1.5 Непотопляемость

Непотопляемость - способность судна сохранять минимально необходимые значения плавучести и остойчивости в аварийных ситуациях, когда часть непроницаемого корпуса заполнена водой.

Задачи непотопляемости принципиально не отличаются от задач, решаемых методами плавучести и остойчивости, однако, для определения количества принятой в корпус воды, оценки аварийной остойчивости и назначения минимально приемлемых параметров посадки необходимо введение в рассмотрение специфических понятий, принятых в теории непотопляемости.

Отсек -- часть объема корпуса, отделенного непроницаемыми переборками. Характеристикой аварийного отсека является его категория. Отсек 1-й категории -- заполненный водой доверху и не сообщающийся с забортным пространством, отсек 2-й категории -- тоже не сообщающийся, но имеющий свободную поверхность и отсек 3-й категории -- сообщающийся с забортной водой. Воду, поступившую в аварийные отсеки первых двух категорий, можно считать принятым на судно жидким грузом и определять параметры посадки и остойчивости методами, приведенными в пп.1.3-1.5, т.к. положение аварийной ВЛ полностью определяется количеством и расположением принятой в корпус воды. Для отсеков 3-й категории, у которых количество воды зависит от положения аварийной ВЛ, определяемой неизвестными заранее параметрами посадки, задачи непотопляемости решаются в предположении, что весь объем аварийного отсека принадлежит забортному пространству, а площадь поверхности отсека утеряна из площади действующей ВЛ.

Коэффициент проницаемости - - отношение действительного объема, который может заполнить поступившая в отсек вода (с учетом непроницаемых объемов грузов и предметов, находящихся в отсеке) к теоретическому объему отсека, определяемому его геометрическими размерениями. Значения коэффициента проницаемости приведены в табл.13.

Таблица 1.13. Коэффициенты проницаемости

Типы отсеков	Характеристики грузов	Коэффициент проницаемости
Пассажирские помещения		0,95
Машинное отделение		0,85
Балластные отсеки		0,90
Грузовые помещения	Навалочные грузы	0,60
	Генеральные грузы	0,80
	Лес, хлопок в кипах	0,40

Примечание: Приведенные осредненные значения коэффициента проницаемости используются в учебных целях, подробные сведения о коэффициентах проницаемости даны в нормативных документах.

Предельная линия погружения (ПЛП) -- условная линия, проведенная эквидистантно линии палубы у борта или линии открытых отверстий, которую не должна пересекать аварийная ВЛ.

Расход воды через пробоину -- объем поступающей в корпус воды за единицу времени, приближенно определяется по формуле м³/c, где F_п -- площадь пробоины в м², a_п -- наибольшее заглубление пробоины в м.

Приведенные выше понятия используются при решении задач, которые условно можно разделить на предварительные и оперативные. Первые, связанные с определением посадки судна и остойчивости при затоплении одного или группы отсеков, решаются на этапе проектирования судна при выборе рациональной схемы расстановки переборок для разделения корпуса на отсеки и назначения судну запасов плавучести, вторые -- решаются при оценке аварийных ситуаций на судне и прогнозировании поведения корабля в реальной обстановке.

Упражнения

1.20. Определить параметры посадки грузового судна при затоплении носового трюма с грузом руды m_гр= 500 т (удельно-погрузочный объем v=0,8 м³/т) до отметки, соответствующей объему трюма v₀=600 м³ и центру тяжести объема z=2,9 м, после заделки пробоины. Известны элементы судна: L= 110 м, B= 12 м, H= 5,0 м, = 0,85, =0,80, x_f= -1,5 м, x_c= -1,0 м. До аварии T₀= 3,0 м, z_g= 3,2 м, =. Размеры трюма в плане lxb = 22x11 м, отстояние Ц.Т. трюма от миделя x_тр=32 м. Учесть, что при аварии возможно поперечное смещение Ц.Т. груза на величину =2,0 м.

Решение:

Аварийный отсек 2-й категории. Определяется объем поступившей в корпус воды, как объем трюма за вычетом непроницаемого для воды объема груза (коэффициент проницаемости = 0,6).

Объем груза v_гр=m_гр v=500 * 0,8=400 м³. Непроницаемый объем v_н=v_гр*(1- )=400 * (1-0,6)=160 м³. Объем воды, поступившей в отсек v_в=v₀-v_н=440м₃. Масса воды m_в= *v_в=440 т считается принятым на судно грузом с координатами x=32 м, y=0 м и z= 2,9 м.

Дальнейший расчет ведется обычным способом (см. упражнение 1.13). Предварительно рассчитываются необходимые исходные данные по судну.

м²; 0,8*110*12*3,0=3168 м³; = 3,80 м; = 260 м; =1,55 м; =2,15 м;

м; =6,68*10⁴ кНм; =8,1*10⁶ кНм.

После аварии приращение средней осадки определится выражением:

=0,393 м.

Приращение коэффициентов остойчивости будет складываться из изменений, обусловленных приемом груза, и влиянием свободной поверхности воды в трюме. Согласно формулам 1.8 и 1.11 подсчитываются следующие величины.

Моменты инерции площади поверхности воды в трюме

i_x=lB³/12=22*11³/12=2440 м⁴; i_y=l³B/12=22³*11/12=9760 м⁴.

Приращения коэффициентов остойчивости

кНм;

кНм.

Коэффициенты остойчивости судна после аварии k'=4,41* 10⁴ кНм, K'= 8,0*10⁶ кНм.

Кренящий момент от возможного смещения груза и дифферентующий момент от принятой в трюм воды определяются по выражениям:

кНм; кНм.

Ожидаемые углы наклонений определяются из условий: ;

.

Осадки оконечностей будут равны

=4,46 м;

=2,39 м.

1.21. Решить предыдущую задачу в предположении, что в затопляемом трюме отсутствует груз, распределенный по другим трюмам. В этом случае объем воды, влившейся в трюм равен объему трюма v_e=600 м³.

Решение:

После аварии приращение средней осадки равно 600/(1,0*1120)=0,536 м.

Приращения коэффициентов остойчивости

600*9,81*(3+0,5*0,536-2,9)-2440*1*9,81=-2,18*10⁴ кНм;

600*9,81*(3+0,5*0,536-2,9)-9760*1*9,81=-9,36*10⁴ кНм;

Коэффициенты остойчивости после аварии k'=4,5*10⁴ кНм; K'=8,0*10⁶ кНм.

Кренящий и дифферентующий моменты

M_кр=9,81*600*2=1,177*10⁴ кНм; M_диф=9,81*600*[32-(-1,5)]=1,972*10⁵ кНм.

Углы крена и дифферента

=1,177*10⁴/4,5*10⁴=0,262 рад=15⁰; =1,972*10⁵/8,0*10⁶=0,025 рад=1,4⁰.

Осадки оконечностей T_н=3,536+0,025*(55+1,5)=4,95 м; T_к=3,536-0,025*(55-1,5)=2,20 м.

1.22. Решить предыдущую задачу в предположении, что пробоина не закрыта и отсек сообщается с забортной водой, т.е. является отсеком 3-й категории, а объем трюма до уровня ГВЛ v₀=600 м³ (рис.1.24).

Рис.1.24. К упражнению 1.22

Решение:

В этом случае предполагается, что водоизмещение судна осталось прежним, а объем трюма до уровня ГВЛ и часть площади ВЛ над трюмом утеряны.

Подсчитываются следующие величины.

Утерянная площадь s=lb=22*11=242 м².

Действующая площадь ВЛ =1120-242=878 м².

Статический момент действующей ВЛ относительно миделя M_y=S x _f- sx=1120*(-1,5)-242*32=-9420 м³.

Абсцисса Ц.Т. действующей ВЛ x_f=M_y/S'=-9420/878=-10,7\ м.

Центральный момент инерции действующей площади ВЛ J'_x=J_x - i_x, где J_x=rV; i_x=2440 м⁴ (см. предыдущее упражнение) J'_x=3,80*3168-2440=9600 м⁴.

Момент инерции аварийной ВЛ можно подсчитать, представляя ее как совокупность простых фигур -- прямоугольника с площадью s₁=65*12=780 м² и треугольника с площадью s₂=0,5*11,5*12=69 м². Тогда, пренебрегая собственным моментом инерции треугольника, получим J'_f=i₁+s₁(x₁-x'_f)²+s²(x₂- x'_f)².

J'_f=65^3*12/12+780*[(-32,5)-(-10,7)]²+69*[41,3-(-10,7)]²=8,32*10⁵ м⁴.

Соответствующие метацентрические радиусы будут равны

м. м.

Приращение осадки определяется в предположении, что утерянный объем отсека компенсирован объемом слоя, вошедшего в воду для обеспечения условия плавучести (рис.1.25) =v₀/S'=600/878=0,683 м.

Рис.1.25. К упражнению 1.22

Аппликата Ц.В. после аварии =1,9 м.

Значения метацентрических высот, коэффициентов остойчивости и угла крена после аварии

h'₀=r'+z'_c-z_g=3,03+1,90-3,20=1,73 м; k'=gMh'₀=9,81*1,90*3168=5,91*10⁴ кНм; H'₀  R'=263 м;

K'=gMH'₀=9,81*3168*263=8,17*10⁶ кНм.; =M_кр/k'=11770/59100=0,2 рад=11,45⁰.

Появление дифферентующего момента объясняется тем, что после перемещения объема v₀ из положения, характеризующегося абсциссой x= 32 м, в положение с абсциссой x=x'_f=-10,7 м (там, где расположен Ц.Т. действующей ВЛ), произошло перемещение Ц.В. судна на величину

м..

Следовательно, сила тяжести D=gM и сила поддержания образовали дифферентующую пару с плечом, равным = 8,09 м. Момент этой пары M_диф=gM уравновешивается восстанавливающим моментом , откуда угол дифферента определяется как

рад=1,76⁰.

Осадки оконечностей

=5,72 м;

=2,31 м.

23. Рассчитать время, за которое судно утратит плавучесть после получения пробоины в районе машинного отделения, если известно: площадь пробоины F_п= 0,2 м², наибольшее заглубление пробоины a_п=2,5 м, суммарный объем отсеков МО v₀= 650 м³, объем до уровня расположения аварийного генератора v'= 300 м³, производительность водоотливных средств Q_н=200 м³/ч = 0,056 м³/с. Размерения судна = 90х10х3х0,8,

а запас плавучести установлен в 30%.

Решение:

Расход воды через пробоину м³/с.

Запас плавучести % =30%, следовательно, наибольший объем воды, который может принять судно м³ . До момента затопления аварийного генератора могут работать водоотливные средства, следовательно интенсивность поступления воды в корпус при этом Q'=Q-Q_н=0,99-0,056=0,834 м³/c. Время до затопления генераторов t₁=v'/Q'=300/0,834}=360 с=6 мин. Время заполнения остального объема отсека мин. Итого, время, отпущенное на принятие мер по борьбе за живучесть судна  12 мин.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент проницаемости?

2. Каковы принципы разделения аварийных отсеков на категории?

3. Какова роль предельной линии погружения в оценке плавучести аварийного судна?

4. Какие требования предъявляют Правила Регистра к непотопляемости судна?

5. Какими методами ведется расчет параметров посадки аварийного судна?

6. В чем суть различия значений МПМВ, полученных в результате расчетов разными методами?

7. Как оперативно рассчитать количество воды, поступающей через пробоину?

8. Каковы причины изменения остойчивости аварийного судна?

9. Что такое утерянная площадь ВЛ?

Задачи

1.86. Элементы судна L= 96 м, B= 12 м, T= 2,8 м, = 0,75, = 0,80, z_g= 3,2 м. В результате аварии затоплены отсеки двойного дна по ЛБ с объемом v₀=200 м³ и координатами Ц.Т. z= 0,5 м, y= 3,0 м. Определить изменение коэффициента остойчивости и угла крена. Недостающие величины найти по приближенным формулам.

1.87. Для судна, кривые элементов которого приведены на рис.1.23, рассчитать параметры посадки после затопления трюма через горловину люка. Объем влившейся воды v_в=300 м³, координаты x= 18 м, z= 1,2 м, размеры трюма в плане lхb= 25х12 м. Осадка судна до аварии T= 2,8 м, дифферент = -0,3 м.

1.88. Определить посадку грузового судна и изменение коэффициента поперечной остойчивости, если бортовая цистерна, не сообщающаяся с забортным пространством, будет частично затоплена водой. Объем воды v_в= 120 м³, координаты x= 11,8 м, y= 3,4 м, z= 1,0 м. Элементы судна L= 98 м, B= 11,8 м, T_н= 2.64 м, T_к= 2,71 м, = 0,82, = 0,90, x_f= -1,2 м. Площадь свободной поверхности в цистерне lхb= 11х5,4 м. Метацентрические высоты судна до аварии h₀= 3,0 м и H₀= 240 м.}

1.89. Аварийный отсек (см. задачу 1.85) сообщается с забортной водой. Объем отсека по аварийную ВЛ v₀= 170 м³, определить посадку судна.

1.90. Проверить непотопляемость плавучего крана, если вследствие пробоины будет затоплен кормовой отсек правого борта, длина которого l= 2,0 м, ширина b= 5,0 м. Исходные данные: M= 386 т, x_g= -0,3 м, y_g=0, z_g= 4,7 м, LхBхT=30х10х2,0 (м), = 0,92. Определить угол крена и минимальную высоту надводного борта.

1.91. Определить аварийную посадку судна после затопления следующих отсеков: а) отсека двойного дна v₁= 140 м³, x₁ = 15 м, y₁=0, z₁=0,5 м, б) форпика v₂= 70 м³, x₂= 23 м, y₂=0, z₂= 1,7 м, i_x2= 100 м⁴, в) отсеков двойного борта v₃= 120 м₃, x₃= 15 м, y₃=-5,0 м, z₃ =1,2 м, i_x3= 140 м⁴, г) грузового трюма v₄= 100 м³, x₄ = 20 м, y₄=0, z₄= 1,0 м, i_x4= 700 м⁴. Отсеки не сообщаются с забортной водой. Исходные данные по судну: LхBхHхTх = 56х11х4,0х2,7х0,82, = 0,88, z_g= 3,5 м. Недостающие данные определить по приближенным формулам.

38