История создания норм остойчивости судов

Цель нормирования остойчивости заключается в обеспечении безопасной эксплуатации судов и прежде всего в предотвращении опрокидывания. Для достижения этой цели необходимо рассчитать характерные параметры остойчивости в неблагоприятных условиях плавания судна и сопоставить их с допустимыми значениями, гарантирующими безаварийную эксплуатацию.

После того как характеристики остойчивости судна с учетом неблагоприятных факторов, в частности, влияния волнения, жидких и сыпучих грузов, рассчитаны, перед проектантом или судоводителем встает вопрос; достаточны ли эти характеристики для безопасной эксплуатации судна и, прежде всего, для предотвращения опрокидывания? Чтобы ответить на этот вопрос, обращаются к нормам остойчивости — своду установленных законодательным путем правил, в которых указаны нижние пределы важнейших характеристик остойчивости судов, в должной мере обеспечивающих безопасность эксплуатации.

Нормирование остойчивости является сложным процессом, включающим решение ряда задач, далеко выходящих за рамки курса статики корабля. К ним, в частности, относятся: выявление неблагоприятных режимов плавания судна и выбор характерных параметров ветра и волнения, встречающихся ему в штормовую погоду; определение усилий, действующих на суда со стороны водно-воздушной среды, прежде всего аэро- и гидродинамических сил и моментов; расчет элементов движения судна под действием внешних сил, наиболее важным из которых является максимальный угол крена; установление предельно допустимых параметров остойчивости судов определенного типа или флота в целом, обеспечивающих безопасность эксплуатации в отношении остойчивости.

Перечисление этих задач показывает, что нормирование остойчивости связано с использованием гидрометеорологических сведений, методов гидромеханики и теории корабля, а также с анализом опыта эксплуатации судов, особенно данных аварийной статистики. Неудивительно, что этот сложный процесс имеет почти вековую историю и продолжается в настоящее время.

В нормировании остойчивости можно выделить, разумеется, с некоторой долей условности, три основных этапа. Вначале отдельные специалисты разрабатывали предложения, регламентировавшие некоторые характеристики остойчивости, но не имевшие силы закона. Первым из них, по-видимому, является предложение или, как говорят, критерий остойчивости А. Денни (1887 г.), который, основываясь на опыте постройки и эксплуатации судов, считал, что пароход должен иметь метацентрическую высоту не менее 0,244 м и плечи статической остойчивости при углах крена 30 и 45° также не менее 0,244 м. Однако непосредственная связь нормируемых параметров остойчивости с характерис-тиками действующих на судно внешних сил в этом предложении отсутствовала.

Такая связь появилась в работах 20-х гг. нашего века, посвященных нормированию начальной остойчивости (В.Л. Поздюнина, Т. Андерсона, С. Хольта, Нидермайера). В простейшей форме это выражалось в учете статического действия кренящего момента, создаваемого давлением ветра определенной силы и сопротивлением воды боковому дрейфу судна. Влияние волнения отражалось в этих работах косвенным путем: предлагалось поперечную метацентрическую высоту выбирать такой, чтобы не возникал резонанс бортовой качки на волнах, характерных для района плавания судна.

Совокупность наиболее часто встречающихся внешних факторов, влияющих на остойчивость судна в опасных условиях плавания, была впервые рассмотрена при нормировании остойчивости С.Н. Благовещенским (1932 г.). Кренящий момент, способный вызвать опасный статический крен судна, представлялся в виде суммы статически приложенных моментов от действия ветра, установившейся циркуляции — разворота судна, скопления пассажиров на одном борту и несимметрии весовой нагрузки относительно ДП. Для каждого из этих моментов приводились простые расчетные формулы. Кренящее действие волн учитывалось, как и в предыдущих работах, лишь косвенно, путем ограничения суммарного угла крена, включая амплитуду качки, углом максимума диаграммы остойчивости.

Ясно, что в штормовых условиях плавания динамическое действие главного кренящего фактора — ветра, — как правило, опаснее, чем статическое. Поэтому следующим значительным шагом в нормировании остойчивости следует считать предложение Л.М. Ногида (1934 г.) оценивать остойчивость по предельному, динамически приложенному давлению ветра, которое было выдвинуто в связи с обеспечением остойчивости рыболовных траулеров.

Существенный вклад в теорию и практику нормирования остойчивости внес Я. Рахола (1939 г.), предложивший два подхода к установлению норм. Для судов, плавающих во внутренних водоемах, где влияние на остойчивость наименее изученного в предвоенные годы фактора — морского волнения — не имеет решающего значения, при оценке остойчивости рекомендуется сопоставлять работу восстанавливающего момента с работой расчетного кренящего момента от перемещения пассажиров к борту и с суммарной работой кренящих моментов от давления ветра и от установившейся циркуляции. Для судов морского и океанского плавания, попадающих в самые разнообразные гидрометео-рологические условия, когда достоверный расчет кренящих моментов крайне затруднителен, задачу определения минимально допустимых характеристик остойчивости предлагалось решать путем анализа статистических данных об остойчивости судов, успешно эксплуатировавшихся, и судов, потерпевших аварию вследствие недостаточной остойчивости. В результате минимально допустимые плечи статической остойчивости оказались равными 0,14, 0,20 и 0,20 м для углов крена, равных соответственно 20, 30 и 40°. Соединив полученные точки плавной кривой, Я. Рахола построил минимальную диаграмму остойчивости, которая нашла широкое практическое применение.

Предложения отдельных специалистов были использованы и на втором этапе нормирования остойчивости судов, в послевоенные годы, когда в ряде стран и, прежде всего, в Советском Союзе начались работы по установлению государственных правил обеспечения остойчивости. По результатам выпол-ненных исследований и обобщения опыта эксплуатации судов, в основном данных аварийной статистики, Морским Регистром СССР — организацией, регламентирующей технические вопросы безопасности плавания, в 1948 г. были выпущены первые в истории гражданского судостроения и судоходства официальные нормы остойчивости морских судов, которые после существенной переработки были вновь изданы в 1959 г., а затем по мере усовершенствования периодически переиздавались, включая издание 1999 г. [12], [20].

Несколько позднее официальные нормы остойчивости появились и за границей — в США (1952 г.), ГДР (1953 г.), ПНР (1957 г.), Японии (1958 г.), Югославии, Китае, Франции, Голландии. В ряде стран, где отсутствовали санкционированные правительством нормы, широко использовали критерии остойчивости, предложенные отдельными специалистами или заимствованные из зарубежных правил. Таким образом, идея нормирования остойчивости получила в пятидесятые годы международное признание.

Это привело к возникновению третьего этапа в процессе нормирования остойчивости — разработке международных стандартов остойчивости морских судов. В 1960 г. на Конференции по охране человеческой жизни на море советская делегация выступила с предложением создать международные нормы остойчивости. Для их разработки при Подкомитете по подразделению на отсеки и остойчивости Межправительственной Морской Организации (ИМО) была образована специальная рабочая группа, в которую вошли и советские эксперты.   

Большая работа, проведенная этой группой и Подкомитетом при активном участии экспертов разных стран, позволила в 1967 г. предложить упрощенные рекомендации по обеспечению остойчивости рыболовных, грузовых и пассажирских судов длиной менее 100 м — судов, наиболее опасных, как показывает аварийная статистика, в отношении опрокидывания. Эти критерии ИМО регламентировали начальную остойчивость и характерные параметры статической и динамической остойчивости на больших углах крена [14]. В последующие годы на основе исследований остойчивости и качки судов на волнении в ИМО проведена работа по установлению физического критерия остойчивости, учитывающего одновременное действие на судно ветра и волн, о котором пойдет речь ниже.

Наряду с подготовкой стандартов остойчивости для ИМО велась и другая работа по международным правилам — согласованным правилам классификаций и постройки судов стран — членов Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ).  

Нормы остойчивости вошли в них составной частью и разрабатывались на базе действовавших тогда Норм остойчивости морских судов Регистра СССР [3]. В соответствии с национальным опытом постройки и эксплуатации судов в них были введены так называемые национальные отклонения, которые разрешали органам технического надзора и классификации стран — членов СЭВ допускать отдельные отступления от общих правил, принятых в 1970 г. Поскольку нормы Регистра являлись технической основой обеспечения остойчивости подавляющего большинства отечественных судов, плавающих под российским флагом и в настоящее время, остановимся на содержании этих норм подробнее.

 

 

4.2. Основные требования Правил Российского Морского Регистра судо-ходства и Кодекса Международной Морской организации (ИМО)

4.2.1. Критерий погоды (для судов, кили которых заложены или модернизация которых начата 1июля 2002 г. или после указанной даты).

Остойчивость по критерию погоды К считается достаточной, если при указанном ниже условном действии ветра и волнения выполняется требование (4.5), при этом:

.1 Судно находится под воздействием ветра постоянной скорости, направленного перпендикулярно к его диаметральной плоскости, которому соответствует плечо ветрового кренящего момента l_{w 1}, рис. 4.1;

.2 От статического угла крена q ₀, вызванного постоянным ветром и соответ-ствующего первой точке пересечения горизонтальной прямой l_{w 1} и кривой восстанавливающих плеч l (q), под действием волн судно кренится на наветренный борт на угол, равный амплитуде бортовой качки q ₁, рис. 4.1;

.3 На накрененное судно динамически действует порыв ветра, которому соответствует плечо кренящего момента l_{w 2};

.4 Вычисляются и сравниваются площади a и b, заштрихованные на рис. 4.1.  

Площадь b ограничена кривой l (q)восстанавливающих плеч, горизонтальной прямой, соответствующей кренящему плечу l_{w 2}, и углом крена q ₂ = 50⁰, либо углом крена q _с, соответствующим точке второго пересечения прямой l_w2 с кривой восстанавливающих плеч — в зависимости от того, какой из этих углов меньше.    

Площадь a ограничена кривой восстанавливающих плеч, прямой l_{w 2} и углом крена, равным θ₀ – q _{1 r}; 

.5 Остойчивость судна по критерию погоды K = b / a считается достаточной, если площадь b равна или больше площади a, т.е. . Для метеорологических судов значение критерия погоды K является в каждом случае предметом специального рассмотрения Регистром; при этом рекомендуется, чтобы эта величина была не менее 1,5.

.6  Статический угол крена θ₀ от действия постоянного ветра не должен пре-вышать 16⁰, либо угла, равного 0,8 угла входа в воду кромки открытой палубы, в зависимости от того, какой из них меньше. Остойчивость лесовозов проверяется только по предельному значению 16⁰; норматив 0,8 угла входа кромки палубы для них не применяется.

 

 

Рис. 4.1. К определению критерия погоды

 

.7 Расчет плеча кренящего момента от давления ветра.

Кренящее плечо l_{w 1}, м, принимается постоянным для всех углов крена и рассчитывается по формуле:

                                                                                                   (4.1)

где p_v – давление ветра, Па, определяется по табл. 4.1 в зависимости от района плавания судна;

                                            

               Таблица 4.1. Давление ветра p_v для транспортных судов

Район плавания судна	pv, Па
Неограниченный	504
Ограниченный I	353
Ограниченный II	252

 

z_v – плечо парусности, принимается равным измеренному по вертикали расстоянию от центра площади парусности до центра площади проекции подводной части корпуса на диаметральную плоскость, или, приближенно, до середины осадки судна;

A – площадь парусности, м²;

D – водоизмещение судна, т;

g =9,81 м/c².

Кренящее плечо l_{w 2} определяется по формуле

l_{w 2} = 1,5 l_{w 1}.                                                    (4.2)

Для рыболовных судов длиной от 24 до 45 м давление ветра в формуле (4.1) может приниматься по табл. 4.2 в зависимости от расстояния z_v от центра площади парусности до ватерлинии.                                                   

Таблица 4.2. Давление ветра p_v для рыболовных судов

zv, м	1	2	3	4	5	6
pv, Па	316	386	429	460	485	504

 

.8 Расчет амплитуды качки.

Амплитуда качки судна с круглой скулой, град., вычисляется по формуле

                                             (4.3)

где k – коэффициент, учитывающий влияние скуловых и/или брусковых килей и определяемый по табл.4.6; значение k принимается равным 1, если кили отсутствуют;

X ₁ – безразмерный множитель, определяемый по табл. 4.3 в зависимости от отношения B / d (В – ширина судна; d – осадка судна). Для судов смешанного плавания множитель X ₁ следует определять по табл. 4.3 а.

X ₂ – безразмерный множитель, определяемый по табл. 4.4 в зависимости от коэффициента общей полноты судна C _B;

параметр r определяется по формуле

                                                                                        (4.4)

Значение r не должно приниматься больше 1;

S – безразмерный множитель, определяемый по табл. 4.5 в зависимости от района плавания судна и периода качки T в секундах, который рассчитывается по формуле:

                                                                                                              (4.5)

где               

h – исправленная метацентрическая высота (с поправкой на свободные поверхности жидких грузов);                              

         .                          (4.6)

Здесь L  – длина судна;

            - аппликата ЦТ судна;

            С _W – коэффициент полноты площади ватерлинии.

                                                                                              

Таблица 4.3. Множитель X ₁.

B/d	£2,4	2,6	2,8	3,0	3,2	3,4	3,5	3,6	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	³6,5
X1	1,00	0,96	0,93	0,90	0,86	0,82	0,80	0,79	0,78	0,76	0,72	0,68	0,64	0,62

             

                                                                                                                                                                                                   

Таблица 4.3 а. Множитель X ₁ (суда смешанного плавания).

B/d	£ 2,4	2,6	2,8	3,0	3,2	3,4	3,5	3,6	4,0	4,5	5,0	5,5	³ 6,0
X1	1,00	0,96	0,93	0,90	0,86	0,82	0,80	0,80	0,80	0,86	0,92	0,97	1,00

 

Таблица 4.4. Множитель X ₂.

C B	£ 0,45	0,50	0,55	0,60	0,65	³ 0,70
X 2	0,75	0,82	0,89	0,95	0,97	1,00

  Таблица 4.5. Множитель S.

Район плавания судна	T, c
	£ 5	6	7	8	10	12	14	16	18	³ 20
Неограниченный	0,100	0,100	0,098	0,093	0,079	0,065	0,053	0,044	0,038	0,035
Ограниченный I и ограниченный II	0,100	0,093	0,083	0,073	0,053	0,040	0,035	0,035	0,035	0,035

 

.9 Для судов, имеющих скуловые кили или брусковый киль или то и другое вместе, коэффициент k определяется по табл. 4.6 в зависимости от отношения A_k / LB, в котором A_k – суммарная габаритная площадь скуловых килей, либо площадь боковой проекции брускового киля, либо сумма этих площадей, м².

                                                           

Таблица 4.6. Коэффициент k.

Ak/LB, %	0	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	³ 4,0
k	1,00	0,98	0,95	0,88	0,79	0,74	0,72	0,70

 

Скуловые кили не принимаются во внимание для судов, которые имеют в символе класса знаки категорий ледовых усилений ЛУ4 и выше.

.10 Амплитуду качки судна с острой скулой следует принимать равной 70% амплитуды, вычисленной по формуле (4.3).

Амплитуда качки судов, снабженных успокоителями качки, должна определяться без учета их работы.

.11 Промежуточные величины в табл. 4.1 – 4.6 должны определяться линейной интерполяцией. Расчетные значения амплитуды качки следует округлить до целых градусов.

4.2.2. Критерий ускорения (для судов, кили которых заложены или модернизация которых начата 1июля 2002 г. или после указанной даты).

Остойчивость по критерию ускорения К * считается приемлемой, если в рассматриваемом состоянии нагрузки расчетное ускорение (в долях g) не превышает допустимого значения, т.е. выполняется условие

                                  ,                                                     (4.7)

где – расчетное ускорение (в долях g), определяемое по формуле

                                           .                                                  (4.8)                                        

   В случаях, когда критерий ускорения K ^* < 1 допускается эксплуатация судна с дополнительными ограничениями по погоде, при этом допустимая высота волн 3%-ной обеспеченности определяется по табл. 4.7.

 

Таблица 4.7. Допустимая высота волн                                                                                        

К ^*	1,0 – 0,75	0,75 и менее
Допустимая высота волн 3%-ной обеспеченности, м	5,0	4,0

4.2.3. Метацентрическая высота (для судов, кили которых заложены или модернизация которых начата 1июля 2002 г. или после указанной даты).

Значение исправленной начальной поперечной метацентрической высоты h при всех вариантах загрузки должно быть не менее 0,15 м, за исключением особо оговоренных случаев.

4.2.4. Диаграмма статической остойчивости (для судов, кили которых заложены или модернизация которых начата 1июля 2002 г. или после указанной даты).

Максимальное плечо диаграммы статической остойчивости l _max должно быть не менее 0,25 м для судов длиной 80 м и менее и 0,20 м для судов длиной 105 м и более при угле крена q _m ³ 30⁰. Для промежуточных длин величина l _max определяется линейной интерполяцией.

По согласованию с Регистром угол, соответствующий максимуму диаграммы статической остойчивости, может быть уменьшен до 25⁰.

При наличии у диаграммы статической остойчивости двух максимумов вследствие влияния надстроек или рубок требуется, чтобы первый максимум диаграммы наступил при крене не менее 25⁰.

Предел положительной статической остойчивости (закат диаграммы) должен быть не менее 60⁰. Однако для судов ограниченного района плавания III СП он может быть уменьшен до 50⁰ при условии, что на каждый 1⁰ уменьшения приходится 0,01 м увеличения максимального плеча статической остойчивости сверх нормативного значения.

Для судов, кили которых заложены или модернизация которых начата 1 июля 2002 г. или после указанной даты, площадь под положительной частью диаграммы статической остойчивости должна быть не менее чем 0,055 м.рад до угла крена 30⁰ и не менее чем 0,09 м.рад до угла крена 40⁰. Дополнительно, площадь между углами крена 30 и 40⁰ должна быть не менее 0,03 м.рад.

Требования норм остойчивости для различных специфических типов судов (например, рыболовных судов, лесовозов, крановых судов, плавучих технических средств освоения океана и т.д.) могут отличаться от изложенных в этом параграфе. В правилах Российского морского регистра судоходства эта специфика учитывается в соответствующих разделах.