Использование диаграммы для расчетов при посадке судна на мель.

Посадка судна на мель является одной из возможных видов аварийных ситуаций. В наиболее опасных случаях такая ситуация угрожает не только самому судну, но и окружающей среде. Спасение крупнотоннажных судов, попавших на мель, всегда вызывает большие трудности. Чаще всего при проведении спасательных операций используются, следующие способы:

• разгрузка аварийного судна для самостоятельного схода судна с мели
• дифферентовка аварийного судна для самостоятельного схода судна с мели
• стаскивание с мели с помощью буксиров или работой винта аварийного судна на задний ход.

Решения по выбору способа снятия судна с мели должны приниматься оперативно, так как положение аварийного судна может ухудшаться вследствие волнения, колебания уровня воды при приливах и отливах и т.д. Для принятия обоснованного решения необходимо выполнить ряд расчетов, связанных с определением исходной информации, влияющей на выбор способа проведения операции.

Ниже предлагается достаточно точный способ, позволяющей судоводителю в течение нескольких минут получить исходную информацию для проведения спасательных операций по снятию судна с мели.

Предлагаемый метод позволяет оперативно определить реакцию грунта и координаты точки касания. Кроме того, достаточно просто оценить изменение реакции при различных вариантах  разгрузки судна, его дифферентовке, колебаниях уровня воды и т.д.

Для решения задачи необходимо нанести на диаграмму две рабочие точки. Первая А – соответствует посадке судна до аварии. Вторая В(аварийная точка) – соответствует положению аварийного судна при его посадке на мель. Положение рабочих точек определяется по фактическим значениям осадок носом и кормой.

В качестве примера на рис.3 нанесены две рабочих точки А и В для судна длиной L = 100 м. Этим точкам соответствуют следующие параметры:

• до аварии:          d_н = 5м,  d_к = 6м
• после аварии:     d_н = 4м,  d_к = 6,2м

Вычисление удобнее производить в следующем порядке:

I. Определение реакции грунта – R и координаты точки касания судна с мелью.

Величина R численно равна потере водоизмещения при проходе из точки А в точку В, т.е.

R = ∆_A – ∆_B          или    R = ∆_WA – ∆_WB        

( горизонтальное расстояние по оси абсцисс от проекции точки А до проекции точки В).

В рассматриваемом примере реакция грунта, как видно из рис.3 приблизительно равна:

R = 5000т – 4600т = 400т

При необходимости более точного определения величены реакции нужно вводить поправку на возможный изгиб корпуса. Для этого вначале вычисляют стрелки прогиба судна до и после аварии. Если их значения совпадают, т.е. изгиб

судна не изменился после попадания на мель (или изменился мало) поправки можно не вычислять. В общем случае, нужно по формуле (3) определить поправки к водоизмещению до и после аварии и учесть их при вычислении реакции грунта.

Координата точки касания с грунтом – х_М определяется по разности ординат точек А и В, т.е. дополнительному продольному моменту, создаваемому реакцией:

dМ_Х = RX_М

В нашем примере М_XA = 16000 тм

М_ХВ = 8800 тм      и      dМ_Х = 7200 тм = RX_М

Определение координаты «Y_М» при наличии крена судна будет рассмотрено ниже в главе 5.

II. Определение осадки в точке касания судна с грунтом.

Приближенно осадку в точке касания судна с мелью d_М можно определить по формуле (6). Для нашего примера имеем:

При наличии большой стрелки прогиба, осадку в точке касания с грунтом согласно работы [ 2 ] рекомендуется вычислять по формуле:

 где  dd₀ – изменение средней осадки при аварии

х_F  – абсцисса центра тяжести площади ватерлинии

Осадку d_M можно получить и графически, построив по трем фактическим осадкам  d_Н , d_{К ,} d   аварийную ватерлинию и нанеся ее на силуэт судна, снимают осадку d_М в сечении с абсциссой х_М.

III. Нанесение на диаграмму линии осадки в точке касания судна с грунтом.

Для понимания дальнейшего очень важно уяснить следующее: все повороты судна, сидящего на мели, осуществляются вокруг точки касания судна с грунтом. То есть, осадка в сечении судна  х = х_М при различных дифферентовках и разгрузках судна (вплоть до его схода с мели) будет оставаться практически одинаковой. В нашем примере эта осадка равна d_М = 4,7 м.

Разумеется, имеет смысл нанести на диаграмму эту линию, ведь именно по ней будут перемещаться рабочие точки аварийного судна при его дифферентовке и разгрузках.

         Проведение этой лини очень важно и позволяет производить дальнейшие вычисления и наметить план снятия судна с мели.

При передвижении рабочей точки А в любую точку на линии d_М =4,7 м реакция мели обращается в ноль и судно самостоятельно сходит с мели.

Построение этой линии достаточно просто. Во-первых, она проходит через точку В (аварийная точка). Дальше можно воспользоваться Выводом 2  и найти на диаграмме точки, соответствующие d_М = 4,7 м.

Задаваясь любыми значениями осадок носом d_нi (рис.4) и проведя их на прямую линию через точку d_М = 4,7 м.

Определяют соответствующие значения кормовых осадок для произвольного угла дифферента  Y по формуле:

В первом приближении эту линию можно провести через две точки, одна из которых будет точка В, а вторая – точка С, в которой d_Н =  d_К = d_М = 4,7 м. То есть точка С соответствует положению судна без дифферента со средней осадкой d_СР = 4,7 м. На рис.3 эта линия проходит через точки В,С,D,Е.

4. Снятие с мели.

В теории судна доказывается, что действие реакции, возникающей при посадке судна на мель, эквивалентно снятию груза. Соответственно груз, по массе равной реакции грунта, должен сниматься как бы в точке касания судна с мелью.

Таким образом, при снятии с судна этого груза из помещения с абсциссой  х_М, оно из точки А,  соответствующей начальному, до-аварийному состоянию, также передет в точку В.  При этом осадка в районе предполагаемого контакта с мелью станет равной 4,7 м, т.е. окажется равной осадке в этом месте при контакте с грунтом. Если судно при этой осадке подвести  к мели, реакция грунта будет равна нулю. Разумеется, это справедливо и для любого другого положения судна, у которого осадка в районе предполагаемого места контакта с мелью окажется равной 4,7 м.

Для самостоятельного схода судна с мели надо из точки А на диаграмме попасть на линию d_М при х = х_М. В нашем примере d_М = 4,7 м. На рис.3 эта линия проведена в соответствии с рекомендациями этапа 3.

Переместить точку А на эту линию можно различными способами, например:

1. Перемещение груза, т.е. создание дифферентующего момента – М _диф..

При этом точка А будет перемещаться вертикально вниз. Необходимая величина М _диф. находится как разность ординат точек А и Е (рис.3) и равна приблизительно 16000 т.м. Попутно определяется возможность выполнения такой операции с точки зрения ограничений по осадке в корме. При дифферентовке возможен контакт кормы с грунтом. В нашем случае для самостоятельного схода с мели погружение кормы должно быть равным приблизительно 7,5 м (через точку Е на диаграмме проходит линия d_К = 7,5 м). Если в районе кормы у аварийного судна глубина менее 7,5 м, то способ дифферентовки не выполним.

1. Снятие груза.

Снять груз  массой m можно из любого помещения на судне с координатой х. При этом рабочая точка А передвинется по оси абсцисс на величину снятого груза – m, а вдоль оси ординат на величину – m·х.

На рси.3 точка D соответствует  разгрузке из трюма, расположенного на миделе судна х = 0 необходимое количество снятого груза, для самостоятельного схода с мели равно разности абсцисс точек А и D. В нашем примере:

m = D_А – D_D = 5000 – 4200 = 800 т

        Предлагаемый метод позволяет наметить оптимальный способ спасения судна. Например, уже получено три возможных варианта схода судна с мели:

1. Снять 400 т груза  из помещения с координатой  х = х_М =18 м.
2. Создать дифферентующий момент М_диф. = 16000 т м (осадка в корме при этом достигнет » 7,5 м).
3. Снять 800 т груза из центрального трюма (х = 0), (осадка в корме » 5,5 м).

При невозможности или нежелании выполнить самостоятельный сход судна с мели за счет его разгрузки или дифферентовки, обычно прибегают к работе винта на задний ход или на снятие с мели с помощью буксиров.

В этом случае стягивающее усилие должно превосходить силу трения судна о грунт с учетом ряда дополнительных факторов (силы ветра, волнения, сдвигания грунта и т.д.). Учет этих последних факторов выходит за рамки рассмотрения данной работы и содержится в специальной литературе [2,3].

Сила трения равна произведению реакции грунта R на коэффициент трения. Зная способность своего судна по созданию тяги винта на заднем ходу, можно приближенно оценить возможность схода судна с мели.

Коэффициент трения зависит в основном от вида грунта и приближенно равен [2]:

для мелкого песка   – 0,35 ¸ 0,40 для крупного песка – 0,40 ¸ 0,44

для гравия                – 0,42 ¸ 0,45    для гальки                – 0,50 ¸ 0,52

для камня – валуна  – 0,40 ¸ 0,42     для глины                      – 0,15 ¸ 0,40

для суглинка            – 0,2 ¸ 0,43        для ила                – 0,1 ¸ 0,2

для гладкой плиты  – 0,7 ¸ 0,78

Для грубой оценки можно принять, что тяга винта на заднем ходу для транспортных судов пропорциональна мощности ГЭУ и каждый 1кВт мощности создает 7- 10 кг тяги заднего хода. Если мощность ГЭУ нашего судна равна, например, 3000 кВт, то тяга на стопе при работе винта на задний ход составит

» 21¸30 т. ( 200-300 кН).

При реакции грунта R = 400 т и коэффициенте трения о грунт К_ТР = 0,2, сила трения составит :

F_ТР = К_ТР · R = 0,2 · 400 = 80 т

Т.е. для снятия судна с мели работой винта на задний ход нужна сила по крайней мере в 2-3 раза большая. В этом случае необходимо постараться уменьшить реакцию.

Предлагаемый метод позволяет выполнять контролируемый способ уменьшения реакции грунта, что крайне важно для снятия судна с мели с помощью буксиров или усилий самого судна.

По диаграмме легко вычисляется изменения реакции R и посадки судна при любых перемещениях груза и частичных разгрузках судна из произвольного помещения с координатой – х.

Решение такой задачи достигается путем перемещения исходной точки А по горизонтали на величину массы снятого груза – m, а по вертикали на величину момента этой массы – m·x.

Новая точка А₁ (рис.5) станет исходной для определения интересующих нас величин.

Для определения реакции из нее надо провести отрезок А₁В₁ параллельно линии АВ. Точка В₁ лежит на линии d_M= 4,7м и соответствует новому положению судна на мели.          Новая реакция R₁ определится как разность абсцисс точек А₁ иВ₁ т.е.:

R₁= D_A1 – D_B1

Для определения новых осадок d_Н и d_К необходимо снять их значения, для точки В₁. На рис. 5 семейства кривых d_Н = const и d_К = const не показаны, чтобы не загромождать ими рисунка.

Из рис.3, где эти линии представлены, определим как изменится реакция грунта и посадка аварийного судна, если создать дифферентующий момент М_диф. = 10000 т.м. Для этого переносим рабочую точку А на диаграмме ( рис.3) вниз на величину М_диф.= 10000 т.м.

Новой точке А₁  соответствуют осадки d_Н = 4м, d_К = 7м.

Реакция грунта в соответствии с рисунком определяется как разность абсцисс точек А₁ и В₁ ( отрезок А₁ В₁ проводится параллельно АВ) и численно равна:

R₁ = D_А1 – D_В1 =5000 – 4870 » 130т

          для более точного определения нового значения реакции R₁ можно воспользоваться тем, что треугольники АВЕ и А₁ В₁ Е₁  на рис.3 подобны. Поэтому соотношение новой и старой реакции пропорционально отношению сторон треугольников.

В этом случае сила трения уменьшится и станет равной:

F_ТР = К_ТР·R₁ = 0,2·130 = 26т

          В результате возможен сход судна с мели при работе винта на задний ход, т.к. тяга заднего хода может достигнуть около 30т.