ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

РАЗРУШЕНИЕ КОРПУСОВ СУДОВ

Между 1941 и 1946 годами в США и Великобритании было по­строено 2580 крупных сварных судов типа Либерти и 530 танке­ров типа Т2.

В 11 часов 16 января 1943 года в достроечном доке компании Кайзер в Портленде (США) танкер типа Т2 «Schenectady» длиной 152 м разломился на две части через несколько дней после завер­шения ходовых испытаний (рис. 1.5). Это был первый в истории разлом сварного судна.

Температура воды была +4°С, воздуха -3°С при легком ветре. Разрушение произошло внезапно и сопровождалось громким зву­ком, который был слышен на расстоянии мили.

Трещина распространилась по палубе и бортам. Разрушились продольные связи днища, его обшивка осталась целой. Место из­лома так быстро поднялось над водой, что вода внутрь не попала. Разрушение началось на палубе между двумя переборками. Около конструктивного концентратора, в виде люка, был обнаружен де­фектный сварной шов, который комиссия посчитала причиной аварии. Номинальные напряжения в этом месте по результатам расчета составляли в момент аварии всего 68 МПа (1/4 стт).

Однако исследования других танкеров типа Т2 показали, что образование трещин в сварных швах в 50% случаев не могло быть связано с дефектами их качества.

В марте 1943 года танкер этого же проекта «ESSO Manhattan» разломился на две части на входе в гавань Нью-Йорка при «очень умеренном» состоянии моря.

Танкер «Word Concord» длиной 199 м и водоизмещением 11 700 т был построен в 1952 году компанией «Vickers Armstrong Ltd» в Барроу-ин-Фернесс (Великобритания). Танкер имел ординарную палубу и один ходовой винт, вращающийся от турбины. Продоль­ный набор шел через 0,8 м, поперечный — через 3 м, поперечные переборки — через 12 м. На судне имелось 10 нефтяных танков. 26 ноября 1954 года танкер с 18 000 т водного балласта на малой скорости покинул реку Мерси и отправился на юг к Ирландскому каналу. К полуночи поднялся ветер силой 8-9 баллов; капитан взял дополнительный балласт и к тому же сильно уменьшил ско­рость, так как волны достигали 10-метровой высоты.

Рано утром 27 ноября две большие волны ударили в судно одна за другой, и капитан заметил, что вершина первой волны пришлась на центр судна. Вторая волна разбилась через нос. С грохотом суд­но разломилось пополам (рис. 1.6). Обе части остались на плаву.

Разрушение произошло примерно посередине в месте попереч­ной переборки. Т-образный продольный набор днища был присое­динен к переборке приваркой вертикальных бракет (косынок) и вертикальных пластин-заглушек по стенке тавра. Посчитали, что разрушение возникло от концентраторов в месте этих соединений. Дополнительный набор балласта увеличил растягивающие напря­жения в днище.

В 1946 году был опубликован доклад Государственной комис­сии США, которая обследовала 4694 судна, построенных с 1941 по 1945 год. В 970 из них были обнаружены трещины. Была про­изведена вырезка образцов из листов обшивки этих судов. Чтобы выяснить, является ли причиной аварий дефект качества стали, результаты испытаний образцов разбили на три группы, относя­щиеся к листам, где возникли трещины, по которым они распро­странялись и увязли.

Вывод комиссии: разрушения происходят в местах концентра­торов в листах из стали, «чувствительной к надрезу» при темпера­туре эксплуатации судна. Действующие нормы контроля «недос­таточно селективны», чтобы исключить стали «чувствительные к надрезу» в условиях эксплуатации судна.

В результате этого заключения в начале 1950-х годов в нормы судостроения США было внесено требование к V-Шарпи ударной вязкости в 20 Дж/см2 при минимальной температуре эксплуата­ции. Однако дальнейшие исследования показали, что это требова­ние достаточно только при соблюдении дополнительных требова­ний к модификации стали, размеру зерна, методу раскисления и нормализации стали.

Теоретические разработки, инициированные этими разруше­ниями, в 1960-х годах привели к появлению новой науки — меха­ники разрушения, изучающей условия движения трещин в кон­струкциях. Оказалось, что в стальных листах трещины могут распространяться со скоростью волн Релея — характерных для землетрясений поверхностных волн, амплитуда которых экспо­ненциально затухает с глубиной. В сталях скорость таких волн составляет около 2 км/с. При такой скорости периметр середин­ного сечения крупного судна длиной 100 м может разрушиться за 0,05 с (человеческий глаз способен различать временные интерва­лы только больше 0,1 с).

Основатель кафедры «Сварные конструкции» в Политехниче­ском институте, профессор Н. О. Окерблом входил в состав комис­сии, исследовавшей одно из таких разрушений судна советской постройки. Он рассказывал, что на палубе поперек траектории трещины лежало бревно — оно оказалось разорванным пополам. Но никаких следов примерзания этого бревна к палубе, а также следов от поперечного удара на бревне обнаружить не удалось. Соз­далось впечатление, что бревно было разорвано только силами его трения о палубу судна. Но как такое стало возможным, непонятно до сих пор. Окерблом предполагал, что, возможно, материалы при столь высоких скоростях приложения нагрузки ведут себя непри­вычным для нас образом.

Разрушения судов не прекращаются. Достаточно часто в них появляются трещины длиной несколько метров. Реже происхо­дят полные разрушения крупных судов; так, последний широко известный из газет случай — разлом на две части российского су­хогруза в Японском море в 1998 году.

.