Проблема нормирования остойчивости морских судов

Необходимость обеспечения безопасности мореплавания судов привело человечество к созданию нормативных материалов, подчиняющих все сферы деятельности кораблестроителей и мореплавателей – от проектирования судна до его эксплуатации – определенным нормативам и регламентациям. Разные государства шли в направлении решения вопросов безопасности своими путями.  Однако, в конце ХХ века появилась необходимость координации деятельности разных государств в этой области и наметилась тенденция к созданию единых нормативов и расчетных методик для всего мирового флота.

В первую очередь, это касалось обеспечения безопасности путем строгого  контроля характеристик остойчивости, поскольку именно недостаточность остойчивости обуславливает аварийность флота, связанную с человеческими жертвами. Рациональное, обоснованное расчетами, проектирование судов не могло полностью решить эту проблему.

Проектант не в состоянии полностью оградить экипажи судов (и пассажиров) от возможности опрокидывания судна, поскольку большая доля ответственности ложится на судоводителей и определяется его грамотными и обоснованными действиями по загрузке судна, её контролю и управлению судном в штормовых условиях.

Начиная с 50-х годов ХХ века в классификационных обществах разных государств, в том числе в Регистре СССР, стали разрабатывать расчетные методики контроля загрузки и остойчивости морских судов. В результате к концу ХХ века существовало несколько разных подходов к оценке остойчивости, которые, каждый в отдельности, обеспечивал определенный уровень безопасности судов от опрокидывания, но которые невозможно было сопоставить друг с другом по причине различия подходов, реализованных в разных странах.

В нашей стране вопросами разработки нормативной базы остойчивости морских судов по заказу Регистра СССР занимался проф. С.Н.Благовещенский. Им были предложены идейные основы научного подхода, который развивался под руководством Регистра судостроительными организациями и учреждениями морского транспорта.

В качестве расчетной ситуации, положенной в основу отечественного подхода в нормировании характеристик остойчивости, была выбрана следующая:

Необходимо перед началом погрузки судна выполнить контрольный расчет остойчивости в предстоящем рейсе для двух состояний его загрузки – на момент начала рейса с полными запасами (100% запасов) и на окончания рейса с неизменным количеством груза, но с остатком запасов в размере 10% исходного их количества.

Большинство контролируемых характеристик остойчивости относится к диаграмме статической остойчивости для этих двух случаев загрузки судна в планируемом рейсе.

К ним относятся:

• начальная поперечная метацентрическая высота, исправленная на влияние свободных поверхностей запасов и жидких грузов. h₀^испр≥0;
• максимальное плечо ДСО l_m должно быть не менее 0,20 м (для судов длиной более 105 м) и не менее 0,25 м (для судов длиной менее 80 м). Для судов, длина которых 80<L<105м, предельное значение l_m определяется линейной интерполяцией между указанными величинами;
• угол максимума ДСО не должен быть менее 30⁰;
• угол заката ДСО не должен быть менее 60⁰;
• отношение минимального опрокидывающего момента М_опр^min к динамическому кренящему моменту от шквалистого ветра М_{кр. дин} должно быть больше единицы. Последнее требование получило название «Критерий погоды».

Для ряда специализированных судов (пассажирские суда, лесовозы, контейнеровозы, суда ограниченного района плавания, буксиры, плавкраны, дноуглубительные снаряды и т.д.) были разработаны и другие специфические критерии и соответствующие нормативы. Эти сведения изложены в Разделе 2 «Правил классификации и постройки морских судов»  Российского морского Регистра судоходства, переиздаваемых каждые пять лет.

Критерий погоды для морских судов определяется применительно к ситуации, когда судно, лишенное хода и управления, находится на волнении при действии шквалистого ветра в положении лагом к волне. Характеристики ветра, волнения и бортовой качки назначаются Регистром конкретно для каждого судна в зависимости от разрешенного ему района плавания.

Расчет носит условный характер, и не должен восприниматься буквально и связываться с реальными условиями нахождения судна в море. На момент производства расчета судно еще не загружено и рейс ему только предстоит. Находясь лагом к волнению  и ветру, судно испытывает бортовую качку с условной амплитудой θ_r (симметрично на правый и левый борт).

В момент наибольшего накренения судна на левый борт на угол θ_r внезапно воздействует шквал со стороны левого борта. Под влиянием качки судно переваливается на правый борт, а шквал способствует его дальнейшему наклонению. В этой ситуации необходимо определить минимальный опрокидывающий момент М_опр^min  с помощью ДДО, которая должна быть построена заранее по имеющимся уже диаграммам статической остойчивости (ДСО), также для обоих состояний загрузки судна (100% и 10% запасов).

Полученное значение минимального опрокидывающего момента  (это числитель в критерии погоды) сопоставляется со значением кренящего динамического момента от шквалистого ветра, характерного для рассматриваемого района плавания судна М _{кр. дин}:

М _{кр. дин} = 0,001 р_в F_п (z_п – d_ср)  [т · м] ,

где   р_в – давление ветра по Регистру [кг · м^-2],

F_п  и z_п – соответственно площадь боковой парусности и аппликата центра парусности судна, соответствующие данной средней осадке d_ср. (z_п  отсчитывается от основной плоскости судна), коэффициент 0,001 необходим для согласования размерностей участвующих величин).

Минимальный опрокидывающий момент М_опр^min определяется на ДДО по методике Регистра судоходства. Вычисляется условная амплитуда бортовой качки  θ_r по формулам и таблицам Раздела 2 Правил РС [3]. Эта величина угла крена откладывается на ДДО от начала координат влево и вправо. Соответствующие углу крена ± θ_r точки на ДДО показывают тот диапазон изменения механической работы, которую восстанавливающий момент должен совершать в ответ на раскачивание судна на волнах.

Оставшиеся вне этого диапазона участки ДДО – это тот резерв, имеющийся у судна, который остается для противодействия шквалистому ветру.

Из левой части ДДО  необходимо провести касательную к ДДО в ее правую часть.

Эта касательная есть график работы, совершаемой кренящим ветровым моментом, опрокидывающим судно.

Тангенс угла наклона этого графика (прямой касательной линии) к горизонту численно равен в масштабе чертежа минимальному опрокидывающему моменту, который следует использовать в качестве числителя в выражении критерия погоды:

Критерий погоды считается удовлетворен, если его значение по формуле (16) не менее единицы. Величину Критерия погоды можно трактовать – как некий показатель запаса динамической остойчивости, которым располагает судно в данном районе плавания, хотя  в Правилах Регистра об этом не сказано.

Целью данного расчета Критерия погоды К_п является подчинение остойчивости судна тем силовым воздействиям со стороны совместного воздействия ветра и качки, с тем, чтобы загрузка судна обеспечивала запас остойчивости для противодействия судна морской стихии.

Опрокидывающий момент в данной методике действительно оказывается минимальным (но всё же опрокидывающим судно), из трех возможных вариантов, когда ветер (шквал) действует в момент наклонения судна на левый борт (точка А), на правый борт (точка В) или в момент прохождения судном вертикального положения (точка θ = 0).

Необходимую величину тангенса угла β_опр на Рис.12 можно получить, если от вершины угла  β_опр отложить по горизонтали отрезок длиной 57,3⁰ (1рад) и измерить вертикальный катет образовавшегося треугольника (между горизонтальной линией АВ и касательной АС в масштабе вертикальной оси l_дин (м · рад)).

Полученный отрезок l_дин^опр пересчитывается в М_опр^min умножением на вес судна Р:

М_опр^min = Р · l_дин^опр

Критерий погоды не изменится, если представить числитель и знаменатель в относительных величинах, разделив оба на вес судна Р:

Величина в знаменателе (18) может быть названа «плечом динамического кренящего момента», хотя не следует искать ей какой-либо геометрической интерпретации.

Международная Морская Организация (ИМО), основанная в 1948 в Лондоне, осуществляет деятельность по координации усилий в части нормирования остойчивости в разных странах и по созданию единых международных норм по остойчивости морских судов. В настоящее время эта деятельность продолжается, и, хотя такие нормы еще находятся в стадии разработки, уже действуют Временные нормы в виде Кодекса ИМО по остойчивости судов 1993 г.

Нормативы Временного Кодекса ИМО изложены в Правилах Регистра судоходства [3], начиная с издания 1995 г. в Приложении к Разделу 2 «Альтернативные требования к остойчивости морских судов». Альтернативный характер требований ИМО допускает их использование на усмотрение судоходной компании наряду с Нормами Российского Регистра судоходства.

Однако, подход, реализуемый ИМО в данном вопросе, существенно отличается от отечественного подхода практически по всем пунктам требований к остойчивости. Это принципиально иной подход, как по нормативам, так и по их выбору и методике определения Критерия погоды.

Рассмотрим основные требования Альтернативного подхода в Правилах РС:

 

• метацентрическая высота, исправленная на влияние свободных поверхностей, h_испр ≥ 0,15 м (кроме лесовозов и рыболовных судов);
• максимальное плечо ДСО, l_m ≥ 0,20 м;
• угол максимума ДСО θ_m ≥ 30⁰;
• угол заката ДСО θ_з ≥ 60⁰;

 

Однако, допускается снижение угла заката θ_з менее 60⁰, если удастся компенсировать это увеличением l       – на каждый потерянный 1⁰ угла заката θ_з добавляется 0,01 м величины минимального значения l_m сверх 0,20 м (до θ_з > 50⁰).

 

Также контролируются площади трех участков ДСО:

 

• площадь части ДСО в пределах углов крена θ = 0 – 30⁰,

S (0 – 30⁰) ≥ 0.055 м · рад;

• площадь части ДСО в пределах углов крена θ = 30⁰ – 40⁰,

S (30⁰ – 40⁰) ≥ 0.030 м · рад;

• площадь части ДСО в пределах углов крена θ = 0 – 40⁰,

S (0 – 40⁰) ≥ 0.090 м · рад;

угол заливания должен быть не меньше угла заката ДСО.

Также контролируется соотношение между минимальным опрокидывающим моментом при качке и кренящим динамическим моментом от шквала в положении лагом к волне (аналог отечественного критерия погоды К_п).

В этом пункте отличия подхода ИМО и Регистра проявляются в наибольшей степени:

 

• рассматривается совместное воздействие постоянного ветра и шквалистого порыва ветра;
• бортовая качка имеет несимметричный характер и отсчитывается от угла статического крена от действия постоянного кренящего момента от постоянного ветра;
• давление постоянного ветра принимается одинаковым для всех судов р_в = 504 Па;
• давление ветра в шквале не участвует в расчете, а просто плечо кренящего момента от шквала l _кр.дин принимается в полтора раза больше кренящего плеча от статического ветра l _кр.ст :

 

l _кр.дин = 1,5 l _кр.ст

необходимо добиться, чтобы площадь в участка ДСО (Рис. 14) оказалась бы больше площади а участка ДСО между углом крена θ_r левого борта до угла крена от действия динамического момента от шквала.

Угол статического крена от действия постоянного ветра θ_о со стороны левого борта получают на ДСО как абсциссу точки пересечения графика плеча статического кренящего момента.

где р_в = 504 Па, F_п  и z_п – площадь парусности и аппликата центра парусности судна.

Вычисление площади в на ДСО осуществляют между точкой пересечения горизонтальной линии l_дин = 1,5 l_ст  и оканчивая ее вычисление либо при θ = 50⁰, либо в точке пересечения ДСО с линией l_дин = 1,5 l_.ст , смотря какая точка окажется левее, чтобы получить запас в безопасную сторону.

Как видно, оба подхода в контроле остойчивости отличаются существенно, и сопоставлять их между собой очень трудно.

В связи с этим в настоящее время в разных странах, участниках ИМО ведется исследовательская работа, называемая «гармонизацией требований к остойчивости». ИМО выступает в качестве координатора этой важной работы. Но пока эти исследования не будут завершены, не могут быть сформулированы Единые международные требования к остойчивости морских судов.

Необходимо также подчеркнуть, что действующие в настоящее время методики контроля остойчивости морских судов не охватывают всех возможных ситуаций опрокидывания судна.

Таким образом, обеспечение безопасности плавания судов в значительной степени возложено на судоводителей и зависит от уровня их компетентности, подготовки и опыта практической работы.