Схема проектного анализа контейнерных судов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СУДОСТРОЕНИЕ, СУДОРЕМОНТ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА

УДК 629.12.001

Д. И. Бородавин

СХЕМА ПРОЕКТНОГО АНАЛИЗА КОНТЕЙНЕРНЫХ СУДОВ

Введение

При обосновании рациональных проектных характеристик контейнеровозов мерой их эффективности можно считать срок окупаемости. Для его минимизации надо повышать провозоспособность и снижать затраты. Задача может решаться в качестве внешней (обоснование кон-тейнеровместимости, скорости и других позиций проектного задания) или как внутренняя (поиск оптимальных проектных элементов в рамках конкретного задания). Мы далее главное внимание обращаем на внутреннюю задачу, при этом количественные данные соответствуют контейнеровозам с умеренной вместимостью, которые принято называть фидерными.

Принципиальная схема проектного обоснования контейнеровозов

Вопрос проектирования и строительства контейнеровозов не теряет актуальности, несмотря на мировой экономический кризис [1, 2]. Размеры контейнеровозов увеличиваются, но это мало влияет на их уже установившийся архитектурно-компоновочный тип (рис. 1).

Рис. 1. Типичный современный контейнеровоз (комбинированный продольный разрез)

Связано это, в первую очередь, с повсеместной контейнеризацией, а именно стандартизацией упаковки практически любых видов грузов и любого класса опасности. Это связано с удобством самой тары, дешевизной эксплуатации и упрощением декларирования при перевозке грузов в контейнерах. Особенно это касается относительно дорогих штучных грузов, перевозка в открытом виде для которых опасна [2]. Одним из примеров развития данного подхода является приспособление контейнеров для перевозки горячего брикетированного железа (ГБЖ). Проект такой перевозки был разработан одной из фирм г. Санкт-Петербурга. Горячее брикетированное железо при перевозке навалом представляет собой опасный груз, что обусловливает выполнение специальных требований по температуре и влажности. При перевозке ГБЖ в контейнерах груз превращается в «генеральный». При подготовке груза в закрытых цехах специальные требования нужны непосредственно при погрузке ГБЖ в контейнеры, доступ в этом случае к грузу значительно облегчен и контроль обеспечен в гораздо большем объеме.

Статистические данные по порту Санкт-Петербург свидетельствуют о том, что контейнерный грузопоток растет, а суда, специализированные контейнеровозы, обеспечивающие перевозку морским путем, имеют вместимость не более 1 700 TEU, при валовом регистровом тоннаже ^Т) не более 22 000 рег. т. Большинство судов принадлежит иностранным компаниям с мировыми именами, однако встречаются и отечественные компании-перевозчики, например БЕ8СО (Дальневосточное морское пароходство).

Задача проектирования сводится к определению потребностей рынка перевозок и адаптации проектов под порты и заводы-строители.

Схему проектного обоснования можно представить в виде нескольких укрупненных позиций (рис. 2).

Рис. 2. Схема основных позиций проектного обоснования контейнерного судна

Позиция 1. Должна содержать, как и в большинстве случаев проектирования судов, четко сформулированное задание, важнейшими пунктами которого будут: 1) контейнеровместимость; 2) ограничения по размерениям; 3) скорость; 4) автономность; 5) дальность плавания;

6) численность экипажа; 7) район плавания и ледовый класс; 8) обслуживаемые порты; 9) требования к заводу-строителю; 10) тип перевозимых контейнеров; 11) экономические требования. Могут быть указаны другие требования, которые заказчик сочтет важными.

Позиция 2. В ней реализуется задача определения главных размерений и водоизмещения. Опираться необходимо на формулы проектирования и базы данных по аналогичным судам.

Вычисления производятся по обычной методике с вычислением длины Ь, ширины В, высоты корпуса Н, осадки Т, коэффициента общей полноты 5, мощности двигателей N длины машинного отделения (МО) I МО, например, по схеме В. В. Ашика [1].

Приближенное вычисление мощности энергетической установки осуществляется по методическим рекомендациям И. Г. Бубнова [1]. В первую очередь для этого необходимы графики или таблицы для серийных испытанных моделей.

Позиция 3. Определяем массы в составе судна порожнем в первом приближении, воспользовавшись данными В. В. Ашика [1, табл. 2, с. 27]. Массы определяются в процентном соотношении от водоизмещения в грузу.

Позиция 4. Пользуясь данными о судах, построенных ранее, составляем принципиальные варианты компоновки корпуса, где основными элементами, подвергающимися вариациям, являются расположение МО, количество надстроек и их расположение, размеры трюмов, высота комингса грузовых люков, наличие трюмов для перевозки рефрижераторных контейнеров, ярус-ность размещения контейнеров на палубе, наличие или отсутствие крышек грузовых трюмов.

После того как решение о количестве ярусов на палубе принято, в первом приближении определяем высоту положения ходового мостика и, соответственно, всей жилой рубки. Из этих параметров складываются варианты судов, откуда при оптимизации выбирается основной вариант.

Позиция 5. При помощи формул, предложенных А. И. Гайковичем [3], рассчитываем во втором приближении по статьям массу судна.

Масса корпуса проектируемого судна может быть изменена в результате изменения ледового класса судна, установки дополнительного оборудования и изменения конструктивных особенностей самого корпуса (например, появление бульбового носа или увеличение комингсов грузовых люков совместно с отказом от крышек).

Дополнительное оборудование - судовые грузовые краны и подкрепления под их опоры -увеличивают массу корпуса. Конструкции корпуса, которые необходимы для установки кранов, -

это фундаменты, опорные тумбы для стрел, рамные балки и бракеты внутри корпуса, дополнительные выгородки. Краны обычно устанавливаются в плоскости главных поперечных водонепроницаемых переборок, но возможны и промежуточные варианты.

Принятые коды статей нагрузки

Условная статья Масса Pi, т

Масса металлического корпуса в составе эквивалентного бруса (1,04 ± 0,01)10-3(51/3L5/2T/H)

Главные поперечные переборки (4,6 ± 0,6)n„SBH3/2

Надстройки и газоходы (0,12L-7,6)«3k

Оконечности, местные конструкции, подкрепления и фундаменты (2,1 ± 0,5)10-2LBH

Палубы бака и юта, цементировка (4,0 ± 1,2)10-2LB

Дельные вещи, неметаллические части корпуса, окраска, прожекторы, изоляция и зашивка (5,4 ± 0,7)10-1(LBH)2/3

Воздух в корпусе 1,1 • 10-3D

Оборудование помещений, шлюпочное и спасательное устройство, бытовые системы (6,9 ± 1,9)Пэк

Оборудование контейнерных трюмов 0,71йк0,92

Устройство рулевое (1,3 ± 0,4) • 10-4LTV2s

Устройство якорное и швартовное, оставшиеся жидкие грузы (1,9 ± 0,4)10-2D

Трюмные и пожарные системы, прочие системы (2,0 ± 0,3)10-3LBH

Установка энергетическая (1,9 ± 0,2)Рг.д

Электроэнергетическая система, связь и управление (5,2 ± 1,5)10 • LBH

Вооружение штурманское N/(1,1L-53,5) • 25 %

Примечания: пп - число главных поперечных переборок; пэк - численность экипажа; пк - контейнеро-вместимость; Ргд - масса главных двигателей; N - мощность главных двигателей, кВт.

Изменение ледового класса подразумевает усиление корпуса за счет увеличения толщины наружной обшивки, установки дополнительного промежуточного набора, увеличения толщины платформ и диафрагм, сплошных и водонепроницаемых флоров. Возможно также учесть изменение массы корпуса за счет изменения применяемых марок сталей.

В общем виде изменение массы металлического корпуса при установке грузового оборудования и при изменении ледового класса будет записываться в виде выражения Рл = Рк • кл, где рк - масса металлического корпуса до учета изменений корпуса; Рл - масса корпуса с измененным ледовым классом; кл - коэффициент, зависящий от ледового класса.

Рл = Рк • кл; Ру = Рк • ку; ку = n • кг.к; ктж = 1,01... 1,03,

где рк - масса металлического корпуса до учета изменений корпуса; Ру - масса корпуса с учетом установленных дополнительных стальных конструкций для подкрепления корпуса при установке грузовых устройств; ку - суммарный коэффициент, учитывающий усиления стального корпуса от установки грузового оборудования; кг.к - коэффициент, учитывающий установку подкреплений корпуса, приходящихся на одну единицу оборудования (грузового крана); n - число грузовых кранов.

Позиция 6. Формирование формы корпуса производится одним из методов проектирования, например с использованием данных испытаний серии моделей в шведском бассейне. База данных теоретических чертежей реально существующих судов позволит облегчить задачу. Первоначально, на основе прототипа, на основе аффинных преобразований могут быть получены плазовые ординаты, затем, в одной из программ моделирования (типа SeaSolution), будет получена и визуализирована новая реализация математической модели. В сопутствующем приложении модель тут же рассчитывается и проверяется на соответствие параметрам, полученным в предыдущих расчетах. Строятся кривые элементы теоретических чертежей с помощью дополнительного приложения, например Dialog Static, визуализация удобна как в табличном, так и в графическом виде.

Общие черты корпуса контейнеровоза будут такими: наклонный или бульбовый форштевень; развитая выкружка гребного вала; заостренные носовая и кормовая оконечности (подводная часть); соответственно крутой развал бортов в носу и корме; плоская палуба без седловато-сти; выраженная баковая надстройка; фальшборт, который может простираться до середины второго трюма; транцевая корма; палуба юта, имеющая незначительное сужение к транцу или вовсе без сужения. Использование бульбового носа должно быть обосновано гидродинамическими расчетами [3].

Позиция 7. Одна из основных особенностей контейнеровозов, в отличие от других транспортных судов, - это большая доля палубного груза - до 40 %, а также избыточный надводный борт. Все это отрицательно влияет на одно из основных мореходных качеств - остойчивость. Для обеспечения минимально допустимой остойчивости контейнеровозы могут нести не только твердый балласт, но и принимать, при необходимости, дополнительный жидкий балласт в цистерны двойного дна. Доля балласта от дедвейта может достигать 25 % [4]. Одна из возможных причин аварий контейнеровозов - потеря остойчивости.

При определении параметров начальной остойчивости, а именно минимально допустимой метацентрической высоты, отправными величинами являются: положение центра тяжести (ЦТ) судна при разных состояниях нагрузок, положение центра величины (ЦВ) и положение метацентра, зависящего от момента инерции действующих ватерлиний.

Положение ЦТ груза может частично отличаться от величины, найденной из условия гомогенности груза. Возникающая колеблемость связана с тем, что неизвестно, контейнеры какой массы будут располагаться в определенных местах. В действительности, может случайно оказаться, что более тяжелые контейнеры будут располагаться на верхней палубе, а более легкие -в трюмах. Такие вариации необходимо учесть и предусмотреть резерв емкости балластных цистерн.

Контейнеровместимость в разных рейсах может меняться в зависимости от средней массы одного контейнера. Если же все контейнеры условно оказались «легкими», то их количество тоже будет отличаться от «расчетной» контейнеровместимости. Число контейнеров, которое может быть размещено на судне, ограничено как раз остойчивостью и, отчасти, видимостью с ходового мостика.

Средняя масса контейнера снижается и составляет: тТЕи = 11,0 т.

Максимальный вес брутто: тТЕи = 20,3 т; т¥Еи = 30,5 т.

Центр тяжести контейнера по длине и ширине чаще всего находится в геометрическом центре, а по высоте - чуть ниже, примерно 40 % от высоты.

На практике стремятся, чтобы метацентрическая высота была не менее 0,5... 0,6 м. Слишком большая метацентрическая высота тоже опасна, т. к. резкая качка может привести к отрыву контейнеров с мест крепления и их падению за борт. Поскольку остойчивость при полной загрузке контейнерного судна всегда на пределе, то их качка в принципе благоприятная, и ее оценка делается для общего контроля любым из проверенных методов [3].

Позиция 8. Расчет мощности осуществляется по методике В. М. Пашина и А. И. Гайковича с учетом особенностей, изложенных в [3]. Основное направление данного этапа - определение пропульсивных качеств корпуса и расчет мощности главного двигателя. Выбор же главного двигателя позволяет определить эксплуатационные расходы на топливо и обслуживание, кроме того, уточняется и скорость движения судна.

При обработке данных по судам, постоянно заходящим в порт Санкт-Петербург, выяснилось, что диапазон чисел Фруда Бг = 0,25 ± 0,027.

В настоящее время скорость контейнеровозов редко превышает 24 узла, для повышения пропульсивных качеств применяют модели с одним винтом, а в качестве главного двигателя -среднеоборотные или малооборотные дизели.

Расчет судовой электростанции будет предусматривать два направления, определяемые двумя обобщенными блоками потребителей: а) общесудовые потребители (не отличающиеся от обычных сухогрузных судов); б) рефрижераторные контейнеры (рефконтейнеры).

Обеспечение контейнерного судна, несущего рефконтейнеры, электроэнергией может осуществляться за счет раздельного питания, т. е. будут установлены отдельные дизель-генераторы/генератор для контейнеров или же от одной дизель-генераторной установки. Если питание будет от одной установки, то она должна быть значительной мощности, часть которой может в течение значительного количества рейсов не использоваться, при раздельном же обеспечении возникают дополнительные расходы на обслуживание, и общая стоимость такой судовой электростанции увеличивается.

По данным производителей рефконтейнеров (фирмы Carrier Transicold Ltd и Thermoking Corporation), потребляемая мощность 20’ (TEU) и 40’(FEU) контейнерами составляет 4,6 и 5,8 кВт/ч соответственно. По этим данным на ранних этапах проектирования представляется возможным рассчитать мощность дизель-генераторной установки для обеспечения рефконтейнеров:

Мдг = к (пТЕиреф х РТЕи + пРЕиреф х Ррш), где Ыдг - мощность дизель-генераторной установки; к > 1 - коэффициент, предусматривающий

TEU

потери при передаче энергии, запас на перегрузки и дополнительные контейнеры; n реф - число 20’ рефконтейнеров, Р - мощность, потребляемая одним 20’ рефконтейнером, п реф -число 40’ рефконтейнеров, РРЕи - мощность, потребляемая одним 40’ рефконтейнером.

После того как мощность рассчитана, подбирается подходящая установка по каталогам производителей подобных установок, корректируются запасы необходимого топлива и в дальнейший расчет включается масса самой установки.

Позиция 9. Расчет общей продольной прочности производим по методу строительной механики корабля, а именно - расчет эквивалентного бруса. Выполнение условий прочности проверяем по формуле условия общей продольной прочности:

Wcm > [W]; [W] = Мт/о • 103,

где Жсеч - момент сопротивления рассматриваемого сечения, см3; [W] - минимально допустимый момент сопротивления для выбранного сечения, см3; Мт - расчетный изгибающий момент, кН • м; о, МПа - предел текучести материала.

Максимальные напряжения могут возникать не на миделе, а несколько со смещением в нос. На общую продольную прочность влияет также кручение корпуса на курсах 60-70° к волне, т. к. корпус практически лишен палубы. Двойные борта и усиленный набор палубы, взятый по данным прототипа, обеспечивают требования к общей продольной прочности и сопротивлению при кручении.

Позиция 10. Расчет ветробойности подразумевает определение нескольких параметров: парусности, остойчивости на больших углах крена, управляемости.

Избыточный надводный борт, высокая жилая надстройка и палубный груз создают боковую парусность, которая значительно влияет на мореходные качества контейнеровозных судов.

Для контейнеровозов, лишенных крышек грузовых трюмов, но снабженных высоким комингсом, формула расчета площади парусности такова:

*^пар L(H - 1)к6. + кгеом + 1к1тр^к1коткл1 + 1к2тр^к2коткл2 + пкяц/тЕи.

Для контейнеровозов с крышками грузовых трюмов

*^пар L(H T)k,s + luhu кгеом ^ 1ктр^к коткл ^ пкяц/ТЕи

Здесь кгеом - коэффициент, учитывающий геометрические особенности надстройки с оборудованием; /к1тр - длина первого яруса комингса грузовых трюмов; Нк1 - высота первого яруса комингса грузовых люков; коткл1 - коэффициент, учитывающий отклонение от прямоугольной формы комингса первого яруса; /к2тр - длина второго яруса комингса грузовых трюмов; Ик2 -высота второго яруса комингса грузовых люков; коткл2 - коэффициент, учитывающий отклонение от прямоугольной формы комингса второго яруса; fTEU = 14,4 м2 - площадь боковой поверхности 20-футового контейнера; ^ - коэффициент, учитывающий форму корпуса; 1н - длина надстройки; Нн - высота надстройки; пкяп - число контейнеров на палубе; /ктр - длина комингса грузовых трюмов; Ик - высота комингса грузовых люков; коткл - коэффициент, учитывающий отклонение от прямоугольной формы уолингса.

Остойчивость на больших углах крена. В реальной практике наибольший интерес с точки зрения безопасности представляет собой остойчивость судна при углах крена, на которых изменяется момент инерции равнообъемных ватерлиний. При больших углах крена траектория ЦВ не лежит в поперечной плоскости, появляется смещение ЦВ в продольном направлении. Возникает кренящий момент, называемый деривационным. Центр величины перемещается в плоскости наклонения по некоторой кривой.

На остойчивость контейнеровоза влияет степень загруженности, т. е. высота надводного борта, количество палубного груза, высота надстроек и грузовых устройств. Основные внешние силы, вызывающие большие углы крена (угол более 10-12°) - это ветер и волны.

При больших углах крена, свыше 30°, возникает опасность потери контейнеров, крепления которых не рассчитаны на большие углы наклонения. При потере части контейнеров судно восстанавливается, но возникает риск получить постоянный крен на противоположный борт вследствие неравномерного распределения груза на верхней палубе.

Период бортовой качки для контейнеровозов не должен быть меньше 14-13 с, а амплитуда -не более 30° [3], имеются также данные по современным судам: период качки контейнеровозов водоизмещением 20-30 тыс. т составляет 16-19 с для бортовой и 7-9 с - для килевой качки.

Влияние на управляемость. Архитектурные особенности контейнеровозов влияют и на управляемость, для повышения которой в большинстве случаев устанавливают носовые подруливающие устройства (ПУ) туннельного типа. В общем случае мощность ПУ зависит от водоизмещения, парусности, длины, площади проекции погруженной части корпуса на диаметральную плоскость.

Основное назначение ПУ - маневрирование в узостях и швартовные, якорные операции. Работа носового ПУ эффективна только на малых скоростях - 1-2 узла, поэтому в море для корректировки курса его не используют. Подруливающее устройство очень дорого, поэтому более одного его не устанавливают и используют лишь тогда, когда это необходимо. Швартовка в портах и проход узкостей тем не менее все равно сопровождаются буксирами, потому как снятие с мелей и порча груза обходятся гораздо дороже, чем буксировочные работы.

Мощность носового ПУ можно выбирать по упрощенной схеме: в зависимости от боковой площади парусности - 3-6 кг на м2 или от площади боковой проекции погруженной части корпуса - 4-7 кг на м2, в зависимости от того, что больше.

Позиция 11. Экономический расчет доходности проекта и срока окупаемости.

Прибыль равна разнице дохода и эксплуатационных расходов. Эксплуатационные расходы складываются из суммы стоимости топлива, расходов на экипаж, расходов на содержание судна, портовых сборов, технического обслуживания судна за год. Доход равен произведению тарифа перевозки одной тонны груза на количество груза и количество рейсов в году. Сроком окупаемости называют отношение цены (стоимости постройки судна) к прибыли за один год.

Соответственно, эффективность проекта можно оценить по сроку окупаемости и абсолютной величине прибыли за год [4].

Заключение

При проектном анализе контейнерных судов основным вопросом является формулирование рекомендаций по оптимальным проектным характеристикам. В изложенной схеме последовательность позиций проектного анализа принята по опыту оптимизационных обоснований, выполнявшихся применительно к задачам использования контейнеровозов средней вместимости. При переходе к более крупным контейнеровозам могут возникнуть дополнительные вопросы, связанные с обеспечением мореходности в условиях океанического плавания, с ограничениями при проходе Суэцким и Панамским каналами, с разработкой конструктивных решений по креплению палубных контейнеров.

Для малых контейнеровозов важен анализ необходимости в собственном грузовом устройстве, ограничение по применению дизелей, удовлетворяющих габаритным условиям размещения в корпусе.

Актуально также сопоставление контейнеровозов с конкурентоспособными типами судов -накатными судами и паромами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ашик В. В. Проектирование судов. - Л.: Судостроение, 1985. - 320 с.

2. Бородавин Д. И. Проектные особенности судов с ускоренной грузообработкой // Материалы науч.-

техн. конф. «Моринтех-Юниор-2009». - СПб.: НИЦ «Моринтех», 2009. - С. 171-173.

3. Гайкович А. И. Проектирование контейнерных судов. - Л.: Изд-во ЛКИ, 1985. - 91 с.

4. Логачев С. И., Чугунов В. В., Горин Е. А. Мировое судостроение: современное состояние и перспек-

тивы развития. - СПб.: Мор Вест, 2009. - 554 с.

Статья поступила в редакцию 28.05.2010, в окончательном варианте - 2.10.2010

SCHEME OF DESIGN ANALYSIS OF CONTAINER SHIPS

D. I. Borodavin

The solution of the internal problem of designing specialized container ships capable of operating in the Russian ports is offered. On the basis of the data on the specialized vessels calling at the port of St. Petersburg, typical dimensions of vessels are identified. A phased designing scheme that consists of 11 items: the designing task; the principal dimensions; mass; layout; clarification of the body mass; body shape; statics; capacity; strength; wind resistance; economy is given. A new method for calculating the ship's power plant to operate the specified number of refrigerated containers is presented.

Key words: container capacity, refrigerated containers, the principal dimensions, wind resistance, the ship's power plant, payback, arrangement.