Выбор материала корпуса

Выбор материала или комбинации материалов для постройки корпуса малого судна – задача весьма сложная. Чаще всего она решается однозначно: либо по традиции, либо в зависимости от возможностей получения того или иного материала. При этом принимается тот материал, при использовании которого общие эксплуатационные затраты, зависящие от строительной стоимости, стоимости ремонтных работ и содержания конструкций с учетом экономического результата эксплуатации судна будут наименьшими.

В данном случае в учет берутся следующие технико-экономические показатели:

– эксплуатационные, определяются степенью соответствия материала корпуса назначению и условиям эксплуатации судна, достаточной прочностью и надежностью в эксплуатации, долговечностью корпуса, его стойкостью к воздействию внешней седы, пригодностью материала для обеспечения обитаемости и эстетических характеристик судна;

– технологические, определяются возможностью постройки судна, необходимостью в специальном оборудовании судостроительного предприятия, возможностью механизации и автоматизации технологических операций, простотой соединений элементов корпуса, требованиями к квалификации производственных рабочих, степенью вредности производственных процессов;

– экономические, характеризуются стоимостью и дефицитностью материала, трудовыми затратами, строительной стоимостью корпуса, эксплуатационными затратами, периодичностью и стоимостью ремонта, приведенными затратами и другими показателями.

Однако этот принцип выбора материала нельзя распространить на все типы малых судов, т.к. решающими могут быть некоторые эксплуатационные или технологические соображения, либо эстетические, спортивные, престижные и другие показатели, которые не поддаются экономической оценке.

Рассмотрим, в какой степени материалы, используемые для постройки корпусов малых судов: дерево, пластмассы, легкие сплавы, армоцемент и сталь – соответствуют вышеперечисленным основным технико-экономическим показателям.

Дерево. Самый старый судостроительный материал, который сохраняет свое значение, несмотря на широкое применение многих новых. Этот материал для многих малых судов, например для комфортабельных прогулочных

катеров, крейсерско-гоночных яхт, зверобойных и рыбопромысловых шхун работающих в тяжелых условиях северных широт является наиболее благоприятным материалом благодаря хорошим тепло- и звукоизоляционным качествам, красивому виду лакированных поверхностей, отсутствию неприятного запаха, что в конечном итоге создает прекрасные условия обитаемости. Деревянные конструкции при сравнительно малой массе, позволяющей при заливании оставаться судам на плаву, обладают достаточной прочностью и хорошей упругостью, что обеспечивает восприятие значительных ударных нагрузок без повреждений и остаточных деформаций.

Однако дерево как материал для постройки малых судов обладает рядом недостатков. Этот материал анизотропный, т.е. прочность на растяжение вдоль волокон во много раз больше прочности поперек, что накладывает особые требования на конструктивное оформление корпуса. На деревянные конструкции отрицательно влияет косослой, свилеватость, сучки и другие дефекты, что ограничивает перечень пород древесины применяемых в судостроении, а так же снижает процент ее использования. К недостаткам древесины так же можно отнести изменение поперечных размеров, коробление и растрескивание при изменении влажности и температуры окружающей среды, а так же гниение и разрушение древоточцами, что требует дополнительной ее защиты различного рода покрытиями.

Однако широкое применение в деревянном судостроении фанеры, клееных и ламинированных корпусных конструкций на основе водоупорных фенольно-формальдегидных и эпоксидных клеев позволили устранить основные недостатки присущие древесине. Применение указанных технологий в сочетании с современными более качественными красками и лаками позволяет увеличивать срок службы деревянных судов с 10-15 до 40-50 лет.

Пластмассы. Из всего разнообразия пластмасс наиболее широкое применение для постройки корпусов малых судов получили стеклопластик –

пластик на основе полиэфирных смол армированный стекловолокнистыми материалами.

Для постройки многих судов применение стеклопластика следует считать наиболее целесообразным по эксплуатационным соображениям. Стеклопластиковые суда и спасательные шлюпки, длительное время хранящиеся на берегу или палубе судна, благодаря высокой стойкости и воздействию внешней среды сохраняют свою форму и непроницаемость при спуске на воду.

В отличие от дерева и металлов, стеклопластик не гниет, не разрушается древоточцами, не корродирует и при длительном нахождении в воде меньше обрастает водорослями и ракушками. В связи с этим стеклопластиковые суда не требуют сложного ремонта и окраски, при введении пигмента в смолу, что снижает эксплуатационные расходы. Если нагрузка меньше допустимых пределов, то стеклопластиковые суда сохраняют не только целостность и непроницаемость, но и не получают остаточных деформаций.

При изготовлении стеклопластиковых корпусов в матрице удается получить очень гладкую и красивую наружную поверхность обшивки, палубы и рубки, что снижает сопротивление воды и улучшает внешний вид судна.

Стеклопластик – материал анизотропный и его прочностные характеристики зависят от процентного содержания стекловолокнистых армирующих материалов и направления волокон в нем. Это обуславливает необходимость при конструировании предусматривать более плотное расположение армирующих волокон в направлении наибольших усилий связей, благодаря чему некоторая анизотропность стеклопластика не может рассматриваться как отрицательное качество. Из стеклопластика в отличие от дерева и металлов, возможности которых ограничены, можно изготавливать корпуса любой формы.

К недостаткам стеклопластика можно отнести следующее:

– стеклопластик имеет специфический запах, что вызывает необходимость отделки помещений другими материалами;

– стеклопластик имеет небольшой модуль упругости, что приводит к уменьшению жесткости отдельных конструкций и всего корпуса в целом. Это ведет к причине отказа от материала при постройке судов более 30 м;

– механические свойства стеклопластика не стабильны – зависят от температуры окружающей среды и несколько снижаются со временем (старение);

– в процессе постройки стеклопластиковых судов происходит выделение вредных летучих ингредиентов и паров;

– для серийности постройки необходимо иметь специализированные производства и дорогостоящую технологическую оснастку и оборудование.

Армоцемент. Используется для постройки малых рыболовных, транспортных и других судов, скорость которых не является главным качеством. Выбор данного материала обуславливается малой стоимостью и недефицитностью исходных материалов, простотой постройки армоцементного судна и его ремонта, большой долговечностью корпуса. Армоцемент стоек к воздействию внешней среды, не гниет, не корродирует и не требует периодической окраски. Указанный материал, как и стеклопластик, является наиболее пригодным материалом для постройки корпусов, имеющих форму обводов с участками большой кривизны. Для постройки армоцементных судов не требуется сложного оборудования судостроительных предприятий и высококвалифицированной рабочей силы. Данные суда обладают высокими технико-экономическими показателями за счет долговечности, ремонтопригодности и очень малых эксплуатационных расходов.

К недостаткам армоцемента следует отнести следующее:

– масса армоцементного корпуса несколько больше массы корпусов судов из других материалов;

– для обеспечения обитаемости требуется тепло и звукоизоляционная зашивка внутрисудовых помещений;

– как и при постройке стеклопластиковых корпусов невозможно установить наличие дефектов допущенных при омоноличивании;

– для улучшения мореходных качеств и придания эстетического вида необходимость доводки поверхности корпуса судна путем железнения, шпатлевки и окраски;

– низкая степень механизации построечных работ в связи с этим большая трудоемкость постройки.

Легкие сплавы. Для постройки глиссирующих катеров и мотолодок, крейсерско-гоночных яхт, судов на подводных крыльях, судов на воздушной подушке и других скоростных судов широко используются алюминиевые сплавы. В морском судостроении применяют термически не упрочняемые алюминиево-магниевые сплавы, обладающие достойной прочностью, малой плотностью и хорошей свариваемостью.

Масса корпусов из этих материалов вдвое легче стальных. Они легче, чем сталь подвергаются обычным способам обработки, кроме того, хорошо прессуются, что позволяет использовать в постройке корпусов не только листы и профили, но и прессованные панели и крупногабаритные заготовки, что повышает качество конструкций и снижает трудоемкость постройки.

Корпуса судов из алюминиево-магниевых сплавов обладают достаточными коррозийной стойкостью и долговечностью при наличии хороших лакокрасочных покрытий.

К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести:

– стоимость в 6-8 раз выше стоимости стали, что повышает стоимость корпуса судна в 2, 5-3 раза;

– малый модуль упругости отрицательно влияющий на устойчивость связей и жесткость конструкций, являющийся причиной значительных деформаций;

– выполнение сварных соединений сложнее, а объем правки после сварки больше чем для стальных корпусов;

– корпус судов из алюминиевых сплавов требует установки тепловой и звуковой изоляции, покрытий и зашивки внутренних поверхностей помещений.

Сталь. Обладает высокими прочностными характеристиками и пластичностью. Стальной корпус надежен в эксплуатации и способен выдерживать большие нагрузки без нарушения непроницаемости корпуса. Сравнительно небольшая стоимость, недефецитность материала и высокий коэффициент использования. Стальные корпуса имеют хорошую ремонтопригодность, процесс сварки и правки стальных конструкций не вызывает затруднений. Постройка малых стальных судов возможна на любом судостроительном предприятии имеющем соответствующее оборудование. Срок службы некоторых стальных судов достигает до 40 лет.

К недостаткам стальных судовых конструкций можно отнести:

– большую массу по сравнению с другими материалами, исключая армоцемент;

– подверженность коррозии и обрастанию;

– целесообразность постройки корпусов малых судов более 8-10 м, т.к. толщина оболочки не может быть принята менее 1, 5-2 мм по условиям устойчивости листов, местной прочности и коррозийного износа.

Для получения более точных данных зависимости массы корпуса и дру-гих технико-экономических показателей от принятого материала корпуса были выполнены специальные исследования для трех проектов стальных судов раз-ных типов и размеров: рыболовного сейнера (L × B × D × d =22, 4× 6, 5× 3, 05× 2, 4 м), буксирного катера (L × B × D × d =16, 16× 3, 8× 2, 16× 1, 39 м) и служебно-разъездного катера (L × B × D × d =13, 0× 3, 45× 1, 81× 0, 78 м) (см. таблицу 1.1).

Таблица 1.1. Технико-экономические показатели постройки рыболовного сейнера, буксирного катера и служебно-разъездного катера из разных материа-лов соответственно.

Прочные размеры связей конструктивного оформления узлов и технико-экономических обоснований при этом выбирались на основе нормативных материалов, расчетов, специальной литературы и прототипов. Для нивелирования стоимости оснастки применяемой при постройке корпусов резко отличающихся по стоимости в зависимости от выбранного материала результаты исследований приведены для 15-го серийного судна.