СУДА ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ МАССОВЫХ ГРУЗОВ

Танкеры

В 1886 г. был спущен на воду танкер «Gluckauf» (дедвейт 2300 т). Это судно первым официально зарегистрировано Английским Ллойдом как танкер, поэтому часто историю танкеростроения обычно начинают с него.

Танкерный флот рос быстро. Увеличивались и размеры танкеров, особенно перевозящих сырую нефть (рис. 4.1).

В терминологии судостроения и судоходства появились понятия: суда-«мамонты» или Very Large Crude Carrier (VLCC) - дедвейтом от 175 до
300 тыс. т; суда-«монстры» или Ultra Large Crude Carrier (ULCC) - дедвейтом свыше 300 тыс. т. Самый большой танкер мира «Batillus» (Франция - =
= 401,1 м; В = 63,0 м; Н = 35,9 м; DW = 554 тыс. т) вошел в строй в 1976 г. (рис. 4.2).

Танкеры тех времён строились с продольными переборками (от одной до трёх) и сравнительно большим количеством поперечных переборок, на расстоянии до 0,1L (или до 0,2L – при наличии промежуточных отбойных переборок), с одинарными бортами и днищем. Система набора корпуса – смешанная или продольная. Рамные связи с высокими стенками (так называемые отбойные листы) образуют мощные поперечные и продольные рамы, гасящие энергию слошинга – ударов жидкого груза о конструкции при качке судна. Примеры конструкций танкеров приведены на рис. 4.3, 4.4.

Для приёма балласта использовались грузовые танки. При сливе балласта загрязнялась окружающая акватория, поэтому с ростом тоннажа и размеров танкеров обострилась экологическая проблема их эксплуатации. В результате появились суда с чисто балластными танками, предназначенными только для заполнения водой в балластном переходе. Такие танкеры имеют и эксплуатационные преимущества: уменьшение коррозии грузовых танков, сокращение времени стоянки в порту (балласт может приниматься параллельно с операцией разгрузки), отсутствие необходимости мыть танки (если нет перемены сорта груза) и т.д.

Однако наибольший общественный резонанс вызывали катастрофы с танкерами. В 1967 г. у берегов Англии разломился супертанкер «Torrey Canyon». 120 тыс. т нефти вылилось в море, угрожая всему живому в
огромном районе. В 1978 г. у берегов Франции сел на мель и разломился супертанкер «Amoco Kadis», вылив в море 220 тыс. т нефти. Подобных
катастроф с тех пор было несколько десятков. Главными причинами аварий были несовершенные конструкции, плохое техническое состояние
судов, неопытные, плохо оплачиваемые экипажи, безответственность
инспектирующих технических служб и судовладельцев.

Рис. 4.1. Эволюция танкеров до середины 70-х годов XX века /21/

Рис. 4.2. Нефтеналивные танкеры типа «Батиллус» - самые большие
из всех транспортных судов (высота борта 35,9 м; осадка 28,6 м)

Рис. 4.3. Грузовой танк судна «Exxon Valdez» (вылившего в море
37 тыс. т нефти при столкновении с айсбергом у берегов Аляски
в 1989 г.)

Рис. 4.4. Мидель-шпангоут танкера типа «Владивосток» (DW = 15 тыс. т)

В связи с экологической опасностью танкеров Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов (MARPOL), принятая в 1973 г. с дополнительным Протоколом 1978 г., выдвинула ряд требований к конструкции корпуса танкеров, в том числе:

1) обязательное наличие чисто балластных танков;

2) ограничение предельных размеров танков с целью уменьшения разливов нефти при аварии;

3) создание конструктивной защиты в виде двойного дна и двойных бортов, высотой (шириной) до 2 м.

Когда в 70-х годах ХХ в. разразился энергетический кризис, множество «грязных» супертанкеров было выведено из эксплуатации. В результате формирования новых требований к танкерам в настоящее время строятся «экологически чистые» танкеры с двойным дном и двойными бортами. Набор двойных бортов и двойного дна не контактирует с жидким грузом. В результате упрощается зачистка танков. Для уменьшения коррозии подпалубного набора на многих современных танкерах набор стали размещать наружу (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Мидель-шпангоут двухкорпусного танкера с надпалубным набором

Вместе с тем двухкорпусные танкеры имеют ряд недостатков по сравнению с однокорпусными: они дорогие и тяжёлые; срок службы их оказался меньшим в связи с повышенной коррозией и трудностью её контроля в междудонных и междубортных балластных цистернах. Двойной корпус представляет собой удвоенную поверхность для разрушительной работы коррозии. Мало того, такой корпус действует как термос, не давая морской воде охлаждать содержимое танков. А скорость коррозии увеличивается вдвое с повышением температуры на каждые 7 °С.

Грузовое пространство танкеров отделено от МО и форпика коффердамами (короткими пустыми отсеками длиной обычно в одну шпацию). Типичное расположение танков двухкорпусника приведено на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Типичное расположение переборок и цистерн танкера

Типичные поперечные сечения морских танкеров схематически представлены на рис. 4.7.

а) б) в)

Рис. 4.7. Типовые миделевые сечения крупнотоннажных танкеров

(закрашены балластные цистерны):

а – однокорпусный, с двумя продольными переборками; б – с двойным

бортом; в – с двойным дном; г – двухкорпусный с двумя продольными
переборками; д – двухкорпусный с одной продольной переборкой; е –
с промежуточной палубой и бортовыми балластными цистернами
(типа Coulombi Egg /18/)

Небольшие танкеры для сырой нефти являются обычно однокорпусными. На речных судах допускается применение так называемой двухъ-ярусной или навесной системы набора (рис. 4.8). В такой конструкции балки основного набора не проходят сквозь вырезы в рамных балках, как при традиционной (нарезной) системе набора. Рамные балки имеют два пояска (двутавр или швеллер). Одним из поясков они привариваются к пояскам основного набора. Такая конструкция является высокотехнологичной (исключаются сложные узлы пересечения балок) и удобной в эксплуатации (упрощается промывка танков), однако имеет меньшую несущую способность и надёжность, поэтому не допускается для морских судов.

Рис. 4.8. Мидель-шпангоут нефтеналивной баржи

с навесной конструкцией набора /16/

Разновидностью танкеров являются продуктовозы (перевозящие лёгкие нефтепродукты) и химовозы – суда, имеющие встроенные или вкладные грузовые танки (обычно изнутри безнаборные и покрытые антикоррозионными покрытиями). Типичные поперечные сечения таких танкеров схематически представлены на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Типовые миделевые сечения продуктовозов и химовозов

К танкерам по характеру груза относятся и суда, предназначенные для перевозки сжиженных газов – газовозы. Специфика груза, находящегося в охлажденном до -50...-160 °С состоянии, а иногда - и при высоком давлении, требует сложных конструктивных решений: применения специальных материалов, тщательной тепловой изоляции и т. д.

Рис. 4.10. Типовые миделевые сечения газовозов

Примеры конструктивных схем газовозов показаны на рис. 4.10 – 4.12.

Рис. 4.11. Газовоз «Echigo Maru»

Рис. 4.12. Газовоз «WeserGas»

Навалочные суда

Первые (еще деревянные) суда, специально приспособленные для перевозки руды и зерна, начали строить в 60-х годах XIX в. на Великих озерах Северной Америки. Суда для перевозки массовых насыпных грузов называют по-разному: СНГ (суда для навалочных грузов); балкеры и балкерьеры (от слов bulk - навалочный и carrier - перевозчик); навалочники. К середине XX в. общий дедвейт навалочников был небольшой и в основном состоял из узкоспециализированных судов - рудовозов.

Руда, как известно, груз тяжелый, с малым удельным погрузочным объемом (до 1 м³/т; например, железная руда - 0,42...0,48 м³/т). При объёмах трюмов, характерных для обычных судов, при полном использовании грузоподъемности судна руда лежит лишь в нижней части трюма, что приводит к понижению центра тяжести судна. Бортовая качка в шторм становится стремительной, резко ухудшающей обитаемость и вызывающей появление больших перегрузок, действующих на конструкции. Более того, резкая бортовая качка способна вызвать быстрое смещение груза на один борт. В результате судно кренится и может опрокинуться.

Для обеспечения остойчивости и плавности качки грузовой трюм
навалочника должен быть заполнен доверху. Поэтому рудовозы имеют продольные переборки и высокое двойное дно (рис. 4.13, 4.14). В бортовых танках и двойном дне размещаются балластные цистерны.

С 1960 г. строительство «чистых» рудовозов пошло на убыль. Интенсивный рост объема перевозок различных массовых насыпных грузов (уголь, зерно, цемент, сахар, минеральные удобрения, соль, бокситы и др.) с большим диапазоном удельной погрузочной кубатуры - от 0,4 (руда) до 3,2 (торф) м³/т - привел к развитию других специализированных судов
(углевозов, зерновозов и др.) и универсальных балкеров. В настоящее время рудовозы составляют небольшую долю в общем тоннаже навалочников.

Рис. 4.13. Типовые миделевые сечения рудовозов

Рис. 4.14. Рудовоз «Oyashima Maru»[3]

У балкеров для относительно лёгких навалочных грузов, а также у универсальных навалочников архитектурно-конструктивный тип достаточно стабилен: кормовое расположение машинного отделения, однопалубный, с подпалубными и скуловыми цистернами (рис. 4.15 - 4.17).

Рис. 4.15. Типовые миделевые сечения навалочников

Подпалубные цистерны своей наклонной стороной препятствуют
самоштивке (произвольному пересыпанию при качке) груза, скуловые - обеспечивают ссыпание груза под просвет люка при разгрузке. В балластном переходе цистерны служат для принятия балласта.

Рис. 4.17. Элементы конструкций навалочника

Универсальные суда для навалочных грузов (УСНГ) должны отвечать противоречивым требованиям, которые предъявляет к ним перевозка разных по плотности навалочных грузов: с одной стороны - достаточная грузовместимость при перевозке легких грузов, соответствующая полному использованию грузоподъемности; с другой стороны - умеренная качка и исключение самоштивки при перевозке тяжелых грузов, занимающих малый объем.

Решение этой проблемы состоит в том, что при перевозке лёгких грузов используются все трюмы, а для руды применяется чередующаяся загрузка трюмов – через один. Кроме того, трюмы имеют разную длину: для руды предназначены короткие трюмы, для грузов средней плотности – длинные трюмы, а для лёгких грузов – все трюмы (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Влияние чередующейся загрузки трюмов на нагрузки,

вызывающие общий продольный изгиб корпуса судна

Как видно из рис. 4.18, чередующаяся загрузка трюмов ведет к созданию резкой неравномерности распределения нагрузки по длине судна, что вызывает возрастание максимальных значений срезывающей силы и изгибающего момента. Особенно значительно увеличиваются перерезывающие силы (иногда до четырех раз). В результате необходимости обеспечения общей прочности таких судов, их корпус тяжелее, чем у специализированных балкеров. Резкие пики перерезывающих сил вызывают концентрации напряжений. Эти обстоятельства, по-видимому, являлись одной из основных причин целого ряда катастроф с балкерами, когда в штормовой обстановке они переламывались пополам либо у них отламывалась
носовая оконечность[4].

Среди навалочников следует отметить саморазгружающиеся суда. Они оборудуются автоматизированной системой транспортеров (ленточных, ковшовых, винтовых) для перемещения груза внутри судна, подачи его на палубу и передачи с помощью поворотной стрелы с транспортером на причал.

Постройка таких судов целесообразна для обслуживания коротких рейсов на постоянных линиях в неприспособленные для разгрузки порты. Разгрузочное устройство существенно влияет на архитектурно-конструк-тивный тип судна: трюмы представляют собой бункеры, под которыми вдоль судна устраиваются туннели для транспортеров (рис. 4.19). Такие суда широко распространены на Великих озёрах в Северной Америке.

Рис. 4.19. Саморазгружающееся навалочное судно Великих озёр

Навалочные суда внутреннего плавания имеют существенно отличный от морских архитектурно-конструктивный тип. Это объясняется условиями их эксплуатации, в первую очередь, малыми глубинами и небольшими волнами. Поэтому речные балкеры и танкеры имеют малые осадки, большие отношения L/H и B/H. Большая часть речных навалочников
являются несамоходными судами (баржами).

Два основных типа речных балкеров: бункерные и площадочные суда.

Бункерный навалочник (рис. 4.20 – 4.22) имеет двойное дно и широкие двойные борта, между которыми располагается грузовой бункер, не разделённый поперечными переборками, идущий от переборки форпика до
машинного отделения (или до ахтерпика – у баржи). Непотопляемость судна обеспечивается разделением переборками только двойных бортов и дна.

Одна из основных проблем проектирования конструкции такого судна состоит в том, что двойное дно не поддерживается поперечными переборками – длина перекрытия равна длине всего бункера. Местная прочность двойного дна обеспечивается флорами, пролёт которых равен расстоянию между продольными переборками (внутренними бортами). Стрингеры и киль не поддерживают флоры, как у судов с поперечными переборками, так как им самим опереться не на что. Для уменьшения пролёта флоров часто внутренние борта выполняются наклонными.

Рис. 4.20. Разрез по холостому шпангоуту бункерной баржи проекта 1787 /16/

Рис. 4.21. Мидель-шпангоут бункерной баржи проекта 567

Рис. 4.22. Мидель-шпангоут бункерной баржи проекта Р29[5]

У площадочного судна грузовое пространство расположено на палубе, огороженной с бортов и в оконечностях комингсами (рис. 4.23 – 4.24).

Рис. 4.23. Мидель-шпангоут баржи – площадки грузоподъёмностью
1000 т /16/

Местная прочность палубы и днища обеспечивается тем, что они связаны системой поперечных и продольных переборок, пиллерсов или раскосов (наклонных стержней).

Рис. 4.24. Мидель-шпангоут баржи - площадки пр. 81210 /8/

При эксплуатации речных навалочников нередки случаи нарушения их общей прочности (переломов корпуса). При этом, в отличие от морских судов, переломы происходят на тихой воде. Причин этому несколько:

1) коррозионный износ, истирание и остаточные эксплуатационные местные деформации (переломы чаще происходят со старыми судами);

2) неправильная последовательность загрузки или выгрузки бункеров, при которой возникает неравномерное распределение груза по длине и рост наибольшего изгибающего момента и перерезывающей силы;

3) перегруз и неравномерное по длине распределение груза - «горками»;

4) посадка на мель.

Так как высота борта речных судов относительно мала, обеспечение общей продольной прочности достигается применением продольной системы набора палубы и днища даже при относительно небольших длинах корпуса (менее 80 м).