Введение
Основным материалом для изготовления ворот и затворов судоходных шлюзов, эксплуатируемых, как на отечественных, так и на зарубежных внутренних водных путях является сталь различных марок. Расчетный срок службы таких металлоконструкций, как правило, составляет 50 лет.Основными фактором, ограничивающим длительность эксплуатации таких изделий, является реализация процессов старения, таких как, коррозия, усталость, накапливание механических повреждений и деформаций, изменение пространственного положения и т.д. Поддержание металлоконструкций в необходимом техническом состоянии требует значительных финансовых затрат.
Для увеличения срока службы конструкций судопропускных сооружений, снижения стоимости их изготовления и технического обслуживания за рубежом проводятся работы по разработке и внедрению новых материалов.
Ниже приведены два примера использования композитных материалов для изготовления и ремонта двустворчатых ворот.
Пример I.
В 2014 г. специалисты армейского инженерного корпуса США (USACE) начали совместную работу с учеными Университета Западной Вирджинии (WVU) по разработке и внедрению композитных элементов и конструкций из армированных волокном полимеров (FRP) для ремонта или замены изношенных элементов шлюзов и дамб. В частности, был разработан композитный материал для замены нерегулируемых металлических вкладышей упорных подушек в створной части двустворчатых ворот вспомогательной камеры шлюза Хирама М. Читтендена (рис. 1).Шлюз однокамерый, двухниточный, введен в эксплуатацию в 1917 г. Размеры главной камеры (ШхД) 24,4х251,5 м, вспомогательной 8,5х45,7 м. Основные ворота верхней и нижней голов на обеих камерах двустворчатые. По статистике USACE в период с марта 2013 г. по март 2018 г. им выполнено более 52 000 шлюзований.
 |
| Рис. 1 Общий вил шлюза Хирама М. Читтендена |
Задачей вкладышей подушек створок является передача усилий от нагрузки, оказываемой на ворота на стену камеры шлюза и обеспечения водонепроницаемого уплотнения. Эти элементы подвергаются изнашиванию при маневрировании створками, которое не выдерживает большинство материалов (рис. 2, 3).
Износ со временем приводит к потере водонепроницаемости, перераспределению нагрузок и, следовательно, напряжений в створках ворот. Потеря части материала из-за изнашивания на вспомогательных воротах шлюза была значительной на створках в их нижней угловой створной части из-за очень высоких напряжений, испытываемых воротами, а также из-за условий работы в солоноватой воде.
Поскольку композитные материалы не подвержены коррозии и устойчивы к истиранию, был разработан, с помощью итеративного процесса проектирования, образец блока вкладыша из армированного волокном композита (FRP), для обеспечения долговечной альтернативы подверженным коррозии аналогичным металлическим изделиям. Износ со временем приводит к потере водонепроницаемости, перераспределению нагрузок и, следовательно, напряжений в створках ворот. Потеря части материала из-за изнашивания на вспомогательных воротах шлюза была значительной на створках в их нижней угловой створной части из-за очень высоких напряжений, испытываемых воротами, а также из-за условий работы в солоноватой воде.
 |
| Рис. 2 Вкладыш подушки со следами механического износа |
 |
| Рис. 3 Фрагмент вкладышей подушек с коррозионным повреждением |
Через несколько проектных операций было установлено, что оптимальной является монолитная конструкция вкладыша. Блоки вкладышей изготовили путем термического прессования. Поперечное сечение блоков представлено на рис. 4. Результаты лабораторных испытаний (рис. 5) показали максимальную прочность на сжатие 51 000 футов на квадратный дюйм (351,6 МПа) вдоль поверхности волокон, что значительно выше требуемой.
 |
| Рис. 4 Поперечное сечение образца блока вкладыша подушки из FRP композита |
 |
| Рис. 5 Проведение испытаний. Имитация попадания постороннего предмета между створками ворот |
После проведения испытаний, вкладыши смонтировали на верхние основные ворота вспомогательной камеры шлюза. При их монтаже дополнительным преимуществом, помимо прочности и коррозионной стойкости, был небольшой вес, что увеличило скорость монтажа и повысило безопасность при проведении ремонтных операций (рис. 6 – 8) по сравнению с аналогичными изделиями из металла.
Композитные вкладыши подушек были установлены в марте 2015 г. и их техническое состояние контролируется ежегодно.
На данный момент это первая и самая большая конструкция шлюза, изготовленная из данного материала. Прогнозируемый расчетный срок службы вновь изготовленных ворот составляет ~ 100 лет, который в два раза превышает указанный параметр для аналогичных конструкций, выполненных из металла. В первую очередь увеличение срока службы обусловлено отсутствием влияния процесса коррозии. Также декларируется снижение затрат на их техническое обслуживание и проведение наблюдений за техническим состоянием.
Изготовлением и установкой ворот занималась компания FibreCore. Данной компанией на момент установки ворот было реализовано несколько проектов по изготовлению мостовых конструкций из композитных материалов.
Композитные вкладыши подушек были установлены в марте 2015 г. и их техническое состояние контролируется ежегодно.
 |
| Рис. 6 |
 |
| Рис. 7 |
 |
| Рис. 8 |
Пример II
В Нидерландах в межнавигационный период 2015 – 2016 гг. на судоходном шлюзе № 3 в рамках проекта по расширению и углублению канала Вильгельмины, для проводки более габаритных судов, установили основные двустворчатые ворота, изготовленные из FRP композита (рис. 9 – 12). Высота створки самых больших ворот 12,9 м, ширина створки – 6,2 м.На данный момент это первая и самая большая конструкция шлюза, изготовленная из данного материала. Прогнозируемый расчетный срок службы вновь изготовленных ворот составляет ~ 100 лет, который в два раза превышает указанный параметр для аналогичных конструкций, выполненных из металла. В первую очередь увеличение срока службы обусловлено отсутствием влияния процесса коррозии. Также декларируется снижение затрат на их техническое обслуживание и проведение наблюдений за техническим состоянием.
Изготовлением и установкой ворот занималась компания FibreCore. Данной компанией на момент установки ворот было реализовано несколько проектов по изготовлению мостовых конструкций из композитных материалов.
 |
| Рис. 9 |
 |
| Рис. 10 |
 |
| Рис. 11 |
 |
| Рис. 12 |
Заключение
Отметим ряд возникающих вопросов по использованию композитных материалов для изготовления, в частности, двустворчатых ворот:- необходимость внедрения в композитную конструкцию металлического каркаса, для обеспечения необходимой жесткости ворот и возможности их соединения с тяговыми органами приводных механизмов и гальсбантом;
- при отсутствии условий для монтажа монолитной конструкции, потребуется ее сборка по маркам (секциям), следовательно, потребуется проработка узлов соединения;
- обеспечение усталостной долговечности конструкции;
- устойчивость к ударным нагрузкам;
- возможность ремонта в «полевых» условиях повреждений, в частности, вызванных навалом судна или ударом постороннего предмета;
- возможность и целесообразность ремонта металлического каркаса в случае деформации (повреждения) его элементов;
- разработка методик контроля, как входного, так и эксплуатационного.
При подготовке материала использованы следующие источники:
1.Jonathan C. Trovillion, Jeffrey P. Ryan, and John W. Harper «Fiber reinforced polymer composite implementation in navigation structures» (2018 г.)
2.Dr. Vijay P.V., P.E., WVU Dr. Hota VS GangaRao, P.E., WVU John D. Clarkson, P.E., US Army Corps of Engineers* Richard G. Lampo, US Army Corps of Engineers «FRP Composites for the Corps of Engineers» (2016 г.)
3.www.dutchwatersector.com
4.www.fibercore-europe.com
