CC BY
63УДК 629.124.74:622.242
В.Н. Савинов, доцент, д.т.н., профессор кафедры аэрогидродинамики, прочности машин и сопротивления материалов ФГБОУ ВО «НГТУ им. Р.Е. Алексеева», e-mail: vladimirsavinov6@gmail. com
ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева»
603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
ОСТОЙЧИВОСТЬ НЕСАМОХОДНОГО ПЛАВУЧЕГО КРАНА С НЕПОВОРОТНЫМ ГРУЗОПОДЪЕМНЫМ УСТРОЙСТВОМ
Ключевые слова: остойчивость, плавучий кран, проектирование, строительство, расчеты, ветровые нагрузки, критерий погоды.
Проектирование и строительство плавкранов большой грузоподъемности ведется для достижения повышенной эффективности погрузо-разгрузочных, аварийно-спасательных, ремонтно-строительных работ при постройке морских буровых установок, таких как самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ) и полупогружные плавучие буровые установки (ППБУ), на заводских акваториях, акваториях рек (при строительстве мостов), озер, морей, а также участия в других технологических операциях. Работа плавкранов часто происходит в неблагоприятных гидрометеорологических условиях. Поэтому, при проектировании плавкрана требуется проверка его остойчивости по критерию погоды, причем в наиболее неблагоприятном рабочем или нерабочем состоянии для различных случаев загрузки плавучего крана. Цель работы - определить остойчивость плавкрана по критерию погоды для ранней стадии его проектирования. На основе выполненных расчетов построена диаграмма плеч статической остойчивости, подтверждающая ее достаточность.
Введение
Возросшие потребности России в строительстве новой техники, связанной с освоением континентального шельфа [1, 2,] потребовало внедрения новых технологий в судостроении. Новые технологии необходимы для сокращения сроков постройки крупных сооружений. Такими сооружениями являются стационарные буровые платформы (СБП) [3, 4], самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ) [5, 6], полупогружные буровые установки (ППБУ) [7], ледокольные суда, мосты и другие важные объекты строительства, например, оборонного значения. Не менее важным можно считать повышение эффективности за счет увеличения массо-габаритных характеристик сборочно-монтажных и строительно-монтажных единиц техники при производстве погрузо-разгрузочных, аварийно-спасательных, гидротехнических, ремонтно-строительных работ, проводимых на заводских акваториях, акваториях рек, озер, морей. Повышение эффективности при проведении перечисленных работ может быть достигнуто благодаря применению плавучих подъемных кранов большой грузоподъемности с большим вылетом грузовой стрелы [8]
Поэтому проектирование и строительство плавкранов большой грузоподъемности востребовано временем и актуально [9] Требования Морского Регистра, предъявляемые к понтонам плавучих кранов, сводятся к обеспечению прочности конструкции, плавучести и остойчивости, а также к учету накопленного отечественного опыта проектирования и строительства плавкранов большой грузоподъемности [10] Цель работы - определить остойчивость плавкрана по критерию погоды на ранних стадиях его проектирования.
Расчет гидростатических кривых
Главные размерения корпуса несамоходного плавучего крана приведены в табл. 1, [11] На их основе вычислены объемное водоизмещение, элементы плавкрана и построены кривые элементов плавучести (рис. 1).
Таблица 1
Основные характеристики корпуса плавучего крана грузоподъемностью 500 т
№ п/п Характеристики понтона плавучего крана Обозначение Размерность Численная величина
1 Длина корпуса Ь м 60,0
2 Ширина корпуса B м 28,0
3 Высота борта D м 6,0
4 Осадка средняя рабочая ^ср раб м 4,0
5 Осадка средняя порожнем ^ср пор м 2,0
6 Коэффициент общей полноты Св - 0,950
7 Коэффициент полноты ватерлинии a - 0,990
8 Коэффициент полноты шпангоута Ь - 0,990
9 Весовое водоизмещение порожнем Dпор т 3300
10 Весовое водоизмещение в рабочем состоянии -раб т 6600
11 Период бортовой качки те с 5,6
12 Аппликата центра тяжести (без груза на гаке) м 12,0
Т, м
3,0
2,0
1,0 гт
ZM 1/ 8 ~~\ хс х, / ¡У -у,
г,.
1 / II / -4~-
Г 10 2 К) 3 10 440 5 10 6 10 7 10
V, м1; Б, м2;гт ?2М, ,
1-1-!-1-1 Zc,м;Xf,м;Xc,м
0 1,0 2,0 3,0
Рис. 1. Гидростатические кривые корпуса несамоходного плавучего крана
Объемное водоизмещение V, входящее в выражения продольного Я и поперечного г метацентрических радиусов, для прямоугольного понтона крана вычислено как произведение его длины Ь на ширину В и на осадку Т=ё (У=ЬБТ). Поскольку ватерлинии корпуса являются прямоугольниками, то моменты инерции их площадей относительно осей х и у, проходящих через ц. т. площади ватерлинии, находятся соответственно из выражений [12]
I^=LB3/12, Ify=BLъl\2. (1)
Поперечный и продольный метацентрические радиусы определяются делением соответствующих моментов инерции площадей ватерлиний и 1у рассчитанных по формулам (1), на объемное водоизмещение У, т. е.
т=уУ^Въ^ВТ=В2/12Т, Я= Iy/V=BL3/12LBT=L2/12T. (2)
Метацентрические высоты, поперечная к и продольная Н соответственно, находятся из известных выражений [12]:
к = г + -; Н = Я + -(3)
где г, Я - поперечный и продольный метацентрические радиусы корпуса, соответственно, м;
2С - аппликата центра величины понтона, м; 2Ъ - аппликата ц.т. плавкрана, м.
Аппликата центра величины понтона плавкрана, имеющего прямоугольную форму, составляет половину высоты подводной части (гс=7У2).
Плавкран проектируется на класс судна по Морскому Регистру Судоходства РФ К^Л4 [1] 11СП - плавучий кран несамоходный, построенный по Правилам и под надзором Регистра, имеющий ледовые усиления для возможности эпизодического плавания в мелкобитом льду в прибрежных районах замерзающих южных морей и рек, удовлетворяет требованиям части V «Деление на отсеки», в результате чего плавучий кран остается на плаву в удовлетворительном состоянии равновесия при затоплении одного отсека.
Район плавания плавкрана согласно классификации Российского Морского Регистра судоходства определен как II СП - плавание на внутренних водных путях, а также в морских районах на волнении не более 6 баллов и с удалением от места убежища:
- в открытых морях до 50 миль, с допустимым расстоянием между двумя местами убежища до 100 миль;
- в закрытых морях до 100 миль, с допустимым расстоянием между двумя местами убежища до 200 миль.
Правила классификации [13] устанавливают, что остойчивость плавучего крана по критерию погоды К будет достаточной, если угол крена от совместного действия начального кренящего момента (от груза на гаке или противовеса при отсутствии груза и т.п.), статического действия ветра и качки не превышают угла, при котором обеспечивается надежная работа крана, или угла при котором кромка палубы входит в воду или середина скулы мидель-шпангоута выходит из воды, в зависимости от того, который из них меньше. В данном случае работа плавкрана на волнении не предусмотрена. Рассматривается остойчивость плавкрана в нерабочем состоянии (отстой в порту с неработающими механизмами) для наихудшего в отношении остойчивости случая загрузки - без груза на гаке при самом высоком положении стрелы, с 10% запасов без жидкого балласта. В этом случае, остойчивость плавкрана по критерию погоды К = Ь/а будет достаточной, если площадь Ь равна или больше площади а, т.е. К > 1,0. Для определения К выполним требуемые расчеты.
Расчет парусности плавкрана
Площадь парусности Ау и возвышение центра парусности над плоскостью ватерлинии определим в табличной форме (табл. 2). При расчете площади парусности используем эскиз общего вида плавучего крана (рис. 2).
Расчетные плечи парусности и определяется по формулам (4.1.5.2-1), (4.1.5.2-2) [4] и данным табл. 2:
при воздействии установившегося ветра
= = 63078 = 39,4 м; (4)
* 1601
- при воздействии шквала
= = 48193 = 35 м, (5)
" щА, 1363 , ()
где I - номер элемента парусности Аи;
- возвышение над ватерлинией центра тяжести площади элемента Аи, м; к - аэродинамический коэффициент обтекания элемента А„■; ni - коэффициент зоны для элемента Аи-.
Таблица 2
Расчет приведенной площади парусности Ау и возвышения центра парусности ^ над плоскостью ватерлинии при крене плавкрана
Наименование элемента надводной части п/к Площадь парусности элемента А,, м2 Аэродинамический коэффициент формы обтекания, к Коэффициент зоны, П1 Возвышение центра парусности над ШЬ, 2„ьм Статический момент площади, м3
Надводный борт (ТСр=2м) 240 1,2 1,0 2,0 576
Надстройка первого яруса 90 1,2 1,0 7,0 756
Надстройка второго яруса 15 1,2 1,0 11,5 207
Опора стрелы и качающейся стойки 12 1,4 1,0 7,0 117,6
Стационарная кормовая опора для лебедок 35 1,4 1,0 7,5 367,5
Лебедки на палубе 58 1,4 1,0 6,0 487,2
Краны палубные 48 1,3 1,0 12,0 748,8
Качающаяся стойка 92 1,2 1,2 32,0 4239,4
Грузовая стрела крана 360 1,2 1,37 70,0 41429
Фундамент стрелы 25 1,2 1,0 7,5 225
Троса 140 1,0 1,3 60,0 10920
Сумма 1560 60074
2% от SАví на неучтенные площади и 5% от SkiniAviZvi 1601 63078
Всего 1601 2,= 39,4 63078
Расчет остойчивости плавкрана
Поскольку плавкран не работает на волнении, то амплитуда качки не определяется. Выбор формулы кренящего момента производится в зависимости от критического значения параметра Окр, определяемого по формуле (4.1.8.4), [13]
^ = {(?! - 0,34^)/4сВы\-0ЖЛ - /3 }// = ,
= {(35,4 - 0,34 • 39,4) Ц 0,95 • 28 • 2 ]- 0,34 • 1,0 • 3,97 - 0,337}/ 0,81 = 1,64'
где коэффициент С=1,0, а коэффициенты /¡=3,97, /2=0,6, /3=0,027 приняты согласно табл. 4.1.8.4-1, 4.1.8.4-2, [13] в зависимости от параметров Р, Р2 и угла 0О, принятого в данном случае нулю градусов; СВ - коэффициент общей полноты; В - ширина понтона; с! - осадка плавкрана.
Рис. 2. Эскиз площади парусности плавучего крана
Параметр Р = 3,8 принимался по табл. 4.1.6.2.3-1 в зависимости от значения выражения
г - ё
" ■ = 4,34, (7)
4сввё
где аппликата метацентра гт = 33,67 м; аппликата центра тяжести г = 12 м; по
¡>2
перечный метацентрический радиус г0 =-= 32,67 м; поперечная метацентриче
12ё
ская высота й0 = г0 + - ^ = 21,67 м.
Выбор расчетной формулы кренящего момента М, связан с определением параметра О, который находится по формуле (4.1.6.2.3-2), [13]
^ - ё 12 - 2 0 = = . 12 2 =1,37. (8)
т]СвБё д/0,95 • 28 • 2
Проверяется условие О < 0,90^. Данное условие выполняется. Оно характерно
для понтонных плавучих кранов. В этом случае, кренящий момент М„ определяется по формуле (4.1.8.5.1), [13]
М, = 0,б9( + С б Бё )££ЛА„ =
0,6 • 0,35(39,4 + 3,97^/0,95 • 28 • 2) • 1601 = 22997 кНм.
Угол крена плавучего крана от совместного действия начального кренящего момента, статического действия ветра и качки будет равен
еж = е0+е, + ег = 1,9°, (10)
где, в отсутствии качки, угол ег=0°, а е0, е, определяются по формулам:
„ 57,3 • у 57,3 • Мг 57,3 • 22997
\ g • Д-\ 9,81 • 3300 • 21,67
= 1,9°, (11)
где у 0 , м - ордината центра тяжести плавкрана; g =9,81, м/с - ускорение свободного падения; Д = 3300, т - весовое водоизмещение плавкрана; й0 =21,67, м - поперечная метацентрическая высота.
Остойчивость плавучего крана в нерабочем состоянии считается достаточной, если при случае загрузки согласно пункта 4.1.3.1.2, [13] при отсутствии качки (®г = 0°) момент, опрокидывающий плавкран, по крайней мере, в 1,5 раза превышает кренящий момент. Плечо кренящего момента от воздействия постоянного ветра /к1 вычисляется по формуле
= М^ = 0,71 м .
ы 1000 •Д^ g Д^ g
Плечо кренящего момента при шквальном ветре /„2 определится как
/«2=1,5 /„1=1,10 м. (13)
Построим диаграмму плеч статической остойчивости плавучего крана при крене (рис. 3), рассчитанную для понтона сидящего прямо и на ровный киль (е=0° и ф=0°). Она показывает, что остойчивость плавучего крана по критерию погоды, испытывающего нагрузку как от действия постоянного ветра, так и от действия шквального ветра, рассчитанную по нормам заданного района плавания, в первом приближении можно считать достаточной. Об этом свидетельствуют площади под кривой диаграммы Ь и над этой кривой а, т.е. выполняется необходимое условие достаточности остойчивости по критерию погоды - К > Ь/а . В заключении, по итогам выполненной работы, приведены краткие выводы.
0
Рис. 3. Диаграмма плеч статической остойчивости при крене плавучего крана: /(6) - диаграмма; lw1 - плечо кренящего момента от воздействия постоянного ветра; lw2 - плечо кренящего момента при шквальном ветре; 6^ - угол крена понтонного плавкрана под воздействием кренящего момента от постоянного ветра; 6d - угол входа палубы в воду; 6w2 - угол крена плавкрана от кренящего момента при шквальном ветре; 6„ - угол заката диаграммы; a, b - сравниваемые площади над и под кривой диаграммы статической остойчивости
Заключение
При рассмотрении остойчивости несамоходного плавкрана с неповоротным грузоподъемным устройством использованы вычисленные элементы и основные характеристики его корпуса. Для расчета начальной поперечной остойчивости плавучего крана по критерию погоды К определены площадь парусности, плечи парусности от воздействия установившегося ветра и от воздействия шквала. Учтено, что кран не работает на волнении. Получено: кренящий момент Mv = 22997 кН м; статический угол крена 6S=1,9°; плечи кренящих моментов lw1=0,71 м и lw2=1,10 м; угол крена при шквальном ветре 6w2=2,9°.
Диаграмма плеч статической остойчивости (рис. 3) подтверждает полученные результаты. Здесь площадь b ограничена графиком 1(6) восстанавливающих плеч, горизонтальной прямой, соответствующей кренящему плечу lw2 и углом крена 6^=8°, соответствующему углу входа палубы в воду. Площадь a ограничена кривой восстанавливающих плеч l(6), прямой lw2 и углом крена 6w2 плавкрана от кренящего момента при шквальном ветре. Так как критерий погоды K>b/a, то остойчивость можно признать достаточной.
Список литературы:
[1] Edoardo R. The Role of Heavy Lift semisubmersible vessels in latest and future offshore technology. - «LA MARINA INALIANA», vol/ 85/ - №4. - 1987. - pp. 24-32.
[2] Heerema P.S. and Krath I.E. Workship Equipped with 600 ton Crane for Transportation and Installation Platform, Process Equipment and Pipelines of Gulf of Suez Petroleum Company. «2 - nd Annual offshore technology Cjnference». Houston, April 1970 North Central Expressway. - pp. 21-25.
[3] Heerema P.S. Operation Experience with m.s. «Challenger» when Installing Fixed platform at sea and Laying Pipelines. De Ingenour, 1971, vol. 83. - №7. - pp. 21 - 25.
[4] Sjoerdsma G.W. General appraisal of offshore gravity structures. Offshore Struct. Proc. Conf., London,1974. - London, 1975. -pp.61-66.
[5] Савинов В.Н. Океанотехника: учеб. пособие /В.Н. Савинов; Нижегород. гос. техн. ун-т. им. Р.Е. Алексеева.-Н. Новгород, 2017. - 276 с.
[6] Offshore Marine Operation, Fagernes, 10-11 April, 1980.
[7] Proceeding of Offshore Technology Conference, May, Houston, Texas, USA, 1978, vol. 11 OTC 3150, pp. 861 - 872, OTC 3147, pp.823-838.
[8] «Ship en Wert de Zee», 1991, VIII BLZ. P. 389-391. Perspektivy razvitiya zarybejnogo tyjologo plavkranostroeniya. - Sudostroenie. - 1992. - №4 - p. 13-14.
[9] Novikov A., Latorre R. Floating crane selection. - Naval Architekts, 2009, № Jan., Royal Institution of Naval Architects, ISSN: 0306 - 0209, p. 22-24.
[10] О требованиях Регистра СССР к остойчивости плавучих кранов /Н.Д. Великосельский, В.Г. Зиньковский-Горбатенко, С.В. Королев, Е.А. Кравцов //Научно-технический сб. Регистра СССР, 1981. вып. 10. с. 111-123.
[11] Савинов В.Н. Определение характеристик несамоходного плавучего крана /Электронный научный журнал «Транспортные системы» №2, 2016 г. https://transport-systems.ru/2-16/htm1
[12] Лесюков В.А. Теория и устройство судов внутреннего плавания. 4-е изд. М.: Транспорт, 1982. 304 с.
[13] Правила классификации и постройки морских судов. Ч. IV. Остойчивость. СПб, 2018 г. -59 с. (электронная версия).
NON - SELF-PROPELLED FLOATING CRANE WITH FIXED LIFTING DEVICE STABILITY
V.N. Savinov, the senior lecturer, Dr.Sc.(Tech.), the professor of chair of aerohydrodynamics, durability of cars and resistance of materials Nizhniy Novgorod state technical university of R.E. Alekseeva 603951, Nizhniy Novgorod, Minin str., 24
Keywords: Stability, the floating crane, designing, building, calculations, wind loadings, criterion of weather.
Heavy-duty floating cranes Design and construction is carried out to achieve increased efficiency of loading, unloading, rescue, repair and construction work in the offshore drilling rigs construction, such as self-lifting floating drilling rigs (SPBU) and semi-submersible floating drilling rigs (PPBU), in factory areas, the river waters (in the bridges construction o), lakes, seas, as well as participation in other technological operations. The floating cranes work often occurs in adverse hydrometeorological conditions. Therefore, when designing a floating crane, it is necessary to check its stability by the weather criterion , and in the most unfavorable working or non-working state for various cases of a floating crane loading. The purpose of the work is to determine the floating crane stability by the weather criterion for the early stage of its design. On the performed calculations basis, the shoulders static stability diagram was constructed, confirming its sufficiency.
References:
[1] Edoardo R. The Role of Heavy Lift semisubmersible vessels in latest and future offshore technology. - «La marina inaliana», vol/ 85/ - №4. - 1987. - pp. 24-32.
[2] Heerema P.S. and Krath I.E. Workship Equipped with 600 ton Crane for Transportation and Installation Platform, Process Equipment and Pipelines of Gulf of Suez Petroleum Company. «2-nd Annual offshore technology Cjnference». Houston, April 1970 North Central Expressway. - pp. 21-25.
[3] Heerema P.S. Operation Experience with m.s. «Challenger» when Installing Fixed platform at sea and Laying Pipelines. De Ingenour, 1971, vol. 83. - №7. - pp. 21-25.
[4] Sjoerdsma G.W. General appraisal of offshore gravity structures. Offshore Struct. Proc. Conf., London,1974. - London, 1975. -pp.61-66.
[5] Savinov V.N. Okeanotekhnika: Uchebnoe posobie /V.N. Savinov; Nizhegorod. State technical university of R.E. Alekseeva. - N. Novgorod, 2017. - 276 p.
[6] Offshore Marine Operation, Fagernes, 10-11 April, 1980.
[7] Proceeding of Offshore Technology Conference, May, Houston, Texas, USA, 1978, vol. 11 OTC 3150, pp. 861 - 872, OTC 3147, pp.823-838.
[8] «Ship en Wert de Zee», 1991, VIII BLZ. P. 389 - 391. Perspektivy razvitiya zarybejnogo tyjologo plavkranostroeniya. - Sudostroenie. - 1992. - №4 - p. 13-14.
[9] Novikov A., Latorre R. Floating crane selection. - Naval Architekts, 2009, № Jan., Royal Institution of Naval Architects, ISSN: 0306 - 0209, p. 22-24.
[10] O trebovaniyakh Registra SSSR k ostoychivosti plavuchikh kranov /N.D. Velikosel'skiy, V.G. Zin'kovskiy-Gorbatenko, S.V. Korolev, E.A. Kravtsov //Nauchno-tekhnicheskiy sbornik Registra SSSR, 1981. vyp. 10. pp. 111-123.
[11] Savinov V.N. Opredelenie kharakteristik nesamokhodnogo plavuchego krana /Elektronnyy nauchnyy zhurnal «Transportnye sistemy» №2, 2016 .https://transport-systems.ru/2-16/htm1.
[12] Lesykov V.A. Teoriya i ustroystvo sudov vnytrennego plavaniya. 4-e izd. M.: Transport, 1982. 304 p.
[13] Pravila klassifikatsii I postroyki morskikh sudov. Ch. IV. Ostoychivost'. SPb.,2018. - 59 p. (Elektronnay versiya).
Статья поступила в редакцию 11.02.2019 г.
УДК 629.5.028.71
А.В. Соловьёв, д.т.н., заместитель директора Верхне-Волжского филиала Федерального автономного учреждения «Российский Речной Регистр», 603001, г. Нижний Новгород, ул. Рождественская, 38В Е.В. Зеличенко, аспирант ФГБОУВО «ВГУВТ», 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
И.В. Голубев, научный эксперт Центра разработки Правил Верхне-Волжского филиала Федерального автономного учреждения «Российский Речной Регистр», 603005, г. Нижний Новгород, Верхневолжская набережная, 8/59
О ВЫБОРЕ ЯКОРНОГО СНАБЖЕНИЯ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО ПЛАВАНИЯ
Ключевые слова: якорное снабжение, Правила РРР, Резолюция №61, стандарт ТШМ, правила БМУ ОЬ, суда внутреннего плавания, европейские предписания, ВВП РФ, ЕВВП, условная держащая масса якорей.
В настоящей статье приведены результаты расчетов по выбору якорного снабжения судов внутреннего плавания различного типа и размерений по Правилам Российского Речного Регистра (далее - Правилам РРР) и европейским предписаниям - Резолюция № 61 Европейской Экономической комиссии Организации Объединенных Наций «Рекомендации, касающиеся согласованных на европейском уровне технических предписаний, применимых к судам внутреннего плавания», Директива (ЕС) 2016/1629 Европейского парламента и Совета от 14 сентября 2016 года и Европейский стандарт, устанавливающий технические требования для судов внутреннего плавания (стандарт ES-TRIN) издания 2019/1, а также совместные правила Норвежского Веритаса и Германского Ллойда для судов внутреннего плавания издания 2018 г. (далее правила DNV GL). Работа по сопоставлению регламентируемого по различным методикам якорного снабжения судов внутреннего плавания актуальна ввиду того, что имеются случаи несоответствия якорного снабжения российских судов, выходящих на внутренние водные пути ЕС, европейским предписаниям, а также случаи необоснованного завышения требований Правил РРР по якорному снабжению применительно к водо-измещающим судам с материалом корпуса, отличным от стали. Сопоставляемая масса якорей определялась в соответствии с пунктом 3.2.1 части V ПКПС с одной стороны, и пунктами 1-6 статьи 13.01 стандарта ES-TRIN (в правилах DNV GL использована аналогичная методика) с другой стороны. Для оценки главной составляющей держащей силы якорного снабжения при различных подходах к стратегии якорного снабжения судов введено понятие условной держащей массы якорного снабже-
