Контейнеровозы четвертого поколения.

Американская компания «United States Lines», пользующаяся поддержкой Пентагона, заказала и построила в Южной Корее 12 контейнеровозов, предназначенных в основном для использования на кругосветной линии, открывшейся в то же время. Ввод в эксплуатацию судов, обладающих рекордной вместимостью, позволила американской компании объявить о снижении тарифных ставок на контейнерных линиях, что позволило ей обойти своих конкурентов на мировом фрахтовом рынке. Рассмотрим эти суда с технической точки зрения.

Головное судно – «American New-York» (рис.15) - было построено на южнокорейской верфи за 9,5 месяцев и в июле 1984 года поставлено на линию между Гонконгом и портами Восточного побережья США. Спуск его на воду на месяц опередил спуск на воду головного судна из серии 24 контейнеровозов вместимостью по 2728 20-футовых контейнеров, заказанных тайваньской компанией «Evergreen», которая планировала эксплуатацию своих судов на тех же направлениях.

При разработке проекта американских контейнеровозов преследовались две цели: обеспечить максимальную контейнеровместимость и выполнить ограничения, связанные с прохождением Панамского канала (максимальная ширина судна должна быть не более 32,3 м, максимальная осадка в грузу – не более 11,7 м). Указанные ограничения привели к необходимости увеличить длину, в результате чего отношение длины судна к его ширине составило 8,63. Были усилены элементы корпуса, увеличены сечения ребер жесткости, применены специальные сорта стали с толщиной листа до 59 мм (для изготовления ширстреков, наборных палубных полос и др.).

Надстройка находиться в кормовой части судна. Помещения для экипажа и 7 кают для пассажиров расположены на четырех из семи палуб. Под палубами оставлено значительное пространство для дополнительного количества навалочных и штучных грузов. Машинное отделение размещено под кормовой частью надстройки.

Суда имеют по 17 ячеистых трюмов, в каждом из которых (кроме первого и второго) можно укладывать контейнеры по ширине в 10 рядов. Остаток ширины судна использован для балластных и топливных танков. Восемь нижних бортовых танков используются для хранения запасов тяжелого топлива и масел, другие нижние, а также все верхние танки – для балласта.

На палубе контейнеры укладываются по ширине в 13 рядов. За палубной надстройкой могут размещаться еще 2 дополнительных ряда контейнеров.

На комингсах люков имеются группы штепсельных разъемов для подключения 120 рефрижераторных контейнеров.

Основные характеристики судна: длина наибольшая – 289,5 м, ширина – 32,3 м; высота борта – 21,57 м; осадка – 11,7 м; валовая вместимость – 42 тыс. рег. т; дедвейт – 58 тыс. т; контейнеровместимость – 4456 20-футовых контейнеров; скорость – 18 уз.

В качестве главного двигателя использован дизель фирмы «Зульцер» модели 7RLB90, который приводит в движение гребной винт фиксированного шага. Максимальная мощность главного двигателя – 20580 кВт (28 тыс. л. с.) при частоте вращения 131 г/л. с. * с; номинальная мощность – 18500 кВт (25 тыс. л. с.). Скорость 18 уз в полном грузу может быть достигнута уже при мощности 17480 кВт (23620 л. с.). Три дизель – генератора фирмы «Янмар» модели Z280L-UT имеет мощность 1 тыс. кВт каждый.

Основная паропроизводящая установка AV-8 фирмы «Альборг» обеспечивает подачу пара 2,5 т/ч под давлением 7,1г/см^2. При стоянке в порту предусмотрено включение бойлера на жидком топливе производительностью 2 т/ч.

Работа энергетической установки автоматизирована. Дистанционный контроль обеспечивается системой фирмы «Зульцер». Основное оборудование контроля и управления, включая 260 датчиков различного типа, пульты управления в машинном отделении и рулевой рубке, поставлено фирмой «Siemens».

Покрасочные работы на судах выполнены фирмой «Амерон» по отдельному контракту на 6 млн. долларов. Суда покрыты двумя слоями виниловых красок «Димеркот / Амеркот », контейнерные ячейки - одним слоем цинкового красителя «Димеркот-4».

Все палубные механизмы – электрогидравлического типа. Каждый из двух брашпилей обеспечивает тяговое усилие 33 тс при скорости движения цепи 9 м/мин. На судне также имеются 6 лебедок с тяговым усилием 25 тс.

Приборы для рулевой рубки в основном поставлены фирмой «Сперри» (гирокомпас, система предупреждения столкновения судов, устройство контроля перекладки руля и скорости поворота судна). Радионавигационное оборудование включает приемники «Лоран-С», «Декка», спутниковый приемоиндикатор. Имеется факсимильный приемник спутниковой метеорологической информации.

Экипаж нового контейнеровоза состоит из 21 человека (капитан, 3 его помощника, 4 механика, 2 моториста, 6 матросов, радист, повар, стюард и 2 буфетчика).

Летом 1985 г. на верфи закончилось строительство последнего контейнеровоза этой серии – «American Washington ». Весь заказ обошелся американской компании в 570 млн. долларов.

Рис.15. Схема размещения контейнеров на судне «American New-York»

5.Безопасность контейнеровозов четвертого поколения.

Российский морской регистр судоходства осуществляет надзор за морскими судами, приспособленными для перевозки крупнотоннажных контейнеров, практически со времен их появления.

В последние годы контейнерный флот пополнился контейнеровозами IV поколения. Эти суда, по своим размерам приближающиеся к крупнотоннажным танкерам и балкерам, могут перевозить одновременно несколько тысяч контейнеров, большая часть которых (до 60%) размещается на палубе. В настоящее время эксплуатируются контейнеровозы вместимостью 8 тыс. контейнеров и проектируются суда, рассчитанные на перевозку 9-10 тыс. контейнеров. Стремление получить экономическую выгоду привело к предельному увеличению числа ярусов палубных штабелей (до 8, в проектных разработках – до 9).

Все основные требования международных классификационных и страховых обществ по укладке и креплению контейнеров на судах выполняются. Однако, чем больше становится суперконтейнеровозов, тем чаще появляется информация об аварийности этих судов. Основной характер аварий – повреждения или потери палубных контейнеров в штормовых условиях. Одной из причин аварийности является особенность конструкции – низкие надводные борта большинства контейнеровозов IV поколения; вторая причина – значительные динамические нагрузки на крепления контейнеров при качке.

Проблема безопасности морской транспортировки контейнеров – одно из приоритетных направлений научной деятельности Регистра. Завершены научные разработки по нескольким направлениям, объединенным в единую теоретическую базу для расчета безопасных схем укладки и крепления контейнеров на специализированных судах.

Особые условия транспортировки контейнеров морем определяются их многоярусным штабелированием и значительными инерционными нагрузками в штормовых условиях. В расчет палубных контейнеров учитывают вертикальные и горизонтальные, главным образом, поперечные усилия, являющиеся основными причинами повреждения или срыва контейнеров. Регистр пришел к выводу, что необходимо дополнять методику расчета допустимой схемы укладки и крепления палубных контейнеров.

Главным критерием расчета поперечной прочности контейнеров является определение суммарного усилия, действующего на нижний в штабеле контейнер, которое не должно превышать 150 кН.

Рассмотрим схему (рис. 16), на которой штабель контейнеров нагружен условными, чрезвычайно благоприятными (уменьшающимися снизу вверх от 20 до 50%) поперечными нагрузками, сумма которых в нижнем ярусе составляет150 кН. Деформации контейнеров от сдвига (перекоса) рассчитаны по нормативным общепринятым коэффициентам податливости их стенок. Смещение плоскости верхних угловых фитингов в передней (бездверной) стенки нижнего в штабеле стандартного контейнеров, составляющее 9,37мм и возникающее от предельно допустимой силы, можно считать предельным.

На рис. 17 показана схема расчета поперечной деформации указанного штабеля методом конечных элементов. В результате поперечного изгиба для нижнего контейнера смещение вдвое превысит предельное значение. Что спасет контейнер от казалось бы неминуемого разрушения? Это – заложенный в конструкции нового контейнера запас прочности и завышенные расчеты значения коэффициентов ускорений от качки судна. Учитывая эксплуатационный износ контейнеров, усталость металла и возможные неточности в расчете, правомерно уделить самое серьезное внимание обеспечению безопасности.

Регистр располагает компьютерными программами расчета контейнеров методом конечных элементов, а также специальным аналитическим методом с помощью формул и таблиц для расчета контейнеров с найтовами, а также блоков контейнеров с произвольной схемой крепления.

Рис.16. Деформация сдвига штабеля Рис.17. Изгиб штабеля контейнеров

Контейнеров

Расчет по допустимым силам и смещения может быть сведен к определению допустимых коэффициентов ускорения. Например, на рис. 18 показаны допустимые значения коэффициентов ускорения от бортовой качки в нижнем ярусе в зависимости от высоты штабеля и массы контейнеров пи одинаковом поперечном усилии во всех ярусах. Это соответствует уменьшению массы контейнеров приблизительно на 2 % в каждом ярусе снизу вверх (на рис. 19 приведены коэффициенты, полученные для контейнеров, масса которых уменьшается в каждом ярусе снизу вверх на 30%).

Рис.18 и 19. Предельные значения коэффициентов для передних торцевых стенок контейнеров серии I (рис.18 – поперечные усилия для всех уровней одинаковы, рис.19 – поперечные усилия снижаются на 30% в каждом ярусе)

По вертикальным нагрузкам ограничения приняты в соответствии с нормами Регистра, например, для контейнеров ISO 1А допустимая нагрузка угловой стойки нижнего контейнера 675 кН.

Полученные данные можно применить для конкретного, оценив степень риска (безопасности) и связав характеристики судна с состоянием моря. Эксплуатационная волновая нагрузка является случайной функцией от текущего времени эксплуатации. В качестве основного показателя риска традиционно принимается вероятность отказа в зависимости от времени эксплуатации. Отказом в данном случае является разрушение крепления и его срыв с палубы под действием одноразовой экстремальной волновой нагрузки. Очевидно, что вероятность такого отказа в первую очередь обусловлена вероятностью возникновения экстремальных случайных нагрузок, поэтому одной из основных задач является установление их значений и вероятностных характеристик. Для этого требуется определение закона распределения Экстремумов волновой нагрузки в зависимости от времени эксплуатации. Соответствующий закон может быть обусловлен распределением абсолютного максимума нагрузки. Процесс изменения волновой нагрузки схематизируется потоком экстремумов по времени.

При неизменных условиях эксплуатации и относительно больших отрезках времени потоки экстремум волновой нагрузки являются стационарными, а их максимальные значения – статистически независимыми.

Для упрощения анализа абсолютного максимума нагрузки можно использовать известное допущение о постоянстве интервала времени между соседними экстремумами.

Выбор конкретного закона распределения для описания статистических распределений случайных величин является в наше время достаточно неформальным решением. При этом должны быть учтены два аспекта: достоверность согласования теоретической модели (закон распределения) и статистического распределения; логическая структура теоретической модели.

Закон распределения абсолютного максимума нагрузок дает возможность определить область нагрузок, соответствующих безопасной эксплуатации.

По результатам исследований, проведенных Регистром, установлено, что для контейнеровозов статистические распределения экстремумов волновой нагрузки соответствуют третьему асимптотическому закону Фреше-Фишера-Типпета. В качестве прототипа для расчетов выбрано судно-контейнеровоз IV поколения со следующими исходными данными.

Длина – 264,4 м; ширина – 40 м; осадка – 12,5 м; высота борта – 24,3 м; водоизмещение – 97,2 тыс. т; скорость полного хода – 25,3 уз; максимальная высота штабелей – 7 ярусов.

Результатом статистически-вероятностной оценки степени риска для данного судна явилось определение коэффициента запаса. Коэффициент запаса, равный 1,4, показывает, что максимальные волны в 1,4 раза превосходят волны принятой 3%-ной обеспеченности.

Наиболее вероятные условия потери или разрушения контейнеров обусловлено численно допустимыми средними ускорениями по вертикальным и горизонтальным направлениям.

Для определения возможности срыва контейнеров во время нахождения судна в море необходимо оценить его качку, следствием которой являются разрушающие нагрузки.

Задан предполагаемый район плавания судна (Атлантический, Тихий или Индийский океан) с целью установления взаимосвязи между элементами волнения (отношение «высота волнения 3%-ной обеспеченности – средний период волнения»). На основании этого соотношения произведен расчет состояния моря, при котором происходит срыв контейнеров.

Теория качки судна на нерегулярном волнении, базирующаяся на спектральном методе, включает в себя определение характеристик качки в условиях регулярного волнения методами линейной гидродинамической теории качки, созданной М.Хаскиндом. Вследствие предположения об идеальности жидкости гидродинамическая теория качки учитывает демпфирование только волновой природы. Так как возмущенное движение жидкости рассматривается как безвихревое, то определяется потенциал скоростей этого движения, то есть формулируется и решается краевая задача, затем определяются действующие на судно гидродинамические силы и рассчитываются кинематические характеристики качки.

Исходной информацией для расчета, помимо данных по судну, являются условия потери или разрушения контейнеров. Результатами расчета являются состояние моря и параметры движения судна (курсовой угол и скорость), при которых выполняются поставленные условия.

Оценка возможности срыва контейнеров вследствие качки судна показала следующее. В случае движения рассматриваемого контейнеровоза наиболее вероятен срыв контейнеров при бортовой качке от действия поперечных нагрузок и практически вне зависимости от скорости судна. При укладке контейнеров массой 30 т в 5 ярусов их срыв возможен при волнении исключительной интенсивности (h3% >17,5 м), которое встречается в океанах раз в 5 – 10 лет. При укладке контейнеров массой 30 т в 6 ярусов их срыв возможен на волнении 7 баллов и более при курсовых углах к волне 70 – 120 градусов, при укладке их в 7 ярусов – на волнении 6 баллов и более при курсовых углах к волне 45 – 140 градусов. При укладке контейнеров массой 20 т в 7ярусов их срыв возможен на волнении 9 баллов при курсовых углах к волне 75 – 110 градусов.

По результатам исследования построен график безопасных режимов перевозки контейнеров. На рис. 20 представлены зоны безопасных и опасных режимов при укладке 5,6 и 7 ярусов на любом курсе к волне в зависимости от состояния моря. При укладке контейнеров в 5 ярусов (правый верхний угол диаграммы, соответствующий волнению чрезвычайной интенсивности) практически всегда могут быть обеспечены прочность и безопасность контейнеров.

Зона возможной потери контейнеров, расположенная между линиями, соответствующими высоте штабелей в 6 и 5 ярусов, начинается с волнения 7 баллов. Шторм такой силы бывает довольно часто, поэтому весьма вероятна аварийность контейнеровоза при укладке контейнеров в штабель из 6 ярусов. Еще большая опасность (начиная с волнения 6 баллов) возникает при укладке контейнеров в 7 ярусов.

На встречном волнении большой интенсивности (курсовой угол 135 – 180 градусов) вертикальные ускорения также приближаются к предельно допустимым.

Приведенные результаты, полученные для одного из контейнеровозов IV поколения, дают основание предполагать существование реальной опасности транспортировки контейнеров при укладке в 6 ярусов и более.

Появление современных суперконтейнеровозов напоминает бум постройки супертанкеров в 60-е годы прошедшего столетия. Видимо, история повторяется. Неудержимое стремление к экономической выгоде входит в противоречие с техногенной, гуманитарной и экологической безопасностью. Мнение Регистра – увеличение числа ярусов палубного каравана контейнеров выводит контейнеровозы IV поколения за рамки безопасной эксплуатации.

Рис.20.. Безопасные режимы транспортировки палубных контейнеров