АКТУАЛЬНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ
1.1 Анализ аварий, связанных с нарушением прочности корпуса судна.
Наглядный пример аварии, произошедшей в следствии нарушения прочности корпуса судна, это катастрофа, которая случилась с Волго-Балтом «ARVIN», 17 января 2021 года. Находясь в плохих погодных условиях в районе турецких берегов Черного моря, судно «ARVIN» разломилось на 2 части. Длина волны совпала с длиной судна так, что оконечности судна были на «гребнях волны», а район миделя был над «подошвой».
Рисунок 1.1- Момент крушения т/х «ARVIN»
«Силы поддержания» распределились по корпуса так, что на оконечностях судна был их избыток, а в районе миделя, наоборот, недостаток, что в последствии сказалось на общей прочности судна. На Рисунке 1.2 можно наблюдать действие этих сил.
Рисунок 1.2 - Продольный изгиб судна на взволнованной поверхности воды
По большей части, причиной катастрофы, все-таки, являются погодные условия, но нельзя исключать того, что в данном случае, общая прочность корпуса судна сыграла катастрофическую роль в этом происшествии. Возраст судна, усталость металла, возможно, неправильная погрузка в порту, все это повлияло на исход «ARVIN».
Как минимум, часть факторов можно было исключить, используя системы контроля прочности судна.
По похожим причинам 17 июня 2013 года в Аравийском море затонул контейнеровоз MOL Comfort (Рис. 1.3). Из-за предельных нагрузок и неблагоприятных погодных условий по корпусу судна пошла трещина, вскоре после этого, судно полностью переломилось на 2 части.
Классификационное общество ClassNK представило отчет по результатам независимого расследования крушения контейнеровоза MOL Comfort, по мнению экспертов, причиной происшествия стало превышение допустимого предела боковых нагрузок.
Рисунок 1.3 - Контейнеровоз MOL Comfort
На момент аварии, нагрузка на контейнеровоз, говорится в заключении, превысила допустимые пределы. Из оснований крушения контейнеровоза был исключен человеческий фактор.
Массово проблемы с прочностью корпуса судна наблюдались у серии военных судов «Либерти» - тип транспортных пароходов середины XX века.
Рисунок 1.4 - Судно типа «Либерти»
«Либерти» первых серий страдали от трещин в наборе корпуса и палубы. 19 судов буквально развалились в море. Первоначально дефекты приписывались либо сварной конструкции в целом, либо — низкому качеству сварки в условиях круглосуточного поточного производства. Трещины в сварном наборе развивались из-за неудачного выбора сорта стали, который в арктических условиях становился хрупким. Сварная конструкция облегчала распространение усталостных трещин, но не порождала их. В течение 1942 года эти недостатки были устранены. Опыт «Либерти» был учтён в производстве последующих военных серий — транспортов «Виктори» (534 судна) и танкеров Т2 (490 судов).
Так же, существовал теплоход ERIKA, затонувший в 99 году, разлив около 15 тысяч тон мазута. Согласно проведенному расследованию, причиной катастрофы принято считать слабость корпусной конструкции в силу коррозии. На момент гибели судно было 24 года. В 1999 году танкер досматривали в Порто-Торрес, где дефектов не обнаружили, и в Новороссийске, где отметили, что есть некоторые дефекты корпуса.
Рисунок 1.5 - Кормовая часть «ERIKA»
Приведу в пример статистику кораблекрушений за период с 2007 по 2016 год, в которой расписаны причины аварий и их количество:
Таблица 1.1 - Статистика аварий за 2007-2016 года
Хочется выделить из этой таблицы 4 вида аварий:
Потеря плавучести (598 случаев)
Столкновения (72 случая)
Повреждения корпуса (48 случаев)
Посадка на мель (244 случая)
На эти виды аварий, по моему мнению, влияет прочность корпуса судна. Потеря плавучести происходит в том случае, если объём принятой воды равен запасу плавучести. Следует помнить, что запас плавучести уменьшается, если мы через мерно перегружаем наше судно и главным образом при поступлении на пароход забортной воды через пробоины или поврежденные элементы корпуса. Чем прочнее корпус судна, тем меньше вероятность его повреждения, при равных условиях. Аналогию можно провести с ситуациями столкновения, чем прочнее материал, из которого изготовлен пароход, тем меньше повреждений.
При посадке на мель действуют перерезывающие силы, что опять же показывает: чем прочнее корпус, тем большие нагрузки он сможет выдержать.
1.2 Силы, действующие на корпус судна.
На корпус судна действуют 2 вида сил: постоянные и временные. К постоянным относятся статические силы, такие, как вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса — силы поддержания. К временным - силы инерции масс судна и силы сопротивления воды.
Рисунок 1.6 - Сила поддержания
По всей длине судна, в каждой теоретической шпации, определяют силу поддержания судна. А затем распределения веса по длине судна, так же в каждой теоретической шпации. Распределение веса включает все, что есть на судне: вес корпуса, балласта, груза, запасов и так далее.
Рисунок 1.7 - Распределение веса
Результирующая этих сил будет «изгибающим моментом». Изгибающий момент - момент внешних сил относительно нейтральной оси сечения балки или другого твёрдого тела.
Рисунок 1.7 - Изгибающий момент балки
Такую процедуру проделывают с различным состоянием судна: в балласте, в полностью загруженном состоянии, судно с частично загруженными грузовыми помещениями и так далее.
Рисунок 1.9 - Изгибающий момент
1.3 Понятие общей и местной прочности корпуса судна
Оценку прочности судна, как правило, разделяют на местную прочность и общую прочность корпуса судна.
Местная прочность – это когда на какую-то часть судна оказывается внешнее давление, а конструкция корпуса в этом месте выдерживает это давление.
Рисунок 1.10 - Внешнее давление
Возьмем, к примеру, обычное судно, находящееся на плаву. Как видно на рисунке, на наружно-днищевую обшивку оказывается давление со стороны воды, чем ниже к днищу, тем давление воды будет увеличиваться. То самое давление воды стремится вдавить обшивку и набор во внутрь корпуса судна.
Рисунок 1.11 - Деформация корпуса
Поэтому необходимо сделать обшивку и набор, который ее подкрепляет, такими, чтобы противостоять этому давлению.
В случаях шторма, на верхнюю палубу и на люковые закрытия, так же оказывается давление, но уже со стороны волн. На поперечные переборки судна может оказываться давление столба воды в случае, если один из трюмов был затоплен. Поэтому, при расчетах местной прочности ведется проверка всех элементов корпуса, например: наружная обшивка, настил второго дна, верхняя палуба, поперечные и продольные переборки, и так далее, на нагрузки, которые могут возникнуть при эксплуатации судна.
Для каждого судна нагрузки подбираются по правилам класса, в зависимости от характеристик судна. После того, как максимальные характеристики подобраны, определяются характеристики обшивки и набора в этом месте, а именно, так называемый «момент сопротивления» в этом месте. Момент сопротивления определяется геометрическими размерами и положением балки обшивки к нагрузке.
Рисунок 1.12 - Формула вычисления напряжения на корпус судна
Отношение внешней нагрузки на элементы корпуса в данном месте, к моменту сопротивления балок и обшивки в этом же месте определяет значение напряжения, которое возникает в конструкциях. А напряжение в конструкциях сравнивают с допускаемым напряжением стали, из которой эти конструкции выполнены. Если расчетное значение больше допускаемого, то прочность не обеспечивается, а следовательно, нужно или уменьшать нагрузку, или увеличивать момент сопротивления обшивок и балок, то есть увеличивать размеры самих этих элементов
Общая прочность – это способность корпуса судна выдерживать внутренние напряжения, возникающие в определенных положениях судна на воде. Для большего понимания, судно можно рассмотреть, как балку с сечением, соответствующим мидель-шпангоуту (Рис. 1.13).
Рисунок 1.13 - Прогиб корпуса судна
Далее проверяют эту балку на прочность в различных условиях, например: ставят ее концы на «гребни» волны, то есть на 2 опоры. Соответственно судно (балка) будет прогибаться и в днищевых связях будет возникать значительное напряжение, которое мы можем посчитать, поделив значения изгибающих моментов в любой точке по длине судна на момент сопротивления, так же в любой точке по длине судна.
Рисунок 1.14 - Формула расчета напряжения
Так же проверка ведется на «перегиб» судна. Когда судно (балку ) ставят на волну в середине, таким образом оконечности судна будут «свисать», а в верхней палубе будут возникать значительные напряжения.
Рисунок 1.15 - Перегиб корпуса судна
Как правило, максимальный изгибающий момент всегда находится в середине судна, поэтому толщины продольных связей на миделе всегда больше чем в оконечностях.
Рисунок 1.16 - Типовые случаи загрузки судна
Общую продольную прочность проверяют в различных комбинациях и обычно эти комбинации берут из различных случаев загрузки в информации об остойчивости. Расчет напряжения будет такой же, как и в случае с прогибом корпуса.
?
2 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОБЩЕЙ И МЕСТНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ
2.1 Составляющие системы контроля прочности корпуса судна
Контроль за прочностью осуществляется следующими способами:
контроль прочности с помощью расчетов;
контроль прочности с помощью диаграммы.
2.1.1 Контроль с помощью расчетов:
Для проверки общей продольной прочности загруженного судна производят сравнение наибольших изгибающих моментов в районе миделя Мизг с нормативной величиной изгибающего момента Мдоп.
С достаточной точностью значение Мизг можно определить по формуле:
"Мизг = М0 + Мгр + Мсп"
где:
М0 – изгибающий момент от сил тяжести на миделе порожнего судна
"М0 = к ? D0 ?Lpp"
где:
D0 – водоизмещение судна порожнем, т
Lpp – длинна судна между перпендикулярами, м
к – коэффициент, зависящий от типа судна:
для танкеров и сухогрузных судов с МО в корме к=0,126
Мгр – изгибающий момент от масс грузов и запасов (сил дедвейта)
"Мгр = 1/2?miхi"
где:
mi – масса партий груза и запасов, расположенных в нос от мидель шпангоута, т
хi – абсцисса ЦТ партий груза и запасов, м
Мсп – изгибающий момент на миделе от сил поддержания
"Мсп = ксп?D?Lрр"
где:
D – водоизмещение судна, т
Lрр – длина между перпендикулярами, м
ксп – коэффициент сил поддержания, т
"ксп= 0,0315 + 0,0895Сb"
Если Мизг получится со знаком плюс – судно имеет изгиб, если знак минус -прогиб
Величину Мизг сопоставляют с Мдоп
"Мдоп = к?В?L2,3"
К – коэффициент, для сухогрузных судов равен:
На вершине волны 0,0205, у подошвы волны 0,0182
2.1.2 Контроль прочности с помощью диаграммы
Диаграмма контроля прочности с кривыми предельно допустимых значений моментов +Мх разрабатывается для каждого судна отдельно. На диаграмме показаны зоны допустимых значений изгибающих моментов для различных условий плавания: в порту, на рейде и в рейсе. Количество контролируемых шпангоутов может быть различным (в зависимости от размеров и особенностей судна)
По грузовому плану рассчитывают:
дедвейт Dwt, т;
дифферент d,м;
сумму положительных моментов +Мх части дедвейта расположенных в нос от миделя, тм;
на диаграмме изгибающих моментов находят точку, соответствующую Dwt, d и +Mx
Прочность считается достаточной если точка лежит между линиями «опасно -перегиб в рейсе» и «опасно - прогиб в рейсе»
Рисунок. 2.1 - Диаграмма прочности судна
Необходимость использования приборов, по типу «черного ящика», назрела уже давно. Аварийность на море существует и является достаточно опасной. Причем, причины аварий не всегда получается определить с большой точностью.
Международная электротехническая комиссия в соответствии с требованиями SOLAS, учитывая Резолюцию А.861(20), разработала и приняла Международный стандарт МЭК 61996, которым устанавливает минимальные требования к рабочим характеристикам, задает технические характеристики и методы испытания, а также требуемые результаты испытаний для установок судового регистратора данных рейса (РДР) - Voyage Data Recorder.
На 79-й сессии КБМ в декабре 2004 г., были приняты поправки к правилу 29 Главы V (Y/20) Конвенции СОЛАС - "Регистраторы данных рейса", касающиеся оснащения грузовых судов, находящихся в эксплуатации, упрощенными регистраторами данных о рейсе (У-РДР) (S-VDR). Поправки вступили в силу 1 июля 2006 г.
Таблица 2.1 – Снабжение судов регистраторами данных рейса в зависимости от типа и грузовместимости
Тип судна Новые суда, построенные 1 июля 2002 г. или после этой даты Суда, построенные до 1 июля 2002 г.
Пассажирские РДР РДР
Ро - ро РДР РДР
Грузовые свыше 20000 per. т. РДР У-РДР во время первого планового докования после 1 июля 2006 г., но не позже 1 июля 2009 г.
Грузовые 3000 - 20000 per. т. РДР У-РДР во время первого планового докования после 1 июля 2007 г., но не позже 1 июля 2010г.
Так же организацией IМО были написаны рекомендации по установке систем контроля мореходности.
В состав систем мониторинга входят:
датчики, измеряющие напряжения на корпусе;
акселерометр, позволяющий измерять вертикальное ускорение в носовой части судна;
два акселерометра устанавливаются в районе миделя для измерения ускорений при бортовой качке и определения поперечного смещения;
микропроцессор;
дисплей для отображения полученной информации с датчиков и результатов её анализа;
устройство для хранения данных.
Датчики, предназначенные для измерения напряжений, как правило, устанавливаются на главной палубе в районе грузовых трюмов и в тех местах, где возможно возникновение максимальных деформаций сжатия и растяжения при общем и продольном изгибах. Описываемые датчики измеряют силы и напряжения, возникающие на корпусе судна при грузовых операциях и в течение рейса.
Далее, устанавливаются акселерометры – это устройства, предназначенные для измерения линейных ускорений. Обычно, они устанавливаются в носовой части судна. В системах мониторинга нагрузок на корпусе акселерометры так же выполняют функцию определения вероятности слеминга или опасных значений ускорений корпуса судна на волнении. Акселерометры бывают нескольких видов: маятниковые, струнные, жидкостные, кварцевые и т.д.
Микропроцессор в системе мониторинга предназначен для обработки сигналов, полученных с датчиков, и сравнивает их с допустимыми максимальными значениями напряжений. Помимо этого, микропроцессор соединяет датчик с компьютером для расчёта безопасной погрузки с целью получения сведений о состоянии погрузочных или разгрузочных работ. Процессор должен информировать об опасных уровнях нагрузки на корпусе, которые могут превысить пороговые значения.
Датчики измерения напряжений, установленные на палубе, учитывают влияние температурных изменений среды. Так же, они предоставляют информацию о нагрузках на данный момент и среднее их значение в том месте, где они расположены. На основании этой информации можно судить о возможности попадания воды в грузовые помещения.
В системе рекомендуется устанавливать приборы контроля работы, которые будут производить своевременные проверки непрерывности получаемой информации. Интервалы времени, через которые должны проводиться проверки, устанавливаются по решению Администрации.
Безусловно, системы мониторинга напряжений имеют ряд достоинств:
общее повышение безопасности в процессе рейса;
непрерывный контроль прочности в процессе грузовых операций;
обеспечение экономически эффективной эксплуатации судна;
получение точной оценки всевозможных нагрузок на корпус судна в сравнении с традиционными расчётами;
снижение рисков повреждений корпуса судна, и как следствие затрат на ремонт.
Основными элементами систем мониторинга прочности на корпусе, конечно, являются датчики напряжений, так как именно они предоставляют необходимую для обработки информацию. Существует несколько видов таких датчиков, рассмотрим их ниже.
2.2 Типы датчиков измерения напряжения корпуса судна
Прежде всего необходимо разобраться в понятии «механического напряжения».
Под этим термином понимают возникающую при деформации тела упругую силу, приходящуюся на единицу площади его сечения. Если количество деформаций большое, то оно приводит, либо к растяжению, либо к сжатию тела. Мерой растяжения или сжатия тел называют величину «?» - относительная продольная деформация. Эта величина показывает относительное изменение длины тела, вызванное нагрузкой.
?=L_x/L
где, Lx – длина деформационного тела, м;
L – изначальная длина тела, м
Величина «?» также используется в качестве меры напряжения тела, единица которой называется стрейн (strain). Стрейн — это напряжение, вызывающее растяжение Lx, равное длине тела L. Разрыв твердых тел наступает при деформациях, значительно меньших одного стрейна. Поэтому напряжения твердых тел выражают обычно в микрострейнах (?? = ? ?10?6) или в миллистрейнах (m? = ? ?10?3).
Напряжения тел измеряются тензометрами. Тензометры делятся на 3 вида:
электрические (резистивные);
вибрационные;
волоконно-оптические.
Силы давления воды на обшивку корпуса судна в разных его местах измеряют с помощью специальных приборов. Они могут показывать давление в разных единицах измерений: в ньютонах на квадратный метр (н/м2), в миллибарах (бар=105 н/м2), в технических атмосферах (1 кГ/см2=0,98 бара).
Традиционными датчиками механических напряжений являются устройства, основанные на свойстве проводников и полупроводников менять свое сопротивление при деформациях сжатия и растяжения. Эти приборы называются тензорезисторами
Как известно, сопротивление проводника R пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:
R=k?*L/S
где, k? - коэффициент пропорциональности;
L – длина тела, м;
S – площадь поперечного сечения, м2
Таким образом, если длина проводника увеличивается, то есть он растягивается под влиянием внешних сил, то диаметр его сечения уменьшается, что приводит к росту его сопротивления. Если проводник сжимается под влиянием внешних сил, то ситуация становится обратной. Длина проводника уменьшается, а диаметр сечения увеличивается, соответственно, сопротивление уменьшается.
Резистивные тензометры представляют популярную группу универсальных приборов для контроля растяжения или сжатия контролируемого изделия.
Рисунок 2.2 - Электрический тензодатчик
В качестве чувствительного элемента в тензометрах этого типа используются тензорезисторы. Принцип действия тензорезистора основывается на изменении сопротивления при деформации его вместе с изделием. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки, уложенный змейкой на изоляционной основе. Для увеличения чувствительности в тензометрах используют по несколько тензорезистора.
Вибрационные или струнные тензометры.
Каждый тензодатчик состоит из двух концевых блоков (разработанных специально для каждого применения) с натянутой между ними стальной проволокой. При деформации стальной или бетонной поверхности, охватывающей тензодатчик, концевые блоки перемещаются относительно друг друга. Соответственно изменяется натяжение проволоки между блоками, что приводит к изменению резонансной частоты проволоки. A вибрирующая проволока используется для генерации импульсов напряжения в блоке магнита/катушки, расположенном в центре тензометра. Магнит/катушка в сборе вытягивает проволоку и измеряет результирующую резонансную частоту вибрации.
