Обоснование выбора класса судна смешанного река-море плавания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-59-66 УДК 629.54/.55

О. Г. Егорова

Морское инженерное бюро, Санкт-Петербург, Россия

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КЛАССА СУДНА СМЕШАННОГО РЕКА-МОРЕ ПЛАВАНИЯ

Для судов и барже-буксирных составов смешанного река-море плавания «Волго-Дон макс» класса необходим класс РС R2, который имеет значительные преимущества по металлоемкости по сравнению с R1 и тем более с неограниченным районом плавания.

Ключевые слова: судно смешанного река-море плавания, корпус, металлоемкость, прочность, Правила классификационных обществ.

Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-59-66 UDC 629.54/.55

O.G. Egorova

Marine Engineering Bureau, St. Petersburg, Russia

JUSTIFICATION OF CHOICE OF CLASS ASSIGNMENT FOR MIXED RIVER-SEA VESSEL

For river-sea ships and barge tugboats of "Volga-Don Max" class, class RS R2 is required, which has significant advantages by metal consumption in comparision with R1 class and even more with unrestricted navigation area class. Keywords: river-sea vessel navigation, hull, metal consumption, strength, Class rules.

Author declares lack of the possible conflicts of interest.

Постановка проблемы

На сегодняшний день флот судов смешанного река-море плавания (ССП) морально и физически устарел, и требуется его обновление. Эффективность работы ССП при перевозке массовых грузов определяется, в основном, их грузоподъемностью. Грузоподъемность при габаритах, определенных путевыми условиями, и оптимально выбранном для разрешенной на внутренних водных путях скорости коэффициентом общей полноты, зависит от массы суда порожнем [1]. Для снижения ее из всех составляющих наиболее эффективным является уменьшение массы корпуса [2-5].

Целью статьи является обоснование рационального подхода к проектированию корпусов судов смешанного плавания за счет назначения

класса по району плавания и выбора высоты сечения.

Изложение основного материала

Проблема рационального проектирования и конструирования корпусов судов имеет длительную историю, и, по сути, столь же стара, как и само судостроение [6-9]. От того, как спроектирована конструкция судна, зависит и его эксплуатационная экономика, и его будущее с точки зрения безопасности, а также трудоемкость постройки и строительная стоимость.

Для судов водного транспорта (смешанного река-море плавания и близких к ним судов ограниченных морских районов плавания) оптимизация

Для цитирования: Егорова О.Г. Обоснование выбора класса судна смешанного река-море плавания. Труды Крылов-ского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 59-66.

For citations: Egorova O.G. Justification of choice of class assignment for mixed river-sea vessel. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 59-66 (in Russian).

металлоемкости вообще играет особую роль, так как для принятых нагрузок и в рамках особых ограничений по районам и сезонам плавания допускается заметное снижение толщин настилов и обшивок, характеристик набора и в целом стандарта общей прочности.

Обоснование отечественной классификации судов по районам плавания впервые было сделано в работах ЛИВТ и использовало условное разделение всех акваторий по величине h высоты волны 3 % обеспеченности для режима с 5 % обеспеченностью в данной акватории на три группы [10].

Было принято, что суда, предназначенные для эксплуатации в акватории той или иной группы, должны иметь равный уровень долговечности и равную вероятность превышения вертикальным изгибающим моментом соответствующей расчетной величины по сравнению с судами неограниченного района плавания. При этом считалось, что судно движется вразрез волне. Влияние скорости (ввиду малых чисел Fr порядка 0,10) не учитывалось. Было принято, что вероятность встречи судна с волнением заданной интенсивности равна вероятности возникновения данного волнения в этой акватории. Для судов смешанного плавания не учитывалось время нахождения на ВВП.

К I группе были отнесены Баренцево, Японское и Охотское моря. Ко II группе - Средиземное, Балтийское, Белое, Каспийское, Северное, Японское моря, Татарский пролив. К III группе - Черное и Азовское моря, ряд районов Средиземного, Балтийского, Белого, Охотского, Берингова, Каспийского морей.

При этом априори считалось достаточным, что в 5 % стационарных режимах волнение превысит допускаемое значение и суда будут отстаиваться (терять ходовое время).

Требования РС к классификации судов по районам плавания появились в Правилах 1968 года. Прослеживается два этапа совершенствования классификации: первый (1968-1977 гг.) период становления и второй (1990-1999 гг.) период корректировки классов в связи с изменившейся экономической обстановкой в стране.

Требования к судам смешанного плавания ПСП (в один год с требованиями РРР к классу «М-СП») появились в 1970 году, в Правила РС вошли в 1974 году. Требования к классу ШСП появились в 1994 году, в Правила РС они вошли в 1995 году.

Класс III, который сейчас явно ассоциируется с портовыми судами, до 1974 году предназначался для судов прибрежного и рейдового плавания.

До 1990 года суда класса I не имели ограничений по удалению от мест убежищ в закрытых морях (т.е. по сути, были классом, имеющим неограниченное плавание в закрытых морях).

Регулярно вводились и затем также регулярно исключались требования к описанию районов плавания по конкретным судам в классификационных свидетельствах, последняя такая попытка была в Правилах 1990 года, где предлагалось назначать конкретные районы для классов I и II по требованиям остойчивости. На сегодняшний день подобные требования (полученные из прочностных соображений) остались только для судов классов III и ШСП.

Явные ограничения по волнению для всех классов появились в Правилах 1995 года, хотя до этого они всегда были для судов смешанного плавания класса ПСП. Часто они также назначались проектантами для судов других ограниченных районов, затем из проектной документации попадали в классификационные свидетельства судов после постройки.

Действующие требования РС к судам ограниченных районов плавания были разработаны проф. Г.В. Бойцовым с учетом большей крутизны волны в морях (по сравнению с океанами), ограничений по эксплуатации и погрешностей прогнозов волнения, относительного времени нахождения судов на ВВП [11]. При этом в качестве расчетной для судов неограниченного района плавания принималась величина h = 11,0 м, судов класса I (R1) -8,5 м, II (R2) - 7,0 м, ПСП (R2-RSN) - 6,5 м, ШСП (R3-RSN) - 6,0 м, III (R3) - 5,0 м с сохранением барьера с 5 % обеспеченностью запрещенных режимов волнения и с учетом ошибок прогноза.

Требования к корпусам таких судов имеются в правилах всех ведущих классификационных обществ (КО). В табл. 1 дано условное соответствие между требованиями различных КО по одному критерию - удалению от мест убежища lmax и в скобках - значение редукционного коэффициента фг, отражающего степень уменьшения величины минимального момента сопротивления корпуса Wmin, определенной для неограниченного района плавания в соответствии с унифицированным стандартом МАКО С11. Для РС указанная величина определялась (условно) для судна «Вол-го-Дон макс» класса, у прочих обществ коэффициенты редуцирования фг постоянны вне зависимости от длины.

Обращает на себя внимание отсутствие жесткой регламентации у ABS, LRS и NKK. Подход

Таблица 1. Районы плавания и редукционные коэффициенты фг в Правилах различных КО

i пни: ' МИЛЬ PC, 2019 г. РУ, 2019 г. РРР, 2015 г. DNV GL, 2018 г. LRS, 2018 r. BV, 2018 r. RINA, 2018 r. NKK, 2018 r. CCS PRS, 2019r. ABS, 2019 r.

200 R1 (0,79) R1 (0,79) - R0 Specified operating area Summer zone (0,90) Summer zone (0,90) - R1 (0,95) I Restricted

100 R2 (0,66) R2 (0,66) - R1 (0,90) Specified route Tropical zone (0,80) Tropical zone (0,80) - - II (0,95) Coastwise

R2-RSN (0,59) R2-S 6.0/ R2-RS 6.0 (0.59)

R2-RSN 4.5 (0.52) R2-S 4.5/ R2-RS 4.5 (0,52)

50 R2-RSN/ R2-RSN 4.5 R2-S (RS) 6.0/R2-S (RS) 4.5 М-СП 4,5 М-СП 3,5 R2 (0,80) Specified coastal - - - - II (0,95) Short coastwise

R3-RSN (0,41) R3-S / R3-RS (0,41) Inter-island

20 (рейд) R3 (0,33) R3 (0,33) М/М-ПР 3,0 М/М-ПР 2,5 R3 (0,60) Extended protected waters Coastal (0,80) Coastal (0,80) Coasting service (CS) R2 (0,90) III (0,85) River and Intra-coastal

Порт R3 (0,33) R3-IN (0,33) О/О-ПР 2,0 R4 (0,50) Protected waters (zone 1-3) Sheltered areas (0,65) Sheltered areas (0,65) Smooth Water Service (SWS) R3 (0,85) - River and Harbour

Таблица 2. Определение h* для Средиземного моря

Моря Справочник «Ветры и волны», 1974 год СПОГОИН (Л.И. Лопотухин) Global Wave Statistic

Район 1* h , м Район 1 * hi, м Район hi, м

Альборанское I 3,19 - - 26 2,23

Гальское, Бальское, Лигурийское II 3,89 I 3,72

Иберийское II 3,04

Тирренское III 2,46

Адриатическое III 3,80 IV 2,84 27 2,15

Ионическое, Сицилийское V 2,94

Эгейское, Критское VII 3,16

Ливийское IV 3,86 VI 3,16

Египетское, Левантийское VIII 2,86

Финикийское IX 2,46

Рис. 1. Изменение металлоемкости корпуса (в % от судна класса РЭ-РБЫ) судна смешанного плавания «Волго-Дон» макс класса при изменении района плавания

указанных обществ достаточно прост - конкретные параметры по удалению от берега или от места убежища и по ветро-волновому режиму устанавливаются в каждом конкретном случае при классификации судна с учетом характера эксплуатации.

Поэтому для них в табл. 1 даны не обозначения классов, а примеры записей в классификационных свидетельствах. Кроме того, у подавляющего большинства членов МАКО принято, помимо символа класса, давать описание конкретных районов эксплуатации. В целом наблюдается даже качественное рассогласование требований к районам плавания, не говоря о стандартах прочности, закладываемых различными обществами.

В целом следует заметить, что развитие классов по районам плавания в Правилах РС, РРР, РУ происходило от речных судов к судам неограниченного района плавания, а в Правилах зарубежных КО -в обратном направлении, что во многом объясняет

различие в величинах допускаемого уменьшения требований к стандарту прочности корпусов (большего - в отечественной науке и существенно меньшего - в зарубежной).

Теоретической основой назначения районов плавания является моделирование возможных маршрутов, анализ мест убежищ, и, главное, изучение ветро-волновой обстановки на этих маршрутах.

В табл. 2 приведены величины h , определенные по разным источникам для районов Средиземного моря. В качестве основного источника для формирования классов на начальном этапе разработки требований РС и РРР служил справочник «Ветры и волны» и другие подобные издания. Дополнительные исследования позволили специалистам СПОГОИН (под руководством Л. И. Лопо-тухина) уточнить характеристики ветро-волновой обстановки, в частности, по Средиземному морю. В практике иностранных КО применяют иные данные (Global Wave Statistic). Отличия в полученных результатах весьма значительны.

Понятно, что назначение класса по районам плавания зависит от планируемого направления перевозки груза; оценки возможных потерь ходового времени от простоев в ожидании погоды; определения ледовой категории в соответствии с накопленным опытом работы; задания экономически обоснованного срока службы судна [12].

Такой анализ (см. рис. 1) показал, что для судов и барже-буксирных составов смешанного река-море плавания «Волго-Дон макс» класса (для обеспечения постоянной эксплуатации в море, в том числе вокруг Европы) необходим класс РС R2, который имеет значительные преимущества по металлоемкости по сравнению с R1 и тем более неограниченным районом плавания.

Представляется, что исследуемые суда будут иметь минимальную металлоемкость при следующих условиях.

Во-первых, толщины листовых элементов корпуса не должны превышать минимальные толщины типа 5т1п = (Л1+ А2Ь)^пК(а/а0), где А1, А2 -коэффициенты формул 5т1п из Правил, п - фактор материала, К(а/а0) - коэффициент влияния шпации, а, а0 - принятая для основного набора и нормальная шпации.

Поэтому основной набор (как, правило, речь идет о продольных ребрах жесткости) должен иметь такую шпацию, которая обеспечит устойчивость подкрепляемых ими пластин при общем продольном изгибе при сохранении листами толщин, равных минимальным по требованиям Правил.

На рис. 2 приведены толщины днищевой обшивки, требуемые по условиям обеспечения устойчивости и по критерию минимальных толщин в зависимости от длины судна Ь, шпации а, предела текучести стали Яен и класса РС.

Кроме того, есть требования эксплуатационной надежности и долговечности по износам [12], которые далеко не всегда имеют четкое определение в Правилах КО, но в целом, именно эти факторы и определяют минимальные толщины.

Например, по эксплуатационным критериям толщина обшивки не должна быть ниже 8-9 мм. Исходя из этих толщин, по данным зависимостей, указанных на рис. 2, может быть определена шпация продольного набора. Для ССП она находится, как правило, в пределах 520-560 мм [13].

Исследования эксплуатационной надежности корпусов ССП показывают, что для условий восприятия возможных нагрузок при посадках на мель для днища и нагрузок от стенок шлюзов, причалов и льда для борта рамная поперечная шпация не должна превышать 2,0 м [13].

Так, можно заметить, что для судна, набранного по минимальным толщинам корпуса (что дает

Smin. mm

70 80 90 100 110 120 130 140 Ь,т

Рис. 2. Требуемые по критерию минимальных толщин и условию обеспечения устойчивости толщины днищевой обшивки:

1) по критерию минимальных толщин

-*- ЯеН = 235 МПа, 112, М-ЯвМ; -*- Яе11 = 235 МПа, Ю-ЯЗИ;

-*— Лен = 315 МПа, 112, Яг-КЗИ; — Лен = 315 МПа, ЯЗ-ЛЗЫ;

2) по критерию устойчивости обшивки

ж а = 0,50м; Д а = 0,55м; + а = 0,635м

возможность говорить о рационально выбранной конструкции корпуса с точки зрения его шпации, расстояния между рамными связями, системы набора и материала корпуса), классы ограниченного района плавания Ы2, К2-КБЫ и К2-КБЫ 4.5 будут иметь незначительную разницу в массе корпуса, в связи с одинаковыми минимальными толщинами по Правилам КО. Например, понижение класса судна на ограниченный район плавания ЫЗ-ЫБЫ дает заметную разницу в металлоемкости по той же причине.

В табл. 3 показано сравнение весовых характеристик судна «Волго-Дон макс» класса для различных районов плавания вместе с последствиями такого решения для дедвейта на разных осадках.

Влияние классов ограниченного района плавания на металлоемкость корпуса судна «Волго-Дон макс» класса приведено в табл. 4.

Таблица 3. Сравнительная таблица весовых характеристик судна «Волго-Дон макс класса» для различных районов плавания

Параметр Класс

R2 R2-RSN R2-RSN 4,5 R3-RSN

Дедвейт, т:

Река 5354 5380 5387 5463

Море 6955 6981 6988 7064

Масса порожнем, т 2528 2502 2495 2419

Таблица 4. Влияние классов ограниченного района плавания на металлоемкость корпуса исследуемого танкера

Класс судна R2 R2-RSN R2-RSN 4,5 R3-RSN

Металлоемкость в % соотношении 100 99 98,8 95,6

Таблица 5. Геометрические характеристики эквивалентного бруса на примере корпуса судов «Волжский» с увеличением высоты сечения и без подъема комингса

Характеристика Отстояние от ОП, м Величина

й г гт г и

...г ......1

Вариант I Вариант II Вариант III

Момент сопротивления комингса, м 6,45 - для I 6,58 - для II 9,08 - для III 0,7819 1,257 1,276

Момент сопротивле- 3 ния днища, м 0,00 1,499 1,844 2,328

Момент инерции, м4 - 3,314 4,918 7,485

Положение нейтральной оси от ОП, м - 2,212 2,668 3,216

Площадь сечения, м2 - 0,6909 0,8391 0,8320

Вариант I - исходное состояние пр.05074М.

Вариант II - «Петрозаводск» - подкрепления без изменения высоты сечения. Вариант III - «Дмитрий Варварин» - увеличение высоты сечения.

Поэтому металлоемкость классов ограниченных районов плавания К2-КБЫ и К2-КБЫ 4.5 может управляться только за счет изменения площади связей верхнего пояска эквивалентного бруса (продольных комингсов сухогрузных судов, палуб нефтеналивных судов). В свою очередь это может быть достигнуто за счет увеличения эффективной высоты сечения при применении развитых непрерывных надпалубных конструкций - тронка и комингсов высотой 3,2-3,8 м - без увеличения толщин подавляющего большинства конструкций в сравнении с минимальными толщинами по Правилам РС. То есть конструкция в средней части корпуса тогда будет обеспечивать минимальную массу, когда только верхние связи будут иметь большие, чем требуются критерием минимальных толщин, площади.

В табл. 5 представлены три варианта поперечного сечения корпусов судов типа «Волжский»: исходное (I); модернизированное ЦКБ «Вымпел» с помо-

щью дополнительных связей без роста высоты сечения (II) и принятое Морским Инженерным Бюро решение по подъему продольного комингса (III) [14].

Как видно из таблицы, увеличение высоты сечения при меньшей металлоемкости (см. суммарную площадь связей, входящих в эквивалентный брус 0,8320 м2 против 0,8392 м2) позволило увеличить стандарт общей прочности по верхней части эквивалентного бруса (предел текучести 315 МПа) на 63 % по сравнению с исходным, а путем установки «коробки» на уровне существующего комингса - на 60 %, а по днищу (235 МПа) - на 55 % вместо 23 % за счет значительного роста момента инерции поперечного сечения. При этом конвенционный дедвейт судна в море увеличился с 4350 т до 6067 т (т.е. на 1717 т или на 39 %), объем грузовых трюмов -с 6441 м3 до 9404 м3 (т.е. на 2963 м3 или на 46 %).

Для всех рассматриваемых ограниченных районов плавания (Ы2, Ы2- ЫБЫ 6.0, К2-КБЫ4.5 и Ы3-

ФГ t Г ¡ФГ:

3)

\

J

t г T I t • I I * f

ES

f

? ' ' T > i i T

1 1 L ■ . . r .

в)

г)

Рис. 3. Мидель-шпангоуты современных судов смешанного река-море плавания с увеличенной высотой сечения за счет продольных надпалубных конструкций: а) сухогрузное судно с развитым продольным комингсом высотой, равной стандартной высоте надстройки; б) сухогрузное судно с высоким продольным комингсом; в) нефтеналивное судно с тронком; г) комбинированное судно

ЫБЫ) увеличение высоты поперечного сечения судна «Волго-Дон макс» класса с 7500 мм до 8000 мм (на 6,25 % по сравнению исходной высотой) приводит к уменьшению массы корпуса. Это становится возможным за счет увеличенного момента инерции поперечного сечения, благодаря которому, удается уменьшить размеры связей верхней части поперечного сечения, зависящих от общей продольной прочности, несмотря на возрастающие массы связей обшивки борта. При увеличении высоты борта более чем на 6,25 %, дополнительная масса связей обшивки борта превосходит уменьшенный вес связей верхней части поперечного сечения, зависящих от общей продольной прочности.

На рис. 3 представлена практическая реализация полученных теоретических результатов на примере судов смешанного река-море плавания различных типов.

Заключение

Анализ показал, что для судов и барже-буксирных составов смешанного река-море плавания «Волго-Дон макс» класса необходим класс РС Ы2, который имеет значительные преимущества по ме-

таллоемкости по сравнению с Ш и тем более с неограниченным районом плавания.

Причем для судна, набранного по минимальным толщинам корпуса, классы ограниченного района плавания Ы2, К2-КБЫ и К2-КБЫ 4.5 будут иметь незначительную разницу в массе корпуса, в связи с одинаковыми минимальными толщинами по Правилам КО. Поэтому металлоемкость классов ограниченных районов плавания Ы2, Ы2-ЫБЫ и К2-КБЫ 4.5 может управляться только за счет изменения площади связей продольных комингсов сухогрузных судов, палуб нефтеналивных судов.

Это может быть достигнуто за счет увеличения эффективной высоты сечения при применении развитых непрерывных надпалубных конструкций - тронка и комингсов высотой 3,2-3,8 м - без увеличения толщин подавляющего большинства конструкций в сравнении с минимальными толщинами по Правилам РС.

Библиографический список

1. Егоров А.Г. Определение оптимального значения коэффициента полноты и эксплуатационной скорости составов и составных судов смешанного река-

море плавания // Морской Вестник. - 2015. - № 3 (55). - С.19-24.

2. Егорова О.Г. Исследование влияния района плавания на металлоемкость танкера смешанного река-море плавания // Труды НТК по СМК «Бубновские чтения - 2014», посвященной 110-летию кафедры СМК СПбГМТУ. - СПб: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2014. - С.143.

3. Егорова О.Г. Снижение металлоемкости корпусов сухогрузных судов смешанного река-море плавания путем выбора эффективного класса по району плавания и рациональной геометрии поперечного сечения корпуса // Материалы Всеукраинской научно-техн. конф. с межд. уч. «Современные технологии проектирования, строительства, эксплуатации и ремонта судов, морских технических средств и инженерных сооружений» - Николаев: НУК, 2016. -С.41-43.

4. Свечников О.И. Снижение металлоемкости корпусов судов внутреннего плавания. - М.: Транспорт, 1987. - 221 с.

5. Смоляков Б.Н. Проектирование корпусов речных металлических судов и обоснование марки материала корпуса. - Труды ГИИВТа. - М.: Транспорт, 1964. - Вып. 52. - 87 с.

6. Архангородский А.Г., Беленький ЛМ. Аналитический метод проектирования корпуса судна. - Л.: Судостроение, 1959. - 208 с.

7. Короткин Я.И. Вопросы прочности морских транспортных судов. - Л.: Судостроение, 1965. - 388 с.

8. Родионов А А. Математические методы проектирования оптимальных конструкций судового корпуса. - Л.: Судостроение, 1990. - 248 с.

9. Тряскин ВН. Методологические основы автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса судна // Судостроение. -2006. - № 3. - С.9-12.

10. Беляк ЮЛ. Освоение морских прибрежных районов судами внутреннего плавания. - М.: Транспорт, 1967. - 168 с.

11. Бойцов Г В. О требованиях к прочности судов ограниченного и смешанного (река-море) плавания // Науч.-техн. сб. РС. - Вып. 19. - СПб: РС, 1996. -С.34-48.

12. Егоров Г.В. Проектирование судов ограниченных районов плавания на основании теории риска. -СПб.: Судостроение, 2007. - 384 с.

13. Егоров Г В., Егоров А. Г. Основные принципы проектирования судов смешанного река-море плавания // Судостроение и морская инфраструктура (Shipbuilding and Marine Infrastructure). - 2014. - № 2 (2). - С.48-62.

14. Егоров Г.В. Реклассифицированные суда смешанного плавания // Вестник ОНМУ. - Одесса: ОНМУ, 2010. - Вып. 29. - С.3-16.

Сведения об авторах

Егорова Ольга Геннадьевна, научный сотрудник Морского Инженерного Бюро-СПб. Адрес: 197101, Россия,

г. Санкт-Петербург, ул. Мира, 15/1, офис 76Н. Телефон:

+7 (812) 233-64-03. E-mail: office@mebspb.com.

Поступила / Received: 26.02.19 Принята в печать / Accepted: 09.04.19 © Егоров О.Г., 2019