CC BY
29
КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ
УДК 629.12 В.А. Кулеш
КУЛЕШ ВИКТОР АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры кораблестроения и океанотех-ники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: [email protected]
ЛЕДОВЫЕ ПРОБЛЕМЫ РОССИЙСКОГО ПРОМЫСЛОВОГО ФЛОТА
Проанализирован опыт эксплуатации промысловых судов, исследованы повреждения их корпусов в ледовых условиях дальневосточных морей. Представлена методика анализа предельной ледовой прочности судовых корпусов, которая использована для оценки запасов прочности промысловых судов, находящихся в эксплуатации. Для анализа выбраны 12 крупных серий промысловых судов, спроектированных и построенных в СССР, Польше, Германии, Норвегии, Японии и Китае. Все они имеют классификацию Российского морского Регистра судоходства и его ледовые категории. Установленные тенденции могут быть заложены в основу экспертизы новых проектов, а также использованы для развития практики проектирования промысловых судов с высокими параметрами ледовой прочности.
Ключевые слова: добывающие суда, ледовые категории, запасы прочности.
Ice condition problems of the Russian fishing fleet. Victor A. Kulesh - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The article deals with the service experience of fishing vessels and the damages their hulls suffer in the ice conditions of the Far Eastern seas. It offers the technique developed to assess the safety margin of the vessels in service. Twelve large vessel series designed and build in the USSR, Poland, Germany, Norway, Japan, and China were chosen for the study. All of them have the Russian Maritime Register of Shipping classification and ice categories. The determined tendencies may serve as a basis for the expertise of new designs and they may be used to design fishing vessels having high ice resistance as well.
Key word: fishing vessels, ice categories, strength margins.
© Кулеш В.А., 2012
Специфика рыболовных судов
В условиях дефицита отечественного судостроения пополнение промыслового флота в основном осуществляется за счет старых судов иностранной постройки, которая не учитывала специфику российского рыболовного промысла. Удаленность дальневосточных промысловых зон от потребителей продукции обусловливает преимущественно экспедиционную форму его организации. Например, в состав экспедиций Охотского моря входят до 300 судов различного назначения - рыболовные, обрабатывающие, танкеры, снабженцы и спасатели. Рыболовные суда, ориентированные на автономный промысел, могут уступать по эффективности другим - приспособленным к отечественным условиям.
Экспедиционный промысел предопределяет необходимость взаимодействия различных судов, которое возможно при условии их швартовок в открытом море на волнении или во льдах. Для этого нужны специальная кранцевая защита, повышенная прочность бортов и наличие навыков у экипажей. Рыболовные суда не только форсируют льды, но и проводят промысловые операции в разреженных, а швартовые - в сплоченных льдах. Бывают ситуации, когда часть флота рыбацкой экспедиции попадает в ледовый плен - т.е. эксплуатация рыболовных сейнеров отличается от эксплуатации транспортных судов. Эти особенности обусловливают специфику повреждений их корпусов (рис. 1).
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Рис. 1. Распределение частот повреждений (%) корпусов судов по теоретическим шпациям: рыболовные - толстая линия, транспортные - тонкая
Повреждения корпуса - один из наиболее важных критериев качества постройки судна, напрямую влияющий на эффективность эксплуатации. Из-за низкой ледовой прочности некоторые суда иностранной постройки не используются в российских условиях до 40% годового времени.
Запасы ледовой прочности максимальны в начале эксплуатации судна и уменьшаются с возрастом. Для их определения требуется анализ конструкций при работе за пределом упругости. Методы такого анализа также имеют свою специфику.
Методика анализа предельной ледовой прочности
Ледовые нагрузки подвижны и локальны. Они имеют очень широкий спектр параметров: давление, высота и длина зоны контакта с корпусом. Это создает трудности для анализа, например методом конечных элементов (МКЭ). В данной работе использована авторская методика предельного анализа [2] (см. рис. 2). Повреждения могут развиваться на разных уровнях и охватывать не все связи конструкции из-за различий запасов их прочности и степени коррозии. Анализ выполняется для всех уровней - возможных схем повреждений с определением минимальной предельной прочности.
Ледовая нагрузка
Коррозионный износ Элемент конструкции
Бухтины и гофрировка
Локальные вмятины
Глобальные вмятины
У*
Уровень прочности
Рис. 2. Схема предельного анализа ледовой прочности по уровням прочности
В наиболее характерном случае локальных вмятин решение сводится к минимизации функции для давлений при варьировании размеров локальной зоны разрушения перекрытия по формуле
Р
где А, В - размеры перекрытия в продольном и поперечном направлениях; ах, Ьх - размеры зоны разрушения вдоль и поперек перекрытия;
ар, Ьь - размеры зоны ледовых давлений вдоль и поперек;
ша , ть - параметры сопротивлений пластических шарниров.
_^шаах/Ъх + тьЬх/ах ТахЬр(1-ах/3ар) при ах -ар 1 -0,5Ър/Ъх [арЬр(1 -ар/3ах) при ах >ар ,
Коэффициенты запасов предельной ледовой прочности по судам и районам корпуса
№ серии Ледовая категория С кормовой В средний А1 переходный А носовой Примечание
1 Ice 2 8,2 3,5 1,9 1.9 СССР 1967
2 Ice 2 11,3 4,4 3,1 2,3 СССР 1966
3 Ice 2 7,9 3,1 2,9 1,9 СССР 1974
4 Ice 3 3,7 3,0 1,5 1,1 Китай 2006
5 Ice 1 - - 2,6 2,6 Япония 1978
6 Ice 2 8,2 3,2 1,9 2,3 СССР 1968
7 Ice 3 3,0 2,6 1,6 1,5 СССР 1970
8 Ice 1 - - 1,5 1,3 Норвегия 1992
9 Ice 2 4,1 2,7 2,2 1,5 Германия 1970
10 Ice 2 7,0 2,2 2,1 1,8 СССР 1966
11 Arc 4 1,9 2,0 0,8 0,8 Польша 1978
12 Ice 3 3,1 2,5 1,8 1,4 СССР 1974
Расчетная эпюра ледовой нагрузки принята в форме треугольной призмы с размерами зоны ледовых давлений по Правилам Регистра [1] для соответствующей ледовой категории судна. Интенсивность ледовых давлений (p) по Правилам (pRS ) используется для определения коэффициента запаса (k):
k = P/PRS • (2)
Технология анализа сводится к определению коэффициентов запаса для различных судов при ледовой категории, соответствующей Правилам.
Добывающие суда и результаты расчетов
Для анализа выбрано 12 серий рыболовных судов из 6 стран. Все суда имеют ледовые категории российского Регистра. Номера серий и их характеристики отражены в таблице и на рис. 3. Спектр данных судов велик: 20-100 м - по длине; 1966-2006 гг. - по году постройки; Ice 1 - Arc 4 - по категории (см. таблицу).
СССР - 1967, 146 т / 165 кВт
2
СССР - 1967, 319 т / 220 кВт
3
СССР - 1974,
319 т / 220 кВт
4
Китай - 2006, 406 т / 407 кВт
5
Япония - 1978, 432 т / 700 кВт
6
СССР - 1968,
992 т / 590 кВт
7
СССР - 1970, 1202 т / 970 кВт
8
Норвегия - 1992, 2808 т / 2460 кВт
9
Германия - 1970, 3400 т / 1706 кВт
10
СССР - 1966, 3800 т / 1470 кВт
11
Польша - 1978, 4947 т / 3820 кВт
12
СССР - 1974, 5720 т / 5160 кВт
^є 2 (1,9*)
^є 2 (2,3)
^є 2 (1,9)
^є 3 (1,1)
^є 1 (2,6)
^є 2 (1,8)
Arc 4 (0,8)
^є 3 (1,4)
Рис. 3. Характеристики, силуэты, ледовые категории и коэффициенты запасов (*) предельной ледовой прочности добывающих судов
Анализ результатов расчетов
Коэффициенты запасов предельной ледовой прочности добывающих судов имеют существенные отличия. Основные тенденции отражены на рис. 4.
1
2
0
2
О
4
б
3
1
1
3
Рис. 4. Распределение коэффициентов запаса ледовой прочности добывающих судов: а - по районам корпуса (А - носовой, Ах - переходный, В - средний, С - кормовой); б - по ледовым категориям (Ice 1, Ice 2, Ice 3, Arc 4); в - в зависимости от года постройки; г - в зависимости от длины судов (м)
Осредненные значения по всем судам показывают, что наименьшие запасы прочности имеет носовой район ледовых усилений. Запасы в среднем районе корпуса в 1,5 раза, а в кормовом - в 3 раза выше. Возможности перераспределения запасов есть, они должны учитываться при проектировании новых российских судов. Однако нужен учет специфики эксплуатации и высокой повреждаемости добывающих судов в среднем районе (рис. 1).
Наименьшие коэффициенты запаса (по носовым районам) снижаются с ростом ледовой категории (рис. 4). Такая тенденция неочевидна. Известно, что суда высших категорий -ледоколы - практически не должны повреждаться во льдах, а транспортные суда более низких категорий имеют такое право. Аналогично должна рассматриваться ситуация и с промысловыми судами. Например, в экспедициях суда с высокими категориями нередко выполняют функции спасателей - выводят менее прочные суда из ледового плена, а это связано с дополнительными перегрузками.
Тенденция снижения коэффициентов запаса в зависимости от года постройки (см. рис. 4) достаточно очевидна. Однако вопросы долговечности и аварийности судов должны ограничивать опасный уровень снижения запасов - менее 1,5.
Коэффициенты запаса снижаются и с увеличением размеров судов (см. рис. 4). Возможные причины - завышенные запасы на износ как для небольших судов, так и в аналогичных параметрах нормативных ледовых нагрузок для более крупных судов.
Суда, построенные в СССР (новые серийные добывающие суда в России пока не строятся), отличаются наибольшими запасами прочности (рис. 5).
3
2
1
0 Н-----------1-----------1-----------1-----------1-----------1----------
Япония СССР Германия Норвегия Китай Польша
Рис. 5. Распределение коэффициентов запаса ледовой прочности добывающих судов по странам их проектирования и постройки
Серия японских шхун в данном случае исключение. Как правило, шхуны имеют высокий удельный показатель мощности к водоизмещению - до 2 кВт/т и более. У всех других серий добывающих судов этот показатель не более 1. Регламентируемые Правилами Регистра ледовые нагрузки практически не зависят от данного показателя, что в рамках анализа по формуле (2) и привело к «скачку» по шхунам. Однако при проектировании новых судов с повышенной мощностью необходимо учитывать японский опыт.
Представленный подход позволяет оценивать сравнительный уровень ледовых качеств корпусов уже существующих судов. Показанные тенденции могут учитываться при экспертизе новых проектов и для совершенствования методологии проектирования рыбопромысловых судов с учетом российских условий. Однако вопрос о минимально допустимых уровнях запасов прочности новых судов остается открытым.
Концепция назначения коэффициентов запаса ледовой прочности
Выше приведены результаты для момента начала эксплуатации судов. Кроме того, очень важен вопрос об изменении с течением времени коэффициентов запаса ледовой прочности судовых корпусов, а также о долговечности (сроке службы) каждого судна. Ремонт конструкций рыболовных судов очень дорог из-за наличия изоляции трюмов и помещений, которую нужно удалять, а затем восстанавливать. К тому же следует учитывать, что российский судоремонтный потенциал снизился до критического уровня. Поэтому корпуса новых
судов в течение длительного периода эксплуатации не должны получать повреждений. Ненормально, когда эффективные (на чистой воде) норвежские траулеры, принадлежащие российским компаниям, месяцами отстаиваются у причалов, чтобы избежать ледовых повреждений. Нужны иные судовые корпуса, более приспособленные к особенностям эксплуатации в условиях экспедиционных промыслов российских морей.
Для обеспечения заданной долговечности ледовых усилений корпуса нужна концепция, главное в которой - допускаемый сценарий повреждений корпуса. Повреждения (рис. 6 а), разделены на легкие (А) - бухтины и гофрировка обшивки ледового пояса; средние (В) -локальные вмятины обыкновенного набора; тяжелые (С) - глобальные вмятины с повреждением рамного набора перекрытий.
20 25 30 лет
Рис. 6. Сценарии ледовых повреждений (а) и концепция иерархии запасов прочности с учетом роста коррозионного износа во времени (б)
Обшивка ледового пояса вносит самый значимый вклад в вес ледовых усилений - до 70%. Из-за наружного износа она теряет свой запас прочности наибольшими темпами. Полагаем, что первые «легкие» повреждения (А) могут появиться в 20 лет (рис. 6, б). В 25 лет можно допустить локальные (В), а в 30 лет - глобальные (С) вмятины. Появление повреждений корпуса с позиции практики необязательно требует ремонта, а тем более прекращения эксплуатации. Деформационные дефекты нормируют, и в пределах этих норм могут оставлять на следующие 5 лет - период класса.
Изложенный сценарий и статистика скоростей коррозионных износов позволяют сформулировать концепцию иерархии запасов прочности (см. рис. 6, б). В момент появления «легких» повреждений наибольший коэффициент запаса должен сохранять рамный набор и прилегающие к ледовому поясу листы палуб, платформ и поперечных переборок. Его уровень можно оценить как 1,4. Средний коэффициент запаса в тот же момент важно сохранить у основного набора на уровне 1,2. Наименьший коэффициент запаса на уровне 1 будет у обшивки ледового пояса в момент появления гофрировки.
Данная иерархия коэффициентов запаса позволяет экстраполировать их значения на начало эксплуатации для определения проектных толщин и размеров связей. Анализ показал, что номинальные значения коэффициентов запаса предельной ледовой прочности имеют уровень:
2,0 - для обыкновенного набора;
2,2 - для рамного набора и прилегающих листовых связей;
3,0 - для обшивки ледового пояса.
Итак, специфика экспедиционных схем эксплуатации рыбопромысловых судов не в полной мере учитывается Правилами классификационных обществ. Практика экстраполяции на них систем (методик) ледовых классификаций транспортных судов вносит существенные недостатки.
Выявленные тенденции снижения коэффициентов запаса ледовой прочности с удалением от кормы, увеличением размеров судов и ростом ледовой категории подчеркивают влияние недостатков. Изложенная методика обеспечивает возможность экспертизы ледовых качеств корпусов судов, построенных в разных странах, и может использоваться при их взятии в класс российского Регистра. Для условий дальневосточных морей нужны рыболовные суда, соответствующие категориям Ice 2 и Ice 3. При этом важен учет повышенной мощности судовых энергетических установок. Предложенная концепция учета влияния возраста и степени коррозионного износа позволила оценить номинальные коэффициенты запаса для проектирования новых судов. Результаты данной работы будут способствовать повышению ледовых качеств рыболовных судов и эффективности их эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила классификации и постройки морских судов // Российский морской регистр судоходства. 2-е изд. Т. 2. СПб., 2012.
2. Kulesh V., Kalenchuk S., Mamontov A., Sidorenko I., Zhitnikov I. Examination of Ultimate Ice Strength of Ship Hulls // Proceeding 23 Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures. Kaohsiung, 2009. Р. 307-314.
