автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Сроки эксплуатации причалов с учетом их физического и морального износа

РГ5 ОД 1 3 ДПР

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ' ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

НГУЕН ВАН ВИ

УЖ. 627.33

СРОКИ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПРИЧАЛОВ С УЧЕТОМ ИХ ФИЗИЧЕСКОГО И МОРАЛЬНОГО ИЗНОСА

05.22.19 -Эксплуатация водного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

. диссертации на соискание ученой степени кандидата технических, наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московской Государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: - доктор технических наук,профессор

В.Д.Костюков

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор В.П.Чирков - кандидат технических наук, доцент Е.А.Корчагин Ведущее предприятие: - Государственный проектно-изыска-

телъский и научно - исследовательский институт морского транспорта

заседании специализированного совета ВАК Российской Федерации Д.116.04.01 при Московской Государственной академии водного транспорта по адресу: 115407, Москва, ул.Судостроительная, Телефон для справок: 117-86-30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московской Государственной академии водного транспорта.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу академии ученому секретарю.

Автореферат разослан " О С " ап^хр^Ль^ 1994г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук

Защита состоится

Ю.М.Миронов

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ.

Для Вьетнама морской транспорт является самым важным и самым дешевым видом транспорта.Практически почти все внешнеторговые связи лСРВ осуществляет морским транспортом. Морской транспорт также играет большую роль и во внутренних перевозках страны, особенна в направлен™ север - юг.

Практика эксплуатации морских портов Вьетнам показывает, что узким местом являются глубины на подходах и у причалов. Наиболее тяжелое положение сложилось в парту Хайфон - самом крупном порту СРВ. В центральном районе порта в период с 1967 по 1982 год ашга построены и реконструированы 11 причалов типа больверк. По проекту глубины у причалов должны были составлять 8.7 м, фактические глубины составляют 5-7 метров.

Расчеты вьетнамских специалистов показывают, что существующий грузовой транспортный флот в ближайшие года будет списываться и заменяться судами большей грузоподъемности и соответственно с большими размврениямм.

Также почти во всех портах Вьетнама краны и другое погру-зочно - разгрузочное оборудование устаревают и имеют низкую производительность. Обработка судов р. настоящее время выполняется судовыми стрелами в 70Ж случаев и кранами - 30%.

Из изложенного следует, что современное состояние портов и перспективы развитая морского транспорта СРВ требуют принципиального изменения расчетов и проектирования, а такхе планирования капитального ремонта, реконструкции и нового строительства портовых причальных сооружений во

Вьетнаме.

Учитывая это можно сделать следующий вывод: с теоретической и практической точек зрения наиболее существенным вопросом в расчетных: методах остается разработка метода расчета причальных сооружений, позволяющего определить временной ресурс сооружения. Эта проблема является также важной и для случаев увеличения глубин и повышения нагрузок на причалы с использованием резервов их несущей способности, В 8тих задачах умение определить остащийся срок службы является решающим.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ.

Целью диссертационной работы является разработка методики учета фактора времени в расчетах эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений. За основу взяты причальные сооружения типа больверк - основной тип конструкций в Хайфонском порту.

В диссертации основное внимание было уделено решению следупцкх задач :

Г.Анализу состояния вопроса учета времени в расчетах портовых гидротехнических сооружений;

2.Разработке методических основ учета времени в расчетах надежности причальных сооружений;

3.Разработке модели расчета причалов типа больверк на надежность с учетом их физического и морального износа;

4.Изучению коррозионного износа металлических несущих элементов причалов;

5.Определению фактической долговечности причала с учетом морального и физического износа на примере причала N2 в

Хайфонском порту.

НАУЧНУЮ НОВИЗНУ ДИССЕРТАЦИИ СОСТАВЛЯЮТ :

1.Экспериментальные результаты и аналитические ■<■ исследования вида и скорости коррозионного износа металлических несущих элементов причалов; . .

2.Моделирование методом Монте-Карло законов распределения скорости коррозионного износа шпунтовых, и других свай;

3.Разработка методики определения эксплуатационной надежности причалов с учетом их физического и морального износа;

4.Расчет ресурса времени эксплуатации реального сооружения ( причал N2 в Хайфонском порту ).

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ДИССЕРТАЦУШ.

Настоящая диссертация вносит определенный вклад в решения , вопроса о времени безаварийной эксплуатации причального сооружения. На данной стадии изучения вопроса можно лишь сделать оценку срока службы сооружения, но и такой результат является важным для специалистов - эксплуатационников.

Основным практическим достижением диссертации является возможность оценки срока службы причала при известном коррозионном'или моральном износе .

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения работы доложены на заседании кафедры "Порты, портовые сооружения, основания и фундаменты" Московской Государственной академии водного транспорта в 1991-1994 годах, а также на научно-технической конференции Вьетнамского Высшего Инженерного морского училища в марте 91г. структура и овъта ракоты.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов, списка литература и приложений.

Работа изложена на 16 О страницах машинописного текста , содержит 36 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена краткая характеристика выполненной работы, обоснована актуальность рассмотренной темы, даны цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведен аналитический обзор работ, ссвещащих вопросы учета времени в расчетах и проектировании портовых гидротехнических сооружений, причины физического и морального износа причалов, определена актуальность проблемы эксплуатационной надежности причалов с учетом их физического и морального'изнйса для портов Вьетнама.- Показана условность и недостаточная точность нормирования сроков службы конструкций морских портовых гидротехнических сооружений в действующих нормах.

Анализ расчетных методов также показал, что в проектной практике расчет сооружений с учетом временного параметра не производится.

В то жз время исследования Болотина В.В., Костюкова В.Д., Еудкна А.Я., Горюнова Б.Ф., Гуревича В.В., Кузнецова В.В., Ркакицьша А.Р. и некоторых других ученых показали большое влияние учета времени в расчетах сооружений. При этом, основную роль играют такие показатели как сроки физического и морального износа сооружений.

Кроме того, в первой главе рассмотрен современный детерминистический подход к расчету сооружений и предпосылки к

использованшо вероятностного метода расчета. Многие исследователи показали, что абсолютное большинство расчетных параметров являются случайными величинами. Поэтому , начиная с пятидесятых годов, ' наметился переход к расчетам конструкций методами теории надежности.

Надежность конструкции - это вероятность ее безотказной работы в течение времени эксплуатации, то есть в самой идеологии этого метода заложена идея использования фактора времени как одного из выходных расчетных показателей проектируемого сооружения.

В портовой гидротехнике развитию этого подхода к проектированию причальных сооружений посвящены работы Костюкова В.Д., Самарина В.Ф., Школы A.B., Драненко H.H., Кузнецова В.Б.

На основе изложенного в главе определена актуальность и поставлена цель разработать подход и дать основы методики расчета надежности причальных сооружений с учетом их физического и морального износа.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке методики учета фактора

времени в расчетах причальных сооружений. Для этого использованы

методы теории вероятностей и теории надежности, поскольку они

учитывают не только изменчивость нагрузок на сооружения,

.»

статистические свойства расчетных показателей строительных материалов и грунтов, но и дают картину изменения прочности конструкции во времени.

В 2.Г. дана блок-схема предлагаемого расчета конструкции причала с учетом его физического и морального износа (Рис.!).

Основная идея, заложенная в предлагаемой моделе расчета, заключается в том, чтобы временной фактор взести в расчетные

процедуры в виде самостоятельного оператора.

Рис.1.Блок-схема расчета конструкции причала с учетом физического износа

Порядок расчета конструкции имеет следующую последовательность:

Определяется зависимость надежности Р1 отдельных несущих элементов от их сечений и размеров 14, (Р1 = г);

2.С учетом последовательности и характера соединения несущих элементов в конструкции определяется надежность сооружения Р, в зависимости от надежности составляющих его элементов Рь (Р. =

3.Для несущих элементов, подверженных коррозионному износу, определяется надежность ри в зависимости от срока эксплуатации сооружения :{Рн = *(1и));

.4.На основании предыдущих процедур определяется основная зависимость надежности Р, всей конструкции в целом как системы от срока службы сооружения тв ,(р, = )), по которой можно

определить как суммарную продолжительность службы сооружения т,, так и остаточный временной ресурс причального сооружения.-

Отличительной чертой предлагаемой модели учета фактор? времени в расчетах конструкций причалов является обобщенны! показатель надежности сооружения Р.. Известно, что I существующих расчетных методах используется поэлементное нормирование запасов прочности сооружения, что не позволяв"] сделать более достоверной оценку состояния причала I эксплуатационный период.

В разделе 2.2. рассмотрен принцип обусловленности общей надежности Р, причального сооружения надежностью составляющие его элементов Р1. Совокупность Р1 определяется на основе анализ« несущих элементов и структуры причальных сооружений, выявления перечня возможных отказов. Порядок реализации сформулированного принципа дан на примере причального сооружения типа больверк с анкеровкой в одном уровне. Возможные типы отказов несущих элементов конструкции показаны на рис.2.

Анализ видов отказов показывает (Рис.3), что почти каждый из них приводит к полному или частичному нарушению эксплуатации причального сооружения.

Вероятность сохранения от разрушения 1-го элемента конструкции составляет

Р1 = Р(»1 >31), ( £ )

где N1 - несущая способность 1-го элемента;

- нагрузка в 1-м элементе, вызываемая совокупностью внешних нагрузок.

Вероятность сохранения конструкции, состоящей из отдельных последовательно соединенных элементов, определяется зависимостью

Р. = П Pi . ( 2 )

¡=i

рЗ ■

отказов с нарушением эксплуатации причала

В разделе 2.3.получены зависимости надежности Р1 несущего элемента конструкции от его размеров Несущая способность элемента является функцией прочностных свойств п материала конструкции и его геометрических размеров , При этом оба параметра являются независимыми случайными величинами.

В случае'нормального распределения несущей способности N1 и нагрузки аргумент распределения прочности и нагрузки определяется выражением

§! -

21 = ГГГГГГГ^Г < 3 )

/ О?! + О?!

Гарантия неразруппмости Г^ составляет:

^ = Р; = £ - ф (2Х). ( 4 )

Зависимость Р1 = Ц ) определяется двумя методами : методом статистических. испытаний и аналитическим_ методом линеаризации (или обобщенным методом семиинвариантов). В диссертации принят следущий подход. Методом статистических испытаний определяются входные параметры осноеных несущих элементов конструкции (то есть внешние нагрузки и воздействия) и параметры реакции системы на эти нагрузки для лицевой стенки и анкерных тяг в виде параметров распределения пролетных моментов в шпунте ж усилий в анкерных тягах. После этого ■ методом линеаризации определяется зависимость р£ = И( ) для шпунта и анкерных тяг, определяющих долговечность сооружения.

В разделе 2.4. разработан метод статистического моделирования по определении вероятности неразрушимости конструкций причалов типа больверк.

В качестве моделируемого события принимается событие А, состоящее в наступлении предельного состояния несущего элемента,

<2 - вероятность его реализации. Величина Х1 = I, если событие А

имеет место, и XI = 0, если событие А отсутствует. Производится

серия N независимых испытаний всэй конструкции в целом, в кавдом

из которых возникает одно из возможных значений X. Число

реализаций события А составляет I = ЕХ£. После завершения

1=1

цикла из N испытаний вычисляется фактическая вероятность

неразрушимости системы и отдельных ее несущг влеменгов

I Ьг

Р = 1----; Рх = 1----------( 5 )

к н

Для нормального распределения при трехсигмовом пределе

число испытаний составляет:

н = ( 6 )

О а3

где а - максимальная относительная ошибка. • .....

Принимая точность расчета а = 5% при вероятности отказа

конструкции ч = 0.05 число испытаний получим равным N = БЗ 400.

В качестве примера на рис.4 приведены результаты статистического

моделирования прочности конструкции причала типа больверк.

В раздзлеах 2.5 и 2.6 определена надежность несущих

элементов, подверженных коррозионному износу - лицевой стенки

и анкерных тяг и в расчетные формулы надежности введено время.

Для этого использован метод линеаризации функций случайных

аргументов. Математическое ожидание функций прочности лицевой

стенки и анкерных тяг равно детерминированным функциям при

подстановка математических ожиданий случайных аргументов.

Так для лицевой стенки условие прочности через I лет

коррозионного износа

= Я» 5Т - М„ > 0, ( 7 )

где V?! - математическое ожидание момента сопротивления лицевой

ГИСТОГРАММЫ (ось У-частота:цена деления- 40); П1= 2Ш nit= 132 Йнх. рещия(Нач.22.88 наг 7,00) ■ - Изгиб. монен т (II ач. 18.80 шаг 3,880)

птгптттгптггпт

" * -"

ТгН!Т"ГНт"гггтт*п тттгт-

Проч по лиц стенхе(Нач.38,В8 иаг18,88) Проч по ан аст.(Нач.54,08.иаг28,80)

тт-гггР

-1 4--

стенки через г лет эксплуатации причала 6т - математическое ожидание предела текучести шпунтоеой

стали; '". л

М„ - математическое ожидание пролетного момента, полученное из статистического моделирования.

Значение получено в следущем виде

3 Е

Щ = 2.381 {и» - а.т[Ъ(---~3 - v1 + и у i) +

V3 1?

+ __—___(-------+ V» I5 + ьИ 1)1>, ( а )

Ь, + V I 3

где И!0- математическое ожидание начального значения момента сопротивления шпунта; V - математическое ожидание скорости коррозионного износа шпунта; - • ' - -

ъ^ъ, ь, 1ч - параметры шпунта; I - продолжительность эксплуатации сооружения. Дисперсия момента сопротивления шпунта с учетом его коррозионного износа за период эксплуатации ъ составляет в« = (2.381)а «и + (0.7ъ)а съ - 2 v 1; +

Ь

+ ь , + ъ, ^

(Ь, + V И3

+ [0.7ъуьа (1 - в* + [0.7ь, па *

зЪа

(К, + П)а

где Вуо, л», вк, вк1 - дисперсии соответственно начального момента сопротивления, скорости коррозионного износа и

размеров h и ht шпунта

Дисперсия функции случайных аргументов несущей способности шпунта составляет

сип» = w* dcjt + 5х2 d„ ( 10 )

где dcft , d, - дисперсии соответственно предела текучести и момента сопротивления шпунта лицевой, стенки. Подставив значения в ( 3 ) получим гарантии неразрушимости шпунта лицевой стенки через \ лет эксплуатации причала

Г = £ - Ф(-г-JkL^Sí-sx----). ( íi )

г

Аналогичным способом получена зависимость надежности анкерных тяг от продолжительности эксплуатации причала

Rtttt - 0.785 ÖT <d„ - 2V*t)2 i -Ф1----—zzzzzzzzzzzzzzz-------->» ( 12 )

Г I Din + Díctj

где Ra - анкерное усилие;

í„ - расстояние мевду анкерами; d0 - диаметр анкерной тяга при 1 = 0; 1Х - скорость коррозионного износа аысера;. ■ Dia. Di(t) - дисперсии соответственно анкерного усилия и прочности анкерной тяги зо времени. График изменения надежности анкериых тяг во Еремени представлен на рис.5.

В ТРЕТЬЕЙ - ГЛАВЕ рассмотрены методика л результаты исследований коррозионного износа 'металлических свай разной формы, применяемых в портовом гидротехническом строительстве. Ряд фактических данных по коррозионному износу

металлоконструкций был изучен по литературным источнике авторским правом Гипроречтранса, В.Д.Костюкова и других автс указанных в списка литературы в диссертации.

Рис.5.График изменения надежности анкерных тяг во времени За количественную характеристику износа шпунта в попер< сечении принят момент инерции той части сечения, ко1 заключена мезду поверхностью до и после коррозии, вклич, общую и язвенную коррозию (рис.6):

= 1о8щ(1) + 1язвШ ,( )

Учитывая, что коррозия шпунта происходит как в стенках и в полках, (£3) мошо записать, взяв за основу коррозию Т( полок

1корс*| = 1.4( 1о8»<и + ) ( 14 )

Тогда математическое ожидание и дисперсия момента ин поперечного сечения шпунтовой сваи за счет коррозии :

1(4) = Х-он - 1.4 - 1.4 I»..,,,, ( 15 )

0|„ом + 0[овж(1) ♦ Сизв(\)> ( 16 )

М

X X

Рис.б.Схема для расчета момента инерции:

a)для выпуклой части шпунта;

b)для вогнутой части шпунта

где Ihoh - математическое ожидание момента инерции шпунта для номинальной толщины полки и стенок с учетом допусков;

12б«(и» Е|овв, 1яавct)> - математические ожидания и

дисперсии моментов инерции площадей полок шпунта, потерянных в результате общей и язвенной коррозии.

Величины математических ожиданий и дисперсий общей коррозии определяются по данным наблвдений достаточно просто. Для определения 1Я„, ъ при обработке профшшограмм шпунта необходимо получить величину г0, то есть для вычисления величины l«3»ct) и Di»»» достаточно произвести вычисление математического ожидания Y0 по множеству реализаций.

Во Вьетнаме главными причинами интенсивных коррозионных повреждений являются неблагоприятные климатические условия и большие приливо-отливные колебания уровня воды.

Обследования причалов И1 и 2 Центрального района в порту Хайфон, проведенные автором в £990 г., показали, что после 9-Í2 лег эксплуатации причалов их основные несущие элементы оказались сильно поврежденными.

Результаты обследования показали, что в Центральном районе порта Хайфон средняя скорость коррозии металлического шпунта в подводной зоне составляет 0.£2 - 0.2Q мм/год, а в зоне переменного горизонта - 0.30 - 0.40 мм/год.

В связи с большим разбросом значений скорости коррозии металла в разных морских бассейнах, в диссертации проведено статистическое моделирование значений скорости коррозии от 0.0£ до 0.40 мм/год. Результаты статистического моделирования скорости коррозии стального шпунта и значений момента сопротивления шпунта Ларсен V приведены в приложениях £ и 2 в

-1 9-

диссертации.

На основании анализа и обработки полученных в третьей главе результатов исследований мопно сделать следующие вывода:

Г.Характер и скорость коррозии металлоконструкций портовых гидротехнических сооружений зависит главным образом не только от естественных условий конкретного морского бассейна, но и от места расположения зоны коррозии к уровню вода;

2.Коррозионный износ обычно содержит в себе два вида повреждений: общую и язвенную, значение язвенной коррозии для прочности конструкции п большинстве случаев значительно;

3.Интенсивность коррозии металлоконструкций в основном распределена по закону, близкому к нормальному;

4.Статистическое моделирование параметров скорости коррозии является эффективным средством для определения ее статистических свойств.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена расчету долговечности и определению остаточного ресурса времени эксплуатации причала N2 в Хайфонском порту. В качестве расчетной схемы конструкции принята схема, представленная па рис.7. При этом одновременно учитывалась необхода/ость изменения параметров причала, а именно:

1.Необходимость в повышении эксплуатационной' нагрузки на 1тс/м2;

2.Необходимость увеличения глубины у причала на 0.5

метра;

3.Одновременное увеличение нагрудки на 1 тс/м2 и глубины у причала на 0.5 метра.

Расчеты проведены методом Монте-Карло, были определены

статистическив параметры анкерной реакции, изгибающего момента, прочности шпунта и анкерной тяги.

0-4

**60 111111111

'160

<090

-670 —1 №

ЛЭ

-га оо

Рис.7.Расчетная схема причала N2 На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы( Рис.8):

—1 1Р1 09

од ат ов

4 - г

Л

г о

к

40

Рис.8.Зависимость надежности от морального износа

р

ое

07 ...................:....................;....................;....................;

ое -;-;-:-;— I

го х

Рис.9.Изменение надэкности несущих элементов больверка во времени: 1 - анкерных тяг; 2-лицевой стенки

рв

1

1 1 ^

1 1 1 1 1 1

.........Т........ 1 1 ....................:........Т......... 1 1 » *

го зо *о

Рис.10.Зависимость надежности конструкции в целом от времени эксплуатации причала

1.Долговечность причала Н2 в Хайфонском порту по коррозионному признаку при допускаемой надежности ш = 0.95 составляет 41 год;

2.В случае повышения эксплуатационной нагрузки на территории причала на í тс/м8 срок службы причала сокращается до 34 лет, в случае увеличения глубины у кордона на 0.5 метра срок службы сооружения сокращается до 13 лет;

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I .В связи с отсутствием метода расчета портов'^х гидротехнически! сооружений, учитывающего время в явном виде, разаработка метода расчета долговечности строительных конструкций является актуальной.

2.В качестве расчетной модели для разработки метода расчета сооружений с учетом их физического и морального износа принята вероятностная модель, позволяющая изучить явление в широком диапазоне возможных состояний конструкции.

3.Математическое моделирование коррозионного износа и несущей способности причала позволили получить основные решения, учитывающие влияние времени на надежность конструкции.

А.Полученные в работе результаты позволили производить практические расчеты на конкретных объектах. Методика может бить использована в проектной практике для сценки состояния сооружения в конкретных условиях эксплуатации.