автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Решение проблем аварийной прочности и экологической безопасности судов для морской транспортировки токсичных грузов за счет совершенствования судокорпусных конструкций

На правах рукописи

НЕСТЕРОВ Александр Борисович

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ АВАРИЙНОЙ ПРОЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВ ДЛЯ МОРСКОЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТОКСИЧНЫХ ГРУЗОВ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СУДОКОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.08.01 - Теория корабля и строительная механика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

7 АВГ 2014

Санкт-Петербург - 2013

005551457

005551457

Работа выполнена в ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Научный консультант: д.т.н. Апполонов Евгений Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Вилков Сергей Михайлович, заместитель генерального директора СПСК

доктор технических наук, профессор Зуев Валерий Андреевич, заведующий кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника» Нижегородского ГТУ им. Р.Е.Алексеева

доктор технических наук, профессор Родионов Александр Александрович, заведующий кафедрой строительной механики корабля СПб ГМТУ

Ведущая организация: Российский морской регистр судоходства.

Защита диссертации состоится «.2$г> 2013 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д411.004.01 при ГНЦ РФ ФГУП «Крыловский государственный научный центр» по адресу: 196158, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГНЦ РФ ФГУП «Крыловский государственный научный центр».

Автореферат разослан «£5» VII 2013 г.

Ученый секретарь Совета К ТОр технических наук

Вишневский Леонид Иосифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из наиболее эффективных способов повышения безопасности судов в аварийных ситуациях является выполнение специальных конструктивных мероприятий. Совершенно очевидно, что введение такой, ставшей ныне классической, конструкции, как двойное дно транспортных судов было именно таким мероприятием.

Аварийная прочность - направление строительной механики корабля, изучающее закономерности деформирования корпусных конструкций в аварийных ситуациях (типа навалов, столкновений, посадки на мель и т.п.), способы определения объема аварийных повреждений корпусных конструкций, а также методы управления развитием возможной аварийной ситуации за счет изменения конструкции корпуса судна.

По данным С.Ф.Глазова за 60е-80е годы XX в. навигационные аварии (столкновения и посадки на мель) составляют 63 % от аварий нефтяных танкеров, приведших к разлитию грузов (для химовозов - 53 %). Как показали исследования И.М.Короткина, анализировавшего аварии и катастрофы кораблей иностранных флотов за период 1900-1974г.г., навигационные аварии для них составляют 77 % от всех зарегистрированных.

По данным ЦНИИ МФ доля навигационных аварий составляла 45 % от общего их числа для танкеров валовой вместимостью 6000 брт и более в период 1968-1983 г.г.

Если первоначально целью аварийной прочности было только повышение живучести судна при авариях, то с появлением атомных судов и супертанкеров на первый план вышла задача предотвращения загрязнения окружающей среды экологически опасными веществами вследствие судовых аварий. Одновременно совершенствовались и пути решения задач аварийной прочности: от чисто эмпирических подходов к анализу статистики повреждений на основе вероятностных методов и, в дальнейшем, к созданию расчетных моделей разрушения корпусных конструкций.

Одной из первых задач аварийной прочности, решавшихся в отечественной практике, было обеспечение безопасности при аварийных навалах в процессе швартовки в море, в рамках которого решалась задача деформирования бортового перекрытия судна в упруго-пластической и пластической стадиях. По указанному направлению известны работы

A.Г.Архангородского, Н.В.Барабанова, Л.М.Беленького, В.П.Белкина, А.М.Бененсона, Г.В.Бойцова, Е.П.Бураковского, А.И.Бронского, В.П.Дурнова, В.В.Козлякова,

B.А.Курдюмова, А.И.Симановича и других.

С появлением в составе отечественного арктического флота атомных ледоколов возникла задача расчета эффективности противотаранной защиты их энергетических установок. Решая указанную задачу, существенный вклад в развитие отечественной

аварийной прочности внесли сотрудники ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова Ю.Ф.Лепп и М.В.Филиппео.

Резкое увеличение дедвейта нефтяных танкеров, развитие флота химовозов, начало добычи нефти на морском шельфе сделали задачу расчета эффективности конструктивной защиты от навигационных аварий актуальной также для танкеров, химовозов и морских буровых установок. Эту задачу в нашей стране решали: Е.М.Апполонов, Г.В.Бойцов, С.В.Вербицкий, В.Н.Волков, Н.Н.Волков, С.М.Вилков, С.Ф.Глазов, А.А.Головкин,

B.С.Дорин, В.И.Евенко, А.А.Захаров, Ю.А.Зимницкий, Б.М.Конторович, И.М.Короткин,

C.Б.Кодацкий, С.С.Кощий, М.А.Кудрин, М.А.Кутейников, О.Е.Литонов, С.И.Логачев, Е.А.Маслич, О.М.Палий, А.А.Родионов, К.Е.Сазонов и другие.

Значительный вклад в решение указанных задач внесли и зарубежные исследователи. Так, среди специалистов, занимавшихся проблемой обеспечения защиты судовых атомных реакторов, обязательно должны быть отмечены У.Акка, У.и.Мупогеку, К.А.КескНг^, К8ршеШ, 0.\УоЫп.

Исследования защищенности танкеров и химовозов при навигационных авариях проводятся в настоящее время за рубежом весьма широко, наиболее известны работы таких исследователей, как L.Cheang, Р.ЕшЬпэоп, Р.РегпаЫег-ОопзаЬз, А.ОиЫа, О.КПатига, .».У/.Ьее, Р.О.ИоЫе, ,1.К.Ра1к, Р.Т.Рес1егееп, В.С.Бтозеп, Т.У^егЫсЫ.

В современных условиях, когда на повестке дня стоит освоение месторождений нефти и газа на арктическом побережье и шельфе России, следует ожидать не только количественного увеличения судов с экологически опасными веществами на борту, но и расширения их номенклатуры (например, стоечные суда для добычи и хранения нефти или газа), а также необходимости учёта новых опасных факторов (в частности, аварийных ледовых воздействий). Таким образом, актуальность работы не вызывает сомнений.

Целью работы является решение проблем аварийной прочности и обеспечения экологической безопасности судов, предназначенных для морской транспортировки токсичных грузов, за счет совершенствования судокорпусных конструкций. Для этого необходимо создание прогрессивной технологии обеспечения аварийной прочности корпусов таких судов, включающей разработку расчётных сценариев аварийной ситуации и новых конструктивных решений, прогнозирование объёма повреждений и оценку защищённости судов.

Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи: 1. Выявление типичных аварийных повреждений судов и основных видов аварийных ситуаций, подлежащих анализу.

2. Разработка общей методики регламентации аварийной прочности судов, описывающей основные методы проведения исследований по трём главным направлениям: разработка сценариев аварийных ситуаций, обоснование критериев безопасности (защищённости), построение расчётных моделей разрушения корпусных конструкций.

3. Выработка критерия разрушения листовых элементов судокорпусных конструкций, подверженных растяжению и изгибу, который учитывает как реальные резервы пластического деформирования материала, так и факторы, способствующие их снижению.

4. Разработка практически применимых методов расчета параметров силового взаимодействия и энергопоглощения при деформировании судокорпусных конструкций в аварийных ситуациях с учётом образования трещин, как для традиционных конструкций судового корпуса, так и для специальных защитных конструктивных элементов.

5. Построение вероятностно-экономической концепции регламентации защищенности судов и нормирования аварийной прочности применительно к типичным аварийным ситуациям, включающей сопоставление затрат на усиление защитных конструкций с ожидаемым статистически взвешенным ущербом от аварии.

6. Разработка методических принципов проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов, на основе обобщения накопленного опыта обеспечения безопасности судов, имеющих на борту экологически опасные вещества.

Методы исследований. Методы теории пластичности, теории предельного равновесия, экспериментальные методы исследования работы конструкций в области пластических деформаций, методы технико-экономического анализа, методы теории вероятности и математической статистики, методы нелинейной оптимизации, методы моделирования разрушения льда при взаимодействии с корпусом судна.

Научная новизна и основные научные результаты:

1. Разработана общая технология оценки безопасности судна при навигационных авариях. Предложены способы конкретизации расчетных сценариев типовой аварии, формирования и уточнения критериев защищенности, разработки и совершенствования расчетных моделей разрушения корпусных конструкций.

2. Обоснована целесообразность использования для решения задач аварийной прочности методов расчета усилия взаимодействия и энергопоглощения при глубоком пластическом деформировании корпусных конструкций на основе инженерных физических моделей, верифицированных с помощью экспериментов на натурных и полунатурных конструкциях.

3. Сформулирован критерий разрушения для листовых элементов, учитывающий особенности деформирования судокорпусных конструкций при авариях.

4. Разработаны методы расчета усилия взаимодействия и энергопоглощения при глубоком пластическом деформировании всех типов традиционных и некоторых специальных корпусных конструкций.

5. Разработан комплекс методик решения задач аварийной прочности на основе инженерных физических моделей, включающий методики определения объёма повреждений при столкновении судов, обсыхании на мели, касании подводного камня днищем на волнении, столкновении с подводной преградой, падении груза, ударе о грунт в случае аварийного затопления судна;

6. Сформулирован критерий защищенности в случае удара о подводный камень на волнении, основанный на регламентации максимально допустимой глубины внедрения камня. На основе сформулированного критерия предложено специальное конструктивное решение для повышения защищённости в случае удара о подводный камень на волнении (на конструкцию получен патент РФ №2096241).

7. Разработан метод выполнения вероятностно-экономического анализа целесообразности усиления конструктивной противотаранной защиты на основе оригинального критерия, учитывающего стоимость ликвидации последствий вылива нефти в результате аварийного столкновения.

8. Предложен оригинальный сопоставительный инженерный критерий оценки экологической безопасности при навигационных авариях судов, имеющих на борту высокотоксичные или радиоактивные вещества, применимый к аварийным ситуациям типа «столкновение судов» и «посадка на камень».

9. Сформулированы рекомендации по использованию аппарата формальной оценки безопасности для оценки аварийной прочности судов.

10. Разработана общая технология проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов как с использованием только традиционных перекрытий судового корпуса, так и на основе специальных конструкций.

Практическая ценность работы связана с решением важной проблемы методического обеспечения проектирования корпусов судов, перевозящих экологически опасные вещества, способных с необходимой надежностью предотвращать попадание их в окружающую среду в аварийных ситуациях. Результаты исследований обеспечивают регламентацию аварийной прочности судов на основе верифицированных методик определения объёма повреждений в аварийных ситуациях. Разработанная комплексная технология обеспечения аварийной прочности судов позволяет на научной основе решать

задачи проектирования корпусов перспективных судов, перевозящих экологически опасные вещества, а также задачи оценки риска недопустимых повреждений существующих судов.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Методика оценки безопасности судна при навигационных авариях, включающая три основных направления: разработка сценариев аварийных ситуаций; обоснование критериев безопасности (защищённости); построение расчётных моделей разрушения корпусных конструкций.

2. Критерий разрушения листовых элементов, учитывающий особенности деформирования судокорпусных конструкций при авариях.

3. Расчетные методы, описывающие процесс глубокого пластического деформирования корпусных конструкций, образования трещин и разрывов, основанные на инженерных физических моделях, верифицированных с помощью экспериментов на натурных и полунатурных конструкциях.

4. Технология проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов, с использованием традиционных и специальных конструктивных решений.

5. Вероятностно-экономический анализ целесообразности усиления конструктивной противотаранной защиты нефтяных танкеров на основе критерия, учитывающего стоимость ликвидации последствий аварийного вылива нефти в результате столкновения.

6. Сопоставительный критерий оценки экологической безопасности при навигационных авариях судов, имеющих на борту высокотоксичные или радиоактивные вещества.

Внедрение результатов работы. На основании выполненных исследований созданы «Методические рекомендации по расчёту прочности защитных оболочек и конструктивной защиты АЭУ», которые и в настоящее время используются в отечественной практике для оценки эффективности противотаранной защиты.

Разработанные в диссертации расчетные методы легли в основу сложившейся к настоящему времени отечественной методической базы и практики оценки и регламентации аварийной прочности судов и плавучих сооружений. Они использовались при проектировании перспективных судов: атомного ледокола (пр. 22220, ОАО «ЦКБ «Айсберг»), плавучего атомного энергоблока (пр. 20870, ОАО «ЦКБ «Айсберге), крупнотоннажных арктических газовозов (пр. 23750, Северное ПКБ), надводных кораблей, плавучих нефте- и газохранилищ, а также при разработке в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова технико-экономического обоснования транспортной системы для вывоза нефти с месторождения Приразломное (оценка риска разлива нефти вследствие навигационных аварий танкеров).

Другим важным направлением применения новых результатов явилось обоснование возможностей повышения эксплуатационной надежности и продления срока службы существующего флота судов ATO (ПТБ пр. 2020 и ПТБ «Имандра», ОАО «ЦКБ «Айсберг»),

Существенную роль новая методология регламентации аварийной прочности и оценки объёма повреждений в аварийных ситуациях сыграла при выборе принципиальных технических решений для ряда судов на этапах предпроектных проработок и эскизного проектирования (круизное судно итальянской фирмы FINCANTIERI, крупнотоннажный арктический газовоз ЦКБ «Балтсудопроект», плавучее газохранилище фирмы MOSS Maritime и др.).

Результаты работы были использованы при выполнении Федеральных Целевых Программ «Национальная технологическая база» и «Развитие гражданской морской техники» (НИР «ПЛАСТИКА», «АРКТИКА-КРАБ», «СБОР», «СПГ-Альтернатива»),

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на всероссийских конференциях по строительной механике корабля памяти академика Ю.А.Шиманского в 2001 г. и «Бубновские чтения» в 2004 г., а также на международных научно-технических конференциях к 300-летию Российского флота «Navy and Shipbuilding Nowadays» в 1996 г., третьей международной конференции по судостроению в ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова в 2002 г. (ISC'2002), «Arctic Shipping 2006» (Санкт-Петербург), «Greenship'2011» (Wuxi, Китай).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 27 научно-технических статей (включая 10 в изданиях из перечня ВАК и 3 патента) и выпущены 54 научно-технических отчета.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 180 страниц текста, 98 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 297 названий, приложения содержат 6 страниц текста, б рисунков, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приведены постановка решаемой проблемы и обоснование актуальности темы диссертации, отмечены отечественные и зарубежные специалисты, работавшие в этом направлении, сформулированы цели и задачи диссертации, представлена структура содержащихся в ней исследований.

В первой главе представлен анализ сложившейся практики оценки аварийной прочности судов и направлений ее совершенствования. Выполнен краткий исторический обзор развития науки об аварийной прочности, проанализированы основные группы используемых методов: условного измерителя, модельных экспериментов, инженерных расчетных моделей и глобальных численных процедур.

Рассмотрен наиболее известный и широко применявшийся метод условного измерителя для оценки эффективности противотаранной защиты - метод Минорского. Рассмотрены также методы условного измерителя для оценки энергоемкости днищевого перекрытия при ударе о подводный камень авторов Peschmann, Woisin, Vaughan, Paik & Lee и др.

Методы условного измерителя, подобные перечисленным, вне всякого сомнения, имеют право на существование, особенно удобны они при выполнении оценок в первом приближении на ранних стадиях проектирования, а также при оценке степени влияния отдельных факторов. Область практической применимости метода условного измерителя определяется путем сопоставления результатов с более точными методами и независимыми экспериментальными данными.

Другой важной группой методов являются методы, основанные на проведении экспериментов (модельных испытаний). Их достоинством является наглядность получаемых результатов. Однако для корректного моделирования необходимо выполнение определенного критерия подобия, обеспечивающего идентичность протекания модельного и натурного процессов, в данном случае процессов деформирования. Анализ этого вопроса выполнил G. Woisin, показав, что ряд критериев подобия оказывается несовместимым и их одновременное выполнение невозможно; наиболее полно большинству критериев удовлетворяет закон подобия Коши, либо следует подобрать закон подобия экспериментально.

Рассмотрены модельные эксперименты, проводившиеся в Японии в шестидесятые годы, а также в ФРГ в 60-е - 70-е годы и в 90-е годы.

Естественным развитием экспериментальных исследований стали расчётные методы, разработанные по результатам модельных испытаний.

Первый достаточно подробно описанный расчетный метод определения энергоемкости противотаранной защиты был разработан в Японии. Суть этого метода в том, что сила сопротивления проникновению таранящего носа в настилы палуб, платформ и поперечных переборок полагается постоянной и равной эйлеровой нагрузке пластин этих перекрытий, борт и продольные переборки разрушаются как мембрана; энергоемкость всей защиты равна сумме энергий, поглощенных отдельными конструкциями. Недостатком этого метода является некорректное задание механизма разрушения перекрытий защиты, базирующееся на чересчур упрощенных расчетных моделях.

Более совершенный расчетный метод был разработан в ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова на основе экспериментальных исследований под руководством Ю.Ф.Леппа и М.В.Филиппео. Механизм деформирования различных перекрытий определялся по результатам

экспериментов на полунатурных (в толщинах 3-6 мм) сварных конструкциях из судостроительного проката, моделирующих различные связи и защиту в целом.

На опытных моделях бортовой обшивки, продольных балок, стенок высоких стрингеров, палуб и платформ изучались закономерности деформирования отдельных связей. Модель для изучения деформирования бортового перекрытия имела вырезы в вертикальных стенках, чтобы их энергоемкость не искажала общую картину. Модели защиты в целом предназначались как для исследования вопросов взаимодействия отдельных перекрытий в составе защиты, так и для отработки расчетных зависимостей.

Большинство подходов Ю.Ф.Леппа к регламентации механизмов деформирования корпусных конструкций при авариях были в той или иной мере использованы автором при разработке расчетной методологии ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, успешно используемой для решения практических задач до настоящего времени.

Ещё одна группа методов, которой в последнее время уделяется всё больше внимания - это подходы на основе глобальных численных процедур.

Современная строительная механика корабля немыслима без использования развитых численных методов, особенно метода конечных элементов. Применение таких методов к задачам аварийной прочности до последнего времени было затруднено рядом объективных факторов. Так, искажение сетки конечных элементов при решении задач с большими перемещениями вызывает существенные сложности, преодолеть которые позволяют лишь специальные процедуры использования сетки. Поиск нового положения узлов, которое минимизирует искажение сетки, выполняется с помощью итерационных выравнивающих алгоритмов.

Кроме того, проведение расчетов в области развитых пластических деформаций, связанных с участком диаграммы «напряжение-деформация», близким к горизонтальному, делает задачу плохо определенной, поскольку малые приращения напряжений связаны со значительными приращениями деформаций. Это ухудшает сходимость итерационных процессов, что показано, например, в работах Родионова A.A. Еще одной проблемой является корректное определение момента образования трещины в конструкции, без чего даже высокоточные численные расчеты становятся малодостоверными. Использование критерия интенсивности деформаций нельзя признать полностью оправданным, поскольку изгибные и растягивающие деформации по-разному влияют на начало разрушения. Наконец, конечноэлементные расчеты аварийной прочности требуют проведения специальных исследований для выявления характера зависимости энергопоглощения от того или иного параметра, тогда как аналитические инженерные расчётные зависимости позволяют сразу понять этот характер.

Из-за указанных сложностей область применения численного алгоритма в большинстве случаев не может быть установлена априорно, а определяется на основе опыта его применения.

Лишь в последнее время, на базе использования конечноэлементного комплекса БУМАЗЭ, были достигнуты определенные успехи в решении задач аварийной прочности. Необходимо отметить, что преодоление отмеченных выше объективных трудностей стало возможным на основе использования экспериментальных данных о деформировании натурных и полунатурных конструкций.

Однако на сегодняшний день конечноэлементный расчет противотаранной защиты является еще достаточно сложной задачей, требующей фактически проведения научно-исследовательской работы. Таким образом, трудно ожидать, что конечноэлементные расчеты аварийной прочности в ближайшее время войдут в практику проектных организаций. Более реально использовать конечноэлементный анализ с использованием программы БУ^ЗБ (или других программ) для верификации и уточнения приближенных расчетных процедур, базирующихся на использовании инженерных расчетных моделей, подобных описанным выше.

Выполнен также анализ типичных повреждений судового корпуса при навигационных авариях (типа столкновения судов и посадки на мель), позволяющий выделить следующие аспекты, которые необходимо учесть при разработке методов расчёта аварийной прочности.

• Главное внимание следует уделять глубокому пластическому деформированию, поэтому логично использовать жёстко-пластическую диаграмму деформирования материала.

• Наиболее важное значение имеет расчётный сценарий деформирования конструкции, то есть места образований трещин и разрывов, выпучивание и смятие пластинчатых элементов и т. п.

• Следует обращать внимание на возможность переламывания корпуса судна (исчерпания общей прочности).

На основании выполненного анализа предложена общая методика решения задач аварийной прочности, описывающая основные методы проведения исследований. Для правильной постановки и корректного решения задач аварийной прочности необходимо выполнение исследований по трём основным направлениям (рис. 1): разработка расчетных сценариев типовой аварии; формирование критерия защищенности;

- создание расчетных моделей разрушения.

Расчетные сценарии. Навигационные аварии, по определению, обусловлены ошибками случайного (вероятностного) характера. Однако, статистических данных, с необходимой полнотой характеризующих основные закономерности возникновения и протекания аварий, как правило, недостаточно для построения непротиворечивых математических моделей. Восполнение данного информационного недостатка осуществляется за счет построения расчетных сценариев, дополняющих недостающую информацию системой непротиворечивых допущений и экспертных оценок. При разработке расчётных сценариев применительно к каждому типу аварии решается набор следующих задач:

классификация разновидностей типовой аварии;

определение набора параметров для каждой из разновидностей аварии, с достаточной полнотой характеризующих процесс её развития; оценка диапазона изменения каждого из параметров.

Критерии защищенности. Критерии защищенности при оценке безопасности играют роль критериев прочности в традиционной задаче проверки прочности корпуса судна. Отмеченное различие в объеме информации о закономерностях аварии предопределяет соответствующие различия в подходах к формированию критериев защищенности.

При наличии достаточного объема информации о статистических и физических закономерностях протекания аварий критерий может иметь экономическую природу. В противном случае возможно создание критерия на основе метода условных измерителей, отражающего накопленный опыт.

Рис. 1. Общая методика решения задач аварийной прочности.

Расчетные модели разрушения. Расчетная модель разрушения корпусных конструкций должна обеспечивать оценку объема разрушений в зависимости от разрушающего воздействия и размеров корпусных конструкций. Без такой модели невозможно оценить влияние толщин обшивок и настилов, системы набора и размеров балок, количества и расположения основных и дополнительных перекрытий судового корпуса на защищенность судна в аварийной ситуации.

Каждое из выделенных выше трех основных направлений в свою очередь требует решения целого ряда задач второго уровня, рассмотренных в других главах работы.

Вторая глапа посвящена разработке методов расчета усилия взаимодействия и энергопоглощения при глубоком пластическом деформировании корпусных конструкций на основе инженерных физических моделей.

Важной проблемой является корректное определение момента начала разрушения конструкции, без чего даже высокоточные численные расчеты становятся малодостоверными. Как уже отмечалось, использование критерия интенсивности деформаций нельзя признать полностью оправданным, поскольку известно, что при изгибе пластин предельные деформации в три раза и более превышают предельные деформации при растяжении.

Автором предложен зависящий от цепных и изгибных деформаций критерий разрушения, который для листовых элементов конструкции может быть записан в виде:

где е'=£*'+ — ; е1 =е'/+— - «эквивалентные» деформации в направлении К ' ' К

координатных осей, параллельных сторонам опорного контура пластины; е" ; е" - осредненные мембранные деформации, определяемые как отношение удлинения срединной поверхности пластины в данном направлении к ее первоначальной длине;

е"; е" - осредненные изгибные деформации, определяемые как отношение половины толщины пластины к радиусу кривизны ее срединной поверхности в соответствующем направлении; 2 3

К = . коэффициент, учитывающий относительно ббльшие запасы

-яЗ

пластичности листа при изгибе, чем при растяжении;

(1)

и

е:

И

дк - деформации загиба, соответствующие появлению больших разрывов и сбросу нагрузки;

$ - равномерное относительное удлинение при разрыве, рассчитываемое по

результатам испытаний стандартных образцов; Кщ - коэффициент, учитывающий наличие сварных швов и других технологических концентраторов, снижающих деформационную способность конструкции.

Для подтверждения работоспособности этого критерия автором в 1992 г. в ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова были проведены испытаний элементов натурных конструкций из высокопрочной стали. I

Рис. 2. Экспериментальная конструкция из высокопрочной стали, испытывавшаяся в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова в 1992 году.

Испытывались элементы конструкций в виде прямоугольных панелей с продольными балками (рис. 2). Результаты испытаний представлены в табл. 1, из которой видно, что разрушение происходит только при превышении значением критерия разрушения величины К-шдр (для материала моделей можно полагать Кщдр = 9% ). Результаты эксперимента подтверждают правомерность предложенного критерия.

Таблица 1. Результаты испытаний элементов натурных конструкций, приведенных в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова в 1992 г.

№ модели ММ % % % ем У ' % еи У ' % е>у, % 2 ' л/з | Вид разрушения

2 12 5,5 6,5 6,2 3,8 1,7 4,0 10,3 Разрыв обшивки в месте максимальных изгибных деформаций

3 20 3,8 9,2 4,8 3,4 2,8 3,7 8,5 Обшивка не разрушилась, испытания прекращены вследствие деформации опорного контура

Таким образом, выполнена разработка критерия разрушения листовых элементов судокорпусных конструкций, подверженных растяжению и изгибу, который учитывает особенности судокорпусных конструкций (различия в деформационной способности листовых элементов при растяжении и загибе, влияние сварных швов и иных очагов трещинообразования и др.), и его экспериментальное подтверждение.

Далее рассмотрена разработка методов расчёта усилия взаимодействия и энергопоглощения при деформировании корпусных конструкций в аварийных ситуациях применительно к следующим случаям:

- деформирование конструктивной бортовой защиты на основе традиционных корпусных конструкций в случае аварийного столкновения судов;

- деформирование конструктивной бортовой защиты на основе специальных корпусных конструкций в случае аварийного столкновения судов;

- деформирование конструкций двойного дна в случае силового контакта с подводным камнем.

При расчёте конструктивной бортовой защиты на основе традиционных корпусных конструкций производится идеализация конструктивной бортовой защиты как системы перекрытий, методы расчёта усилия взаимодействия и энергопоглощения разрабатываются применительно к следующим типам перекрытий:

- бортовое перекрытие с продольной системой набора;

- бортовое перекрытие с поперечной системой набора;

- палубное перекрытие с продольной системой набора;

- палубное перекрытие с поперечной системой набора.

Как уже отмечалось выше, отечественная методология базируется на моделях разрушения, установленных на основе анализа результатов экспериментальных исследований на полунатурных конструкциях. В основном эти исследования были проведены в 60-х и 70-х годах XX века под руководством Ю.Ф.Леппа и М.В.Филиппео. Тогда же были предложены первые расчётные зависимости. В дальнейшем, начиная с 80-х годов, автором были проведены дополнительные исследования, позволившие уточнить практически все расчётные зависимости, адаптировать их к случаю наклонного таранящего форштевня и разработать оригинальные зависимости для новых классов защитных конструкций.

В основе расчётных зависимостей лежит, как правило, определенное представление о последовательности и характере (срез, трещина, разрыв от растяжения и др.) разрушения -так называемый «сценарий разрушения» конструкции, который определяется на основании

экспериментальных данных. При этом расчетные формулы могут быть построены на базе достаточно простых физических моделей, с возможностью их последующей корректировки по результатам экспериментов путем введения поправочных коэффициентов.

В качестве физической модели для бортового перекрытия принята жестко-пластическая нить. Для расчета энергопоглощения при деформировании бортового перекрытия с учётом поперечного набора (шпангоутов) используется расчетная модель жесткопластической струны на жесткопластическом основании (рис. 3,а). Подобные расчётные модели использовались также в работах Вилкова С.М. по противотаранной защите корпусов подводных лодок.

В результате проведённых автором теоретических исследований выявлена новая закономерность, позволяющая учесть наклонность таранящего форштевня, а таюке плавную зависимость прогиба разрыва от жёсткости шпангоутов. В итоге для определения энергоёмкости бортового перекрытия предложена формула вида:

5

'¿I)1

, Ч )

1

е{/*)=

при

2 3 1 + _ I7*] 2_и "Г?

3 { <1 2 1 Я ^ 24! 1 У

+ -

480

при

/*< /*>

(2)

f *

где /* = — безразмерный прогиб разрыва;

I - длина бортового защитного перекрытия;

ат - расчётный предел текучести жёстко-пластической диаграммы деформирования;

С — толщина бортовой обшивки;

а - угол наклона таранящего форштевня к бортовой обшивке; <2пр'

- безразмерная интенсивность реакций основания;

2а/кстт

2пр - предельная нагрузка шпангоута;

а — расстояние между шпангоутами;

Л - высота бортового перекрытия между палубами.

При деформировании таранящим форштевнем палубы с продольной системой набора

(рис. 3, б) происходит образование складки настила, ее растяжение, разрыв и образование

новой складки настила за следующим ребром, то есть наблюдается циклически

изменяющееся усилие, которое в расчетной модели заменяется постоянным, с определением

переходного коэффициента по экспериментальным данным:

- 16-

Рис. 3. Некоторые расчетные модели, используемые на практике при оценке объема разрушений в случае аварийного столкновения судов:

а), моделирование участка борта с поперечной системой набора жестко-пластической нитью на жестко-пластическом основании с учётом наклонности форштевня таранящего судна;

б), расчетная модель для палубы с продольной системой набора.

Е„ 4ат

(3)

Р{ и

Е{Н>)--

при

при

р

"т

(4)

(5)

где IV - глубина внедрения таранящего носа; ар - шпация рамного набора (рамных бимсов);

От- расчетный предел текучести жесткопластической диаграммы деформирования;

= к-А—ар - внедрение до разрыва первой складки;

5р - равномерное относительное удлинение при разрыве; {р - площадь поперечного сечения продольного ребра жесткости; г - толщина настила палубы;

кр - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние сварных швов, для данного случая можно полагать к = 0,6; а - шпация основного набора.

При деформировании носом таранящего судна палубы с поперечной системой набора деформации локализуются в пределах одной шпации, что приводит к быстрому разрыву

образующейся складки настила! При дальнейшем деформировании реализуется сценарий ; разрушения, заключающийся в распространении образующейся трещины: в пластине продолжает образовываться складка, но увеличение трещины препятствует росту площади этой складки свыше некой постоянной величины, то есть складка как бы все время смещается при практически постоянной силе. При деформировании палуб (платформ) образование трещин не приводит к резкому сбросу нагрузки, энергопоглощение продолжает возрастать с ростом глубины таранящего носа, хотя вследствие локализации деформаций оно будет ниже, чем у перекрытия с продольной системой набора (рис. 4). Кроме того, при испытаниях моделей был обнаружен так называемый «эффект клина», заключающийся в том, что боковые грани клина (модели таранящего носа) упираются в ближайшие балки поперечного набора и начинают их раздвигать, изгибая в плоскости наименьшей жесткости, что вызывает периодическое увеличение усилия взаимодействия.

Р,Е

Е

На основании экспериментальных результатов Ю.Ф.Леппом была предложена следующая расчетная формула для определения усилия взаимодействия Р (Т) при разрушении перекрытия с поперечной системой набора: Р = К-52, (6)

где 5- толщина настила перекрытия, см;

К = 80 Т/см2 - эмпирический коэффициент.

Рис. 4. Расчетная модель, используемая для горизонтальных

0

перекрытий с поперечной системой набора.

Автором показана возможность совершенствования (6) с введением более физически обоснованной зависимости, учитывающей также расчётный предел текучести, пластические свойства стали, а также а - шпацию поперечного набора:

Р = К,атЕ°/554ы5< (7).

где К] - эмпирический коэффициент, на основании данных экспериментов можно полагать К/ ~ 7.

Для повышения энергоёмкости деформирования корпуса таранимого судна автором были доработаны ранее известные и предложены новые специальные противотаранные защитные конструкции, обеспечивающие такой характер деформирования связей, при котором энергопоглощение возрастает. К числу таких конструкций относятся: палубные перекрытия с клетчатой системой набора, палубные перекрытия со смешанной системой набора,

палубные перекрытия с продольной системой набора при условии приварки рамного набора ослабленным швом (автор, патент РФ №2448014, рис. 5),

двойной борт с ослабленными вертикальными диафрагмами (автор, патент РФ №2108262, рис.6).

Рис. 5. Приварка рамных бимсов палубного перекрытия с продольной системой набора ослабленным швом.

Ы

Г7

в).

Рис. 6. Деформирование противотаранной защиты на основе двойного борта с ослабленными вертикальными диафрагмами:

а), исходное состояние;

б), деформирование до потери устойчивости вертикальных диафрагм;

в), деформирование после потери устойчивости вертикальных диафрагм.

полукрестовины Е,

Рис. 7. Деформирование днищевого перекрытия при контакте с подводным камнем:

а), общий характер деформирования;

б), зависимость энергопоглощения от внедрения подводного камня в днищевое перекрытие для проекта плавучей АЭС.

При деформировании конструкций типа двойного борта в случае аварийного столкновения судов характер разрушения зависит от того, сохраняют ли устойчивость пластины поперечных диафрагм. Если их устойчивость обеспечена, деформирование наружной обшивки происходит преимущественно в зоне, ограниченной двумя соседними диафрагмами, что приводит к быстрому разрыву обшивки при сравнительно небольшом энергопоглощении. Если же пластины поперечных диафрагм теряют устойчивость на начальных стадиях нагружения, в процесс деформирования включается участок обшивки большей протяженности, что существенно увеличивает ее деформационную способность и энергопоглощение при деформировании. Поэтому согласно патенту РФ №2108262 рекомендуется выполнять поперечные диафрагмы двойного борта пониженной толщины с большими вырезами или приваривать их ослабленным швом (патент РФ №2448014).

Применительно к задаче о деформировании конструкций двойного дна в случае силового контакта с подводным камнем (рис. 7) рассмотрены расчетная форма подводного камня и ее влияние на результаты оценки безопасности, а также основные стадии деформирования днищевого перекрытия при контакте с подводным камнем.

В этом случае можно выделить три начинающихся один за другим деформационных процесса:

- деформирование панели, образуемой обшивкой с ребрами жесткости между флорами и стрингерами, вплоть до ее разрыва;

- смятие и выпучивание стенок флоров и стрингеров с их отрывом от наружной обшивки;

деформирование конструкций так называемых «полукрестовин», образованных наружной обшивкой (вне разрушенной панели), а также соединенными с ней стенками флора и стрингера.

Для каждого из этих процессов разработана инженерная расчетная модель, позволяющая определять энергоёмкость деформирования с учётом смятия и выпучивания стенок флоров и стрингеров, а также образования и распространения трещин по сварным швам.

Таким образом, во второй главе разработаны методы расчёта усилия взаимодействия и энергопоглощения, используемые при анализе наиболее типичных навигационных аварий - столкновения судов и посадки на камень.

В третьей главе рассматриваются вопросы регламентации защищенности судов (нормирования аварийной прочности) в типичных аварийных ситуациях, включающие обоснование расчётных сценариев аварийных ситуаций, разработку критериев

защищённости и оценку последствий аварийной ситуации. В качестве аварийных ситуаций рассматриваются: столкновение судов, посадка на мель, аварийное падения груза на хранилища радиоактивных веществ на судах, аварийное затопление судна с последующим ударом о грунт.

Разработка расчетных сценариев аварийных ситуаций является, с одной стороны, одним из наиболее важкых, а с другой стороны, одним из наименее алгоритмизируемых аспектов решения проблемы безопасности судов при навигационных авариях.

Особенности разработки расчётных сценариев удобно проиллюстрировать примером аварийной ситуации «посадка на мель». Используемое в морской практике понятие «посадка на мель» включает в себя целый спектр расчетных сценариев - здесь и посадка на песчано-илистый грунт в условиях мелководья, и удар о подводный камень, и посадка на рифы, и «обсыхание» при отливе и другие подобные случаи. Из числа расчетных сценариев следует исключить как заведомо не представляющие опасности случаи (например, касание песчано-илистого грунта), так и те, при которых гибель судна заведомо предрешена (например, выбрасывание судна на камни в условиях интенсивного волнения моря). С учетом изложенного можно выделить три основных расчетных сценария аварийной ситуации типа «посадка на мель» (рис. 8):

«обсыхание» на мели, когда севшее на мель судно в результате колебаний уровня воды (в морях это обычно приливно-отливные колебания, изменения уровня иной природы возможны в устьях рек или каналах) испытывает нагрузки от общего изгиба, вызванные перераспределением сил поддержания, а также воздействием морского волнения;

столкновение с жесткой неподвижной преградой, такой преградой может быть подводный камень, рифовая стенка, искусственные сооружения (пирс, набережная, опора моста и т.п.);

удар днищем о камень в условиях качки на волнении, что делает возможным получение повреждений значительной глубины, в том числе на участках днища, удаленных от оконечностей и скулы.

Набор конкретизирующих каждый из указанных сценариев расчетных параметров представлен в таблице 2. Очевидно, что часть из перечисленных параметров носит случайный характер.

Применительно к указанным разновидностям аварий типа «посадка на мель» рассмотрены вопросы конкретизации расчетных сценариев таких аварийных ситуаций, а также вопросы определения объёмов повреждений и нормирования аварийной прочности.

Таблица 2. Расчётные параметры для различных сценариев аварийной ситуации типа «посадка на мель».

Расчётный сценарий Расчётные параметры аварийной ситуации

«Обсыхание» на мели (рис. 8,а) положение на мели (середина на мели, оконечности на мели, свес оконечности); - падение уровня воды А Т\ параметры волнения.

Столкновение с подводным препятствием (рис. 8,6) заглубление подводного препятствия й; параметры подводного препятствия; скорость хода судна.

Контакт с подводным камнем на волнении (рис. 8,в) заглубление подводного камня Н\ форма подводного камня; параметры волнения.

Рис. 8. Расчётные сценарии аварийной ситуации типа «посадка на мель»:

а), «обсыхание» на мели;

б), столкновение с подводным препятствием;

в), контакт с подводным камнем на волнении.

Рис. 9. Деформация при посадке на камень двойного дна с дополнительным защитным листом:

а), исходное состояние;

б), посадка на камень;

в), после снятия с камня.

С целью повышения защищённости при контакте с подводным камнем днищем на волнении была разработана оригинальная конструкция днищевого перекрытия судна (патент РФ №2096241 в соавторстве с Палием О.М., Пашиным В.М., рис. 9), отличающаяся тем, что поверх двойного дна традиционной конструкции устанавливается дополнительный

-23-

защитный элемент (настил) в виде накладного листа из высокопластической стали, соединенный только с ограничивающими отсек продольными и поперечными переборками. Такой дополнительный настил не будет разорван при ударе днищем о камень в силу возможности его растяжения по всему отсеку, а после снятия с камня этот дополнительный настил будет выдерживать разницу давлений груза и забортной воды, что предотвратит вылив груза и загрязнение акватории. Целесообразность предложенной конструкции вытекает из разработанного инженерного комплексного критерия, ориентированного на выполнение сравнительных оценок безопасности в рамках метода условных измерителей. Этот критерий устанавливает в качестве основного параметра, подлежащего максимизации, предельно допустимую (без вылива груза) глубину внедрения подводного камня.

В работе рассмотрены расчётные сценарии и для других аварийных ситуаций.

Другим важным аспектом регламентации защищённости судов в аварийных ситуациях является разработка критериев защищённости. Для решения этой задачи был разработан метод вероятностно-экономического анализа эффективности усиления корпусных конструкций, играющий роль экономического критерия защищённости судна в аварийных ситуациях. Метод рассмотрен на примере вероятностно-экономический анализа эффективности усиления противотаранной защиты нефтяных танкеров. Анализ основан на сопоставлении затрат на усиление корпусных конструкций с уменьшением ожидаемого статистически взвешенного ущерба от разлития нефти.

В первом приближении можно рассматривать создание защиты просто в виде увеличения толщины обшивки борта и настила палубы. Тогда в качестве основных переменных можно рассматривать коэффициенты увеличения толщины обшивки борта и настила палубы (к,/) типичного современного танкера с двойным дном и двойными бортами.

В качестве минимизируемой функции цели принята сумма годового уменьшения прибыли от потери грузоподъемности из-за дополнительной защиты и возможного убытка от столкновения, равного произведению годовой вероятности аварии на стоимость ликвидации ее последствий:

-1) + Сь{к„-1))+\с{У)р{У)с1У + С5Рр=тт, (8)

1ои" о

где С5 — строительная стоимость танкера, млн. $;

То - нормативный срок окупаемости, лет; дедвейт, тыс.т;

С1«/.' йь - соответственно веса конструкций палубы и двойного борта танкера без противотаранных усилений, тыс.т;

„,„ч \3,33V2 при V < 15 тыс.м ; ,

C(V) = < , - стоимость (млн. $) ликвидации последствии

{ 50V при V ä 15 тыс.м

разлива нефти объемом У(тыс.м3) по данным Rawson С., Crake К., Brown А.;

p(V) - среднегодовая плотность вероятности объема вылива;

Кг- максимально возможный объем перевозимой на танкере нефти;

Рр - среднегодовая вероятность потери судна в результате аварийного

столкновения.

Нетрудно заметить, что в этой зависимости не учитывается, с одной стороны, повышение строительной стоимости танкера за счет противотаранных усилений, а с другой стороны, расходы на ремонт поврежденного в результате столкновения судна, являющиеся, по мнению автора, менее значимыми факторами, влиянием которых на первом этапе анализа можно пренебречь.

Наибольшие трудности вызывает определение плотности вероятности объема вылива нефти p(V). Как показал расчетный анализ, зависимость для p(V) имеет следующую структуру.

p(V)-P^Pcr(DW)if^, (9)

где р™ - среднегодовая вероятность серьезной аварии в результате столкновения для танкера с DW й 80 тыс.т.; pCT(DW) - безразмерная функция, учитывающая возрастание вероятности серьезной аварии в результате столкновения при DW> 80 тыс.т. Lap, L - соответственно длина грузовой зоны танкера и длина танкера между

перпендикулярами; множитель —2. учитывает возможность таранного

L*

удара в районы корпуса за пределами грузовой части; F(V) - функция распределения объема вылива нефти, то есть условная вероятность того, то объем вылива не превысит V. Для регламентации F(V) создана инженерная расчетная модель, связывающая объем вылива с объемом повреждений корпусных конструкций в результате столкновения. В рамках этой модели рассматриваются три узловых события:

1) Разрушение наружного и внутреннего бортов танкера, причем такое, что нижний край пробоины расположен ниже действующей ватерлинии. В этом случае одновременно с выливом части нефти в поврежденный танк будет поступать забортная вода, вытесняя оставшуюся нефть как более легкую жидкость. По предварительным оценкам это

приведет к выливу примерно 80% нефти из бортового танка; этот объем вылива, соответствующий первому узловому событию, обозначен V].

2) Зона разрушений охватывает верхнюю палубу вплоть до диаметральной плоскости, что создает опасность перелома танкера на волнении и вылива нефти из всех танков между двумя поперечными переборками (объем Уг).

3) Гибель танкера, сопровождающаяся выливом всей перевозимой им нефти Уц

Значения функции /•'(У) должны быть определены в первую очередь для этих узловых событий. Поскольку вылив нефти не может превысить Уд то, очевидно, Р(У£) = 1. Для определения и Р(Уг) был выполнен расчётный анализ на основе «Методических

рекомендаций по расчёту прочности защитных оболочек и конструктивной защиты АЭУ» ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова (разработаны автором), позволивший получить скорости таранящего судна V/ и Цг (соответствующие объёмам вылива VI и V:) как функции коэффициентов увеличения толщин обшивки борта и настила палубы (кь и к^). На основании анализа имеющихся ограниченных статистических данных с использованием двухпараметрического закона Вейбулла получена зависимость вида:

где а, А - численные коэффициенты.

В этом случае можно полагать Р, = р(у,) = Ри(и,К, = Р(Уг) = Р„(и2).

Тогда для задания Р(У) на промежутке У<Уг можно использовать двухпараметрический закон Вейбулла, параметры которого определяются исходя из определенных выше значений Р/ и /-г- «Хвост» распределения на участке Угдолжен отвечать условию Р(У£)=1. На основе сформированной таким образом расчетной модели было выполнено определение значений кЦ1" и к°/', соответствующих минимуму функции цели (8) - см. рис. 10. При этом варьировалась вероятность столкновения, характеризуемая параметром (среднегодовая частота столкновений для танкеров с £ 80 тыс.т). Результаты приведены на рис. 11, из которого видно, что при малой вероятности столкновения (< 10'3 (судно-год)"1) усиление корпусных конструкций танкеров нецелесообразно, а при более высоких вероятностях столкновения требуется усиление конструкций крупных танкеров.

(10)

Оптимальный козффицент

усиления двойного Борта

2,0 1,5 lfi

кХ

1,4

PS - 0,003 (судно.год)" 0,002

0,0015

0,003

0,001

100

200

Опшмальный козффицент усиления верхней голубы

300 360 Длина танкера L, м

= 0,003 (судно.год)"

,-1

а), юо

200

300 360 Длина танкера L, м

0,002 "

0,001 ■ б).

Рис. 10 Поверхность Ф(к,/, к/,) для танкера водоизмещением 75 тыс. т при р^=Ю° (судно-год)"1

(р™=1.6-10"3(судногод)-'); min Ф(кр, к,,)= Ф( 1.2, 1.4).

(рОВ) Vcr '

200

300

L,M

Рис. 11. Результаты экономического анализа целесообразности усиления противотаранной защиты нефтяных танкеров.

а) Оптимальные значения коэффициентов усиления двойного борта и палубы в зависимости от среднегодовой частоты столкновений для танкеров различной длины

б) Зависимость критической вероятности столкновений ), при превышении которой целесообразно усиление бортовых конструкций танкера, от длины танкера Ь.

Выполненный анализ позволяет сформулировать следующие достаточно важные выводы.

1. Целесообразность усиления корпусных конструкций танкеров для предотвращения вылива нефти при столкновении зависит от вероятности столкновения. В том случае, если среднегодовая частота всех столкновений составляет 10'3(судно-год)"' и менее, дополнительное усиление корпусных конструкций не целесообразно.

2. Танкеры различного водоизмещения не являются равно безопасными с точки зрения возможности разлития нефти в результате столкновения. Более крупные танкеры, даже отвечающие всем существующим международным требованиям, имеют больший риск стать причиной серьезного загрязнения

3. При разработке практических рекомендаций по рациональному повышению безопасности танкеров за счет конструктивных мероприятий необходимо уделять внимание уточнению величины вероятности столкновения для танкеров, ожидаемой для ближайшего будущего с учетом мер по предупреждению столкновений, а также средней стоимости ликвидации последствий вылива.

Экономическая оценка, подобная изложенной выше, может быть выполнена также применительно к другим категориям судов повышенной экологической опасности и к другим сценариям навигационных аварий. Выполнение подобных оценок представляется наиболее обоснованным способом оценки эффективности различных мероприятий по снижению экологической опасности судов, перевозящих токсичные грузы.

Тем не менее, необходимо отметить, что в ряде практически важных случаев выполнение вероятностно-экономических оценок затруднено отсутствием представительной статистики. Так, например, навигационные аварии с атомными судами, сопровождавшиеся серьезными последствиями, до настоящего времени, к счастью, отсутствуют в мировой практике.

Однако возможность обобщения существующего опыта обеспечения их защищенности позволяет предложить комплексный критерий, ориентированный на выполнение сравнительных оценок безопасности в рамках метода условных измерителей. В диссертации предложен инженерный комплексный критерий сопоставительной оценки защищённости судов при столкновении и посадке на мель, позволяющий учесть меру токсичности перевозимого груза, маневренные качества судна, его навигационное оборудование, подготовку экипажа, особенности района плавания.

Помимо навигационных аварий в главе 3 рассмотрены вопросы регламентации защищённости при аварийном падении груза на хранилища радиоактивных веществ на судах ATO. Технология перегрузки отработанных тепловыделяющих стержней (ОТВС) из

судового реактора или хранилища ОТВС судна ATO предусматривает подведение перегрузочного свинцового контейнера в вертикальном направлении (опускание краном), поэтому его падение является типовой аварийной ситуацией, последствия которой должны быть изучены.

На основе выполненных теоретических исследований и рассмотренных конкретных примеров, предложен следующий общий порядок решения задач о падении груза.

1. Выбирается сценарий аварийной ситуации: определяется расчётный груз, расчётная высота падения и расчётное место падения (наиболее опасное).

2. Рассчитывается зависимость деформационного смещения контактной поверхности подающего груза и>/ от величины контактного усилия Р. При этом, очевидно, принимаются определённые допущения о форме эпюры контактной нагрузки, которая в общем случае может меняться в процессе взаимодействия.

3. В рамках этих же допущений рассчитывается зависимость деформационного смещения контактной поверхности судовых конструкций w2 от величины контактного усилия Р.

4. Для решения контактной задачи строится зависимость энергопоглощения при деформировании от контактного усилия Р:

р Р

Е(Р) = |w,(P)¿P+ J Wl(P)dP.

О о

5. Расчётное значение контактного усилия (и соответствующая ему степень деформированное™ соударяющися тел) определяется по графику зависимости Е(Р) как значение Р, соответствующее потенциальной энергии падения E=Mgh.

Критерием защищённости считается неразрушение верхней плиты хранилища. В работе проанализированы особенности существующих перегрузочных контейнеров и хранилищ судов ATO, позволяющие ввести определенные упрощения в алгоритм решения задачи, и предложены конкретные рекомендации по выполнению расчётов.

Ещё одной задачей, рассмотренной в третьей главе, является задача об определении объема разрушения корпуса при аварийном затоплении судна и последующем ударе о грунт. В силу серьёзной экологической опасности, которую представляют радиоактивные вещества, для судов, имеющих эти вещества на борту (суда атомно-технического обслуживания, плавучие АЭС, суда с АЭУ), необходимо дать прогноз радиационной обстановки в случае аварийного затопления судна. В связи с этим и возникает задача определения объёма разрушений корпуса при аварийном затоплении судна и последующем ударе о грунт. Представляют интерес также ускорения в этой аварийной ситуации, позволяющие оценить состояние оборудования после удара.

поверхность воды

Задача об ударе судна о грунт при аварийном затоплении связана со значительной неопределенностью граничных условий - как с точки зрения параметров движения судна, так и с точки зрения параметров грунта в месте удара.

Для устранения неопределенности в параметрах движения судна принимается допущение о его характере, соответствующее известным оценкам специалистов-

гидромехаников. Указанный характер движения судна предполагает следующую последовательность событий (см. также рис. 12).

1). На поверхности воды происходит непреднамеренное поступление воды внутрь корпуса, возникновение дифферента и медленное погружение корпуса судна. Началом затопления считается момент, когда корпус судна полностью ушел под воду. В этом положении дифферент составляет 90°, а скорость погружения близка к нулю. Возможно положение корпуса как кормой вверх, так и носом вверх.

2). После погружения корпуса под поверхность воды начинается процесс затопления - движение вертикально вниз с возрастающей скоростью:

V = ь(Н), при этом У(Н +ЛН) > Ь(Н), где Я - отстояние верхней точки корпуса от поверхности воды. 3). Движение с возрастающей скоростью продолжается до глубины Нт, на которой скорость судна достигает наибольшего значения ц„ = гХН,„).

у(Н)

Глубина Н

Рис. 12. Характер движения судна при аварийном затоплении.

4). После этого происходит быстрый поворот корпуса в положение, близкое к горизонтальному («на ровный киль»), вызванный так называемым «планированием» корпуса. Движение корпуса приобретает маятникообразный характер в горизонтальной плоскости (с уменьшающимися. размахами), а вертикальная скорость погружения уменьшается до величины V, < и^

5). Горизонтальные колебания корпуса полностью затухают и движение приобретает равномерный характер. Вертикальная скорость постоянна и равна V,, дифферент равен нулю. Таким образом, могут быть выделены расчетные сценарии удара оконечностью о грунт со скоростью Ут и днищем о грунт со скоростью V,.

Для сценария удара о грунт оконечностью можно в качестве консервативной оценки принять во всех случаях бесконечно жесткий ровный грунт.

Применительно же к сценарию удара днищем параметры грунта в месте удара имеют гораздо более важное значение. Так, можно рассматривать жесткий ровный грунт, песчано-илистый ровный грунт, песчано-илистый холм (косу), жесткий грунт с выступом (подводный камень).

Поскольку при ударе днищем о подводный камень размеры зоны повреждения определяются в основном формой камня, этот сценарий можно не рассматривать. Практический интерес представляет оценка ускорений при ударе днищем о жесткий ровный грунт (размеры неровностей не превышают высоту двойного дна). В диссертации описана методика расчетной оценки последствий удара корпуса о грунт для указанных сценариев. В качестве критериев защищённости рассматриваются неразрушение отсека, содержащего атомный реактор или хранилища радиоактивных веществ, а также непревышение ускорениями заданного уровня.

Четвертая глава посвящена разработке методических принципов оценки безопасности и проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов. В ней рассматриваются использование процедуры формальной оценки безопасности для навигационных аварий, общая технология проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов и вопросы совершенствования нормирования аварийной прочности.

Использование процедуры формальной оценки безопасности (РБА), широко распространенной в международной практике, для анализа навигационных аварий включает следующие шаги: идентификация навигационных аварий по трем зонам на базе матрицы рисков, составление статистических моделей навигационных аварий, разработка методик оценки риска. К наиболее интересным научным результатам, полученным при рассмотрении процедуры РБА, могут быть отнесены полученные на основе имеющейся информации о

навигационных авариях графы статистических моделей столкновения судов и посадки на мель (см. рис. 13). В частности, на основе статистической модели столкновения судов наглядно показана целесообразность расширения номенклатуры судов с двойным бортом. Как видно из рис. 13, наличие двойного борта снижает риск потери судна при аварийном столкновении в 3-4 раза.

По мнению автора, одним из направлений повышения аварийной прочности транспортных судов должно стать расширение номенклатуры судов с двойным бортом и постепенное превращение двойного борта в столь лее типичную для транспортных судов конструкцию корпуса, как и двойное дно.

На основе обобщения накопленного опыта проектирования корпусов судов, имеющих на борту объекты (грузы) повышенной опасности, а также известных теоретических разработок можно выделить следующие основные этапы проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов.

1). Проектируется корпус судна в первом приближении. Для этого могут быть использованы данные судов-прототипов, либо, при отсутствии близкого прототипа, расчёты на основе простейших моделей.

2). Выбираются расчётные сценарии аварийной ситуации, при этом используются изложенные в работе подходы или, в особых случаях, выполняется специальное исследование.

3). Выполняется оценка последствий аварийной ситуации - в большинстве случаев такая оценка осуществляется в виде определения объёма повреждений. Для этого используются изложенные в работе апробированные консервативные методы расчёта. При отсутствии таких методов необходимо выполнение специальных исследований с целью их разработки.

4). Оценивается уровень защищённости судна путём сопоставления рассчитанного объёма повреждений с допустимым. Обычно допустимыми считаются повреждения, не приводящие к выливу опасного груза.

5). При неудовлетворительном уровне защищённости следует усилить конструкции, обеспечивающие аварийную прочность, либо рассмотреть возможность изменения схемы защиты (например, перейти от защиты на базе обычных судокорпусных конструкций к проектированию специальных конструкций для обеспечения аварийной прочности). Если же выполненная оценка показывает избыточно высокий уровень защищённости судна, то следует рассмотреть возможность снижения размеров защитных конструкций с целью повышения эксплуатационных характеристик судна.

Столкновение 0,05 (судно-год)"1 0,98/

Малое столкновение 0,049 (судно-год)"1

Серьёзное столкновение образованием пробоины 0,001 (судно-год)'1

ОД

Затопление отсека без возгорания топлива или груза 0,0009(судно-год)"1

Затопление отсека, возгорание топлива или грузаО.ОООКсудно-год)'1

0,75-

Успешный переход до

базы 7Д1-10"4 (судно-год)'1

,0,21 0,67

Потеря плаву чести, остойчивости или общей прочности 1,89-Ю"4 (судно-год)'1

Успешная борьба с огнём,успешный переход до

базыбЖ]

ч0,33

Развитие по-жара, взрывы, потеря плаву чести, остойчивости или общей прочности 331а5

а).

Небольшие Серьёзные

повреждения повреждения

0,049 7,78-Ю"4

(судно-год)'1 (судно-год)"1

Столкновение 0,05 (судно-год)"

.-1

0,98/ ХрЖ

б).

[Малое столкновение 1 0,049 (судно-год)'1

Серьёзное столкновение образованием пробоины 0,001 (судно-год)'1

Столкновение без возгорания 9-10 ^(судно -год) *1

0,9Х х°Д

Столкновение с возгоранием ЫоЛсудна-год)'1

,_

Внутренний борт не повреждён 2,7-10^ (судно-год)"'

,0,7 0,67

.0,33

Пробоина в наружном и внутреннем борту 6310, (судно-год)'1

0,96// \0,04

Успешный переход до базы 6,05-Ю-4 (судно-год)'1 Потеря плавучести, остойчивости или общей прочности 1,89-Ю'4 (судно-год)"1

Усгтеш-наяборь-6а согнем, успешный переход до базы 6,7-Ю"5 (судно-

год)'1

Развюие пожара, взрывы, потеря плавучести, остойчивости или общей прочности

3,31<Я (судно-год)"1

Небольшие повреждения 0,0493(судно-год)'

Серьёзные

повреждения

6,72-10"4(судно-год)"

Потеря судна 5,82-1СГ5 (судно-год)'1

Рис.13. Граф статистической модели развития аварийной ситуации при столкновении для судна с одинарным (а) и двойным (б) бортом.

Как видно из приведённой технологии, процесс проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов, осуществляется как ряд последовательных приближений. Впрочем, такой подход типичен для задачи проектирования (см., например, работы Зуева В.А.) и не является чем-то неожиданным.

При проектировании защитных конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судна, можно использовать следующие подходы.

1). Для умеренного повышения энергоёмкости корпусных конструкций, требуемого для нефтяных танкеров, арктических газовозов, плавучих хранилищ нефти и газа (типа FPU и FPSO) и других подобных объектов, можно просто увеличить размеры связей традиционных перекрытий судового корпуса.

2). Если этого недостаточно, необходимы мероприятия по повышению энергоёмкости традиционных перекрытий судового корпуса за счёт изменения характера деформирования, подобные описанным во второй главе.

3). Для кардинального повышения защищённости необходимо проектирование специальных конструкций для обеспечения аварийной прочности. В диссертации рассмотрены примеры таких конструкций.

Рассматриваются также перспективы совершенствования существующих нормативных документов, регламентирующих обеспечение аварийной прочности.

Относительно новой задачей, ставшей актуальной в связи с необходимостью вывоза природного газа с арктического шельфа и побережья России, является проблема обеспечения аварийной прочности крупнотоннажных арктических газовозов, соответствующих не только сравнительно легким условиям Баренцева моря, но также способным эксплуатироваться в гораздо более тяжёлых условиях Карского моря, а в перспективе - по всей трассе Северного Морского Пути (СМП). В настоящее время опьгг создания и эксплуатации подобных судов отсутствует.

Крупнотоннажные газовозы, имеющие на борту опасный груз - сжиженный природный газ (СПГ). относятся к числу наиболее экологически опасных судов с позиций возможных аварий при его транспортировке. Применительно к арктическим газовозам возникает совершенно новая проблема - обеспечение сохранности вкладных ёмкостей для сжиженного газа под действием экстремальных ледовых нагрузок. Если для обычного судна ледового плавания появление ледовых повреждений в виде глубоких вмятин вызывает лишь повышение объёмов ремонта, то для арктического газовоза развитая вмятина двойного борта способна привести к значительным деформациям вкладных ёмкостей для сжиженного газа. В случае утраты герметичности и попадания газа в атмосферу создаются предпосылки для

крупномасштабной техногенной аварии с тяжёлыми последствиями. Определение максимально возможных ледовых нагрузок, способных воздействовать на судно хотя бы один раз за весь эксплуатационный период, а также прогнозирование поведения конструкции двойного борта в области глубоких пластических деформаций невозможны без выполнения специальных исследований.

Как показал выполненный анализ, с этой точки зрения следует рассмотреть два основных сценария аварийных ситуаций: удар судна на высокой скорости о лед большой толщины (недопустимой с точки зрения эксплуатационных ограничений) и отражённый удар о лёд при движении в канале за ледоколом.

Задача регламентации параметров этих сценариев аварийных ситуаций является новой, поэтому устоявшаяся методология ее решения отсутствует. Исходя из общих соображений, можно полагать, что толщина льда на аварийных режимах должна учитывать возможность удара о консолидированный торос или смерзшийся наслоенный лед. В рамках консервативного подхода полагается, что толщина наслоенного льда равна удвоенной толщине ровного льда, встречающегося в рассматриваемом районе в экстремальные по тяжести ледовых усилений навигации. Скорость судна при аварийном ударе, соответствующем неожиданному столкновению со льдом при движении на чистой воде, предварительно может быть принята на уровне 7-12 узлов, увеличивающейся с ростом номера категории ледовых усилений. Таким образом, предлагается назначать параметры аварийных режимов движения в соответствии с приведенными в таблице 3.

Другим аварийным сценарием, который также необходимо рассмотреть, является так называемый отраженный удар о лед, возможный при движении в ледовом канале, проделанном ледоколами. Отраженный (вторичный) удар - это удар о противоположную кромку канала, следующий после прямого (первичного) удара. Такой удар в обязательном порядке рассматривается при регламентации ледовой прочности ледоколов.

Отраженный удар при движении в канале характерен, в основном, для арктических судов, однако, поскольку рассматриваются весьма маловероятные сценарии, выполняется расчет и для неарктических категорий 1се2, 1сеЗ. Скорость должна быть несколько снижена по сравнению с ударом на прямом курсе, поскольку при движении в ледовом канале суда редко разгоняются до 12 узлов, как из соображений безопасности, так и вследствие наличия в канале битого льда. Поэтому оба события - разгон судна до высокой скорости и реализация отраженного удара - являются относительно редкими и их одновременная реализация маловероятна. В первом приближении можно принять расчетную скорость газовоза в ледовом канале на уровне 4-7 уз. Впрочем, опыт эксплуатации крупнотоннажных газовозов в Арктике пока не накоплен, поэтому любая принимаемая оценка достаточно условна.

Таблица 3. Параметры аварийных режимов движения для проверки прочности районов

вкладных емкостей при ударе о лёд.

Категория ледовых усилений 1се2 1сеЗ Агс4 Агс5 Агс5 Агсб Агс7

Район эксплуатации Замерзающие неарктические моря Баренцево море Карское море

Толщина льда Ь, м 2,5 2,5 3,5 3,5 6 6 6

Скорость хода уз. 7 8 9 10 10 11 12

м/с 3,60 4,12 4,63 5,14 5,14 5,66 6,17

Рассмотрение отражённого удара о наслоенный лёд представляется нецелесообразной по следующим причинам. Реализация такого сценария предполагает совместное наступление следующих трех событий:

- судно попадает в ледяные поля экстремальной толщины, существенно большей, чем разрешено условиями эксплуатации;

- судно при движении в проложенном двумя ледоколами канале испытывает отраженный удар;

отраженный удар происходит именно о тот участок кромки канала, где имеется наслоенный лед (лед удвоенной толщины).

Каждое из этих событий хоть и является редким и маловероятным, может произойти, по крайней мере, один раз за срок эксплуатации судна.

Попадание судов категории Л1 (соответствует современному Агс4) в очень толстые льды имело место в экстремальную на тяжести ледовых условий навигацию 1983 г. Отраженный удар при плавании в канале за ледоколом является нарушением правильной эксплуатации судна, однако полностью исключить такую возможность нельзя. В условиях сильных сжатий наслоенные участки могут образовываться и в достаточно толстых ледяных полях, хотя и реже чем в тонких.

Тем не менее, каждое из указанных событий является достаточно редким, так что их совместная реализация уже настолько маловероятна, что не должна включаться в рассмотрение.

Что касается совместной реализации первых двух событий, то есть попадания в экстремальный лед и реализации отраженного удара, то их совместное наступление представляется гораздо более вероятным. В самом деле, при попадании судна в экстремальные ледовые условия, можно ожидать, что движение будет осуществляться по каналу, проложенному двумя ледоколами. При этом можно ожидать определенной спешки и нервозности со стороны судоводителя, находящегося под психологическим давлением, вызванным опасной обстановкой.

В таких условиях повышается вероятность реализации отраженного удара о лед, являющегося следствием ошибки судоводителя. Учитывая изложенное, аварийный сценарий отраженного удара о лед следует рассматривать для экстремального льда одинарной толщины, без учета возможности удара о наслоенный лед двойной толщины.

На основании этого можно в первом приближении принять параметры режимов движения в канале для расчета отраженного удара в соответствии с таблицей 4. По мере накопления опыта регламентации конструктивной безопасности арктических газовозов эти данные могут уточняться.

Таблица 4. Режимы движения в ледовом канале для расчета отраженного удара.

Категория ледовых усилений 1се2 1сеЗ Агс4 Агс5 Агс5 Агсб Агс7

Район эксплуатации Замерзающие неарктические моря Баренцево море Карское море

Толщина льда h, м 1,25 1,25 1,75 1,75 3 3 3

Скорость хода V уз. 4 4.5 5 6 6 6,5 7

м/с 2,06 2,31 2,57 3,09 3,09 3,34 3,60

Определение параметров ледовой нагрузки также может быть осуществлено с использованием известных программ, разработанных в ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова.

Конечноэлементный анализ упруго-пластического деформирования конструкций двойных бортов на воздействие указанных нагрузок позволяет определить величины перемещений конструкций двойного борта и оценить последствия этих перемещений с позиций сохранности вкладных емкостей. При необходимости на основании результатов конечноэлементного анализа могут быть предложены конструктивные мероприятия, обеспечивающие снижение риска повреждения вкладных емкостей при реализации аварийных режимов и нестандартных сценариев.

В том случае, когда результаты конечноэлементного анализа показывают достаточность прочности двойного борта газовоза для восприятия аварийных нагрузок, становится актуальной задача определения коэффициента запаса по нагрузке для наиболее неблагоприятного случая. С этой целью необходимо оценить значение допустимого прогиба внутреннего борта. Для самоподдерживающихся вкладных ёмкостей типа MOSS или SPB можно полагать допустимым прогиб внутреннего борта до контакта с ёмкостью, а для мембранных ёмкостей допустимый прогиб должен быть определён фирмой-производителем (GTT). Во всех случаях деформация внутреннего борта не должны превышать деформаций разрыва для используемой судостроительной стали, то есть водотечность внутреннего борта при аварийных нагрузках недопустима.

Коэффициент запаса по нагрузке определяется как ордината кривой «нагрузка -перемещение», соответствующая абсциссе допустимого прогиба (рис. 14).

-37-

Р0ЕТ26

Нагрузка в долях расчётной

Рис. 14. Определение коэффициента запаса по нагрузке с помощью кривой «нагрузка -перемещение», полученной в ходе нелинейного конечноэлементного анализа.

Разработанная к настоящему моменту технология регламентации аварийной прочности позволяет:

- определять объемы повреждений корпусов судов при навигационных авариях;

- обосновывать нормативные параметры расчетных сценариев аварийных ситуаций;

- оценивать риск (вероятность) повреждений корпусных конструкций заданной глубины;

- проектировать корпусные конструкции, обеспечивающие заданный уровень защищенности.

На основе этой технологии в перспективе возможно:

- проведение вероятностно-экономического анализа целесообразности новых (перспективных) организациошнлх или конструктивных мероприятий, снижающих риск неблагоприятных последствий навигационных аварий судов:

- выполнение оценки риска (вероятности возникновения) заданных последствий аварии для конкретного судна или типа судов;

- развитие и совершенствование нормативной базы по регламентации аварийной прочности судов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе решена имеющая большое экономическое значение научная проблема обеспечения аварийной прочности корпусов судов, предназначенных для транспортировки экологически опасных грузов. В процессе выполнения работы получены следующие научные и прикладные результаты.

1. Разработана общая технология оценки безопасности судна в аварийных ситуациях, распространяющаяся на все виды навигационных аварий: столкновение судов, посадка на мель, удар о подводную преграду, удар о дно при затоплении, аварийное падение груза, аварийное взаимодействие со льдом. Технология включает:

- способы конкретизации расчетных сценариев типовой аварии, формирования и уточнения критериев защищенности, совершенствования расчетных моделей разрушения корпусных конструкций;

- практические методики оценки объёма повреждений при авариях;

- критерии оценки защищённости в аварийных ситуациях.

2. Разработана технология регламентации аварийной прочности арктических газовозов при взаимодействии со льдом, включая следующие аспекты:

- обоснован перечень расчётных сценариев для регламентации аварийной прочности арктических газовозов и выбраны их нормативные параметры;

- разработана уточненная модель для определения параметров ледовой нагрузки при сжатии во льдах;

- регламентирована процедура нелинейного конечноэлементного анализа для оценки допустимости перемещений внутреннего борта грузового отсека арктических газовозов.

3. Разработаны методы расчета усилия взаимодействия и энергопоглощения при глубоком пластическом деформировании типовых судокорпусных и специальных энергопоглощающих конструкций. Разработанные методы включают:

- критерий разрушения подверженных растяжению и изгибу листовых элементов судокорпусных конструкций, учитывающий особенности деформирования судокорпусных конструкций при авариях;

- принцип идеализации конструктивной бортовой защиты как системы перекрытий;

- расчётные модели традиционных бортовых и палубных перекрытий с различной системой набора;

- физические модели и алгоритмы расчета специальных энергопоглощающих конструкций.

4. Предложены новые конструктивные решения, повышающие защищённость судов в аварийных ситуациях, включая защищенные патентами РФ №2096241 и №2108262.

5. Разработаны методические принципы оценки безопасности и проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов, включающие:

- рекомендации по использованию аппарата формальной оценки безопасности;

- общую технологию проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов;

- перспективные направления развития регламентации аварийной прочности.

6. Выявлены новые закономерности глубокого пластического деформирования и разрушения при деформировании конструкций двойного дна в случае силового контакта с подводным камнем. Сформулирован критерий защищенности и предложено специальное конструктивное решение для повышения защищённости в случае удара о подводный камень на волнении, защищенное патентом РФ №2096241.

7. Разработан метод вероятностно-экономического анализа, играющий роль экономического критерия защищённости. В качестве примера выполнен вероятностно-экономический анализ целесообразности усиления конструктивной противотаранной защиты нефтяных танкеров на основе оригинального критерия, учитывающего стоимость ликвидации последствий аварийного вылива нефти в результате столкновения.

8. Выявлены основные факторы, влияющие на экологическую защищённость, и обоснован количественный критерий для сопоставительной оценки экологической безопасности при навигационных авариях судов, имеющих на борту высокотоксичные или радиоактивные вещества.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: 1. Исследование эффективности конструктивной бортовой защиты при аварийном столкновении судов. - Сб. «Вопросы судостроения», сер. «Проектирование судов», вып. 40, изд. ЦНИИ «РУМБ», Д., 1984, с.46-52.

2. Повышение эффективности судовой конструктивной защиты отсеков с экологически опасным грузом при столкновении и посадке на мель (на англ. яз.). - «Вестник ноу-хау», М., 1993.

3. Сравнительная оценка безопасности судов в аварийных ситуациях (на англ. яз.). -«Strength, Reliability and Operating Life of Ship and Off-Shore Structures». Krylov Shipbuilding Research Institute, St.Petersburg, 1994, p.p. 17-21 (в соавторстве с Апполоновым Е.М.).

4. Прогнозирование объёмов повреждений корпусов надводных кораблей с АЭУ и вспомогательных судов, перевозящих радиоактивные вещества, при типовых навигационных авариях (на англ. яз.). - Труды международной конференции к 300-летию Российского флота, секция А, подсекция A3 «Прочность и надёжность морских конструкций», СПб, 1996, с. АЗ-27-(1-7) (в соавторстве с Апполоновым Е.М.).

5: Двойной борт судна. Патент РФ №2108262. - Бюллетень Роспатента №10, М., 1998.

6.. Днищевое перекрытие судна. Патент РФ №2096241. - Бюллетень Роспатента №32, М„ 1997 (в соавторстве с Палием О.М., Пашиным В.М.).

7. Проблемы повышения уровня безопасности судов и плавучих сооружений. - Научно-технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 24, СПб, 2001, с.30-47 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Бойцовым Г.В., Захаровым A.A., Литоновым O.E.).

8. Вероятностно-экономический анализ целесообразности повышения требований к размерам корпусных конструкций танкеров с целью снижения риска вылива нефти при типовых авариях, обусловленных навигационными ошибками. - Научно-технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 24, СПб, 2001, с. 135-147 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Кудриным М.А., Кутейниковым М.А.).

9. Оценка риска при авариях на танкерах, обусловленных навигационными ошибками (столкновения и посадки на мель) (на англ. яз.). - Сборник докладов на третьей международной конференции по судостроению ISC'2002, СПб, 2002, с.239-247 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Кудриным М.А., Сазоновым К.Е., Евенко В.И., Кутейниковым М.А.).

10. Комплексный анализ целесообразности усиления противотаранной защиты танкеров с позиций экологической безопасности и экономической эффективности. - Конференция по строительной механике корабля памяти академика Ю.А.Шиманского. Тезисы докладов, СПб, 2001, с. 12-14 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Головкиным A.A., Кутейниковым М.А.).

11. Complex analysis of tanker anti-collision reinforcement advisability in terms of environmental safety and economic efficiency. - Strength and Endurance of Ship Structures. Transaction of the Krylov Shipbuilding Research Institute, St. Petersburg, 2002, s.5-12 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Головкиным А.А., Кутейниковым М.А.).

12. Проблемы обеспечения безопасности судов при навигационных авариях за счет регламентации размеров конструктивных элементов корпуса. - Судостроение № 4, СПб, 2004 (в соавторстве с Апполоновым Е.М.).

13. Сопоставительный анализ размеров повреждений при аварийном столкновении для судов различных архитектурно-конструктивных типов. - Тезисы докладов научно-технической конференции «Бубновские чтения» посвященной 100-летию кафедры строительной механики корабля СПб ГМТУ, СПб, 2004, с. 33-35 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Шапошниковым В.М., Кутейниковым М.А.).

14. Сопоставительный анализ размеров повреждений при аварийном столкновении для судов различных архитектурно-конструктивных типов (на англ. яз.). - "Problems in ship hull strength". Transactions of the Krylov Shipbuilding Research Institute, Issue 23(307), St.Petersburg, 2005, pp.28-44 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Шапошниковым В.М., Кутейниковым М.А.1. _

15. Оценка времени вытекания нефти из бортовой пробоины на тихой воде. - «Проблемы морской ледотехники и океанотехники» Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып.24(308), СПб, 2005, с. 134-144 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Сазоновым К.Е.).

16. Влияние вертикальной качки на время вытекания нефти из бортовой и днищевой пробоин. - «Проблемы морской ледотехники и океанотехники» Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып.24(308), СПб, 2005,с.145-153 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Сазоновым К.Е.).

17. Совершенствование расчетной модели бортового перекрытия противотаранной защиты судна. - Вопросы динамической прочности, вибрации и безопасности эксплуатации корпусов судов. Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып.21(305), СПб, 2005,с.103-110.

18. Development of calculation model of side structure for ship collision protection. - «Acoustic problems. Strength, Ship power plants» // Transactions of the Krylov Shipbuilding Research Institute, Issue 25(309), St.Petersburg, 2005, pp.56-63.

19. Инженерный метод оценки объёма повреждений в случае аварийного столкновения судов на встречных курсах под острым углом. - «Вопросы прочности транспортных судов». Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып.28(312), СПб, 2006, с.87-98.

20. Scientific Aspects of Arctic LNG Carrier's Design. — 2nd Annual Conference "Arctic Shipping 2006", St. Petersburg, Russia. Conference Documentation. Lloyd's List events, 2006, 39 p. (в

соавторстве с Апполоновым Е.М., Беловым И.М., Палием О.М., Романовым Р.Ю., Сазоновым К.Е., Симоновым Ю.А.).

21. Обеспечение аварийной прочности крупнотоннажных арктических газовозов при нестандартных сценариях взаимодействия со льдом. - Научно-технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 31, СПб, 2008, с.107-128 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Дидковским А.В., Кутейниковым М.А., Шишениным Е.А.).

22. Регламентация ледовых нагрузок на вертикальный борт при сжатии во льдах. - Научно-технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 31, СПб, 2008, с.129-146 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Тимофеевьм О.Я.).

23. Научные аспекты проектирования корпусов крупнотоннажных арктических газовозов. -Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вьш.39(323), СПб, 2008, с.29-44 (в соавторстве с Апполоновым Е.М., Беловым И.М.).

24. Регламентация аварийной прочности крупнотоннажных арктических газовозов. - Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып. 55 (339), СПб, 2010, с. 5-19.

25. Hull Strenght of Ship and Platforms for Hydrocarbons Development - A Way to Marine Environment Safety. - Proceedings of the Greenship'2011 in Célébration of 60lh Anniversary of the Establishment of CSSRC, Wuxi, China, October 10-11, 2011 pp.70-76 (в соавторстве с Александровым А.В., Шапошниковым В.М.).

26. Проблема регламентации сценариев аварийной ситуации и сопоставительного анализа аварийной прочности перспективных газовозов. - Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып. 65 (349), СПб, 2011, с.27-36.

27. Двойной борт судна. Патент РФ №2448014. - Бюллетень Роспатента №11, М., 2012.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «КРЫЛ ОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР»

На правах рукописи

05201451343 НЕСТЕРОВ Александр Борисович

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ АВАРИЙНОЙ ПРОЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВ ДЛЯ МОРСКОЙ

ТРАНСПОРТИРОВКИ ТОКСИЧНЫХ ГРУЗОВ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СУДОКОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.08.01 «Теория корабля и строительная механика»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д.т.н. Апполонов Евгений Михайлович

Санкт-Петербург - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................6

1. АНАЛИЗ СЛОЖИВШЕЙСЯ ПРАКТИКИ ОЦЕНКИ АВАРИЙНОЙ ПРОЧНОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ЕЁ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ......13

1.1. Краткий исторический обзор развития науки об аварийной прочности....13

1.1.1. Метод условного измерителя.........................................................13

1.1.2. Методы, основанные на проведении экспериментов............................18

1.1.3. Методы, использующие инженерные расчетные модели......................27

1.1.4. Подходы на основе глобальных численных процедур...........................36

1.2. Анализ типичных повреждений судов при навигационных авариях........40

1.2.1 Повреждения при столкновении судов.............................................40

1.2.2 Повреждения при посадке на мель..................................................46

1.2.3 Отличительные черты повреждений при навигационных авариях..........49

1.3. Общая методология решения задач и направления совершенствования существующих подходов к оценке аварийной прочности.....................50

1.3.1. Структура методологии решения задач аварийной прочности..............50

1.3.2. Конкретизация расчётных сценариев аварийной ситуации..................52

1.3.3. Уточнение критериев защищённости..............................................55

1.3.4. Совершенствование расчётных моделей разрушения корпусных

. конструкций..............................................................................56

1.3.5. Развитие вероятностно-экономических подходов к оценке аварийной прочности................................................................................57

1.3.6. Направления развития аварийной прочности....................................59

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА УСИЛИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ЭНЕРГОПОГЛОЩЕНИЯ ПРИ ГЛУБОКОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ИНЖЕНЕРНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ..................................60

2.1. Обоснование критерия разрушения подверженных растяжению н изгибу листовых элементов, учитывающего особенности судокорпусных конструкций ....................................................................................................60

2.1.1. Критерий для расчетной модели жестко-пластической

нити.......................................................................................60

2.1.2. Учет влияния факторов, снижающих деформационную способность материала...............................................................................61

2.1.3. Критерий для листовых элементов, растягиваемых в двух направлениях .............................................................................................61

2.1.4. Экспериментальное подтверждение корректности принятых критериев разрушения.............................................................................66

2.2. Разработка .методов расчета усилия взаимодействия и энергопоглощения при деформировании конструктивной бортовой защиты на основе традиционных корпусных конструкций в случае аварийного столкновения судов...........................................................................................................70

2.2.1. Идеализация конструктивной бортовой защиты как системы перекрытий...............................................................................70

2.2.2. Расчет энергоемкости бортового перекрытия на основе физической модели жесткопластической струны на жесткопластическом

основании..............................................................................71

2.2.3. Физическая модель и алгоритм расчета палубного перекрытия с продольной системой набора........................................................................79

2.2.4. Физическая модель и алгоритм расчета палубного перекрытия с поперечной системой набора........................................................................80

2.2.5. Учёт деформируемости носовой оконечности таранящего судна...........82

2.3. Разработка методов расчета специальных конструкций конструктивной противотаранной защиты.................................................................89

2.3.1. Палубные перекрытия с клетчатой системой набора...........................89

2.3.2. Палубные перекрытия со смешанной системой набора........................93

2.3.3. Палубные перекрытия с продольной системой набора при условии приварки рамного набора ослабленным швом...........................................93

2.3.4. Двойной борте ослабленными вертикальными диафрагмами................97

2.4. Разработка методов расчета усилия взаимодействия и энергоноглощення при деформировании конструкций двойного дна в случае силового контакта с подводным камнем............................................................................121

2.4.1. Расчетная форма подводного камня и ее влияние на результаты оценки безопасности..............................................................................121

2.4.2. Стадии деформирования днищевого перекрытия при контакте с подводным камнем.....................................................................121

2.4.3. Расчет деформирования панели наружной обшивки с набором...............124

2.4.4. Расчет деформирования стенок флоров и стрингеров...........................129

2.4.5. Расчет деформирования полукрестовин............................................140

3. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ЗАЩИЩЁННОСТИ СУДОВ В ТИПИЧНЫХ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ......................................................152

3.1. Аварийная прочность и защищённость судов при посадке на мель........152

3.1.1. Конкретизация расчетных сценариев аварийной ситуации «посадка на мель»....................................................................................152

3.1.2. Аварийная прочность при обсыхании на мели................................156

3.1.3. Аварийная прочность при столкновении с подводной преградой.........160

3.1.4. Аварийная прочность при контакте с подводным камнем на волнении.163

3.1.5. Пути повышения защищенности и специальные конструктивные решения для случая удара о подводный камень................................................169

3.2. Определение целесообразности усиления конструктивной противотаранной защиты нефтяных танкеров на основе вероятностно-экономического анализа ....................................................................................................173

3.2.1. Общая методология анализа.......................................................173

3.2.2. Расчетный ряд танкеров............................................................175

3.2.3. Определение веса конструктивной защиты и опасных скоростей столкновения...........................................................................176

3.2.4. Стоимость ликвидации последствий вылива нефти...........................180

3.2.5. Регламентация функции распределения скоростей столкновения.........182

3.2.6. Плотность вероятности объема вылива нефти.................................183

3.2.7. Результаты вероятностно-экономического анализа............................187

3.2.8. Основные выводы об эффективности . противотаранной защиты нефтяных танкеров..............................................................................193

3.3. Конструктивная противотараиная защита судов, имеющих на борту высокотокснчныс или радиоактивные вещества...............................194

3.3.1. Существующая регламентация конструктивной противотаранной защиты ...........................................................................................194

3.3.2. Критерий сопоставительной оценки экологической безопасности.......196

3.3.3. Назначение критических скоростей столкновения для различных типов судов, имеющих на борту высокотоксичные или радиоактивные вещества................................................................................217

3.3.4. Пути повышения эффективности противотаранной защиты судов, имеющих на борту высокотоксичные или радиоактивные вещества.....................221

3.4. Метод регламентации безопасности хранилищ радиоактивных веществ на судах в случае аварийного падения груза.....................................................223

3.4.1. Особенности расчета усилия при ударном взаимодействии твердых деформируемых тел.................................................................223

3.4.2. Конструктивные особенности существующих судовых хранилищ радиоактивных веществ и расчетные схемы их деформирования..............................224

3.4.3. Задача о падении на хранилище свинцового перегрузочного контейнера.............................................................................227

3.4.4. Задача о падении на хранилище мостового крана.............................233

3.4.5. Общий порядок решения задач о падении груза..............................238

3.5. Метод оценки объема разрушения корпуса при аварийном затоплении судна и последующем ударе о грунт..................................................................240

3.5.1. Характер движения судна при аварийном затоплении и выбор расчетных сценариев удара о грунт...........................................................240

3.5.2. Определение разрушающего давления для переборок при быстром погружении...........................................................................243

3.5.3. Определение расчётной массы судна при ударе о грунт в случае аварийного затопления.............................................................................250

3.5.4. Оценка объема разрушения и ускорений при ударе о грунт оконечностью..........................................................................255

3.5.5. Оценка объема разрушения и ускорений при ударе днищем о грунт.....256

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ

АВАРИЙНУЮ ПРОЧНОСТЬ СУДОВ.............................................258

4.1. Использование процедуры формальной оценки безопасности для навигационных аварий.........................................................................................258

4.1.1. Принципы формальной оценки безопасности..................................258

4.1.2. Идентификация навигационных аварий по трем зонам на базе матрицы рисков...................................................................................260

4.1.3. Статистические модели навигационных аварий................................267

4.1.4. Разработка методик оценки риска при навигационных авариях.............278

4.2. Общая технология проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов.............................................................................294

4.2.1. Основные этапы проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов.......................................................................294

4.2.2. Проектирование защитных конструкций на базе традиционных перекрытий судового корпуса.......................................................................295

4.2.3. Проектирование специальных конструкций для обеспечения аварийной прочности................................................................................296

4.3. Совершенствование нормирования аварийной прочности.....................300

4.3.1. Регламентация отстояния отсека с экологически опасными веществами от наружной обшивки....................................................................300

4.3.2. Расчётная регламентация допустимого объёма повреждений в аварийной ситуации.................................................................................303

4.3.3. Перспективность расширения номенклатуры судов с двойным бортом с точки зрения эксплуатационной и аварийной прочности.............................304

4.3.4. Регламентация аварийной прочности арктических газовозов.................307

4.3.5. Перспективы использования разработанной технологии регламентации аварийной прочности......................................................................................316

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................320

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................324

Приложение А. Расчетный ряд танкеров.............................................................353

Приложение Б. Результаты решения оптимизационной задачи усиления палубных и бортовых конструкций современных танкеров с точки зрения минимизации экономического ущерба с учетом возможности столкновения.............................................................................................................368

Введение

Проблема повышения аварийной безопасности судов за счет конструктивных мероприятий стояла перед судостроителями всегда. Совершенно очевидно, что такая, ставшая ныне классической, конструкция, как двойное дно транспортных судов появилась именно в процессе решения указанной проблемы.

Если первоначально целью аварийной прочности было только повышение живучести судна при авариях, то с появлением атомных судов и супертанкеров на первый план вышла задача предотвращения загрязнения окружающей среды экологически опасными веществами вследствие судовых аварий. Одновременно совершенствовались и пути решения задач аварийной прочности: от чисто эмпирических подходов к анализу статистики повреждений на основе вероятностных методов и, в дальнейшем, к созданию расчетных моделей разрушения корпусных конструкций.

В отечественной практике следует отметить направление аварийной прочности, связанное с обеспечением безопасности при аварийных навалах в процессе швартовки в море, в рамках которого решалась задача деформирования бортового перекрытия судна в упруго-пластической и пластической стадиях.

По указанному направлению известны работы А.Г.Архангородского, Н.В.Барабанова, Л.М.Беленького, В.П.Белкина, А.М.Бененсона, Г.В.Бойцова, Е.П.Бураковского, А.И.Бронского, В.П.Дурнова, В.В.Козлякова, В.А.Курдюмова, А.И.Симановича и других.

С появлением в составе отечественного арктического флота атомных ледоколов возникла задача расчета эффективности противотаранной защиты их энергетических установок. Решая указанную задачу, внесли огромный вклад в развитие отечественной аварийной прочности сотрудники ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова Ю.Ф.Лепп и М.В.Филиппео. Резкое увеличение дедвейта нефтяных танкеров, развитие флота химовозов, начало добычи нефти на морском шельфе сделали задачу расчета эффективности конструктивной защиты от навигационных аварий актуальной также для танкеров, химовозов и морских буровых установок. Эту задачу в нашей стране решали: Е.М.Апполонов, Г.В.Бойцов, С.В.Вербицкий, В.Н.Волков, Н.Н.Волков, С.М.Вилков, С.Ф.Глазов, А.А.Головкин, В.С.Дорин, В.И.Евенко, А.А.Захаров, Ю.А.Зимницкий, Б.М.Конторович, И.М.Короткин, С.Б.Кодацкий, С.С.Кощий, М.А.Кудрин, М.А.Кутейников, О.Е.Литонов, С.И.Логачев, Е.А.Маслич, О.М.Палий, К.Е.Сазонов, В.М.Шапошников и другие.

Значительный вклад в решение указанных задач внесли и зарубежные исследователи. Так, среди специалистов, занимавшихся проблемой обеспечения защиты судовых атомных

реакторов, обязательно должны быть отмечены Y.Akita, V.U.Mynorsky, K.A.Reckling, F.Spinelli, G.Woisin.

Исследования защищенности танкеров и химовозов при навигационных авариях проводятся в настоящее время за рубежом весьма широко, наиболее известны работы таких исследователей, как L.Cheang, P.Embrison, F.Fernandez-Gonsales, A.Guida, O.Kitamura, J.W.Lee, P.G.Noble, J.K.Paik, P.T.Pedersen, B.C.Simosen, T.Wierbicki.

За период с 1982 г. по настоящее время автором был выполнен комплекс прикладных и теоретических исследовательских работ, позволивших сформировать отечественную науку об аварийной прочности судов как новое направление строительной механики корабля.

Целью настоящей работы является обобщение результатов указанных исследований и придание им методологической целостности. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

• Анализ основных направлений развития исследований в области аварийной прочности, определение целей и приоритетов развития для каждого направления.

• Разработка общей методологии решения задач аварийной прочности, выделение основных подзадач и обзор возможных направлений ее совершенствования.

• Выработка критериев разрушения судокорпусных конструкций, учитывающего реальные резервы пластического деформирования материала и факторы, способствующие их снижению.

• Разработка практически применимых методов расчета усилия взаимодействия и энергопоглощения при деформировании судокорпусных конструкций в аварийных ситуациях, учитывающих особенности как традиционных конструкций судового корпуса, так и специальных защитных конструктивных элементов.

• Построение концепции регламентации защищенности судов и нормирования аварийной прочности применительно к типичным аварийным ситуациям, включающей вероятностно-экономический анализ, сопоставляющий затраты на усиление защитных конструкций с ожидаемым статистически взвешенным ущербом от аварии.

• Разработка методических принципов проектирования конструкций, обеспечивающих аварийную прочность судов, на основе обобщения накопленного опыта обеспечения безопасности судов, имеющих на борту экологически опасные вещества.

Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 195 страниц текста, 98 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 297 названий, приложения содержат 6 страниц текста, 6 рисунков, 12 таблиц.

В первой главе представлен анализ сложившейся практики оценки аварийной прочности судов и направлений ее совершенствования. Выполнен краткий исторический обзор развития науки об аварийной прочности, проанализированы основные группы используемых методов: условного измерителя, модельных экспериментов, инженерных расчетных моделей и глобальных численных процедур. Выполнен также анализ типичных повреждений судового корпуса при навигационных авариях (типа столкновения судов и посадки на мель), выделены отличительные черты таких повреждений, к которым относятся в первую очередь наличие разрывов обшивок и настилов корпусных конструкций, а также принципиальное изменение формы и топологии конструкции в результате полученных повреждений. Рассмотрена общая методология решения задач аварийной прочности. Выделены основные, наиболее актуальные направления совершенствования подходов к оценке аварийной прочности: конкретизация расчетных сц