автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и обеспечение технологичности уплотнительных устройств кабельных трасс на судах

005045091

ПОПОВ Сергей Валентинович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ УСТРОЙСТВ УПЛОТНЕНИЯ КАБЕЛЬНЫХ ТРАСС НА СУДАХ

Специальность 05.08.04 «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

Специальность 05.09.03 «Электротехнические системы и комплексы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з ' 2072

Санкт-Петербург 2012

005045091

Работа выполнена на кафедре «Технология судового машиностроения» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Герман Галина Валентиновна

Официальные оппоненты: Лысенков Павел Михайлович

доктор технических наук, с.н.с. АО «Сигма», Директор по научной работе.

Черевко Александр Иванович доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВПО «Севмашвтуз» - филиал ФГБОУ ВПО СПбГМТУ в г. Северодвинске. Декан факультета повышения квалификации

Ведущая организация: ФГУ «1 Центральный научно-исследовательский институт» Минобороны России, г. Санкт-Петербург

Защита состоится « 6 » июня 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.228.05 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан «-^ » _2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: Необходимость повышения технологичности изготовления, монтажа, эксплуатации изделий судового машиностроения в обеспечение безопасности плавания для исключения травм и гибели членов экипажа и пассажиров судов, кораблей и морских сооружений (далее - судов) - актуальная проблема судостроения во всём мире. Аварии на судах приводят к значительному ущербу и способны вызвать экологические катастрофы регионального масштаба.

Огнестойкость судового оборудования непосредственно связана с надёжностью его работы, а технологичность определяет все виды затрат на этапах строительства, эксплуатации, ремонта и модернизации. До настоящего времени решение задачи повышения огнестойкости не рассматривалось во взаимосвязи с обеспечением технологичности.

Увеличение энергонасыщенности судов приводит к непрерывному увеличению мощности судовых электроэнергетических систем, росту протяжённости и объёмов кабельных трасс.

Короткие замыкания в сетях электроснабжения, увеличение мощности, потребляемой электрооборудованием, нарушение режимов его эксплуатации, увеличение тепловыделения при генерировании, преобразовании, передаче и потреблении электроэнергии, использование горючих электроизоляционных материалов - эти и другие факторы приводят к снижению пожарной безопасности при работе судовых систем и носят случайный характер воздействия.

Предотвращение распространения пламени по кабельным трассам через судовые уплотнительные устройства из аварийного помещения в смежные является важным элементом обеспечения пожарной безопасности в цепи возникновения и распространения пожаров на судах.

Теоретические основы возникновения судовых пожаров и наиболее эффективные способы их предупреждения достаточно полно изложены в трудах М.Г. Савицкого, С.И. Радзиевского, В.М. Хнычкина, В.Г. Олим-пиева и др. Повышению пожарной безопасности на судах посвящено множество научных работ. Однако новые конструктивные, проектные, организационно-технические и технологические решения, использование новых негорючих материалов не в полной мере решают обозначенную проблему.

Диссертационные исследования посвящены решению этой актуальной научно-практической задачи.

Диссертация выполнена в рамках Федеральных целевых программ «Национальная технологическая база России» на 2002-2006 годы (ОКР «Уплотнение»), «Развитие гражданской морской техники России» на 2009-2016 годы (ОКР «Пассив-ВПБ»), «Ядерная и радиационная безопасность России» (ОКР «Технология-ЯРБ») и представляет собой научное обобщение результатов, полученных автором в 2005-2011 годы.

Цель диссертационной работы: Повышение огнестойкости и обеспечение технологичности устройств уплотнения судовых кабельных трасс.

Задачи исследований:

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

- выявление определяющих параметров, влияющих на процесс теплопередачи через уплотнительное устройство;

- разработка теоретической модели, описывающей процесс теплопередачи через уплотнительное устройство;

- разработка методики оценки огнестойкости уплотнительного устройства на основе теоретических и экспериментальных исследований;

- решение уравнения процесса теплопередачи с учётом полученных экспериментальных данных;

- обеспечение обоснованного выбора оптимальных конструкций новых уплотнительных устройств с повышенной огнестойкостью, надёжностью и технологичностью, начиная с ранних этапов проектирования;

- обеспечение технологичности конструкции судна при решении задачи размещения уплотнительных устройств;

- разработка технологии монтажа уплотнительных устройств, обеспечивающих совместимость с существующими технологиями и сокращение затрат при новом строительстве, эксплуатации и ремонте судов;

- разработка методики проектирования перспективных конструкций уплотнительных устройств и мест их размещения, обеспечивающих требуемую огнестойкость и технологичность, для использования на ранних этапах проектирования;

- внедрение результатов диссертационных исследований в практику проектирования, монтажа, эксплуатации и ремонта новых конструкций уплотнительных устройств.

Предмет исследования: Предметом исследования является конструкция судовых устройств уплотнения кабельных трасс.

Новые научные результаты: В процессе проведённых в диссертационной работе исследований впервые получены следующие научные результаты:

1. Выявлены определяющие конструктивно-технологические параметры, влияющие на процесс теплопередачи и технологичность конструкции уплотнительного устройства.

2. Разработана теоретическая модель, описывающая процесс распространения и передачи теплоты через уплотнительные устройства кабельных трасс на судах.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований опытных образцов разработаны модель и математические зависимости оценки (прогноза) времени огнестойкости от толщины огнегасящего материала.

4. На основе полученных решений уравнений теплопроводности, теплопередачи и компьютерного моделирования определены ограничения

конструктивного и технологического характера, влияющие на работоспособность кабельных уплотнительных устройств.

5. Установлены связи между конструктивными параметрами и показателями технологичности для использования при создании оптимальных конструкций узлов уплотнения кабельных трасс, удовлетворяющих требованиям огнестойкости.

6. Предложены новые методические подходы для оценки (прогноза) количества переходов кабелей и площадей, необходимых для размещения устройств уплотнения, удовлетворяющих требованиям огнестойкости и технологичности, начиная с ранних этапов проектирования.

Методы исследования: При постановке и решении сформулированных задач использовались методы математического компьютерного моделирования, уравнения передачи тепла через ограждающие конструкции с использованием основных уравнений классической теплопроводности и теплопередачи (стационарной и нестационарной) и натурного эксперимента на макетах уплотнительных устройств.

Научно-практическая значимость результатов: Полученные в диссертационной работе результаты исследований (методика расчёта параметров уплотнительных устройств, количества и площадей переходов, технология монтажа) рекомендованы к использованию проектными организациями при проектировании уплотнительных устройств, переборок для помещений типа «отсек-убежище» для судов и подводных аппаратов.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на межотраслевых научно-практических конференциях «Проектирование, постройка и эксплуатация средств океанотехники» (Се-веродвинск-2005), «100 лет подводному флоту» (Северодвинск-2006); «Военное кораблестроение России» (СПб-2006), международной конференции «Культура безопасности: практические методы управления» (СПб-2011), Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана» (Владивосток-2011).

Внедрение результатов работы: Основные результаты работы внедрены в ОАО «НИПТБ «Онега» г. Северодвинск при разработке технического проекта судна проекта 23140 и при разработке проектной документации на реконструкцию объекта использования атомной энергии для ОАО «ЦС «Звездочка» г. Северодвинск.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 12 работ (восемь статей и тезисы докладов на четырёх научно-практических конференциях). Работы написаны в соавторстве, доля автора 45-60 %. В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях опубликованы две статьи в соавторстве, доля автора 50 %.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 98 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 143 страницах текста, включая 57 рисунков и 21 таблицу. Приложения содержат 6 разделов на 39 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель исследования и определены основные задачи, решение которых обеспечит её достижение.

В главе 1 выполнен анализ существующих методов и конструктивных решений уплотнительных устройств кабельных трасс.

Представлены результаты анализа и оценки аварийных ситуаций при пожарах на судах. Ежегодно пожары на судах наносят значительный материальный ущерб, приводят к экологическим катастрофам, к травмам или гибели членов экипажа и пассажиров судна.

Судно обладает рядом особенностей с точки зрения условий возникновения и развития пожара. Основными причинами возникновения пожаров являются: применение на судах большого количества горючих материалов; наличие источников зажигания, способных воспламенять горючие материалы; наличие в воздухе судовых помещений окислителя.

Для уменьшения степени опасности пожара и снижения величины ущерба от пожара необходимо применять конструктивные и организационные профилактические меры по предотвращению пожара на судне, а в случае его возникновения, по своевременному обнаружению, локализации и тушению.

Недостаточная защищённость судовых кабельных трасс от воздействия тепловых и динамических нагрузок, вызванных пожарами и сопровождающими их взрывами, приводит к необходимости создания новых конструкций уплотнительных устройств, использованию новых материалов, обеспечению их технологической приспособленности к монтажу и технологичности на этапах нового строительства, эксплуатации, ремонта и модернизации судов.

Рассмотрены существующие конструктивные решения устройств уплотнения кабельных трасс. Необходимость герметизации мест прохода кабелей через переборки и палубы определена требованиями: Правил Российского Морского Регистра и Речного Регистра судоходства; стандартов судостроения ОСТ5Р.6066, ОСТ5Р.6ЮЗ, ОСТ5Р.6183; документами Международных классификационных обществ.

В отечественном судостроении наиболее часто используются групповые сальники и кабельные коробки (рис. 1, 2).

ОАО «НИПТБ «Онега» при непосредственном участии автора было разработано уплотнительное устройство ЯНМИ.305318.023 (рис. 3), которое отличается способом крепления к переборке и уплотнением кабелей с помощью сальников.

На рис. 4 приведён внешний вид модульного устройства повышенной пожарной защищённости шведской компании МСТ «ВгаиЬе㧻.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4

Проведённый в диссертационном исследовании анализ показал, что температура в районе очага пожара на необогреваемой стороне переборки может достигать 600 °С в течение 10-15 мин, при этом создаётся интенсивное тепловое излучение, воздействующее на горючие материалы и оборудование, расположенное на переборке или в близости от неё.

Применяемые в отечественном судостроении кабельные уплотни-тельные устройства и заполняющие их материалы при длительном воздействии высоких температур перестают выполнять своё функциональное назначение и могут допустить прохождение пламени и дыма из аварийного помещения в смежные.

Зарубежные устройства компании МСТ «ВгаиЬе^» могут решать вопросы повышения надёжности и безопасности кабельных трасс, содержащих малое количество кабелей одного диаметра. При большом количестве кабелей значительно усложняется процесс монтажа, прокладки и уплотнения отдельных кабелей, входящих в пучок.

Совершенствование конструкции судовых уплотнительных устройств должно быть направлено на обеспечение надёжности, долговечности и безопасности кабельных трасс при воздействии на них агрессивных факторов пожара (пламени, температуры и давления), что должно основываться на следующих основных положениях:

- устройство должно обладать лучшими противопожарными свойствами по сравнению с применяемыми уплотнительными конструкциями;

-устройство должно быть устойчиво к воздействию тепловых и динамических нагрузок;

- устройство должно быть технически реализуемо с учётом использования существующих технологий и материалов, применяемых в судостроении, совместимо с существующими электромонтажными технологиями, быть простым и надёжным в эксплуатации;

- устройство должно быть технологичным и ремонтопригодным;

- устройство должно быть безопасно для экипажа судна и для рабочих, производящих монтаж.

Уплотнительное устройство ЯНМИ.305318.024 (рис. 5), удовлетворяющее предъявляемым требованиям, было разработано специалистами ОАО «НИПТБ «Онега» на основе диссертационных исследований. Оно

отличается от применяемых в судостроении устройств корпусом сферической формы и используемыми материалами.

Представлены результаты анализа основных факторов, влияющих на работоспособность устройств уплотнения кабельных трасс. Подробно рассмотрены основные факторы пожара и их влияние на работоспособность уплотнительного устройства.

Проанализированы параметры и показатели работоспособности и технологичности конструкций устройств уплотнения кабельных трасс, выполнен конструктивно-технологический анализ и выявлены связи между показателями технологичности и конструктивными характеристиками устройств уплотнения, определяющими их работоспособность.

Произведён выбор конструктивных параметров уплотнительных устройств. Выполнена оценка и анализ показателей технологичности новых конструкций уплотнительных устройств.

Для оценки и сопоставительного анализа выбраны пять конструкций уплотнительных устройств:

-1=1 - двухсекционная кабельная переборочная коробка (рис. 2);

-1=2 - сдвоенный групповой сальник для плоской переборки (рис. 1);

-1=3 - модульное устройство компании МСТ «ВгаПЬещ» (рис. 4);

-1=4 - уплотнительное устройство ЯНМИ.3053 18.023 (рис. 3);

- ¡=5 - уплотнительное устройство ЯНМИ.305318.024 (рис. 5).

Для сравнения технологичности конструкций уплотнительных устройств по основному показателю трудоёмкости учтено следующее:

- технология изготовления деталей устройства освоена;

- коэффициент, учитывающий возможное появление неучтённых операций и работ, принят равным 1,05;

- трудоёмкость сдачи устройства службе качества принята в размере 5 % от трудоёмкости изготовления.

В соответствии с требованиями ГОСТ 14.205 предложен комплексный показатель технологичности в виде

Т

КТК; =«!—■+а2-КУГ+а3-Кс6., (1)

'■б

где аь а2, а3 — весовые коэффициенты составляющих технологичности конструкции уплотнительных устройств; ТЕ — суммарная трудоёмкость изготовления устройства, нормо-ч; Т6 - базовое значение трудоёмкости изготовления уплотнительных устройств, нормо-ч, определяемое как среднее для вышеуказанных конструкций 1=1+5 по выражению

Рис. 5

1 п

Т6 = — У"Та , Тб=73,8 нормо-ч; КУ1 - коэффициент унификации конст-п ¡=1

рукции ¡-го уплотнительного устройства; Кс6. - коэффициент сборности

конструкции ¡-го уплотнительного устройства.

Расчёты коэффициентов унификации и сборности были выполнены на основе конструкторской документации.

Значения весовых коэффициентов аь а2, а3 определены методом экс-

з

пертных оценок с учётом выражения = +а2+аз =1>0 ^ сц = 0,8;

¡=1

а2 = 0,09; а3 = 0,11.

Полученные значения комплексных показателей технологичности приведены в табл. 1.

Таблица 1

1=1 1=2 1=Ъ {=4 ¡=5

ктю = 0,9439 Ктк2 = 0,9744 Кткз = 0,7440 Кте4 = 0,9006 Кте5 =0,8710

Анализ полученных значений Ктк. показывает:

- трудоёмкость изготовления разрабатываемого уплотнительного устройства (¡=5) ниже, чем у сальников и кабельных коробок (¡=1; ¡=2), что вызвано меньшим количеством технологических операций при изготовлении, но выше, чем у устройства фирмы МСТ «ВгаНЬе^» (1=3) и устройства ЯНМИ.305318.023 (¡=4), что вызвано увеличением трудозатрат на механическую обработку и слесарно-монтажные операции;

- коэффициент унификации разрабатываемого устройства (1=5) ниже, чем у остальных конструкций, поскольку разработка является принципиально новой, не имеющей прямых аналогов на сегодняшний день;

- коэффициент сборности разрабатываемого уплотнительного устройства (1=5) ниже, чем у остальных, поэтому возможна доработка конструкции с целью увеличения использования числа стандартных элементов;

- технологичность вновь предлагаемого устройства (¡=5) уступает технологичности фирмы МСТ «ВгайЬе^» (1=3), при этом у вновь разработанной конструкции достигнут более высокий уровень противопожарной защиты, чем у конструкций, применяемых в отечественном судостроении.

Предложена оценка показателя технологичности конструкции судна при определении мест размещения уплотнительных устройств, начиная с ранних этапов проектирования судна.

Оценка включает решение задач прогноза количества и площадей переходов кабелей через непроницаемые переборки. Для решения указанных задач в соответствии с теоретическим чертежом судна, чертежами конструкций корпуса, схемами расположения помещений составляется (перечисляется) множество шпангоутов {г}; множество палуб {Ь}; множество помещений {к}; коды координат борта (ЛБ, ДП, ПрБ) - {в}.

Множества {г}, {Ь}, {к}, {б} должны быть перечислены в порядке их возрастания. Если на судне принята буквенная или буквенно-цифровая индексация, то при составлении множеств удобно перейти к цифровому коду, соответствующему упорядоченному буквенному (или буквенно-цифровому) обозначению. За начало отрезка кабеля принимается координата, соответствующая меньшему номеру (гНК; < гКК;).

Диаграмма распределения отрезков кабелей строится в табличном и графическом виде рис. 6.

Диаграммы распределения отрезков магистральных (силовых и сигнальных) кабелей вдоль продольной оси судна дают возможность оценить количество кабелей, проходящих в местах расположения непроницаемых переборок судна Нок.=гпп .

Площади переходов кабелей через непроницаемые переборки могут быть оценены на основе выражения

где ^пп - среднестатистическое значение площадей кабельных коробок, приходящееся на один отрезок кабеля, определяется эмпирическим путём, как среднестатистическое по построенным судам; I — порядковый номер шпангоута; I = гПП; ; гПП] - номер шпангоута, где размещена уая непроницаемая переборка; 1%к._г - количество кабелей, проходящих через непроницаемую переборку судна.

Разработаны требования по обеспечению технологичности конструкции уплотнительных устройств, методика оценки технологичности конструкции судна для использования на ранних этапах проектирования, а также сформулированы основные требования по технологии монтажа уплот-нительного устройства.

В главе 2 представлены результаты теоретического исследования влияния конструктивно-компоновочных параметров переборочного кабельного уплотнительного устройства на время огнестойкости.

При определении целевой функции совершенствования конструкции устройства уплотнения кабельных трасс отмечено, что конструкция устройства на системной основе должна отвечать большому количеству требований, связанных с её эксплуатацией (нормальные и аварийные условия), обеспечивая её высокое качество и надёжность, при этом технология изготовления, эксплуатации и ремонта должна быть совместимой с существующими технологиями судостроения и электромонтажа, а также варьируемой под перспективные требования вновь строящихся судов. Основными конструктивно-технологическими параметрами приняты геометрические размеры, свойства материалов деталей и заполнителей (компаунда, огнегасящего порошка), значения их толщин. Исследованиями показано, что даже незначительное изменение значений конструктивных параметров может существенно изменить качество уплотнительного устройства.

В результате теоретических исследований в подразделе 2.2 установлены динамические зависимости толщины огнегасящего материала уплотнительных устройств от параметров и показателей технологичности. В диссертационной работе получена расчётная модель, позволяющая оценить распределение температуры уплотнительного устройства (Т, °С) в зависимости от диаметров первой и второй оболочек (рис. 7).

На рис. 7 приняты обозначения: Тц — температура источника теплоты; Ть Т2, Т8, Т7 - температуры наружной и внутренней поверхностей внешней оболочки с обогреваемой и не-обогреваемой стороны; Т3, Т4, Т6, Т5 - температуры наружной и внутренней поверхностей внутренней оболочки с обогреваемой и необогреваемой стороны; X.,,

т.°с

"1 ¿2 ь «3 г,

62 »3 63 «1

© © © — © © ©

Ть

ъ <3, м

Рис. 7

Х2, Х} - коэффициенты теплопроводности

материала оболочек, среды между первой и второй оболочек и среды внутри второй оболочки; 5,, 53 — толщины первой и второй оболочки;

82 - толщина слоя среды между первой и второй оболочками; с12 -

внутренние диаметры первой и второй оболочек.

При этом удельный тепловой поток через многослойную плоскую стенку qn, Вт/м2, определяется соотношением

Чп =

2-(5,+53) | 2-5 ~

2-Я,

(3)

Полный тепловой поток для шаровых тел со стороны обогрева <3,, Вт, определяется по формуле

=Ч,-л;-(с11+2:51)2, (4)

где я, = а ■ (Т - Т,), Вт/м2.

Вместе с тем, в условиях стационарной теплопроводности тепловой поток <32, Вт, через обогреваемую часть сферической оболочки от (/?! + 61) до Я\ определяется соотношением

(32 .(я, +5,). (5)

Из условия равенства тепловых потоков 01 = СЬ получены выражения Я,-«-(а, +2-5,)3 =Чп-г-я-я,-(я, +5,), 2-(я,+5,)

Или для коэффициента учёта формы

д„ _ 2-(Я) +5))

Ч.

Из соотношения равенства тепловых потоков предложено расчётное выражение для значения температуры на необогреваемой поверхности Т,в, °С

Чп =41-

Т,=Т,

1 + а'-

2-5,+52 < 2-82 | 2-Я-,

Л,

ч у

-Т-а'-

2-5,+б2

2-5, 2-Я,

(6)

где а' = С,-а - коэффициент теплоотдачи, учитывающий кривизну обогреваемой части уплотнения, Вт/м2-°С.

Соотношения (3)...(6) позволили выполнить компьютерное моделирование времени огнестойкости опытного образца с использованием метода конечных элементов. Для компьютерного моделирования была использована программа Р1о\уУ15юп, для построения трёхмерной модели уплотнения — программа 8оНс1\Уогк5. Целью теплового расчёта принято определение тепловых потоков и изменение распределения температур элементов переборочного уплотнения за требуемый временной интервал.

Принципиальная схема компьютерного моделирования приведена на рис. 8.

На рис. 8 используются обозначения: 1 - кабельная трасса;

2 - уплотнительное устройство;

3 - пламя; 4 — огнетушащий порошок; 5 - судовая переборка; 6, 7 — судовые помещения; *Доп- ~ допустимая температура прогрева конструкций в смежном помещении; (:„0,к - температура в помещении с пожаром.

Рис. 8

Графики зависимости температуры от времени в точках А (граница внутренней сферы с переборкой) и С (центр внутренней сферы) приведены на рис. 9, 10 соответственно.

Компьютерное моделирование показало, что предлагаемое конструктивное решение у плотните льно го устройства позволяет обеспечить требуемое время огнестойкости.

-и V-

/ л

г

О 1600 3200 4800 6400 8000

800 2400 4000 5600 7200

Рис. 9 — График зависимости температуры от времени в точке А

О 1600 3200 4 800 6400 8000

800 2400 4000 5600 7200

Рис. 10 - График зависимости температуры от времени в точке С

Выполненные расчёты позволили определить ограничения конструктивно-технологического характера, влияющие на условия работоспособности уплотнительных устройств, причём технологические ограничения предлагаемой конструкции уплотнительного устройства определены местом установки устройства на переборке и объёмно-планировочными решениями помещения, в котором устройство будет расположено.

На основе моделирования процессов огнестойкости с учётом расчётных значений конструктивно-технических параметров и технологических требований разработана конструкция макетного образца уплотнительного устройства, удовлетворяющая требованию огнестойкости.

С целью подтверждения теоретических результатов исследований изготовлены макетные образцы (рис. 11, 12), подвергнутые в дальнейшем экспериментальным исследованиям.

В подразделе 2.5 представлено описание опытных образцов уплотни-тельного устройства в виде макетов, созданных для проверки результатов теоретических исследований.

Глава 3. С целью исследований работоспособности конструкции уп-лотнительных устройств в условиях, приближённых к судовым, выполнены и приведены результаты экспериментальных исследований макетных образцов, как элементов противопожарной защиты.

В подразделе 3.1 приведены результаты экспериментальных исследований конструкций уплотнительных устройств как элементов противопожарной защиты.

Приведено описание программы проведения эксперимента, разработанной в соответствии с требованиями Правил Регистра, предъявляемых к конструктивной противопожарной защите, применяемой для обеспечения пожарной безопасности судов различного назначения, и резолюции ИМО А.754 (18) «Рекомендации по методике испытаний на огнестойкость перекрытий классов «А» и «В».

В подразделе 3.2 приведено описание стенда в составе: огневая печь, экспериментальная установка для работы с образцом, система автоматического контроля температуры (САКТ), сопряженная с ПЭВМ.

Разработана методика экспериментальных исследований, которая включала следующие этапы:

- подготовка образцов и экспериментального стенда к испытаниям;

- создание стандартного температурного режима в печи;

- проведение экспериментальных исследований;

- оформление результатов экспериментальных исследований. Формирование отчётных материалов выполнялось в соответствии с руководством пользователя программного обеспечения САКТ.

Приведено описание методики оценки точности экспериментальных данных. Представлены основные результаты экспериментального исследования макетных образцов, подтвердившие совпадение теоретических расчётов огнестойкости (рис. 9, 10) и фактических графиков изменения температур во внутреннем объёме и вне устройства уплотнения с обогреваемой и необогреваемой сторон.

Рис. 11. Уплотнительное устройство: 1 - наружный корпус;

2 - внутренний корпус;

3 - сальник; 4 - бонка;

5 - гнездо.

Результаты испытаний одного из образцов, полученные и обработанные с использованием системы САКТ в табличную форму, приведены в приложении 4.

а) основание с внутренними корпусами б) образец в сборе

Рис. 12

В подразделе 3.3 приведены результаты огневых испытаний макета уплотнительного устройства повышенной надёжности.

По результатам обработки результатов испытаний сделаны выводы.

1. Принятая теоретическая модель адекватна результатам проведённого натурного огневого эксперимента.

2. Результаты огневых испытаний макета уплотнительного устройства показали высокую сходимость теоретических результатов с экспериментальными данными.

3. Экспериментальные данные хорошо сглаживаются полиноминальной линией тренда (рис. 13, 14).

1000 900 800

0 700 га 600

? 500 го

& 400

1 300

О)

200

0

0 10 20 30 40 50 60

---Температура в печи Время,

--Температура на необогреваемой стенке (средняя, эксперимент)

---Температура на необогреваемой стенке (расчёт)

Зависимость изменения температуры от времени

__. —- ---- - —---

/

/

/ /-

Рис. 13

— — — — Температура на необогреваемой стенке (средняя, эксперимент) Время, МИН

-□--Температура на необогреваемой стенке (расчёт)

-•-•--Полиноминальный (Температура на необогреваемой стенке (средняя, эксперимент))

--Полиноминальный (Температура на необогреваемой стенке (расчёт))

Рис. 14

В подразделе 3.4 выполнен анализ, обоснование и выбор оптимальных конструкций уплотнительных устройств по результатам натурных испытаний с учётом расчётных значений комплексного показателя технологичности для образцов, приведённых на рис. 1 ...5.

Комплексная оценка качества выполнена на основе метода экспертных оценок. Протоколы оценок экспертов приведены в приложении 6.

Комплексная оценка качества уплотнительных устройств показала, что технический уровень разработанного уплотнительного устройства сферической формы находится выше уровня верхней границы качества (рис. 15).

1.0 Предельная граница уровня качества \

Верхняя граница уровня качества Выше уровня —«

0,8 На уровне ^^^^

0,6 -Нижняя граница уровня качества

0,4 0,2 Ниже уровня I I I I |

© © Ш © © № образца

Рис. 15

Глава 4 посвящена разработке методики проектирования уплотнительных устройств и технологии их монтажа.

В подразделе 4.1 представлена методика обеспечения технологичности конструкции судна при определении мест размещения новых конструкций уплотнительных устройств.

При определении оптимальных мест размещения уплотнительных устройств на ранних этапах проектирования судна требуется учитывать, во-первых, необходимость обеспечения заданных показателей надёжности и безопасности судовых корпусных конструкций, а, во-вторых, экономическую целесообразность внедрения разрабатываемых уплотнительных устройств. Кабели и уплотнительные устройства относятся к элементам судовых электроэнергетических систем, замена которых в период проведения заводского ремонта крайне трудоёмкая и дорогостоящая операция. Следовательно, при разработке уплотнительных устройств необходимо обеспечить срок службы, равный сроку службы судна.

Указанное требование определяет эксплуатационную технологичность изделия. Применённые в уплотнительном устройстве материалы обеспечивают требуемый цикл эксплуатации судна. Отличительной особенностью вновь разработанного устройства является наличие огнетуша-щего порошка, который должен быть заменён при размещении судна в заводской ремонт.

Для определения площадей переходов кабельных трасс через непроницаемые переборки до этапа разработки сетки кабельных трасс необходимо получить диаграмму распределения отрезков кабелей вдоль продольной оси. Для её построения предложена к использованию методика, рассмотренная в главе 1 диссертации. В настоящем исследовании расчёты с использованием данной методики были выполнены для подводной лодки проекта 877ЭКМ. Полученные результаты приведены на рис. 6.

Площадь переходов кабельных трасс через прочные переборки также определена по вышеупомянутой методике. Уточнены среднестатистические значения площадей кабельных коробок, приходящиеся на один отрезок кабеля, при использовании предлагаемого уплотнительного устройства сферической формы. Выполненное сравнение площадей размещения уплотнительных устройств различных конструкций показало, что применение уплотнительного устройства сферической формы обеспечивает уменьшение площади выреза на 5,16 %, что подтверждает обеспечение технологичности конструкции судна.

В процессе определения конструктивных характеристик предлагаемого уплотнительного устройства были решены следующие задачи:

- определение радиуса внутреннего корпуса;

- расчёт критического давления для внутреннего корпуса;

- определение радиуса внешнего корпуса.

В основу расчётов заложена модель поведения уплотнительной конструкции во время и после пожара при условии, что уплотнительная конструкция должна обеспечить непроницаемость и герметичность с проходящими через неё кабелями.

Условие прочности для внутреннего корпуса уплотнительного устройства, находящегося под наружным давлением воды, может быть записано в виде

кр = Чкр/Чнар < кт, (7)

где кр - расчётный коэффициент запаса прочности; днар - наружное давление на корпус, Па; q]ф - критическое давление, при котором происходит потеря устойчивости сферической оболочки, Па; кт - требуемый коэффициент запаса прочности, принимаемый кт = 2.

Для определения радиуса внешнего корпуса уплотнительного устройства Кь м, выполнен расчёт толщины слоя среды между первой и второй оболочками (огнетушащего порошка) 52, м. Для расчёта использована формула (6), преобразованная к виду

~т8 X, - Х2__

62=-

(8)

Т-Т, +Х2) Х2 Х1+Х2

В подразделе 4.2 рассмотрены вопросы технологии монтажа устройств уплотнения. Для отработки технологии монтажа уплотнительного устройства была разработана инструкция, которая была применена при монтаже опытных образцов. Укрупнённая схема сборки устройства с одной стороны переборки приведена на рис. 16 а)...ж).

Я?) |

1.У

а)

В)

ж) Рис. 16

Технологический процесс монтажа существенно не отличается от принятой технологии монтажа кабельных коробок и сальников.

Операции по вскрытию вырезов, обработке кромок, доработке корпусов устройств под конкретную схему прокладки кабелей выполняются аналогично операциям с существующими уплотнительными устройствами. Применение силиконовых герметиков также не вносит принципиальных изменений в технологию герметизации. Технологии прокладки кабелей, сборки уплотнительных устройств полностью совместимы с принятыми технологиями на судостроительных заводах и электромонтажных предприятиях.

Отличием является появление операции по засыпке огнетушащего порошка, которая может быть сложно выполнимой при установке устройства в условиях затеснённого пространства на судне. При ограниченном доступе к устройству данную операцию необходимо выполнять в соответствии со схемой засыпки, приведённой в технологической инструкции на монтаж уплотнительного устройства.

В подразделе 4.3 представлены основные результаты внедрения в практику проектирования судов и монтажа уплотнительных устройств. Результаты выполненного анализа показали, что при лучших технических показателях с использованием предлагаемых уплотнительных устройств получены сопоставимые технологические параметры (трудоёмкость монтажа, потребления топливно-энергетических и материальных ресурсов).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящий автореферат полностью отражает содержание диссертации. Результатом выполненного диссертационного исследования является создание на системной основе новой конструкции устройств уплотнения судовых кабельных трасс, обеспечивающей лучшие функциональные качества и технологичность по сравнению с используемыми в отечественном судостроении сальниками и кабельными коробками.

На основании выполненных в диссертационной работе исследований получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Выявлены определяющие конструктивно-технологические параметры, влияющие на процесс теплопередачи через уплотнительное устройство и технологичность конструкции при изготовлении и монтаже на судне:

- конструкция из двух корпусов (внешнего и внутреннего) сферической формы;

- величина толщины и физико-химические свойства огнегасящего материала, препятствующего распространению пламени;

- величины толщин стенок и радиусов наружного и внутреннего корпусов;

- количество, диаметр, материал изоляции уплотняемых кабелей;

- способ крепления уплотнительного устройства на переборке.

2. Установлены основные показатели, обеспечиваемые при использо-

вании вновь созданной конструкцией уплотнительного устройства:

- время огнестойкости;

- срок службы (полный, до ремонта);

- дымонепроницаемость;

- безотказность;

- допустимое внешнее давление (при взрывах и затоплениях);

- технологичность конструкции в процессах изготовления, монтажа на судне, эксплуатации и ремонта;

- технологичность конструкции судна при размещении уплотнитель-ных устройств на непроницаемых переборках.

3. Выполнен анализ, классифицированы основные объекты и используемые технологические процессы, являющиеся источниками повышенной пожарной опасности на судне:

- наличие достаточного для возникновения и развития пожара количества горючих веществ, источников воспламенения и окислителя из атмосферного воздуха;

- возможность распространения пожара за пределы помещения.

4. Разработана теоретическая модель, описывающая процесс распространения и передачи теплоты через уплотнительное устройство при пожаре.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оценки времени огнестойкости в зависимости от значений толщины огнетушащего материала.

6. Совпадением результатов экспериментальных исследований макетных и опытных образцов уплотнительных устройств с теоретическими оценками (погрешность не более 5 %) подтверждена достоверность разработанных теоретических положений.

7. На основе полученных решений уравнений теплопроводности, теплопередачи и компьютерного моделирования определены ограничения конструктивного и технологического характера, влияющие на работоспособность уплотнительных устройств. Определена связь между показателями технологичности и конструктивными параметрами устройств.

8. Выявленное влияние толщины огнегасящего материала на время огнестойкости, ограничения конструктивно-технологического характера, установленные связи конструктивных параметров с показателями технологичности позволили разработать методические рекомендации для проектирования оптимальной конструкций уплотнительных устройств.

9. Выполненная оценка количества кабелей, проходящих через непроницаемые переборки судов (на основе диаграмм распределения кабелей вдоль продольной оси судна), предложенная оценка площади, необходимой для размещения сферических уплотнительных устройств положены в основу обеспечения технологичности конструкции судна в процессе решения названной задачи. Разработанные предложения рекомендованы для использования при проектировании, начиная с ранних этапов.

10. Разработана технология монтажа уплотнительного устройства на судне, совместимая с существующей технологией судостроительных и электромонтажных работ.

11. Выполнено технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения разработанных уплотнительных устройств для судовых «отсеков-убежищ». Полученные результаты предлагаются для дальнейшего нормативного обеспечения процессов проектирования уплотнительных устройств.

12. Сопоставительный анализ качества, выполненный на основе метода экспертных оценок, показывает преимущества вновь созданной конструкции уплотнительного устройства (KTj = 0,962, максимальный для пяти образцов, включая один образец зарубежной компании МСТ «Brattberg»).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Герман Г.В., Попов C.B. Конструктивно-компоновочные решения по повышению пожарной безопасности судовых переборочных уплотнительных конструкций для прокладки кабельных трасс // Естественные и технические науки. № б (56) - М, 2011. ISSN 1684-2626. С. 385-390 (автор - 50 %).

2. Попов C.B., Герман Г.В. Учёт требований пожаростойкости на предпроектных стадиях создания кабельных уплотнительных устройств на судах // Судостроение. № 6. СПб, 2011. С. 39-41 (автор - 50 %).

Публикации в других изданиях:

1. Попов C.B., Салыкин О.М., Матвиенко С.И. и др. Разработка новых типов уплотнительных конструкций для повышения пожарной безопасности кабельных трасс в гермопроходах и отсеках судов и плавсредств различного назначения // Сборник научных трудов НИПТБ «Онега». Выпуск 2 (3). Северодвинск, 2005. С. 60-66 (автор - 30 %).

2. Миньков В.И., Попов C.B., Салыкин О.М. и др. Система автоматического контроля температуры на базе универсального микроконтроллера с цифровым выходом для проведения исследовательских испытаний с уплотнительными устройствами // Сборник научных трудов НИПТБ «Онега». Выпуск 2 (3). Северодвинск, 2005. С. 74-82 (автор - 25 %).

3. Федоровский К.Ю., Бурков Д.В., Свириденко И.И., Попов C.B. Повышение пожарной безопасности кабельных трасс в гермопроходах помещений и отсеков // Тезисы докладов научно-практической конференции «Проектирование, постройка и эксплуатация средств океанотехники», секция «Неразрушающие методы контроля и технической диагностики в судостроении и судоремонте». Северодвинск, 2005. С. 111-114 (автор -25 %).

4. Салыкин О.М., Попов C.B., Данилин A.A. Перспективы внедрения новых типов уплотнительных конструкций для повышения пожарной безопасности кабельных трасс в судостроении // Сборник докладов научно-практической конференции «100 лет подводному флоту» часть 1, 2. Северодвинск, 2005. С. 42-47 (автор - 40 %).

5. Матвиенко С.И., Салыкин О.М., Миньков В.И., Попов C.B. Защитные уплотнительные устройства для повышения пожарной безопасности кабельных трасс в местах их прохода через герметичные отсеки // Межотраслевая научно-практическая конференция «Военное кораблестроение России». Подводное кораблестроение в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы. Материалы конференции. ФГУ «1 ЦНИИ» Минобороны России. СПб, 2006. С. 386-391 (автор - 30 %).

6. Салыкин О.М., Попов C.B., Матвиенко С.И. и др. Защитные устройства для повышения надежности и безопасности кабельных трасс в местах их прохода через герметичные отсеки // Технология судоремонта. № 2. СПб, 2006. С. 31-33 (автор - 30 %)

7. Салыкин О.М., Попов C.B., Матвиенко С.И. и др. Повышение надежности и безопасности кабельных трасс в местах их прохода через герметичные отсеки за счёт разработки и внедрения новых типов переборочных уплотнительных устройств // Сборник научных трудов НИПТБ «Онега». Выпуск 4. Северодвинск, 2008. С. 37-46 (автор - 25 %).

8. Салыкин О.М., Попов C.B., Данилин A.A., Хаванов В.А. Повышение пожарной безопасности кабельных трасс в гермопроходах и отсеков морской техники // Сборник трудов НИПТБ «Онега». Выпуск 5. Северодвинск, 2010. С. 91-95 (автор -40 %).

9. Матвиенко С.И., Попов C.B., Пешков В.Г., Пшеницын A.A. Компьютерное моделирование тепловых полей уплотнительных конструкций кабельных трасс в местах прохода через герметичные помещения // Сборник трудов НИПТБ «Онега». Выпуск 6. Опыт разработки проектной документации. Северодвинск, 2011. С. 71-78 (автор-25 %).

10. Куликов К.Н., Матвиенко С.И., Попов C.B., Герман Г.В. Проектирование кабельных переборочных уплотнений повышенной надёжности для подводных аппаратов // Материалы четвёртой всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана», 3-7 октября 2011. Владивосток. ISBN 978-5-8044-1244-2. С. 84-88 (автор - 40 %).

10. Попов C.B. Устройство уплотнительное. Оценка уровня качества. Научно-технический отчёт ЯНМИ.305318.024Д1. Северодвинск, 2011. ОАО «НИПТБ «Онега». 25 с. Инв. № 93398. (автор - 100 %).

11. Попов C.B. Устройство уплотнительное. Моделирование термических испытаний. Научно-технический отчёт ЯНМИ.305318.024Д2. Северодвинск, 2011. ОАО «НИПТБ «Онега». 25 с. Инв. №93399. (автор -100 %).

Объекты интеллектуальной собственности:

12. Пат. 55217 Россия, МПК7 Н0203/00. Устройство для группового прохода кабелей через переборку // Салыкин О. М., Попов С. В., Минь-ков В. И. и др. Заявитель и патентообладатель ФГУП «НИПТБ «Онега». Северодвинск, 2006. № 2006100323/22. Бюл. №21.2 с. (автор - 30 %).

Изд-во ФГБОУ ВПО СПбГМТУ, Лоцманская 10 Подписано в печать 02.05.2012. Зак. 4357. Тир. 70. 1,1 печ. л

Введение.

Глава 1. Анализ существующих методов и конструктивных решений уплотнительных устройств кабельных трасс.

1.1. Анализ и оценка аварийных ситуаций при пожарах на судах.

1.2. Существующие конструктивные решения устройств уплотнения кабельных трасс судовых помещений. Достоинства, недостатки.

1.3. Анализ и выявление основных факторов, влияющих на работоспособность устройств уплотнения кабельных трасс.

1.4. Параметры и показатели работоспособности и технологичности конструкций устройств уплотнения кабельных трасс.

1.5. Выводы. Цель и задача исследований.

Глава 2. Теоретическое исследование влияния конструктивно-компоновочных параметров переборочного кабельного уплотнительного устройства на время огнестойкости.

2.1. Определение целевой функции совершенствования конструкции устройства уплотнения кабельных трасс.

2.2. Установление динамических зависимостей толщины огнегасящего материала уплотнительных устройств от параметров и показателей технологичности.

2.3. Компьютерное моделирование огнестойкости макета.

2.4. Определение ограничений конструктивно-технологического характера, определяющих условия работоспособности уплотнительных устройств.

2.5. Разработка конструктивных решений для экспериментального исследования образцов устройств уплотнения.

2.6. Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование конструктивных решений устройств уплотнения

3.1. Экспериментальные исследования конструкций уплотнительных устройств как элементов противопожарной защиты.

3.2. Экспериментальные исследования работоспособности опытных образцов уплотнительных устройств.

3.3. Результаты огневых испытаний уплотнительного устройства повышенной надёжности.

3 4 Анализ, обоснование и выбор оптимальных конструкций уплотнительных устройств по результатам испытаний

3 5 Выводы

Глава 4 Разработка методики проектирования уплотнительных устройств и технологии их монтажа

4 1 Методика обеспечения технологичности конструкции судна при определении мест размещения новых конструкций уплотнительных устройств 108 4 2 Отработка технологии монтажа устройств уплотнения 119 4 3 Внедрение результатов исследований в практику проектирования судов и монтажа уплотнительных устройств 127 4 4 Выводы

Необходимость повышения безопасности плавания для исключения или сокращения травм и гибели членов экипажа и пассажиров судов, кораблей и морских сооружений (далее -судов) - актуальная проблема судоходства во всём мире. Аварии на судах приводят к значительному ущербу и способны вызвать экологические катастрофы регионального масштаба.

Оценка относительных объёмов аварийных ситуаций на судах по причине пожаров и взрывов в составе других видов аварий (повреждений корпуса, повреждений судовых систем и устройств, затоплений) показывает их значительную долю (до 14,4 %). При этом на 100 аварийных случаев приходится до семи катастрофических исходов с гибелью судов.

Основными причинами возникновения пожаров на судах является наличие большого количества материалов, склонных к горению, источников возгорания, способствующих воспламенению горючих материалов, наличие в воздухе судовых помещений окислителя - кислорода.

Архитектурно-конструктивные и технологические особенности судов - сложных инженерных сооружений способствуют возникновению и развитию пожаров.

Повышению пожарной безопасности на судах посвящено множество работ [1-5]. Однако новые конструктивные, проектные, организационно-технические решения, использование новых негорючих материалов не в полной мере позволяют решить обозначенную проблему.

Огнестойкость судового оборудования непосредственно связана с надёжностью его работы и определяет все виды затрат на этапах нового строительства, эксплуатации, ремонта и модернизации До настоящего времени решение задачи повышения огнестойкости не рассматривалась во взаимосвязи с повышением технологичности.

Увеличение энергонасыщенности судов приводит к непрерывному увеличению мощности судовых электроэнергетических систем, росту протяжённости и объёмов кабельных трасс. Короткие замыкания в сетях электроснабжения, увеличение мощности потребляемой электрооборудованием, нарушения режимов его эксплуатации, увеличения тепловыделения при генерировании, преобразовании, передаче и потреблении электроэнергии, использование горючих электроизоляционных материалов - эти и другие факторы приводят к снижению пожарной безопасности при работе судовых систем и носят случайный характер воздействия.

Масса кабелей судовых электросетей по отношению к массе всего электрооборудования достигает 45 %, а суммарная протяжённость кабелей на современных судах превышает сотни километров. Обеспечение нормальной эксплуатации таких сетей приводит к необходимости увеличения числа и площади устройств уплотнения проходов кабелей через непроницаемые переборки и палубы, снижая технологичность проектных решений Пожары, возникающие в результате загорания кабелей, причиняют огромные убытки и выводят судно из строя на длительное время или приводят к его гибели. Для обеспечения и поддержания в течение нормируемого времени герметичности противопожарных судовых конструкций между смежными помещениями предусматриваются конструктивные мероприятия: герметичные уплотнения дверей; уплотнение мест прохода кабелей и трубопроводов.

Предотвращение распространения пламени по кабельным трассам через судовые уп-лотнительные устройства из аварийного помещения в смежные помещения является важным элементом обеспечения пожарной безопасности в цепи возникновения и распространения пожаров на судах. Учитывая возрастающие международные требования, предъявляемые к безопасности эксплуатируемых судов, на современном этапе развития судостроения недостаточно обеспечивать только лишь герметичность и теплоустойчивость уплотнительных устройств, устанавливаемых в местах прохода кабельных трасс через переборки и палубы, как это делалось до настоящего времени. Необходимо учитывать большее число факторов, оказывающих влияние на надёжность, живучесть и безопасность кабельных трасс и помещений типа «отсек-убежище», включая требования технологичности. Вопросы определения количества и площадей переходов кабелей через непроницаемые переборки судна и получение оптимальных решений по их уплотнению с учётом обеспечения требований пожарной безопасности и технологичности должны решаться на начальных этапах проектирования судна.

Недостаточная защищённость судовых кабельных трасс от воздействия тепловых и динамических нагрузок, вызванных пожарами и сопровождающими их взрывами, приводит к необходимости более широкого подхода к изучению проблемы повышения конструктивной защиты кабельных трасс от воздействия опасных факторов, сопровождающих аварии. Создание новых конструкций уплотнительных устройств прохода кабелей через непроницаемые конструкции корпусного набора связана с необходимостью повышения пожарной безопасности, обеспечения технологичности и безопасности плавания на судах.

Целью работы является повышение огнестойкости и обеспечение технологичности уплотнительных устройств судовых кабельных трасс. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить определяющие параметры, влияющие на процесс теплопередачи через уп-лотнительное устройство;

- разработать теоретическую модель, описывающую процесс теплопередачи через уп-лотнительное устройство;

- разработать методику оценки огнестойкости уплотнительного устройства на основе теоретических и экспериментальных исследований;

- решить уравнение процесса теплопередачи с учётом полученных экспериментальных данных;

- обеспечить обоснованный выбор оптимальных конструкций новых уплотнительных устройств с повышенной огнестойкостью, надёжностью и технологичностью, начиная с ранних этапов проектирования;

- обеспечить технологичность конструкции судна при решении задачи размещения уп6 лотнительных устройств;

- разработать технологию монтажа уплотнительных устройств, обеспечивающую совместимость с существующими технологиями и сокращение затрат при новом строительстве, эксплуатации и ремонте судов;

- разработать методики проектирования перспективных конструкций уплотнительных устройств и мест их размещения, обеспечивающих требуемую пожаростойкость и технологичность, для использования на ранних этапах проектирования;

- внедрить результаты диссертационных исследований в практику проектирования, монтажа, эксплуатации и ремонта новых конструкций уплотнительных устройств.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием следующих методов:

- методов теоретического исследования процессов передачи тепла через ограждающие конструкции с использованием основных уравнений классической теплопроводности и теплопередачи (стационарной и нестационарной);

- методов математического компьютерного моделирования с использованием пакетов прикладных программ FlowVision, SolidWorks, Autodesk Inventor, SURF 152;

- натурного эксперимента на макетах уплотнительных устройств по методике, разработанной в соответствии с требованиями нормативных документов по испытаниям кабельных проходок и правил классификационных обществ.

Содержание глав работы:

В первой главе выполнен анализ существующих методов и конструктивных решений уплотнительных устройств кабельных трасс. Представлены результаты анализа и оценки аварийных ситуаций при пожарах на судах. Рассмотрены требования международных, национальных и отраслевых нормативных документов к уплотнению мест прохода кабельных трасс через переборки и палубы. Выполнен анализ существующих устройств уплотнения кабельных трасс, выявлены достоинства и недостатки конструктивных решений. Определены параметры и показатели работоспособности и технологичности конструкций уплотнительных устройств. Рассмотрены вопросы прогнозирования количества и площадей переходов через непроницаемые переборки. Выполнена постановка целей и задач научного исследования.

Во второй главе выполнены теоретическое исследование влияния толщины огнегася-щего материала уплотнительных устройств на время огнестойкости. Определена целевая функция совершенствования конструкции устройства уплотнения, обеспечивающая требуемую огнестойкость. Выявлены определяющие параметры, влияющие на процесс теплопередачи через уплотнительное устройство, разработана теоретическая модель, описывающая процесс теплопередачи через уплотнительное устройство. Установлены взаимосвязи толщины огнегасящего материала уплотнительного устройства на время огнестойкости с параметрами и показателями технологичности. Выполнен прогноз времени огнестойкости уплотнительного устройства с 7 применением компьютерного моделирования. Обоснованы конструктивные решения уплотни-тельного устройства и определены ограничения конструктивного, технологического характера и условий работоспособности. Приведено описание конструкции образца уплотнительного устройства, изготовленного для выполнения экспериментального исследования.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований макетов уплотнительных устройств. Разработана программа проведения эксперимента. Приведено описание стенда для экспериментальных исследований макетов уплотнительных устройств, его характеристик. Разработана методика проведения экспериментальных исследований.

Выполнена оценка точности полученных экспериментальных данных. Проведён сопоставимый анализ результатов эксперимента и теоретических разработок. Представлены результаты огневых испытаний уплотнительного устройства повышенной надёжности. Выполнен анализ, обоснование и выбор оптимальной конструкции уплотнительных устройств по результатам испытаний.

В четвёртой главе представлены разработанная методика проектирования уплотнительных устройств и технология их монтажа. Разработана методика обеспечения технологичности конструкции судна при определении мест размещения новых конструкций уплотнительных устройств. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных мест размещения и определению площадей переходов уплотнительных устройств повышенной надёжности в процессе проектирования судов. Разработана технология монтажа уплотнительных устройств. Разработана методика определения конструктивных характеристик и материалов уплотнительных устройств. Приведены результаты отработки технологии монтажа уплотнительного устройства.

Разработана технологическая инструкция монтажа уплотнительных устройств. Представлены предложения по внедрению результатов исследований в практику проектирования судов. Проведён технико-экономический анализ целесообразности использования новых уплотнительных устройств на переборках помещений типа «отсек-убежище».

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

Научная новизна. В процессе проведённого в диссертационной работе исследования впервые получены следующие новые научные и практические результаты:

1. Выявлены определяющие конструктивно-технологические параметры, влияющие на процесс теплопередачи и технологичность конструкции уплотнительного устройства.

2. Разработана теоретическая модель, описывающая процесс распространения и передачи теплоты через уплотнительные устройства кабельных трасс на судах.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований опытных образцов разработаны модель и математические зависимости оценки (прогноза) времени огнестойкости от толщины огнегасящего материала.

4. На основе полученных решений уравнений теплопроводности, теплопередачи и ком8 пьютерного моделирования определены ограничения конструктивного и технологического характера, влияющие на работоспособность кабельных уплотнительных устройств.

5. Установлены связи между конструктивными параметрами и показателями технологичности для использования при создании оптимальных конструкций узлов уплотнения кабельных трасс, удовлетворяющих требованиям огнестойкости.

6. Предложены новые методические подходы для оценки (прогноза) количества переходов кабелей и площадей, необходимых для размещения устройств уплотнения, удовлетворяющих требованиям огнестойкости и технологичности, начиная с ранних этапов проектирования.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертационной работе результаты исследований (методика расчёта параметров уплотнительных устройств, количества и площадей переходов, технология монтажа) рекомендованы к использованию проектными организациями при проектировании уплотнительных устройств, переборок для помещений типа «отсек-убежище» для надводных судов (кораблей) и подводных аппаратов.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Диссертация выполнена в рамках Федеральных целевых программ «Национальная технологическая база России» на 2002-2006 годы (ОКР «Уплотнение») и «Развитие гражданской морской техники России» на 2009-2016 годы (ОКР «Пассив-ВПБ») и представляет собой научное обобщение результатов, полученных автором в 2005-2011 годы.

Результаты работ были использованы ОАО «НИПТБ «Онега» г. Северодвинск при проектировании судна проекта 23140 (ОКР «Технология-ЯРБ») и при разработке проектной документации на реконструкцию объекта использования атомной энергии для ОАО «ЦС «Звездочка» г. Северодвинск.

Конструкция «Устройство для группового прохода кабелей через переборку» защищена патентом Российской Федерации на полезную модель.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: межотраслевых научно-практических конференциях «Проектирование, постройка и эксплуатация средств океанотехники» (Северодвинск-2005); «100 лет подводному флоту» (Северодвинск-2006); «Военное кораблестроение России» (СПб-2006); международной конференции «Культура безопасности: практические методы управления» (СПб-2011); всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана» (Владивосток-2011).

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 98 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 143 страницах текста, включая 57 рисунков и 21 таблицу. Приложения содержат 6 разделов на 39 страницах.

Выводы:

- конструктивно-технологический анализ существующих уплотнительных устройств показывает преимущества конструкции разрабатываемого уплотнительного устройства ЯНМИ.305318.024 с точки зрения технологичности и удовлетворения требованиям нераспространения пламени;

- технический уровень уплотнительного устройства ЯНМИ.305318.024 находится выше уровня верхней границы качества (см. рисунок 28).

1,0 ® ® ® ® Рисунок 28 - Определение уровня качества

Предельная граница уровня качества

Верхняя граница уровня качества^ Выше уровня

На уровне

Нижняя граница уровня качества

Ниже уровня

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом выполненного диссертационного исследования является создание на системной основе новой конструкции устройств уплотнения судовых кабельных трасс, обеспечивающей лучшие функциональные качества и технологичность по сравнению с используемыми в отечественном судостроении конструкциями аналогичного назначения: сальниками и кабельными коробками.