Усталость судовых конструкций вследствие местной вибрации

Характерные повреждения судовых конструкций, их причины и источники

Основными источниками местной вибрации корпусных конструкций являются гребные винты и судовые механизмы. Опасной, вызывающей повреждения вибрации подвержены прежде всего пластины. В первом случае вибрация возбуждается пульсирующими гидродинамическими давлениями, изменяющимися с лопастной частотой, а во втором — колебаниями опорного контура, которые генерируются неуравновешенными усилиями от работы механизмов. По данным Е. Н. Щукиной, и те и другие распространяются не более чем на 0,25 длины судна от источника вибрации.

Вопрос об определении величин пульсирующих гидродинамических давлений, создаваемых гребными винтами, освещен во многих исследованиях. Величина и частоты неуравновешенных усилий от работы механизмов приводятся в технической документации на поставку механизмов и также исследовались рядом авторов.

Появление трещин в пластинах судовых корпусных конструкций является следствием усталости в условиях резонансных и околорезонансных колебаний. В большинстве случаев трещины расположены по контуру пластин, платформ, переборок (иногда бортовых и днищевых перекрытий), находящихся в районе кормовой оконечности и машинного отделения.

Сотрудниками кафедры конструкции судов Морского института ДВГТУ проведены многочисленные исследования вибрационных повреждений корпусных конструкций судов, эксплуатирующихся в Дальневосточном бассейне.

Наиболее характерными и с точки зрения количества и расположения трещин, и с точки зрения причин, их вызывающих, являются суда типа «Варнемюнде», большая часть которых (14 ед.) эксплуатировалась и эксплуатируется Дальневосточным и Балтийским морскими пароходствами. Для этих судов характерен очень высокий уровень вибрации, что отрицательно влияет на самочувствие экипажа и приводит к большому количеству усталостных трещин. Причин такого положения несколько.

Во-первых, неуравновешенность агрегатов силовой установки, и прежде всего, главного двигателя в сочетании с недостаточно правильным, как показали натурные эксперименты, его креплением. Также очень высок уровень вибрации турбокомпрессоров и связанных с ними труб выхлопных газов; неправильно, с точки зрения необходимой жесткости, спроектированы конструкции крепления этих агрегатов, что привело к околорезонансным колебаниям.

Во-вторых, чрезмерно высокие пульсации гидродинамического давления на наружную обшивку в кормовом подзоре при вращении винта.

В-третъих, необычно низкая жесткость практически всех внутренних конструкций кормовой оконечности (переборки, перекрытия, платформы), а также конструкций довольно развитой надстройки. На рис. 4.1.1—4.1.3 показаны вид и расположение трещин в платформах, продольных и поперечных переборках в кормовой части судов типа «Варнемюнде».

Платформа, являющаяся дном двух смежных танков питьевой воды, расположенных симметрично от ДП (см. рис. 4.1.1), а возле бортов — проницаемой платформой танков мытьевой воды, имеет наибольшее число трещин по сравнению со всеми другими конструкциями, причем трещины в основном располагаются в танках питьевой воды (ближе к ДП). Кроме трещин в листах, главным образом по их контуру, наблюдаются трещины в стенках бимсов вдоль линии их крепления к пластинам, а также по концам опорных книц. Последнее обстоятельство свидетельствует о повышенной вибрации всего перекрытия. Аналогичные повреждения обнаружены в расположенных ниже платформе, являющейся дном танков мытьевой воды, и верхней платформе ахтерпика, а также в подволоке расположенного в нос от ахтерпика балластного танка.

Рис. 4.1.1. Повреждения днища танков пресной воды № 51 и 52 на теплоходах «Пестово» и «Псков» (тип «Варнемюнде»):

1 —трещины Закачивая описание повреждений в горизонтально расположенных перекрытиях, следует отметить, что все они расположены либо над винтом, либо в непосредственной близости от него, а основной предпосылкой появления трещин является наличие концентраторов напряжений — сварных швов, вырезов и жестких точек.

Повреждения поперечных переборок проиллюстрируем на примере ахтерпиковой переборки (см. рис. 4.1.2). Участок переборки между платформами ахтерпика имеет трещины вдоль горизонтального участка рецесса шахты аварийного выхода по правому борту и вдоль линии притыкания верхней платформы ахтерпика также у правого борта. Сосредоточение трещин по правой стороне переборки наблюдается на участке от верхней платформы ахтерпика до днища танка мытьевой воды. Левая половина переборки на протяжении всего ахтерпика повреждений не имеет. Это объясняется более высоким по правому борту уровнем гидродинамических давлений от винта и, следовательно, вибрации. Участок ахтерпиковой переборки между дном танков питьевой и мытьевой воды отличается наибольшим числом трещин, причем они возникают не только в листах, но и в стенках ребер жесткости вдоль сварных швов. Аналогичные повреждения наблюдаются в расположенной непосредственно в плоскости винта поперечной переборке, отделяющей танки пресной воды от румпельного отделения, и в переборке, разделяющей балластные и топливные танки.

Рис. 4.1.2. Повреждения ахтерпиковой переборки теплохода «Пестово» (12 шп., см. в корму):

1 —трещины Таким образом, у расположенных вертикально переборок источник появления трещин тот же, что и у горизонтальных перекрытий, — концентраторы напряжений. Однако есть и некоторые особенности в характере расположения трещин. Эти особенности, связанные с переменным уровнем соприкасающейся жидкости, отчетливо проявляются на продольных переборках между танками питьевой и мытьевой воды (см. рис. 4.1.3). В этих конструкциях трещины возникают только в нижней половине образующих их длинных пластин (соотношение сторон более 2,5). Причиной этого является нецилиндричность формы изгиба пластин в вертикальном направлении, т. е. район максимальных амплитуд поперечных колебаний смещается вниз вслед за понижением уровня жидкости в танках.

Рис. 4.1.3. Повреждения продольных переборок между танками пресной воды на теплоходе «Пестово»:

1 —трещины Отметим, что при зарождении трещин в углах колеблющихся пластин, что происходит достаточно часто, речь идет о виде напряженного состояния, который можно охарактеризовать как двухосный изгиб.

Описанные повреждения, разрушающие несущие конструкции, опасны еще и тем, что приводили к перемешиванию питьевой и мытьевой воды, полной утечке пресной воды в ахтерпик, утечке топлива в балластные танки с последующим выбросом за борт и попаданию балластной воды в топливо.

Вибрационные повреждения в конструкциях кормовой оконечности наблюдаются и на других типах судов, например на транспортном рефрижераторе «Охотское море» (рис. 4.1.4). Здесь также большинство повреждений имеет место в легких конструкциях кормовой оконечности, находящихся в непосредственной близости от основных источников вибрации.

Характерные повреждения наружной обшивки зафиксированы на РТМ «Атлантик» и краболовных ботах проекта 4.423/4. В первом случае повреждения днищевой обшивки возникают в районе непосредственного воздействия пульсирующих гидродинамических давлений от гребных винтов (рис. 4.1.5). При этом колебания не обязательно должны иметь резонансный характер, а повышенный уровень напряжений может быть обусловлен неверной оценкой величины гидродинамических давлений. Во втором случае причиной появления трещин являются резонансные колебания пластин днищевой обшивки в районе моторного отделения бота (рис. 4.1.6), т. е. возбудителем вибрации в этом случае является дизель.

Аналогичные повреждения в разное время были обнаружены на ряде судов проектов 3959 (СРТР-400) и 391а (СТР-300). Эти данные (табл. 4.1.1) опубликованы в технической информации Главного управления Морского Регистра СССР в 1976 г.

Рис. 4.1.4. Повреждения кормовой оконечности транспортного рефрижератора «Охотское море» (а) и расположение трещин в поперечной переборке (б):

1 —трещины.

Рис. 4.1.5. Трещины в поперечной переборке (а) и обшивке днища РТМ.

«Атлантик II» (б):

1 — трещины; 2 — плоскость диска винта; 3 — ДП.

Рис. 4.1.6. Повреждения обшивки днища краболовных ботов проекта 4.423/4 в районе моторного отделения:

1 — трещины; 2 — моторное отделение.

Таблица 4.1.1

Трещины в обшивке днища и бортов в машинных отделениях рыбопромысловых судов.

Трещины возникли в обшивке днища и бортов в машинном отделении и носят усталостный характер. Источниками вибрации, очевидно, послужили агрегаты силовой установки этих судов. В информации отмечено, что в различное время на судах были заменены дизель-генераторы на более мощные. Небезынтересно, что коррозионный износ в момент фиксации повреждений составлял 35—40%. Сопоставление года постройки судов и даты обнаружения повреждений показывает, что речь идет о 4—15 годах эксплуатации, при среднем сроке эксплуатации 11 лет. Трактовать эту информацию можно следующим образом. Во всех случаях имеет место многоцикловая усталость. Если колебания носили резонансный характер, то с учетом достаточно высокой частоты собственных колебаний пластин наружной обшивки необходимое число циклов может быть наработано в течение нескольких десятков суток. Если колебания являются вынужденными, то и в этом случае при среднеоборотных главных дизелях усталостный ресурс также вырабатывается достаточно быстро. В последнем случае установка более мощных дизель-генераторов должна была привести к увеличению параметров вынужденных колебаний и тем самым ускорить процесс появления трещин. Отрицательное влияние, безусловно, оказала коррозия. При этом вследствие уменьшения толщины пластин мог возникнуть отсутствовавший в исходном состоянии резонанс, что ускорило появление повреждений.

Приведенная выше информация не является исчерпывающей. Проанализированы лишь наиболее характерные повреждения некоторых типов судов.