книги из ГПНТБ / Антонов, А. А. Устройство морского судна учебное пособие для подготовки специалистов в мореходных школах

Раздел второй

КОРПУС СУДНА

Глава IV. СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ИСОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ

§12. СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сталь (плотность 7,8 г/см3) обладает многими необходимыми для постройки судна свойствами. Она прочна, в то же время хоро­

шо поддается обработке резанием, сварке и главное — обработке давлением как в горячем, так и в холодном состоянии.

Наиболее употребительными являются судостроительные угле­ родистые и низколегированные стали. Эти стали хорошо сварива­

ются и обладают лучшими, чем у углеродистых сталей, механиче­

скими свойствами. Они сравнительно дешевы, так как легирова­

ны недифицитными элементами: кремнием, хромом, марганцем

и др. Увеличение их прочности позволяет уменьшить вес конструк­ ций и всего судна при тех же размерах.

На судостроительные заводы сталь поступает в виде полуфаб­

рикатов: листового, профильного проката, поковок и отливок.

Листовая сталь бывает толщиной 0,5—4 мм (тонколистовая) и 4—140 мм (толстолистовая). В судостроении наиболее распрост­

ранены листы длиной 6—8 м и шириной 1,5—2 м. Из углеродистых

судостроительных сталей выпускают следующие профили: поло-

собульбовый, угловой, зетовый, швеллерный и двутавровый, а из низколегированных сталей те же профили, кроме зетового и дву­

таврового.

Из листовой стали изготавливают обшивку корпуса, перебор­

ки, второе дно, палубы и т. п.; из профильной — набор корпуса:

бимсы, шпангоуты, стрингеры и пр. Методом литья изготавливают детали сложной формы: якорные клюзы, якоря, якорные цепи,

штевни, дейдвудные трубы, секторы рулей, кронштейны гребных

винтов И др.

Недостатком стали является ее высокая коррозионность. Для

продления срока службы стальных деталей необходимо примене­

ние всех известных способов защиты от коррозии.

Чугун в судостроении применяется для изготовления литых де­

талей: кнехтов, киповых планок, дейдвудных труб, гребных вин­ тов и других деталей судовых устройств и систем.

Алюминиевые сплавы из всех сплавов цветных металлов, при­

меняемых в судостроении, получают наибольшее распространение. Алюминиевые сплавы имеют меньшую, чем у стали, плотность

41

(2,7 г/см3) и достаточную прочность. Но у них более высокая

стоимость (в 5—8 раз), более сложная сварка и низкая термо­

стойкость. Некоторые сплавы (дюралюмпн) сильно корродируют

в морской воде, поэтому, несмотря на очень хорошие механиче­

ские (прочность) и технологические свойства, он применяется для

изготовления внутренних деталей, не соприкасающихся с заборт­ ной водой: переборок, дверей и пр.

Наибольшее распространение имеют сплавы алюминия с маг­

нием и марганцем (АМг, АМц), которые обрабатывают давлением.

стройки, рубки, шлюпки, мачты, забортные трапы и другие важ­

ные детали.

Бронза — сплав меди с оловом или с алюминием, марганцем, железом. Бронза обладает хорошей коррозионной стойкостью и

низким коэффициентом трения. Из нее изготовляют подшипники скольжения, облицовку гребных валов, корпусы кингстонов, чер­ вячные колеса и другие детали.

Латунь — сплав меди с цинком — самый дешевый медный сплав, обладающий достаточной прочностью, коррозионной стойкостью,

пластичностью, электро- и теплопроводностью. Из латуни изготав­

ливают трубы для теплообменных аппаратов, тройники, пробки,

детали иллюминаторов, масленок, электродетали, гребные винты

и пр.

Железобетон-—это материал, состоящий из бетона, армиро­

ванного стальным каркасом. Он долговечен, огнестоек, технология постройки из него изделий проста, но он имеет большой вес и хру­

пок, применяется для постройки плавучих доков и кранов, дебар­

кадеров. При заделке небольших пробоин в корпусе судна в про­ цессе эксплуатации применяют бетон. •

Древесина и древесные материалы. До XIX в. древесина была единственным материалом для постройки судов. Она применяется

в судостроении и теперь, так как обладает рядом преимуществ: не тонет, легко обрабатывается и дешева. Из древесины изготавли­

вают корпуса небольших промысловых и спортивных судов, кате­ ра, шлюпки, настилы палуб, оборудование трюмов, она применя­ ется для отделки кают и других судовых помещений.

Основной недостаток древесины — ее короткомерность, т. е.

ограниченность по длине отдельных бревен, досок, что приводило

при постройке крупных судов к большому количеству различных

соединений брусьев и досок между собой при помощи нагелей и

болтов. Это утяжеляло корпус судна, делало его недостаточно

прочным и недолговечным. Кроме того, древесина подвержена гниению, возгоранию, разрушению древоточцами, а также гигро­

скопична. Сейчас некоторые недостатки можно ликвидировать

путем применения клея для соединения отдельных деталей, про­

42

и наружной обшивки, дуб, бук, ясень, орех, береза и другие—для

отделки жилых и служебных помещений. Из бука и ясеня, кроме

того, делают штевни деревянных судов, шлюпок и катеров.

В судостроении широко применяют брусья, доски, рейки, фа­

неру и плиты из древесины. Например, бакелизированная фанера

идет на изготовление наружной обшивки мелких судов, так как

она водостойка; декоративная фанера имеет наружный слои шпо­

на из какой-либо ценной породы дерева — карельской березы,

красного дерева и т. п.— и используется для отделки кают и са­

лонов.

Применение древесностружечных и столярных плит позволяет

уменьшить коробление древесины при высыхании, а также повы­

сить процент ее использования, уменьшая количество отходов,

упрощает изготовление различных деталей из дерева, например дверных полотен.

Пластики. В последние годы в судостроении стали более широ­

ко использовать пластики. Из-за малой плотности, хороших

диэлектрических и теплоизоляционных свойств, высокой корро­

зионной стойкости, удобных методов переработки (отливка или

прессовка без дополнительной механической обработки), доста­

точной прочности пластики увеличивают срок службы отдельных деталей судов, экономят дорогостоящие цветные металлы, облег­

чают вес судовых конструкций, упрощают технологию изготовле­ ния деталей.

К недостаткам пластиков следует отнести их невысокую тепло­

стойкость (только фторопласт выдерживает температуру 400° С),

низкую теплопроводность, у некоторых — ползучесть при нормаль­ ной температуре, порой, высокую стоимость. Но с развитием хи­ мической промышленности эти недостатки уменьшаются.

В зависимости от возможности снова приобретать пластиче­

ское состояние все пластики делятся на две группы: термопластич­ ные (термопласты), т. е. пластики, способные опять приобретать

при нагревании пластичное состояние и затвердевать при охла­ ждении (к ним, например, относятся оргстекло, капрон, полиэти­

лен, полиамиды и др.), и термореактивные (реактопласты)—пла­ стики, не приобретающие, повторно пластичное состояние; при сильном нагревании они начинают обугливаться, но размягчению

не поддаются. Изделия из термопластичных пластмасс получают методом литья под давлением, прессования, сварки и т. п.

Пластики получают из синтетических смол (полимеров) и спе­

циальных добавок: наполнителей, красителей, пластификаторов,

отвердителей и др.

В судостроении наибольшее применение имеют стеклопластики,

которые по прочности незначительно уступают малоуглеродистой стали. Стеклопластики — это различные синтетические смолы (по­

лиэфирные, эпоксидные и др.) для повышения прочности армиро­

ванные стекловолокном в виде ткани, матов, жгутов. В стеклопла-

43

стиках используют топкие стеклянные нити; в таком виде стекло

теряет свою хрупкость, приобретает гибкость и его предел проч­

ности увеличивается в 17—25 раз.

Недостатком стеклопластиков является их склонность к пла­

стической деформации под действием постоянной нагрузки при

нормальной температуре (ползучесть). Из стеклопластиков изго­

тавливают шлюпки, катера, яхты, трубы и другие судовые кон­ струкции и детали.

Пенопласты применяются в качестве тепло- и звукоизоляцион­ ного материала, а также вместо импортной пробки для изготовле­

ния спасательных кругов и спасательных жилетов.

Волокниты — пластики на основе термореактивных смол, имею­

щие в качестве наполнителя волокнистое вещество органического

(очесы хлопка) или неорганического происхождения (асбест); из волокнита изготавливают кронштейны, корпуса приборов и многие другие детали.

Древеснослоистые пластики (ДСП) представляют собой про­

питанные смолами и спрессованные вместе тонкие листы древе­ сины (шпон), которые идут на изготовление обшивки катеров,

шлюпок, шкивов, втулок и вкладышей подшипников, так как име­

ют хорошие антифрикционные свойства. Например, лигнофоль

используется как заменитель бакаута в дейдвудных подшипниках.

Текстолит — ткань, пропитанная фенолформальдегидной смо­ лой и спрессованная при повышенных температурах, выпускается

в виде листов, труб, стержней; применяется для изготовления

вкладышей подшипников, в том числе дейдвудных, зубчатых ко­

лес, работающих в паре с металлическими, уплотнительных колец водяных и топливных насосов, деталей электрооборудования и пр.

Разновидностями текстолита являются асботекстолит (асболит) и

стеклотекстолит.

Полиэтилен — продукт полимеризации газообразного углеводо­ рода этилена; полупрозрачный материал, цвет толстого слоя —

молочно-белый; широко используется для изготовления труб,

оболочек подводных кабелей, пленок, мешков, посуды и т. д. Недо­

статками полиэтилена являются ползучесть при статических на­

грузках, старение под воздействием солнечной радиации, приводя­

щее к снижению прочности, диэлектрических свойств и появлению

хрупкости. У полиэтилена низкая теплостойкость — до 60° С.

Для изготовления труб и пленки используется новый матери­

вещества. Из них изготавливают синтетические волокна, которые

обладают высокой прочностью, упругостью. На судах тросы из искусственного волокна хорошо заменяют растительные маниль­

ские и сизальские. Однако тросы из синтетических материалов

имеют недостатки: при трении на их поверхности появляется ста­

тическое электричество, поэтому их необходимо смачивать водой.

Полиамиды обладают хорошими антифрикционными свойства-

44

мп; они быстро прирабатываются по месту; износоустойчивы и мо­ гут работать без смазки.

Из капрона делают много различных судовых деталей: греб­ ные винты, вкладыши подшипников, шестерни.

§ 13. СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ СУДОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Электросварка. По сравнению с клепкой, широко применяв­

шейся ранее, сварка имеет целый ряд преимуществ: уменьшение

веса судовых конструкций, большая прочность и плотность соеди­

нений, повышение производительности труда и улучшение условий

труда, значительное снижение стоимости работ.

Сущность электросварки состоит в следующем. Кромки свари­ ваемых деталей (рис. 32) сводят на достаточно близкое расстоя­ ние и подключают их к одному из полюсов генератора или транс­

форматора электрического тока. Ко второму полюсу подключают

электрод. Прикосновением электрода к детали возбуждают элект­

рическую дугу, отводят электрод на расстояние, примерно равное

диаметру электрода, и расплавляют кромки деталей. В центре ду­

ги температура достигает 6000—7000° С. Расплавленный металл кромок и электрода перемешивается и, остывая, образует сварной шов, прочно соединяющий детали. При правильно проведенной

сварке прочность шва не меньше прочности целого металла. Проч­ ность сварного шва зависит от качества металла и обмазки элект­

рода, силы и направления тока, скорости охлаждения шва и др.

Малоуглеродистые стали, применяемые в судостроении, сварива­

ются лучше и проще.

В судостроении применяется ручная, полуавтоматическая и ав­ томатическая сварка.

Для ручной сварки необходимо иметь источник электриче­ ского тока, устройство, позволяющее регулировать его, электро­ додержатель, электрические гибкие кабели, позволяющие подсоеди­

нять электрод и деталь к полюсам электрической машины, защит­

ный щиток для электросварщика и некоторые другие инструменты и приспособления.

Рис. 32. Способы электродуговои сварки:

а — способ Бенардоса; б — способ Славянова; і — присадочная проволока; 2 — угольный электрод; 3 — электрододержатель; 4 —источник тока; 5 — свариваемое изделие; 6 — метал­ лическая плита; 7 — металлический электрод

45

Источниками тока при сварке являются сварочные трансфор­ маторы для переменного тока и сварочные генераторы для посто­

янного тока. Напряжение тока в момент зажигания дуги в пре­

делах 55—60 В, а в период сварки — 15—35 В.

При полуавтоматической сварке используют шланговые полуавтоматы, которые обеспечивают автоматическую подачу сва­

рочной проволоки, что упрощает процесс сварки и улучшает ее качество. Вручную подается только головка полуавтомата вдоль сварочного шва. Вместо электродов применяют голую электродную

проволоку, а дугу и сваренный шов засыпают флюсом, который

защищает металл от вредного воздействия воздуха и обеспечивает его медленное остывание.

Наибольшей скорости, качества шва и экономии электроэнергии

добиваются применением сварочных автоматов, осущест­

вляющих автоматическую подачу проволоки и головки вдоль шва,

а также флюса.

Применение автоматов, полуавтоматов или ручного способа сварки зависит от расположения шва и характера свариваемой

конструкции (рис. 33). Разрабатывая технологию постройки суд­

на, стараются уменьшить количество ручной сварки применением

различных приспособлений, позволяющих шире применять свароч­ ные автоматы и полуавтоматы.

Однако сварные соединения имеют и недостатки. Жесткость сварных конструкций иногда является причиной появления тре­

щин. Из-за неравномерного прогрева и быстрого охлаждения ме­ талла возникают внутренние напряжения, которые особенно кон­

центрируются у острых углов, поэтому их стараются делать закруг­ ленными или ставить дополнительные подкрепления в этих местах,

например на палубе по углам люковых вырезов. Вследствие усад­

ки металла шва при охлаждении происходит деформация (короб­

ление) металла. При некачественной сварке могут быть непрова­

ры, подрез металла, трещины, поры и другие дефекты, которые об­ наруживаются путем осмотра очищенных от шлака сварных швов

(молотком и стальной щеткой). Для обнаружения внутренних де­ фектов сварных швов применяют просвечивание рентгеновскими и гамма-лучами, ультразвуковые или магнитные дефектоскопы. Для

проверки швов на водонепроницаемость их красят с одной сторо­ ны мелом, а с другой промазывают керосином. Если шов пори­

стый, то керосин пройдет насквозь и на окрашенной поверхности

а.

Рис. 33. Типы сварных соединений:

а — встык; б — тавровое; в — внахлестку

46

появится желтое пятно. При другом способе проверки отсеки и цистерны заполняют водой и затем снаружи осматривают их.

Электродуговая сварка позволяет сваривать детали из алюми-

ниево-магниевых сплавов, но для этого расплавленный металл

шва необходимо защитить от вредного воздействия воздуха, так

как алюминий быстро окисляется кислородом, образуя тугоплав­ кие окислы. Поэтому сварку ведут в среде инертного газа (арго­

на, гелия).

Клепка. Тридцать лет назад клепка была главным и почти единственным способом соединения деталей корпуса в стальном

судостроении. В настоящее время она применяется для клепки так

называемых барьерных швов, которые делаются в местах соедине­

ния палубы с бортом и препятствуют распространению трещин в

случае их появления, что иногда бывает на сварных судах. При соединении листов обшивки клепкой один лист может перекрывать

край другого — соединение внакрой или соединяться встык на од­ ной или двух планках, которые приклепываются к обоим краям листов. Одинарная планка ставится с внутренней стороны об­

шивки.

Склеивание. Для склеивания деталей в пластмассовом и дере­ вянном судостроении, а также в судоремонте при восстановлении

металлических деталей получили широкое распространение эпок­ сидные, полиэфирные и другие смолы.

Г л а в а V. КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА

§ 14. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЧНОСТИ КОРПУСА

Корпус судна испытывает действие сил собственного веса и сил

давления воды, которые в целом равны, но распределены по дли­ не судна неравномерно. Из-за этого корпус судна на тихой воде

может получить изгиб. Это может быть в двух случаях.

1. Если в средней части судна силы поддержания преобладают

над силами веса, а в оконечностях наоборот, то судно получит пе­

региб. В этом случае днище будет испытывать сжатие, а палуба —

растяжение. Наибольшие изгибающие моменты возникают на ми­

деле. Они еще более возрастут, если судно окажется средней

47

Способность судна сопротивляться

изгибающим нагрузкам называется

продольной, или общей, прочностью.

Максимальные напряжения воз­

никают в верхних (палуба) и нижних

(днище) связях, равняясь нулю при­ мерно на половине высоты борта (ней­

тральная линия).

При чрезмерных нагрузках может

произойти разрушение корпуса. Что­ бы этого не случилось, листы обшив­ ки подкрепляют набором — продоль­

ными и поперечными балками. Мак­ симальные напряжения, возникающие

всудовых конструкциях, не должны

прочности.

Кроме продольного изгиба судна,

под действием давления воды, груза и механизмов возникает ме-

стная деформация днища, бортов и палуб в поперечном направ­ лении (рис. 35). Способность судна противостоять усилиям, вы­

зывающим деформацию корпуса в поперечном направлении, на­

зывается поперечной, или местной, прочностью.

Расчеты прочности корпуса судна в целом и отдельных его час­

крепленной для обеспечения продольной и поперечной прочности

балками, называемыми также связями. Совокупность продольных

и поперечных балок, образующих каркас судна, называется судо­

вым набором. Водонепроницаемая оболочка состоит из днищевой, бортовой обшивки и настила верхней палубы. Листы наружной

обшивки с помощью сварки крепятся к балкам судового набора,

образуя перекрытия: днищевые, бортовые и палубные.

Продольные балки идут вдоль судна. К ним относятся: верти­

кальный киль, стрингеры, карлингсы и продольные ребра жестко­

сти.

Вертикальный киль — это продольная мощная балка днищево­

го набора, проходящая посередине ширины судна. І\ ней снизу

примыкает лист днищевой обшивки, носящий название горизон­ тального киля. Продольные балки днищевого и бортового набо­ ра большого поперечного сечения называются стрингерами. В за­

висимости от места расположения они бывают бортовые, скуловые

и днищевые. Подпалубные прочные балки называются карлингса­ ми. Продольные балки меньшего профиля, чем у стрингеров и кар­

лингсов, носят наименование продольных ребер жесткости и по

48