Условия размещения и площадки для размещения статей смотрите здесь
Глава 1 Типы малых судов. Материал корпуса
1.2. Технико-экономические предпосылки выбора
материала корпуса
Армоцемент
Армоцемент стоек к воздействию внешней среды, не гниет, не
корродирует и не требует периодической окраски в отличие от металла,
дерева. Масса армоцементного корпуса несколько больше массы корпуса из
других рассматриваемых материалов. Армоцемент используется для постройки
малых рыболовных и транспортных судов, крейсерских яхт и других судов,
скорость которых не является главным качеством. Выбор этого материала
обусловливается малой стоимостью и недефицитностью исходных материалов -
цемента и стальной сетки, простотой постройки армоцементного судна и его
ремонта, большой долговечностью корпуса. Армоцементные суда обладают
хорошими технико-экономическими показателями Армоцемент по мнению ряда
отечественных и иностранных специалистов, весьма перспективный материал.
Армоцемент широко используется для постройки малых судов, особенно
рыболовных, в странах западного побережья Северной Америки, Японии,
Новой Зеландии, Китае, Индии, Италии и других странах.
Армоцемент, также как и стеклопластик, является наиболее пригодным
материалом для постройки корпусов, имеющих форму обводов с участками
большой кривизны.
Для обеспечения хорошей обитаемости внутренние помещения армоцементного
судна необходимо отделать деревом или другим декоративным материалом,
установить теплоизоляцию. Красивого внешнего вида можно добиться путем
железнения шпаклевки и окраски.
Для постройки армоцементных судов не требуется сложного оборудования
судостроительных предприятий и высококвалифицированной рабочей силы.
Армоцементные суда строят в основном вручную, степень механизации
низкая. Характерно, что в слаборазвитых странах с дешевой рабочей силой
армоцементные суда получаются самыми дешевыми. Например, в Индии
стоимость ботов длиной 11,6 м из стеклопластика на 73%, из дерева на 30
% п из стали на 82 % больше, чем стоимость таких же ботов из армоцемента.
В странах западного побережья Северной Америки, несмотря на то, что там
труд ценится дороже, чем в Индии, постройка армоцементных судов длиной
15 м обходится дешевле деревянных и стальных, но они уступают
стеклопластиковым [45]. Малую стоимость стеклопластиковых судов в этих
странах можно объяснить дешевизной исходных материалов и освоенностью
технологии их постройки.
Сталь. В заключении анализа положительных и отрицательных качеств
различных судостроительных материалов рассмотрим технико-экономические
характеристики стали и условия целесообразности ее использования для
постройки малых судов. Сталь начали внедрять для постройки
крупнотоннажных судов в середине XIX века, но малые суда до конца века
продолжали строить в основном из дерева. И лишь в первые десятилетия XX
века началось внедрение стали в малое судостроение. Однако, широкому
использованию стали препятствовало то, что отдельные элементы корпуса
соединялись с помощью заклепок,
что требовало много труда и не обеспечивало таких важных
эксплуатационных качеств, как непроницаемость и стойкость к коррозии. В
районах заклепочных швов коррозия стали происходила интенсивнее, чем на
целой части листа. Внедрение сварки в малое стальное судостроение,
начавшееся в 30-х годах нашего века и закончившееся в 40-х годах,
привело к упрощению постройки корпусов, их удешевлению и повышению
эксплуатационных качеств судов. Сварные корпуса малых судов сохраняют
непроницаемость даже в тяжелых условиях эксплуатации и обладают большей
коррозионной стойкостью, чем клепаные. Эффективной мерой снижения
коррозии обыкновенной углеродистой и низколегированной стали является
пескоструйная обработка в сочетании со своевременной продолжительной
консервацией, заимствованная из опыта крупнотоннажного судостроения Все
это привело к тому, что в мировом флоте малых судов все больше стало
появляться надежных и сравнительно недорогих судов из стали. Стальные
яхты с начала 60-х годов успешно строились в Голландии и по примеру
Голландии в ФРГ, Англии, Скандинавии, Австралии, Новой Зеландии и других
странах [52]. Широко используется сталь и в нашей стране. При
соответствующем уходе и контроле продолжительность службы стальных судов
составляет 40 лет и более. Сталь обладает высокими прочностными
качествами и пластичностью. Стальной корпус надежен в эксплуатации, он
способен выдерживать большие нагрузки, возникающие при посадке судна на
мель, столкновении с плавающими предметами и в других случаях без
нарушения непроницаемости корпуса. Пластические деформации, возникающие
при этом, сравнительно легко устраняются во время ремонта путем правки
или вырезки деформированного участка конструкции и последующей вварки
новой части. Сталь рациональнее других материалов используется в балках
набора, которые вместе с присоединенным пояском при изгибе работают как
двутавровые. Корпуса малых судов из стали несколько легче, чем из
армоцемента, но тяжелее деревянных, стеклопластиковых и алюминиевых.
Однако при длине судов более 12-15 м масса стального корпуса
приближается к массе деревянного и пластмассового корпусов. Если учесть
это, а также другие положительные качества стали, становится очевидной
целесообразность использования стали для некоторых типов малых судов.
Для судов длиной менее 8-10 м сталь используется редко, так как толщина
оболочки не может быть принята меньше 1,5-2,0 мм по условиям
устойчивости листов, местной прочности и коррозионного износа, в то
время как деревянная обшивка таких судов при толщине, обеспечивающей
местную прочность, легче.
Снизить массу стального корпуса можно путем использования для наиболее
напряженных связей корпуса сталей повышенной прочности, а также путем
уменьшения запасов на коррозионный износ, что вполне допустимо, если
корпус будет периодически подниматься на берег для осмотра, очистки и
окраски поврежденных участков и будут приняты другие меры по
предотвращению электрохимической коррозии. Коррозия может быть снижена
путем применения нержавеющих, плакированных или оцинкованных сталей.
Стоимость стали для постройки корпуса значительно ниже, чем стоимость
компонентов стеклопластика или алюминиевых сплавов. Сталь п нашей стране
не относится к числу дефицитных материалов. Коэффициент использования
стальных листов и профилей при рациональном раскрое материала достигает
0,85- 0,90, в то время как коэффициент использования древесины при
постройке деревянного судна раза в три меньше. Это обстоятельство нельзя
не учитывать в технико-экономических расчетах.
Постройка малых стальных судов возможна на любом судостроительном,
судоремонтном или другом предприятии, имеющем оборудование для резки,
гибки и сварки стали. Зачастую именно этот фактор, определяющий
водостойкости постройки, бывает решающим при выборе стали в качестве
основного материала корпуса малого судна. Процесс сварки стальных листов
и профилей, а также их правки не вызывает затруднений. Часто
практикуется постройка из стали головных судов, предназначенных для
проверки мореходных и других качеств проекта, а суда крупной серии после
успешных испытаний головного судна строятся из стеклопластика. Это
обусловливается меньшей стоимостью головного судна из стали, чем
стоимость судна из стеклопластика, так как для качественной постройки
стеклопластикового судна необходимо дорогостоящее технологическое
оборудование, изготовление которого для постройки одного судна
нецелесообразно. Из стали строились и строятся рыболовные, рабочие,
служебные суда, которые могут быть относительно тяжелыми.
Рис. 5. Лоцманский катер.
В настоящее время эксплуатируется несколько тысяч малых стальных
сейнеров (рис 1), тралботов и других рыболовных судов. Подавляющее
большинство судов, обслуживающих лесную промышленность, изготовлено из
стали. Насчитывается около 7,6 тысяч самоходных и несамоходных судов и
более тысячи мотолодок [43]. Буксирные суда лесосплава имеют габаритную
длину от 7,85 м и выше, патрульные - 12,0 и 13,6 м, грузовые для
перевозки такелажа и мелких грузов - 19,9 м. Стальной
служебно-разъездной катер лесосплава ЛФ-22 имеет габаритную длину 6,6 м.
В особо тяжелых условиях работают суда-агрегаты типа Т-117 (А = 7,83 м)
и Т-135 (L = 12,00 м). Они эксплуатируются на акватории, забитой
бревнами не только в летнее время, но и в зимнее при значительной
толщине сплошного ледового покрова. Постройка этих судов возможна только
из стали.
Рис. 1. Малый рыболовный сейнер.
Сталь является рациональным материалом для постройки крейсерско-гоночных
яхт длиной 10-12 м и более (рис. 2). Некоторое увеличение массы корпуса
по сравнению с яхтами из алюминиевых сплавов, стеклопластика или дерева
практически не влияет на возможности яхты и тяжелые яхты согласно
Международным правилам обмера крейсерско-гоночных яхт получают меньший
гоночный балл, что дает им преимущество в гонке, в которой
зачет производится по исправленному времени прохождения гоночной
дистанции, зависящему от гоночного балла. На яхтах, предназначенных для
классных гонок, гоночный балл не должен превышать установленного
предела. При утяжелении корпуса этих яхт появляется возможность
некоторого увеличения площади парусов, что также приводит к уравниванию
шансов на выигрыш гонки. На основании исследований, выполненных Д. А.
Курбатовым [26], при кубическом модуле 70 м3 стальной корпус яхты
начинает конкурировать с деревянным, а при LYBytf) = 150 м3 стальной
корпус получается легче (здесь L - полусумма длин наибольшей и по
ватерлинии; В - наибольшая ширина; D - высота борта без плавника).
Рис. 2. Крейсерско-гоночная яхта "Таврия"
Сталь также широко используется для постройки разъездных,
пассажирских, командирских и других относительно быстроходных судов с
водоизмещающим режимом движения (рис. 3). Из стали построен ряд малых
судов, например рейдовый пассажирский катер проекта 1455 длиной 20 м
(рис. 4), лоцманский катер проекта 1459 длиной 20.5 (рис 5), бортовой
буксирный катер арктического плавания проекта 1633 длиной 10,68 м (рис.
6).
Сталь может быть использована и для постройки малых скоростных судов. В
качестве примера можно отметить английский гоночный глиссер
трехточечного типа длиной 7,1 м, построенный из легированной стали,
который при мощности энергетической установки 1580,25 кВт развивает
скорость 210 км/с [40].
В то же время следует констатировать относительное уменьшение постройки
малых стальных судов по сравнению с довоенным периодом в связи с
внедрением в малое судостроение в 50-60-х годах пластмасс и алюминиевых
сплавов.
Рис. 4. Рейдовый пассажирский катер.
При сравнительной оценке качества судостроительных материалов с точки
зрения возможного снижения массы корпуса многие авторы [24,26, 41] в
качестве критерия используют удельную прочность материала, под которой
понимается отношение характеристик прочности (опасного или допускаемого
напряжения) к плотности материала. Однако за критерий массы корпуса
удобнее принять обратное отношение, которое акад. В. Л. Поздюнин назвал
характеристикой легкости материала. В этом случае соотношение
характеристик легкости материалов будет показывать соотношение масс
корпусов из тех же материалов.
Рис. 3. Служебно-разъездной катер
В табл. 1 приведены данные по характеристикам легкости основных
материалов, используемых в малом судостроении. При их вычислении
допускаемые напряжения во всех случаях принимались на основе нормативных
документов для наружной обшивки при ее местном изгибе. Так, для стали за
опасное напряжение принят предел текучести, а допускаемое напряжение
определено на основе Норм прочности [31]. Нормативное (опасное) и
допускаемое напряжения для рудовой (горной) сосны при 15 % влажности
приняты на основе рекомендаций, приведенных в {44]- Характеристики
прочности стеклопластика типа IV (стеклопластик средней прочности)
приняты на основе данных, приведенных в части XIV "Конструкция и
прочность корпусов судов и шлюпок из стеклопластика" Правил Регистра
СССР {36J- Опасные и допускаемые напряжения для алюминиевых сплавов
заимствованы из раздела "Корпус водоизмещающих судов из легких сплавов"
Правил Речного Регистра РСФСР [37]. Прочностные характеристики
армоцемента заимствованы из Временных правил ЦНИИ им. акад. А, Н.
Крылова. Принят армоцемент на основе цемента марки 400, армированный
стальными сетками с коэффициентом удельной поверхности 2 1/см.
Таблица 1 Характеристики легкости основных материалов
Характеристика легкости материала, определенная по опасным
напряжениям, не может служить показателем массы конструкции корпуса, так
как прочностные возможности материала при работе в идеальных условиях
(например, растяжение древесины вдоль волокон) не могут по ряду причин
полностью реализоваться в судовом корпусе. Прочность судового корпуса
оценивается по допускаемым напряжениям, следовательно, и характеристика
легкости материала, вычисленная по допускаемым напряжениям, может быть с
большим основанием использована в качестве ориентировочного показателя
массы корпуса.
Как видно из табл. 1, характеристика легкости стали по допускаемым
напряжениям несколько выше соответствующих характеристик других
материалов кроме армоцемента, а характеристика легкости стали 10ХСНД
ниже характеристик всех других материалов, кроме алюминиевых сплавов.
Для получения более точных данных о зависимости массы корпуса и других
технико-экономических показателей от принятого материала корпуса были
выполнены специальные исследования для трех проектов стальных судов:
рыболовного сейнера СЧС-225 (L X В X D X d = 22,4 X С,5 X 3,05 X 2,4 м),
буксирного катера проекта 1439 (LXBXDXd~ 16,16X3,8X2,16X У 1,39) и
служебно-разъездного катера проекта 1436 типа "Ярославна" (ЬУ BXDXd =
13,0 X 3,45 X 1,81 X 0,78 м).
Прочные размеры связей конструктивного оформления узлов и
технико-экономических обоснований при этом выбирались на основе
нормативных материалов, расчетов, специальной литературы и прототипов.
Результаты проделанной работы представлены в табл. 2, 3 и 4 (приведены
данные для 15-го серийного
Таблица 2 Технико-экономические показатели постройки
рыболовного сейнера из разных материалов
Таблица 3 Технико-экономические показатели постройки буксирного
катера из разных материалов
Таблица 4 Технико-экономические показатели постройки
служебно-разъездного катера "Ярославна" из разных материалов
судна) Приведена также масса (в килограммах) корпуса яхты однотонного
класса "Муссон" (LXBXDXd ~ 10,8X3,3X X 3,2X2,0) при постройке из разных
материалов. Данные приведены для головного судна, в процентах показано
отношение массы корпуса из разных материалов к массе стального корпуса:
кг %
Сталь.......... .... 2086 100
Сплавы АМг ...... ... 1062 51
Дерево........ ... 1890 90,5
Армоцемент...... . . 2580 123.7
Из таблиц видно, что наименьшая масса корпуса получается при
использовании алюминиево-магниевых сплавов, затем в порядке возрастания
массы идут стеклопластиковые, деревянные, стальные и армоцементные суда.
Безусловно, приведенные показатели ориентировочные. Они могут меняться в
зависимости от конкретных условий постройки и эксплуатации судна.
Соотношения характеристик легкости и масс корпуса с фундаментами и
подкреплениями весьма близки для всех материалов, кроме армоцемента.
Значительно меньшее отношение массы армоцементного корпуса к массе
стального корпуса, чем отношение характеристик легкости этих материалов,
можно объяснить тем, что из армоцемента изготовляется наружная обшивка,
которая практически не имеет набора, в то время как при использовании
других материалов устанавливается довольно тяжелый набор, а многие
конструкции армоцементных судов (палубные перекрытия, переборки, рубки и
т. п.) выполняются из более легких материалов (фанеры, тонколистового
металла, трехслойных панелей и т. п.). Кроме того, для армоцемента в
отличие от других материалов не принимаются запасы на износ.
Стоимость стали для постройки корпуса значительно меньше, чем стоимость
алюминиевых сплавов и материалов для постройки стеклопластикового
корпуса, но несколько выше стоимости дерева и материалов для
армоцементного судна.
Трудоемкость постройки головного стального корпуса дешевле, чем
стеклопластикового, но при серийной постройке трудоемкость постройки
стеклопластикового судна становится меньше. Полную себестоимость
стального судна на основе проведенных расчетов можно считать самой
низкой. Если сравнивать экономическую целесообразность применения стали
по приведенными затратами, то, как это видно из таблиц, сталь при
серийной постройке уступает только стеклопластику.
В табл. 2-4 не все показатели изменяются соответственно изменению
размеров судов, что объясняется разнотипностью самих судов,
использованием различных методов выбора размеров прочных связей,
несовершенством нормативных материалов, округлением размеров, различным
объемом использования древесно-слоистых материалов и пластмасс на
изготовление палуб, рубок, переборок и Других конструкций металлических
и армоцементных вариантов. Эти показательно многом зависят от запасов
прочности и долговечности реальных стальных судов, принятых при их
проектировании. Приведенные затраты зависят от годовых эксплуатационных
затрат, но последние для большинства судов будут значительно меньшими,
чем показанные в таблицах, так как многие ремонтные работы по малым
судам выполняются силами штатного экипажа без дополнительной оплаты.
Рассмотрим некоторые данные из опыта зарубежного мало го судостроения.
По данным зарубежной печати, в Канаде были сопоставлены
технико-экономические показатели постройки малого траулера (Z-ХЯХ D -
26,7X7,33X3,97 м) из разных материалов причем обводы корпуса несколько
изменялись в зависимости от возможностей материала, т. е. для металлов
были приняты обводы с некоторым упрощением, а для других материалов
круглоскулыми. Конструкции рубок сохранились одинаковыми для всех
вариантов. Результаты проделанной работы представлены в табл. 5, из
которой видно, что при постройке судов таких размеров стальной корпус
получается легче деревянного и армоцементного. Трудоемкость постройки
стального корпуса ниже трудоемкости постройки алюминиевого и
армоцементного корпусов. Полная себестоимость судна из стали ниже
стеклопластикового, алюминиевого и армоцементного судов.
Отмечается значительное снижение стоимости стеклопластиковых судов при
серийной постройке. Так, при серийной постройке в пять единиц стоимость
всех вариантов сокращается примерно на 10 %, а стеклопластикового - на
36 при серии в 25 единиц стоимость сокращается соответственно на 21 % и
в два раза.
Таблица 5 Технико-экономические показатели иностранной
постройки головного малого траулера из разных материалов
В малом стальном судостроении широко практикуется применение других
материалов на изготовление палубного настила, рубок и других
конструкций- Так, на служебно-разъездном катере "Ярославна" надстройка и
рулевая рубка выполнены из стеклопластика в целях снижения массы
конструкции, более простого решения ряда технологических узлов, а также
с целью улучшения внешнего ряда катера. Кроме того, на этом катере из
стеклопластика выполнены зашивки в рубке, перо руля и ряд других
изделий.
На служебном катере проекта 371-бис, который серийно строился более 20
лет, палубный настил и рубка изготовлены из дерева.
На крейсерско-гоночной яхте "Таврия" [48, с. 42-45] палубный настил
выполнен из бакелизированной фанеры толщиной 10 мм, такой же палубный
настил принят и для яхты однотонного класса "Муссон". Фанерный палубный
настил легче стального, жестче, не требует тепловой и звуковой изоляции,
а при соответствующей окраске - менее скользкий.
У стального рейдового катера "Фламинго" выгородки, фальшборт в носовой
части, ходовая рубка и надстройка выполнены из алюминиево-магниевого
сплава [30, с. 51-52]. Это сделано не только с целью снижения массы
корпуса, по и с целью выполнения требований Регистра по остойчивости при
габаритах катера, ограниченных условиями перевозки по железной дороге.
Катер для народного потребления "Сом" наибольшей длиной 6 м имеет
стальной корпус и бимсы, на которые уложен сосновый настил толщиной 15
мм, покрытый линолеумом, а его рубка выполнена из дерева и фанеры.
Можно привести другие примеры использования дерева, фанеры,
стеклопластиков, легких сплавов и других материалов в стальном малом
судостроении.
Очевидно, что целесообразность использования различных материалов на
изготовление отдельных конструкций корпуса должна определяться на основе
учета эксплуатационно-технических качеств и экономических показателей
судна. Поскольку постройка быстроходных малых судов из стали
нерациональна, а танкеры длиной менее 20 м строятся крайне редко, в
настоящей книге конструкция таких судов не рассматривается.
Прежде чем приступить к разбору вопросов прочности корпусных
конструкций, следует проанализировать целесообразность применения
различных марок сталей и профилей конструкций для отдельных частей
корпуса малого судна.
