Судокорпусные стали, применяемые для МБУ

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 8

Основным материалом для корпуса МБУ, применяемым в отечественном судостроении, является сталь, которая своими свойствами должна исключать хрупкое разрушение конструктивных элементов. Показателем склонности стали к хрупкому разрушению служат результаты испытаний образцов на ударную вязкость, которые проводятся при различной температуре. Стандартными считаются испытания образцов типа Шарпи с V-образным надрезом. Главным фактором, влияющим на склонность материала к хрупкому разрушению, является температура. Рассмотрим влияние температуры на основные параметры стали (рис. 4.4). Можно выделить три диапазона качественного влияния температуры на свойства материала:

1. T > T₁, T₁– температура, при которой происходит резкое уменьшение (до 50 %) доли вязкой части излома образца. В этом диапазоне материал способен пластически деформироваться.

2. T₂ < T £ T₁, T₂– температура, при которой критические напряжения сравниваются с пределом текучести, доля вязкой части излома меньше 50 %.

3. T £ T₂, – материал разрушается хрупко.

Последние два температурных диапазона являются опасными и задача проектанта подобрать материал так, чтобы работа стали проходила с большой вероятностью при температуре выше Т₁. Для этой цели необходимо иметь долговременное (многолетнее) распределение минимальных температур в предполагаемом районе эксплуатации МБУ.

Другой проблемой при создании корпуса МБУ является необходимость применения для высоконагруженных узлов и районов листового

Рис. 4.4. Зависимость cвойств стали от температуры: s_т – предел текучести; s_в– временное сопротивление; s_кр – критические напряжения; F_в – доля вязкой части излома

проката большой толщины (до 200 мм). Применение проката таких толщин приводит к появлению объемного напряженно-деформированного состояния (НДС) отдельных элементов. Это означает, что значительными являются напряжения в направлении, перпендикулярном плоскости листа (z-направление). Такое НДС может вызвать слоистое растрескивание материала, т. е. появление внутренних трещин в листе в направлении, параллельном поверхности листа. Слоистое растрескивание может быть вызвано термическим влиянием сварного шва, стесненным НДС, нерационально выбранным типом соединения, наличием посторонних включений в материале, недостаточной вязкостью. Слоистое растрескивание встречается в тавровых соединениях листов большой толщины, в узлах трубчатых соединений раскосов и распорок ППБУ. На склонность материала к слоистому растрескиванию влияет также агрессивность внешней среды (соленость воды, воздух, колебания температуры, химическая активность морского грунта), что вызывает при длительном растяжении так называемое коррозионное растрескивание с одновременным снижением усталостных свойств сталей. Удовлетворительные z-качества сталей достигаются снижением содержания серы и специальными технологическими процессами обработки проката на металлургических предприятиях.

Важным качеством стали является свариваемость, которая может быть оценена углеродным эквивалентом С_eq и показателем чувствительности к сварочным трещинам. С_eq и P_CH зависят от химического состава материала.

Табл. 4.2-4.3 содержат характеристики некоторых сталей, рекомендованных японским классификационным обществом NKK для применения в качестве конструкционной для шельфовой техники. Параметры качества отечественных сталей и их химический состав определяются соответствующими отечественными нормативами.

Таблица 4.2 Механические характеристики специальных сталей

Марка стали	Параметры диаграммы s – e	Ударная вязкость	Диапазон толщин (мм)	Назначение
s_T (МПа)	s_в (МПа)	d	t°С	E (кгсм)
ЕН36			0, 30	-60	2, 8	До 100	Корпусная сталь для низких температур
HITEN 80CLT			0, 24	-60	3, 5	6-200	Корпус понтона СПБУ для работы в ледовых условиях, зубчатые рейки опорных колон
HITEN 100			0, 12	-60	2, 8	6-75	Корпусная сталь широкого назначения включая подводные аппараты
HITEN 80В			0, 12	-30	1, 4	127-150	Зубчатые рейки опорных колон СПБУ
LTC42			0, 24	-60	3, 0	До 50	Корпусная сталь для низких температур
Marine 50			0, 20		4, 8	6-40	Трубы морских трубопроводов. Обладает высокой коррозионной стойкостью

Таблица 4.3

Химический состав специальных сталей

Характеристика	Марка стали
EH36	HITEN 80CLT	HITEN 100	HITEN 80B	LTC42	Marine 50
Химический состав, %
С, max	0, 07	0, 16	0, 14	0, 18	0, 14	0, 15
Si, max	0, 30	0, 35	0, 35	0, 35	0, 50	0, 55
Mn	1, 47	1, 20	1, 20	1, 20	1, 20	1, 50
P, max	0, 014	0, 020	0, 020	0, 020	0, 025	0, 030
S, max	0, 015	0, 020	0, 020	0, 020	0, 010	0, 030
Cu	0, 20	0, 50	-	0, 50	0, 31	0, 35
Ni	0, 35	4, 00	4, 00	1, 50	0, 24	-
Cr	Ti 0, 09	1, 00	0, 80	0, 80	-	0, 65
Mo		0, 60	0, 70	0, 60	-	Al 0, 35
V		0, 10	0, 15	0, 10	0, 41
В		0, 003	-	0, 003	-
Показатели свариваемости, %-
C_eq	0, 37	0, 56	0, 54	0, 55	0, 42	0, 39
P_СН	0, 17	0, 20	0, 24	0, 28	0, 25	0, 18

Конструкция корпуса СПБУ

Основными конструктивными элементами СПБУ являются понтон и опорные колонны. Классификация СПБУ по различным конструктивным признакам была приведена в гл. 2. В настоящем разделе рассматриваются основные принципы формирования конструкции корпуса, оценки НДС и приводятся примеры существующих конструкций.

Расчетным, вызывающим наибольшие напряжения, режимом для понтона является рабочее положение на опорах. При этом опоры передают через подъемные механизмы на конструкции понтона значительные сосредоточенные силы, величина которых равна

(4.15)

где М_п – масса понтона; п – количество опорных колон; т - количество зубчатых реек на каждой опорной колоне; g – ускорение свободного падения; F_с – сила, приходящаяся на подъемный механизм одной зубчатой рейки. Нагрузки, вызывающие общую деформацию понтона, распределяются по осям, соединяющим центры колонн.

Понтоны прямоугольной формы имеют обычную продольную или поперечную систему набора (рис. 4.5, 4.6); принципы формирования топологии корпуса (выбор системы набора, выбор шпации, определение расположения балок основного и рамного набора, согласование расположения переборок с другими конструктивными элементами) такие же, как и в традиционном судостроении. Расположение продольных и поперечных переборок диктуется границами шахты опорных колонн, поскольку переборки являются основными элементами, разносящими сосредоточенные нагрузки с опорных устройств на корпус понтона. По технологическим соображениям в корпусе могут быть выделены отдельные коффердамы, если предусмотрена стыковка понтона из отдельных блоков на плаву.

Формирование понтона треугольного в плане или понтона трехопорной СПБУ возможно тремя способами:

с доминирующей продольной системой набора (рис. 4.7). В этом случае количество стандартных секций и блоков невелико, что делает понтон дороже;

Рис. 4.5. Понтон прямоугольной формы с поперечной системой набора


Рис. 4.6. Понтон прямоугольной формы с продольной системой набора	Рис. 4.7. Треугольный понтон с продольной системой набора

со смешанной системой набора (рис. 4.8), что позволяет собирать равносторонний понтон из трех идентичных блоков при условии расположения буровой вышки в центре понтона. Такой способ формирования корпуса понтона рационален для небольших СПБУ;

прямоугольный понтон с аутригерами опорных колон (рис. 4.9).

Рассмотрим более подробно последний вариант понтона (рис. 4.10). Он представляет собой конструкцию коробчатого вида с двойными бортами и дном, двумя платформами, туннелем в средней части, продольным набором, продольными переборками, подпалубным карлингсом. Конструкция аутригера показана на рис. 4.11. Шахта 1 предназначена для прохода цилиндрической колонны. Разнесение нагрузки осуществляется шестью переборками 2. Район крепления аутригера к понтону выполнен в виде усиленного коффердама 3. Переборки воспринимают нагрузку от фундаментов опорных устройств [см. формулу (4.15)].

Понтон – конструкция СПБУ, у которой габаритные размеры в плане относительно близки между собой. По этой причине традиционные корабельные подходы к оценке общей прочности, которые предполагают отдельный анализ общей продольной прочности и расчет прочности шпангоутной рамы, нецелесообразны из-за значительной передачи деформаций во взаимно перпендикулярных направлениях. Наиболее подходящим методом для оценки прочности понтона в этом случае является метод конечных элементов, реализованный в стандартных программных пакетах. На рис. 4.12 показана конечно-элементная модель понтона СПБУ. Универсальность метода конечных элементов позволяет варьировать в широком диапазоне нагрузки и корректировать в случае необходимости прочные размеры конструктивных элементов.

Конструкция опор СПБУ, как уже было отмечено в гл. 2, может быть ферменная и цилиндрическая (рис. 4.13). Ферма выполняется из трубчатых стержней, которые подгоняются в местах соединения без подкреплений или дополнительно усиливаются кницами и бракетами (рис. 4.14). Цилиндрические колонны могут иметь выносную планку с окнами для подъемного устройства (см. рис. 4.13, в). Для опор СПБУ, имеющих небольшую массу понтона, возможно применение конструкции с двумя наружными зубчатыми рейками (см. рис. 4.13, д).

Рис. 4.8. Треугольный понтон со смешанной системой набора

Рис. 4.9. Прямоугольный понтон с аутригерами - бортовым (1) и носовым (2)

Рис. 4.10. Мидель-шпангоут прямоугольного понтона с продольной системой набора: а – сечение по рамному шпангоуту: 1 – бимс верхней палубы; 2 – бимсы промежуточных палуб; 3 – рамные стойки продольных переборок; 4 – флор; 5 – диафрагма двойного борта б – сечение по обыкновенному шпангоуту: 1 – стойка продольной переборки; 2 – карлингс верхней палубы; 3 – продольные балки верхней палубы; 4 – продольные балки промежуточных палуб; 5 – продольные балки настила второго дна; 6 – продольные балки обшивки днища; 7 – продольные балки второго борта; 8 – продольные балки борта

Рис. 4.11. Конструкция аутригера: горизонтальное сечение по платформе (а)

и между платформами (б)

1 тахта; 2 – вертикальные переборки; 3 – усиленный коффердам

Рис. 4.12. Расчетная конечно-элементная модель понтона четырехопориой СПБУ (вид без верхней палубы)

1 - шахты опорных колон; 2 – продольная переборка; 3 – поперечная переборка; 4 настил второго дна

Рис. 4.13. Конструкция опор

а – квадратные в сечении: 1 – зубчатая рейка; 2 – распорка; 3 – раскосы;

б – треугольные в сечении: 1 – вертикальный несущий стержень; 2 – раскосы; 3 – распорки; 4 – зубчатая рейка;

в – цилиндрические с выносной планкой 1 – выносная планка;
2 – внутренний цилиндр; 3 – наружный цилиндр; 4 – вырезы подъемного устройства;

г – цилиндрические с вырезами для подъемного устройства:
1 – внутренний цилиндр; 2 – наружный цилиндр; 3 – вертикальные диафрагмы; 4 – вырезы подъемного устройства

д – цилиндрические с зубчатой рейкой: 1 – обшивка колонны; 2 – зубчатая рейка

Рис. 4.14. Варианты узлов ферменных опор: а – бескничное соединение; б - кничное соединение

Конструкция корпуса ППБУ

В отличие от СПБУ корпус ППБУ состоит из большего количества конструктивных районов, которые различаются по своему функциональному назначению, конструкции, технологии постройки. Корпус ППБУ может быть разделен на следующие районы:

- понтоны, имеющие в поперечном сечении круглую, элипсоподобную или близкую к обычной корабельной форму. В последнем случае корпус водоизмещающего понтона близок по форме к корпусу судна с упрощенными обводами, состоящему из плоских участков и участков цилиндрических или конических поверхностей;

- стабилизирующие колонны, соединяющие водоизмещающие понтоны и верхнее строение. Стабилизирующие колонны обычно имеют форму призмы, круглой или многоугольной в горизонтальном сечении;

- раскосы, распорки – конструктивные элементы, распределяющие внешнюю нагрузку на ППБУ;

- верхнее строение – конструкция, опирающаяся на стабилизирующие колонны, и предназначенная для размещения энергетического и технологического оборудования и запасов.

Рассмотрим конструкцию основных районов корпуса ППБУ на примере отечественной установки «Шельф», эксплуатирующейся в Каспийском и Баренцевом морях.

Понтоны имеют близкую к судовой форму с упрощенными носовой и кормовой оконечностями. Понтон имеет продольную систему набора (рис. 4.15). Район скулы, борта и ширстрека подкрепляется скуловыми и подпалубными бракетами. Для надежного сопряжения понтона со стабилизирующими колоннами используется система поперечных переборок и продольная переборка в диаметральной плоскости (ДП) понтона (рис. 4.16). В оконечностях применены поворотные шпангоуты 3. Обшивка поперечных и продольной переборки подкреплена горизонтальным набором, что является естественным для продольной системы набора понтона (рис. 4.17).

Стабилизирующие колонны ППБУ «Шельф» имеют цилиндрическую форму (рис. 4.18) с горизонтальным рамным набором и вертикальными балками главного направления. Жесткость стабилизирующей колонны обеспечивается вертикальными переборками и полупереборками, а также платформами (рис. 4.19). В стабилизирующих колоннах конструктивно выделяются коммуникационные шахты для трубопроводов балластных систем и шахта лифта.

Распорки и раскосы корпуса ППБУ представляют собой, как правило, трубчатые конструкции с поперечными диафрагмами. Особый интерес представляют узлы соединения раскосов и распорок с конструкциями стабилизирующих колонн, понтонов, верхних строений (рис. 4.18–4.21). Основной задачей при конструировании подобных узлов является максимально возможное снижение коэффициента концентрации напряжений (см. параграф 4.1), что достигается соответствующим сопряжением раскосов и распорок с переборками и платформами, а также установкой дополнительных книц или конических сопрягающих конструкций.

Верхнее строение может иметь два варианта конструктивного оформления:

При первом – это прямоугольная однопалубная или многопалубная конструкция, положение продольных и поперечных переборок которой согласовано с аналогичными конструкциями стабилизирующих колонн и раскосами.

При втором – это система опорных балок, которые сопрягаются со стабилизирующими колонами и раскосами. На опорных балках устанавливается верхнее строение.

Второй вариант оформления верхней части корпуса применен на ППБУ «Шельф». Опорные балки представляют собой коробчатые конструкции, стенки и пояски которых подкреплены продольным набором, опирающимся на поперечные диафрагмы (рис. 4.21). Положение стенки опорной балки согласовано с положением переборок стабилизирующих колонн. Обшивка раскоса соединена с нижним пояском опорной балки (см. рис. 4.21). Двухпалубное верхнее строение имеет продольную систему набора (рис. 4.22). Главная палуба является верхним пояском опорных балок.

Рис. 4.15.Поперечный разрез борта понтона: а рамный шпангоут; б - обыкновенный шпангоут

1, 5 - продольный набор водоизмещающего корпуса; 2 – стенка рамного шпангоута; 3 – поясок рамного шпангоута; 4 - ребра жесткости стенки рамного шпангоута, 6– скуловая бракета; 7 – подпалубная бракета

Рис. 4.16. Конструктивные схемы: а - палуба понтона; б - борт понтона (повернуто). 1 - поперечные переборки; 2 - продольная переборка в ДП; 3 – поворотные шпангоуты

Рис. 4.17. Конструкция поперечной переборки понтона

1 – горизонтальный набор поперечной переборки; 2 – обшивка поперечной переборки водоизмещающего корпуса; 3 – продольный днищевой набор; 4 – продольный набор палубы; 5 – стойка поперечной переборки; 6 – рамный бимс; 7 – рамный флор; 8 – продольный набор борта

Рис. 4.18. Горизонтальное конструктивное сечение стабилизирующей колонны 1 – распорка, раскос; 2 – обшивка стабилизирующей колонны; 3 – горизонтальный набор стабилизирующей колонны; 4 – продольная и поперечная переборки стабилизирующей колонны

Рис. 4.19. Продольный разрез стабилизирующей колонны 1 несущая балка верхнего строения; 2 – обшивка стабилизирующей колонны; раскос; 4 – настил палубы водоизмещающего корпуса; 5 – платформы

Рис. 4.20. Узел соединения распорки со стабилизирующей колонной:

1 - обшивка стабилизирующей колонны; 2 - горизонтальный набор стабилизирующей колонны; 3 - конструкции переборки стабилизирующей колонны; 4 – распорка

Рис. 4.21. Узел соединения раскосов с верхним строением: 1 раскос; 2 – несущие балки верхнего строения

В параграфе 4.1 было отмечено, что при определении прочных размеров конструктивных элементов необходимо рассчитывать напряжения в конструкции. В проектировании традиционного судна этой процедуры удается избежать, поскольку корпус судна моделируется статически определимой плавающей непризматической балкой, для которой находятся интегральные нагрузки (распределение перерезывающих сил и изгибающих моментов по длине судна). Корпус ППБУ даже в балочной идеализации (рис. 4.23) не является статически определимой системой. Здесь широко используется метод конечных элементов для расчета напряженного состояния корпуса ППБУ в целом и его отдельных узлов в процессе определения оптимальных размеров балок и толщин листовых элементов.

Рис. 4.22. Фрагмент конструктивного поперечного сечения верхнего строения 1 – несущая балка верхнего строения; 2 – бимс нижней палубы верхнего строения; 3 – бимс промежуточной палубы верхнего строения; 4 – бимс верхней палубы; 5 – стойка продольной переборки; 6 – продольная переборка

Рис. 4.23. Расчетная схема Корпуса ППБУ для анализа общей прочности (стержневая конечно-элементная идеализация) 1 корпус понтона; 2 – оконечность понтона; 3 – опорные балки верхнего строения; 4 - стабилизирующая колонна; 5 – распорка; 6 – раскос

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78