Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления, Выпуск 1, январь - февраль 2014 права и инновационных технологий (ИГУПИТ)

Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

http://naukovedenie.ru 34TVN114

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогноз ледового воздействия на суда Пермского портового флота при планировании его зимнего отстоя

портовый флот баржа защитный

С 1989 года до весны 2013 года самоходные и несамоходные суда ОАО «Порт Пермь» отстаивались в зимний период у стенки грузового района в соответствии со схемой, разработанной ГИИВТом (Горьковский институт инженеров водного транспорта (ныне - Волжская государственная академия водного транспорта); в 1989 году [7]. С октября 2013 года появилась необходимость расстановки судов для зимовки у причальной стенки Заостровского терминала, расположенного по левому береги реки Кама на участке 2249,7 - 2250,5 км по атласу ЕГС (единая глубоководная система европейской части России (внутренние водные пути) том 9 часть 1 [1].

Вследствие изменения района отстоя флота и уточнения его количественного и качественного состава Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» Россия, Нижний Новгород (ФБОУ ВПО ВГАВТ) по заказу ОАО «Порт Пермь» произведены новые обоснования безопасной зимней стоянки судов с учётом проекта [7]. При этом помимо использования традиционных аналитических, полуэмпирических и нормативных методик для оценки ледового воздействия на суда и гидротехнические объекты [3,4,8,9,10], экспертами выполнено моделирование развития ситуации при различных вариантах ледовой защиты каравана с применением современных CAE-систем [11].

Потребность в подобном прогнозе обусловлена неспособностью упомянутых методик к описанию динамики вероятных последствий навала льдов на караван. CAE-системы - это программные комплексы, реализующие численные решения (чаще в трёхмерной конечноэлементной постановке) в задачах механики твёрдых тел и различных сред. Трудоёмкость описания и относительная длительность решения задач в большой степени окупается высокой достоверностью, наглядностью, детализацией рассматриваемых процессов. В общем случае CAE-системы в сочетании с адекватными традиционными решениями - это инструмент, обеспечивающий оптимальное соотношение затрат судовладельца на проведение экспертного ледового анализа с надёжностью получаемых результатов.

Гидрометеорологические условия отстоя флота

Гидрометеорологические условия обусловливают отстой флота в зимний период в порту - время, место, схемы расстановки и защиты судов, комплекс организационных мероприятий по безопасному отстою флота. К ним относятся температура воздуха, ледовые условия, уровненный режим и скорость течения у причала.

Гидрометеорологическую обстановку, не претерпевшую значимых изменений за период с 1989 года, допустимо характеризовать данными, приведёнными в работах [6,7]. При этом температура воздуха определяет ледообразование, толщину и прочность льда, состояние и продолжительность ледовых явлений. Средняя месячная и расчётная температура воздуха приведены в табл. 1.

портовый флот баржа защитный

Таблица 1. Средняя месячная и расчётная температура воздуха по метеостанции Пермь

Расчётная температура определена как средняя температура воздуха за трое суток до ледового воздействия на сооружение при толщине льда до 0,5 м [10].

Наступление морозного периода приводит к охлаждению воды и появлению ледовых образований. Заостровский район порта расположен в 20 км ниже плотины Камской ГЭС, его акватория подвержена суточным и недельным колебаниям уровней воды. В связи с этим устойчивого ледостава по ширине реки не наблюдается, лёд различной раздробленности (тёртый, мелко и крупнобитый) и сплочённости (8-10 баллов) находится в движении. При этом высока вероятность существования протяжённых заберегов шириной несколько десятков метров. Толщины льда, принятые по водомерному посту Нижняя Курья, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Толщины льда по водомерному посту Нижняя Курья

Анализ результатов численных экспериментов обращает внимание на значительную временную изменчивость ледовых нагрузок на корпусах судов ледовой защиты (Рис. 4, кривая В).

Рис. 4. Пример временной зависимости продольных ледовых нагрузок на судах защиты

Даже сильно сглаженные значения расчётных продольных ледовых усилий, испытываемых баржами защиты в процессе навала ледяной среды, не отличаются монотонностью (Рис. 4, кривая С). Поэтому при подборе продольных швартов необходимо обеспечить запас их прочности с учётом «динамических рывков».

Численный прогноз суммарных нагрузок в швартовах, заведённых с судов защиты под углом 45° к причальной стенке, проиллюстрирован данными рис. 5 и 6. При этом рассмотрены наиболее неблагоприятные ледовые и гидрологические условия: дрейф крупнобитых сильносплочённых льдов толщиной 0,6 м со скоростью 1,0 м/с.

Рис. 5. Временная зависимость суммарных нагрузок в продольных швартовах при осадке судов защиты 0,5 м (А - схема защиты «фронт»; В-схема защиты «уступ»; С - схема защиты «клин»)

Рис. 6. Временная зависимость суммарных нагрузок в продольных швартовах при осадке судов защиты 1,5 м (А - схема защиты «фронт»; В-схема защиты «уступ»; С - схема защиты «клин»)

Анализ кривых рис. 6 по уровню натяжения швартовных канатов явно отдаёт предпочтение двум вариантам защиты каравана - «уступ» и «фронт». Так по величине удельных нагрузок (общее максимальное усилие, отнесённое к количеству судов защиты) эти схемы дают ощутимый выигрыш по отношению к варианту «клин» (? 250 кН/судно против ? 370 кН/судно). Кроме того, очевидно, что степень «динамичности» ледовых нагрузок по схеме защиты «клин» (кривая С, рис. 6) значительно превосходит аналогичные характеристики у вариантов «уступ» и «фронт» (кривые А и В, рис. 6).

Но при осадке барж защиты 0,5 м эти различия практически становятся малозначимыми (Рис. 5). Например, удельные нагрузки колеблются в пределах 210 - 230 кН/судно по всем вариантам защиты при относительно устойчивой скорости их нарастания (? 8 кН/с). Тем не менее, с позиций «динамичности» большую стабильность нагрузок обеспечивает схема защиты «уступ» (кривая В, рис. 5).

Следует также отметить незначительный прирост максимальных нагрузок в швартовах (в пределах 5%) с увеличением осадки судов защиты по вариантам «уступ» и «фронт».

Численный эксперимент убедительно подтвердил связь осадки судов ограждения и качественного состояния льда после прохождения им защитного счала (Рис. 7 и 8).

Рис. 7. Качественное состояние льда при осадке судов защиты 0,5 м

Так, например, при осадке в 1,5 м контакт барж защиты, построенных по схеме «уступ», с крупнобитыми сильносплочёнными или сплошными льдами обеспечивает ощутимо большую раздробленность льдов (мелкобитый и тёртый лёд, рис. 8) по отношению к аналогичному параметру при осадке защитного счала в 0,5 м (крупнобитый и мелкобитый лёд, рис. 7). Поэтому с позиций ледовой безопасности нижестоящих судов каравана выбор предопределён в пользу увеличения осадки судов ограждения. Однако необходимо указать на важную качественную особенность характера движения льда под судами защиты при их больших осадках. Она заключается в наличии эффекта «подднищевого» наслоения льдов с его последующим выбросом. При этом в гораздо меньшей степени это нежелательное явление свойственно варианту защиты «уступ», что, по-видимому, обусловлено более сложной схемой разрушения льда.

Рис. 8. Качественное состояние льда при осадке судов защиты 1,5 м

С учётом отмеченного судовладельцу была предложена к использованию схема защитного построения «уступ» при осадке судов в пределах 1,3 - 1,5 м. Расчётные максимальные нагрузки на швартовы по этому варианту находятся пределах 0,80 - 0,85 МН (Рис. 6). Для удержания счала потребуется 4 стальных швартовных каната диаметром 23 мм, выбранных в соответствии с ГОСТ 2688-80 [2]. С учётом динамического запаса прочности и вероятных форс-мажорных ледовых явлений экспертами рекомендовано их двукратное количество.

Выводы

1. Потребность в численном прогнозе вероятных последствий навала льдов на караван обусловлена неспособностью аналитических методик к описанию динамики развития этого процесса.

2. С учётом количественного и качественного анализа результатов CAEмоделирования судовладельцу был предложен к использованию вариант защитного построения «уступ» при осадке барж защиты в пределах 1,3 - 1,5 м.

3. При выбранной схеме защиты в качестве продольных швартов рекомендовано применение стальных канатов диаметром 23 мм в количестве 8 линий (с учётом динамического запаса прочности).

Литература

1. Атлас единой глубоководной системы европейской части России. Том 9, часть 1. Камское и Воткинское водохранилища от посёлка Керчевский до города Чайковский, 2011. - 27 л.

2. ГОСТ 2688-80. Канат двойной свивки типа ЛК-Р конструкции 6Ч19 (1+6+6/6)+1 о.с.

3. Железнов С.С., Чуприков В.Г. Определение нагрузок ледового сжатия на корпуса транспортных судов. - Проектирование средств продления навигации. Межвузовский сборник. Горьковский политехнический институт. - Горький, 1986, с. 118-127.

4. Инструкция. Требования к транспортным судам, предназначенным для эксплуатации в ледовых условиях и при отрицательных температурах воздуха. РД 212.0148-87. Руководящий документ по стандартизации, группа Т50. Утверждён и введён в действие МРФ РСФСР 27.11.1987 г. - Л.: Транспорт, 1989. - 20 с.

5. Лобанов В.А. Оценки ледовых качеств судов с применением CAE-систем: монография / В.А. Лобанов. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013. - 296 с.

6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1 - 6. Выпуск 9. Пермская, Свердловская, Челябинская, Курганская области, Башкирская АССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 557 с.

7. Обоснование возможности безопасной стоянки флота в зимний период у стенки городского грузового района порта Пермь. Отчёт по теме. ГИИВТ. Научный рук. - Малиновский В.А. - Горький, 1989. - 45 с. 8. Прочность судов, плавающих во льдах / Ю.Н. Попов, О.В. Фаддеев, Д.Е. Хейсин, А.Я. Яковлев. - Л.: Судостроение, 1967. - 224 с. 9. Рывлин А.Я., Хейсин Д.Е. Испытания судов во льдах. - Л.: Судостроение, 1980. - 208 с., ил. - ИСБН.

Размещено на Allbest.ru