СПОСОБ РЕКОНСТРУКЦИИ СУДНА
METHOD OF SHIP RECONSTRUCTION

Изобретение относится к области судостроения и судоремонта и может быть использовано при проектировании, ремонте и модернизации судов.
Известен способ реконструкции танкера, имеющего корпус, включающий в себя носовую секцию, имеющую цилиндрическую вставку среднюю секцию с грузовыми танками, разделенными поперечными переборками, и кормовую секцию, заключающийся в том, что отделяют носовую секцию, имеющую кривизну, от средней в месте, расположенном рядом с задним концом носовой секции, вставляют дополнительный блок между отделенной носовой секцией и средней секцией и используют новую наружную оболочку двойного дна, причем упомянутый вставленный блок сохраняет кривизну носовой секции и увеличивается в направлениях ее ширины и глубины (высоты), чтобы образовать гладкую наружную поверхность корпуса, форма наружной оболочки двойного дна соответствует форме средней секции корпуса (см. патент РФ №2139808, МПК (6) В63В 9/04, опубл. 20.10.1999).
Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает необходимого увеличения грузовместимости и грузоподъемности, отличается сложностью и трудоемкостью технологии реконструкции.
Известен способ реконструкции судна (см. патент РФ №2271961, МПК (6) В63В 9/04, опубл. 20.03.2006), имеющего корпус, включающий в себя носовую секцию, имеющую цилиндрическую вставку среднюю секцию, разделенную поперечными переборками на отсеки, и кормовую секцию, заключающийся в том, что корпус судна разделяют на две части в области цилиндрической вставки средней секции рядом с поперечной переборкой грузового трюма, раздвигают на длину вставляемого дополнительного блока, сохраняющего ширину и форму цилиндрической вставки средней секции, вставляют последний, сохраняя уровень палубы и высоту надводного борта средней секции, и соединяют его с корпусом посредством прикрепления к разрезанным частям.
Недостатком известного способа является то, что при реконструкции судна с использованием дополнительного блока, увеличивающего грузоподъемность судна, происходит снижение таких параметров мореходности, как остойчивость и посадка, а также общей прочности судна в результате снижения момента сопротивления верхней расчетной палубы, что приводит к сокращению срока его эксплуатации, а значит реконструкция судна может оказаться экономически неэффективной.
Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения грузоподъемности судна и обеспечения при этом его общей прочности и параметров мореходности на срок эксплуатации, необходимый для получения экономического эффекта, за счет выбора оптимальной длины дополнительного блока и увеличения момента сопротивления верхней расчетной палубы, а также проведения корректировки его посадки и остойчивости.
gI
gI
Для получения необходимого технического результата в известном способе реконструкции судна, имеющего корпус, включающий в себя носовую секцию, среднюю секцию, имеющую цилиндрическую вставку, и кормовую секцию, заключающемся в том, что корпус судна разделяют на две части в области цилиндрической вставки, раздвигают, вставляют дополнительный блок, сохраняющий уровень палубы и ширину средней секции, и соединяют его с корпусом, предлагается после разделения судна определять координаты центра тяжести x и z разделенного и раздвинутого исходного судна по формулам
пop0
где D - массовое водоизмещение исходного судна порожнем;
н
D - масса носовой части судна;
к
D - масса кормовой части судна;
g0
x - абсцисса центра тяжести судна до реконструкции;
g0
z - аппликата центра тяжести судна до реконструкции;
Δх - проекция перемещения частей судна на ось абсцисс;
Δz - проекция перемещения частей судна на ось аппликат,
затем определять координаты центра тяжести дополнительного блока, а после соединения всех частей, производить расчет водоизмещения и координат центра тяжести реконструированного судна порожнем и под нагрузкой, на основании которых рассчитывать посадку и остойчивость и производить их корректировку размещением дополнительного балласта. Оптимальную длину дополнительного блока предлагается выбирать с учетом возможности обеспечения общей прочности судна на рассчитанный период его эксплуатации посредством укрепления верхней расчетной палубы и ширстреков дополнительного блока и средней секции накладными полосами.
На прилагаемых к описанию чертежах изображено:
фиг.1 - судно до реконструкции (вид сбоку);
фиг.2 - судно после реконструкции (вид сбоку);
фиг.3 - схематичное изображение исходного судна с обозначенными линией разреза и центрами тяжести двух частей судна после разреза;
фиг.4 - схематичное изображение разрезанного и раздвинутого судна с обозначенными центрами тяжести носовой и кормовой частей;
фиг.5 - фактический и требуемый моменты сопротивления верхней расчетной палубы реконструированного судна без накладных полос;
фиг.6 - фактический и требуемый моменты сопротивления верхней расчетной палубы реконструированного судна с накладными полосами.
На приведенных графических материалах используются следующие обозначения:
1 - носовая секция;
2 - цилиндрическая вставка;
3 - средняя секция;
4 - поперечные переборки;
5 - кормовая секция;
6 - поперечная плоскость;
7 - дополнительный блок;
8 - носовая часть судна;
9 - кормовая часть судна;
H
D -масса носовой части судна;
K
D - масса кормовой части судна;
H
x - абсцисса центра тяжести носовой части судна;
K
x - абсцисса центра тяжести кормовой части судна;
H
z - аппликата центра тяжести носовой части судна;
K
z - аппликата центра тяжести кормовой части судна;
Δx - проекция перемещения частей судна на ось абсцисс;
Δz - проекция перемещения частей судна на ось аппликат;
ОЛ - основная линия; КЛ - килевая линия.
Предлагаемый способ реконструкции можно использовать для судов, имеющих цилиндрическую вставку в средней секции. Носовая и кормовая части судна раздвигаются друг относительно друга по килевой линии согласно схеме (фиг.4). В области цилиндрической вставки судно разделяют на две части и раздвигают на ширину дополнительного блока.
Опыт эксплуатации судов показывает, что реконструкция судна будет экономически эффективна, если эксплуатация судна продлится не менее 15 лет. Выбор длины дополнительного блока предлагается определять с учетом возможности обеспечения общей прочности судна на рассчитанный период его эксплуатации, необходимый для получения экономического эффекта от реконструкции судна. Как подтверждают расчеты, например, при длине дополнительного блока, равной 0,3L, где L - расчетная длина исходного судна, момент сопротивления верхней расчетной палубы судна падает на 25% при расчетном сроке эксплуатации до 5 лет и на 40% - при расчетном сроке эксплуатации до 15 лет (фиг.5). Таким образом, в конце срока эксплуатации судна (до 15 лет) прочность судна оказывается необеспеченной с точки зрения требований Российского морского регистра судоходства. Следовательно, срок эксплуатации судна должен быть сокращен и реконструкция судна окажется экономически неэффективной. Чтобы исключить такие ситуации, необходимо при выборе оптимальной длины дополнительного блока учитывать возможность обеспечения общей прочности судна, которую предлагается обеспечить укреплением наиболее ослабленных после реконструкции связей судна, а именно верхней расчетной палубы и ширстреков дополнительного блока и средней секции. Момент сопротивления верхней расчетной палубы при этом является критерием общей прочности. Укрепление предлагается производить накладными полосами.
После разделения судна определяют координаты центра тяжести разделенного и раздвинутого исходного судна по формулам:
пop0
где D - массовое водоизмещение исходного судна порожнем,
н
D - масса носовой части судна,
к
D - масса кормовой части судна,
g0
x - абсцисса центра тяжести судна до реконструкции,
g0
z - аппликата центра тяжести судна до реконструкции,
Δх - проекция перемещения частей судна на ось абсцисс,
Δz - проекция перемещения частей судна на ось аппликат,
а также определяют координаты центра тяжести дополнительного блока известным способом.
Полученные координаты центра тяжести разделенного и раздвинутого исходного судна используются в дальнейшем для определения водоизмещения и координат центра тяжести реконструированного судна.
Предлагаемый способ нахождения координат центра тяжести разрезанного и раздвинутого исходного судна по формулам (1) и (2) снижает объем необходимых вычислений при определении водоизмещения и положения центра тяжести реконструированного судна (не требуется повторная разбивка судна на теоретические шпации и перерасчет составляющих нагрузки масс), за счет чего повышается точность вычислений.
пop
Водоизмещение порожнем реконструированного судна D находится по формуле:
пop0
где D - массовое водоизмещение исходного судна порожнем;
ДБ
Р - масса дополнительного блока;
УО
Р - масса устанавливаемого оборудования в корпусе исходного судна;
ДЭ
Р - масса демонтируемых элементов;
т.е. как сумма водоизмещения исходного судна и массы устанавливаемых элементов (дополнительный блок и новое оборудование в исходном корпусе) за вычетом массы демонтируемого оборудования.
gпop
gпop
Координаты центра тяжести реконструированного судна порожнем x и z вычисляются по формулам:
пop0
где D - массовое водоизмещение исходного судна порожнем,
i
ЦВ
УО
ДЭ
P - соответственно масса цилиндрической вставки Р, масса устанавливаемого оборудования в корпусе исходного судна Р, масса демонтируемых элементов Р;
i
ДБ
уо
ДЭ
x - абсциссы центров тяжести, соответственно, дополнительного блока х, устанавливаемого оборудования в корпусе исходного судна х и демонтируемых элементов х;
i
z - аппликаты центров тяжести, соответственно, дополнительного блока
ДБ
уо
ДЭ
z, устанавливаемого оборудования в корпусе исходного судна z и демонтируемых элементов z.
g
g
Соответственно водоизмещение D и координаты центра тяжести x и z реконструированного судна в расчетных случаях загрузки находятся по формулам:
пop
где D - водоизмещение порожнем реконструированного судна;
gпop
x - абсцисса центра тяжести реконструированного судна порожнем;
gпop
z - аппликата центра тяжести реконструированного судна порожнем;
DW - дедвейт реконструированного судна;
j
M - массы статей дедвейта;
j
x - абсциссы центров тяжести соответствующих статей дедвейта;
j
z - аппликаты центров тяжести соответствующих статей дедвейта.
Затем на основании полученных данных производится расчет посадки судна общеизвестным способом, например, с помощью масштаба Бонжана или в системе Диалог-Статик.
Если расчет посадки судна выявил избыточную плавучесть, требуется корректировка водоизмещения и положения центра тяжести путем принятия жидкого или твердого балласта. В качестве жидкого балласта используется забортная вода, а в качестве твердого - бетон. Жидкий балласт принимается в цистерны двойного дна, наиболее эффективное размещение твердого - в оконечностях.
Корректировка количества и мест размещения балласта производится до тех пор, пока не будет достигнуто удовлетворительное состояние посадки и остойчивости судна.
При удлинении судна предлагаемым способом требования к общей прочности, выраженные количественно моментом сопротивления крайних связей эквивалентного бруса (в большинстве случаев это верхняя расчетная палуба), увеличиваются, что отражено графиком на фиг.5. При этом с увеличением длины дополнительного блока и планируемого срока эксплуатации момент сопротивления верхней расчетной палубы реконструированного судна уменьшается из-за увеличения изгибающего момента с увеличением расчетной длины судна и исключения из эквивалентного бруса все большего числа потерявших устойчивость связей (см. фиг.5).
Для обеспечения общей прочности необходимо укрепить верхнюю расчетную палубу и ширстреки вставляемого блока и средней секции. Для укрепления выявленных ослабленных мест предлагается использовать способ применения накладных полос, описанный в "Инструкции по определению технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов" (Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации. - СПб.: Морской Регистр, 2007. - 320 с., Приложение 2).
Накладные полосы устанавливаются на верхней расчетной палубе и ширстреках реконструированного судна и являются непрерывными связями на протяжении всей средней секции и дополнительного блока, что позволяет включить их в расчет общей прочности реконструированного судна. Установка накладных полос повышает момент сопротивления верхней расчетной палубы, что отражено на фиг.6, где изображена зависимость момента сопротивления от длины дополнительного блока судна с накладными полосами с различными расчетными сроками эксплуатации. По сравнению с фиг.5, где приведены те же данные для судна без накладных полос, видно увеличение момента сопротивления и то, что суда с более длинным дополнительным блоком и долгим сроком эксплуатации удовлетворяют требованиям к общей прочности.
Конкретный пример осуществления способа
Реконструкции путем вставки дополнительного блока подвергается большой морозильный траулер. Длина дополнительного блока установлена равной 0,2 L (где L - исходная длина судна) или 19,28 м. Расчетный срок эксплуатации судна после реконструкции - 15 лет. Характеристики исходного судна, дополнительного блока и судна в результате реконструкции приведены в табл.1.
Таблица 1
Характеристика
Обозначение и размерность
Исходное судно
Дополнительный блок
Судно после реконструкции
Водоизмещение порожнем
D<sub>пор</sub>, т
3848
-
4439
Водоизмещение расчетное
D, т
5454
-
6714
Длина между перпендикулярами
L<sub>pp</sub>, м
96,4
19,28
115,68
Ширина
В, м
16,0
16,0
16,0
Высота борта главной палубы
Н<sub>ГП</sub>, м
7,4
7,4
7,4
Высота борта до верхней палубы
Н<sub>ВП</sub>, м
10,2
10,2
10,2
Высота борта до палубы бака
Н<sub>ПБ</sub>, м
13,0
13,0
13,0
Осадка расчетная
Т, м
5,7
5,7
5,35
Коэффициент полноты ватерлинии
α
0,791
1
0,813
Коэффициент общей полноты
δ
0,585
0,937
0,630
Коэффициент полноты мидель-шпангоута
β
0,937
0,937
0,930
Ниже описан порядок проведения расчетов в соответствии с формулой изобретения.
1. Определение положения центра тяжести разрезанного и раздвинутого судна
Носовая и кормовая части судна раздвигаются друг относительно друга по килевой линии согласно схеме (фиг.4). Из исходных данных и технического задания известны: водоизмещение порожнем, массы носовой и кормовой частей судна, координаты центра тяжести судна порожнем и проекции перемещения центров тяжести носовой и кормовой частей судна (см. таблицу 2).
Таблица 2
Величина
Значение
D<sub>пор</sub>
3848 т
D<sub>н</sub>
1633 т
D<sub>к</sub>
2215 т
x<sub>g0</sub>
-5,2 м
z<sub>g0</sub>
7,28 м
Δx
9,64 м
Δz
0,160 м
Координаты центра тяжести разрезанного и раздвинутого судна вычисляются по формулам (1) и (2):
2. Определение массы и координат центра тяжести дополнительного блока, включая устанавливаемое оборудование
Т.к. дополнительный блок не является изолированной частью корпуса реконструированного судна, целесообразно рассчитывать его массу и координаты центра тяжести как составляющую комплекса оборудования, устанавливаемого на судне в процессе реконструкции. Расчет массы и координат центра тяжести устанавливаемых элементов с исходными данными и результатами приведен в таблице 3.
Таблица 3
Наименование
Масса, т
Координаты, м
Статические моменты, тм
P<sub>i</sub>
x<sub>gпop</sub>
z<sub>gпop</sub>
P<sub>i</sub>
Металлический корпус дополнительного блока
252.8
0.7
5.70
177
1441.0
Судовые устройства и дельные вещи
28.0
-7.1
14.50
-199
406.0
Судовые системы в дополнительном блоке
40.0
0.0
5.65
0
226.0
Производственно-технологическое оборудование, в т.ч.
102.4
-15.5
8.78
-1587
899.5
морозильное оборудование
82.5
-12.1
8.85
-998
730.1
технологическое оборудование
16.5
-26.7
8.85
-441
146.0
рыбные бункеры
3.4
-43.5
6.89
-148
23.4
Оборудование грузовых трюмов
55.0
2.4
4.06
132
223.3
Холодильное оборудование
15.0
-15.1
4.60
-227
69.0
Промысловое оборудование
39.0
-48.3
11.46
-1884
447
насосное оборудование
7.0
-39.2
11.20
-274
78.4
лебедки
32.0
-50.3
11.53
-1610
369.0
Грузовые лебедки
9.0
7.7
14.30
69
128.7
Изоляция трюмов
108.0
0.1
4.60
11
496.8
Прочая изоляция
10.0
0.0
9.31
0
93.1
Электрооборудование, в т.ч.
40.0
-33.4
4.8
-1335.0
191.4
дизель-генератор
30.0
-44.5
4.48
-1335
134.4
прочее оборудование
10.0
0.0
5.70
0
57.0
Покрытия
2.5
0.0
4.64
0
11.6
Итого устанавливаемые элементы
701.7
-6.9
6.60
-4843.0
4633.4
3. Определение водоизмещения и координат центра тяжести порожнем реконструированного судна
Водоизмещение порожнем определяется по формуле (3) как сумма водоизмещения исходного судна и массы устанавливаемых элементов (дополнительный блок и новое оборудование в исходном корпусе) за вычетом массы демонтируемого оборудования. Координаты центра тяжести реконструированного судна порожнем вычисляются как отношение суммы статических моментов масс к водоизмещению порожнем реконструированного судна по формулам (4) и (5).
Расчет водоизмещения порожнем реконструированного судна с исходными данными и результатами расчета представлены в таблице 4.
Таблица 4
Наименование
Масса, т
Координаты, м
Статические моменты, тм
P<sub>i</sub>
x<sub>gпop</sub>
z<sub>gпop</sub>
P<sub>i</sub>x<sub>i</sub>
P<sub>i</sub>z<sub>i</sub>
Исходное судно
3848.0
-6.7
7.26
-25782
27936
Демонтируемое оборудование
172.6
-31.2
8.40
-5379
1450
Устанавливаемые элементы
701.7
-6.9
6.60
-4843
4633
Водоизмещение порожнем
4377.1
-5.8
7.11
-25246
31119
4. Водоизмещение и координаты центра тяжести в расчетных случаях нагрузки определяются по формулам (6-8).
Исходные данные для расчета водоизмещения реконструированного судна и результаты расчета для случая нагрузки 100% груза, 10% запасов представлены в таблице 5.
Таблица 5
Статья нагрузки
Масса M<sub>j</sub>, т
x<sub>gпop</sub>, м
z<sub>gпоp</sub>, м
P<sub>i</sub>x<sub>i</sub>, тм
P<sub>j</sub>x<sub>j</sub>, тм
Судно порожнем
4377.1
-5.8
7.11
-25246
31119
Дедвейт DW
2763.6
0.87
5.13
2416.1
14175.6
Судно в случае нагрузки 100% груза, 10% запаса
7140.7
-3.22
6.34
-22971.1
45296.8
5. Расчет посадки и остойчивости реконструированного судна
Расчет посадки производится общеизвестным способом, например, с помощью масштаба Бонжана или в системе Диалог-Статик. Расчет остойчивости производится в соответствии с Правилами классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства, что также возможно в системе Диалог-Статик. В таблице 6 отражены результаты расчета посадки и остойчивости реконструированного судна в случае нагрузки 100% груза, 10% запасов.
Таблица 6
Наименование
Значения
Расчетное
Допустимое
Осадка на миделе, м
5.53
Осадка носом, м
5.19
Осадка кормой, м
5.88
Поперечная МЦВ с учетом поправок, м
0.980
≥0.15
Угол максимума, град.
50.65
≥28.50
Угол заката, град
90.00
≥57.00
Максимальное плечо, м
1.044
≥0.200
Динамический угол крена, град.
22.90
≤50.00
Критерий погоды
5.29
≥1.00
Критерий ускорения
5.86
≥1.00
Площади под диаграммой, м*рад
до 30 град.
0.155
≥0.055
до 40 град.
0.298
≥0.090
от 30 до 40 град.
0.143
≥0.030
Крен от статического действия ветра, град.
6.45
≤16.00
Из результатов видно, что судно удовлетворяет критериям остойчивости, однако с точки зрения осадки судно имеет значительный дифферент на корму (осадка кормой больше осадки носом) желательно заглубить носовую часть (увеличить осадку носом) для улучшения ходкости и во избежание слемминга (ударов носовой части судна о волны).
Чтобы заглубить носовую оконечность в первых четырех шпациях размещен твердый балласт в количестве 200 т. Подбор вида балласта (твердый или жидкий) и его количества осуществляется методом последовательных приближений.
В табл.7-8 приведен расчет водоизмещения и положения центра тяжести реконструированного судна с принятым твердым балластом порожнем и в случае нагрузки 100% груза, 10% запасов.
Расчет водоизмещения порожнем реконструированного судна с твердым балластом приведен в таблице 7.
Таблица 7
Наименование
Масса, т
Координаты, м
Статические моменты, тм
P<sub>i</sub>
x<sub>gпop</sub>
z<sub>gпop</sub>
P<sub>i</sub>x<sub>i</sub>
P<sub>i</sub>z<sub>i</sub>
Исходное судно
3848.0
-6.7
7.26
-25782
27936
Демонтируемое оборудование
172.6
-31.2
8.40
-5379
1450
Устанавливаемые элементы
701.7
-6.9
6.60
-4843
4633
Твердый балласт
200.0
49.8
1.50
9960
300
Водоизмещение порожнем
4577.1
-3.3
6.86
-15286
31419
Расчет водоизмещения реконструированного судна с твердым балластом в случае нагрузки 100% груза, 10% запасов приведен в таблице 8.
Таблица 8
Статья нагрузки
Масса M<sub>j</sub>, т
x<sub>gпop</sub>, м
z<sub>gпор</sub>, м
P<sub>i</sub>x<sub>i</sub>, тм
P<sub>i</sub>z<sub>i</sub>, тм
Судно порожнем
4577.1
-3.3
6.86
-15286
31419
Дедвейт DW
2763.6
0.87
5.13
2416.1
14175.6
Судно в случае нагрузки 100% груза, 10% запасов
7340.7
-1.73
6.21
-12688.3
45574.5
В табл.9 приведены результаты расчета посадки и остойчивости реконструированного судна с твердым балластом в случае нагрузки 100% груза, 10% запасов в системе Диалог-Статик.
Таблица 9
Наименование
Значения
Расчетное
Допустимое
Осадка на миделе, м
5.70
Осадка носом, м
5.82
Осадка кормой, м
5.58
Поперечная МЦВ с учетом поправок, м
1.027
≥0.15
Угол максимума, град.
52.05
≥28.50
Угол заката, град.
90.00
≥57.00
Максимальное плечо, м
1.142
≥0.200
Динамический угол крена, град.
22.30
≤50.00
Критерий погоды
6.15
≥1.00
Критерий ускорения
5.48
≥1.00
Площади под диаграммой, м*рад
до 30 град.
0.153
≥0.055
до 40 град.
0.303
≥0.090
от 30 до 40 град.
0.149
≥0.030
Крен от статического действия ветра, град.
7.02
≤16.00
Из результатов расчета видно, что остойчивость судна удовлетворяет требованиям Регистра. Осадку также следует признать удовлетворительной (несмотря на то, что осадка носом больше осадки кормой ввиду наличия у судна конструктивного дифферента на корму, в результате судно сидит на ровный киль).
6. Обеспечение общей прочности реконструированного судна
Общую прочность реконструированного судна обеспечивают путем установки накладных полос в области верхней расчетной палубы и ширстреков дополнительного блока и средней секции.
На фиг.5 представлены результаты расчета, выполненного согласно Инструкции по определению технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов (Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации. - СПб.: Морской Регистр, 2007. - 320 с., Приложение 2). Ось абсцисс - длина устанавливаемого на судно дополнительного блока, измеренная в теоретических шпациях (исходное судно разбито на 20 шпаций). Ось ординат - момент сопротивления верхней расчетной палубы, фактический и требуемый Регистром. Графики построены для судов с различным расчетным сроком эксплуатации после реконструкции. На фиг.6 - тот же расчет для судов с установленными накладными полосами.
Как видно из фиг.5 и 6, установка накладных полос для увеличения общей прочности позволяет увеличить возможную длину дополнительного блока или срок эксплуатации реконструированного судна.
Таким образом, в результате реконструкции большого морозильного траулера его длина с помощью дополнительного блока увеличена на 0,2L (19,28 м). При этом обеспечено состояние посадки и остойчивости, удовлетворяющее требованиям Регистра, а общая прочность (критерием которой является момент сопротивления верхней расчетной палубы) обеспечена на срок эксплуатации 15 лет путем установки накладных полос в районе верхней палубы и ширстреков. Как видно из фиг.5, без укрепления общую прочность можно считать обеспеченной лишь на срок 10 лет, что делает реконструкцию экономически неэффективной.