Валерий Николаевич Филимонов
Остойчивость грузовых судов
«И пускай суденышко на волнах качается,
Как угодно кренится, но всегда спрямляется.»
(Штурман дальнего плавания Сергей Михайлович Колешко,
«Поэма об остойчивости»)
Предисловие
Увеличение размеров грузовых судов и оборудование их самым современным оборудованием и электронными приборами не сделало их непотопляемыми от потери остойчивости.
Эффективная эксплуатация грузовых судов возможна только, если капитан и все его помощники имеют надлежащие знания по теории остойчивости и практические навыки по их применению на судах в различных условиях и обстоятельствах.
В 2019 году произошли катастрофы с грузовыми судами которые красноречиво показали, что суперсовременные суда не застрахованы от опрокидывания от потери остойчивости только потому что они напичканы ультрасовременной электроникой. Безопасная метацентрическая высота и плечо восстанавливающего момента также критически важны для современного ультрабольшого океанского контейнеровоза, как и для небольшого грузового суденышка прибрежного плавания, а в некоторых обстоятельствах такое огромное океанское судно даже более уязвимо, чем небольшой костер, например в условиях параметрической качки.
Разумеется, что на всех современных судах установлены компьютеры с самым современным программным обеспечением, позволяющим учитывать в расчетах поперечной остойчивости грузовых судов даже изменения, которые еще пару десятков лет назад были просто невозможны, однако их практическое эффективное использование невозможно, если капитан и его помощники недостаточно ясно понимают вопросы теории остойчивости.
Развитие торгового судоходства показало, что знаний никогда не бывает много, тем более, что знания судоводителей со временем нуждаются в обновлении.
Настоящая книга серии «Морская практика» предназначена для практического использования судоводителями в процессе эксплуатации грузовых судов. Она также может быть полезна для всех кто изучает теорию остойчивости судна и вопросы ее практического применения на грузовых судах.
Плавучесть
Плавучесть – это способность судна находиться в равновесии с заданной посадкой в процессе эксплуатации.
Применительно к грузовому судну это означает, что судно, загруженное по действующую сезонную грузовую марку, с заданными осадками носом и кормой, имеет остойчивость в соответствии с установленными минимально допустимыми критериями, способно выдержать, не опрокидываясь совместное воздействие ветра и волнения, с соблюдением установленных для данного судна ограничений по району плавания и погодным условиям.
Посадка судна
Посадка – это положение судна относительно спокойной поверхности воды.
Посадка определяется параметрами положения плоскости действующей ватерлинии относительно судна. К таким параметрам относятся:
1. Средняя осадка судна Тср – аппликата точки пересечения плоскости действующей ватерлинии с осью Z.
2. Угол дифферента ψ – угол между следом действующей ватерлинии на диаметральной плоскости судна и осью X. В торговом судоходстве в большинстве случаев дифферент измеряют в метрах или сантиметрах.
3. Угол крена θ – угол между следом действующей ватерлинии на плоскость мидель-шпангоута и осью Y.
Рисунок 1. Контейнеровоз на «ровном киле». Осадки носом и кормой одинаковые.
Рисунок 2. Контейнеровоз с дифферентом на корму. Осадка кормой больше, чем осадка носом.
Рисунок 3. На рисунке слева судно без крена: Тпр = Тл; справа – с креном на правый борт: Тпр> Тл.
В процессе эксплуатации посадку грузового судна определяют:
1. Осадки.
Средняя осадка на мидель-шпангоуте или как говорят моряки «на миделе», осадки носом и кормой.
2. Дифферент.
Дифферент – это разность осадок носом и кормой.
Если осадка кормой больше, чем осадка носом, то судно имеет дифферент на корму. Обозначается знаком «-».
Если осадка носом больше, чем осадка кормой, то судно имеет дифферент на нос. Обозначается знаком «+».
Если осадки носом и кормой равны, то судно не имеет дифферента и говорят, что судно находится на «ровном киле».
3. Угол крена.
Угол крена определяют по кренометру в градусах или как разность осадок правого и левого борта, снятых на миделе.
Если осадка правого борта больше, чем осадка левого борта, то судно имеет крен на правый борт, а если осадка левого борта больше, чем осадка правого борта, то судно имеет крен на левый борт.
Если угол крена определяют по кренометру, то при крене на правый борт говорят «судно имеет столько-то градусов крена на правый борт», а при крене на левый борт «судно имеет столько-то градусов крена на левый борт».
На грузовых судах наибольшее распространение получили два вида кренометров. Первый – это кренометр маятникового типа, второй – пузырькового типа.
В кренометре маятникового типа угол крена определяют по отклонению стрелки маятника от «ноля» в сторону правого или левого борта. Шкала имеет градусные деления до 55 градусов на каждый борт.
Данные кренометры позволяют определять угол крена с большой точностью, до десятых долей градуса. Точность снятия также зависит от навыков грузового помощника.
Судовой кренометр маятникового типа. Фото автора из личного фотоархива.
Морские высокоточные кренометры пузырькового типа состоят из двух прозрачных трубок, заполненных прозрачной жидкостью на основе глицерина. В качестве указателя угла крена в каждую трубку помещен пузырек темного цвета.
Одна трубка имеет шкалу от «ноля» до 35 градусов на каждый борт, с делениями через 5 градусов и позволяет определять угол крена с точностью до одного градуса.
Вторая трубка для точного определения угла крена до пяти градусов на каждый борт имеет градусную шкалу и позволяет определять крен с точностью до одной десятой градуса.
Высокоточный морской кренометр «пузырькового» типа (High precision double bubble inclinometer). Фото автора из личного фотоархива.
Причины, вызывающие изменение посадки судна и ее параметров:
1. Изменение плотности забортной воды.
2. Погрузка на судно, выгрузка с судна или перемещение по судну любых грузов.
3. Прием, откачка или перекачка балласта.
4. Прием, расход, перекачка или передача на другое судно топлива, масел, пресной воды, провизии и любых других судовых запасов.
5. Открытие, закрытие и передвижение люковых закрытий.
6. Перемещение твиндечных понтонов и зерновых переборок.
7. Подъем, опускание и разворот стрел грузовых кранов.
8. Подъем и перемещение груза судовым краном или грузовыми стрелами.
9. Обледенение судна.
10. Обледенение или намокание палубного груза.
11. Смещение груза.
12. Разжижение груза.
13. Попадание воды в грузовые трюма, балластные танки, топливные танки и другие отсеки, и помещения судна.
14. Накопление судовых отходов: сточных вод, нефтесодержащих вод машинного отделения, шлама, эксплуатационных отходов, остатков груза.
15. Воздействие ветра, волн и течения, как каждого в отдельности, так и совместно.
16. Килевая и бортовая качка.
17. Влияние мелководья и проседание судна (squat effect).
18. Перекладка руля и движение судна на циркуляции.
19. Тяговые и толкательные моменты, создаваемые буксирами во время кантовочных и швартовных операций.
20. Посадка на мель или касание подводного препятствия.
21. Касание килем кильблоков при постановке судна в док.
22. Накопление воды в грузовых трюмах во время их замывки.
23. Накопление воды на палубах и отсеках судна во время тушения пожара на судне.
24. Затопление одного или нескольких отсеков судна при аварии.
25. Деформации корпуса судна: перегиб (hogging), прогиб (sagging), скручивание (torsion).
26. Неравномерное распределение груза по трюмам или в одном из них.
27. Отдача одного или двух якорей с большим числом смычек якорной цепи.
28. Сжатие во льдах и торошение льда со стороны одного борта.
29. Перетянутые швартовые при стоянке судна у причала.
30. Заполнение водой и опорожнение судового бассейна, разумеется, при его наличии на судне.
Точный и правильный учет всех факторов позволяет придать судну наиболее подходящую посадку, принимая во внимание преобладающие условия и обстоятельства плавания или стоянки, и позволяет обеспечить его эффективную и безопасную эксплуатацию и комфортную обитаемость экипажа.
Посадка судна оказывает влияние:
1. На поперечную остойчивость судна. Дифферент судна вызывает изменение положения элементов гидростатики, поэтому в расчетах остойчивости их необходимо учитывать. В информации об остойчивости современных судов приводятся таблицы гидростатики для различных значений дифферента. Для промежуточных значений дифферента значения находятся путем интерполяции. Кроме того, необходимо принимать во внимание, что на больших углах крена, площадь действующей ватерлинии судна перестает быть симметричной относительно диаметральной плоскости судна и это приводит к тому, что в этот момент у судна появляется дифферент вызванный изменением положения центра плавучести судна. Как правило, пантокарены составлены без учета такого изменения положения центра плавучести. Для некоторых судов с остойчивостью, незначительно превышающей минимально допустимые критерии, при плавании в штормовых условиях, это может оказаться критически важным, поэтому необходимо будет предпринять меры, чтобы избежать возможной потери остойчивости судна при сильных накренениях. На судах, где в современных программах для расчета остойчивости это изменение учитывается, Диаграмма статической остойчивости построена уже с учетом нового положения центра плавучести.
Наличие постоянного крена всегда приводит к уменьшению запаса поперечной остойчивости судна, особенно он опасен для судов с зерновым грузом насыпью и с неполностью заполненным грузовым трюмом или трюмами.
2. На соблюдение требований Международной конвенции о грузовой марке, определяющей высоту надводного борта грузового судна.
3. На эффективность наблюдения (Правило 5 МППСС-72). В зависимости от архитектуры и расположения надстроек, мачт и кранов судна, большой дифферент на корму может вызвать появление теневых секторов, в которых обнаружение других судов, средств навигационного оборудования или опасностей будет затруднено или совсем невозможно ни визуально, ни при помощи радиолокатора.
4. На видимость с ходового мостика (Резолюция ИМО А.708 (17) «Navigation bridge visibility and functions» и требования Конвенции СОЛАС, Глава V «Безопасность мореплавания», Правило 22 «Видимость с ходового мостика». Наличие палубного груза большой высоты и дифферента на корму может значительно ухудшить видимость с ходового мостика и привести к тому, что она не будет соответствовать требованиям Резолюции ИМО, Конвенции СОЛАС и Правилам плавания Панамским каналом.
5. На мореходные качества судна, особенно на всхожесть на волну и заливаемость судна. Наличие дифферента на нос снижает всхожесть на волну и приводит к заливанию бака и крышек передних грузовых трюмов, что может привести к подмочке и повреждению груза в трюмах. В некоторых случаях может произойти повреждение палубного груза или его смещение или даже гибель.
При плавании с дифферентом на нос на попутном волнении в штормовых условиях для поворота на обратный курс будет требоваться больше времени и поэтому судно может не успеть его закончить до подхода высоких волн и окажется к ним лагом или почти лагом.
Обычно, когда это возможно по условиям загрузки и проходной осадки в портах захода, судну придают небольшой дифферент на корму, 20-30 сантиметров. На небольших и среднетоннажных судах в осенне-зимний период в Северной Атлантике предусмотрительные капитаны придают судну дифферент на корму минимум 50 см.
6. На маневренные характеристики, особенно управляемость. Судно без груза имеет значительно большую парусность и значительно меньшую осадку, чем судно в грузу.
При малой осадке винт притоплен недостаточно глубоко и поэтому не создает расчетный упор. Если перо руля не полностью погружено в воду, то его площади будет недостаточно для эффективной управляемости. Таким образом, струя отбрасываемая недостаточно погруженным винтом на частично погруженный руль не создает достаточной подъемной силы руля, при которой обеспечивается эффективная управляемость судна.
Для того, чтобы судно хорошо слушалось руля необходимо принимать как можно больше балласта, в идеале практически все балластные танки должны быть полностью заполнены. В любом случае необходимо стремиться притопить винт и руль на максимально возможную глубину, разумеется, с учетом имеющегося запаса глубин и видимости с ходового мостика.
Недостаточно притопленный винт еще более неэффективен при работе на задний ход, поэтому тормозной путь будет значительно длиннее и времени для полной остановки судна будет требоваться больше, кроме того, судно потеряет управляемость и до момента полной остановки будет двигаться бесконтрольно, что в стесненных условиях, почти неизбежно, приведет к аварии.
На судах оборудованных НПУ-носовым подруливающим устройством и КПУ-кормовым подруливающим устройством необходимо принимать во внимание минимально допустимую осадку, при которой эти подруливающие устройства имеют максимальную эффективность. При недостаточной осадке сила упора, создаваемая подруливающим устройством, может оказаться недостаточной не только для разворота судна, но и для компенсации дрейфа, возникающего от парусности судна.
Большое число аварий с грузовыми судами происходит во время швартовых операций и маневрировании на стесненных акваториях портов, рейдов, каналов, шлюзов, именно потому, что судну придают посадку без учета преобладающих условий и обстоятельств предстоящего маневрирования.
7. На эксплуатационные показатели. Посадка судна оказывает огромное влияние на эффективность эксплуатации грузовых судов. Правильная посадка позволяет погрузить на судно максимально возможное количество груза на разрешенную сезонную осадку с учетом имеющихся глубин, действия приливо-отливных явлений, преобладающих погодных условий, предстоящих портов захода, преобладающих навигационных условий предстоящего плавания.
Другим важнейшим эксплуатационным фактором, на который оказывает влияние посадка судна является его эксплуатационная скорость.
Наличие постоянного крена будет вызывать отклонение судна от заданного курса и для его удержания на нем потребуется большая перекладка руля, а это будет приводить к потере скорости и, следовательно, к перерасходу топлива.
Также на скорость будет влиять дифферент судна. Исследования последних лет показали, что дифферент на нос позволяет крупнотоннажным контейнеровозам существенно уменьшить расход топлива, поэтому после выхода из порта в море им придают дифферент на нос.
Как было рассмотрено выше посадка оказывает значительное влияние на маневренные характеристики судна, следовательно судно, у которого они ухудшены вследствие неправильной посадки, будет затрачивать значительно больше времени на выполнение любых швартовных операций, постановки и съемки с якоря, и любых других операций, связанных с маневрированием. А как хорошо известно, время – это деньги. Поэтому любое дополнительно потраченное время приводит к финансовым потерям.
8. На конструктивную целостность корпуса судна. Как уже упоминалось выше, судно без груза имеет очень маленькую осадку, особенно осадку носом. При встречном волнении такое судно будет испытывать слеминг в носовой части. Слеминг – это сильные удары волн в днище судна. Сила удара может быть такая, что у судна будут деформированы элементы набора корпуса и обшивка. Судно может испытывать слеминг не только в носовой части, но и в кормовой. Для того чтобы уменьшить или совсем исключить слеминг, необходимо полностью заполнить балластные танки. Однако даже с полностью заполненными балластными танками судно может испытывать слеминг, тогда необходимо маневрировать курсами и сбавить скорость.
9. На защиту гребного винта и пера руля от повреждения при плавании во льдах. При плавании во льдах, особенно тяжелых, существует реальная угроза повреждения гребного винта и пера руля. Для того чтобы минимизировать, на сколько это возможно, риск их повреждения, на грузовом судне в балласте необходимо принимать как можно больше балласта, чтобы максимально углубить винт и руль. Если судно не полностью загружено и имеется запас надводного борта до сезонной осадки, то в некоторых случаях принимают балласт в кормовые танки, чтобы еще больше углубить винт и перо руля. Кроме того, чем больше осадка кормой, тем меньше будут забиваться льдом кингстоны, через которые поступает забортная вода на охлаждение главного и вспомогательных двигателей, разумеется, если только для плавания во льдах на судне не предусмотрено охлаждение из одного или нескольких балластных танков.
10. На работу с люковыми закрытиями, твиндечными понтонами, передвижными зерновыми переборками, судовыми грузовыми кранами и стрелами. Посадка судна оказывает большое влияние на открытие и закрытие крышек грузовых трюмов. Практически все системы люковых закрытий имеют эксплуатационные ограничения по крену и дифференту судна, которые необходимо знать и соблюдать, чтобы обеспечить их безопасную эксплуатацию. Избыточный крен может привести к тому, что один из роликов крышек трюмов соскочит с рельса. Это может привести к повреждению других роликов, крышек трюмов или устройств и конструкций судна, а также к повреждению груза, например, если закрытие трюмов происходило по причине начинающегося дождя или снега. Кроме того, ремонт потребует времени и дополнительных расходов и оба эти фактора скажутся на эффективности коммерческой работы судна.
Избыточный дифферент приводит к тому, что для передвижения крышек трюмов система будет работать при повышенной нагрузке. Очевидно, что техника, работающая с превышением нормальной рабочей нагрузки, потребует более раннего технического обслуживания и ремонта. Кроме того, в ней в любой момент может произойти поломка и для ее устранения потребуется время и средства.
На судах имеющих твиндечные понтоны и/или передвижные зерновые переборки их перемещение и установка также должны производиться при определенном дифференте и крене судна. Избыточные крен и/или дифферент могут значительно затруднить, а в некоторых случаях сделать совсем невозможными перемещение твиндечных понтонов и зерновых переборок.
Для безопасной и эффективной работы с судовыми грузовыми кранами также необходимо соблюдать, установленные их производителем и указанные в руководстве по эксплуатации, ограничения по крену и дифференту. Это особенно важно при работе с тяжеловесными и крупногабаритными грузами.
11. На грузовые операции. Для эффективной обработке некоторых видов грузов посадка судна может иметь важное значение, например для контейнеров. Если на обработку контейнеров дифферент почти не оказывает влияния, то крен судна может сделать ее невозможной. Наличие у контейнеровоза крена около 1,5° значительно снижает скорость обработки контейнеров, а дальнейшее его увеличение делает ее практически невозможной. Для того чтобы обработка контейнеров могла осуществляться с максимально возможной скоростью контейнеровозы оборудуют антикреновыми системами, которые работают в автоматическом режиме и не позволяют судну крениться на угол, превышающий заданный.
Посадка судна также важна для специализированных судов докового типа, а также судов типа ро-ро и судов с судовыми кранами большой грузоподъемности.
12. На откачку балласта. Откачка балласта даже на некоторых новых судах может быть не простым делом, а на судах старше 10 лет она практически всегда связана со значительными трудностями. Большое влияние на откачку балласта оказывает дифферент судна. Как правило, балласт быстрее и качественнее откачивается, когда судно имеет дифферент на корму примерно 2-х метра. При большом дифференте на корму вода лучше стекает в кормовую часть танков, где обычно установлены трубы для ее откачки. Чем больше дифферент, тем с большей скоростью вода стекает в кормовую часть танка, унося с собой ил, глину, песок и другие донные отложения, которые попадают в танки при приеме балласта.
Крен также может затруднить откачку балласта, поэтому необходимо следить, чтобы судно во время откачки находилось без крена. Если появляется крен, то необходимо сразу принять меры, чтобы выяснить причины его появления и отрегулировать откачку балласта, чтобы осушения танков происходило по возможности равномерно.
Полная откачка балласта позволяет погрузить на судно больше груза и, следовательно, повысить эффективность коммерческой эксплуатации.
13. На осушение трюмов. На многих грузовых судах замывка трюмов производится довольно часто и в большинстве случаев время на замывку и сушку трюмов весьма ограниченно. Для быстрой и качественной замывки трюмов необходимо, чтобы вода не скапливалась на палубе трюма и откачивалась за борт как можно быстрее. Как правило, придание судну небольшого крена позволяет выполнять откачку воды наиболее эффективно. После окончания замывки и осушения льяльных колодцев в грузовых трюмах крен выравнивают. Правильно организованная замывка трюмов позволяет значительно сократить время на ее проведение, иметь больше времени на сушку и подготовку трюмов к погрузке, а также избежать непроизводительных простоев, которые могут возникнуть из-за неготовности трюмов к погрузке.
14. Обитаемость экипажа. Каждое судно проектируется так, чтобы обеспечить максимум удобств для обитания экипажа. Однако только этого недостаточно, чтобы в процессе эксплуатации обеспечить удовлетворительное обитание экипажа. Многое зависит от того, как судно ведет себя на волнении. Придание судну соответствующей посадки позволяет существенно снизить неблагоприятное воздействие качки на обитаемость экипажа. Например, судно с постоянным креном будет испытывать более резкую качку с большей амплитудой в сторону накрененного борта. Если выправить крен, то судно будет испытывать качку почти одинаково на оба борта и ее влияние на экипаж уменьшится.
Так же придание судну правильного дифферента позволяет уменьшить килевую качку и ее негативное воздействие на обитаемость.
В процессе эксплуатации следует уделять большое внимание обитаемости экипажа, так как от нее зависит качество отдыха моряков, что в свою очередь снижает уровень травматизма и повышает эффективность эксплуатации судна.
Таким образом, влияние посадки судна на эксплуатацию судна весьма существенно и контроль за ее параметрами должен осуществляться должным образом и вестись вахтенной службой непрерывно.
Методики расчетов частных случаев посадки и дифферента подробно рассмотрены в книге серии «Морская практика» – «Расчет посадки и дифферента грузовых судов».
Многоцелевое судно в грузу, имеющее посадку на ровный киль. Фото автора из личного фотоархива.
Крупнотоннажный контейнеровоз, имеющий посадку на ровный киль. Фото автора из личного фотоархива.
Железнодорожный паром «Амбал» у причала в порту Балтийск. Фото автора из личного фотоархива.
Паром во время погрузки железнодорожных вагонов имеет посадку на ровный киль.
Фидерный контейнеровоз в Средиземном море. Фото автора из личного фотоархива.
Фидерные контейнеровозы с неполной загрузкой практически всегда имеют посадку с дифферентом на корму. Величина дифферента зависит от количества и распределения груза по беям, а также от количества и распределения балласта и топлива по танкам. Балластом компенсируют превышающие предельно допустимые значения изгибающие моменты (bending moments), перерезающие силы (shear forces) и скручивающие силы (torsion forces).
Судно смешанного река-море плавания типа «Сормовский». Фото автора из личного фотоархива.
Судно имеет посадку на ровный киль и загружено по проходную осадку. При такой посадке на него может быть погружено максимальное количество груза для данной средней осадки. Если у судна будет дифферент на нос или на корму, то в этом случае часть грузоподъемности будет потеряно и следовательно оно сможет погрузить меньше груза, чем при посадке на ровный киль. Это всегда необходимо иметь в виду, когда проходная осадка лимитирована и требуется погрузить максимально возможное количество груза без потери грузоподъемности. Таким образом повышается провозная способность судна и его эффективность эксплуатации.
Судно комбинированного типа под погрузкой строительного щебня у причала ГОК в порту Шала на реке Водла в Карелии. Фото автора из личного фотоархива.
При откачке балласта судну придают как можно больший дифферент на корму путем откачки балласта из форпика и носовых балластных танков. Большой дифферент на корму позволяет откачать балласт практически без остатков в танках. Разумеется, необходимо принимать во внимание как расположены в балластных танках приемные трубы. На некоторых судах слишком большой дифферент, наоборот, может привести к тому, что часть балласта нельзя будет откачать.
Балкер имеет посадку с небольшим дифферентом на корму. Фото автора из личного фотоархива.
На фото балкер имеет небольшой дифферент на корму, что в данных условиях погрузки в порту обеспечивает наиболее удобную погрузку, открытие и закрытие крышек трюмов, а также наиболее комфортную обитаемость экипажа.
