CC BY-NC
88
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-391-109-121 УДК 629.563
Г.Ф. Демешко, В.Ю. Пазухин, К.Н. Сандревская
ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург, Россия
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛУПОГРУЖНЫХ СУДОВ
Объект и цель научной работы. В работе рассматриваются специализированные транспортные суда, используемые для доставки любых видов тяжеловесных крупногабаритных грузов, т.н. heavy-lift ships (HLS). Целью является формирование физической модели их функционирования и проектных рекомендаций по определению свойств и характеристик судна и его подсистем, а также предметный анализ существующего нормативного обеспечения их проектирования и эксплуатации.
Материалы и методы. Проведены обобщение и анализ материалов исследований отечественных и зарубежных ученых, а также профильных руководящих документов.
Основные результаты. Обобщены характеристики формы корпуса, архитектурного облика, конструкции и компоновки полупогружных судов (ППС). ППС представлено как объект проектирования. Даны рекомендации по выбору оборудования и выполнению различных операций для эффективной и безопасной эксплуатации судов рассматриваемого типа.
Заключение. ППС широко востребованы в мире в транспортных операциях со сверхтяжелыми и сверхкрупногабаритными, преимущественно несамоходными или аварийными плавучими объектами для их безопасного перемещения на значительные расстояния в район дислокации или на ремонтные предприятия. Исследование позволяет сформировать перечень характеристик объекта транспортировки и требований классификационных обществ и других надзорных органов, определяющих размерения, архитектурный облик и комплектующее оборудование ППС, а также установить в первом приближении его основные проектные характеристики, свойства, транспортные возможности и условия эксплуатации.
Ключевые слова: полупогружное судно, грузовая палуба, всплытие, погружение, балластная система, запас плавучести, руководство по эксплуатации, герметичность, нормативное обеспечение. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-391-109-121 UDC 629.563
G. Demeshko, V. Pazukhin, K. Sandrevskaya
St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg, Russia
DESIGN FEATURES OF SEMI-SUBMERSIBLE VESSELS
Object and purpose of research. The paper deals with specialized transport vessels used for the delivery of any type of heavy, oversized cargo, the so-called heavy-lift ships (HLS). The purpose is to create a physical model of their operation and design recommendations for determining the properties and characteristics of the vessel and its subsystems, as well as a concept analysis of the existing regulatory support for their design and operation.
Materials and methods. Generalization and analysis of research materials of Russian and foreign scientists, as well as relevant guidance documents, were carried out.
Main results. The characteristics of the hull shape, concept, structure and layout of semi-submersible vessels (SSV) were summarized. SSV was presented as a design object. Recommendations were given for selecting equipment and performing various operations for efficient and safe operation of vessels of this type.
Для цитирования: Демешко Г.Ф., Пазухин В.Ю., Сандревская К.Н. Особенности проектирования полупогружных судов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; 1(391): 109-121.
For citations: Demeshko G., Pazukhin V., Sandrevskaya K. Design features of semi-submersible vessels. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; 1(391): 109-121 (in Russian).
Conclusion. SSV are very popular in the world in transport operations with super-heavy and super-large, mostly non-self-propelled or emergency floating objects for their safe operation over long distances to the area of deployment or to repair facilities. The study allows to create a list of characteristics of the transport object and the requirements of classification societies and other Supervisory authorities that determine the dimensions, concept and component equipment of SSV, as well as to establish in the first approximation its main design characteristics, properties, transport capabilities and operating conditions.
Keywords: semi-submersible vessel, cargo deck, surfacing, diving, ballast system, reserve buoyancy, operations manual, tightness, regulatory support.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Полупогружное судно как объект проектирования
Semi-submersible vessel as a design object
Как средство доставки любых видов тяжеловесных крупногабаритных грузов при большом разнообразии их архитектурно-конструктивных типов и способов проведения грузовых операций специализированные транспортные суда такого назначения за рубежом объединены в группу, обозначаемую как heavy-lift ships (HLS). Их объединяет наличие открытой грузовой палубы на большей части их длины. На палубу HLS загружается и раскрепляется для последующей транспортировки громоздкий груз. К подвидам HLS относят следующие типы: ■ суда, оборудованные, как правило, на всю ширину судна кормовой рампой (аппарелью), по которой с пирса закатывается громоздкий объект транспортировки (один или несколько). Очевидно, что это есть разновидность судов ro-ro. Суда
этого подвида могут быть оснащены и мощными кранами;
■ давно известные суда докового типа или транспортные доки;
■ динамично развивающийся и самый востребованный подвид HLS - собственно ППС. За рубежом их принято называть semi-submersible ships или heavy-lift ships float-on/float-off [10, 11]. К ППС относят самоходные транспортные суда
неограниченного района плавания, предназначенные для перемещения на значительные расстояния (до 20-25 тыс. миль) сверхтяжелых крупногабаритных грузов, обладающих собственной плавучестью или размещенных на баржах, с условием их погрузки, транспортировки и разгрузки с использованием открытой грузовой палубы такого судна путем ее притапливания с помощью балластных/дебалласт-ных операций, характерных для давно существующих стальных плавучих доков. В мировой практике в работах, к примеру на шельфе, наиболее сложными операциями считаются доставка к месту дислокации таких гигантских плавучих шельфовых сооружений, как, в частности, FSO (floating storage & offloading), FSU (floating storage unit), FPSO (floating production, storage & offloading), а затем перемещение их в процессе эксплуатации к месту проведения технического освидетельствования и планового ремонта.
Как отмечалось в [1], в морской индустрии нашей страны эти суда могут быть наиболее востребованы для обустройства побережья Сибири и Дальнего Востока, испытывающих острую потребность в доставке разведочных и добычных сооружений для работы на суше или на шельфе, жилых объектов, специализированных заводов для переработки и временного хранения любой добываемой здесь продукции, заводов по очистке и подготовке к транспортировке нефти и газа, плавучих или стационарных заводов по сжижению природного газа, причальных сооружений, станций по выработке электроэнергии, тепла и т.п. (рис. 1 и 2).
В указанные еще неосвоенные районы такие промышленные сооружения должны доставляться
Рис. 1. Транспортировка верхнего строения полупогружной плавучей буровой установки «Полярная звезда» массой 19 000 т судном Black Marlin с главными размерениями LxBxT = 217,8,8x42x10,08 м; DW = 57 021 т; с грузовой палубой размерами LnXBn = 165,6x42 м и площадью 5п = 6955 м2
Fig. 1. Transportation of the upper structure of the 19 000 t. "Polyarnaya Zvezda" semi-submersible vessel by the Black Marlin vessel with the main dimensions LxBxT = 217.8.8x42x10.08 m; DW = 57 021 t; with cargo deck with dimensions LrxVn = 165.6x42 m and area of Sr = 6955 m2
в виде, максимально готовом к запуску их в работу, поскольку здесь полностью отсутствует необходимая для их монтажа и достройки промышленная база. Буксировка предназначенных к транспортировке упомянутых плавучих сооружений как альтернативный способ их доставки в пункт назначения не может сравниться со способом их перемещения на грузовой палубе ППС ни по безопасности, ни по стоимости, ни по времени проведения такой операции. Это объясняет стремительный рост количественного состава мирового флота ППС. В основном они сосредоточены у владельцев Нидерландов и Китая. Во всем мире к настоящему времени насчитывается более 50 ППС большой грузоподъемности, и лишь несколько фирм-судовладельцев доминируют на рынке с собственным флотом таких судов. Голландская компания Боск^Бе владеет и управляет такими судами в количестве не менее 20 единиц. Есть несколько судовладельцев (Финляндия, Норвегия), эксплуатирующих только одно-два ППС, и они, тем не менее, остаются конкурентоспособными на рынке рассматриваемых услуг, что может быть связано с растущим спросом на такие суда и высокой стоимостью их фрахтования.
Отмечается возможность использования полупогружных судов для транспортировки аварийных судов и кораблей (рис. 3), а также в качестве плавучих доков для ремонта судов (рис. 4).
США рассматривают целесообразность применения ППС для проведения спасательных работ в открытом море, а также для доставки малых судов, обладающих ограниченными дальностью плавания и мореходностью (буксиры, противоминные суда, баржи и т.п.) в район проведения военных операций (зачастую на трансокеанские расстояния). С минимальными доработками эти суда могут заполнить образовавшиеся «пробелы» в сфере транспортировки сверхтяжелых и крупногабаритных грузов и расширить эксплуатационные возможности морского базирования (рис. 5). При этом большая ширина таких судов также является важным фактором, поскольку она гарантирует возникновение меньших углов крена на волнении. При военном использовании такого судна могут потребоваться более совершенные системы динамического позиционирования и системы швартовки, а также оснащение его различными специальными судовыми устройствами и оборудованием: кранами и погрузчиками для обработки контейнерных грузов, многочисленными приспособлениями для креплений палубного груза, кнехтами для швартовки, резервуарами с топливом для транспортных средств и т.д.
Рис. 4. Использование полупогружного судна
в качестве ремонтного дока
Fig. 4. Using semi-submersible vessel as a repair dock
Рис. 2. Транспортировка FSO на полупогружном судне Blue Marlin
Fig. 2. Transportation of FSO on the Blue Marlin semi-submersible vessel
Рис. 3. Полупогружное судно «Трансшельф», ранее принадлежавшее России (LxBxHxT = 162х40х12х х8,8 м), DW = 33 700 т, ^у = 2х6750 кВт
Fig. 3. The "Trans-shelf" semi-submersible vessel previously owned by Russia (LхВхНхТ =162х40х12х8.8 m), DW = 33 700 t, Nсэу = 2х6750 kW
Рис. 5. Использование полупогружных судов в сочетании с судами ro-ro [2]
Fig. 5. Use of semi-submersible vessels in combination with ro-ro vessels [2]
Важнейшими характеристиками ППС как
транспортного средства являются:
■ грузоподъемность;
■ размеры палубы для приема крупногабаритных сверхтяжелых грузов (по площади и габаритам);
■ эпюра распределения предельных местных нагружений по поверхности главной, т.е. грузовой палубы;
■ глубина притапливания грузовой палубы, определяющая возможности приема плавучих объектов со значительной осадкой;
■ глубина погружения основной плоскости судна после завершения процесса притапливания, диктующая требования к акватории, где осуществляется операция погрузки или разгрузки;
■ время проведения операций погружения и всплытия;
■ дальность плавания.
Трюмное пространство ППС помимо размещения в нем судового энергетического оборудования и судовых запасов занято, в основном, балластными цистернами и люков не имеет (рис. 6). Из-за весьма жестких требований к удержанию положения ППС без крена и дифферента в момент проведения операций погружения/всплытия его балластная система должна быть полностью автоматизирована с формированием предварительного плана и процедуры затопления/осушения балластных цистерн. Вместе с тем последовательность заполнения и осушения балластных цистерн проводится в автоматическом режиме с использованием прикладных программ для бортового компьютера в соответствии с интерактивно получаемой информацией о текущем положении судна по величине его осадки, крена и дифферента и по степени заполненности каждой из балластных цистерн в процессе проведе-
Рис. 6. Схема компоновки корпуса полупогружного судна Black Marlin Fig. 6. Layout of the hull of the Black Marlin semi-submersible vessel
ния балластных операций. Балластная система включает насосы высокой производительности. Дебалластировка может производиться или насосами, или продувкой цистерн воздухом высокого давления от специальных компрессоров. Производительность насосов балластной системы, достигающая 20 000 т/час, определяется задаваемой скоростью погружения/всплытия палубы в операциях погрузки/разгрузки. Обычно принимается, что полный цикл балластировки/дебалластировки не должен занимать более 16 ч., чтобы выполнить полную погрузочную операцию за один день, при этом позиционирование и подъем груза из воды производятся в светлое время суток. Скорость погружения грузовой палубы под воду достигает 3,0 м/час. Основные балластные насосы и/или дебалластные компрессоры обычно расположены в отдельном насосном отделении или во вспомогательном машинном отделении.
После завершения процесса притапливания ППС только короткие многоярусные концевые надстройки или рубки этого судна остаются над поверхностью воды (верхние ярусы), и запас плавучести в этом предельном состоянии заглубления ППС (при максимальной осадке без дифферента) не превышает 4,5 % от его совокупного объема, охватываемого судовой поверхностью при таком заглублении. Дополнительное требование об обязательности обеспечения 1,5 %-ого запаса плавучести в концевых надстройках (рубках или башнях) делает их чрезвычайно высокими (рис. 14). Такой запас плавучести в концевых башнях становится инструментом предотвращения крена и дифферента при-тапливаемой грузовой палубы.
Следует отметить обязательность согласования с надзорными органами имеющего место несоответствия ППС требованиям правил о грузовой марке Международной Конвенции и Классификационных Обществ, возникающего в режиме проведения операций по погружению/всплытию, когда все соответствующие знаки на борту судна оказываются невидимыми, находясь под водой.
Важным обстоятельством для ППС является недопустимость загромождения рабочего пространства грузовой палубы каким бы то ни было оборудованием, перемещаемым из-за этого в район носовой оконечности или в подпалубное пространство. На большей части грузовой палубы отсутствует фальшборт и леерное ограждение (оно может быть съемным), а палубный груз, как правило, расположен на всю ширину судна. Для обеспечения безопасности членов экипажа имеет место устройство подпалубных
коридоров для прохода вдоль судна по каждому борту во время рейса в море. Коридоры должны быть снабжены водонепроницаемыми дверями на их концах, их использование недопустимо при проведении операций всплытия/погружения (рис. 7).
Свободная грузовая палуба ППС площадью от 5-6 тыс. м2 до почти 20 тыс. м2 (у самого крупного в мире ППС Dockwise Vanguard) отличается высокой местной прочностью и способностью к восприятию концентрированных нагрузок. У ППС в соответствии с размерами грузовой палубы осредненное нагружение на квадратный метр ее площади, создаваемое принимаемым грузом, оказывается в интервале значений от около 5 до 9,5 т/м2. Этот показатель при оговариваемой техническим заданием грузоподъемности ППС позволяет оценить его ожидаемые размерения. В действительности же, как, например, у судна Dockwise Vanguard, вся грузовая палуба может быть поделена на конструктивные зоны с различными возможностями по восприятию местных нагрузок (рис. 8) [3]. Грузовая палуба этого судна конструктивно способна к восприятию сосредоточенных нагрузок, и есть большие ее участки, способные выдерживать нагружение до 90 т/м2, остальная часть палубы рассчитана на местное дав-
Рис. 8. Зоны различной степени усиления грузовой палубы судна Dockwise Vanguard на восприятие сосредоточенных нагрузок (в т/м2)
Fig. 8. Zones of varying degrees of reinforcement of cargo deck of the Dockwise Vanguard ship on the perception of concentrated loads (t/m2)
Рис. 7. Схема трассировки подпалубных коридоров для передвижения экипажа по судну Dockwise Vanguard на ходу
Fig. 7. Layout of sub-deck corridors for personnel transfer around the Dockwise Vanguard ship in operation
Fig. 9. Structural midsection of the Tai An Kou semi-submersible vessel (China, 2002)
Рис. 9. Конструктивный мидель-шпангоут полупогружного судна Tai An Kou (КНР, 2002 г.) со спонсонами для обеспечения остойчивости и поддержания свисающего с бортов груза. Характеристики судна: LxBxHxT = 156x36x10x7,4 м; DW = 20 131 т; площадь главной (грузовой) палубы = 4 500 м2
ление до 45 т/м2. Как показывает опыт создания металлических плавучих доков, эти значения могут быть и многократно большими в зависимости от особенностей перевозимого объекта.
Настил грузовой палубы ППС по толщине может превосходить 30 мм. Усиленная грузовая па-
DW,T 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0
y = 833,46х - 119768
150 170
190
210
230 250 L, м
Рис. 10. Зависимость величины дедвейта DW от длины L полупогружного судна
Fig. 10. Dependence of the deadweight value DW on the length L of semi-submersible vessel
10000 8000 6000 4000 2000
4 ►
■У'- = 0, 027 Х2'3< 304
< ► ♦ ж.
ж ► W
ч ♦
V
150
170
190
210
L, м
Рис. 11. Взаимосвязь площади грузовой палубы Sn и длины L у полупогружного судна
Fig. 11. Relationship between the area of cargo deck Sп and the length L of semi-submersible vessel
луба предусматривает возможность временного приваривания к ней опорных конструкций транспортируемого сооружения для предотвращения его смещения на ходу судна. Это особенно актуально при приеме на палубу объектов, превосходящих ее своими габаритами, но совокупной массой, конечно, не превышающих грузоподъемности принимающего их ППС. При характерных размерах прочного корпуса ППС, отличающегося малой относительной длиной и весьма значительной шириной, возникает проблема обеспечения общей, продольной и поперечной прочности корпуса судна. Большие сосредоточенные нагрузки на палубное перекрытие требуют использования мощных рамных шпангоутов, устанавливаемых через каждые 2-3 м (рис. 9).
Все новые ППС строятся более крупными, чем это было в начале их появления. Это обусловлено потребностями увеличения и площади грузовой палубы, и грузоподъемности судна. Так, проект судна Dockwise Black Marlin за счет удлинения и уширения в 1,5 раза позволил более чем на треть увеличить грузоподъемность получившегося нового судна, названного Dockwise Blue Marlin. Анализ характеристик ППС начального периода их существования выполнен в [1, 2].
С использованием ТТХ ППС, приведенных в табл. 2 [1], дополненной данными ряда судов последних лет постройки, методами регрессионного анализа получены новые и уточнены некоторые ранее существующие зависимости для определения характеристик (устанавливаемых техническим заданием, эксплуатационных и обосновываемых в процессе проектирования). Они должны стать инструментом в формировании методики проектирования ППС.
Зависимость величины DW ППС (у находящихся в эксплуатации он колеблется в интервале от 15 до 117 тыс. т) от длины судна L оказывается линейной (рис. 10). Зависимость площади грузовой палубы от длины судна приведена на рис. 11.
Sn, м
Стоит отметить, что у ППС длина свободной грузовой палубы составляет, как правило, значение порядка 65-80 % от общей длины судна (рис. 12). Это характерно для ППС, у которых имеется носовая надстройка, как у судов Dockwise Blue Marlin и Dockwise Black Marlin. Отдельные отклонения значений из этого статистического диапазона обусловлены особыми компоновочными решениями в разработке проектов таких судов, как, например, судно Dockwise Vanguard, у которого LH равна длине судна. У него четыре концевые рубки (башни) (одна из них, на спонсоне, стационарная и обитаемая) по ширине выходят за габариты грузовой палубы, чтобы увеличить ее площадь.
Зависимость обмерной величины GT ППС в регистровых тоннах от дедвейта судна приведена на рис. 13. Эта зависимость устойчиво аппроксимируется линейной зависимостью GT = 0,6858 DW+4 515.
При относительно больших размерах ППС и абсолютных значениях скорости хода, принимаемых в основном в диапазоне 12-15 уз, эти суда соответствуют числам Фруда по длине, как правило, из интервала 0,13-0,20, что характеризует их как суда тихоходные. По этой причине все ППС отличаются относительно малым соотношением их длины и ширины в диапазоне L/B = 3,5-5,0. Те из ППС, которые предназначены преимущественно для транспортировки буровых и добычных платформ, заводов по нефтепереработке или по сжижению природного газа и других объектов, имеющих в плане круглое или квадратное основание, опирающееся при транспортировке на их грузовую палубу, будут группироваться в интервале значений L/B из диапазона 3,5-4. Полупогружные суда, предназначенные для перевозки судов, например FPSO, и кораблей целесообразнее делать с большей длиной, и для них характерен диапазон L/B = 5,0-5,5, но не более, ибо здесь вступают в силу жесткие требования обеспечения остойчивости. Вместе с этим, как отмечалось в [3], рост длины ППС из-за возрастания изгибающего момента и проблемы обеспечения общей прочности сопровождается резким увеличением массы прочного корпуса в ущерб снижающемуся значению массы принимаемого груза.
Соотношение В/Т у ППС преимущественно лежит в диапазоне от 4 до 6,5, что объясняется как требованиями получения максимально возможной ширины и площади грузовой палубы, так и, в большей мере, проблемами в обеспечении их поперечной остойчивости из-за чрезвычайно высокого положения центра масс принимаемого на
LJL 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
▼
= 0, 0008 х + 0,63 32
< > y
•
4 ♦
w
150 170
190
210
230
250
L, м
Рис. 12. Доля длины грузовой палубы от длины полупогружного судна
Fig. 12. The share of the length of cargo deck from the length of semi-submersible vessel
GT,t 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000
♦
y = 0,6858х + 4515/—'
♦ ♦
►
0
20000 40000 60000 80000
DW, т
Рис. 13. Зависимость обмерной величины GT от дедвейта судна DW
Fig. 13. Dependence of the measured value GT on the deadweight of the vessel DW
палубу сверхтяжелого крупногабаритного груза. Проблему обеспечения поперечной остойчивости в [2, 10] предлагается решать также устройством с бортов по ширине палубы спонсонов (они могут крепиться на петлях и быть откидными) - и уширяющих грузовую палубу, и создающих дополнительный восстанавливающий момент при накре-нении судна (рис. 9).
В связи с принятием на палубу крупногабаритных объектов, обладающих очень большой фронтальной площадью парусности, важен вопрос об удержании ППС, оказавшегося на переходе в условиях шторма, от ветрового сноса, что целесообразно решать оборудованием такого судна мощными подруливающими устройствами (ПУ), работа которых в этой ситуации становится необходимой во избежание возникающего опасного неконтролиру-
Рис. 14. Энерговооруженность полупогружного судна Dockwise Vanguard
Fig. 14. Specific power of the Dockwise Vanguard semi-submersible vessel
емого дрейфа. Для этого требуется наличие соответствующего запаса мощности судовой энергетической установки (рис. 14). Для ППС предпочтительно электродвижение. В таких экстремальных условиях есть возможность перераспределить значительную часть мощности судовой энергетической установки на работу ПУ.
Отмеченный факт делает необходимым для ППС в дополнение к общему «Руководству по эксплуатации» для каждого рейса производить контрольную расчетную проверку возможности выхода судна в рейс с учетом конкретных характеристик принятого груза в отношении его полной массы, площади его фронтальной парусности, положения центра тяжести по высоте, а также ветро-волновых условий на предполагаемом маршруте перехода.
♦
♦
y = -2Е-0,6 x + 1,46 47 +
A
Я f ♦♦♦ А ДА
♦ W WW
0 20000 40000 60000 80000 100000 DW, т
Очевидно, что роль ПУ чрезвычайно важна и в процессе загрузки/разгрузки наводимого на грузовую палубу плавучего объекта.
Следует отметить, что значения зависимости Н/T от размеров ППС (здесь от DW - рис. 15) весьма устойчиво группируются в диапазоне 1,3-1,4.
Надо также отметить, что открытая грузовая палуба у существующих ППС выполняется без по-гиби бимса и без седловатости, и высота надводного борта даже у самых больших из них, имеющих длины в интервале 200-275 м, как следует из данных табл. 2 в [1], находится в диапазоне значений от 3 до 4 м. Очевидно, что при движении ППС в условиях шторма заливаемость открытой грузовой палубы проходящей океанской волной (т.н. green-water) вполне реальна. Ее воздействие на перевозимое на судне сооружение, обладающее собственной плавучестью, может вызвать аварийную ситуацию, что целесообразно моделировать в опы-товом бассейне, поскольку отсутствуют расчетные методы оценки этого явления [9]. Руководство по эксплуатации всегда требует на переходах по возможности избегать таких условий.
Говоря о форме судовой поверхности ППС, можно констатировать, что самым необычным по форме судовой поверхности можно назвать голландское судно 2001 г. постройки Dockwise Fjord, которое при скорости хода 10,5 уз имеет соотношения главных размерений L/B = 3,5, В/Т = 7,47 и L/Т = 26,14. У другого голландского судна, Dockwise Blue Marlin 2015 г. постройки, соотношения главных размерений следующие: L/B = 3,57; B/T = 6,15; H/T = 1,3; LJL = 0,79.
Аффинным перестроением теоретического чертежа навалочного судна получена судовая поверхность ППС (рис. 16), имеющего следующие соотношения главных размерений: L/B = 3,32; B/T = 5,6; H/T = 1,4; Ln/L = 0,67. Даны только обводы его прочного корпуса. Отсутствуют т.н. башни плавучести, при притапливании судна верхними ярусами остающиеся над водой. На чертеже условно показано размещение понтонов транспортируемой таким судном полупогружной плавучей буровой установки (ППБУ), габаритами превосходящей по ширине размеры грузовой палубы транспортного судна, которая, как отмечалась выше, не имеет ни погиби бимсов, ни седловатости.
На теоретическом чертеже показана схема размещения перевозимого объекта ППБУ «Полярная звезда», общая площадь контакта которого с грузовой палубой ППС при таком размещении составит ок. 2023 м2. Ожидаемое местное удельное давление
Рис. 15. Зависимость Н/T от дедвейта судна Fig. 15. Dependence of H/T on the ship's deadweight
Рис. 16. Теоретический чертеж типичного полупогружного судна Fig. 16. Theoretical drawing of typical semi-submersible vessel
на нее при совокупной массе ППБУ порожнем оказывается в пределах 15,8 т/м2. Эта схема наглядно подтверждает необходимость оценки общей поперечной прочности судна.
Анализ существующего нормативного обеспечения проектирования и эксплуатации полупогружных судов
Analysis of existing regulatory support for design and operation of semi-submersible vessels
При создании и эксплуатации ППС может использоваться накопленный опыт проектирования, постройки и эксплуатации, а также отечественное нормативное обеспечение в отношении давно существующих стальных плавучих ремонтных и транспортных доков и судов и сооружений для морской перевозки крупногабаритных тяжеловесных грузов [4, 8, 7]. Вместе с этим следует отметить создание специальных классификационных правил (руководств) для судов рассматриваемого типа КО DNV GL AS (2010 г.) и ABS (2017 г.) [6, 7], обозначаемых в этих правилах как Semi-Submersible Heavy Transport (ABS - Lift) Vessels. В основном руководства идентичны, хотя позже появившиеся Правила ABS отличаются большей детализацией. В них при этом отмечается, что многие решения при создании таких судов должны соответствовать Правилам DNV и ABS для традиционных стальных судов и металлических плавучих доков, а также основным положениям МК SOLAS и MARPOL. Под ППС в обоих Правилах понимается «судно, предназначенное для погрузки/разгрузки палубного
груза путем временного заглубления грузовой палубы посредством балластных операций».
Применительно к ППС, помимо использованных здесь, введены дополнительные определения и термины:
■ временное погруженное состояние - любая балластировка или дебалластировка с погруженной в воду грузовой маркой;
■ состояние перехода - состояние судна с момента завершения погрузки с надлежащим закреплением груза до момента, когда судно достигнет пункта назначения и может начаться подготовка к разгрузке;
■ грузовая палуба - верхняя открытая палуба, погружаемая под воду для приема перевозимого груза и предназначенная для его размещения на ней;
■ максимальная осадка погружения - максимальная осадка на носу и корме, по которую судну разрешено погружаться в процессе притапливания. В состоянии перехода ППС должно соответствовать отметкам линии грузовой марки;
■ палуба безопасности - палуба на судне, на которой экипаж или пассажиры должны быть в безопасности в любое время. Она не должна погружаться во время приема/снятия груза;
■ открытые поверхности - надстройки, корпуса и другие обладающие плавучестью объемы над грузовой палубой и сама грузовая палуба или ее горизонтальные продолжения, которые могут быть повреждены при соприкосновении с перевозимым объектом на любом этапе погрузочно-разгрузочных работ;
■ операции погружения/всплытия: описание процедур и общей последовательности балластировки во время погружения или всплытия.
Классификации подлежат:
■ конструкция корпуса;
■ надводный борт и запас плавучести;
■ остойчивость и плавучесть в неповрежденном и поврежденном состояниях в период притап-ливания/всплытия и во время перехода;
■ пожаробезопасность;
■ спасательное оснащение;
■ навигация и безопасность мореплавания. Среди представляемых в Классификационные
Общества DNV GL AS и ABS документов по ППС особого внимания заслуживают:
■ генеральный план общего расположения;
■ руководство по эксплуатации;
■ конструктивный мидель-шпангоут;
■ конструктивные планы башен плавучести;
■ конструктивные планы палуб и переборок;
■ расположение цистерн;
■ руководство по остойчивости, определяющее максимально допустимую высоту центра тяжести по отношению к расчетной осадке или другим параметрам, которые соответствуют критериям остойчивости, в том числе в поврежденном состоянии;
■ диаграмма нагружения грузовой палубы, кН/м2;
■ расчетное распределение массы судна по осевой линии, кН/м;
■ проходы (трассировка) кабелей и трубопроводов. В составе документации по ППС важнейшим
документом является «Руководство по эксплуатации судна», которому неукоснительно должен следовать капитан судна. Оно описывает процедуру всех операций с судном и содержит разного рода эксплуатационные ограничения и требования по обеспечению безопасности. Кроме этого, на каждый рейс создается дополнительный инструкционный документ, включающий прокладку маршрута и учитывающий массогабаритные особенности конкретного объекта транспортировки, а также гидрографические и погодные ограничения (в первую очередь ветро-волновые) на пути следования, дополнительно определяющие действия капитана. Правила устанавливают, что если данные об окружающей среде, специфические для предстоящего транзитного маршрута, недоступны, судно должно рассматриваться как судно неограниченного района плавания.
В «Руководстве по эксплуатации» особо следует выделить:
■ ограничения - по состоянию моря и эксплуатационные (осадки, дифферента и крена, по загрузке палубы, по заполнению цистерн и т.д.)
для всех режимов работы, таких как транспортный переход, грузовые операции (погружение и всплытие), погруженное состояние и т.д.;
■ процедуру балластировки по максимальную осадку, включающая информацию об оборудовании балластной системы, последовательность балластировки/дебалластировки для операций погружения/всплытия, включая последовательность откачки и учет эксплуатационных ограничений;
■ условия загрузки для всех возможных режимов работы, таких как транспортный переход, грузовые операции (погружение и всплытие) и погруженное состояние и т.д.;
■ морское крепление груза от нагрузок, вызванных статическими воздействиями, гравитацией, креном и дифферентом судна, динамическими нагрузками на ходу судна и ветровыми нагрузками.
■ дополнительный подробный анализ последовательности принятия балласта для каждой операции погружения/всплытия с учетом характеристик размещаемого груза и состояния моря при выполнении этой операции.
В Правилах значительное внимание уделяется герметичности корпуса в целом и его отдельных помещений и цистерн, строгими являются требования к ограничениям положения ватерлиний в процессе притапливания судна по отношению к неза-крываемым отверстиям, а также к герметичности дверей, люков, небольших окон и т.п. Соответствующие отверстия должны быть герметично закрыты во время операций погружения, а их закрытие - запротоколировано и признано надежным и по меньшей мере таким же прочным, как переборка или палуба, где отверстие расположено. Отверстия для доступа в помещения в прочном корпусе, оказывающиеся под водой при максимальной осадке погружения, должны защищаться двумя водонепроницаемыми дверями (или люками) последовательно. В отсеке между двумя дверями (или люками) при этом должно быть предусмотрено устройство обнаружения протечки.
Соблюдение требований к герметичным и водонепроницаемым закрывающим устройствам должно быть задокументировано планом надводного борта, величина которого регламентируется требованиями Правил о грузовой марке. Сценарии затопления должны охватывать также эффект заполнения дополнительного пространства цистерн по ошибке и эффект затопления цистерн и сухих помещений из-за отказа соответствующего клапана.
В случае затопления помещений от нарушения герметичности корпуса на переходе надводный борт до палубы, ограничивающей плавучесть перевозимого объекта, должно быть не менее 1 м.
Ряд важных требований касается остойчивости в неповрежденном состоянии. В условиях процедуры погружения, включая критический момент, когда палуба только что скрылась под воду, что вызывает внезапное и резкое сокращение площади действующей ватерлинии, остойчивость в неповрежденном состоянии ППС должна соответствовать следующим требованиям:
■ угол крена не более пяти градусов;
■ диапазон устойчивости на диаграмме не менее 15 градусов;
■ площадь под кривой диаграммы статической остойчивости не менее 0,075 метровхрадиан;
■ в каждом конкретном случае может учитываться плавучесть крупногабаритного палубного груза при условии, что задействовано устройство его крепления;
■ поддерживается положительная продольная остойчивость.
На заключительном этапе притапливания в отношении остойчивости судно должно удовлетворять следующим требованиям:
■ угол крена не превышает 15 градусов.
■ диапазон положительной остойчивости после принятия судном положения равновесия составляет не менее 7 градусов;
■ в пределах вышеуказанного 7-градусного диапазона максимальное плечо восстанавливающего момента составляет не менее 0,05 м.
Особо регламентируется запас плавучести (водонепроницаемый объем, расположенный выше максимальной осадки погружения над ватерлинией без дифферента): он не должен быть менее 4,5 % объема судна при максимальной осадке, и не менее 1,5 % объема судна при максимальной осадке должно обеспечиваться плавучими конструкциями (концевыми башнями) в оконечностях судна.
Расчет запаса плавучести представляется в виде отдельного документа. Регламентируются возможные повреждения открытых поверхностей, вызванные непреднамеренным перемещением палубного груза во время погрузочно-разгрузочных работ. Предполагаемая длина повреждения составляет 5,0 м. Водонепроницаемые переборки могут считаться неповрежденными при условии, что расстояние между ними превышает 5,0 м. Предполагается, что глубина повреждения составляет 0,76 м, а степень повреждения по вертикали
Рис. 17. Критические зоны конструкции корпуса по концентрациям напряжений [5]
Fig. 17. Critical zones of the hull structure by stress concentrations [5]
должна быть от открытой палубы вверх без ограничений. На горизонтальной поверхности грузовой палубы размеры повреждения предполагаются: 5^5 м с глубиной 0,76 м. При этом при затоплении поврежденных цистерн коэффициент проницаемости принимается 0,95, для машинных помещений - 0,85.
Конструкция корпуса судна должна выдерживать условия полной нагрузки при неограниченном волнении. Если ППС выполняет подъем объекта в море, изгибающие моменты на тихой воде и перерезывающие силы должны суммироваться с изгибающими моментами и перерезывающими силами на волнении для преобладающего состояния моря в момент загрузки. В дополнение к этому следует учитывать также изгибающий момент, вызванный слемингом.
Из-за необычной загрузки, структурных неод-нородностей в корпусе, особенно в носу и в корме грузовой палубы, где к ней крепятся надстройки или рубки, и экстремальных нагрузок ABS требует проведения конечно-элементной оценки прочности корпуса ППС (рис. 17).
Оценка поперечной прочности ППС и максимального перепада давлений для балластных танков при их заполнении/осушении может производиться в соответствии с требованиями «Правил для доков» ABS.
В целом, конструкция балластной системы и ее комплектация, энергетическое оборудование, насосы, трубопроводы, материалы, электрические системы, внутренние коммуникационные системы и системы пожаротушения должны соответствовать требованиям «Правил для стальных судов». Система погружения и всплытия обеспечивается работой насосов, общая производительность которых диктуется назначением времени проведения операций погружения/всплытия. Правила регламентируют возможность ее превышения до 200 % в зависимости от условий проведения этих операций.
В системе управления затоплением и осушением цистерн запорные и выпускные клапаны должны быть оснащены индикаторами положения клапана. Должны быть предусмотрены средства для определения уровня воды в каждом из балластных танков и осадки в оконечностях и посредине длины судна. Это необходимо, чтобы судно не оказалось в неустойчивом или небезопасном состоянии при всплытии или погружении.
Особо фиксируется требование, чтобы после постройки ППС в процессе его испытаний все оборудование, связанное с погружением, было бы испытано при максимальной осадке затопления.
В Правилах оговаривается требование создания дополнительного навигационного мостика на кормовой башне, если вид со штатного навигационного мостика частично заблокирован крупногабаритным грузом. В то же время ABS допускает рассмотрение любых альтернативных мер, таких как система удаленных камер, достаточных для удовлетворения требований видимости и обзора бортов судна со стороны мостика.
Заключение
Conclusion
ППС активно востребованы в мире для транспортных операций со сверхтяжелыми и сверхкрупногабаритными, преимущественно несамоходными или аварийными плавучими объектами с целью их безопасного перемещения на значительные расстояния в район их дислокации или на ремонтные предприятия.
Транспортные возможности ППС характеризуются их грузоподъемностью и размерами открытой грузовой палубы, которая с помощью погружения/ всплытия судна в результате выполнения балласт-ных/дебалластных операций приспособлена к установке и закреплению на ней перевозимого объекта, глубиной ее притапливания, а также глубиной погружения основной плоскости судна. Этим обуславливаются требования к акватории в месте проведения операций погрузки или разгрузки.
Размерения ППС, его характеристики, свойства и требования к эксплуатации определяются массогабаритными характеристиками и обликом перевозимых ими громоздких сверхтяжелых сооружений. Определяющими для ППС со стороны объекта транспортировки являются: его совокупная масса, габаритные размеры по длине и ширине, площадь проекции на горизонтальную поверхность, координаты центра тяжести по длине,
ширине и высоте, боковая и фронтальная площадь парусности, размеры и форма контактируемой с грузовой палубой нижней поверхности объекта транспортировки (плоская или требующая использования кильблоков).
Эти суда отличают полные обводы корпуса с 5 @ 0,83 - 0,85 и его форма в виде безлюкового, относительно короткого и широкого понтона с типичными соотношениями размерений с пропорциями ок. LxBxH = 100^28x6, что для обеспечения его общей (продольной и поперечной) и местной прочности достигается установкой во внутреннем пространстве большого количества продольных и поперечных переборок и палуб, образующих на некоторых ППС до 100 балластных цистерн, процесс последовательного заполнения/ осушения которых при погружении/всплытии судна при выполнении операций загрузки/разгрузки во избежание недопустимых крена и дифферента осуществляется в автоматическом режиме бортовым компьютером.
Регламентируются минимально допустимый запас плавучести при достижении максимальной осадки погружения, требования к герметичности помещений корпуса и производительность дублируемых балластных насосов.
Основным документом, регламентирующим процедуру погрузки/разгрузки судна и его переходы в рейсе, является «Руководство по эксплуатации», дополняемое временными инструкциями на каждый выход в зависимости от массогабаритных характеристик перевозимого судном объекта и погодных условий.
Библиографический список
1. Демешко Г.Ф., Кричман М.А., Сандревская К.Н. Исследования перспектив использования полупогружных судов для освоения российского побережья Арктики» // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. Спец. выпуск 1. С. 5-16.
2. SelfridgeM., Kennell C. Application of Heavy Lift Ship Technology to Expeditionary Logistics / Seabasing: Technical Report. Bethesda, 2004. 15 р. (Naval Surface Warfare Center; NSWCCD-20-TR-2004/06).
3. Onno A.J.P. Changing the Heavy Marine Transport Market // Proceedings of MCE Deepwater Developmen, 18-20 March 2013. Netherlands, 2013. 8 р.
4. РД 31.11.21.24-96. Правила безопасности морской перевозки крупногабаритных и тяжеловесных грузов (КТГ): утв. Приказом Росморфлота от 29.11.1996 № 44 // Общие и специальные правила перевозки грузов. Т. 2: Правила безопасности морской перевоз-
ки генеральных грузов. Санкт-Петербург: ЦНИИМФ, 1996. С. 293-332.
5. Semi-submersible heavy lift vessels: Guide for building and classing / American Bureau of Shipping. Houston, 2017. V, 15 p.
6. Semi-submersible heavy transport vessels // Rules for Ships. Part. 5. Sec. 21.: Ship types. Ch.7. DNV GL, 2010. P. 63-67.
7. Металлические плавучие доки / ЛовягинМ.А. [и др.]. Ленинград: Судостроение, 1964. 336 с.
8. РД 31.52.22-88. Правила технической эксплуатации судоподъемных сооружений. Москва: Мортех-информреклама, 1990. 64 с.
9. Buchner B. Green Water on Ship-type Offshore Structures: Thesis ... Doctor of Philosophy / Buchner B.; [Delft University of Technology]. Delft, 2002. 280 p.
10. Hoorn F. van. Heavy-Lift Ships // Ship Design and Construction. Vol. II. Jersey: Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2004. Chapter 52. [27 р.]
11. Суда обслуживающего флота. История. Современность. Перспективы: аналитический обзор. Санкт-Петербург: Крыловский гос. науч. центр, 2016. 267 с.
References
1. G. Demeshko, M. Krichman, K. Sandrevskaya. Prospects of using semi-submersible vessels for the development of the Russian Arctic coastal area // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019. Special issue 1. P. 5-16 (in Russian).
2. M. Selfridge, C. Kennell. Application of Heavy Lift Ship Technology to Expeditionary Logistics / Seabasing: Technical Report. Bethesda, 2004. 15 р. (Naval Surface Warfare Center; NSWCCD-20-TR-2004/06).
3. A.J.P. Onno. Changing the Heavy Marine Transport Market // Proceedings of MCE Deepwater Developmen, 18-20 March 2013. Netherlands, 2013. 8 р.
4. RD 31.11.21.24-96. Maritime transport safety rules of oversized and heavy cargo: approved by Rosmorflot order No. 44 dated 29.11.1996 // General and special rules for cargo transportation. Vol. 2: Safety rules for sea transportation of General cargo. St. Petersburg: TsNIIMF, 1996. P. 293-332 (in Russian).
5. Semi-submersible heavy lift vessels: Guide for building and classing / American Bureau of Shipping. Houston, 2017. V, 15 p.
6. Semi-submersible heavy transport vessels // Rules for Ships. Part. 5. Sec. 21.: Ship types. Ch.7. DNV GL, 2010. P. 63-67.
7. Metal floating docks / M. Lovyagin [et al.]. Leningrad: Shipbuilding, 1964. 336 p. (in Russian).
8. RD 31.52.22-88. Rules of technical operation of ship-lifting structures. Moscow: Mortechinformreklama, 1990. 64 p. (in Russian).
9. B. Buchner. Green Water on Ship-type Offshore Structures: Thesis ... Doctor of Philosophy / Buchner B.; [Delft University of Technology]. Delft, 2002. 280 p.
10. F. van Hoorn. Heavy-Lift Ships // Ship Design and Construction. Vol. II. Jersey: Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2004. Chapter 52 [27 p.]
11. Vessels of the supplying fleet. History. Modernity. Prospects: Analytical review. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2016. 267 p. (in Russian).
Сведения об авторах
Демешко Геннадий Федорович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой проектирования судов ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет». Адрес: 190008, Россия, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3. Тел.: +7 (812) 714-28-74. E-mail: morcenter@mail.ru.
Пазухин Владимир Юрьевич, студент ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет». Адрес: 190008, Россия, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3. Тел.: +7 (960) 278-08-98. E-mail: pazuhinvl97@mail.ru
Сандревская Ксения Николаевна, студентка ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет». Адрес: 190008, Россия, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3. Тел.: +7 (931) 003-53-49. E-mail: sandrevskaya2012@yandex.ru.
About the authors
Gennady F. Demeshko, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Department of ship design, St. Petersburg State Marine Technical University. Address: 3, Lotsmanskaya st., St. Petersburg, post code: 190008, Russia. Tel.: +7 (812) 714-28-74. E-mail: morcenter@mail.ru.
Vladimir Yu. Pazukhin, Student of St. Petersburg State Marine Technical University. Address: 3, Lotsmanskaya st., St. Petersburg, post code: 190008, Russia. Tel.: +7 (960) 278-08-98. E-mail: pazuhinvl97@mail.ru. Ksenia N. Sandrevskaya, Student of St. Petersburg State Marine Technical University. Address: 3, Lotsmanskaya st., St. Petersburg, post code: 190008, Russia. Tel.: +7 (931) 003-53-49. E-mail: sandrevskaya2012@yandex.ru.
Поступила / Received: 26.12.19 Принята в печать / Accepted: 12.03.20 © Коллектив авторов, 2020
