§ 29. Выбор материала для судовых конструкций 140

Ограничения Правил Регистра СССР по выбору материала. Для использования в судостроении листовая и профильная сталь поставляется в соответствии с ГОСТ 5521—86 «Сталь свариваемая для судостроения», ГОСТ 380—71 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки и общие требования». Все элементы конструкций корпуса в зависимости от уровня напряженности, степени ответственности связей, предполагаемых последствий их возможного разрушения для безопасности судна разделены на три группы. Для каждой из трех групп связей устанавливают наибольшие допустимые строительные толщины конструктивных элементов в зависимости от расчетной температуры воздуха в районе эксплуатации судна. 140

Определив строительную толщину рассматриваемой связи как сумму расчетной толщины и добавки на коррозию и ее принадлежность к конкретной группе, по Правилам Регистра СССР легко найти необходимые категории материала, а уже по ним и приемлемые марки стали. Использование допустимых максимальных толщин возможно при условии высококачественного изготовления конструкции. 141

Однако выбор марок стали в конкретном проекте затрудняется ввиду противоречивости требований, предъявляемых к материалам. С одной стороны, необходимо обеспечить прочность, надежность конструкций, а с другой — всемерно снижать металлоемкость корпуса, затраты на постройку, эксплуатацию и ремонт судна. Компромисс при выборе материала за счет снижения прочности, надежности конструкций, естественно, исключается. Требуемые критерии прочности, минимально допустимые размеры связей безусловно должны быть выполнены. Поэтому экономия материалов при постройке судна, кроме совершенствования общепроектных решений и повышения качества самих сталей, может быть получена только в результате технико-экономического анализа вариантов конструкции и приемлемых марок материала. Новые Правила Регистра СССР предусматривают уменьшение требуемых размеров конструктивных элементов корпуса, а следовательно, и расхода стали при проектировании судна на сокращенный срок эксплуатации. 141

Снижение металлоемкости конструкций. Этот показатель очень важен не только для экономии металла как такового, но и для повышения полезной грузоподъемности судна при прочих равных условиях. Возможности уменьшения массы конструкций корпуса еще не использованы даже при существующем качестве судостроительных материалов. Металлоемкость судовых конструкций снижается за счет уменьшения расчетного изгибающего момента при положении судна на тихой воде, повышения до приемлемых значений допускаемых напряжений в конструктивных связях, улучшения качества изготовления конструкций и их антикоррозионной защиты. 141

Повышение качества изготовления деталей, узлов конструкции и надежная защита их от коррозии позволяют уменьшить толщину конструктивных связей, а следовательно, и массу стали на 5—10%, если они не ограничены минимально допустимыми размерами и если при этом обепечивается требуемая жесткость корпуса. 141

Отходы материала могут быть уменьшены при условии разработки и внедрения в практику проектирования судовых конструкций комплексной системы стандартизации, включая и согласованную с нею отраслевую стандартизацию судостроительных материалов [5]. Оптимизация раскроя листов на детали с помощью ЭВМ и предварительная стыковка стандартных профилей перед их разрезанием на балки необходимой длины позволяют уменьшить отходы металла до 10%. 142

Наиболее существенное снижение металлоемкости конструкций достигается при использовании СПП. Исследованию проблем, связанных с применением СПП в отечественном судостроении, посвящены работы проф. А. И. Максимаджи [9] и других ученых. Уменьшение размеров связей из СПП ограничивается минимально допустимыми толщинами, требованиями к их устойчивости, а также к жесткости перекрытий и корпуса судна. 142

Эффективность использования СПП несколько уменьшается из-за большей относительной коррозии, ухудшения прочностных и пластических свойств со временем и других факторов. Однако, несмотря на отмеченные недостатки и большую стоимость, СПП в отечественном судостроении нашли широкое применение при постройке судов не только новых типов и назначений, но и традиционных. С увеличением длины судна и повышением предела текучести СПП относительная экономия металла возрастает. 142

Минимизация массы корпуса транспортных судов из СПП имеет и свои пределы (не только технические, но и экономические). При проектировании и постройке конструкций корпуса кроме уменьшения массы металла необходимо обеспечить всемерное снижение трудоемкости и стоимости их изготовления, последующего ремонта, высокую эффективность в процессе эксплуатации. Стоимость же СПП за тонну по сравнению с обычной углеродистой выше примерно на 20 % для стали марки 09Г2 и на 75,% Для стали марки 10ХСНД. Правда, для сталей повышенных категорий (D и Е) разность в стоимости углеродистой стали и СПП уменьшается примерно до 5 и 50—55 % соответственно. 142

Противоречивые требования к сталям по массе и стоимости могут быть в определенной степени удовлетворены разработкой компромиссных, технологичных конструкций, показателями которых в итоге являются экономические (стоимостные) категории [6]. Применение СПП экономически оправдано, если достигнутое уменьшение массы корпуса можно использовать для увеличения грузоподъемности или скорости судна, т. е. повышения провозоспособности, или для улучшения других эксплуатационно-экономических показателей [4]. 142

Учет коррозии. Стали, используемые для судовых конструкций, подвергаются износу и коррозии. Ряд факторов способствует коррозионным процессам и среди них главный —действие внешней коррозионной среды (соленость морской воды, ледовые условия и др.). Коррозионный износ может быть общим и местным [14]. Под общим износом понимается уменьшение толщины элементов судового корпуса по всей их поверхности, характерное для данной связи или группы однородных связей. Местная коррозия может быть в виде пятен, точечной, сквозной, поверхностной, межкристаллитной. При определении размеров связей учитывают общий износ. Состояние конструкций корпуса после износа характеризуется остаточными толщинами. 143

Среднегодовой износ элемента корпуса (в мм/год) вычисляют по формуле u = (s₀ - s)/T, где s₀ — начальная строительная толщина связи, мм; s — средняя остаточная толщина, мм; Т — продолжительность эксплуатации данной связи между замерами толщин, годы. Среднегодовой износ зависит от марки стали. Сталь марки 09Г2 имеет несколько больший, а сталь марки 10ХСНД — несколько меньший износ, чем обычная углеродистая. Коррозия стальных конструкций, несмотря на принимаемые меры по их защите, наносит большой ущерб морскому флоту, всему народному хозяйству. 143

Учет влияния износа и коррозии на размеры связей корпуса основан на нормировании прочности к середине срока службы конструкции для принятой продолжительности эксплуатации. Износ обшивки (в мм) определяют по формуле s_к = uТ/2, где и принимают по Правилам Регистра СССР при отсутствии данных об износе и опыте эксплуатации аналогичных конструкций; Т = 24 года, если не установлен другой полный срок эксплуатации судна. Начальная проектная толщина (в мм) равна сумме s₀ = s + s_к, где s — расчетная толщина связи, соответствующая середине срока службы судна. 143

Момент сопротивления и момент инерции поперечного сечения катаных балок основного набора с учетом износа определяют по формулам: W₀=W_к; i₀=i_к, где о_к и _к — множители, учитывающие поправку на коррозионный износ за половину срока службы судна. 143

Расчетные характеристики материала. Размеры конструктивных связей корпуса судна вычисляют в зависимости от предела текучести стали. В качестве расчетных характеристик приняты: нормативный предел текучести (в МПа) по нормальным _н = _т/ = 235/) и касательным напряжениям _н = 0,57_н- Коэффициенты учета механических свойств стали в зависимости от минимального предела текучести приведены ниже: 143

_т 144

235 144

315 144

355 144

390 144

 144

1,0 144

0,77 144

0,70 144

0,65 144

Нормативами прочности конструкций корпуса и их отдельных элементов являются допускаемые напряжения для расчетных нормальных _f = k__н и расчетных касательных _f = k_н напряжений (k_ и k_ — коэффициенты допускаемых напряжений, указанные в Правилах Регистра СССР). 144

1. В чем заключается понятие технологичности и какие виды технологичности конструкций предусмотрены ГОСТом? 144

2. Какими проектными решениями повышается технологичность судовых конструкций? 144

3. Назовите принципы технологичности и поясните их содержание. 144

4. Какими мерами обеспечивается технологичность деталей, узлов и секций судовых корпусов? 144

5. Назовите основные конструктивные требования к судокорпусным сталям. Чем они вызваны? 144

6. С какой целью судостроительные стали разделяют на категории? Чем различаются стали одной марки, но разных категорий? 144

7. Назовите инженерные пути снижения металлоемкости конструкций. Чем это снижение ограничено? 144

8. Как учитываются коррозия и износ материала при определении проектных размеров связей? 144