Конструкция корпуса судов

Почему стальное судно не тонет, а еще способно нести на себе значительные грузы и выдерживать затопление одного, а иногда и двух - трех отсеков, хотя плотность стали, из которой сделан корпус, почти в 8 раз больше, чем воды? Причина проста - корпус представляет собой сравнительно тонкую оболочку, подкрепленную набором - балками разных направлений и пустую внутри. В результате получается довольно легкая, но прочная конструкция, способная выдерживать нагрузки, действующие на судно в различных условиях эксплуатации: при постройке, погрузке или разгрузке, при плавании на волнении, во льдах, при ремонте, в частности, при постановке в док, при авариях. Вопросы прочности, в том числе нагрузки, действующие на судно, будут рассмотрены в следующем разделе. Здесь же мы поговорим о конструкции судов.

Основными элементами корпуса судна можно считать пластины различной ориентации - горизонтальные (днище, палубы), вертикальные продольные (борта) и поперечные (переборки), образующие обводы судна и обеспечивающие его непроницаемость. Листы вытянуты вдоль судна и образуют поясья. Но неподкрепленные пластины неизбежно будут смяты давлением воды, поэтому их подкрепляют балками в обоих (вдоль и поперек) или, реже, в одном направлении. Совокупность пластин и подкрепляющих их балок называется перекрытием (днищевым, бортовым, палубным).

Как правило, одна из сторон перекрытия заметно короче другой, и большинство подкрепляющих балок ориентировано вдоль короткой стороны, что обеспечивает меньшую массу при равной прочности. Эти балки называют балками главного направления (БГН). Расстояние между БГН обычно принимается одинаковым на значительном протяжении и называется шпацией (практической); в оконечностях размер шпации нередко уменьшается. Вдоль длинной стороны проходят более мощные балки, которые поддерживают БГН и называются перекрёстными связями (ПС).

В зависимости от ориентации БГН различают поперечную и продольную системы набора перекрытия. При поперечной системе БГН расположены в плоскости шпангоута, при продольной они направлены вдоль судна. Встречается клетчатая система набора, когда он разбивает перекрытие на приблизительно квадратные пластины.

Система набора судна в целом определяется системой набора его перекрытий. На небольших судах все перекрытия, как правило, набираются по поперечной системе. Она удобнее в постройке и обеспечивает более высокую местную прочность. На крупных судах, особенно на танкерах, предпочтительнее продольная система набора, которая позволяет повысить общую продольную прочность судна и, что очень важно, устойчивость пластин (потерей устойчивости пластин называется их выпучивание при сжатии, сопровождающееся потерей несущей способности). У крупнотоннажного танкера продольный размер перекрытия (расстояние между поперечными переборками) почти всегда меньше поперечного, что делает выгодной именно продольную систему. Система набора перекрытий может быть неодинаковой у разных перекрытий. Например, палуба и днище (двойное дно) могут быть набраны по продольной, а борта - по поперечной системе. Или в средней части применяется продольная, а в оконечностях - поперечная система. В таких случаях говорят о смешанной системе набора корпуса.

При поперечной системе набора судна его корпус, вытянутый в продольном направлении, похож на совокупность колец приблизительно прямоугольной формы. Каждое такое кольцо называется шпангоутной рамкой. Балки, проходящие под палубой, называются бимсами, по борту - шпангоутами (или бортовыми ветвями шпангоутов), в двойном дне - флорами. Флоры бывают водонепроницаемые (на продолжении поперечных переборок), сплошные (с вырезами для облегчения конструкции и для прохода), бракетные (из прямоугольных пластинок и ребер жесткости). Продольные балки (ПС) палубы называют карлингсами, борта и днища - соответственно бортовыми и днищевыми стрингерами. На судах, не имеющих двойного дна, днищевые стрингеры называют кильсонами. Заметим, что термин “палубный стрингер” относится к поясу палубы, непосредственно примыкающему к борту. Ширстрек - верхний пояс борта. В ДП по днищу проходит вертикальный киль, а примыкающий к нему лист днища называется горизонтальным килем. Палубный стрингер, ширстрек, горизонтальный киль делаются толще, чем примыкающие к ним поясья. На судах ледового плавания делается, кроме того, утолщенный ледовый пояс. На некоторых судах имеется туннельный киль, образованный двумя вертикальными непроницаемыми листами, расположенными вблизи ДП; внутри него проходят различные трубопроводы. На малых судах может применяться брусковый киль, выступающий вниз. В средней части по длине судна очень часто устанавливают бортовые (скуловые) кили, которые служат простейшими успокоителями бортовой качки. Балки разных направлений в составе шпангоутной рамки соединяются небольшими пластинками, форма которых приближается к треугольной - кницами. Кроме обычных, часто на судах делаются рамные шпангоуты, профиль которых приблизительно такой же, как и у ПС; рамные шпангоуты могут устанавливаться через 3 - 4 шпации. Люковые и иные вырезы в палубах подкрепляются комингсами. По борту выше верхней палубы располагается фальшборт. Переборки подкрепляются вертикальными стойками и горизонтальными шельфами.

На танкерах, в зависимости от их размеров, делаются одна, две или три продольные переборки, чтобы уменьшить удары жидких грузов при бортовой качке. Продольные и поперечные переборки могут быть гофрированными, причем гофры играют роль балок соответствующего направления.

При продольной системе основной набор называют продольными ребрами жесткости (палубы, борта, днища); перекрестными связями служат рамные шпангоуты (и бимсы, входящие в состав шпангоутной рамки). Могут применяться и усиленные продольные связи - карлингсы и стрингеры.

Конструкция корпуса судна изображается на нескольких чертежах. Конструктивный мидель-шпангоут показывает расположение и размеры поперечных связей (в том числе толщины наружной обшивки и настилов палуб) в нескольких характерных сечениях по длине судна. Строй корпуса изображает схему набора корпуса по всей его длине. Растяжка наружной обшивки представляет собой условную развертку наружной обшивки одного борта (иногда и двух бортов; в этом случае на растяжку нередко наносят и фактически измеренные при дефектации толщины листов на каждом борту) с указанием поясьев, поперечного и продольного набора.

Конструкция корпуса может включать много других элементов. Мы не останавливаемся на особенностях конструкции оконечностей, в том числе штевней, надстроек и рубок. Отметим, что палубы и платформы нередко опираются на вертикальные стержни трубчатого или коробчатого сечения - пиллерсы. Механизмы устанавливаются на фундаменты, которые обеспечивают безопасную передачу нагрузок на корпус. В корме судна часто имеется дейдвуд - узкое, вытянутое в вертикальном направлении пространство, не занятое полезным грузом. Внутри дейдвуда проходит линия вала одновинтового судна; на выходе из корпуса делается дейдвудный подшипник значительной длины. У многовинтовых судов валы выходят из корпуса через мортиры и поддерживаются кронштейнами или выкружками. Для предотвращения попадания воды внутрь корпуса через выходы валов применяются специальные уплотнения.

Примерно до середины ХХ в. металлические суда делались клепаными. В годы второй мировой войны начался массовый переход к сварному судостроению. В настоящее время остались лишь единичные клепаные суда. Сварка позволила заметно уменьшить массу корпуса, упростить технологию постройки, но потребовала радикальной переработки конструкций различных узлов корпуса и ужесточила требования к судостроительным материалам.

Конструкция судна в целом и отдельных его узлов оказывает большое влияние на прочность и, следовательно, безопасность плавания судна. Поэтому выбору толщин обшивки, настилов палуб и двойного дна, размеров подкрепляющих связей и т.п. уделяется серьезное внимание. Все эти характеристики, а также правила конструктивного оформления различных узлов корпуса регламентируются Правилами Регистра и другими отраслевыми нормативными документами, в которых обобщены многолетний опыт эксплуатации судов, анализ аварий, результаты научных исследований. При проектировании судна учитываются эти правила и нормы. Внедрение новых конструкций сопровождается тщательной проверкой их работоспособности в реальных условиях эксплуатации.

Корпуса морских гражданских судов делаются из сравнительно дешевой малоуглеродистой или низколегированной судостроительной стали. Малоуглеродистая сталь с пределом текучести (основной характеристикой прочности материала) 235 МПа (1 МПа - мегапаскаль = 1 МН/м²) чаще применяется для небольших и средних судов; основные конструкции крупнотоннажных судов выполняются из более прочных (с пределом текучести 300 - 400 МПа) низколегированных сталей, с небольшими добавками марганца, хрома, никеля и т.п. Для отдельных конструкций используют нержавеющие стали. В корпусах крупных надводных кораблей и особенно подводных лодок широко применяются легированные стали с пределом текучести примерно до 1000 МПа. Для судовых надстроек, корпусов небольших судов используют легкие (плотность примерно 2,7 т/м³) алюминиево-магниевые сплавы. Некоторые мелкие суда делают из дерева, стеклопластика и т.п. В отечественном судостроении, в том числе для корпусов атомных подводных лодок, используют дорогие, но очень прочные (на уровне лучших судостроительных сталей) и сравнительно легкие (плотность около 4,5 т/м³) титановые сплавы. Для корпусов многих плавучих доков и отдельных судов, преимущественно несамоходных (например, дебаркадеров) используют железобетон. Находят применение и другие материалы - резина, пластмассы, медные сплавы, лакокрасочные, теплоизоляционные материалы и т.д.

Материалы для корпусов судов применяются в виде листов и профилей (полособульбов, уголков, швеллеров, двутавров и др.), получаемых путем прокатки; широко применяются также сварные профили (тавры). Детали сложной формы получают литьем или ковкой, профили из легких сплавов - прессованием (выдавливанием через профилированные отверстия).