РЕМОНТ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКЛАДНЫХ ЛИСТОВ

Муру Г.Н.¹, Корягин С.И.², Великанов Н.Л.³

¹Кандидат технических наук, директор института, ²Доктор технических наук, профессор, директор института, ³Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Балтийский федеральный университет им. И. Канта

РЕМОНТ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКЛАДНЫХ ЛИСТОВ

Аннотация

В настоящее время недостаточно исследованы возможности применения накладных листов при ремонте корпусных конструкций, например, судов. В связи с этим представляют интерес исследования по восстановлению прочности поврежденных элементов корпуса с помощью накладных листов. Применение накладных листов для восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных и поврежденных конструкций давно привлекает внимание ученых и практиков. Данная технология имеет ряд преимуществ. Они связаны с отсутствием операции вырезки поврежденного или изношенного участка, возможностью проводить ремонт без вывода объекта из эксплуатации. Особенно хорошо зарекомендовали себя накладные листы в районе прохождения труб.

Ключевые слова: настил, накладной лист, балка, модуль упругости, перемещение, расчетная схема.

Muru G.N.¹, Koryagin S.I.², Velikhanov N.L.³

¹PhD in Engineering, Director of the Institute, ²PhD in Engineering, Professor, Director of the Institute, ³PhD in Engineering, Professor, Head of Department, Immanuel Kant Baltic Federal University

HULL STRUCTURES REPAIR WITH COVER PLATES

Abstract

Nowadays the possibility of using cover plates in the repair of hull structures of ships is insufficiently investigated. In this regard the research of restoring the strength of the damaged elements of the hull with cover plates is of interest. The usage of cover plates to restore the strength and waterproofing of worn and damaged structures has attracted the attention of scholars and practitioners for a long time. This technology has several advantages. They are related to the lack of cutting operation of damaged or worn-down area and the ability to carry out repairs without decommissioning. Cover plates in the area of the pipes has proven themselves particularly well.

Keywords: deck, cover plate, beam, elasticity modulus, shift, design model.

Применение накладных листов для восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных и поврежденных конструкций давно привлекает внимание ученых и практиков [1, 2]. Данная технология имеет ряд преимуществ. Они связаны с отсутствием операции вырезки поврежденного или изношенного участка, возможностью проводить ремонт без вывода объекта из эксплуатации. Особенно хорошо зарекомендовали себя накладные листы в районе прохождения труб (рис. 1). В этих случаях накладной лист 2 может быть обварен как по внешнему контуру, так и по контуру примыкания к трубопроводу 3.

Рис. 1 - Применение накладных листов в районе пересечения настила и трубопровода: 1 — настил, 2 — накладной лист, 3 — трубопровод

 

Сложнее обстоит дело в том случае, когда накладной лист обваривается только по контуру. Чем больше размеры накладного листа, тем больше вероятность его отрыва. Это связано, прежде всего, с различными перемещениями участков основного настила и участков накладного листа при действии на корпусную конструкцию эксплуатационной нагрузки [1, 2].

В качестве расчетной схемы выберем так называемую балку-полоску (рис. 2). В точках А и В (места примыкания набора к настилу) имеются неподвижная и подвижная шарнирные опоры. Поперечное сечение балки прямоугольное, ширина равна единице, толщина — толщине обшивки h₁ (или накладного листа h₂). Пусть на балку действует сосредоточенная сила Р.

Рис. 2 - Расчетная схема совместного изгиба настила (длина 1) с накладным листом (длина m₂)

Рассмотрим отдельно изгиб балки AB (рис. 2) без накладного листа. Перемещения у точек балки в этом случае описывается следующей зависимостью:   (1) где Е - модуль упругости при растяжении (сжатии),   (2)

I — момент инерции полосы прямоугольного сечения шириной. равной единице.

Максимальный прогиб будет в середине пролета AB точка С:

  (3)

При х = x₁ = d₁ из зависимости (1) получим   (4) или, учитывая (2),   (5)

где d — относительное расстояние от начала координат (точка А, рис. 2) до накладного листа:

  (6)

При х₂ = 1 / 2 из зависимостей (2) и (3) получим:   (7) Из уравнений (5) и (6)    (8)

Рассмотрим отдельно изгиб накладного листа, представив его как балку длиной m₂ и единичной ширины. Ее прогиб в середине пролета описывается зависимостью, аналогичной (3):

  (9)

или, учитывая (2),   (10) Условие совместной деформации (с плотным прилеганием) запишем в виде:   (11) Из уравнений (8), (10) и (11) получим:   (12) Зависимость между линейными размерами имеет вид (рис. 2):   (13) Из уравнений (11) и (12) получим:   (14) где h — относительная толщина накладного листа:    (15)  — относительный модуль упругости при растяжении (сжатии) накладного листа:   (16)

E₁, E₂ — модули упругости при растяжении (сжатии) настила и накладного листа.

Графическая зависимость относительной толщины накладного листа h от относительного размера d при действии сосредоточенной силы Р при различных  изображена на рисунке 3.

Рис. 3 - Зависимость относительной толщины накладного листа h от относительного размера d при действии сосредоточенной силы Р при различных : h(d) —  = 1, h1(d) — при  = 0,8, h2(d) — при  = 1,2

Рассмотрим случай, когда на балку (рис. 2) действует равномерно распределенная нагрузка интенсивностью q.

Перемещения у точек балки в этом случае описывается следующей зависимостью:

  (17)

Максимальный прогиб будет в середине пролета AB — точка С (см. рис. 2):   (18) При х = х₁ = d₁ из уравнений (6) и (17) получим:    (19) или, учитывая (2),   (20) При х₂ = l/2 из уравнений (2) и (18) следует:    (21) Из уравнений (20) и (21)    (22)

Рассмотрим отдельно изгиб накладного листа, представив его как балку длиной m₂ и единичной ширины. Из зависимостей (2) и (18) ее прогиб в середине пролета (при x=m₂/2):

   (23)

Согласно уравнениям (11), (13), (15), (16), (22) и (23),   (24)

Графическая зависимость относительной толщины накладного листа h от относительного размера d при действии равномерно распределенной нагрузки интенсивность q при (Е_отн =1) изображена на рисунке 4.

Рис. 4 - Зависимость относительной толщины накладного листа h от относительного размера d при действии равномерно распределенной нагрузки интенсивностью q при различных : h(d) — при  = 1, hl(d) —  = 0,8, h2(d) — при  = 1,2

В результате выполненных теоретических, экспериментальных и натурных исследований разработан метод восстановления несущей способности элементов металлических конструкций с применением армированных полимерных покрытий.

Метод восстановления несущей способности, например, корпуса судна осуществляется путем зачистки изношенного участка, разметки, подгонки по месту элементов и установки последних на изношенный участок корпуса. Затем, после подбора элементов, подогнанных для изношенного участка корпуса судна, и закладных заклепок сверлят отверстия под закладные заклепки, заформовывают клеевую композицию в эти отверстия, устанавливают элемент и совмещают его отверстия с просверленными на изношенном участке. После чего вставляют и закрепляют закладные заклепки, а затем запрессовывают в образовавшиеся пустоты между элементами и изношенным участком корпуса судна клеевую композицию.

Предлагаемый метод состоит из следующей последовательности технологических операций:

а)        удаление с поверхности металла участка ржавчины, старой краски и грязи;

б)        разметка участка, подлежащего восстановлению;

в)        заготовка внешнего элемента и закладных заклепок;

г)        сверление отверстий под закладные заклепки;

д)        заформовка клеевой композиции в отверстия;

е)        установка и крепление на изношенном участке корпуса внешнего элемента с помощью закладных заклепок;

ж)       запрессовка клеевой композиции в пустоты между внешним элементом и изношенным участком корпуса;

з)        зачистка выступающих неровностей и окраска восстановленного участка.

Конкретное осуществление метода на примере ремонта бухтины и установки на настиле палубы восстанавливающего элемента конструкции судна следующее.

В изношенной обшивке сверлят отверстие и заформовывают клеевую композицию. Затем вставляют корпус заклепки, а в нее - закладной пуансон. Ударом по пуансону закрепляют его в корпус заклепки, образуя замыкающую головку закладной заклепки. Затем закрепляют внешний элемент, прикрепляя его к корпусу пуансона. Во внешнем элементе сделано отверстие  для запрессовки клеевой композиции. После такой запрессовки в отверстие вставляют резьбовую пробку. После этого производится зачистка неровностей и окраска восстановленного участка корпуса судна.

Ремонт, выполненный на настиле палубы с изоляцией при установке нового или восстановленного элемента корпуса судна, выполняют аналогично с использованием закладных заклепок. Последовательность технологических операций, рассмотренная выше, сохраняется.

Разработанный метод позволяет повысить качество ремонта, сократить сроки ремонта, уменьшить расход материала и снизить трудоемкость ремонтных работ.

Для определения влияния накладного листа (внешнего элемента) на напряженное состояние основного листа (элемента корпуса) были выполнены экспериментальные исследования.

Толщина листов образца 5 мм, ширина 85 мм, длина основного листа 452 мм, длина накладного листа 248 мм. Материал - сталь Ст. 3 и клеевая композиция “Спрут-9М”. Для сравнения проведены также экспериментальные исследования образцов без заклепочного соединения. Испытания образцов проводились на изгиб и растяжение.

Результаты испытаний показали, что во всех случаях накладной лист втягивается в работу и частично разгружает основной лист. Заклепка, расположенная в зоне действия наибольших касательных напряжений, обеспечивает большее вовлечение в работу накладного листа.

Была произведена оценка прочности образца без заклепки, которая показала, что разрушение образца (отслоение накладного листа от основного) начиналось при напряжении в основном листе 220 МПа. В образце заклепкой разрушение не наступало при нагрузке, вызывающей напряжение текучести в материале основного листа.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заклепка решает две задачи: во-первых, работая на срез, снижает напряжения клеевом соединении и способствует вовлечению в работу накладного листа; во-вторых, в процессе формирования трехслойного композиционного элемента типа металл-покрытие-металл обеспечивает сжатие накладного и основного листов, то есть дает возможность получить клеевой слой минимальной толщины, что увеличивает его прочность жесткость.

Выводы

1. Зависимости относительной толщины накладного листа от его относительного размера (рис. 3, 4) являются нелинейными.
2. С использованием зависимостей (6), (14)—(16) и (24) можно определить толщину и модуль упругости накладного листа.
3. Рассмотрены два случая нагрузки и один случай опирания балки. Однако изложенный в зависимостях (1)—(24) алгоритм может быть применен для других видов нагрузки и случаев опирания балки.
4. Результаты исследований целесообразно использовать в конструкторской практике и при разработке нормативно-технических документов в судоремонте.

Список литературы / References

1. Корягин С.И. Влияние накладного листа на напряженное состояние основного конструктивного элемента // Вестник машиностроения. 1998, №2. С. 16-19.
2. Корягин С.И., Буйлов С.В., Великанов Н.Л. Определение напряжений в основном листе трехслойной конструкции при изгибе и растяжении // Вестник Балтийского Федерального Университета им. И. Канта, 2013, № 11. С. 96-102

Список литературы на английском языке / References in English

1. Koryagin S. I. Vliyanie nakladnogo lista na napryazhennoe sostoyanie osnovnogo konstruktivnogo elementa [Influence of cover plate on the stress state of the main structural element] / S. I. Koryagin // Vestnik mashinostroeniya [Mechanical engineering reporter]. – №2. – P. 16-19. [in Russian]
2. Koryagin S. I. Opredelenie napryazhenij v osnovnom liste trehslojnoj konstrukcii pri izgibe i rastyazhenii [Determination of stress in the base plate of three-layer structure under tension and bending] / S. I. Koryagin, S. V. Builov, N. L. Velikanov // Vestnik Baltijskogo Federalnogo Universiteta im. I. Kanta [Immanuel Kant Baltic Federal University Reporter]. – 2013. – № 11. – 96-102.  [in Russian]