Усталость судовых конструкций, вызванная общей вибрацией корпуса

Анализ повреждений

При эксплуатации крупных судов (прежде всего танкеров и навалочников) в их корпусах достаточно часто появляется сильная вибрация при плавании на сравнительно слабом волнении. При этом колебания напряжений в продольных связях корпуса имеют частоту собственных колебаний корпуса первого тона, но в отличие от колебаний, возникающих при различных ударных волновых воздействиях на носовую часть, носят незатухающий характер. Проблема волновой вибрации привлекла внимание специалистов в связи с обнаруженной тенденцией к увеличению ее параметров с ростом размерений судов, повышением их скорости и относительным снижением изгибной жесткости корпусов. Снижение изгибной жесткости обусловлено применением высокопрочных сталей, а также уменьшением отношения высоты к длине корпуса (мелкосидящие суда, суда смешанного плавания). Как отмечалось при мореходных испытаниях крупнотоннажных танкеров (по данным Г. В. Бойцова), вибрационные напряжения при сравнительно небольшом волнении (с высотами волн 3—5 м) могут быть соизмеримы с обычными низкочастотными напряжениями от изгиба корпуса на волне. С увеличением интенсивности волнения наблюдалось снижение вибрационных напряжений до полного их исчезновения. Отмечено существенное (до двух раз) повышение уровня вибрационных напряжений при бульбовой форме носовой оконечности.

Другой причиной общей вибрации корпуса является слеминг (днищевой или бортовой). Продолжительность ударного импульса при днищевом слеминге составляет сотые доли периода килевой качки, а при бортовом слеминге — десятые доли того же периода. Малая продолжительность отдельных ударных импульсов и сравнительно большие, измеряемые минутами, случайные интервалы между смежными последовательными импульсами обусловливают возникновение свободных колебаний корпуса судна разных тонов. Высшие тона этих колебаний очень быстро затухают и почти не прослеживаются на осциллограммах напряжений. Практическое значение имеют лишь колебания корпуса первого тона (двухузловые колебания), которые тоже достаточно быстро затухают в течение двух-трех периодов килевой качки (—20 с), но за это время соответствующие напряжения накладываются на волновые напряжения (рис. 3.1.1) и напряжения на тихой воде от общего изгиба. В то же время эти циклически изменяющиеся напряжения вносят свой вклад в процесс накопления усталостных повреждений.

Рис. 3.1.1. Наложение напряжений при ударе.

Напряжение, МПа Приведем достаточно подробный анализ повреждений вследствие общей вибрации корпуса, выполненный Н. В. Барабановым и др. в книге «Повреждения и пути совершенствования судовых конструкций».

Результаты действия вибрации на грузовых судах проявляются уже в самые первые годы эксплуатации. Причинами возникновения трещин являются высокая концентрация напряжений в районе непроваров, дефектов сварных швов, ошибки, допущенные при проектировании конструкций. В первые же плавания судов в штормовых условиях в результате малоцикловой усталости возникают повреждения в наиболее напряженных конструкциях. Конструкции же менее напряженные, но имеющие исходные дефекты, некоторое время (разное для разных дефектов) продолжают накапливать усталостную поврежденность, и в какой-то период времени она проявляется в виде трещин.

Данные статистики не всегда отражают действительную картину поведения конструкций, так как некоторые повреждения в виде трещин завариваются без вмешательства инспекторов классификационных обществ и не учитываются статистикой. Тем более что заварка незначительных усталостных трещин, вызывающих течь, производится даже судовыми средствами и проявляется при авариях в более позднее время. Такие заваренные в море недостаточно квалифицированными сварщиками трещины чаще всего являются источником, причем более опасным, чем исходный дефект, серьезных усталостных или хрупких разрушений.

На танкерах максимальное число повреждений вследствие воздействия вибрации возникает к девяти годам как результат обычной, а не малоцикловой усталости. Это объясняется тем, что при изготовлении сварных конструкций танкеров выполнению сварных швов и контролю их качества уделяется большее внимание, чем на сухогрузных судах. Кроме того, на танкерах отсутствуют фальшборты и продольные комингсы, которые вместе дают, по японским данным, 11,6% всех повреждений, а на лесовозах — даже 24,7%. Эти конструкции наиболее напряжены и в то же время объективно далеко не оптимальны конструктивно, что ведет к скорому, иногда в первые недели эксплуатации, появлению повреждений, т. е. вследствие малоцикловой усталости.

В результате исследований, проведенных в Греции {Antoniou А. С.), получены данные о повреждениях крупных танкеров водоизмещением 30—100 тыс. т. Установлено, что 87% повреждений приходится на центральные грузовые танки (25 652 трещины), и основной причиной их возникновения является усталость при высокой концентрации напряжений. Установлено также, что особенно часто усталостные трещины на танкерах возникают в продольных переборках и бортах. Длина 30% обнаруженных трещин не превышала 100 мм, а 60% — 300 мм. Наблюдения показали, что скорость распространения отдельных трещин достигала 250—300 мм в год. По данным, собранным за много лет, оказалось, что за период эксплуатации танкера в 22 года на каждом судне может возникнуть до 2000 трещин.

Характерен пример серии мелкосидящих танкеров типа «Олег Кошевой». По данным А. И. Максимаджи, из 35 танкеров, эксплуатировавшихся в Каспийском море, через 6—15 лет 22 судна получили повреждения корпусных конструкций. Спецификой волновых режимов Каспийского моря является наложение ветровых волн и зыби разных направлений из-за частой смены ветров, которое создает состояние моря, называемое «толчея». При малых осадках в балласте и повышенной гибкости корпуса, при состоянии моря 4—5 баллов это приводило к волновой вибрации. Амплитуды напряжений в палубных связях на миделе достигали 60 Мпа. На 15 судах появились трещины в основных продольных связях палубы и днища. Трещины возникали в среднем через девять лет после начала эксплуатации в палубе, в районах различных вырезов, и в днище, в районах пересечения продольных балок с поперечными переборками. Все это указывает на усталость как возможную причину возникновения повреждений.