Учет влияния запасов прочности пластин на закономерности их коррозионного изнашивания при проектировании корпусов судов

Проблемы повышения эффективности использования гражданских судов всегда были предметом внимания специалистов. Однако особое значение они приобрели в последние годы в связи с отсутствием необходимого обновления флота, увеличением возраста судов и вынужденной их сверхнормативной эксплуатацией, [5] и др. Естественно, что в этих условиях особенно большими являются внеэксплуатационные затраты времени, главной частью которых остаются простои судов в ремонте.

Поскольку продолжительность заводских ремонтов в значительной мере определяется объемами корпусных работ, а, в их составе — работами по замене изношенных листовых элементов, входящих в судовые перекрытия, следует искать, в первую очередь, пути повышения работоспособности именно этих частей конструкций корпусов судов.

Опыт обследования состояния и ремонта судов, построенных ранее большими сериями и эксплуатирующихся длительное время свидетельствует о наличии на большинстве из них типичных «слабых мест» корпусных конструкций, закономерно повторяющихся на судах одного проекта. Особенностью некоторых серий судов становятся неоднократно возникающие, в процессе их жизненного цикла, потребности в замене значительных по объему участков обшивок и настилов из-за местных износов и трещин листовых элементов. Хорошо известна такая ситуация на сухогрузных судах пр. 781, в несколько меньшей мере, на судах пр. 1557 и др. [33,57,13,56]. Это позволяет говорить об ошибках конструирования, допущенных проектными организациями, хотя во всех случаях проекты судов соответствовали Правилам Регистра и требованиям, действовавшей в это время нормативно-технической документации.

Очевидно, что причиной существующих недостатков конструкций является неправильный учет условий работы листовых элементов в составе перекрытий судов некоторых проектов, недостаточность знаний о локализации и механизмах изнашивания пластин обшивки бортов и днища, в подводной части судов в первую очередь, в зависимости от действующих нагрузок, системы набора, величины шпации, толщины листов и т. п.

Известны серьезные исследования различных проблем надежности корпусных конструкций, посвященные, например, рациональности конструирования узлов набора судовых перекрытий [42,55] и другого. Наружной обшивке и листовым элементам настилов, из-за кажущейся простоты их устройства, уделяется внимание явно недостаточно. Хотя появление «слабых мест» здесь чревато не только большими материальными затратами на неоднократные замены сотен квадратных метров, но и опасностью нарушения общей прочности судов.

Как правило, главной причиной замен элементов корпусов судов является разрушение их вследствие электрохимической коррозии [34,10 и др.]. Особенно опасны местные износы — локальные коррозионные разрушения на относительно малых участках пластин, идущие с большими скоростями проникновения в металл. Результатом таких износов являются свищи или сквозные трещины в элементах конструкций, ослабленных коррозией, водотеч-ность и опасность их разрушения под нагрузкой.

От местного изнашивания серьезно страдает, например, обшивка бортов промысловых судов с поперечной системой набора корпуса. Местный износ проявляется здесь в виде утонения листов наружной обшивки вблизи их опор на шпангоуты. Анализом характера распределения глубин износов бортовой обшивки на протяжении ряда лет занимались многие специалисты [2,50,45 и др. ]. Ими, на примере судов флота рыбной промышленности, подтверждена большая разница в скоростях изнашивания листов наружной обшивки бортов на опорах и в пролетах. Отмечено, что особенно большие скорости изнашивания пластин вблизи шпангоутов имеют место при возникновении гофрировки бортовой обшивки, когда напряжения на опорах достигают максимума, а листы обшивки получают большие относительные деформации.

Специфическая и опасная форма местного износа листовых элементов характерна для большего числа судов смешанного плавания и некоторых крупных транспортных морских судов с продольной системой набора днища. Местный износ здесь проявляется в виде канавок, расположенных на наружной поверхности обшивки днища в местах опоры пластин на продольный набор. Этот вид изнашивания получил даже специальное название «канавочной коррозии закрытых сварных соединений», т.к. расположение канавок снаружи совпадает с линиями приварки продольного набора к внутренней стороне листов обшивки. На морских судах такое же явление обнаружено, например, на теплоходах типа «Лесичанск» и др [13].

В то же время сотни судов такого же назначения, эксплуатирующихся в аналогичных условиях, «канавочной» коррозией не страдают, либо она проявляется значительно слабее. Более того, и на судах типа «Балтийский,» как известно, глубокие канавки фиксируются не везде, где есть закрытые сварные соединения, а только в определенных районах днища судна. Практически нет «канавочной» коррозии вдоль линий приварки поперечного набора, очень мало продольных канавок вблизи горизонтального киля и в оконечностях судна. Эти обстоятельства позволяют сомневаться в справедливости выводов некоторых исследователей, считающих возникновение зон термического влияния от угловых швов приварки набора главной причиной «канавочной» коррозии обшивки.

Анализ литературных источников, посвященных вопросам изнашивания металлических конструкций, позволяет предположить, что локализация местных износов на определенных участках листовых элементов наружной обшивки может быть следствием местных напряжений и деформаций под нагрузкой. связанных с особенностями конструкции корпуса. Однако в опубликованных материалах нет убедительных данных ни о влиянии напряжений растяжения ни, особенно, напряжений сжатия на коррозионное поведение корпусных сталей. Не ясна, в связи с этим, и возможная роль учета этих обстоятельств при конструировании корпусов судов.

Более того, как справедливо отмечали авторы монографии [10], вообще «общепринятого объяснения природы влияния механического фактора на коррозионные процессы ещё нет «. Известные работы в этой области [48,32] и др. пока посвящены усилению коррозии и опасности начала разрушения металла на отдельных «микроили субмикроскопических участках с более высокими напряжениями, чем на остальной поверхности» металла. С этих позиций обычно рассматриваются проблемы коррозионно-механической и коррозионно-усталостной прочности легированных сталей.

Местное разрушение обшивок судов из обычных углеродистых или низколегированных сталей имеет другой характер. Оно идет не на «микро», а на макро площадках, хотя тоже может быть связано с особенностями распределения деформаций (напряжений) в разных зонах, работающих под нагрузкой пластин.

В соответствии с современными представлениями о механизме коррозионных разрушений [52,34,48], интенсивная местная коррозия может возникнуть, если соседние участки конструкций имеют существенно различный электрохимический потенциал поверхности металла в месте контакта с электролитом. Примером такой ситуации являются все случаи контактной коррозии в подводной части судна, когда взаимодействуют два и более разных металлов. Но в литературе очень мало данных о разнице потенциалов поверхности одной и той же стали при её различной деформации. Практически нет данных о влиянии деформации на изменение потенциала поверхности листов из корпусных сталей при их растяжении и, особенно, сжатии.

Поскольку в процессе эксплуатации судов пластины обшивок и настилов могут получать большие деформации, существенно различные для разных участков их поверхности, имеющей контакт с электролитом (водой морской, пресной, льяльной и др.), разность потенциалов может оказаться большой, даже если электролит будет абсолютно однороден. В этих условиях можно ожидать появления местных разрушений, зависящих от особенностей корпусных конструкций и действующих на них нагрузок.

Отсутствие необходимых сведений о влиянии напряжений и деформаций пластин на изменение распределения электрохимического потенциала на их поверхности, находящейся в контакте с электролитом, и о возможной зависимости скоростей местных разрушений листовых элементов конструкций от их толщины, соотношения сторон опорного контура пластин, величины действующих нагрузок и их деформаций в разных точках поверхности (на контуре и в пролете), затрудняет прогнозирование их поведения в условиях эксплуатации и препятствует оптимизации технических решений при проектировании, модернизации и ремонтах корпусов судов.

Разумеется, в первую очередь, это относится к проектированию судов, когда должны быть приняты меры, исключающие появление «слабых мест» конструкций, а оптимальный уровень металлозатрат определен с учетом ожидаемых износов и влияния распределения металла между элементами корпуса на экономические характеристики судов в течение всего их жизненного цикла [11].

Очевидно, что ошибки, все же допущенные при проектировании судов, в том числе избыток толщин листов в одних местах корпуса судна и недостаточные запасы «на коррозию» — в других местах, могут быть исправлены при модернизации их конструкций после первых лет эксплуатации судна, когда «слабые места» станут явными.

Наконец, и при ремонтах судов, наибольший эффект может быть достигнут, если разрабатывая проект ремонта судна [4,5], специалисты смогут прогнозировать его последствия, сопоставляя фактические скорости разрушения листовых конструкций конкретного судна с ожидаемыми скоростями изнашивания их после выбранной технологии ремонтных работ.

Таким образом, выяснение количественных зависимостей между характеристиками конструкций корпуса и ожидаемыми скоростями местных разрушений их элементов является важной и актуальной задачей.

Очевидно, что деформации элементов конструкций зависят от многих факторов, в том числе и от характера действующих нагрузок, изменяющихся в процессе эксплуатации, величины возможных нормальных давлений на них, степени участия элементов в общей продольной, общей поперечной и местной прочности судна, выбранной технологии построечных или ремонтных работ и т. п.

В настоящей работе предпринята попытка решить одну из частных задач названной большой проблемы. В ней получены зависимости, позволяющие оценить особенности локализации и скоростей проникновения местных разрушений пластин наружной обшивки днища, имеющих несколько возможных вариаций их размеров, при изменении только величины равномерно распределенной поперечной нагрузки на пластины.

Для решения задачи использованы новые решения в области контактной коррозии металлов [24] и современные методы расчета, при проектировании конструкции корпуса судна, величины деформации [26] разных зон поверхности пластин днища под влиянием нагрузок, действующих в условиях эксплуатации. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации конструирования наружной обшивки корпусов судов, совершенствования методик оценки технического состояния корпусов судов в условиях эксплуатации, разработки проектов модернизации и ремонта судов.

Актуальность темы

Изнашивание корпусов судов в процессе их эксплуатации, необходимость прогнозирования времени, места и скорости опасного разрушения элементов конструкциипроблемы важные для проектирования судов. Без их решения невозможно оптимизировать распределение металла в составе корпуса, сократить потребность в ремонтах, повысить эффективность использования флота.

Главную роль в изнашивании корпусов судов играют коррозионные разрушения и, особенно, местная коррозия настилов и обшивок. Наибольшие материальные затраты и потери эксплуатационного времени из-за простоев судов в ремонте связаны для многих судов с заменами изношенных листовых элементов, в том числе, изношенной наружной обшивки.

Нет сомнения, что скорость проникновения коррозионных разрушений должна быть связанна с небольшим количеством некоторых главных и эксплуатационных факторов, определяющих зоны локализации и интенсивность разрушений пластин. К сожалению, сложность процессов, идущих например, на наружной поверхности обшивки судов, не позволяла пока связать ожидаемые скорости разрушений и прогнозировать места их возникновения иначе, чем путем сбора и на основании анализа статистических материалов по характеристикам износов на эксплуатирующихся судах.

По действующим Правилам Регистра предусматривается увеличение толщины элементов конструкции корпусов («надбавки на коррозию») только в зависимости от наименования судового перекрытия и назначения транспортного суднасухогруз или танкер. Получается, что ни система набора ни размерения судна, ни форма, размеры и толщина пластин обшивки, ни их заглубление — поперечная нагрузка на процессы изнашивания существенно не влияют. С этим трудно согласится. Тем более, что в составе флота России продолжают эксплуатироваться суда ряда проектов с необычно высокими скоростями и специфической формой опасного «канавочного» износа наружной обшивки. Известно, что это многочисленные суда смешанного плавания и некоторые морские суда с продольной системой набора днища. Постоянно отмечается и линейный износ обшивки бортов, особенно после её гофрировки, на транспортных и промысловых судах с поперечной системой набора этих перекрытий.

Целью диссертации является оценка влияния наиболее вероятных конструктивных и эксплуатационных факторов, определяющих места возникновения, их перемещения и скоростей проникновения местных коррозионных разрушений пластин наружной обшивки судов.

Для достижения поставленной цели требовалось: уточнить имеющиеся сведения о зонах возникновения средних и максимальных скоростях местного изнашивания листов наружной обшивки днища и объемах замен обшивки на судах проектов, известных специфической формы наиболее опасной канавочной коррозиивыбрать из числа современных теорий изнашивания металлов такую, которая позволяла бы ввести в число главных параметров, определяющих характер разрушения, наиболее явные конструктивные и эксплуатационные факторы, характерные для работы пластин наружной обшивки в составе корпусов судовэкспериментально исследовать связи между главными факторами, определяющими места и скорость проникновения разрушений металла с конструктивными и эксплуатационными условиями работы пластин наружной обшивки, их размерами и нагрузкойполучить зависимости для приближенной оценки мест и скоростей проникновения разрушений пластин наружной обшивки судов при некоторых изменениях их размеров и величин действующей поперечной нагрузкипроанализировать путем математического эксперимента, влияние некоторых конструктивных и эксплуатационных факторов на ожидаемые годовые потери металла с поверхности пластин обшивки, места и скорости ожидаемых разрушений, а также разработать предварительные рекомендации по управлению опасным разрушением наружной обшивки и частотой их необходимых замен при ремонтах, путем конструктивных мероприятий при проектировании судов с учетом ожидаемых действующих нагрузок на пластины. Часть из этих задач решена в диссертационной работе. Новые научные положения и результаты. Наиболее важными научными результатами, полученными лично соискателем, являются: экспериментально найдены зависимости потенциала поверхности образцов из корпусных сталей ВСтЗсп4 и 09Г2, в контакте с электролитом (имитатом морской воды), при деформациях растяжения и сжатия их в упругой и упругопластической зонахобоснована и проверена применимость современной теории местных разрушений при контакте разных металлов, с некоторыми дополнительными допущениями, для приближенного расчета ожидаемых мест и скоростей проникновения разрушений для балок-полосок, вырезанных из борта судна с поперечной и днища судна с продольной системами набора. Получено качественное и приближенное количественное совпадение расчета с результатами обследования конструкций реальных судовпредложена методика и разработана программа для расчетного на ПЭВМ определения мест локализации и скоростей проникновения разрушений пластин наружной обшивки днища судна, жёстко защемленных по периметру. Расчет учитывает изменение толщины и соотношение длин кромок пластин, в диапазоне реальных равномерно распределенных нагрузок, обеспечивающих деформацию поверхности пластин в границах зоны упругостипутем математического эксперимента проверено влияние вариаций соотношения размеров пластин, их толщины и действующих поперечных нагрузок, на ожидаемые годовые потери металла с одного квадратного метра площади наружной обшивки и осреднённые максимальные скорости местных годовых разрушений пластин.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что: получена возможность прогнозирования мест ожидаемой локализации износов и скоростей разрушения пластин, если известно поле деформаций их поверхности, находящееся в контакте с электролитомпостроены расчетные графики относительных изменений годовых потерь металла с поверхности пластин и осредненных максимальных скоростей проникновения местных разрушений в определенных их зонах в зависимости от изменения их толщины размеров и формы пластин при разной величине действующей равномерно распределенной нагрузкипредложен метод практических расчетов зон локализации и скоростей разрушения пластин судовой обшивки, для которых может быть определено поле относительных деформаций поверхности и известны характеристики металла и среды (забортной воды) на границе их контактаполучена возможность более обоснованного, чем в настоящее время, определение «надбавок на коррозию» при проектировании судовых корпусов, в выборе толщин листов наружной обшивки при модернизации или ремонте судов, а также, при оценке технического состояния судов и прогнозировании его изменения в процессе эксплуатации.

На защиту выносятся: результаты экспериментального исследования зависимости изменения потенциала поверхности листов из корпусных сталей ВСтЗсп4 и 09Г2 на границе контакта их с имитатом морской воды от величины относительной деформации поверхности при растяжении и сжатии в упругой и упругопластической зонахметодика определения характеристик изнашивания пластин наружной обшивки судов в зависимости от их формы, размеров и величины действующей нагрузкирекомендации по учету изнашивания пластин обшивки судов при их проектировании, модернизации и прогнозировании изменения технического состояния в зависимости от условий эксплуатации.

Внедрение результатов исследований. Полученные результаты были использованы при разработке «Инструкции по подкреплению корпусов судов проектов №№ 781 и 1557». № 91−65.001 ВИПК, принятой к сведению Западному речному пароходству (ЗРП, ныне ООО «Западфлот»), эксплуатирующему большую группу судов смешанного плавания. Автор диссертации была ответственным исполнителем при разработке этой «Инструкции».

Теоретические и экспериментальные материалы, полученные в работе, вошли в учебные пособия, изданные для повышения квалификации специалистов рыбного хозяйства, занятых эксплуатацией и ремонтом судов промыслового флота (1989г.), и обучения курсантов Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (1994г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: XII — XV, XIX Межвузовских НТК профессорско — преподавательского состава, аспирантов и сотрудников Калининградских вузов МРХ СССР (Калининград, 1984 — 1987 и 1991 г.) — III НТК «Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов» (Калининград, 1984), IX Дальневосточной НТК им. Баранова Н. В. «Повреждаемость и повышение эксплуатационной надежности судовых корпусных конструкций» (Владивосток, 1984) — Всесоюзной НТК «Защита от коррозии и обрастания» (Калининград, 1986) — IV Межотраслевой НТК «Защита судов от коррозии и.

14 обрастания" (Ленинград — Мурманск, 1989) — Научно методических конференциях преподавательского состава и сотрудников БГАРФ (Калининград, 1993 — 1994, 1996 г.) — Международной НТК посвященной 40 — летаю пребывания КГТУ на калининградской земле (Калининград 1998) — П Международной конференции и совещании госкомрыболовства России с начальниками госадминистрации морских рыбных портов по безопасности мореплавания (Калининград, 1999) — IV Межвузовской НТК аспирантов и соискателей «Научно — технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров» (Калининград, 2000).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографического списка использованной литературы из 63 наименований. Она содержит 187 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 12 таблиц и 2 приложений.

11. Результаты исследования и предлагаемая методика расчетного определения ожидаемых разрушений пластин, НО судов, как нам кажется, впервые позволили связать скорость разрушений конкретных элементов судовых конструкций с их напряженно-деформированным состоянием. Сведения эти должны учитываться при конструировании корпусов судов для прогнозирования ожидаемых скоростей изнашивания и учета их при назначении толщин связей.

12. При ремонтах судов, понимание причин возникновения опасных местных разрушений должно позволить выбрать вариант и усилить (модернизировать) неудачную конструкцию и тем самым повысить эффективность эксплуатации судов. Новые сведения о характере разрушений пластин обшивки позволяют уточнить методы дефектации конструкции и прогнозирования изменений их состояния во времени.

13. Приближенный расчет экономической эффективности использования рекомендаций по усилению, НО судов пр. 781 подтвердил целесообразность выполнения таких работ на эксплуатирующихся судах с аналогичной конструкцией корпуса, где также возникают проблемы канавочной коррозии.

Продолжение исследований в этом направлении может дать существенный выигрыш благодаря более рациональному распределению металла в составе корпуса как следствия учета закономерностей изнашивания элементов конструкций корпусов судов.