Актуальность работы.
По данным мировой и отечественной статистики, более 30% всех навигационных аварий морских судов происходит на акватории портов [1], т. е. значи-• тельно больше, чем на других судоходных участках. Преобладающими среди них являются аварийные навалы, абсолютное большинство которых происходит в процессе швартовных операций. Поэтому, эксплуатационная безопасность причалов играет значительную роль для снижения аварийности флота.
В последние годы в Российской Федерации наблюдается повышение внимания к состоянию разнообразных строительных сооружений. Это в значительной степени относится и к причальным сооружениям российских морских и речных портов, так как они являются важным звеном существующей транспортной инфраструктуры [2, 3, 4]. Причины повышенного внимания к состоянию причальных сооружений, кроме уже названного физического и морального ® старения: переход на государственный контроль над эксплуатацией сооруженийусложнение условий строительства причальных сооружений (глубоководные сооружения, сложные геологические условияв районах действующих портов) — усиление материальной ответственности (в связи с рыночными отношениями) за дефекты сооружений и судов, полученные в результате нарушения норм.
Известно, что 2003 год объявлен критическим по выработке сроков эксплуатации значительной части сооружений и оборудования в стране. Причем большинство сооружений имеет не только физическое, но и моральное старение. Причальные сооружения, возводившиеся на побережье Дальнего Востока (ДВ), по продолжительности эксплуатации, так же подходят под этот критический срок. Из существующих причалов на ДВ побережье около 75% было построено с 1960 по 1985 г. Так как срок службы причальных сооружений опре-ф деляется нормами в 30−40 лет, в первое десятилетие после 2000;го года заканчиваются нормативные сроки их эксплуатации.
Одно из следствий повышенного внимания — возросшее количество обследований и анализ ранее проведенных обследований. Так в соответствии с требованиями норм [5, 6], периодичность проведения очередного инспекторского обследования портовых сооружений должна быть не более 5 лет. До недавнего времени такие обследования проводились один — два раза за весь период эксплуатации сооружения, т. е. через 15−20 лет. По требованию норм кроме очередных обследований проводятся первичные — при приемке под государст-^ венный надзор и внеочередные — при нарушении условий эксплуатации.
Основные конструкции причальных сооружений, используемые в портах Приморского края следующие: стенки типа больверк из стального шпунта (54 причального фронта по данным автора) — гравитационные стенки из обыкновенных массивов (30% причального фронта). Таким образом, можно считать, что больверк из стального шпунта и стенка из обыкновенных массивов занимают подавляющую часть причальной линии на Дальнем Востоке, причем между ними соотношение приблизительно 2:1 в пользу больверка. ® Благодаря возросшему количеству обследований выявляются некоторые типовые дефекты эксплуатируемых на Дальневосточном бассейне причалов [7]. Для сооружений типа больверк из стального шпунта: разрушение ж/б надстройки от воздействия природных факторов, борта судна и перемещаемых грузовобрыв либо ухудшение эксплуатационных качеств ОУкоррозия шпунта в переменном уровнедефекты шпунтовой стенки: нахлест шпунтин, выполненный при производстве работ, нестандартные клиновые шпунтины, расхождение замков по всей высоте, либо в нижней части. Причальные сооружения в виде стенки из обыкновенных массивов: разрушение надстройки и ОУ также ф как для больверкаразмыв монолитного бетона под надстройкой вблизи переменного уровняразрушение массивов стенки вблизи переменного уровня в результате некачественного изготовленияразмыв основания стенки в результате работы винтов судов.
Для названных типов стенок значительное распространение имеет дефект — отклонение шпунта или массивов от проектного положения в подводной части на величину, превосходящую допустимую (наиболее опасно — в сторону акватории, в районе дна). Как показывают исследования конструкций причалов, данное отклонение в большинстве случаев образуется при производстве работ. Такое отклонение стенки, а так же обрыв отбойных устройств непосредственно влияют на эксплуатационную безопасность причалов, т. е. повышает вероят-> ность соприкосновения борта судна с частями конструкции причала, для этого не предназначенными.
Проблема сверхнормативного отклонения шпунта достаточно актуальна в • связи с тем, что, на Дальневосточном бассейне имеется около 170 причалов с подобным отклонением шпунта (как показывают исследования автора, такое отклонение имеют практически все причалы на ДВ бассейне типа больверк из стального шпунта).
Отклонение стенки, превосходящее нормативное, требует изменения эксплуатационных параметров причала: уменьшения осадки судна, его допустимого крена, размеров отбойных устройств, ширины надстройки. Как показывает практика, важно определить точно уменьшение осадки судна, так как изменение осадки даже на небольшие величины оказывает большое влияние на эконо-ф мические показатели использования причала. Для примера, если общая осадка судна около 8 м увеличение ее всего на 20 см, даст увеличение водоизмещения судна около 5000 т, что в свою очередь соответствует небольшому судну.
Вместе с тем важнейшая роль в обеспечении эксплуатационной безопасности причалов принадлежит ОУ (отбойным устройствам).
Общей тенденцией развития флота является стремление к повышению провозной способности судов, достигаемой путем увеличения грузоподъемности, роста скорости грузообработки в порту. Эти факторы влияют на выбор оборудования причальных сооружений. От величин грузоподъемности и скорости движения зависит сила навала причаливающего судна, передаваемая через ОУ на причал. Усилия навала зависят от ветровых и волновых нагрузок, воспринимаемых стоящим у причала судном, тем больших, чем больше его разме-рения, увеличивающиеся с увеличением грузоподъемности. И, кроме того, ускорение грузообработки судна увеличивает число подходов и отходов судов к причалу, а, соответственно, и количество случаев приложения нагрузок к ОУ причалов [8].
Для обеспечения сохранности причальных сооружений и предохранения борта судна от повреждений необходима обоснованная оценка механизма взаимодействия между ними. В частности, необходимы анализ работы тех приспособлений и устройств при швартовке, назначением которых является обеспечение нормального взаимодействия судна с причалом. Такими приспособлениями являются ОУ, через которые непосредственно передаются усилия при подходе судов и их стоянке у причалов, предохраняющие судно и причал от навалов, повреждений и истирания.
В дальневосточном регионе эксплуатация ОУ имеет свою специфику, которая определяет частоту выхода их из строя и, следовательно, затраты на их восстановление. Достаточно острой для региона является проблема повышения надежности и совершенствования ОУ, установленных на причалах ДВ портов, а так же перспективы установки в этих портах новых ОУ.
Наибольшее количество дефектов ОУ наблюдается в виде обрыва ветвей подвески, что наиболее часто связано с неправильным изготовлением элементов подвески. Поэтому для повышения надежности важную роль играет определение необходимого шага установки и необходимых параметров подвески ОУ с использованием общедоступных элементов, с учетом условий ДВ бассейна.
Таким образом, тема исследований достаточно актуальна и продиктована практическими потребностями.
Цель работы.
Повышение эксплуатационной надежности причальных сооружений, применительно к условиям эксплуатации в портах Дальнего Востока.
Для этого были решены следующие задачи:
— выполнена обработка и анализ материалов обследований по выборке причальных сооружений (30 объектов), охватывающей большую часть разнообразных условий ДВ бассейна;
— разработана методика оценки эксплуатационных ограничений при отклонениях элементов конструкций причальных стенок, превышающих допустимые по нормам;
— разработаны технологические и конструктивные мероприятия по компенсации негативных последствий сверхнормативных отклонений;
— выполнены систематизация и анализ причин появления дефектов ОУ на причалах портов ДВ на основе опыта их эксплуатации;
— усовершенствована методика расчета и конструирования ОУ;
— выполнен анализ эксплуатационных показателей перспективных типов конструкций ОУ для ДВ портов.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые с учетом всех факторов с высокой точностью оценены изменения эксплуатационных параметров (осадки судна, его допустимого крена, размеров ОУ, ширины надстройки), необходимые для компенсации сверхнормативных отклонений причальных стенок, как в общем виде, так и для конкретных сооружений с определенными размерами отклонений. Так же впервые предложены мероприятия, проводимые при строительстве, позволяющие избежать возможности контакта судна с причалом в соответствии с принятой расчетной схемой.
Впервые сформулирован перечень возможных причин отклонения шпунта от проектного положения.
Впервые установлена главная причина выхода из строя ОУ ДВ портовтехнологически неправильное проектирование и изготовление коротких цепей подвесок ОУ, так же впервые предложена методика сборки коротких подвесок из старогодних цепей с учетом равной прочности и возможности стыковки и разработаны общие требования, повышающие надежность ОУ.
Впервые определена частота появления различных дефектов ОУ ДВ портов.
Предложена методика выбора размера арочного ОУ в зависимости от жесткости резины и допустимой нагрузки на борт судна.
Впервые обосновано назначение оптимального шага навески ОУ с учетом распределения энергии навала судна между несколькими ОУ при сжатии прямолинейным и закругленным участком борта.
Впервые в зависимости от параметров установки ОУ определено водоизмещение судов, которые могут подходить к причалу без буксиров.
Практическая ценность работы определяется возможностью использования разработанных методик и результатов исследований при определении ограничений эксплуатационных параметров (осадки и крена судна), необходимых для соблюдения требований норм при освидетельствовании причальных сооружений. Так же предложена практическая последовательность строительства причала типа больверк из стального шпунта, которая позволяет компенсировать неизбежно получаемые при забивке шпунта сверхнормативные отклонения.
В работе с помощью предлагаемой методики получены практические рекомендации по нескольким конкретным причальным сооружениям ДВ портов. Практическую ценность имеет так же классификация причин отклонения шпунта от проектного положения.
В работе приведены практические рекомендации по увеличению надежности ОУ в т. ч. методика выбора элементов подвески (цепей и скоб), исходя из принципа отсутствия ослабленного элемента с учетом возможности соединения цепей и скоб.
В результате анализа нагрузок и условий эксплуатации определены необходимые размеры цепей и скоб для подвески ОУ на причалах с различной глубиной, а так же имеющие практическую ценность шаги установки ОУ, которые оказались меньше, чем рекомендуемые по нормам. Приведена классификация основных дефектов ОУ и выявлены наиболее распространенные среди них, что может быть использовано при проектировании новых ОУ. В составе работы предложен способ определения предельного водоизмещения судна для швартовки без буксиров в зависимости от параметров подвески ОУ.
Предложены пригодные для практики схемы неравномерной развески ОУ для различных глубин у причалов. Практическое значения для современных реконструируемых причалов так же имеет сравнение свойств наиболее перспективных цилиндрических и арочных ОУ.
Апробация работы (реализация). Результаты работы были доложены на научно-технических конференциях ДВГТУ (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) в 1999, 2001, 2002 годах, на международном форуме молодых ученых в 2003 и 2005 годах и на заседании научно-технического семинара кафедры гидротехники в 2002 году.
Результаты исследований, промежуточные и окончательные, представлены в шести статьях, четыре — в сборниках ДВО РИА в 2000, 2001,2005 годах, две — в международном сборнике ДальНИИс-PACOMS в 2004 году.
Материалы работы получили высокую оценку на проводимом ежегодно III туре Всероссийского смотра-конкурса выпускных квалификационных работ по специальности «Гидротехническое строительство» — в 2003 году II место среди ДИР (B.C. Насыров, С-Петербург) и в 2004 году I место среди ДИР (Н.А. Лысенко, Самара).
Рекомендации, выработанные в работе, применены при составлении отчетов по обследованиям и паспортов сооружений в Находкинском рыбном порту в 2001 году и при ремонте отбойных устройств во Владивостокском рыбном порту в 2003 году. Некоторые положения работы использовались при обследовании причалов Находкинского МТП в 2002 году (см. приложение 3).
1. Состояние вопроса.
1.1 Общие положения.
В соответствии с требованиями нормативно-технической литературы и с учетом материалов обследования причальных сооружений ДВ портов внешние факторы, действующие на причальные сооружения и приводящие в конечном итоге к их разрушению, можно разделить на следующие группы:
— коррозионное разрушение материала сооружения от воздействия среды в виде химического воздействия агрессивной морской среды, льда, волнения, наносов- -воздействие технологических нагрузок на территорию- -технологические воздействия от судов (навал и размывающее действие винтов) — -воздействие обратной засыпки- -воздействие грунтовых вод.
Процесс механического взаимодействия судна с причалом оказывает значительное влияние на состояние конструкции самого причала и состояние корпуса судна. Дефекты корпуса, полученные от соприкосновения судна с конструктивными элементами причального сооружения, влияют на безопасность, гидродинамические характеристики и, следовательно, экономические показатели использования этого судна. В свою очередь дефекты стенки, вызванные взаимодействием с корпусом судна, требуют проведения дорогостоящего обследования и ремонта и уменьшают общую долговечность конструкции. Как показывает практика, большинство внеочередных обследований причалов проводятся именно в связи с воздействием судов.
Нагрузки на причальные сооружения, подлежащие учету согласно требованиям норм [9], подразделяются на постоянные и временные. Воздействие судна на причал относится к временной нагрузке (кратковременной) и принимается нормами в виде:
— швартовной нагрузки, вызванной натяжением швартовных тросов, от действия ветра на пришвартованное судно- -динамической нагрузки, вызванной навалом судна при швартовке- -нагрузки от статического навала стоящего у причала судна.
Все перечисленные нагрузки относятся к временным, кратковременно действующим нагрузкам и, как правило, входят в основное сочетание нагрузок при расчете причальных сооружений.
При расчете конструкции причального сооружения из массивовой кладки нагрузка от навала и швартовная нагрузка учитываются при расчете прочности и устойчивости надстройки. При расчете конструкции типа больверк из стального шпунта швартовная нагрузка учитывается при расчете анкерных тяг и нагрузка от навала может учитываться при расчете прочности лицевой стенки.
Перечисленные нагрузки прикладываются к частям сооружения, расположенным выше уровня воды и, следовательно, их действие на сооружение легко поддается контролю. Навал как динамический, так и статический должен, в соответствии с нормами, осуществляться через отбойные устройства, швартовная нагрузка прикладывается к конструкции причала через швартовные тумбы, т. е. через специальные устройства, предназначенные для восприятия нагрузок от судов. В отношении возможных контактов борта судна с частями сооружения, расположенными ниже уровня воды в нормах предусмотрены определенные требования, призванные исключить возможность таких контактов.
Опыт эксплуатации причальных сооружений в портах юга Дальнего Востока свидетельствует о том, что наиболее ранними последствиями воздействия судна являются: обрыв и разрушение узлов крепления отбойных устройств и разрушение надстройки от воздействия судна в основном после обрыва отбойных устройств. Последствия воздействия судна на оголовок причала, обычно, развиваются по следующей схеме: проектное состояние -> обрыв отбойных устройств за счет неправильного изготовления, либо износа элементов —> воздействие судна на оголовок, не защищенный отбойными устройствами, что приводит к невозможности дальнейшего использования узлов крепления, которые разрываются, либо деформируются.
В проектной практике существует задача оптимального проектирования фасадной плоскости сооружения, которая состоит в том, что необходимо определить расстояние по горизонтали между фасадной плоскостью надстройки и наиболее выступающей точкой подводной части стенки (т.е. консоль выноса отбойных устройств). С одной стороны, для более безопасной эксплуатации лучше отодвинуть борт судна при стоянке подальше от подводной поверхности причала, расположив отбойные устройства на выдвинутой консолиа, с другой стороны, такая консоль приводит к увеличению расхода материалов и удорожанию конструкции. Поэтому, как правило, консоль выноса отбойных устройств минимальна и определяется расчетом.
Полный вылет отбойного устройства, т. е. минимальное (при сжатом ОУ) расстояние по горизонтали между точкой корпуса судна, касающегося с ОУ, и наиболее выступающей точкой подводной части стенки, складывается из следующих величин: описанная ранее консоль выноса надстройки (для больверка из стального шпунта обычно 30−50 см), плюс толщина рамы из деревянного бруса (24 см), которая присутствует у большинства ОУ, используемых в портах ДВ региона, и плюс размер резинового цилиндра в сжатом состоянии.
В Дальневосточных портах используется две разновидности резиновых цилиндров: Д400 (в несжатом состоянии его размер 400 мм, в полностью сжатом состоянии — 160 мм) и Д1000 (в несжатом состоянии 1000 мм, в полностью сжатом — 500 мм), причем резиновые цилиндры Д1000 используются без деревянных рам.
Из перечисленных величин, образующих полный вылет ОУ, размер резинового цилиндра и толщину деревянной рамы можно считать неизменными т.к. резиновые цилиндры изготавливаются фиксированных размеров, и увеличение толщины деревянной рамы по сравнению с размером стандартного бруса — 240 мм усложняет конструкцию рамы, делает ее неудобной в использовании и не достаточно долговечной. Таким образом, изменить полный вылет отбойного устройства можно, либо увеличивая его размер, либо увеличивая размер выноса надстройки относительно подводной поверхности стенки.
Для описанных выше основных конструкций причальных сооружений отклонение лицевой грани стенки от проектного положения и, как следствие, возможность контакта с бортом судна происходит — для больверка: -из-за отклонения стального шпунта при забивке или, -при деформации в процессе эксплуатации (намного реже) — для массивовой стенки:
— из-за некачественной установки массивов при строительстве или, -смещения массивов в процессе эксплуатации (что происходит весьма редко).
Надводная часть фасадной поверхности причала, несмотря на значительные разрушения, легко поддается визуальному и геодезическому контролю. Подводная часть фасадной поверхности может быть проконтролирована только при помощи водолазов.
При таком контроле, согласно требованиям «Руководства по техническому контролю гидротехнических сооружений морского транспорта» [6], производится осмотр стенки, и построение, так называемых совмещенных профилей сооружения.
При осмотре стенки водолаз визуально оценивает состояние ее материала и дефекты, полученные в процессе эксплуатации. При этом используется методика обхода плоскости стенки, не допускающая появления не осмотренных участков.
Согласно методике построения совмещенных профилей, принятой в практике организаций, занимающихся техническим контролем причальных сооружений, линия кордона сооружения разбивается пикетами через 10 м. На каждом пикете по очереди с линии кордона причала вывешивается трос с грузом (трос размечен метками через 1−2 метра). Груз должен быть достаточно большой (около 20 кг) для того, чтобы исключить случайные отклонения. Водолаз при помощи линейки замеряет расстояние от троса до стенки в размеченных точках. В упрощенном варианте, в обычной водолазной практике замеры от стенки до троса производятся в трех точках: вверху, у дна и по средине, при этом возрастает возможность ошибок.
Далее на основе полученных данных строится профиль стенки на каждом пикете, профили, построенные через 10 метров по длине причала, увязываются между собой и с существующей линией кордона причала при помощи геодезических измерений, и делается вывод о влиянии положения стенки на условия эксплуатации. Точность определения профиля стенки описанным способом зависит от квалификации исполнителей и при тщательном исполнении достигает 5 см. Для получения совмещенного профиля к профилю стенки добавляется профиль поверхности дна перед стенкой, полученный промерами. Измеренные водолазами профили стенки — единственная, объективная информация о поверхности стенки, которая позволяет определить возможность непредусмотренных контактов с бортом судна.
Важнейший элемент навигационной безопасности причалов — ОУдолжны отвечать набору зачастую противоречивых требований из различных областей.
Данные устройства должны обладать достаточной энергоемкостью при относительно небольшой деформации и минимальной отдачей после силового воздействия [8]. В настоящее время не существует такой конструкции или материала, который бы сопротивлялся энергии навала с постоянным небольшим усилием на протяжении всей рабочей зоны деформации. В конце рабочей зоны происходит резкое увеличение нагрузки, создающее опасность для борта судна. Кроме того, это может привести к резкой отдачеотбрасыванию борта судна от устройства с необходимостью повторного сближения в процессе выполнения швартовки. С одной стороны, желательна по конструктивным соображениям небольшая деформация при навале, но, с другой стороны, чтобы воспринять большую кинетическую энергию при малой деформации потребуется большое усилие.
ОУ должны иметь относительно небольшие размеры по нормали к причальной линии т.к. при больших размерах этих приспособлений увеличивается необходимый вылет стрелы перегрузочных устройств и время подачи груза с причала на борт судна, что приводит к увеличению себестоимости перегрузочных работ. Кроме того, большие размеры ОУ стимулируют ненормированные воздействия на них, в основном, продольные усилия при швартовке судна, которые могут превышать расчетные и приводить к обрыву подвески.
Данные устройства должны быть простыми и надежными в работе, легко заменяемыми, благодаря тому, что эксплуатационное обслуживание этих ® устройств производится силами механической службы порта, которая, как правило, не располагает кузнечно-прессовым оборудованием, необходимым для изготовления равнопрочной подвески из цепей. В современных экономических условиях, как строители, так и эксплуатационники стремятся использовать такие конструкции подвески ОУ, которые при их изготовлении требуют использования только электросварки и газорезки в условиях строительного участка (см. приложение 2 пример 2.10). Если в составе ОУ имеются элементы, требующие выполнения на специальном оборудовании, значительно увеличивается стоимость такого устройства. Ф Для уменьшения упомянутых эксплуатационных расходов ОУ должны выполняться из недефицитных материалов и иметь невысокую стоимость. Эффективность применения общедоступных материалов не всегда обоснована. Например, для деревянной рамы наиболее часто используемого ОУ (с резиновым цилиндром Д400), в случае замены брусьев из сосны, которая не обладает большой твердостью и долговечностью, на брус из лиственницы можно значительно увеличить срок ее эксплуатации. Применение оцинкованных болтов или болтов из более качественной стали для элементов сборки и крепления деревянной рамы, так же могло бы продлить срок ее эффективной эксплуатации.
Основные факторы, оказывающие влияние на процесс проектирования и i эксплуатации ОУ следующие:
Суда (объекты, производящие швартовку).
Проектирование судов постоянно развивается, их геометрические формы, • имеющие контакт с причалом, изменяются в соответствии с требованиями судоходства. ОУ, устанавливаемые на причалах, в соответствии со сроком своего использования должны удовлетворять как современным судам, так и перспективным, появления которых ожидается в обозримом будущем.
На схему установки ОУ большое влияние оказывает уровень специализации причала — рассчитан он на судно определенного водоизмещения (или на суда с определенным диапазоном водоизмещения и, соответственно, размерений), или он имеет универсальное предназначение, т. е. к нему могут швартоваться суда разных размеров, в том числе и буксиры. Для российской ф практики использования причалов практически повсеместным является универсальное предназначение.
Конструкция причального сооружения.
ОУ передают нагрузку от судов на конструкцию причального сооружения. От жесткости конструкции и расположения причального сооружения относительно внешних воздействий зависит нагрузка на ОУ и как следствие их размеры. Имеются причальные сооружения (в том числе и на дальневосточном побережье России) расположенные на незащищенной или слабо защищенной от волнения акватории, для этих сооружений затраты на ОУ могут играть определяющую роль при строительстве и эксплуатации.
Процесс причаливания.
Много факторов оказывают влияние на величину энергии навала при приближении судна к причалу, соответственно кинетическая энергия судна при контакте с ОУ и нагрузка, возникающая при соударении прикладывается к борту судна и к причальной конструкции. Способ причаливания может оказывать влияние на выбор скорости судна и коэффициент безопасности для нестандартных условий. Местная практика, материалы и условия могут влиять на выбор конструкции ОУ и способ его установки.
Установка и обслуживание ОУ.
Технологию установки ОУ важно рассматривать еще в процессе проектирования. Возможность обслуживания может влиять на выбор материалов, допусков на износ и необходимость в защитных покрытиях, которое так же должно определяться в процессе проектирования. Правильный выбор конструкции ОУ может улучшить время оборота средств и уменьшить время простоя. Безопасность обслуживающего персонала, конструкции причала и судов нужно рассматривать на всех стадиях — при проектировании, в течение строительства и после ввода в действие.
ОУ размещают на лицевой поверхности причального сооружения таким образом, что бы независимо от расположения судов у причала при обычных способах швартовки и стоянки, способа перегрузочных операций и режима колебаний уровня моря исключалась возможность навала судна на незащищенные части причала.
Согласно существующим требованиям, в качестве минимального расстояния между судном и причалом при наибольшей деформации ОУ принят зазор безопасности равный 0,2 м [10]. Для его обеспечения шаг расстановки амортизаторов на причале и уровень их размещения на лицевой поверхности сооружения необходимо устанавливать в зависимости от типа и размера амортизаторов. Значения указанных параметров приводятся в справочных таблицах и определены путем рассмотрения обводов корпусов морских судов.
Вопросами технической эксплуатации причальных сооружений в Советском Союзе и Российской Федерации занимались Горюнов Б. Ф [11], Костюков В. Д [12, 13], Будин А. Я. [14], Златоверховников Л. Ф. [15], Пойзнер
М.Б, Яковенко В. Г. [16], Школа А. В. [17, 18], Меншиков B. JL [69], Долинский А. А. Работы данных авторов охватывали общие методические вопросы диагностики причальных сооружений и так же надежности при технической эксплуатации. Изучение конкретных частных вопросов эксплуатационной безопасности причальных сооружений началось сравнительно недавно. Этим вопросам посвящены публикации Альхименко А. И. [19, 20, 21], Беляева Н. Д. [22, 23], Фомина Ю. Н. [24, 25], Литвиненко Г. И, Цыкало В. А. [26, 27].
Вопросами проектирования и эксплуатации отбойных устройств, а так же вопросами взаимодействия судов с причальными сооружениями в нашей стране занимались Никеров П. И. [28], Амбарян О. А. [8], Яковенко В. Г. [29], Довгаленко А. Г. [30], Корчагина А. Я [31], Симаков Г. В, Марченко Д. В, Шхинек К. Н [32].
В Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) вопросами обследований и технической эксплуатации причальных сооружений занимались Храпатый Н. Г. [33], Беккер А. Т. [7], Любимов B.C. [33], Ким Л. В., Занегин В. Г. [34], Цуприк В. Г. [35].
Выводы из сравнения цилиндрических и арочных ОУ.
1. Арочные ОУ с малой жесткостью (Е1) необходимы для уменьшения нагрузки на борт, арочные ОУ с большей жесткостью (ЕЗ) необходимы для увеличения рабочей зоны ОУ (растягивание кривой с охватом большого диапазона водоизмещений). В любом случае рабочая зона арочного ОУ более чем в два раза больше, чем у цилиндрического ОУ.
2. На графиках зависимости нагрузки от ОУ на борт судна от водоизмещения кривые цилиндрических ОУ расположены ниже арочных. Положение кривых для арочных ОУ на данных графиках зависит в основном от жесткости резины, при большой жесткости они пересекают в нескольких местах кривые допустимых нагрузок на борт, что вызывает необходимость ввода ограничений.
3. На основе анализа взаимного положения названных кривых построены диаграммы, позволяющие решить задачи подбора арочных ОУ для различных вариантов исходных условий для отдельного судна и для диапазона водоизмещений судов.
Заключение
.
В работе на основе анализа результатов обследований, проведенных при участии автора, изучено техническое состояние причальных сооружений различных конструкций ДВ побережья России. При проведении обследований причальных сооружений из шпунта и массивов (особенно шпунта) практически повсеместно выявляются отклонения в 2−4 раза большие, чем допустимые по нормам. Подобные отклонения в сторону акватории создают опасность контакта корпуса судна с причальной стенкой в подводной части.
Нормативная методика по расчету допускаемого смещения лицевой стенки не учитывает ряд факторов. Основные из этих факторов — поднятие нижних точек цилиндрической вставки корпуса при крене в сторону акватории, наличие радиуса скулового закругления корпуса и фактический профиль стенки по высоте между дном и отбойным устройством. Математические модели, разработанные в представленной работе, определяют взаимное положение выступающих точек подводной поверхности причальной стенки и точек корпуса судна, а так же осадку данного судна на ровном киле.
На основе анализа причин сверхнормативных отклонений шпунта и массивов причальных сооружений ДВ портов, а так же разработанных математических моделей, предложена методика определения эксплуатационных ограничений (осадки, крена) и эксплуатационных мероприятий (увеличения размера ОУ, либо вылета надстройки), компенсирующих эти отклонения для результатов обследования конкретной стенки. Предлагаемая методика расчета позволяет учесть все основные факторы и определить количественные значения параметров навигационной безопасности.
Задача условно разбивается на прямую и обратную. При решении прямой задачи определяются ограничения по осадке судна и углу крена в сторону акватории. Обратная задача состоит в определении того, на сколько минимально необходимо увеличить вылет надстройки или размер отбойного устройства для того, чтобы выполнялись требования норм по стоянке судна. При решении задач применены предложенные автором эмпирические зависимости минимальных соотношений ширины корпуса от осадки и радиуса скулового закругления от осадки.
При помощи разработанной методики определено состояние причальных сооружений дальневосточных портов в отношении их эксплуатационной безопасности для обслуживания судов.
Для компенсации отклонений шпунта, возникших при строительстве в конструкции причалов типа больверк, предложена новая технология строительства, при использовании которой исключается возможность ненормативных контактов корпуса судна со стенкой. Разработанная методика может быть использована при ремонте сооружений, техническом контроле и при производстве работ по строительству новых причальных стенок.
При анализе дефектов ОУ использованы данные отчетов по обследованиям 13 причалов дальневосточных портов, которые в большинстве своем являются уникальными сооружениями со своей спецификой работы и определяют деятельность портовых комплексов, имеющих большое региональное значение. Выполнен анализ наиболее распространенных дефектов ОУ для ДВ региона. При этом определен наиболее часто встречаемый дефект — обрыв подвески ОУ из-за неправильной комплектации элементов этой подвески, т. е. неправильного соотношения размеров цепей и скоб.
При изучении материалов обследования состояния ОУ в некоторых портах установлена определенная зависимость в расположении по длине причалов основных дефектов ОУ, связанных с воздействием судна (обрывов, деформаций). Наибольшее количество мест таких дефектов соответствует положению точек контакта носовой оконечности судна с причалом при швартовке.
По материалам обследования проанализировано влияние параметров элементов конструкции ОУ (в основном калибров цепей и скоб) на их сохранность и на наличие дефектов при их эксплуатации. При этом принятые на этих причалах размеры элементов подвески сравниваются с полученными в данной работе. В результате сравнения установлена недостаточная прочность элементов подвески ОУ на некоторых из обследованных причалов в результате неправильного проектирования либо комплектации подвески.
Для выявления причин обрывов ОУ выполнены расчеты энергии навала судна для набора стандартных глубин у причалов. В результате проведенного численного анализа нагрузок, воспринимаемых ОУ при контакте с бортом судна при швартовке получены следующие выводы:
— нормативное значение скорости подхода при нормативном шаге подвески ОУ можно использовать для резиновых цилиндров Д400 и Д1000 только до глубины у причала 9,75 м, при больших глубинах необходимо снижать скорость подхода для того, что бы деформация цилиндра не превышала предельную либо уменьшать шаг подвески;
— цилиндр Д1000 по сравнению с Д400 при одних и тех же условиях обеспечивает нагрузку от навала при швартовке меньшую в 3−6 раз, благодаря этому нагрузка, создаваемая на борт судна цилиндром Д1000 при нормативных условиях (скорости подхода) меньше предельных нагрузок, допустимых для бортового перекрытия судов;
— нагрузка, создаваемая цилиндром Д400 при значениях глубины менее 9,75 м, так же меньше предельных нагрузок, допустимых для бортового перекрытия, при значениях глубины, превышающих 9,75 м, необходимо понижать нагрузку соответствующим уменьшением скорости подхода;
— для соблюдения условий предельной деформации цилиндров Д400 и Д1000 необходимо снижать скорость подходящего судна (либо изменять шаг навески ОУ), причем заметное снижение необходимо производить при глубине у причала 11,5 м и выше.
Произведен анализ метода расчета нагрузки на подвеску из цепи, рекомендуемого в литературе. При этом выявлены слабые стороны данного расчета. Рекомендован способ определения максимально возможной нагрузки на ОУ, состоящее из резинового цилиндра и деревянной рамы из брусьев. На основе решения задачи взаимодействия посредством трения между элементами обычного ОУ — стальным бортом судна, резиновым цилиндром, деревянной рамой и бетонной надстройкой определены максимально возможные величины нагрузки на подвеску при угле подхода судна около 40 град (наихудшем из возможных). С помощью полученной зависимости вычислены водоизмещения судов, которые могут швартоваться у причала без буксиров при определенных калибрах цепей (диаметрах ветви скоб) подвески ОУ, установленных на этих причалах.
Произведен анализ распределения энергии навала между отбойниками, попадающими при навале в зону контакта с закругленной частью корпуса судна и его зависимость от шага установки ОУ. В результате определены наиболее оптимальные расстояния (шаги) установки существующих и рекомендуемых ОУ для дальневосточных портов.
По результатам расчета нагрузок, а так же с учетом размеров и прочности элементов цепной подвески, используемой на дальневосточных причалах, определены необходимые размеры цепей и скоб, предназначенные для выполнения подвески на причалах с различной глубиной с учетом взаимной стыковки цепей и скоб. С использованием нормативных данных по размерам цепей и скоб, находящих применение для подвески ОУ, получены коэффициенты соотношений размеров различных вариантов цепей и скоб при их соединении. При помощи полученных — коэффициентов, а так же данных о пробных нагрузках цепей и скоб построены диаграммы, с помощью которых можно определить наиболее слабые элементы при комплектации подвески ОУ и далее назначить размер этого элемента в соответствии с предполагаемыми нагрузками.
В связи с проектированием современных глубоководных морских терминалов в дальневосточном бассейне достаточно актуальным является вопрос соотношения возможностей цилиндрических и арочных ОУ. В главе работы, посвященном повышению надежности ОУ оценено взаимное положение графиков нагрузки от водоизмещения для цилиндрических и трапецеидальных ОУ, а так же их положение относительно графиков допустимых нагрузок на борт от водоизмещения. При этом учтена возможность использования трапецеидальных ОУ с различной жесткостью резины. В результате анализа этих графиков установлено, что арочные ОУ с максимальной жесткостью резины могут создавать нагрузку на борт, превышающую допустимую. Разработана и применена методика определения диапазонов применения — ограничений для размеров арочных ОУ перспективных для ДВ региона с учетом применения различной по жесткости резины.
