корпусом нередко обнаруживаются трещины в самых уязвимых местах, что чревато переломом корпуса в открытом море. Кроме того, разнобой стандартов ведет к тому, что строятся принципиально неремонтопригодные суда. И никто не несет за это ответственность [108].
На заседаниях комитета по безопасности ИМО неоднократно отмечалось, что предсказать возможность катастроф на море может только научный анализ рисков и управления рисками. Все это позволит лучше понять природу катастроф на море и создать условия для их предотвращения или, за счет принятия базовых профилактических мер [181], снижения их последствий. Однако просчитать, предупредить и ликвидировать последствия рисков на море в условиях заведомо неполной информации просто невозможно. Сама по себе обсуждаемая проблема не нова, но сегодня наиболее актуальным является разрешение двух аспектов этой проблемы, касающихся определения степени риска и разработки научных принципов и обоснований мероприятий, направленных на уменьшение рисков, связанных с обеспечением конструктивной безопасности морских судов. Между тем, несмотря на то, что узаконенного определения риска в международном морском праве пока не существует, в теории статистических решений [157] вводится мера «риска». Считается, что «риск равен разности между ожидаемым результатом действий при наличии точных данных обстановки и результатом, который может быть достигнут, если данные точно не известны». Примерно такое же определение дает и В. А. Абчук. Он пишет [1]: «Чтобы рассчитать вероятность риска, необходимо вычесть вероятность выхода предсказанного события из вероятности появления любого возможного». В данном случае последняя вероятность будет равна 1,0. Математическая запись этого определения будет более понятна, если обозначить риск Я (/.), вероятность выхода предсказанного события - Р (Лг.), отсюда можно сделать вывод, что существует определенная несущая «способность» конструкции N - /(стДДу), зависящая от характеристики с механических свойств материала конструкции и ее геометрических параметров - X, р и у. Следовательно, чтобы определить «уровень» способности Л" конструкции противостоять внешним воздействиям, достаточно знать, в какой точке пространства параметров а, X, (3 и у в данный момент времени находится рассматриваемая конструкция. На первый взгляд кажется, что по этой формуле можно определять риск без особых затруднений. Между тем без специальных исследований предметной области рассматриваемого события рассчитать величину риска практически невозможно. В первую очередь это касается определения (или задания) закона распределения вероятности появления предсказанного события. Кроме того, что очень важно при принятии решений, связанных с техническим риском, установить величину допускаемого риска, при котором, например, конструкция способна сохранять или выполнять полезные функции.
В этой связи, касаясь направленности исследований, связанных с обеспечением конструктивной безопасности судов, важно отметить, что любая конструкция, в том числе и корпусу судна, должна выполнять определенную полезную функцию, которую в общем виде можно определить как способность выдерживать определенный уровень внешнего воздействия. После потери конструкцией этой способности она перестает существовать в реальном мире в своем полезном качестве. Отсюда можно сделать принципиальный вывод, что любой конструкции в физическом мире соответствует некоторая функция, отражающая вышеописанную способность. Расширяя указанное понятие, мы можем видеть, что при подобном определении конструкции отпадает так называемая проблема внешних сил, поскольку независимо от типа, вида и рода внешнего воздействия «способность» его выдерживать определена исключительно свойствами материала конструкции и ее геометрией.
Используя (2.1) к оценке каждой / конструкции с позиции рисков, по нашему мнению, следует определить: - вероятность отказа 1-й конструкции, т. е. фактически остаточный процент ее несущей способности в момент времени г., например, на момент оценки конструктивной безопасности (дефектации). При этом конструктивная безопасность судна должна оцениваться, в виде:
Аналитическое исследование влияния подкреплений на несущую способность балочной ветви судового набора
При этом наибольший процент повреждений составляют трещины. Отсюда можно сделать вывод, что причины трещинообразования в основном зависят от условий плавания судов и внутренних свойств конструкции.
Образование трещин практически не зависит от возраста судна и не связано с коррозионным износом связей корпуса. Последнее обстоятельство подтверждают и исследования, проведенные в работах [97,73,13]. Долговечность корродированных образцов, вырезанных из палубы и борта судна после 30 лет эксплуатации, а также образцов нового материала (из стали марки Ст. 4с) с поверхностью после проката оказалась примерно одинаковой по отношению как к образованию видимой трещины, так и к полному разрушению.
Тем не менее в последние годы проблемам износа корпусных конструкций уделяется повышенное внимание. Это связано прежде всего с желанием мирового сообщества повысить безопасность на морском транспорте, которую пытаются напрямую связывать с износом корпусов судов и их возрастом, что, по нашему мнению, не всегда является обоснованным для судов, имеющих действующий класс и проходящих периодические освидетельствования.
Износ корпусов судов происходит из-за коррозии, эрозии и механического истирания, в том числе при плавании во льдах и на мелководье. Разумеется, с точки зрения практики интерес представляет определение фактических скоростей износа для различных районов корпуса, что напрямую зависит от бассейна эксплуатации судна, качества антикоррозионной защиты, рода перевозимого груза и должной заботливости экипажа и судовладельца.
В настоящее время последнее обстоятельство приобрело наибольшую актуальность, что напрямую связано со старением мирового флота в целом.
Средний возраст мирового флота по данным на 1 января 2003 г. снизился более чем на один год и составил 12,6 лет против 13,9 лет в 2002 г. При этом около 28,1 % флота приходится на суда возрастом 20 и более лет. Средний возраст танкеров снизился до 11,6 лет против 13,2 на начало 2002 г., что свидетельствует о более интенсивной сдаче конструктивно устаревшего тоннажа на слом, в том числе однокорпусных танкеров, и напрямую связано с последними резолюциями ИМО и запрещениями судов со стороны стран ЕС (к 2005 г. ожидается еще более значительное омоложение танкерного тоннажа). Средний возраст балкеров также сократился на год и составил 12,7 лет. Самый низкий возраст имеет мировой флот контейнеровозов - в среднем 9,1 лет против 11 лет в 2001 г. Это связано с увеличением грузопотоков и значительным заказом нового тоннажа [204].
Из приведенного выше обзора видно, что средний возраст флота приблизился к середине срока службы (а для 28,1 % судов превзошел его), и, как следует из анализа эксплуатации судов (рис. 2.6), именно на этот период приходится пик повреждаемости, что обусловлено прежде всего «выработкой» к середине срока службы излишних запасов прочности и «проявлением» конструктивных ошибок, связанных с проектированием и технологией постройки корпусов судов.
Обработка материалов дефектаций судов показывает, что наблюдается значительная неравномерность скоростей износа как по поясьям, так и по длине судна. Перевозка агрессивных грузов приводит к повышенному местному износу обшивки и набора, что, в частности, наблюдается на танкерах- продуктовозах и танкерах, перевозящих сернистые нефтепродукты. Подобные повышенные износы наблюдались на судах, перевозивших удобрения и уголь, в частности судах типа «Пионер», «Повинец», «Беломорсклес» и т. п., и судах под иностранными флагами.
Повышенный местный износ наблюдается также при осмотрах в местах застоя жидкостей в районе окончания набора, льял, окончания переборок и т. п., что связано с недостаточным уходом за льяльной системой, особенно если судно длительное время перевозит грузы с большим УПО, например металлический лом и т. п., и груз засоряет льяльные колодцы. Анализ материалов по ремонтам судов в Дальневосточном бассейне за последние 15 лет показывает, что серьезные замены должны выполняться к 13-15 годам со времени ввода судна в эксплуатацию на многих судах отечественной постройки, в частности имеющих пояс усилений и ледовый класс категории Л 1 и Л 2. Такие работы не выполняются даже при возрасте, превышающем 30 лет. Причем замены обусловлены прежде всего местным износом листов обшивки у набора и язвенной коррозией, при этом замены набора производятся только в форпиках сухогрузных судов. Подобная ситуация, по нашему мнению, связана в первую очередь со значительными запасами толщин - на судах отечественной и европейской постройки, - по сравнению с регистровыми толщинами. Кроме того, значения фактических скоростей износа для многих судов на бассейне значительно отличаются от рекомендованных нормативами [103,75,137], что приводит к завышению толщин при расчетах по действующим Правилам Регистра судоходства РФ и последующему необоснованному ремонту изношенных конструкций.
Ужесточение норм допускаемого износа корпусных конструкций с выходом в свет в 2000 г. (с 1 июля) «Инструкции ... по обновлению и ремонту корпусов судов» Регистра судоходства РФ [138] еще более усугубило существующее положение и фактически стимулировало массовый отказ судовладельцев (имеющих суда возрастом 20 и более лет) от поддержания класса РМС и переход под удобные флаги.
Следует отметить, что последнее обстоятельство связано прежде всего с экономической нецелесообразностью поддержания класса и выполнения столь необоснованных и жестких норм (см., например, табл. 2.1. из [ 13 8] и табл. 2.2. из [75]).
