CC BY
39
-□ □-
Дослидження присвячено експериментальному визна-ченню критичних зон максимальних значень механчних напружень в суднових корпусних конструкциях. За допо-могою коерцитиметричного мотторингу визначен осе-редки тдвищених значень механчних напружень корпуЫв дослиджуваних суден. Встановлено, що впровадження на морських суднах автоматичного мотторингу техшчно-го стану в процеы гх експлуатаци дозволить збшьшити надштсть i безпеку роботи морського флоту
Ключовi слова: корпус судна, техшчний стан, коерци-
тиметричний мошторинг
□-□
Исследование посвящено экспериментальному определению критических зон максимальных значений механических напряжений в судовых корпусных конструкциях. С помощью коэрцитиметрического мониторинга определены районы повышенных значений механических напряжений корпусов исследуемых судов. Установлено, что внедрение на морских судах автоматического мониторинга технического состояния в процессе их эксплуатации позволит увеличить надежность и безопасность работы морского флота
Ключевые слова: корпус судна, техническое состояние, коэрцитиметрический мониторинг -□ □-
УДК 629.5.023, 620.179.1
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.50613|
АВТОМАТИЧНИЙ МОН1ТОРИНГ ТЕХН1ЧНОГО СТАНУ КОРПУСУ СУДНА В ПРОЦЕС1 ЙОГО ЕКСПЛУАТАЦИ
О. П. Завальнюк
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра експлуатаци суднового електрообладнання i засобiв автоматики Херсонська державна морська академiя пр. Ушакова, 20, м. Херсон, УкраТна, 73000 E-mail: [email protected]
1. Вступ
Техшчний стан суднових корпусних конструкцш тд час 1х експлуатаци повинен убезпечувати плавання та збереження вантажiв, що перевозяться. Проблеми тд-вищення безпеки мореплавства та забезпечення охорони навколишнього морського середовища досить псно пов'я-заш мiж собою. Аварп морських суден через руйнування корпусних конструкцш (розрив зв'язюв, пробоши, трщи-ни) i супутш 1м розливи палива та шших нафтопродуктiв особливо впливають на морську природу i атмосферу. В даний час обстановка в судноплавств^ зокрема в нашш державi, склалася таким чином, що багато торгових суден виробили свш розрахунковий ресурс або близью до його вичерпання, але продовжують експлуатуватися [1]. Таю судна, як правило, були розраховаш з достатшм запасом мщносп, але питання визначення межi надшносп i безпечно! експлуатацii суден та 1х залишкового ресурсу надалi залишаються достатньо актуальними.
2. Аналiз лкературних даних та постановка проблеми
Техшчний стан корпусу судна [2] е сукупшстю па-paMeTpiB, що визначають мiцнiсть, жорсткiсть i непро-никшсть корпусу (корпусних конструкцiй), схильних до змши в процесi експлуатацii. Враховуючи дiю на корпус трьох основних видiв навантажень [3]: на тихш водi, на хвилюваннi чи ввд взаемодii з льодом, бiльшiсть науков-цiв - провiдних фахiвцiв в галузi мiцностi судна у своiх працях здебiльшого спiльнi у думщ щодо розташування критичних зон суднових корпуав. Так вiдповiдно до статистики пошкоджень [3] найчастiше мiсця тдвищених мехашчних напружень, залишковi деформацп чи трiщини виникають у середнш частинi корпусу. У роботi
[4] вiдмiчаeться систематичне виникнення конструкцш-них ушкоджень саме у районi мвдель-шпангоута судна в ходi проведення вантажних та баластних операцш. У дослвдженш [5] наголошуеться на те, що особливо велика юльюсть пошкоджень конструкцш спостертеться на суднах, яю експлуатуються у складних метеорологiчних умовах i вiдмiчае критичними зонами корпусу судна мш-ця, якi знаходяться в чверп довжини судна ввд носового i кормового перпендикулярiв. Зпдно iз [6] мiсцями тд-вищених механiчних напружень переважно е поперечш перетини корпусу, близькi до мвделя судна. Напруження також значно збшьшуються в конструкцiях з рiзко змш-ними перетинами (наприклад, район переходу палуби у надбудову). Також через явище слемшгу (riдродинамiч-нi навантаження, що мають характер удару) критичнi зони можуть зосереджуватися в райош плоско'i дшянки днища i початку скулового пояса [7], а залишковi деформацп вiд льодових навантажень захоплюють ще й весь скуловий пояс, тдшмаючись навiть вище рiвня настилу другого дна [8].
Ввдповвдно до рекомендацш Мiжнародно'i морсько'i органiзацi'i та провщних Класифiкацiйних товариств по установцi систем мониторингу механiчних напружень корпусу для тдвищення безпечно! експлуатацii суден [9-11], ва судна повною вантажотдйомшстю вiд 20000 тонн необхiдно обладнати системами автоматичного мониторингу техшчного стану корпусу. Проте з рiзних причин судновласники ухиляються вiд встанов-лення такого обладнання на сво1х суднах. Всесвiтньо вiдомi фiрми-виробники проввдних морських держав розробили ряд систем автоматичного мониторингу тех-нiчного стану суднових корпуав [12-15]. Давачi мехашчних напружень корпусу судна - основш складовi таких систем - зпдно [10] встановлеш в його середнш частиш i в мкцях, що знаходяться в чвертi довжини судна ввд
©
носового i кормового перпендикулярiв. У якост давачiв механiчних напружень, як правило, застосовуються тен-зорезистори [16] чи волоконно-оптичш тензометри [17]. Разом з цим е досить широко уживаними засоби контролю мехашчних напружень феромагштних сталевих конструкцiй, що базуються на магнiтних методах неруй-швного контролю [18]. Очевидним е використання саме магштних властивостей феромагнiтного корпусу судна з метою визначення у ньому мехашчних напружень для того, щоб за 1х величиною оцшювати техшчний стан i надiйнiсть суднового корпусу тд час його експлуатацп.
3. Мета та задачi дослщження
Метою дослiдження е експериментальне визначення критичних зон максимальних значень мехашчних напружень в суднових корпусних конструкщях для здшснення контролю загально! мщност судна у реальному час та автоматичного монiторингу техшчно-го стану корпусу в процеа його експлуатацii.
Для досягнення поставлено! мети необхщно було розв'язати наступш задачi:
- експериментально обрати найбшьш придатнi для контролю загально! мщност судна несучi елементи суднового корпусу;
- користуючись одним з методiв неруйнiвного контролю для ряду дослщжуваних суден, визначити осередки тдвищених значень механiчних напружень корпуав.
4. Методика експерименту на дослщжуваних суднах
Визначення критичних зон базувалося на класичному положенш про е^валентний брус [7] i проводилося на чотирьох дослщжуваних суднах з перевищеним термЬ ном експлуатацп - бшьше 25 рокiв (т/х «Volgo-Balt 130», т/х «LEDA», т/х «Сибирский-2101», т/х «DIVA»). Сущль-ний комiнгс вантажних трюмiв [19, 20] е одним з най-важливiших несучих подовжшх зв'язкiв корпусу судна i тому е доступним i найбшьш зручним у якосп об'екту контролю загально! мiцностi судна та механiчних напружень суднового корпусу в процеа його експлуатацп. При повному розкритп палуб подовжш комiнгси [19, 20], як правило, конструюють безперервними, i вони е частиною е^валентного бруса. У звичайних умовах, коли над палубою е два подовжш безперервш комшгси, нормуються напруження у верхнiй палуб! Для сприйняття бiльш ви-соких мехашчних напружень в комшгсах 1х виконують з мiцнiших сталей, здатних сприймати бiльшi напруження, анiж напруження у верхнш палубi.
Разом з тим, частиною еквiвалентного бруса е i гори-зонтальний кiль суднового корпусу, який являеться по-товщеним поясом обшивки днища, симетричним щодо дiаметральноi площини. Горизонтальний кiль, як i без-перервний комiнгс, може сприймати мехашчш напруження стиснення i розтягування. Слщ зазначити, що для великотоннажних суден характерний коробчастий або тунельний юль [19], утворений двома вертикальни-ми стрингерами, зазвичай симетричними дiаметраль-нiй площинi, з вщстанню не бiльше 1,8 м мiж ними.
Для виявлення осередкiв тдвищених значень мехашчних напружень корпуав дослщжуваних суден був використаний магштний метод неруйнiвного
контролю шляхом вимiрювання коерцитивно! сили матерiалу несучих суднових конструкцш [21, 22], яки-ми в даних польових умовах найбшьш доступними та зручними для контролю були сущльш комшгси вантажних трюмiв з обох борпв судна.
Вщповщно до [18] в ходi коерцитиметричного мо-нiторингу на несучих елементах суднового корпусу розмщують давач^ за допомогою яких вимiрюють маг-нiтну характеристику матерiалу (коерцитивну силу), значення яко! використовують для оцшки технiчного стану корпусу судна. У якоси давачiв магнiтноi характеристики застосовуються давачi коерцитивно! сили.
Вимiрювання коерцитивно! сили здiйснювалося за допомогою магшгного структуроскопа КРМ-Ц-К2М з автоматичним живленням, оснащеного П-подiбним при-ставним перетворювачем на основi давача Холла [23]. Дiа-пазон вимiрювання коерцитивно! сили - вiд 1 до 60 А/см. Похибка вимiрювання не перевищувала 5 %. Тривалкть вимiрювального циклу складала 6 с. Точки контролю коерцитивно! сили на комшгсах обиралися таким чином, щоб положення можна було точно визначити i перенести на план загального розташування дослщжуваного судна, використовуючи вщповщш координати. У якост координатних осей слугували вiсi Х та X причому вiсь Y перпендикулярна осi Х у основнш площинi i направлена у бш правого (+) або лiвого (-) борту. Вкь Х з початком вщлжу вiд носового або кормового перпендикулярiв в залежностi вiд напряму вщлжу шпангоутiв спiвпадае з лшею кiля (лiнiею перетину основно! та дiаметральноi площин судна). Вiсь Y е вiдстанню контрольовано! точки вщ дiаметральноi площини судна - подовжньо! площини симетрii судна. Для контрольованих точок для зручносп приймалися значення вга Х, якi збiгаються з кожним п'ятим шпангоутом судна (елементом поперечного набору корпусу). Вщстань мiж кожним п'ятим шпангоутом дослщжуваного судна дорiвнювала 2,5 м.
Здебшьшого матерiалом комiнгсу вантажних трю-мiв дослiджуваних суден являлася конструкцiйна сталь 09Г2С [24].
Вимiрювання коерцитивно! сили Нс матерiалу можна було проводити навиь через невеликий шар (до 6 мм) захисного покриття (фарбу, iржу тощо) [23]. Спочатку вимiрювалися значення магнiтноi характеристики (коерцитивно! сили) матерiалу комiнгса, визначався розпод^ магнiтноi характеристики ма-терiалу несучого елементу за шпангоутами вздовж судна, за яким визначалися критичш зони, де магштна характеристика матерiалу в процеа експлуатацiйних навантажень мала максимальш значення.
5. Результати експериментального визначення критичних зон в суднових корпусних конструкщях
За вище описаною методикою експерименту на дослЬ джуваних суднах отримано графжи розподтв коерцитив-но! сили Нс вздовж комiнгса трюмiв. На рис. 1 представлений графж розподiлу коерцитивно! сили уздовж комшгав трюмiв одного з дослщжуваних вантажних суден вщ шпангоута № 50 - в кормовш частиш до шпангоута № 210 - в носовш частинi (на рис. 1 номера шпангоупв не вказат).
Схема розташування давачiв коерцитивно! сили уздовж комiнгсiв трюмiв вантажного судна зображена на рис. 2.
Рис. 1. Графк розподту коерцитивноТ сили уздовж комшгав трюмiв вантажного судна: А, Б, В, Г, Д — критичн зони несучих суднових конструкцш
Рис. 2. Схема розташування давачiв коерцитивноТ сили уздовж комшгав трюмiв вантажного судна: 1 — корпус судна; 2 — комшгс трюмiв; 3 — давачi коерцитивноТ сили
За графжами розподiлу коерцитивноТ сили Нс було визначено критичш зони корпуса дослщжуваного судна, в яких коерцитивна сила набувае максимального значення (зони А, Б, В, Г, Д). Порiвнюючи отри-маш графiки, очевидно [18], що при будь-яких станах завантаження/баластування дослщжуваного судна критичнi зони у даному випадку видшяються в зонах А, Б, В, Г, Д, тдтверджуючи факт того, що виявлеш максимальш значення коерцитивноТ сили являють собою тенденщю, яка мае мiсце при будь-якому сташ завантаження/баластування дослiджуваного судна.
на вщсташ чвертi довжини судна вщ кормового перпендикуляра (рис. 1).
Але у кожного судна можуть бути iндивiдуальнi критичнi зони, розташування яких залежить вщ його конструкцп, вiку, технiчного стану, умов експлуатацп тощо. Тому, визначаючи критичш зони суднових корпусних конструкцш, слщ прово-дити аналiз за експериментально отриманим розподшом значень коерцитивноТ сили матерiалу суднових конструкцш за шпангоутами.
У загальному випадку юльюсть таких критичних зон суднового корпусу може бути вщмшною вщ представлених на рис. 2. При бшь-шiй кiлькостi певних критичних зон полшшуеться достовiрнiсть мониторингу за рахунок введення нових (характерних для даноТ кон-кретноТ конструкцп судна) критичних райошв.
Таким чином, запропонована методика встановлен-ня критичних зон суднових корпусних конструкцш, яка базуеться на коерцитиметричному мошторингу, дозволяе найб^ьш точно визначати зони максималь-них значень напружень в суднових конструкщях, на вщмшу вщ рекомендацiй МiжнародноТ морськоТ орга-шзацп, а також збiльшуе достовiрнiсть при визначен-нi напруженого стану несучих елеменпв за рахунок об'ективного i обгрунтованого визначення критичних зон конструкцп конкретного судна.
6. Обговорення результата експериментального визначення критичних зон корпуав суден
Отже коерцитивна сила Нс матерiалу дозволяе без-посередньо визначити мехашчш напруження а в судно-вiй конструкцiТ без ТТ руйнування на основi вiдповiдноТ кореляцiйноТ залежносп мiж напруженим станом а i коерцитивною силою мaтерiaлу Нс. Напружений стан а контрольованих елементiв конструкцп в критичних зонах [21, 22] використовують для визначення техшчного стану несучих елеменпв конструкцп судна в щлому. Зокрема, за коерцитивною силою можна визначити, чи перевищують напруження а мaтерiaлу в даний момент експлуатацп судна значення, що вщповщають умовнш межi плинностi а0,2 або межi мiцностi ав, так як для кожного iз цих параме-трiв для даного мaтерiaлу iснують значення коерцитивноТ сили Нсп i Нсв вiдповiдно [21, 22, 24].
Отже мкцями пiдвищених мехaнiчних напружень переважно е поперечш перетини корпусiв, близью до мЬ деля судна. В перюд важких штормових умов плавання при ударах судна носом об воду i ударах води, що потра-пляе через носову частину судна на палубу районами тдвищених напружень також можуть бути поперечш перетини корпусу, розташоваш приблизно на вщсташ чверп довжини судна вщ носового перпендикуляра. Напруження також значно збшьшуються в конструкщях з рiзко змiнними перетинами (наприклад, район переходу палуби в надбудову), тому зонами тдвищених напружень е i поперечнi перетини корпусу, розташоваш приблизно
7. Висновки
В ходi проведеного дослщження було експериментально визначено найбшьш придaтнi для контролю за-гальноТ мiцностi судна несучi елементи суднового корпусу. Користуючись одним методом коерцитиметрiТ для ряду дослщжуваних суден, визначено осередки тдвищених значень мехашчних напружень Тх корпусiв, встанов-лено критичш зони.
Використовуючи дaвaчi коерцитивноТ сили, стащо-нарно встaновленi у вщповщних точках на горизонталь-нiй поверхш комiнгсa трюмiв, можна отримувати шфор-мaцiю про фактичний стан навантажень на корпус судна в реальному чаа, а також здшснювати контроль поз-довжньоТ мiцностi судна та мошторинг технiчного стану корпусу. Впровадження на морських торгових суднах автоматичного мониторингу технiчного стану суднових корпусiв в процеа Тх експлуатацп дозволить збшьшити нaдiйнiсть i безпеку роботи флоту в щлому.
У перспективi подальших дослiджень - створення експертноТ системи експериментальноТ оцiнки технiчного стану корпусу судна за результатами шформацп вщ маг-нiтометричних перетворювaчiв, за допомогою яких можна вимiрювaти не тшьки коерцитивну силу, але й i магшт-ну проникнiсть та залишкову нaмaгнiченiсть, що значно збшьшить достовiрнiсть контролю. Також подальший розвиток даного напрямку дозволяе перейти вщ контролю величини мехашчних напружень до визначення за-лишкового ресурсу роботи контрольованого об'екта. При
цьому результати обстеження обласп не залежатимуть ввд квалiфiкацii фахiвця, який проводить контроль. Це забезпечить об'ектившсть контролю i дозволить створю-вати паспорти надшносп морських торгових суден.
8. Подяка
Дослвдження виконанi у науково-дослщнш навчаль-нiй лабораторii «Експертне оцшювання та монiторинг загальноi мiцностi суден для убезпечення мореплавства»
Херсонсько'! державно'! морсько'! академii в межах роботи над держбюджетною темою № 6/13 «Розробка концепцп неруйнiвного контролю несучих елеменпв суднових кон-струкцiй у процеа 'х експлуатаци», затвердженою Наказом Мшстерства освiти i науки, молодi та спорту Украши № 1193 вщ 25.10.2012 р. (№ 0113U003114). Також приклад-нi дослвдження виконувалися в рамках договору про на-уково-технiчне спiвробiтництво № 1 ввд 19.11.2010 р. мiж Херсонською державною морською академiею та судно-плавною компашею «VESTRA ltd», яка надавала сво' судна для проведення наукових вимiрювань.
Лiтература
1. Репстрова книга суден [Електронний ресурс]. - Класифшацшне товариство Репстр судноплавства Украши. - Режим доступу: http://www.shipregister.ua/. - 16.09.2015.
2. Томашевский, В. Т. Машиностроение. Энциклопедия. Расчет и конструирование машин. Раздел IV. Корабли и суда. Т. IV-20. Проектирование и строительство кораблей, судов и средств океанотехники. Кн. 2 [Текст] / В. Т. Томашевский, В. М. Пашин, В. Л. Александров и др.; под ред. В. Т. Томашевского, В. М. Пашина. - СПб.: Политехника, 2004. - 882 с.
3. Максимаджи, А. И. Капитану о прочности корпуса судна: Справочник [Текст] / А. И. Максимаджи. - Л.: Судостроение, 1988. - 224 с.
4. Павленко, Л. В. Особенности эксплуатации балкеров: учеб. Пособие [Текст] / Л. В. Павленко, Л. А. Козырь. - Одесса: ЛАТ-СТАР, 2002. - 80 с.
5. Барабанов, Н. В. Повреждения и пути совершенствования судовых конструкций [Текст] / Н. В. Барабанов, Н. А. Иванов, В. В. Новиков, Г. П. Шемендюк; 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.
6. Бшокурець, А. О. Кер1вництво з оновлення суден внутршнього та змшаного плавання [Текст] / А. О. Бшокурець. - Кшв: Репстр судноплавства Украши, 2015. - 32 с.
7. Rawson, K. J. The ship girder. Basic Ship Theory [Text] / K. J. Rawson, E. C. Tupper. - Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2001. - P. 177-236. doi: 10.1016/b978-075065398-5/50009-1
8. Vhanmane, S. Estimation of ultimate hull girder strength with initial imperfections [Text] / S. Vhanmane, B. Bhattacharya // Ships and Offshore Structures. - 2008. - Vol. 3, Issue 3. - P. 149-158. doi: 10.1080/17445300802204389
9. Common Structural Rules for Bulk Carriers [Electronic resource]. - International association of classification societies, 2006. -Available at: http://www.iacs.org.uk/ - 16.09.2015.
10. MSC/Circ.646. Recommendations for the fitting of Hull Stress Monitoring Systems [Electronic resource]. - International marine organization. - Available at: http://www.imo.org/ - 16.09.2015.
11. Investigation Report on Structural Safety of Large Container Ships, September [Electronic resource]. - Nippon Kaiji Kyokai (Class NK), 2014. - Available at: http://www.classnk.or.jp/ - Title from the screen.
12. Hull Stress Monitoring System «HULLMOS» [Electronic resource]. - The official website of company ROUVARI OY (Finland). -Available at: http://www.rouvari.fi/ - 16.09.2015.
13. The fiber optic hull stress monitoring system «SENSFIB» [Electronic resource]. - The official website of company Light Structures AS (Norwegian). - Available at: http://www.lightstructures.no/ - 16.09.2015.
14. Hull Condition Monitoring System «HMON» [Electronic resource] / The official website of the WEIR-JONES GROUP (Canada). - Available at: http://www.weir-jones.com/ - 16.09.2015.
15. Integrated Marine Monitoring System [Electronic resource]. - The official website of the BMT Scientific Marine Services (USA). -Available at: http://www.scimar.com/ - 16.09.2015.
16. §tefanescu, D. M. Handbook of Force Transducers [Text] / D. M. §tefanescu. - Springer Berlin Heidelberg, 2011. - 612 p. doi: 10.1007/978-3-642-18296-9
17. Krohn, D. A. Fiber Optic Sensors: Fundamentals and Applications [Text] / D. A. Krohn, W. MacDougall, A. Mendez. - Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 2014. - 317 p. doi: 10.1117/3.1002910
18. Мирошников, В. В. Контроль прочности корпуса судна [Текст] / В. В. Мирошников, О. П. Завальнюк, В. Б. Нестеренко. -Херсон: Гринь Д. С., 2015. - 108 с.
19. Papanikolaou, A. Ship Design. Methodologies of Preliminary Design [Text] / A. Papanikolaou. - Springer Netherlands, 2014. -628 p. doi: 10.1007/978-94-017-8751-2
20. Eyres, D. J. Ship Construction. Decks, hatches, and superstructures [Text] / D. J. Eyres, M. Sc., F.R.I.N.A. - Springer, 2007. -P. 209-225. doi: 10.1016/B978-075068070-7/50021-9
21. Пат. № 76864 Украша, МПК В63В 9/08. Споаб мошторингу техшчного стану несучих елемен™ суднових конструкцш [Текст] / Нестеренко В. Б., Учашн В. М., Завальнюк О. П., Безлюдько Г. Я. - заявник та власник патенту Херсонська державна морська академiя. - № u 2012 04407; заявл. 09.04.12; опубл. 25.01.13, Бюл. № 2. - 4 с.
22. Пат. № 106099 Украша, МПК B63B 9/08 (2006.01). Споаб мошторингу техшчного стану несучих елеменпв конструкцй судна [Текст] / Завальнюк О. П., Учашн В. М. - заявники та власники патенту Херсонська державна морська академiя, Фiзико-механiч-ний шститут iм. Г. В. Карпенка НАН Украши. - № a 2012 07675; заявл. 22.06.2012; опубл. 25.07.2014, Бюл. № 14. - 4 с.
23. Магштний структуроскоп КРМ-Ц-К2М [Електронний ресурс]. - НВФ «Специальные Научные Разработки». - Режим доступу: http://www.snr-ndt.com/ - 16.09.2015.
24. Eyres, D. J. Ship Construction. Steels [Text] / D. J. Eyres, M. Sc., F.R.I.N.A. - Springer, 2007. - P. 42-49 doi: 10.1016/B978-075068070-7/50006-2
