Необходимость повышения безопасности плавания для исключения или сокращения травм и гибели членов экипажа и пассажиров судов, кораблей и морских сооружений (далеесудов) — актуальная проблема судоходства во всём мире. Аварии на судах приводят к значительному ущербу и способны вызвать экологические катастрофы регионального масштаба.
Оценка относительных объёмов аварийных ситуаций на судах по причине пожаров и взрывов в составе других видов аварий (повреждений корпуса, повреждений судовых систем и устройств, затоплений) показывает их значительную долю (до 14,4%). При этом на 100 аварийных случаев приходится до семи катастрофических исходов с гибелью судов.
Основными причинами возникновения пожаров на судах является наличие большого количества материалов, склонных к горению, источников возгорания, способствующих воспламенению горючих материалов, наличие в воздухе судовых помещений окислителя — кислорода.
Архитектурно-конструктивные и технологические особенности судов — сложных инженерных сооружений способствуют возникновению и развитию пожаров.
Повышению пожарной безопасности на судах посвящено множество работ [1−5]. Однако новые конструктивные, проектные, организационно-технические решения, использование новых негорючих материалов не в полной мере позволяют решить обозначенную проблему.
Огнестойкость судового оборудования непосредственно связана с надёжностью его работы и определяет все виды затрат на этапах нового строительства, эксплуатации, ремонта и модернизации До настоящего времени решение задачи повышения огнестойкости не рассматривалась во взаимосвязи с повышением технологичности.
Увеличение энергонасыщенности судов приводит к непрерывному увеличению мощности судовых электроэнергетических систем, росту протяжённости и объёмов кабельных трасс. Короткие замыкания в сетях электроснабжения, увеличение мощности потребляемой электрооборудованием, нарушения режимов его эксплуатации, увеличения тепловыделения при генерировании, преобразовании, передаче и потреблении электроэнергии, использование горючих электроизоляционных материалов — эти и другие факторы приводят к снижению пожарной безопасности при работе судовых систем и носят случайный характер воздействия.
Масса кабелей судовых электросетей по отношению к массе всего электрооборудования достигает 45%, а суммарная протяжённость кабелей на современных судах превышает сотни километров. Обеспечение нормальной эксплуатации таких сетей приводит к необходимости увеличения числа и площади устройств уплотнения проходов кабелей через непроницаемые переборки и палубы, снижая технологичность проектных решений Пожары, возникающие в результате загорания кабелей, причиняют огромные убытки и выводят судно из строя на длительное время или приводят к его гибели. Для обеспечения и поддержания в течение нормируемого времени герметичности противопожарных судовых конструкций между смежными помещениями предусматриваются конструктивные мероприятия: герметичные уплотнения дверейуплотнение мест прохода кабелей и трубопроводов.
Предотвращение распространения пламени по кабельным трассам через судовые уп-лотнительные устройства из аварийного помещения в смежные помещения является важным элементом обеспечения пожарной безопасности в цепи возникновения и распространения пожаров на судах. Учитывая возрастающие международные требования, предъявляемые к безопасности эксплуатируемых судов, на современном этапе развития судостроения недостаточно обеспечивать только лишь герметичность и теплоустойчивость уплотнительных устройств, устанавливаемых в местах прохода кабельных трасс через переборки и палубы, как это делалось до настоящего времени. Необходимо учитывать большее число факторов, оказывающих влияние на надёжность, живучесть и безопасность кабельных трасс и помещений типа «отсек-убежище», включая требования технологичности. Вопросы определения количества и площадей переходов кабелей через непроницаемые переборки судна и получение оптимальных решений по их уплотнению с учётом обеспечения требований пожарной безопасности и технологичности должны решаться на начальных этапах проектирования судна.
Недостаточная защищённость судовых кабельных трасс от воздействия тепловых и динамических нагрузок, вызванных пожарами и сопровождающими их взрывами, приводит к необходимости более широкого подхода к изучению проблемы повышения конструктивной защиты кабельных трасс от воздействия опасных факторов, сопровождающих аварии. Создание новых конструкций уплотнительных устройств прохода кабелей через непроницаемые конструкции корпусного набора связана с необходимостью повышения пожарной безопасности, обеспечения технологичности и безопасности плавания на судах.
Целью работы является повышение огнестойкости и обеспечение технологичности уплотнительных устройств судовых кабельных трасс. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
— выявить определяющие параметры, влияющие на процесс теплопередачи через уп-лотнительное устройство;
— разработать теоретическую модель, описывающую процесс теплопередачи через уп-лотнительное устройство;
— разработать методику оценки огнестойкости уплотнительного устройства на основе теоретических и экспериментальных исследований;
— решить уравнение процесса теплопередачи с учётом полученных экспериментальных данных;
— обеспечить обоснованный выбор оптимальных конструкций новых уплотнительных устройств с повышенной огнестойкостью, надёжностью и технологичностью, начиная с ранних этапов проектирования;
— обеспечить технологичность конструкции судна при решении задачи размещения уп6 лотнительных устройств;
— разработать технологию монтажа уплотнительных устройств, обеспечивающую совместимость с существующими технологиями и сокращение затрат при новом строительстве, эксплуатации и ремонте судов;
— разработать методики проектирования перспективных конструкций уплотнительных устройств и мест их размещения, обеспечивающих требуемую пожаростойкость и технологичность, для использования на ранних этапах проектирования;
— внедрить результаты диссертационных исследований в практику проектирования, монтажа, эксплуатации и ремонта новых конструкций уплотнительных устройств.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием следующих методов:
— методов теоретического исследования процессов передачи тепла через ограждающие конструкции с использованием основных уравнений классической теплопроводности и теплопередачи (стационарной и нестационарной);
— методов математического компьютерного моделирования с использованием пакетов прикладных программ FlowVision, SolidWorks, Autodesk Inventor, SURF 152;
— натурного эксперимента на макетах уплотнительных устройств по методике, разработанной в соответствии с требованиями нормативных документов по испытаниям кабельных проходок и правил классификационных обществ.
Содержание глав работы:
В первой главе выполнен анализ существующих методов и конструктивных решений уплотнительных устройств кабельных трасс. Представлены результаты анализа и оценки аварийных ситуаций при пожарах на судах. Рассмотрены требования международных, национальных и отраслевых нормативных документов к уплотнению мест прохода кабельных трасс через переборки и палубы. Выполнен анализ существующих устройств уплотнения кабельных трасс, выявлены достоинства и недостатки конструктивных решений. Определены параметры и показатели работоспособности и технологичности конструкций уплотнительных устройств. Рассмотрены вопросы прогнозирования количества и площадей переходов через непроницаемые переборки. Выполнена постановка целей и задач научного исследования.
Во второй главе выполнены теоретическое исследование влияния толщины огнегася-щего материала уплотнительных устройств на время огнестойкости. Определена целевая функция совершенствования конструкции устройства уплотнения, обеспечивающая требуемую огнестойкость. Выявлены определяющие параметры, влияющие на процесс теплопередачи через уплотнительное устройство, разработана теоретическая модель, описывающая процесс теплопередачи через уплотнительное устройство. Установлены взаимосвязи толщины огнегасящего материала уплотнительного устройства на время огнестойкости с параметрами и показателями технологичности. Выполнен прогноз времени огнестойкости уплотнительного устройства с 7 применением компьютерного моделирования. Обоснованы конструктивные решения уплотни-тельного устройства и определены ограничения конструктивного, технологического характера и условий работоспособности. Приведено описание конструкции образца уплотнительного устройства, изготовленного для выполнения экспериментального исследования.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований макетов уплотнительных устройств. Разработана программа проведения эксперимента. Приведено описание стенда для экспериментальных исследований макетов уплотнительных устройств, его характеристик. Разработана методика проведения экспериментальных исследований.
Выполнена оценка точности полученных экспериментальных данных. Проведён сопоставимый анализ результатов эксперимента и теоретических разработок. Представлены результаты огневых испытаний уплотнительного устройства повышенной надёжности. Выполнен анализ, обоснование и выбор оптимальной конструкции уплотнительных устройств по результатам испытаний.
В четвёртой главе представлены разработанная методика проектирования уплотнительных устройств и технология их монтажа. Разработана методика обеспечения технологичности конструкции судна при определении мест размещения новых конструкций уплотнительных устройств. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных мест размещения и определению площадей переходов уплотнительных устройств повышенной надёжности в процессе проектирования судов. Разработана технология монтажа уплотнительных устройств. Разработана методика определения конструктивных характеристик и материалов уплотнительных устройств. Приведены результаты отработки технологии монтажа уплотнительного устройства.
Разработана технологическая инструкция монтажа уплотнительных устройств. Представлены предложения по внедрению результатов исследований в практику проектирования судов. Проведён технико-экономический анализ целесообразности использования новых уплотнительных устройств на переборках помещений типа «отсек-убежище».
В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.
Научная новизна. В процессе проведённого в диссертационной работе исследования впервые получены следующие новые научные и практические результаты:
1. Выявлены определяющие конструктивно-технологические параметры, влияющие на процесс теплопередачи и технологичность конструкции уплотнительного устройства.
2. Разработана теоретическая модель, описывающая процесс распространения и передачи теплоты через уплотнительные устройства кабельных трасс на судах.
3. На основе теоретических и экспериментальных исследований опытных образцов разработаны модель и математические зависимости оценки (прогноза) времени огнестойкости от толщины огнегасящего материала.
4. На основе полученных решений уравнений теплопроводности, теплопередачи и ком8 пьютерного моделирования определены ограничения конструктивного и технологического характера, влияющие на работоспособность кабельных уплотнительных устройств.
5. Установлены связи между конструктивными параметрами и показателями технологичности для использования при создании оптимальных конструкций узлов уплотнения кабельных трасс, удовлетворяющих требованиям огнестойкости.
6. Предложены новые методические подходы для оценки (прогноза) количества переходов кабелей и площадей, необходимых для размещения устройств уплотнения, удовлетворяющих требованиям огнестойкости и технологичности, начиная с ранних этапов проектирования.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертационной работе результаты исследований (методика расчёта параметров уплотнительных устройств, количества и площадей переходов, технология монтажа) рекомендованы к использованию проектными организациями при проектировании уплотнительных устройств, переборок для помещений типа «отсек-убежище» для надводных судов (кораблей) и подводных аппаратов.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Диссертация выполнена в рамках Федеральных целевых программ «Национальная технологическая база России» на 2002;2006 годы (ОКР «Уплотнение») и «Развитие гражданской морской техники России» на 2009;2016 годы (ОКР «Пассив-ВПБ») и представляет собой научное обобщение результатов, полученных автором в 2005;2011 годы.
Результаты работ были использованы ОАО «НИПТБ «Онега» г. Северодвинск при проектировании судна проекта 23 140 (ОКР «Технология-ЯРБ») и при разработке проектной документации на реконструкцию объекта использования атомной энергии для ОАО «ЦС «Звездочка» г. Северодвинск.
Конструкция «Устройство для группового прохода кабелей через переборку» защищена патентом Российской Федерации на полезную модель.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: межотраслевых научно-практических конференциях «Проектирование, постройка и эксплуатация средств океанотехники» (Северодвинск-2005) — «100 лет подводному флоту» (Северодвинск-2006) — «Военное кораблестроение России» (СПб-2006) — международной конференции «Культура безопасности: практические методы управления» (СПб-2011) — всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана» (Владивосток-2011).
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 98 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 143 страницах текста, включая 57 рисунков и 21 таблицу. Приложения содержат 6 разделов на 39 страницах.
Выводы:
— конструктивно-технологический анализ существующих уплотнительных устройств показывает преимущества конструкции разрабатываемого уплотнительного устройства ЯНМИ.305 318.024 с точки зрения технологичности и удовлетворения требованиям нераспространения пламени;
— технический уровень уплотнительного устройства ЯНМИ.305 318.024 находится выше уровня верхней границы качества (см. рисунок 28).
1,0 ® (r) ® (r) Рисунок 28 — Определение уровня качества.
Предельная граница уровня качества.
Верхняя граница уровня качества^ Выше уровня.
На уровне.
Нижняя граница уровня качества.
Ниже уровня.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Результатом выполненного диссертационного исследования является создание на системной основе новой конструкции устройств уплотнения судовых кабельных трасс, обеспечивающей лучшие функциональные качества и технологичность по сравнению с используемыми в отечественном судостроении конструкциями аналогичного назначения: сальниками и кабельными коробками.
