Спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів конструкції судна

Реферат: Об'єкт винаходу: Спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів конструкції судна. Галузь застосування: Винахід належить до методів визначення технічного стану конструкції суден і може бути використаний для моніторингу несучих елементів суднових конструкцій в умовах їх експлуатації. Це дозволить спостерігати за поведінкою критичних зон конструкції судна під час їх експлуатації та прогнозувати їх ресурс. Суть винаходу: При реалізації способу моніторингу технічного стану несучих елементів конструкції судна на несучих елементах конструкції розміщують датчики, за допомогою яких вимірюють магнітну характеристику матеріалу, значення якої використовують для визначення технічного стану несучих елементів судна. При цьому попередньо вимірюють значення магнітної характеристики матеріалу в зонах несучого елемента, розташованих вздовж судна, визначають розподіл магнітної характеристики матеріалу несучого елемента вздовж судна в умовах експлуатаційних навантажень, за яким визначають критичні зони, в яких магнітна характеристика матеріалу в процесі експлуатаційних навантажень має максимальне значення. Тепер при проведенні моніторингу датчики магнітної характеристики матеріалу розміщують в критичних зонах визначених попередньо максимальних значень магнітної характеристики матеріалу, і для моніторингу технічного стану використовують значення магнітної характеристики матеріалу у визначених попередньо критичних зонах. При проведенні моніторингу вантажних суден як несучий елемент при визначенні розподілу магнітної характеристики матеріалу можуть бути вибрані комінгси трюмів. Критичні зони максимальних значень магнітної характеристики судна і зони розміщення датчиків можуть визначатись попередньо в процесі випробувальної експлуатації судна в штормових умовах. UA 106099 C2 (12) UA 106099 C2 Крім того, критичні зони максимальних значень магнітної характеристики судна і зони розміщення датчиків можуть визначатись попередньо в процесі проведення вантажних і баластних операцій. Як магнітна характеристика матеріалу може бути використана його коерцитивна сила, а як датчики магнітної характеристики можуть бути використані датчики коерцитивної сили. Технічний результат: Запропонований спосіб важливий для збільшення надійності експлуатації суден шляхом своєчасного визначення критичних станів. Це дозволить зменшити можливість морських аварій за рахунок прокладання оптимального курсу при плаванні в морі, що особливо важливо в складних умовах експлуатації. Це дозволить підвищити безпеку мореплавства, що особливо важливо в штормових умовах та в інших виняткових ситуаціях. UA 106099 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до методів визначення технічного стану конструкції суден і може бути використаний для моніторингу несучих елементів суднових конструкцій в умовах їх експлуатації. Це дозволить спостерігати за поведінкою критичних зон конструкції судна під час їх експлуатації та прогнозувати їх ресурс. Відомий спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів суднових конструкцій, який полягає в розміщенні на різних елементах суднових конструкцій тензометричних датчиків і визначенні деформації несучих елементів суднових конструкцій в зонах розміщення тензометричних датчиків. Отримані дані використовують для визначення технічного стану елементів конструкцій і прогнозування їх ресурсу [1, 2]. Недоліком відомого способу є необхідність розміщення тензометрів безпосередньо на металічній поверхні елементів суднових конструкцій або використовувати спеціальні площадки, які приварюють до контрольованих елементів. В цьому випадку визначається тільки деформація в зоні розміщення датчиків. Зони розміщення датчиків регламентуються рекомендаціями Міжнародної морської організації (ІМО) [3]. Рекомендації ІМО пропонують вимірювати деформацію конструкції судна в трьох зонах: перша зона відповідає перерізу мідель-шпангоута і дві зони розташовано вздовж судна на віддалі 0,25 L від перерізу мідельшпангоута (L - відстань між носовим і кормовим перпендикулярами судна). В той же час, критичні зони для суден різної конструкції (особливо нетипових) і для різних умов експлуатаційних навантажень можуть відрізнятись від рекомендацій ІМО. В цьому випадку рекомендації ІМО носять загальний характер і в окремих випадках не дозволяють дати об'єктивну оцінку технічного стану судна. Крім того, відомий спосіб дозволяє визначити тільки деформацію несучого елемента в зоні розміщення тензометричного датчика. Переріз несучого елемента в зоні розміщення датчиків може мати складну форму або бути невизначеним, що не дозволяє визначити напружений стан несучого елемента безпосередньо без додаткових розрахунків. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є відомий спосіб моніторингу технічного стану суднових конструкцій [4], при якому на вибрані зони несучих елементів встановлюють безконтактні датчики вимірювання магнітної характеристики (зокрема, коерцитивної сили) матеріалу і визначають зміни магнітної характеристики матеріалу несучого елемента в зоні розміщення датчиків в процесі експлуатації. Значення магнітної характеристики матеріалу використовують для моніторингу технічного стану елемента конструкції, зокрема напруженого стану матеріалу несучого елемента конструкції судна. Цей спосіб має переваги в порівнянні з попереднім способом, так як дозволяє безпосередньо і без контакту з контрольованим металом визначати напружений стан несучого елемента. Недоліком відомого способу є недостатня обґрунтованість вибору зон, в яких визначаються магнітні характеристики матеріалу контрольованого елемента. Як приклад реалізації способу вказано зони розміщення датчиків, які для тензометричних датчиків були рекомендовані Міжнародною морською організацією (ІМО) [3]. Ці рекомендації пропонують визначати деформацію конструкції судна в трьох зонах: перша зона відповідає перерізу мідель-шпангоута і дві зони розташовано вздовж судна на віддалі 0,25 L від перерізу мідель-шпангоута (L відстань між носовим і кормовим перпендикулярами судна). Але, як і для вказаного вище аналога [1, 2], критичні зони для суден різної конструкції (особливо нетипових) і для різних умов експлуатаційних навантажень можуть відрізнятись від рекомендацій ІМО. В цьому випадку рекомендації ІМО не дозволяють дати об'єктивну оцінку напруженого стану в критичних зонах судна. Задачею запропонованого способу є збільшення достовірності при визначенні напруженого стану несучих елементів за рахунок об'єктивного і обґрунтованого визначення критичних зон конструкції конкретного судна. Задача вирішується тим, що при реалізації способу моніторингу технічного стану несучих елементів конструкції судна на несучих елементах конструкції розміщують датчики, за допомогою яких вимірюють магнітну характеристику матеріалу, значення якої використовують для визначення технічного стану несучих елементів судна. При цьому попередньо вимірюють значення магнітної характеристики матеріалу в зонах несучого елемента, розташованих вздовж судна, визначають розподіл магнітної характеристики матеріалу несучого елемента вздовж судна в умовах експлуатаційних навантажень, за яким визначають критичні зони, в яких магнітна характеристика матеріалу в процесі експлуатаційних навантажень має максимальне значення. Тепер при проведенні моніторингу датчики магнітної характеристики матеріалу розміщують в критичних зонах визначених попередньо максимальних значень магнітної характеристики матеріалу, і для моніторингу технічного стану використовують значення магнітної характеристики матеріалу у визначених попередньо критичних зонах. 1 UA 106099 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При проведенні моніторингу вантажних суден як несучий елемент при визначенні розподілу магнітної характеристики матеріалу можуть бути вибрані комінгси трюмів. Критичні зони максимальних значень магнітної характеристики судна і зони розміщення датчиків можуть визначатись попередньо в процесі випробувальної експлуатації судна в штормових умовах. Крім того, критичні зони максимальних значень магнітної характеристики судна і зони розміщення датчиків можуть визначатись попередньо в процесі проведення вантажних і баластних операцій. Як магнітна характеристика матеріалу може бути використана його коерцитивна сила, а як датчики магнітної характеристики можуть бути використані датчики коерцитивної сили. На фіг. 1 представлено графік розподілу коерцитивної сили вздовж комінгса трюмів від шпангоута № 50 у кормовій частині судна до шпангоута № 210 у носовій частині. На фіг. 2 представлено схему розташування датчиків коерцитивної сили вздовж комінгсів трюмів вантажного судна, де 1 - корпус судна, 2 - комінгс трюмів, 3 - датчики коерцитивної сили. На фіг. 3 представлено типову залежність коерцитивної сили Нс матеріалу від напруження . Розглянемо приклад реалізації запропонованого способу для випадку, коли як магнітну характеристику використовують коерцитивну силу Нс матеріалу, а розподіл коерцитивної сили Нс визначають шляхом її вимірювання вздовж комінгса трюмів судна, який простирається від бака до надбудови. Комінгс трюмів є верхньою несучою балкою конструкції судна. Це найбільш доступний для проведення експлуатаційних вимірювань коерцитивної сили несучий елемент корпусу судна. Крім того, в наведеному прикладі визначення критичних зон проводять шляхом вимірювання розподілу коерцитивної сили під час вантажних операцій. На першому етапі під час вантажних операцій проводять вимірювання коерцитивної сили Нс матеріалу вздовж комінгса 2 (фіг. 2) трюмів вантажного судна. Вимірювання проводять за стандартною процедурою [5] шляхом встановлення датчиків коерцитивної сили через однакові відрізки вздовж центральної лінії комінгса трюмів. При цьому магнітне осердя датчиків коерцитивної сили створює з матеріалом контрольованої зони комінгса трюмів замкнутий магнітний контур, що дозволяє проводити вимірювання коерцитивної сили Нс матеріалу навіть через невеликий шар захисного покриття. За результатами вимірювання будують графік розподілів коерцитивної сили Нс вздовж комінгса трюмів на різних етапах вантажних операцій, який має вид, представлений на фіг. 1. За графіком розподілу (фіг. 1) коерцитивної сили Нс визначають критичні зони комінгса, в яких коерцитивна сила має максимальне значення. На фіг. 1 до таких критичних зон можна віднести зони А, Б, В, Г, Д. Зазначимо, що в загальному випадку кількість таких критичних зон може бути іншою. Кількість зон може відповідати трьом, тобто не різнитися від кількості зон, що рекомендовано Міжнародною морською організацією (ІМО) [3]. Або кількість критичних зон може бути меншою або більшою від кількості зон згідно із рекомендаціями ІМО. У випадку, коли кількість критичних зон менше ніж три, ми можемо заощаджувати час на проведення вимірювання в неефективних зонах, які немає необхідності відносити до критичних. Або, за більшої кількості критичних зон покращується достовірність моніторингу за рахунок введення нових (характерних для даної конкретної конструкції судна) критичних зон. Тепер під час проведення моніторингу технічного стану у процесі експлуатації датчики коерцитивної сили Нс 3 розміщують на комінгсі 2 судна 1 в точках (фіг. 2), що відповідають точкам максимальних значень коерцитивної сили Нс на фіг. 1. В наведеному прикладі реалізації запропонованого способу коерцитивна сила Нс матеріалу дозволяє безпосередньо визначити механічні напруження  в контрольованому без його руйнування на основі відповідної кореляційної залежності між напруженим станом  і коерцитивною силою Нс матеріалу, приклад якої наведено на фіг. 3. Напружений стан  контрольованих елементів конструкції в критичних зонах використовують для визначення технічного стану несучих елементів конструкції судна в цілому. Зокрема, за коерцитивною силою можна визначити, чи перевищують напруження  матеріалу в теперішній момент експлуатації судна значенням, що відповідають умовній межі плинності 0,2 або межі міцності в, так як кожному із цих параметрів для даного матеріалу відповідають значення коерцитивної сили Нп і Нв відповідно. с с Запропонований спосіб важливий для збільшення надійності експлуатації суден шляхом своєчасного визначення критичних станів. Це дозволить зменшити можливість морських аварій за рахунок прокладання оптимального курсу при плаванні в морі, що особливо важливо в складних умовах експлуатації. Це дозволить підвищити безпеку мореплавства, що особливо важливо в штормових умовах та в інших виняткових ситуаціях. 2 UA 106099 C2 5 10 Джерела інформації: 1. Вагущенко Л.Л., Вагущенко А.Д., Заичко С.И. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности. - Одесса: Феникс, 2005. - 274 с. 2. Wireless Hull Monitoring Systems for Modal Analysis of Operational Naval Vessels // R.A. Swartz, A.T. Zimmerman, J.P. Lynch et al. Proceedings of the IMAC-XXVII. Orlando, Florida (USA), February 9-12, 2009, Society for Experimental Mechanics Inc. 3. Recommendations for the fitting of hull stress monitoring systems HSMS. MRC/Circ 646. Maritime Safety Committee. International maritime organization (IMO). 06 June 1994. - 7 p. 4. Заявка на винахід № u 2012 04407 від 09.04.2012. МПК В63В9/08. "Спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів суднових конструкцій" // В.В. Нестеренко, В.М. Учанін, О.П. Завальнюк, Безлюдько Г.Я. 5. Механіка руйнування і міцність матеріалів. Довідн. посібник. Т 5: Неруйнівний контроль та технічна діагностика / Під ред. З.Т. Назарчука. - Львів: ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2001. - 1134 с. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 1. Спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів конструкції судна, при якому на несучих елементах суднових конструкцій розміщують датчики, за допомогою яких вимірюють магнітну характеристику матеріалу в зоні їх розміщення, значення якої використовують для визначення технічного стану несучих елементів судна, який відрізняється тим, що попередньо вимірюють значення магнітної характеристики матеріалу в зонах несучого елемента, розташованих вздовж судна, визначають розподіл магнітної характеристики матеріалу несучого елемента вздовж судна в умовах експлуатаційних навантажень, за яким визначають критичні зони, в яких магнітна характеристика матеріалу в процесі експлуатаційних навантажень має максимальне значення, розміщують датчики магнітної характеристики матеріалу в критичних зонах визначених попередньо максимальних значень магнітної характеристики матеріалу, і для моніторингу технічного стану використовують значення магнітної характеристики матеріалу в визначених попередньо критичних зонах. 2. Спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів конструкцій судна за п. 1, який відрізняється тим, що при проведенні моніторингу вантажних суден як несучий елемент при визначенні розподілу магнітної характеристики матеріалу вибирають комінгси трюмів. 3. Спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів конструкції судна за п. 1, який відрізняється тим, що критичні зони максимальних значень магнітної характеристики судна і зони розміщення датчиків визначають попередньо в процесі випробувальної експлуатації судна в штормових умовах. 4. Спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів конструкції судна за п. 1, який відрізняється тим, що критичні зони максимальних значень магнітної характеристики судна і зони розміщення датчиків визначають попередньо в процесі проведення вантажних і баластних операцій. 5. Спосіб моніторингу технічного стану несучих елементів конструкцій судна за п. 1, який відрізняється тим, що як магнітну характеристику матеріалу використовують його коерцитивну силу, а як датчики магнітної характеристики використовують датчики коерцитивної сили. 3 UA 106099 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4