Статья была опубликована в журнале “Катера и яхты” №216.
Но, к сожалению в ней имелось довольно много досадных опечаток.
На яхтах класса Open 800, проект «Эльф-800» Экватор и Фантом прошедшем летом были потеряны балластные фальшкили. Яхта Экватор смогла своим ходом вернуться в гавань. Фантому повезло меньше: он лишился фальшкиля при пятибальном ветре в Финском заливе на лавировке и сразу же перевернулся. Экипаж Фантома был поднят находящимися поблизости яхтами Звезда, Скиф и Тэлери. Почти сутки экипажи яхт Елена, Северное Сияние и Тэлери занимались буксировкой, переворотом яхты в нормальное положение и откачкой воды из затопленной яхты. К ночи следующего дня Фантом был благополучно отбуксирован в Выборг.
По факту произошедших аварий был проведен ряд мероприятий по выяснению причин. При этом мы старались не оставить в стороне ни одну из версий причины поломок. Рассматривались следующие варианты:
- сталь не тех марок, что бы были заложены в проекте, соответственно подкалка металла в районе сварочных швов, образование сварочных трещин;
- сварка электродами не той марки;
- несоответствие элементов конструкции чертежам;
- следствие перевозки яхты Экватор на высоком трейлере с прикрученным к корпусу фальшкилем;
- следствие удара фальшкилем о камни на Фантоме и дальнейшее развитие не полностью заваренной трещины в корне фальшкиля.
Конструкция сломанных фальшкилей была одинакова и представляла собой следущее: в фланец толщиной 15 мм из стали Вст3сп вваривались изогнутые по форме профиля оболочки толщиной 5 мм. Материал оболочек сталь 10ХСНД. Оболочки левого и правого борта сварены между собой на подкладных планках с носовой и кормовой сторон. Для гарантированного сохранения толщины профиля стойки фальшкиля в верхней его части ввариваются на шлицевых швах три перемычки толщиной 4 мм. После этого между обечайками вваривается заглушка толщиной 10 мм. Сваренная стойка фальшкиля заводится в сквозное отверстие, профрезерованное во фланце и проваривается с полным проваром с двух сторон.
По результатам замеров и осмотра фланца фальшкиля установлено следующее:
1. Фланец выполненный из стали Вст3сп имеет толщину 14 мм вместо установленных чертежами 15 мм.
2. Заглушка фланца выполнена из стали 10ХСНД толщиной 5 мм, вместо 10 мм из стали Вст3сп. Приварка заглушки выполнена без полного провара, с раковинами и прожегами. По периметру вставки, по внутренней границе сварного шва прошла сквозная трещина.
3. Ребра жесткости, ввариваемые на прорезных (шлицевых) швах в обечайки фальшкиля оторвались при разрушении от металла шва.
4. Про результатам проведенного химического анализа материала обечаек и сварного шва приварки обечаек к фланцу с внешней (нижней стороны) установлено, что материалом обечаек является сталь 10ХСНД (Хим. анализ материала обечаек), хим.состав металла шва соответствует стали марки 12ГС. (Результаты хим.анализа металла шва).
5. Для определения подкалки металла фланец был разрезан поперек и на шлифе была замерена твердость. Замеры твердости по Виккерсу на шлифе поперечного сечения фланца, сварного шва, и остатков обечаек стойки показали что сварка выполнена очень качественно и подкалка металла в районе швов отсутствует.
На основании анализа и контрольных расчетов сделаны следующее выводы:
Разрушение фальшкиля происходило в следующем порядке:
1) из-за концентрации напряжений в шве заглушки фланца и малой толщины заглушки образовалась сплошная трещина по периметру заглушки и фактически вывела ее из работы. См. рис 1., 2. На рисунках даны распределения главного напряжения σ1 (на рисунке обозначено p1). Фактическая концентрация была явно больше полученной в расчете.
2) После выхода из работы заглушки (рис 3, 4) внутренние усилия резко перераспределились, и свободные концы ребер жесткости превратились в жесткие точки с очень большой концентрацией напряжений. Эквивалентные напряжения в корневом сечении стойки фальшкиля существенно превысили предел текучести для стали 10ХСНД (примерно 4000 кгс/см^2).
Концы ребер жесткости в местах концентрации напряжений оторвались и места отрыва в свою очередь превратились в мощные концентраторы напряжений для оболочек стойки фальшкиля. В местах концентрации начала развиваться вязкая трещина, увеличивающаяся при каждом значительном нагружении (например при брочинге). Вибрационные нагрузки при транспортировке яхты с фальшкилем могли сыграть дополнительную роль в ускорении развития трещины, но установить влияние такой перевозки на скорость разрушения возможным не представляется. Для этого необходимо, как минимум провести натурные испытания с замером фактических напряжений. Кроме того многовариантность установки яхты на трейлере (с точки зрения закрепления фальшкиля) может дать самые различные, полностью противоположные результаты.
Дополнительные замечания по расчетам прочности:
Во всех расчетных случаях рассматривалось нагружение фальшкиля при крене на 90˚. Расчеты проводились в рамках линейной теории НДС. На рис 5., 6. даны распределения эквивалентных напряжений для конструкции соответствующей проекту. Расчет по балочной теории для стойки с моментом сопротивления 36,8 см^3 при жесткой заделке корневого сечения и нагружении весом 350 кг на плече 1,61 м дает напряжения в 1530 кгс/см^2.
Кроме этого были проведены необходимые расчеты по определению частот собственных колебаний фальшкиля. Частота собственных колебаний в поперечной плоскости составила 3-4 Гц. При этом, амплитудное перемещение нижней части фальшкиля (бульба) оказались в 2,5-3 раза больше чем при крене 90˚. Такие результаты дают косвенное подтверждение того, что при эксплуатации на волнении отдельные ударные нагружения, например при падении с волны, могут быть близкими, а возможно и превышать, уровень нагружения при закренке яхты на 90˚. То есть, речь идет о малоцикловой усталости, когда до разрушения происходит несколько тысяч нагружений высокого уровня. В том случае, если это имеет место, даже базовую конструкцию фальшкиля можно считать недостаточно прочной, так как расчет на закренку яхты на 90˚ базируется на том, что такое нагружение будет происходить статически и число таких нагружений не превысит 1-2 десятков нагружений за жизнь яхты.
Выводы о причинах поломок фальшкилей яхт Экватор и Фантом
Поломка фальшкиля на яхтах Экватор и Фантом произошла по следующим причинам:
- ошибки проектирования, а именно: возможный недоучет внешних нагрузок и недооценка остаточных сварочных напряжений в районах близко расположенных швов;
- недостаточный контроль исполнителей при заготовке деталей металлоконструкции;
- основной причиной разрушения было замена сборщиком толщины заглушки фальшкиля с 10 мм по проекту на 5 мм (Экватор) и 4 мм (Фантом), выводы подтверждаются контрольными расчетами;
- дефекты сварных швов: подрезы несквозной провар;
- <!–[if !supportLists]–><!–[endif]–>сопутствущим фактором на яхте Фантом, существенно ускорившим аварию, был удар спереди-сбоку бульбом о подводный камень. Результатом такого удара было появление трещины в носике стойки фальшкиля ниже сварного шва. Трещина была заварена, но возможно не целиком;
- влияние перевозок на высоком трейлере (яхта Экватор) не изучалось, но на наш взгляд это может быть дополнительным фактором, ускорившим аварию.
На настоящий момент изучение вопроса о требованиях к конструкции фальшкилей продолжается. Окончательные требования к изготовлению конструкции фальшкиля и возможном изменении проектных толщин деталей, порядке сварки будут сформированы после проведения дополнительных консультаций со специалистами смежных областей. Уже принято решение о снижении уровня допускаемых напряжений в конструкциях сварных фальшкилей (с учетом зон концентрации напряжений) до уровня 0,5σт.
Выводы по устранению потенциальной опасности поломки на существующих фальшкилях и на вновь строящихся:
В связи с тем, что аварии случились по вине изготовителя, он отзывает все ранее изготовленные фальшкили для их проверки и модернизации. Модернизация будет проведена последовательно за осень-зиму 2008-2009.
В связи с выясненными причинами поломок изготовитель фальшкилей рекомендовал владельцам и капитанам яхт проекта Эльф-800 воздержаться от их эксплуатации до модернизации фальшкилей и отозвал все фальшкили, изготовленные не в соответствии с проектной документацией.
