Что мы понимаем под непотопляемостью, пожаробезопасностью, плавучестью и остойчивостью судна?

2.1.2.

Непотопляемость– способность судна сохранять плавучесть при поступлении в корпус судна большого количества воды (через пробоину).

Для обеспечения непотопляемости судно разделено на несколько водонепроницаемых отсеков поперечными и продольными водонепроницаемыми переборками, имеется двойное дно, разделенное водонепроницаемыми флорами, предусматривается герметизация некоторых рубок и надстроек.

Непотопляемостью называется способность судна оставаться на плаву, сохраняя в достаточной степени остойчивость и некоторый запас плавучести, при затоплении одного или нескольких отсеков.

Масса влившейся внутрь корпуса воды изменяет посадку, остойчивость и другие мореходные качества судна. Непотопляемость судна обеспечивается его запасом плавучести: чем больше запас плавучести, тем больше забортной воды оно может принять, оставаясь на плаву.

Выбор числа переборок на судне (помимо ряда других обстоятельств) определяется с учетом влияния затопления каждого из отсеков на посадку и остойчивость судна.

Объем любого отсека или их группы должен быть меньше запаса плавучести, а уменьшение остойчивости при затоплении отсека или группы отсеков не должно сопровождаться опрокидыванием.

Количество непроницаемых переборок и расстояния между ними определяют с использованием кривой предельных длин отсеков, получаемой путем выполнения специального расчета. Ординаты кривой представляют собой наибольшие длины отсеков, которые может иметь судно, чтобы при затоплении какого-либо из них оно не погружалось глубже предельной линии погружения, проходящей на 76 мм ниже бортовой линии палубы переборок (палуба, до которой доходят поперечные непроницаемые переборки).

При установке на судне продольных водонепроницаемых переборок необходимо тщательно анализировать их влияние на непотопляемость. С одной стороны, наличие этих переборок может вызвать недопустимый крен после затопления отсека, с другой — отсутствие переборок отрицательно скажется на остойчивости из-за большой площади свободной поверхности воды.

Таким образом, деление судна на отсеки должно быть таким, чтобы при бортовой пробоине плавучесть судна исчерпывалась ранее его остойчивости: судно должно тонуть без опрокидывания.

Для спрямления судна, получившего крен и дифферент в результате пробоины, производят принудительное контрзатопление заранее подобранных отсеков с одинаковыми по величине, но с обратными по значению моментами. Эта операция выполняется с использованием таблиц непотопляемости — документа, с помощью которого можно с минимальной затратой времени определить посадку и остойчивость судна после повреждения, выбрать отсеки, подлежащие затоплению, а также оценить результаты спрямления до его выполнения на практике. Впервые принцип контрзатопления был предложен в конце прошлого века ученым-кораблестроителем С. О. Макаровым и в дальнейшем разработан академиком А. Н. Крыловым, который и предложил составлять для каждого судна таблицы непотопляемости.

Непотопляемость морских судов регламентируется Правилами Регистра, разработанными на основе Международной конвенции по охране человеческой жизни на море 1974 г. (СОЛАС-74). В соответствии с этими правилами судно считается непотопляемым, если после затопления одного любого отсека или нескольких смежных, количество которых определяется в зависимости от типа и размеров судна, а также числа находящихся на судне людей (обычно это один, а для крупных судов— два отсека), судно погружается не глубже, чем по предельную линию погружения. При этом начальная метацентрическая высота поврежденного судна должна быть не менее 5 см, а максимальное плечо диаграммы статической остойчивости — не менее 10 см, при минимальной протяженности положительного участка диаграммы 20°.

Плавучесть -Плавучестью судна называется его способность плавать при определенной загрузке и осадке.

Запас плавучести – это объем надводной водонепроницаемой части корпуса судна или то дополнительное кол-во грузов или воды (после допустимой нагрузки), которое судно может принять до утраты способности держаться на плаву.

Запас плавучести выражается в процентах от водоизмещения судна в полном грузу.

Запас плавучести составляет около 80% на пассажирских, 50% на транспортных, сухогрузных и промысловых, 15-25% на наливных судах.

Запас плавучести непосредственно связан с высотой надводного борта.

Высота надводного борта, обеспечивающая надлежащий запас плавучести, устанавливается Регистром России.

В средней части судна наносится специальный знак на оба борта в районе миделя, называемый грузовой маркой.

Знак грузовой марки наносят на правом и левом бортах в средней части судна. При приеме груза судно не должно погружаться глубже соответствующей марки.

Грузовая марка состоит из трех элементов: Палубная линия. Диск или круг Плимсоля. Гребенка осадок. Международная грузовая марка Л – плавание летом в соленой воде З – плавание зимой в соленой воде ЗСА – плавание зимой в Северной Атлантике Т – плавание в тропиках в соленой воде П – плавание в пресной воде ТП – плавание в тропиках в пресной воде РС – грузовая марка нанесена Регистром России

Чем больше запас плавучести, тем большим временем располагает экипаж для заделки пробоины и сохранения минимального запаса плавучести.

При затоплении одного (а на некоторых судах даже нескольких) водонепроницаемых отсеков водой судно должно оставаться на плаву и обладать достаточной остойчивостью.

На плавающее судно (рис. 1) вертикально вниз действуют силы веса (тяжести), пропорциональные нагрузке масс судна, а вертикально вверх —силы гидростатические, пропорциональные массе вытесненной воды. Результирующая сил веса Р равна сумме сил веса (тяжести) самого судна и всех грузов, находящихся на нем, приложена в центре тяжести (ЦТ) судна в точке G и всегда направлена вертикально вниз. Результирующая гидростатических сил, определяемых давлением воды на поверхность судна, приводится к вертикальной силе yV, направленной вверх и называемой силой поддержания, или силой плавучести.

Согласно закону Архимеда, вес, или водоизмещение (масса), плавающего тела равны весу или массе вытесненной им воды: P=yV или D = ρV, где V —объем подводной части судна, м³; γ — удельный вес воды, н/м³ или тс/м³; D — масса судна, т; ρ — плотность воды, т/м³; P— вес судна в целом, кН или тс.

Рис. 1. Схема сил, действующих на судно.

Cила поддержания γV приложена в центре тяжести подводного объема — точке С, которую называют центром величины (ЦВ). Объем V называется объемным водоизмещением и служит мерой плавучести.

Следует различать понятия веса и массы судна. Масса выражает инерционные и гравитационные свойства судна, является скалярной величиной и измеряется в тоннах (т). Вес судна является векторной величиной и измеряется в килоньютонах (кН) или тонна - силах (тс). Масса судна в тоннах численно равна его весу в тонна - силах.

Так как под действием сил Р и γV судно находится в равновесии, то необходимо, чтобы эти силы были равны и действовали по одной прямой в противоположные стороны. Если обозначить координаты точек G и С по длине, ширине и высоте судна соответственно х_g и х_c, y_g и у_с, z_g и z_c, то условия равновесия плавающего судна можно выразить следующими уравнениями: P=γV или D = ρV; x_g=x_c; y_g = y_c. Так как судно симметрично ДП, то точки G и С должны лежать в этой плоскости, т. е. у_g=y_c=0. У наводных судов центр тяжести G лежит выше центра величины С, т. е. z_g>z_c.

Так как объем подводной части корпуса можно выразить через главные размерения и коэффициент общей полноты, т. е. V=δLBT, то водоизмещение (массу) судна можно представить в виде D=ρδLBT. Водоизмещение D (нагрузка масс) и координаты центра тяжести (центра масс) определяются расчетом, учитывающим массу и местоположение отдельных

составляющих нагрузки масс судна.

Рис. 2. Определение площади шпангоута.

Объемное водоизмещение, а также координаты центра величины С определяют по теоретическому чертежу методом трапеций в табличной форме. Вычисления начинают с определения площади шпангоутов. С этой целью площадь каждого шпангоута разбивают следами ватерлиний на n-е число участков, и криволинейные кромки заменяют прямыми (рис. 2). Расчеты будут тем точнее, чем большее число ватерлинии проведено. Площадь шпангоута определяется как удвоенная сумма площадей трапеций, вписанных в этот шпангоут. Далее на прямой в определенном масштабе отмечают теоретические шпангоуты, восстанавливают перпендикуляры и на них также в масштабе отмечают соответствующие площади шпангоутов. Полученные точки соединяют плавной линией, которая характеризует изменение площади поперечного сечения судна по длине и называется строевой по шпангоутам (рис. 3). Если найти площадь фигуры, ограниченной строевой по шпангоутам, то она с учетом масштаба будет равна объемному водоизмещению судна. Площадь строевой по шпангоутам определяется так же, как и площадь шпангоутов.

Рис. 3. Строевая по шпангоутам.

Объемное водоизмещение можно определить, пользуясь строевой по ватерлиниям, представляющей собой кривую, абсциссы которой в принятом масштабе дают площади ватерлиний в зависимости от осадки. Площадь фигуры, ограниченной строевой по ватерлиниям, в соответствующем масштабе равна объемному водоизмещению по заданную осадку. Площадь ватерлиний, а также площади фигуры, ограниченной строевой по ватерлиниям, находят .так же, как и площади шпангоутов, методом трапеций. Для этой же цели можно использовать специальный прибор, называемый планиметром.

Если для разных осадок определить объем погруженной части корпуса и соответствующее этим осадкам водоизмещение, то можно построить график, называемый грузовым размером (рис. 4). Пользуясь грузовым размером, можно определить изменение средней осадки от приема или расходования груза или по заданному водоизмещению определить осадку судна.

Рис. 4. Грузовой размер.

Для обеспечения безопасности плавания каждое судно должно обладать запасом плавучести. Под запасом плавучести понимается количество грузов, которое судно может принять сверх находящихся на нем до полного погружения. Мерой запаса плавучести служит объем надводной непроницаемой части судна от действующей ватерлинии до верхней палубы, имеющей водонепроницаемые закрытия. В этот объем могут входить и надстройки, если они также имеют водонепроницаемые закрытия. В случае попадания воды внутрь корпуса осадка судна увеличивается, но оно остается на плаву. Запас плавучести зависит от величины надводного борта: чем он больше, тем больше запас плавучести. Исходя из этого Регистр назначает каждому судну в зависимости от его размеров, назначения и района плавания минимальный надводный борт, который фиксируют в «Свидетельстве о грузовой марке», выдаваемом каждому судну.

Обычно запас плавучести составляет 30—50 % водоизмещения, на танкерах 15—25%, на пассажирских судах до 100%.

Остойчивость

Остойчивостью называется способность судна, отклоненного от положения равновесия, возвращаться к нему после прекращения действия сил, вызвавших отклонение.

Наклонения судна могут происходить от действия набегающих волн, из-за несимметричного затопления отсеков при пробоине, от перемещения грузов, давления ветра, из-за приема или расходования грузов.

Наклонения судна в поперечной плоскости называют креном, а в продольной — дифферентом. Углы, образующиеся при этом, обозначают соответственно θ и ψ

Остойчивость, которую судно имеет при продольных наклонениях, называют продольной. Она, как правило, довольно велика, и опасности опрокидывания судна через нос или корму никогда не возникает.

Остойчивость судна при поперечных наклонениях называется поперечной. Она является наиболее важной характеристикой судна, определяющей его мореходные качества.

Различают начальную поперечную остойчивость при малых углах крена (до 10—15°) и остойчивость при больших наклонениях, так как восстанавливающий момент при малых и больших углах крена определяется различными способами.

Начальная остойчивость. Если судно под действием внешнего кренящего момента М_КР (например, давления ветра) получит крен на угол θ (угол между исходной WL₀ и действующей WL₁ ватерлиниями), то, вследствие изменения формы подводной части судна, центр величины С переместится в точку С₁ (рис. 5). Сила поддержания yV будет приложена в точке C₁ и направлена перпендикулярно к действующей ватерлинии WL₁. Точка М находится на пересечении диаметральной плоскости с линией действия сил поддержания и называется поперечным метацентром. Сила веса судна Р остается в центре тяжести G. Вместе с силой yV она образует пару сил, которая препятствует наклонению судна кренящим моментом М_КР. Момент этой пары сил называется восстанавливающим моментом М_В. Величина его зависит от плеча l=GK между силами веса и поддержания наклоненного судна: M_В = Pl =Ph sin θ, где h — возвышение точки М над ЦТ судна G, называемое поперечной метацентрической высотой судна.

Рис. 5. Действие сил при крене судна.

Из формулы видно, что величина восстанавливающего момента тем больше, чем больше h. Следовательно, метацентрическая высота может служить мерой остойчивости для данного судна.

Величина h данного судна при определенной осадке зависит от положения центра тяжести судна. Если грузы расположить так, чтобы центр тяжести судна занял более высокое положение, то метацентрическая высота уменьшится, а вместе с ней — плечо статической остойчивости и восстанавливающий момент, т. е. остойчивость судна понизится. При понижении положения центра тяжести метацентрическая высота увеличится, остойчивость судна повысится.

Поперечную метацентрическую высоту (в м.) можно определить на основании периода бортовой качки по формуле: , где С – инерционный коэффициент; В – ширина судна, м; Т_Θ – период собственных колебаний судна (т.е. время одного колебания судна с борта на борт и обратно), сек.

Так как для малых углов их синусы приближенно равны величине углов, измеренных в радианах, то можно записать М_В = Рhθ.

Метацентрическую высоту можно определить из выражения h = r + z_c—z_g, где z_c— возвышение ЦВ над ОЛ; r — поперечный метацентрический радиус, т. е. возвышение метацентра над ЦВ; z_g—возвышение ЦТ судна над основной.

На построенном судне начальную метацентрическую высоту определяют опытным путем — кренованием, т. е. поперечным наклонением судна путем перемещения груза определенного веса, называемого крен - балластом.

Остойчивость на больших углах крена. По мере увеличения крена судна восстанавливающий момент сначала возрастает, затем уменьшается, становится равным нулю и далее не только не препятствует наклонению, а наоборот, способствует ему (рис. 6).

Рис. 6. Диаграмма статической остойчивости.

Так как водоизмещение для данного состояния нагрузки постоянно, то восстанавливающий момент изменяется только вследствие изменения плеча поперечной остойчивости l_ст. По расчетам поперечной остойчивости на больших углах крена строят диаграмму статической остойчивости, представляющую собой график, выражающий зависимость l_ст от угла крена. Диаграмму статической остойчивости строят для наиболее характерных и опасных случаев нагрузки судна.

Пользуясь диаграммой, можно определить угол крена по известному кренящему моменту или, наоборот, по известному углу крена найти кренящий момент. По диаграмме статической остойчивости можно определить начальную метацентрическую высоту.

Для этого от начала координат откладывают радиан, равный 57,3°, и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с касательной к кривой плеч остойчивости в начале координат. Отрезок между горизонтальной осью и точкой пересечения в масштабе диаграммы и будет равен начальной метацентрической высоте.

При медленном (статическом) действии кренящего момента состояние равновесия при крене наступает, если соблюдается условие равенства моментов, т. е. М_КР = М_В (рис. 7).

Рис. 7. Определение угла крена от действия статически (а) и динамически (б) приложенной силы.

При динамическом действии кренящего момента (порыв ветра, рывок буксирного троса на борт) судно, наклоняясь, приобретает угловую скорость. Оно по инерции пройдет положение статического равновесия и будет продолжать крениться до тех пор, пока работа кренящего момента не станет равной работе восстанавливающего.

Величину, угла крена при динамическом действии кренящего момента можно определить по диаграмме статической остойчивости. Горизонтальную линию кренящего момента продолжают вправо до тех пор, пока площадь ОДСЕ (работа кренящего момента) не станет равной площади фигуры ОБЕ (работа восстанавливающего момента). При этом площадь ОАСЕ является общей, поэтому можно ограничиться сравнением площадей ОДА и ABC.

Если же площадь, ограниченная кривой восстанавливающих моментов, окажется недостаточной, то судно опрокинется.

Остойчивость морских судов должна отвечать требованиям Регистра, в соответствии с которыми необходимо выполнение условия (так называемого критерия погоды): К=M^опр_мин / М^дн_max ≥ 1» где M^опр_мин — минимальный опрокидывающий момент (минимальный динамически приложенный кренящий момент с учетом качки), под действием которого судно еще не потеряет остойчивость; М^дн_max — динамически приложенный кренящий момент от давления ветра при наихудшем в отношении остойчивости варианте загрузки.

В соответствии с требованиями Регистра максимальное плечо диаграммы статической остойчивости l_max должно быть не менее 0,25 м для судов длиной 85 м и не менее 0,20 м для судов более 105 м при угле крена θ более 30°. Угол заката диаграммы (угол, при котором кривая плеч остойчивости пересекает горизонтальную ось) для всех судов должен быть не менее 60°.

Влияние жидких грузов на остойчивость. Если цистерна заполнена не доверху, т. е. в ней имеется свободная поверхность жидкости, то при наклонении жидкость перельется в сторону крена и центр тяжести судна сместится в ту же сторону. Это приведет к уменьшению плеча остойчивости, а следовательно, к уменьшению восстанавливающего момента. При этом чем шире цистерна, в которой имеется свободная поверхность жидкости, тем значительнее будет уменьшение поперечной остойчивости. Для уменьшения влияния свободной поверхности целесообразно уменьшать ширину цистерн и стремиться к тому, чтобы во время эксплуатации было минимальное количество цистерн со свободной поверхностью жидкости.

Влияние сыпучих грузов на остойчивость. При перевозке сыпучих грузов (зерна) наблюдается несколько иная картина. В начале наклонения груз не перемещается. Только когда угол крена превысит угол естественного откоса, груз начинает пересыпаться. При этом пересыпавшийся груз не вернется в прежнее положение, а, оставшись у борта, создаст остаточный крен, что при повторных кренящих моментах (например, шквалах) может привести к потере остойчивости и опрокидыванию судна.

Для предотвращения пересыпания зерна в трюмах устанавливают подвесные продольные полупереборки — шифтинг-бордсы либо укладывают поверх насыпанного в трюме зерна мешки с зерном (мешкование груза).

Влияние подвешенного груза на остойчивость. Если груз находится в трюме, то при подъеме его, например, краном, происходит как бы мгновенный перенос груза в точку подвеса. В результате ЦТ судна сместится вертикально вверх, что приведет к уменьшению плеча восстанавливающего момента при получении судном крена, т. е. к уменьшению остойчивости. При этом уменьшение остойчивости будет тем больше, чем больше масса груза и высота его подвеса.