Игнатович В.С., Кузьмина А.В.

Севастопольский национальный технический университет

ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ПОЛУПОГРУЖНЫХ ПЛАВУЧИХ СООРУЖЕНИЙ

В связи с морской добычей нефти и газа в последние годы развивается новый тип технических средств – полупогружные плавучие буровые установки и крановые суда. Эти сооружения имеют ряд особенностей, вытекающих из специфики их эксплуатации и существенно влияющих на их конструкцию.

Рассмотрим полупогружное крановое судно (ППКС), которое состоит из нижних (погружных) и верхнего корпусов, связанных друг с другом двумя рядами стабилизирующих колонн (рис. 1). Нижние корпуса изготавливаются в виде прямоугольных в плане понтонов, набранных по продольной системе.

Рис. 1. Общий вид полупогружного кранового судна (схема): 1 – нижний корпус; 2 – верхний корпус; 3 – стабилизирующие колонны; 4 – кран; 5 – жилой блок; 6 – груз; I, II – походная, рабочая ватерлинии

В последнее время, в связи с созданием новых типов судов существенно расширилось понятие оптимизации корпуса, включающее особенности развития современных конструкций, применение унификации узлов и секций. Отличительной чертой корпуса ППКС является его высокая по сравнению с обычными судами металлоемкость корпуса [1].

Масса металла основных конструкций корпуса с краном грузоподъемностью 2500 т составляет 43 – 51 % от водоизмещения порожнем, а корпуса обычного морского плавкрана – 28 – 30%. Поэтому снижение массы металла корпуса является одним из определяющих показателей оптимизации корпуса этих сооружений.

Основными элементами конструкций корпуса являются обшивка и набор, размеры которых при одной и той же местной нагрузке зависят от расстояния между продольным и поперечным набором (шпации). Такой подход позволяет получить и проанализировать зависимости массы нижнего корпуса и стабилизирующих колонн от шпации набора, используя в качестве исходных данных осадку судна, предел текучести материала, установленные запасы прочности и устойчивости.

Характеристикой массы корпуса может служить приведенная толщина обшивки, включающая продольный и поперечный набор. Анализ металлоемкости нижних корпусов проводился, исходя из расчетного напора воды путем изменения значений шпации в достаточно широком диапазоне. Соотношение между толщиной и высотой стенки профиля выбиралось из условия обеспечения ее устойчивости при заданном характере нагружения балки. Приведенная толщина вычислялась для корпуса при одинаковых запасах прочности и может быть представлена в виде

,

где ; d – шпация продольного набора; a – шпация поперечного набора;  - предел текучести материала; L, B – размеры перекрытия; h_d, h_a – коэффициенты, характеризующие устойчивость стенки профиля продольного и поперечного набора (h_d = 67,7÷52,6; h_a = 70,7÷55,0); – увеличение толщины обшивки, учитывающее ее коррозионный износ за полный период эксплуатации [2].

Оценка и выбор наименьшего значения приведенной толщины нижнего корпуса кранового судна производились при следующих значениях исходных величин: Р = 0,25 МПа; d = 0,1-0,9 м; a = 1,8; 2,4; 3,0 м; В = 9 м; = 240,300,400 МПа.

Рис. 2. Зависимость приведенной толщины tпр нижнего корпуса от шпации набора для различных марок стали: a, d – шпации продольного и поперечного набора	Рис. 3. Зависимость относительных затрат Z на изготовление секции корпуса ППКС

Построенные по данным расчета графики (рис.2) показывают, что выражение приведенной толщины обшивки представляют линейную зависимость от шпации продольного набора. Влияние расстояния между поперечным набором незначительно и практически не приводит к изменению металлоемкости корпуса. С увеличением предела текучести материала приведенная толщина уменьшается, однако характер ее изменения сохраняется. Доля набора в приведенной толщине обшивки составляет в среднем 40-45 %. Вместе с тем следует отметить, что от размера шпации зависит не только масса конструкции, но и трудоемкость ее изготовления. Поэтому в качестве наиболее полного показателя оптимальности конструкции могут служить суммарные затраты на изготовление корпуса, которые должны включать как расход материала, так и технологические затраты на изготовление деталей, их сборку и сварку. Поскольку корпус ППКС состоит в основном из плоских секций, то зависимости затрат, полученных из рассмотрения одной такой секции, могут быть распространены на весь корпус.

Анализ суммарных затрат на изготовление корпуса при изменении шпации выполнялся в относительных величинах

,

где - стоимость материала секции; - затраты на изготовление секции; величины со знаком «о» относятся к базовому варианту.

Первое слагаемое учитывает прочностные характеристики материала и степень его загрузки до допускаемых напряжений, определяющих запасы прочности, во втором слагаемом приняты во внимание условия и показатели производства, нашедшие выражение в нормах трудоемкости обрабатывающих и сборочно-сварочных работ. По результатам счета построены графики (рисунок 3), показывающие, что кривая относительных затрат изготовления корпуса имеет явно выраженный минимум. Влияние изменения поперечной шпации на затраты невелико. Увеличение технологических затрат на изготовление корпуса приводит к сдвигу минимума в зону больших значений шпаций продольного набора. Поэтому при установке продольного набора можно рекомендовать шпацию в пределах 0,4-0,5м при расстоянии между поперечными рамами 1,8-2,4 м.

В целом же использование при проектировании корпуса полупогружного кранового судна оптимизации конструкций в широком смысле позволяет выявить резервы с точки зрения снижения металлоемкости без ухудшения прочности и надежности всего сооружения, при соблюдении приемлемых технико-экономических показателей судна.

Литература:

1. Бойцов Г.В. Проблемы оптимизации судового корпуса// Судостроение. – 1983. №2. С.11-15.

2. Правила классификации и постройки морских судов. – С-ПБ.: Российский Морской Регистр Судоходства. 2005. 358 с.