автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Учет влияния запасов прочности пластин на закономерности их коррозионного изнашивания при проектировании корпусов судов

КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ - (\ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Р\ Ь

- ДО

На правах рукописи

ЛЕЩИНСКАЯ Галина Иосифовна

УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ ПЛАСТИН НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ КОРРОЗИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОРПУСОВ СУДОВ

Специальность 05.08.03 Проектирование и конструкция судов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Калининград, 2000

Работа выполнена в Калининградском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент А.А. Осняч.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Г.В. Бойцов

кандидат технических наук, доцент А.В. Кикот

Ведущее предприятие:

АО конструкторское бюро ПСЗ «Янтарь»

Защита состоится 27 декабря 2000 года в часов на заседании диссертационного совета К. 117.05.02 Калининградского государственного технического университета (236000, Калининград, Советский проспект, 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ

Автореферат разослан.ноября 2000г.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., доцент

В.П. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изнашивание корпусов судов в процессе их эксплуатации, необходимость прогнозирования времени, места и скорости опасного разрушения элементов конструкции- проблемы важные для проектирования судов. Без их решения невозможно оптимизировать распределение металла в составе корпуса, сократить потребность в ремонтах, повысить эффективность использования флота.

Главную роль в изнашивании корпусов судов играют коррозионные разрушения и, особенно, местная коррозия настилов и обшивок. Наибольшие материальные затраты и потери эксплуатационного времени из-за простоев судов в ремонте связаны для многих судов с заменами изношенных листовых элементов, в том числе, изношенной наружной обшивки.

Нет сомнения, что скорость проникновения коррозионных разрушений должна быть связанна с некоторыми главными эксплуатационными факторами. Они определяют зоны локализации и интенсивность разрушений пластин. К сожалению, сложность процессов, идущих, например, на наружной поверхности обшивки судов, не позволяла пока связать ожидаемые скорости разрушений и прогнозировать места их возникновения иначе, чем путем сбора и на основании анализа статистических материалов по характеристикам износов на эксплуатирующихся судах.

Целью диссертации является оценка влияния наиболее вероятных конструктивных и эксплуатационных факторов, определяющих места возникновения, перемещения и скорости проникновения местных коррозионных разрушений пластин наружной обшивки судов.

Новые научные положения и результаты. Наиболее важными научными результатами, полученными лично соискателем, являются:

экспериментально найдены зависимости потенциала поверхности образцов из корпусных сталей ВСтЗсп4 и 09Г2, в контакте с электролитом (имитатом морской воды), при деформациях растяжения и сжатия их в упругой и упругопластической зонах; обоснована и проверена применимость современной теории местных

разрушений при контакте разных металлов для приближенного расчета ожидаемых мест и скоростей проникновения разрушений для балок-полосок. Последние были вырезанны из борта судна с поперечной и днища судна с продольной системами набора. Получено качественное и приближенное количественное совпадение расчета с результатами обследования конструкций реальных судов;

предложена методика и разработана программа для алгоритма расчета и определения мест локализации и скоростей проникнове-

пия разрушений пластин наружной обшивки днища судна, жёстко защемленных по периметру. Расчет учитывает изменение толщины и соотношение длин кромок пластин. Рассмотрен диапазон реальных равномерно распределенных нагрузок, обеспечивающих деформацию поверхности пластин в границах зоны упругости; путем математического эксперимента проверено влияние вариаций соотношения размеров пластин, их толщины и действующих поперечных нагрузок на ожидаемые годовые потери металла с 1 м" площади наружной обшивки. Рассмотрено влияние этих факторов и на осреднённые максимальные скорости местных годовых разрушений пластин.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что:

получена возможность прогнозирования мест ожидаемой локализации износов и скоростей разрушения пластин, если известно поле деформаций их поверхности, находящейся в контакте с электролитом;

построены расчетные графики относительных изменений годовых потерь металла с поверхности пластин н осредненных максимальных скоростей проникновения местных разрушений в определенных их зонах. Кривые строились в зависимости от изменения их толщины,размеров и формы пластин при разной величине действующей равномерно распределенной нагрузки; предложен метод практических расчетов зон локализации и скоростей разрушения пластин судовой обшивки. Метод работает, когда определено поле относительных деформаций поверхности и известны характеристики металла и среды (забортной воды) на границе их контакта;

получена возможность более обоснованного, чем в настоящее время, определения «надбавок на коррозию» при проектировании судовых корпусов, выбора толщин листов наружной обшивки при модернизации или ремонте судов, а также, при оценке технического состояния судов и прогнозировании его изменения в процессе эксплуатации.

На защиту выносятся:

результаты экспериментального исследования зависимости изменения потенциала поверхности листов из корпусных сталей ВСтЗсп4 и 09Г2 на границе контакта их с имитатом морской воды от величины относительной деформации поверхности при растяжении и сжатии в упругой и упругопластической зонах; методика определения характеристик изнашивания пластин наружной обшивки судов в зависимости от их формы, размеров и величины действующей нагрузки;

рекомендации по учету изнашивания пластин обшивки судов при их проектировании, модернизации и прогнозировании изменения технического состояния в зависимости от условий эксплуатации.

Внедрение результатов исследований. Полученные результаты были использованы при разработке «Инструкции по подкреплению корпусов судов проектов №№781 и 1557» №91-65.001 ВИПК, принятой к сведению Регистром СССР и переданной в 1992г. для использования заказчику - Западному речному пароходству (ЗРП, ныне ООО «Западфлот»), эксплуатирующему большую группу судов смешанного плавания. Автор диссертации была ответственным исполнителем при разработке этой «Инструкции».

Теоретические и экспериментальные материалы, полученные в работе, вошли в учебные пособия, изданные для повышения квалификации специалистов рыбного хозяйства, занятых эксплуатацией и ремонтом судов промыслового флота (1989г.), и обучения курсантов Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (1994г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: XII - XV, XIX Межвузовских НТК профессорско - преподавательского состава, аспирантов и сотрудников Калининградских вузов МРХ СССР (Калининград, 1984 - 1987 и 1991г.); III НТК «Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов» (Калининград, 1984), IX Дальневосточной НТК «Повреждаемость и повышение эксплуатационной надежности судовых корпусных конструкций» (Владивосток, 1984); Всесоюзной НТК «Защита от коррозии и обрастания» (Калининград, 1986); IV Межотраслевой НТК «Защита судов от коррозии и обрастания») (Ленинград - Мурманск, 1989); Научно методических конференциях преподавательского состава и сотрудников БГАРФ (Калининград, 1993 -1994, 1996г.); Международной НТК,посвященной 40 - летаю пребывания КГТУ на калининградской земле (Калининград 1998); II Международной конференции и совещании госкомрыболовства России с начальниками госадминистрации морских рыбных портов по безопасности мореплавания (Калининград, 1999).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографического списка использованной литературы из 63 наименований. Она содержит 187 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 12 таблиц и 2 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается вопрос об актуальности проблемы повышения эффективности использования флота, особенно в условиях недостаточного его обновления и вынужденной сверхнормативной эксплуатации части судов.

Учитывая, что сроки заводских ремонтов в значительной мере определяются объемами корпусных работ, а, в их составе работами по замене изношенных листовых элементов корпуса, отмечается необходимость выяснения причин появления "слабых мест" конструкций. В качестве примера приводится так называемая "канавочная" коррозия наружной обшивки многих судов смешанного плавания и части морских судов с продольной системой набора днища. Дается оценка состояния этой проблемы, определяется цель работы и пути её достижения. Кратко характеризуется научная новизна результатов работы и возможности практического использования разработанных методик и рекомендаций.

В первой главе дается, обзор опубликованных работ, посвященных, проблемам изнашивания листовых элементов наружной обшивки судов в условиях эксплуатации. Приводятся данные подробного анализа материалов по фактам замены изношенных листов наружной обшивки двух групп судов ЗРП, проектов 781 и 1557.

Вопросам изнашивания корпусов судов посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Так проблемы коррозионных разрушений рассмотрены в монографиях и статьях И.Я. Богорада, Е.В. Искры, Е.Я. Люблинского, И.Л. Розенфельда, Ю.Я. Иосселя, Г.Э. Кленова, P.A. Павловского и др. Прочность изношенных элементов корпусов судов и другие аспекты изменения их работоспособности в ходе эксплуатации были объектами рассмотрения в работах Г.В. Бойцова, В.В. Козлякова, Л.М. Беленького, О.М. Палия, А.И. Максимаджи, Н.В. Барабанова, Б.Я. Розендента, B.C. Чувиковского, Д.Т. Чапкиса, И.А. Притыкина, A.A. Осняча, Л.Н. Семенова, В.Г1. Прохнича и др. Из иностранных авторов могут быть названы К. Lindeman, J. Niebylki, M. Kawakami, D. Hutchinson и др.

Следует отметить, что практически ни в одной из опубликованных работ задачи расчетного определения мест и скоростей разрушения листовых элементов конструкций в зависимости от конструкций корпуса и конкретных условий эксплуатации, как правило, даже не ставятся.

Обычно авторы анализируют последствия уже состоявшихся разрушений, оценивают изменения прочности, вибростойкости, надежности изношенных конструкций. Сведения же о характеристиках износов получают обработкой статистических материалов, полученных замерами, при обследованиях корпусных конструкций реальных судов.

В главе приведены данные собранных и обработанных материалов о средних годовых износ ах листов НО на судах ЗРП (Табл. L). Получены они сопоставлением данных замеров, нанесенных на растяжки обшивки, при последовательно выполненных (до 9) предремонтных дефектациях, по ремонтным ведомостям и отчетам о ремонтах судов на зарубежных СРП. Подтверждено закономерное распределение коррозионных канавок вдоль мест опоры пластин обшивки на продольный набор. Выявлены особенности нарастания

Таблица 1

Средние скорости износа (мм/год) наружной обшивки судов пр.781

№№ поясьев Районы по длине ко рпуса судна, номе за шпангоутов

123133 115124 106115 97106 8897 7988 7079 6170 5261 4352 3543 2835 2128 1321

С редняя скорость п роникновения кор розии, мм/год

VII 0,19 0,15 0,11 0,12 0,12 0,12 0,14 0,14 0,12 0,17 0,16 0,12 0,15 0,14

VI 0,19 0,17 0,17 0,12 0,10 0,13 0,13 0,13 0,13 0,18 0,19 0,21 0,15 0,14

V 0,10 0,20 0,07 0,08 0,09 0,13 0,08 0,07 0,08 0,16 0,20 - - -

IV 0,14 0,15 0,11 0,07 0,07 0,09 0,11 0,12 0,08 0,16 0,20 0,21 - -

III 0,17 0,10 0,11 0,08 0,08 0,07 0,07 0,10 0,07 0,11 0,13 0,16 0,18 -

II 0,14 0,13 0,06 0,06 0,07 0,06 0,11 0,08 0,08 0,14 0,13 0,11 0,20 0,20

I 0,12 0,13 0,10 0,06 0,09 0,09 0,07 0,06 0,06 0,10 0,11 0,11 0,11 0,21

Гор киль 0,12 0,12 0,07 0,08 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12

их количества и глубины на днище в средней части судов по мере удаления поясьев обшивки от горизонтального киля.

В работе приведены таблицы, характеризующие доли (%%) замен обшивки из-за чрезмерных износов по всем поясьям основной части длины судов пр. 781 и 1557 на 15-16 годах эксплуатации, средние значения процентов замен обшивки днища и борта в это время и средние годовые скорости изнашивания заменяемых листов обшивки.

Предстояло из большего числа разных современных теорий коррозии металлов в контакте с электролитом и известных эмпирических моделей местного изнашивания „ , выбрать одну наиболее пригодную для использования в инженерных расчетах. Такой оказалась упрощенная модель коррозии конструкции из нескольких разных металлов, разработанная коллективом отечественных ученых под руководством Ю.Я. Иосселя.

Зная электрохимические потенциалы этих металлов в данном электролите и сопротивления коррозионному току, можно найти его величину, плотность тока, а значит и потери металла с электродов.

Далее в работе приводятся сопоставления результатов измерений потенциала на поверхности разных сталей под изменяющейся растягивающей нагрузкой в присутствии электролита, выполненных ME. Замостяником (сталь 20), Ю.Г. Ожигановым (сталь 45), С.М. Белоглазовым и JI.K. Ягуновой (сталь 10ХСНД). Делается вывод, что с ростом напряжений (деформаций) поверхность разных сталей становится электроотрицательнее, и может разрушаться.

В заключение главы описываются результаты пробного расчета ожидаемых мест разрушения балки-полоски единичной ширины. Она условно была вырезана из гофрированной бортовой обшивки в подводной части промыслового судна СРТ 4411. При этом было использовано предположение, что разно деформированные (напряженные) участки поверхности конструкции, изготовленные из одного металла, могут рассматриваться, как изготовленные из разных металлов, имеющих свои, отличные друг от друга, электродные потенциалы (И.З.Гольденберг).

Результаты расчета такого многоэлектродного элемента, с использованием математической модели процесса контактной коррозии, дали ожидаемый результат. Единственным анодом оказался последний электрод у самой опоры, где напряжения (деформации) были максимальными, а электродный потенциал самым низким. Сопоставление расчета с результатами обмера изношенных листов на этом судне, оказалось вполне удовлетворетельным.

Это позволило сформулировать задачи дальнейшего исследования.

Вторая глава посвящена постановке и проведению большой серии систематических экспериментальных исследований зависимостей изменения электродного потенциала на поверхности изгибаемого образца от величины её относительной деформации. Для опытов были выбраны стали ВСтЗсп4 и 09Г2, широко применяющиеся в гражданском судостроении.

Экспериментальная установка состояла из двух частей: из устройства для получения диаграмм "нагрузка - деформация" и специальной установки для измерения потенциала капельным методом, в соответствии с действующим ГОСТ. Нагружение образца осуществлялось сосредоточенной силой в массивной обойме из оргстекла с помощью специального винта и контролировалось образцовым динамометром и группой индикаторов перемещения часового типа.

Число образцов в процессе обработки методики равнялось 5 на каждую экспериментальную точку. При проведении основных серий опытов для каждой величины деформации образца осреднялись замеры потенциалов по 10 образцам. Для стали ВСтЗсп4 удалось сравнить часть данных с опытами О.И. Стеклова, полученными при растяжении образцов. Разница потенциала при одинаковых деформациях не превышала 3+5%.

Замеры производились на сжатой и растянутой стороне изгибаемого образца. В качестве электролита использовался имитат морской воды в виде 3% раствора НаС1, который готовился в соответствии с действующим ГОСТ, на дистиллированной воде.

В результате опытов получены графические зависимости смещения потенциала Дф, от их значения на недеформированном образце, до значения относительной деформации £ (растяжения и сжатия) в диапазоне Е = 0н-0,010.

Рис. 1 Графики смещения потенциала Дер крайних фибр на сжатой (1) и растянутой (2) сторонах образца в зависимости от относительной деформации е. Электролит - 3% раствор №С1. Сгаль 09Г2.

Опыты позволили впервые получить достаточно подробные и систематические данные о характере и пределах изменения потенциала в широком

диапазоне упругих и пластических деформаций поверхности этих сталей в контакте с электролитом.

Увеличение упругой деформации металла, независимо от её знака, приводит к смещению электродного потенциала на поверхности образца в отрицательную область. Зависимость в этой зоне имеет линейный характер. С началом фибровой текучести материала происходит некоторое смещение потенциала в положительную сторону. Но оно имеет небольшую величину и быстро заканчивается. Последующая деформация ведет к новому смещению потенциала в отрицательную область, но уже с меньшей скоростью, чем это имело место в зоне упругих деформаций. Графики Дф = /(Б) практически не отличаются для данной стали в области упругих деформаций и идут практически эквидистантно за её пределами - в зоне пластических деформаций. При этом сжатие дает более низкие значения потенциала поверхности, чем растяжение.

В третьей главе диссертации, для проверки работоспособности названных выше моделей, выполнен расчет ожидаемых местных разрушений поясьев наружной обшивки днища судов пр. 781.

Выше отмечалось уже, что разрушение обшивки днища на судах пр. 781, 1557 н других судах смешанного плавания существенно неравномерна по ширине судна. Аналогичные данные есть и по морским судам типа "Лисичанск" и др., имеющих также продольную систему набора днища. Поэтому было решено попробовать рассчитать характер расположения и скорости разрушений мест на поверхности балки-полоски, вырезанной из обшивки днища судна от борта до борта его посередине трюма, ближайшего к миделю судна.

В качестве расчетной была выбрана,как максимальная, нагрузка на днище, соответствующая принятой проектантом при статической постановке судна порожнем с балластом на вершину волны высотой, равной 5м, и длиной, равной длине судна. В этой ситуации пластины днища участвуют в общем продольном изгибе судна и одновременно в поперечном изгибе днищевого перекрытия. Наибольшую разницу в деформациях разных частей балки-плоски очевидно следует ожидать от её участия в поперечном изгибе плоского днища.

Было решено считать, что балка-полоска состоит условно из большего числа электродов и представляет собой многоэлектродный макрокоррозион-ный элемент. К нему может быть применена методика расчета разрушений при наличие контакта разных металлов.

Таким образом, следовало рассчитать относительные деформации е по длине балки-полоски, опирающейся на все продольные ребра жесткости и стрингеры днища судна. Затем определить протяженность электродов и ос-реднить на них значение е. По экспериментальным графикам Дф = /(£) заменить средние значения е иа электродах соответствующими значениями сме-

щения потенциала Д(р в составе многоэлектродного элемента. И наконец, используя математическую модель процесса для такого вида разрушений, найти места разрушений поверхности и скорости потерь металла с них.

Определение напряжений в балке-полоске от поперечного изгиба было выполнено с учетом фактической конструкции днищевого перекрытия в виде суммы их от изгиба днища в месте средней рамы трюма (по проектному расчету КБ - проектанта), изгиба пластин обшивки с набором между стрингерами и пластин между ребрами жесткости. Расчет выполнялся с использованием метода конечных элементов. Затем были добавлены напряжения от приварки набора к обшивке, в виде моментов от усадки швов, расположенных в местах, где находился центр их сечения. По полученным напряжениям, с учетом пластических свойств стали 09Г2, были найдены относительные деформации вдоль балки-полоски, длины электродов, средние деформации б на них и, наконец, значения смещений потенциалов Дф, необходимые для расчета.

Физическая модель, соответствующая состоянию балки-полоски (по Иосселю Ю.Я.), была принята в виде, показанном на рис. 2, а математическая - в виде системы уравнений, отражающих закон Ома для сложной цепи со многими источниками ЭДС:

¡1 ' (гог + р0 = и-Дф|

¿2' (го: + Р:)= и - Дфз

< •

(1)

¡га ' (Гот + Рш) = И - Дф„

N

Д.. = о

где ¡т - ток т-го электрода в составе многоэлектродного элемента, А; т - порядковый номер электрода (ш = 1,2, 3,..., N1); Тощ- сопротивление "растеканию" тока с т-го электрода (сопротивление "уединенного" электрода), Ом;

рт - полная поляризуемость (сопротивление) поверхности га-го электрода, Ом;

11- общий (исправленный) потенциал многоэлектродной системы, В; Дфт - среднее значение смещения потенциала т-го электрода из-за деформации его поверхности, В.

Величины сопротивлений току гот и рт, естественно, связаны с рядом параметров процесса.

b* о* О"3 Оф4 О1

Рис.2 Эквивалентная схема внешней цепи многоэлектродного элемента. Так, Гот приближенно может быть найдено по следующим формулам:

Гош ~

1

m

yJM ln(4x)-l

У^тф

при %< 10;

при х> Ю;

(2)

ш

где: у - удельная электропроводность коррозионной среды (забортной воды), Ом"1-м'';

Бт - площадь смоченной поверхности т-го электрода, м", а; % - отношение максимального габаритного размера электрода к минимальному, а рт по формулам:

Р

нт s ' ш

Ьт Ьт+Ркр т т

(3)

Здесь:

Ьт - удельная поляризуемость (сопротивление) поверхности ме-

талла току (если защитного покрытия нет), Ом" м2;

+р - удельное поверхностное (переходное) сопро-

III IJi KD

тивление электрода с учетом лакокрасочного покрытия, Ом'м2;

Ркр - удельное сопротивление лакокрасочного покрытия, Ом'м .

Так как параметры у; Sm ; bm ; % ; р,ф являются заданными либо имеются в справочной литературе, система уравнений (1) может быть решена. Это значит, что можно найти токи, характеризующие скорость потерь металла и, следовательно, скорость проникновения разрушений.

Далее в главе обосновывается выбор этих параметров и возможности выполнения расчета. В первом приближении расчет вёлся не для всей системы из 83 полученных уравнений, а для 9-и отдельных групп электродов, расположенных на различных поясьях обшивки днища. Было сделано предположение, что влияние друг на друга взаимно удаленных групп электродов вряд ли может быть существенным и им можно пренебречь.

В диссертации дан пример расчетной таблицы (алгоритм) расчета для одной из таких групп электродов.

На рис. 3 приведена гистограмма распределения максимальных расчетных скоростей проникновения разрушений по длине балки-полоски в пределах поясьев обшивки днища. Видна их существенная разница.

В конце главы сделано сравнение закономерностей в распределении относительных максимальных расчетных скоростей проникновения разрушений по поясьям днища с частотой появления трещин в местах «канавочной» коррозии на соответствующих поясьях.

На рис. 4 сплошная линия представляет собой расчетный закон распределения относительных, максимальных по поясьям, скоростей местного изнашивания, а гистограмма - относительные частоты замен листов по поясьям по данным обследования судов этого проекта A.B. Шурпицким. И в одном и в другом случае за единицу приняты значения сравниваемых величин в ДП.

Видно, что оба закона близки по характеру, на что указывает и расчетная оценка их соответствия друг другу.

Есть основание утверждать, что схематизация монотонно изменяющейся эпюры относительных деформаций наружной фибры обшивки корпуса судна

Рис. 3 Гистограмма распределения расчетных максимальных местных скоростей проникновения коррозии по поясьям обшивки днища судов пр.781, мм/год.

ступенчатой кривой приемлема и может быть использовано для прогнозирования износов листовых элементов корпуса судна, если известно их напряженно-деформированное состояние.

ОМ

ом

IV III I! 1 О П I II tu IV

Рис 4 Гистограмма относительных частот трещин в поясьях днища судов пр. 781 по [56] и расчетная кривая относительных скоростей проникновения местной коррозии в этих же поясьях

В итоге делается вывод о целесообразности использования предложенной методики для анализа локализации и скоростей местных разрушений различных элементов корпусных конструкций, если известно их напряженно-деформированное состояние и их поверхности имеют контакт с электролитом.

В следующей четвертой главе дается описание условий математического эксперимента и приводятся его результаты для пластин обшивки днища.

Первый расчет был выполнен для базовой пластины с размерами 7x500x1500 мм, близкой к имеющимся в составе обшивки днища судна пр. 781, при пяти реальных нагрузках на неё в диапазоне q от 0,15 ' 10 Па до 1,2 ' 105 Па. Последняя из них принята с запасом для косвенного учета динамических давлений, возможных при качке судна.

Затем в этом же диапазоне нагрузок считались пластины тех же размеров, но с толщиной 8 и 9 мм. Также сделан расчет для пластин трех названных толщин при изменении их размеров до 500 х 1000 и 500 х 500 мм.

И, наконец, для всего набора вариантов пластин было проверено влияние изменения bm* от 1,0 до 2,0 Ом ' м" на катодных участках пластин. Это учитывало разный уровень сопротивления коррозионному току от наличия остатков лакокрасочного покрытия на обшивке днища судов в условиях эксплуатации. Было проверено также влияние электропроводности морской воды от у = 1,0, характерной для Балтийского моря, до у = 5,0 Ом'1 " м"1 , соответствующей.водам Мирового океана.

Для расчетов поверхность пластины разбивалась сеткой на 99 частей-электродов. Расчет распределения поля деформаций е* для узлов сетки велся

с использованием программы для анализа упруго-пластического изгиба судовых пластин с учетом распора - иРРБР.

Найденные в узлах значения 8* переводились в Дфт с использованием осредненной для растяжения-сжатия экспериментальной кривой Дфт = / (е*), а, затем, по специально разработанной программе, решалась система уравнений вида (1) для одной четверти (в силу симметрии) пластины. Расчет давал положение участков разрушения поверхности на пластине (рис. 5, 6) и средние по каждому электроду годовые скорости проникновения разрушения. Были получены расчетные кривые изменения годовых потерь металла с поверхности пластин разных размеров в зависимости от нагрузки q для различных толшин,

Рис. 5 Распределение относительных деформаций е* и смещение потенциалов Дф. Нагрузка 1,2x105 Па. Зоны локализации местных разрушений заштрихованы. Пластина 7x500x1500.

размеров пластин, величин Ьт|с* и у (рис. 7). Аналогично строились и кривые максимальных скоростей проникновения разрушений на пластинах (рис. 8) в зависимости от тех же параметров процесса .

Анализ результатов большего объема расчетов, в рамках математического эксперимента, установил, что:

- в основе местных разрушений пластин обшивки лежит детерминированный процесс. Он управляется полем деформации поверхности пластины под влиянием действующих нагрузок. Расчет позволяет однозначно определить положение мест потерь металла с поверхности и средние скорости разрушений каждого анода;

- наибольшие разности потенциалов, скорости годовых потерь металла со всей пластины и на участках с максимальной скоростью проникновения разрушений имеют место перед началом фибровой текучести в наиболее на-

1ЛМ

\ С ' сГ мне I

! * 1

;

. йЩ сиг «МИ1 ода» <¥>* ¡¡г (М>М

Шн

1 с ' о* щ к 1

! ¡5 X 1

• гч ■Ч 1

оде 0,062 Ш т

п ИЙ

1 с ' о" «иа 1

! "5 X •

1 £ ю 1

0,07« од» 0.1« Ш

- 9.040- -лдеи- II ПДДц' рш , олм 'ШЩ-

! с 1 С 1 1

1 О о 1

орвт <4 1

0006 1 И 1 о- 0,103 ¡¡рр II сг М15 Ш

Рис.6. Характер локализации анодов на пластинах с 8=8 мм и тремя соотношениями их сторон Х=3;2;1 при росте нагрузок я, величина которых указана в каждом случае.

Рис. 7 Характер и величина изменения I О "а

пластинах трех размерю» 500x1500; 500x1000 и 500x500.

Рис. а Зависимость П^и^Кч^) для пластин трех размеров 500x1500; 500x1000 и 500x500 мм нрн Ь^.О Ом-м'

пряженных местах поверхности. При меньших и больших величинах распределенной нагрузки характеристики изнашивания ниже;

- найденные закономерности позволяют учесть влияние на износ пластин характеристик их формы, размеров и величин напряжения. Значит целесообразно конструировать обшивку судна, стремясь уменьшить износы, сократить потребность в заменах обшивки при ремонтах судов.

Глава 5 диссертации посвящена вопросам практического использования результатов исследований для совершенствования проектирования (модернизации) корпусов судов, повышению безотказности элементов конструкций и сокращению потребности в их ремонтах.

В начале 90-х годов Западное речное пароходство (ЗРП, г Калининград), эксплуатировавшее на морских рейсах большую группу судов смешанного плавания, волновало большие объёмы замен наружной обшивки этих судов из-за интенсивных разрушений и частых трещин в местах коррозионных канавок на пластинах обшивки в подводной части судов. В письме Калининградской инспекции Регистра обращалось внимание на необходимость «... вскрыть причины появления многочисленных трещин и канавочной коррозии в подводной части корпуса судна.».

В ходе исследований этих вопросов была разработана «Инструкция по подкреплению корпусов судов пр. №№ 781 и 1557» № 91 - 65.001 ВИПК (ответственный исполнитель Г.И. Лещинская), принятая к сведению Регистром СССР 17 августа 1992 года. Она предусматривала возможность усиления наружной обшивки корпусов судов, настилов второго дня в трюмах, подкрепления рамных шпангоутов в бортовых цистернах и т.д. с целью сокращения потребности в последующих ремонтах.

По методике, разработанной в предыдущей главе диссертации, были выполнены расчеты, результаты которых отражены на рис. 9. Они позволяет утверждать, что при малых нагрузках q, обеспечиваемых при современной практике проектирования конструкции судов, утолщение пластин при неизменной нагрузке всегда ведет к уменьшению суммарных потерь металла с их поверхности. Это имеет место только до тех пор, пока конструкция работает в упругой зоне. С появлением участков фибровой текучести картина меняется. Для каждого соотношения сторон и толщины пластин существует распределенная нагрузка q, когда эти потери являются максимальными. Естественно, что это обстоятельство должно учитываться при проектировании конструкции.

Для учета этих особенностей работы конструкции в пятой главе приведены два графика. На одном из них (рис. 10) потери металла за год с поверхности обшивки корпуса судна площадью 1м2 сравниваются с аналогичными на пластинах трех разных толщин при трех вариантах соотношения длин их опорных кромок. За 100% приняты суммарные потери Q (г/год) для пластины 7x500x1500 (мм). График действителен для всего диапазона нагрузок, если деформации контактной поверхности пластины нигде не превосходят преде-

Рис. 9 Характер изменения расчетных потерь металла( £ <2 ,Г/год) с пластин НО судна при трех их размерах толщинах и изменениях нагрузки (я) от 0,15-Ю* до 1 Л 0 • 1 0 5 во всех случаях. Показаны

также годовые потери металла с этих пластин

ла текучести материала. Ошибка по величине Q, при использовании графика, составляет не более 3,8%.

На рис. 11 аналогичным образом показаны изменения осредненных максимальных скоростей проникновения разрушения Г1 ,тх для пластин 7x500x1500мм. Видно, что увеличение толщины во всех случаях для конкретной формы пластин ведет к уменьшению максимальной скорости проникновения разрушений. Но для каждой толщины пластины область соотношения длин сторон, близкой к двум, опасна, т.к. связана с существенным ростом скорости П тах. Ошибка при использовании этого графика составляет не более 3,9% для любых q, если поверхность пластины имеет деформации,

Q ,% 100 90 80 70 60 50 40 30 20

1500 500

Ш

500

500 500

Рис. 10 Потери металла с 1 м" НО днища судна в сравнении с базовой пластиной 7x500x1500мм, в зависимости от толщины пластин (Б), относительной длины их при сохранении ширины (х) для всех нагрузок, вызывающих в пластинах только упругие деформации.

так же не превышающие предела текучести материала. Естественно, что эти расчеты, как и все предыдущие, сделаны для стали 09Г2, из которой построены суда смешанного плавания рассматриваемых проектов.

На рис. 12 показаны листы НО судов пр. 781, нуждавшиеся в замене. По ним дана рекомендация об их утолщении на I мм. А на рис. 13 приведена динамика нарастания замен листов НО во время ремонта корпусов судов пр. 781 при существовавшей практике и после выполнения рекомендуемой модернизации.

Экономический эффект рекомендаций в ценах 1992 года дал около 2,4 млн. рублей.( на садмэ судно) ■

Рис. 11 Величина относительной скорости проникновения разрушений, в сравнении с базовой пластиной 7x500x1500 мм, в зависимости от толщины пластин (Б), относительной длины их при сохранении ширины (X) для всех нагрузок, вызывающих в пластинах только упругие деформации.

В заключение главы отмечается, что новые сведения о закономерностях появления и скоростях проникновений местных разрушений пластин обшивки корпуса судна из определенной стали, в зависимости от их толщины и формы

(конструкции корпуса судна), заглубления (нагрузки) и электропроводности забортной воды в районах эксплуатации судна, могут быть использованы для управления процессами неизбежного разрушения пластин путем ряда конструктивных модернизаций.

В выводах по работе отмечается, что: экспериментально исследовано влияние деформации поверхности образцов из корпусных сталей ВСтЗсп4 и 09Г2 на смещение их электродного потенциала;

обнаружен особый характер этой зависимости при начале фибровой текучести образца;

установлено, что деформация сжатия больше смещает потенциал поверхности в отрицательную область, чем растяжение, т.е. провоцирует большие скорости проникновения разрушений в таких местах; подтверждено пробными расчетами, что замена поля деформаций поверхности балки-полоски, вырезанной из НО корпуса судна, полем электродных потенциалов, превращает её в многоэлектродный корот-козамкнутый элемент. В нем могут быть найдены величины и направления электрических токов.

т. 43 46 Ц 52 £6 Ш 42 0 Щ {21 & /27

Рис. 12 «Слабые» листы НО судов пр. 781, нуждающиеся в замене более одного раза за предполагаемый 40 - летний срок эксплуатации.

Рис. 13 Динамита карастаиия замен листов НО но время ремонтов корпусов судов пр. 781 при сущесгеукмцей практике н по рекомендациям Инструкции.

показано, что при использовании специального допущения задача может бьггь сведена к расчету многоэлекгродного элемента контактной коррозии;

сравнение расчета, выполненного таким образом для балки-полоски, с характером распределения и скоростями годовых проникновений местных разрушений по поясьям обшивки дншца на реальных судах показало вполне удовлетворительный результат,

перенос такого же подхода на отдельную пластину обшивки днища позволил получить характеристики изнашивания пластин:

1. возникновение очага разрушений в середине длинной кромки пластины, уже при нагрузке, соответствующей осадке судна порожнем на спокойной воде;

2. увеличение протяженности зоны разрушений при росте нагрузки;

3. появление новой зоны разрушения в центре пластины;

4. появление разрушений в центре короткой опорной кромки после того, как начинается фибровая текучесть в центре длинной кромки.

Это хорошо согласуется с данными из опыта эксплуатации судов этого и близких им по конструкции проектов судов;

в процессе математического эксперимента в диапазоне нагрузок, действующих на пластины днища судов пр. 781, проанализированы характер возникновения и величины разрушений, величины суммарных потерь металла и максимальных местных скоростей проникновения разрушений;

разработана и проверена методика расчета детерминированной части прогнозируемых разрушений пластин от их деформации только под влиянием равномерно - распределенной нагрузки на пластину; математический эксперимент подтвердил, что наиболее простым способом уменьшения потерь металла с поверхности пластины известной формы является увеличение их толщины. Утолщение пластины на 1мм может снизить потери с ее поверхности не менее чем на 20%. При этом скорость проникновения местных разрушений (и канавочной коррозии) реально уменьшится более, чем на 20%;

исследованиями подтверждено, что при одинаковой реальной нагрузке изменение формы пластины связано с уменьшением потерь металла. При этом от % = 3,0 до х = 2,0 такое снижение не велико - 4 + 5 %, а затем резко увеличивается до 47 + 52 %;

обнаружена неизвестная ранее закономерность значительного роста локальных скоростей проникновения разрушений пластин при соотношении их сторон х ^ 2,0;

наличие и состояние защитного покрытия на поверхности пластин, изменение солености забортной воды изменяют скорость проникновения разрушений и суммарные потери металла с поверхности пластин; результаты исследования и предлагаемая методика расчетного определения ожидаемых разрушений пластин НО судов позволили связать скорость разрушений конкретных элементов судовых конструкций с их напряженно-деформированным состоянием;

полученные результаты рекомендуется учитывать при конструировании корпусов судов,для прогнозирования ожидаемых скоростей изнашивания и учета их при назначении толщин связей; при ремонтах судов, понимание причин возникновения опасных местных разрушений позволит выбрать вариант и усилить (модернизировать) неудачную конструкцию;

новые сведения о характере разрушений пластин обшивки позволяят уточнить методы дефектации конструкций и прогнозирования изменений их состояния во времени;

приближенный расчет экономической эффективности использования рекомендаций по усилению НО судов пр. 781 подтвердил целесообразность выполнения таких работ на эксплуатирующихся судах с аналогичной конструкцией корпуса.

Основные результаты диссертационной работы нашли отражение в следующих публикациях автора:

1. Влияние разницы деформации элементов конструкций на скорость местной коррозии .// Сборник НТО им. акад. А.Н.Крылова. Материалы по обмену опытом. Вып. 2. «Совершенствование проектирования и методов оценки технического состояния судовых систем». Калининград, 1984 — с.49-54.

2. Зависимость скорости язвенной коррозии от распределения напряжений в пластинах наружной обшивки. // Сборник тез. докл. IX Дальневосточная НТК «Повреждаемость и повышение эксплуатационной надёжности судовых корпусных конструкций». Владивосток, 1984.

3. Принципы учета напряжённо - деформированного состояния корпусов судов при разработке систем механизированного (автоматизированного) контроля их коррозионного износа. // Сборник НТО им. акад. А.Н.Крылова. Материалы по обмену опытом. Вып.1. Технологическое обеспечение интенсификации корпусных видов судоремонтного производства. Калининград, 1987 - с.47-51.

4. Влияние разницы деформаций поверхности образцов из корпусных сталей на смешение потенциала в зоне контакта с имитатом морской воды. // ЦНТИ КМ «Прометей» Сборник докладов. IV Межотраслевая НТК «Защита судов от коррозии и обрастания». Ленинград - Мурманск, 1989

5. Коррозионные разрушения при однородности жидкой фазы. Случай местной коррозии обшивки бортов и днища в средней части судов. // В кн. И.З.Гольденберга Закономерности местного коррозионного разрушения элементов судовых технических средств (учебное пособие). Калининград: ВИПК, 1989 - с. 13-24.

6. Инструкция по подкреплению корпусов судов пр. 781 и 1557. ВИПК № 9165. 001. Калининград, 1992.

7. О причинах «канавочной» коррозии наружной обшивки транспортных судов с продольной системой набора днища. // «Судостроение», 1996, № 8-9, с.40-42.

8. Закономерности изнашивания и меры по усилению «слабых мест» наружной обшивки судов пр. 781 и пр. 1557 // Сборник научных трудов БГА РФ. Вып. 9. Прочность и техническая эксплуатация корпусов судов. Калининград, 1996г. ), с.49-52. (в соавторстве с И.З. Гольденбергом)

9. Математическая модель изнашивания пластин наружной обшивки судов.

// Сборник тезисов и докладов. Международная НТК, посвященная 40-летию пребывания КГТУ на Калининградской земле и 85-летию высшего рыбохозяйственного образования в России. Часть II. Калининград, 17-19 ноября 1998г., с.46-47.

10. Метод расчета зон локализации и скоростей местного изнашивания пластин наружной обшивки корпусов судов. // Сборник научных трудов. Эксплуатация и проектирование судов и орудий лова. Вып. 28. Калининград, 1999г. с. 15-29. (в соавторстве с М.Б. Лещинским и И.З. Гольденбергом).

ВВЕДЕНИЕ.

1 .ИЗНАШИВАНИЕ ЛИСТОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НАРУЖНОЙ ОБШИВКИ СУДОВ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1.Общий и местный износы корпусов морских судов в условиях эксплуатации.

1.2.0собенности местного изнашивания наружной обшивки бортов и днища судов некоторых типов.

1.3 .Некоторые результаты обследования износов и замен листов

НО на судах ЗРП.

1.4.Современные представления о причинах разрушений сталей в контакте с электролитами.

1.5.Влияние напряжений и деформаций поверхности металла на скорость его изнашивания по результатам некоторых опубликованных работ.38 1 .б.Новые исследования по контактной коррозии многоэлектродных систем.

1.7.Предварительная проверка применяемости положений теории контактной коррозии многоэлектродных систем для прогнозирования местных износов обшивки борта СРТ.

1.8.Выводы по анализу данных об изнашивании листовых элементов НО судов. Задачи исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОРПУСНЫХ СТАЛЕЙ

НА ИЗМЕНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ИХ ПОВЕРХНОСТИ.

2.1.Выбор корпусных сталей для проведения опытов, конструкции, размеров и способа деформации образцов.

2.2.Экспериментальная установка. Выбор и проверка методики опытов, оценка точности измерений.

2.3.Условия проведения основных серий опытов.

2.4.Результаты экспериментальных исследований изменения потенциала поверхности образцов из корпусных сталей при их деформации в контакте с 3% раствором №С1.

2.5.Построение зависимости вида Дер = / (е) для образцов исследованных сталей.

2.6.Сопоставление результатов опытов с данными ранее выполненных исследований.

2.7.Вывод ы.

3 .РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОЖИДАЕМОГО МЕСТНОГО

ИЗНОСА НРУЖНОЙ ОБШИВКИ (НО) ДНИЩА СУДОВ ПР. 781. ФИЗИЧЕСКАЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛИ

МЕСТНЫХ РАЗРУШЕНИЙ НО.

3.1 .Общие замечания.

3.2.Некоторые сведения о судне.

3.3.Выбор положения балки-полоски и расчет напряжений в ней.

3.4.Учет влияния приварки продольного набора на напряжение в балке-полоске.

3.5.Приближенный расчет распределения ожидаемых деформаций балки-полоски.

3.6.Физическая модель многоэлектродного коррозионного элемента при контактной коррозии.

3.7.Физическая и математическая модели местного изнашивания поверхности балки-полоски.

3.8.Выбор дополнительных параметров, решение системы уравнений и проверка работоспособности модели.

3.9.Вывод ы.

4.ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ НАГРУЗКИ НА ЛОКАЛИЗАЦИЮ

И СКОРОСТЬ МЕСТНЫХ РАЗРУШЕНИЙ ПЛАСТИН НАРУЖНОЙ ОБШИВКИ СУДНА (МАТЕМАТИЧЕСКИЙ

ЭКСПЕРИМЕНТ).

4.1 .Общие замечания.

4.2.Выбор параметров процесса для пробного расчета характеристик разрушений пластины.

4.3.Анализ результатов предварительного расчета разрушений пластины днища судов пр.781.

4.4.Влияние эффекта поляризации катодных участков поверхности на характеристики разрушения пластин обшивки.

4.5.Последствия увеличения толщины пластин при неизменной нагрузке.

4.6.Изменение характеристик разрушения пластин при вариациях их формы и размеров.

4.7.Изменение локализации и скоростей местных разрушений пластин в зависимости от расчетной нагрузки q.

4.8.Изменения скоростей местного разрушения пластин за счет уменьшения удельного поверхностного (переходного) сопротивления $ t>m на катодной ее части.

4.9.Влияние солености морской воды на характеристики изнашивания пластины.

4.10. Выводы.

5 .ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ КОРПУСОВ

СУДОВ И СОКРАЩЕНИЯ ПОТРЕБНОСТИ В ИХ РЕМОНТАХ.

5.1.Ожидаемые последствия увеличения толщины пластин наружной обшивки на судах с продольной системой набора днища.

5.2.Ожидаемые изменения относительных потерь металла с поверхности НО дншца судов при изменении расстояний между рамными флорами.

5.3.Закономерности изменения максимальных скоростей проникновения разрушений при изменении характеристик пластин и действующей нагрузки.

Проблемы повышения эффективности использования гражданских судов всегда были предметом внимания специалистов. Однако особое значение они приобрели в последние годы в связи с отсутствием необходимого обновления флота, увеличением возраста судов и вынужденной их сверхнормативной эксплуатацией, [5] и др. Естественно, что в этих условиях особенно большими являются внеэксплуатационные затраты времени, главной частью которых остаются простои судов в ремонте.

Поскольку продолжительность заводских ремонтов в значительной мере определяется объемами корпусных работ, а, в их составе - работами по замене изношенных листовых элементов, входящих в судовые перекрытия, следует искать, в первую очередь, пути повышения работоспособности именно этих частей конструкций корпусов судов.

Опыт обследования состояния и ремонта судов, построенных ранее большими сериями и эксплуатирующихся длительное время свидетельствует о наличии на большинстве из них типичных "слабых мест" корпусных конструкций, закономерно повторяющихся на судах одного проекта. Особенностью некоторых серий судов становятся неоднократно возникающие, в процессе их жизненного цикла, потребности в замене значительных по объему участков обшивок и настилов из-за местных износов и трещин листовых элементов. Хорошо известна такая ситуация на сухогрузных судах пр. 781, в несколько меньшей мере, на судах пр. 1557 и др. [33,57,13,56]. Это позволяет говорить об ошибках конструирования, допущенных проектными организациями, хотя во всех случаях проекты судов соответствовали Правилам Регистра и требованиям, действовавшей в это время нормативно-технической документации.

Очевидно, что причиной существующих недостатков конструкций является неправильный учет условий работы листовых элементов в составе перекрытий судов некоторых проектов, недостаточность знаний о локализации и механизмах изнашивания пластин обшивки бортов и днища, в подводной части судов в первую очередь, в зависимости от действующих нагрузок, системы набора, величины шпации, толщины листов и т.п.

Известны серьезные исследования различных проблем надежности корпусных конструкций, посвященные, например, рациональности конструирования узлов набора судовых перекрытий [42,55] и другого. Наружной обшивке и листовым элементам настилов, из-за кажущейся простоты их устройства, уделяется внимание явно недостаточно. Хотя появление "слабых мест" здесь чревато не только большими материальными затратами на неоднократные замены сотен квадратных метров, но и опасностью нарушения общей прочности судов.

Как правило, главной причиной замен элементов корпусов судов является разрушение их вследствие электрохимической коррозии [34,10 и др.]. Особенно опасны местные износы - локальные коррозионные разрушения на относительно малых участках пластин, идущие с большими скоростями проникновения в металл. Результатом таких износов являются свищи или сквозные трещины в элементах конструкций, ослабленных коррозией, водотеч-ность и опасность их разрушения под нагрузкой.

От местного изнашивания серьезно страдает, например, обшивка бортов промысловых судов с поперечной системой набора корпуса. Местный износ проявляется здесь в виде утонения листов наружной обшивки вблизи их опор на шпангоуты. Анализом характера распределения глубин износов бортовой обшивки на протяжении ряда лет занимались многие специалисты [2,50,45 и др. ]. Ими, на примере судов флота рыбной промышленности, подтверждена большая разница в скоростях изнашивания листов наружной обшивки бортов на опорах и в пролетах. Отмечено, что особенно большие скорости изнашивания пластин вблизи шпангоутов имеют место при возникновении гофрировки бортовой обшивки, когда напряжения на опорах достигают максимума, а листы обшивки получают большие относительные деформации.

Специфическая и опасная форма местного износа листовых элементов характерна для большего числа судов смешанного плавания и некоторых крупных транспортных морских судов с продольной системой набора днища. Местный износ здесь проявляется в виде канавок, расположенных на наружной поверхности обшивки днища в местах опоры пластин на продольный набор. Этот вид изнашивания получил даже специальное название "канавочной коррозии закрытых сварных соединений", т.к. расположение канавок снаружи совпадает с линиями приварки продольного набора к внутренней стороне листов обшивки. На морских судах такое же явление обнаружено, например, на теплоходах типа "Лесичанск" и др [13].

В то же время сотни судов такого же назначения, эксплуатирующихся в аналогичных условиях, "канавочной" коррозией не страдают, либо она проявляется значительно слабее. Более того, и на судах типа "Балтийский," как известно, глубокие канавки фиксируются не везде, где есть закрытые сварные соединения, а только в определенных районах днища судна. Практически нет "канавочной" коррозии вдоль линий приварки поперечного набора, очень мало продольных канавок вблизи горизонтального киля и в оконечностях судна. Эти обстоятельства позволяют сомневаться в справедливости выводов некоторых исследователей, считающих возникновение зон термического влияния от угловых швов приварки набора главной причиной "канавочной" коррозии обшивки.

Анализ литературных источников, посвященных вопросам изнашивания металлических конструкций, позволяет предположить, что локализация местных износов на определенных участках листовых элементов наружной обшивки может быть следствием местных напряжений и деформаций под нагрузкой. связанных с особенностями конструкции корпуса. Однако в опубликованных материалах нет убедительных данных ни о влиянии напряжений растяжения ни, особенно, напряжений сжатия на коррозионное поведение корпусных сталей. Не ясна, в связи с этим, и возможная роль учета этих обстоятельств при конструировании корпусов судов.

Более того, как справедливо отмечали авторы монографии [10], вообще "общепринятого объяснения природы влияния механического фактора на коррозионные процессы ещё нет ". Известные работы в этой области [48,32] и др. пока посвящены усилению коррозии и опасности начала разрушения металла на отдельных "микро- или субмикроскопических участках с более высокими напряжениями , чем на остальной поверхности" металла. С этих позиций обычно рассматриваются проблемы коррозионно-механической и коррозионно-усталостной прочности легированных сталей.

Местное разрушение обшивок судов из обычных углеродистых или низколегированных сталей имеет другой характер. Оно идет не на "микро", а на макро площадках, хотя тоже может быть связано с особенностями распределения деформаций (напряжений) в разных зонах, работающих под нагрузкой пластин.

В соответствии с современными представлениями о механизме коррозионных разрушений [52,34,48], интенсивная местная коррозия может возникнуть, если соседние участки конструкций имеют существенно различный электрохимический потенциал поверхности металла в месте контакта с электролитом. Примером такой ситуации являются все случаи контактной коррозии в подводной части судна, когда взаимодействуют два и более разных металлов. Но в литературе очень мало данных о разнице потенциалов поверхности одной и той же стали при её различной деформации. Практически нет данных о влиянии деформации на изменение потенциала поверхности листов из корпусных сталей при их растяжении и, особенно, сжатии.

Поскольку в процессе эксплуатации судов пластины обшивок и настилов могут получать большие деформации, существенно различные для разных участков их поверхности, имеющей контакт с электролитом (водой морской, пресной, льяльной и др.), разность потенциалов может оказаться большой, даже если электролит будет абсолютно однороден. В этих условиях можно ожидать появления местных разрушений, зависящих от особенностей корпусных конструкций и действующих на них нагрузок.

Отсутствие необходимых сведений о влиянии напряжений и деформаций пластин на изменение распределения электрохимического потенциала на их поверхности, находящейся в контакте с электролитом, и о возможной зависимости скоростей местных разрушений листовых элементов конструкций от их толщины, соотношения сторон опорного контура пластин, величины действующих нагрузок и их деформаций в разных точках поверхности (на контуре и в пролете), затрудняет прогнозирование их поведения в условиях эксплуатации и препятствует оптимизации технических решений при проектировании, модернизации и ремонтах корпусов судов.

Разумеется, в первую очередь, это относится к проектированию судов, когда должны быть приняты меры, исключающие появление "слабых мест" конструкций, а оптимальный уровень металлозатрат определен с учетом ожидаемых износов и влияния распределения металла между элементами корпуса на экономические характеристики судов в течение всего их жизненного цикла [11].

Очевидно, что ошибки, все же допущенные при проектировании судов, в том числе избыток толщин листов в одних местах корпуса судна и недостаточные запасы "на коррозию" - в других местах, могут быть исправлены при модернизации их конструкций после первых лет эксплуатации судна, когда "слабые места" станут явными.

Наконец, и при ремонтах судов, наибольший эффект может быть достигнут, если разрабатывая проект ремонта судна [4,5], специалисты смогут прогнозировать его последствия, сопоставляя фактические скорости разрушения листовых конструкций конкретного судна с ожидаемыми скоростями изнашивания их после выбранной технологии ремонтных работ.

Таким образом, выяснение количественных зависимостей между характеристиками конструкций корпуса и ожидаемыми скоростями местных разрушений их элементов является важной и актуальной задачей.

Очевидно, что деформации элементов конструкций зависят от многих факторов, в том числе и от характера действующих нагрузок, изменяющихся в процессе эксплуатации, величины возможных нормальных давлений на них, степени участия элементов в общей продольной, общей поперечной и местной прочности судна, выбранной технологии построечных или ремонтных работ и т.п.

В настоящей работе предпринята попытка решить одну из частных задач названной большой проблемы. В ней получены зависимости, позволяющие оценить особенности локализации и скоростей проникновения местных разрушений пластин наружной обшивки днища, имеющих несколько возможных вариаций их размеров, при изменении только величины равномерно распределенной поперечной нагрузки на пластины.

Для решения задачи использованы новые решения в области контактной коррозии металлов [24] и современные методы расчета, при проектировании конструкции корпуса судна, величины деформации [26] разных зон поверхности пластин днища под влиянием нагрузок, действующих в условиях эксплуатации. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации конструирования наружной обшивки корпусов судов, совершенствования методик оценки технического состояния корпусов судов в условиях эксплуатации, разработки проектов модернизации и ремонта судов.

Актуальность темы. Изнашивание корпусов судов в процессе их эксплуатации, необходимость прогнозирования времени, места и скорости опасного разрушения элементов конструкции- проблемы важные для проектирования судов. Без их решения невозможно оптимизировать распределение металла в составе корпуса, сократить потребность в ремонтах, повысить эффективность использования флота.

Главную роль в изнашивании корпусов судов играют коррозионные разрушения и, особенно, местная коррозия настилов и обшивок. Наибольшие материальные затраты и потери эксплуатационного времени из-за простоев судов в ремонте связаны для многих судов с заменами изношенных листовых элементов, в том числе, изношенной наружной обшивки.

Нет сомнения, что скорость проникновения коррозионных разрушений должна быть связанна с небольшим количеством некоторых главных и эксплуатационных факторов, определяющих зоны локализации и интенсивность разрушений пластин. К сожалению, сложность процессов, идущих например, на наружной поверхности обшивки судов, не позволяла пока связать ожидаемые скорости разрушений и прогнозировать места их возникновения иначе, чем путем сбора и на основании анализа статистических материалов по характеристикам износов на эксплуатирующихся судах.

По действующим Правилам Регистра предусматривается увеличение толщины элементов конструкции корпусов («надбавки на коррозию») только в зависимости от наименования судового перекрытия и назначения транспортного судна- сухогруз или танкер. Получается, что ни система набора ни размерения судна, ни форма, размеры и толщина пластин обшивки, ни их заглубление - поперечная нагрузка на процессы изнашивания существенно не влияют. С этим трудно согласится. Тем более, что в составе флота России продолжают эксплуатироваться суда ряда проектов с необычно высокими скоростями и специфической формой опасного «канавочного» износа наружной обшивки. Известно, что это многочисленные суда смешанного плавания и некоторые морские суда с продольной системой набора днища. Постоянно отмечается и линейный износ обшивки бортов , особенно после её гофрировки, на транспортных и промысловых судах с поперечной системой набора этих перекрытий.

Целью диссертации является оценка влияния наиболее вероятных конструктивных и эксплуатационных факторов, определяющих места возникновения, их перемещения и скоростей проникновения местных коррозионных разрушений пластин наружной обшивки судов.

Для достижения поставленной цели требовалось: уточнить имеющиеся сведения о зонах возникновения средних и максимальных скоростях местного изнашивания листов наружной обшивки днища и объемах замен обшивки на судах проектов, известных специфической формы наиболее опасной канавочной коррозии; выбрать из числа современных теорий изнашивания металлов такую, которая позволяла бы ввести в число главных параметров, определяющих характер разрушения, наиболее явные конструктивные и эксплуатационные факторы, характерные для работы пластин наружной обшивки в составе корпусов судов; экспериментально исследовать связи между главными факторами, определяющими места и скорость проникновения разрушений металла с конструктивными и эксплуатационными условиями работы пластин наружной обшивки, их размерами и нагрузкой; получить зависимости для приближенной оценки мест и скоростей проникновения разрушений пластин наружной обшивки судов при некоторых изменениях их размеров и величин действующей поперечной нагрузки; проанализировать путем математического эксперимента, влияние некоторых конструктивных и эксплуатационных факторов на ожидаемые годовые потери металла с поверхности пластин обшивки, места и скорости ожидаемых разрушений а также разработать предварительные рекомендации по управлению опасным разрушением наружной обшивки и частотой их необходимых замен при ремонтах, путем конструктивных мероприятий при проектировании судов с учетом ожидаемых действующих нагрузок на пластины. Часть из этих задач решена в диссертационной работе. Новые научные положения и результаты. Наиболее важными научными результатами, полученными лично соискателем, являются: экспериментально найдены зависимости потенциала поверхности образцов из корпусных сталей ВСтЗсп4 и 09Г2, в контакте с электролитом (имитатом морской воды), при деформациях растяжения и сжатия их в упругой и упругопластической зонах; обоснована и проверена применимость современной теории местных разрушений при контакте разных металлов, с некоторыми дополнительными допущениями, для приближенного расчета ожидаемых мест и скоростей проникновения разрушений для балок-полосок, вырезанных из борта судна с поперечной и днища судна с продольной системами набора. Получено качественное и приближенное количественное совпадение расчета с результатами обследования конструкций реальных судов; предложена методика и разработана программа для расчетного на ПЭВМ определения мест локализации и скоростей проникновения разрушений пластин наружной обшивки днища судна, жёстко защемленных по периметру. Расчет учитывает изменение толщины и соотношение длин кромок пластин, в диапазоне реальных равномерно распределенных нагрузок, обеспечивающих деформацию поверхности пластин в границах зоны упругости; путем математического эксперимента проверено влияние вариаций соотношения размеров пластин, их толщины и действующих поперечных нагрузок, на ожидаемые годовые потери металла с одного квадратного метра площади наружной обшивки и осреднённые максимальные скорости местных годовых разрушений пластин.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что: получена возможность прогнозирования мест ожидаемой локализации износов и скоростей разрушения пластин, если известно поле деформаций их поверхности, находящееся в контакте с электролитом; построены расчетные графики относительных изменений годовых потерь металла с поверхности пластин и осредненных максимальных скоростей проникновения местных разрушений в определенных их зонах в зависимости от изменения их толщины размеров и формы пластин при разной величине действующей равномерно распределенной нагрузки; предложен метод практических расчетов зон локализации и скоростей разрушения пластин судовой обшивки, для которых может быть определено поле относительных деформаций поверхности и известны характеристики металла и среды (забортной воды) на границе их контакта; получена возможность более обоснованного, чем в настоящее время, определение «надбавок на коррозию» при проектировании судовых корпусов, в выборе толщин листов наружной обшивки при модернизации или ремонте судов, а также, при оценке технического состояния судов и прогнозировании его изменения в процессе эксплуатации.

На защиту выносятся: результаты экспериментального исследования зависимости изменения потенциала поверхности листов из корпусных сталей ВСтЗсп4 и 09Г2 на границе контакта их с имитатом морской воды от величины относительной деформации поверхности при растяжении и сжатии в упругой и упругопластической зонах; методика определения характеристик изнашивания пластин наружной обшивки судов в зависимости от их формы, размеров и величины действующей нагрузки; рекомендации по учету изнашивания пластин обшивки судов при их проектировании, модернизации и прогнозировании изменения технического состояния в зависимости от условий эксплуатации.

Внедрение результатов исследований. Полученные результаты были использованы при разработке «Инструкции по подкреплению корпусов судов проектов №№781 и 1557». №91-65.001 ВИПК, принятой к сведению Западному речному пароходству (ЗРП, ныне ООО «Западфлот»), эксплуатирующему большую группу судов смешанного плавания. Автор диссертации была ответственным исполнителем при разработке этой «Инструкции».

Теоретические и экспериментальные материалы, полученные в работе, вошли в учебные пособия, изданные для повышения квалификации специалистов рыбного хозяйства, занятых эксплуатацией и ремонтом судов промыслового флота (1989г.), и обучения курсантов Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (1994г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: XII - XV, XIX Межвузовских НТК профессорско - преподавательского состава, аспирантов и сотрудников Калининградских вузов МРХ СССР (Калининград, 1984 - 1987 и 1991г.); III НТК «Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов» (Калининград,1984), IX Дальневосточной НТК им. Баранова Н.В. «Повреждаемость и повышение эксплуатационной надежности судовых корпусных конструкций» (Владивосток, 1984); Всесоюзной НТК «Защита от коррозии и обрастания» (Калининград, 1986); IV Межотраслевой НТК «Защита судов от коррозии и

14 обрастания» (Ленинград - Мурманск, 1989); Научно методических конференциях преподавательского состава и сотрудников БГАРФ (Калининград, 1993 - 1994, 1996г.); Международной НТК посвященной 40 - летаю пребывания КГТУ на калининградской земле (Калининград 1998); П Международной конференции и совещании госкомрыболовства России с начальниками госадминистрации морских рыбных портов по безопасности мореплавания (Калининград, 1999); IV Межвузовской НТК аспирантов и соискателей «Научно - технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров» (Калининград, 2000).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографического списка использованной литературы из 63 наименований. Она содержит 187 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 12 таблиц и 2 приложений.

11. Результаты исследования и предлагаемая методика расчетного определения ожидаемых разрушений пластин НО судов, как нам кажется, впервые позволили связать скорость разрушений конкретных элементов судовых конструкций с их напряженно-деформированным состоянием. Сведения эти должны учитываться при конструировании корпусов судов для прогнозирования ожидаемых скоростей изнашивания и учета их при назначении толщин связей.

12. При ремонтах судов, понимание причин возникновения опасных местных разрушений должно позволить выбрать вариант и усилить (модернизировать) неудачную конструкцию и тем самым повысить эффективность эксплуатации судов. Новые сведения о характере разрушений пластин обшивки позволяют уточнить методы дефектации конструкции и прогнозирования изменений их состояния во времени.

13. Приближенный расчет экономической эффективности использования рекомендаций по усилению НО судов пр. 781 подтвердил целесообразность выполнения таких работ на эксплуатирующихся судах с аналогичной конструкцией корпуса, где также возникают проблемы канавочной коррозии.

Продолжение исследований в этом направлении может дать существенный выигрыш благодаря более рациональному распределению металла в составе корпуса как следствия учета закономерностей изнашивания элементов конструкций корпусов судов.

1. Акимов Г.В. Теория и методы исследования коррозии металлов. М., Изд. АН СССР, 1945,414 с.

2. Архангородский А.Г., Розендент Б.Я., Семенов Л.Н. Прочность и ремонт корпусов промысловых судов. Л., Судостроение, 1982.

3. Бавыкин Г.В. Некоторые результаты изучения износа обшивки днища корпусов судов смешанного плавания типа "Балтийский" /пр. 781/, труды ЛИВТ, вып. 152, Транспорт, 1976.

4. Беленький Л.М., Осняч A.A. Продление срока службы корпусов судов. Тезисы докладов Всесоюзной НТК "Научно-технический прогресс в судоремонте в новых условиях хозяйствования". Л.: Судостроение, 1991, с. 64-65.

5. Беленький Л.М. Проблемы проектирования ремонта корпуса судна. Тезисы докладов ВНТК "Научно-технический прогресс в судоремонте в новых условиях хозяйствования. Л.: Судостроение, 1991, с. 62-64.

6. Беленький Л.М. Расчет судовых конструкций в пластической стадии. Судостроение, Л., 1983,448 с.

7. Бельчук Т.А., Гатовский K.M., Кох Б.А. Сварка судовых конструкций. Л., Судостроение, 1980. 448 с.

8. Богомолов Д.М. Исследование коррозионного разрушения корпусных конструкций на БМРТ 394 по фактическим данным ультрозвуковых измерений толщин, выполненных при дефектации корпусных конструкций, Информационно-технический сборник, 1970, № 9.

9. Ю.Богорад И.Я., Искра Е.В., Климова В.А., Кузьмин Ю.Л. Коррозия и защита морских судов. Л., Судостроение, 1973, с. 39211 .Бойцов Г.В. Оптимизация металлоемкости корпусных конструкций с учетом коррозионного износа. Судостроение, 1987, № 11, с. 8-12.

10. Бойцов Г.В. Проект новых норм прочности морских судов. Конференция по строительной мех. корабля памяти акад. Ю.А. Шиманского. Тезисы докл. С.-Петербург, 1999, с. 5-8.

11. Брикер A.C. Оценка технического состояния корпусов морских судов. -"Труды ЦНИИМФ", Л., Транспорт, 1974, вып. 186, с. 88-100.

12. Бронский А.И. Корпусные конструкции судов промыслового флота. Л., Судостроение, 1978, с. 200.

13. Бюллетень № 1 дополнений и изменений к Правилам Регистра СССР. 1977. Регистр СССР, Л., Транспорт, 1978, с. 11-18.

14. Бюллетень № 2 дополнений и изменений к Правилам Регистра СССР. 1977. Регистр СССР, Л., Транспорт, 1979, с. 10-11.

15. Гольденберг И.З. Закономерности местного коррозионного разрушения элементов судовых технических средств: Учебное пособие. Калининград, ВИПК Минрыбхоза СССР, 1989 - 40 с.

16. Давыдов В.В., Маттес Н.В., Сиверцев И.Н., Трянин И.И. Прочность судов внутреннего плавания. Справочник. М., Транспорт, 1978, 520 с.

17. Егоров Г.В., Козляков В.В. Уроки аварий судов смешанного плавания, связанных с переломом корпуса. Конференция по строительной механике корабля памяти проф. П.Ф. Панковича. Тезисы докладов. С.Петербург, 2000. с. 14-15.

18. Инструкция по подкреплению корпусов судов проекта №№ 1781 и 1557. № 91-65.001. ВИПК. Калининград, 1992.

19. Иоссель Ю.Я., Кленов Т.Э., Павловский P.A. Расчет и моделирование контактной коррозии судовых конструкций. Л., Судостроение, 1979, 264 с.

20. Иоссель Ю.Я., Кленов Ю.Я. Математические методы расчета электрохимической коррозии и защиты металлов. Справочник. М., "Металлургия", 1984, 272 с.

21. Ищенко С.С., Трунов Е.К. Исследование работы судовых пластин в уп-ругопластической области с учетом распора. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова. Повреждаемость и предельная прочность судовых конструкций. Калининград, 1984. - Вып. 1.-е. 13-17.

22. Карпенко Г.В., Замостяник И.Е., Бабей Ю.И., Похмурный В.И. Определение напряжений в микрообъемах металла с помощью электродного потенциала. Физико-химическая механика материалов, № 5,1969, с. 635-636.

23. Козляков В.В. Анализ повреждений бортовых конструкций навалочных судов. Конфер. по строит, мех. корабля пам. ак Ю.А. Шиманского СПб, 1999.-е. 8-10.

24. Кузьминов С.А. Сварочные деформации судовых корпусных конструкций. JL, Судостроение, 1974.

25. Лещинская Г.И. Влияние разницы деформации элементов конструкций на скорость местной коррозии. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова, Вып. 2, 1984, с. 49-54.

26. Логан Х.Л. Коррозия металлов под напряжением. М., Металлургия, 1970, 340 с.

27. Лусников В.Ф., Шурпицкий A.B. Коррозионный износ корпусов судов смешанного река море плавания. Сб. ЦБНТИ Минречфлота "Передовой опыт и новая техника", вып. 9 /57/, М., Транспорт, 1978, с. 23-31.

28. Люблинский Е.Я., Пирогов В.Д. и др. Коррозия и защита судов. Справочник. Л., Судостроениие, 1987.-367с.

29. Максимаджи А.И. "Износ и коррозия при нормировании прочности корпусов судов". В кн.: Прочность и защита от коррозии корпусов морских судов. - Л.: Транспорт, 1984, с. 3-8 (ЦНИИ морского флота).

30. Максимаджи А.И., Беленький Л.М., Брикер A.C., Неугодов А.Ю. Оценка технического состояния корпусов морских судов. Л., Судостроение, 1982, с. 156.

31. ОСТ 5.9807-80 корпуса металлических судов. Методы определения и предотвращения остаточных сварочных деформаций

32. Палий О.М. Принципы создания рациональных узлов судового корпуса. Судостроение, 1987, № 1, с. 5-7.

33. Регистр СССР. Правила классификации и постройки морских судов. Л. «Транспорт», 1985

34. Прохнич В.П., Семенов Л.Н. Износ наружной обшивки судов промыслового флота. Сб. «Судоремонт флота рыбной промышленности» №24, Л., Транспорт, 1974, с.43-46.

35. Расчет местной прочности. 781-020-40, ГСНХ, КБ завода "Красное Сормово", 1959,44 с.

36. Расчет общей прочности. 781-020-40, ГСНХ, КБ завода "Красное Сормово", 1959, 137 с.

37. Розенфельд И.Л. Коррозия и защита металлов /локальные коррозионные процессы/. М., Металлургия, 1969,448 с.

38. Романов B.B. Влияние растягивающих напряжений на скорость коррозии металлов В сб. науч. тр. /ин-та металлургии им. Байкова, вып. 8. -М.: АН СССР, 1981, с. 149-159.

39. Семенов Л.Н. Некоторые вопросы прочности бортовой обшивки промысловых судов при ремонте. Автореф. дисс. к.т.н., Калининград, КТИРПиХ, 1968.

40. Сергеев В.И. Коррозионный износ корпусов судов внутреннего плавания. Труды НТО ВТ. Сб. "Защита морских судов от коррозии", М., Морской транспорт, 1958, с. 26-32.

41. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защита металлов. М., изд. АН СССР, 1969, 591 с.

42. Ферин А.Д. О повреждении бортов транспортных рефрижераторов /ТР/ при швартовых в море. В сб. Износы и нормирование дефектов корпусов судов. Материалы по обмену опытом. Вып. 103, Л., 1968, с. 4-9 /НТО Судпрома/.

43. Хейфец В.Л. О влиянии элементов конструкции на коррозионные процессы. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 7. М., Оборонгиз, 1945, 36 с.

44. Чувиковский B.C., Палий О.М. Основы теории надежности судовых корпусных конструкций. Л., Судостроение, 1976.

45. Шурпицкий A.B. Анализ коррозионного износа закрытых сварных соединений корпусов судов смешанного плавания. В сб. тр. молод, науч. работа. /ЛИВТ; Техническая эксплуатация флота и совершенствование судоремонта. - Л.: 1976, с. 70-78.

46. Шурпицкий A.B. Исследование коррозионного износа и технологии ремонта закрытых сварных соединений корпусов судов смешанного плавания. Кандид, дисс. ЛИВТ, 1981.

47. Шлугер М.А., Ажогин Ф.Ф., Ефимов Е.А. Коррозия и защита металлов. М., Металлургия, 1981, 216 с

48. Champion F.A. Corrosion Testing Procedures Chapman and Hall, London, 1952, p. 137.

49. Brown W.F., Srawley J.E. Plane Strain Jrack Soughnas Testing of High Strength Metallic Materials, ASTM STP 410, 1966.

50. Scheil M.A. Symposium on Stress Corrosion Cracking of Metals, 1944, 395 (ASTM, A. YME).1. Прилож^^е 11. РЕГИСТР СССР1. КАЛИНИНГРАДСКАЯ ИНСПЕКЦИЯ236006, Калининград областной, Телеграфный адрес: Телефоны;

51. Права» наб., 2 Калининград областной, 3-74-201. Регмстр 3-22-403.91-71

52. N. Т7.0в.92 г ВСЕСОЮЗНЫЙ ИНСТИТУТ н. №4-712 от 23.07.92 ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ1. РЕКТОРУ А.С.БЕСТУЖЕВУ

53. Инспекция Регистра рассмотрела и приняла к сведению "Инструкцию по подкреплению корпусов судов проектов 781 и 1557 » 91-65.001 ВИПК.

54. Считаем затронутую тему весьма актуальной для судов вмешанного "река-море" плавания.

55. До сих пор не исследовано влияние "перегиба" корпуса, характерного для судов смешанного плавания на общую прочность, значение которого на судах проектов 781 и I5S7 в настоящее время достигает 300+400 мм в средней части судна.

56. При дальнейших разработках на эту тему, "оосим учесть указанные рекомендации.1. И.О.НАЧАЛЬНИКА ИНСПЕКЦИИ1. Исп. Радьков B.C. 455120V7 М. П. К0Н0БЕЕВСКИЙС1. КГТ За«. 30347 Тир. 10000