Використання діаграми Ісікави при аналізі впливу шорсткості корпусу судна на витрати суднового палива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Використання діаграми Ісікави при аналізі впливу шорсткості корпусу судна на витрати суднового палива



Автори

Россомаха Олена Ігорівна к.т.н, доцент, доцент кафедри навігації і керування судном, доцент кафедри суднобудування і судноремонту ім. проф. Ю.Л. Воробйова, навчально-науковий морський інженерно-технічний інститут, навчально-науковий інститут морського флоту, Одеський національний морський університет, м. Одеса

Александровська Надія Ігорівна к.т.н., доцент, завідувач кафедри суднобудування і судноремонту ім. проф. Ю.Л. Воробйова, доцент кафедри суднових енергетичних установок та технічної експлуатації, навчальнонауковий морський інженерно-технічний інститут, навчально-науковий інститут морського флоту, Одеський національний морський університет, м. Одеса

Пізінцалі Людмила Вікторівна к.т.н., доцент, доцент кафедри суднобудування і судноремонту ім. проф. Ю.Л. Воробйова, навчальнонауковий морський інженерно-технічний інститут, Одеський національний морський університет, м. Одеса

Россомаха Олег Анатолійович доцент ОНМУ, начальник навчальнометодичного відділу ОНМУ, доцент кафедри суднових енергетичних установок та технічної експлуатації, навчально-науковий інститут морського флоту, Одеський національний морський університет, м. Одеса

Рабоча Тетяна Валентинівна к.т.н., доцент, доцент кафедри забезпечення військ (сил), Військова академія (м. Одеса), м. Одеса



Анотація

Статтю присвячено аналізу впливу шорсткості корпусу судна на витрати суднового палива.

Аналіз останніх досліджень і публікацій показав, що питання впливу шорсткості корпусу судна на витрати і вартість суднового палива актуальне і потребує особливої уваги.

Актуальність проблеми впливу шорсткості корпусу судна на витрати палива підтверджується результатами останніх досліджень і публікацій, що свідчать про необхідність спеціалізованих підходів до оптимізації цього параметру. Зокрема, дослідження вказують, що зменшення опору корпусу судна в морському середовищі може ефективно знизити витрати палива та пов'язану з цим вартість на утримання судна.

Результати дослідження показали, що шляхи значного зниження експлуатаційних витрат палива залежить від багатьох факторів.

У цій статті колектив авторів особливу увагу приділив впливу корозії та біологічному обростанню корпусу на шорсткість та їх впливу на витрати палива.

Корозія, особливо у зоні водної лінії, може значно підвищити шорсткість, що в свою чергу призводить до збільшення опору води та витрат палива. Біологічне обростання, таке як водорості та молюски, також може стати причиною збільшення шорсткості, що негативно впливає на гідродинамічні характеристики судна.

Для перегляду дії можливих факторів та відокремлення найважливіших причин, дія яких породжує конкретні наслідки та піддається управлінню, автори як аналітичний інструмент використовували побудову діаграм Ісікави.

Зазначимо, що оптимізація шорсткості корпусу судна може бути досягнута за допомогою спеціальних антикорозійних покриттів, антифулінгових систем для запобігання біологічному обростанню, а також регулярного технічного обслуговування.

Урахування цих аспектів у плануванні і експлуатації суден дозволить суттєво зменшити витрати палива, підвищити ефективність та прибутковість морського транспорту, що є особливо важливим у контексті сучасних вимог до сталого розвитку та екологічної безпеки.

Ключові слова: шорсткість, параметри шорсткості, корпус судна, корозія, біологічне обростання, витрати суднового палива, діаграма Ісікави



Rossomakha Olena Ihorivna PhD, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Navigation and Control of Ships, Associate Professor at the Department of Shipbuilding and Ship Repair named after Prof. Yu.L. Vorobyov, Educational and Scientific Marine Engineering and Technical Institute, Merchant Marine Institute, Odesa National Maritime University, Odesa

Aleksandrovska Nadiia Ihorivna PhD, Associate Professor, Acting Head of the Department of Shipbuilding and Ship Repair named after Prof. Yu.L. Vorobyov, Associate Professor at the Department of Ship Power Plants and Technical Operation, Educational and Scientific Marine Engineering and Technical Institute, Merchant Marine Institute, Odesa National Maritime University, Odesa

Pizintsali Liudmyla Viktorivna PhD, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Shipbuilding and Ship Repair named after Prof. Yu.L. Vorobyov, Educational and Scientific Marine Engineering and Technical Institute, Odesa National Maritime University, Odesa

Rossomakha Oleh Anatoliyovych Head of the Educational and Methodical Department, Associate Professor at the Department of Ship Power Plants and Technical Operation, Merchant Marine Institute, Odesa National Maritime University, Odesa

Rabocha Tetiana Valentynivna PhD, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Provision of Troops (Forces), Odesa Military Academy, Odesa

USING THE ISHIKAWA DIAGRAM IN ANALYZING THE EFFECT OF SHIP HULL ROUGHNESS ON SHIP FUEL CONSUMPTION

Abstract

The article is devoted to the analysis of the impact of ship hull roughness on marine fuel consumption.

The analysis of recent studies and publications has shown that the issue of the influence of ship hull roughness on the consumption and cost of marine fuel is relevant and requires special attention.

The relevance of the problem of the impact of ship hull roughness on fuel consumption is confirmed by the results of recent studies and publications, which indicate the need for specialized approaches to optimizing this parameter. In particular, studies indicate that reducing the hull drag in the marine environment can effectively reduce fuel consumption and the associated cost of maintaining a ship.

The results of the study showed that the ways to significantly reduce operating fuel consumption depend on many factors.

In this article, the team of authors paid special attention to the effect of corrosion and hull biofouling on roughness and their impact on fuel consumption.

Corrosion, especially in the waterline area, can significantly increase roughness, which in turn leads to increased water resistance and fuel consumption. Biological fouling, such as algae and molluscs, can also cause an increase in roughness, which negatively affects the hydrodynamic performance of the vessel.

To review the effect of possible factors and to identify the most important causes, the authors used Ishikawa diagrams as an analytical tool to determine the most important causes that produce specific effects and can be managed.

It is worth noting that optimization of the ship's hull roughness can be achieved by using special anti-corrosion coatings, anti-fouling systems to prevent biofouling, and regular maintenance.

Taking these aspects into account in the planning and operation of ships will significantly reduce fuel consumption, increase the efficiency and profitability of maritime transport, which is especially important in the context of modern requirements for sustainable development and environmental safety.

Keywords: roughness, roughness parameters, ship's hull, corrosion, biofouling, ship fuel consumption, Ishikawa diagram



Вступ

XX століття стало проривним у багатьох областях технічного прогресу, зокрема у збільшенні швидкості руху транспортних засобів.

Для наземних засобів швидкості зросли в рази, для повітряних на порядки. А ось на морі людство зайшло в глухий кут.

Основний якісний стрибок стався ще у ХІХ столітті, коли замість вітрильних суден з'явилися парові. Але незабаром з'ясувалося, що основним обмежувачем швидкості для морських суден є не слабкість суднової енергетичної установки (СЕУ), а повний опір води.

Відомо, що величина сили опору залежить від розмірів судна, форми його корпусу, характеру та стану підводної обшивки, швидкості та режиму руху. Сила опору складається з опору форми (Яф), хвильового опору (Яхвил) і опору тертя (Rmp).

Опір тертя (Rmp) є результатом того, що вода має в'язкість, і частинки води, що безпосередньо прилягають до обшивки судна, як би прилипають до нього і рухаються разом з ним. У міру віддалення від корпусу судна швидкість руху частинок води зменшується і на деякій відстані від нього частинки води залишаються у спокої.

Опір форми (Яф) виникає внаслідок впливу в'язкості води на розподіл тиску поверхнею судна. Відомо, наприклад, що з наближенням до корми тиск води зменшується. Разом із збільшенням швидкості руху частинок це призводить до утворення завихрень. Вихори утворюються також і при обтіканні горбовинок на шорсткій поверхні корпусу і частин корпусу, що виступають (кермо, кілі, кронштейни гребних валів та ін.). Опір форми залежить від швидкості судна, форми його корпусу (за повними обводами виникають більші вихрові зони, ніж за гострими та плавними обводами) і наявності частин, що виступають.

Зміна тиску рухомого судна призводить до викривлення вільної поверхні води та утворення носової і кормової систем суднових хвиль. Перерозподіл тиску змоченої поверхні судна внаслідок хвилеутворення призводить до складової опору, так званого хвильового опору (Яхвил). Хвильовий опір залежить від швидкості судна, форми його корпусу, глибини та ширини фарватеру (на мілководді та у вузьких каналах хвилеутворення значно збільшується, що призводить до зростання хвильового опору).

Судно рухається не лише у водному, а й у повітряному середовищі, отже надводна частина судна відчуває опір повітря, що зветься повітряним опором (Rnoe). Однак при русі судна в безвітряну погоду повітряний опір невеликий порівняно з опором води і його можна не брати до уваги (це пояснюється, перш за все, тим, що щільність повітря приблизно в 800 разів менша за щільність води). За наявності зустрічного вітру достатньої сили повітряний опір різко зростає.

Для визначення кожної складової повного опору застосовують різні методи. Опір тертя визначається розрахунковим шляхом виходячи з теорії прикордонного шару. Опір форми і хвильовий опір, об'єднані під загальною назвою залишкового опору і визначаються експериментальними методами шляхом випробування моделей суден в дослідних басейнах.

Безперервне збільшення швидкості ходу сучасних суден визвало підвищений інтерес суднобудівників до проблеми шорсткості корпусу. За різними даними, тільки додатковий опір від нерівностей покриття корпусу, в окремих випадках, може складати 15 20 % від опору тертя гідродинамічно гладкого корпусу.

Зменшення шорсткості поверхні корпусу пов'язано з підвищенням вартості судна, тому виникає питання визначення раціонального значення параметрів шорсткості корпусу.

Оскільки нерозв'язність проблеми хвильового опору стала зрозумілою досить давно, то поряд з гонитвою за одиницями вузлів за рахунок поліпшення обводів корпусу та форми гвинтів, посилення СЕУ почався пошук принципово інших підходів створення суден на підводних крилах, кораблів на повітряних подушках, тощо.

Якщо для торгового судноплавства цю проблему можливо вирішити використанням великої кількістю суден на лініях, то для військово-морських сил (для бойових кораблів, для транспортних та десантних суден, що перевозять війська) швидкість, зрозуміло, набагато важливіша. Причому останнє зараз, коли війни набули глобального розмаху, стало найважливішим.

Ця проблема, сьогодні, визиває особливий інтерес у суднобудівників проблема впливу шорсткості корпусу на опір води, швидкості судна та витрати суднового палива.

Автори статті в попередніх дослідженнях зробили спробу провести аналіз впливу альтернативних видів палива, шорсткості поверхні гвинта на витрати суднового палива.

Крім того, актуальність наукового дослідження визначена посиленням вимог до викидів в атмосферу шкідливих речовин при роботі головних суднових двигунів. Міжнародна конвенція МАРПОЛ 73/78, прийнята Міжнародною морською організацією (ІМО), є основним документом, що містить низку заходів щодо запобігання забрудненню морського середовища з суден [1].

Екологічні проблеми та зростання цін на паливо ведуть до необхідності пошуку нових рішень для судноплавства. На думку авторів, альтернатив не так багато.

Статтю присвячено питанню встановлення впливу шорсткості корпусу судна на витрати суднового палива (шляхом виділення ризиків природнокліматичного, фінансового, виробничого, економічного, людського, політичного та технічного характеру). У якості аналітичного інструменту автори використовували діаграму Ісікави, яка стала чудовим засобом візуалізації і організації знань, що спростила розуміння і діагностику проблеми.



Постановка проблеми

Проблеми енергозбереження (економії та зниження вартості палива) завжди були актуальними. Останні десятиліття вони загострилися вимогами щодо захисту довкілля від шкідливих викидів із суден.

Тому, актуальним є аналіз різних факторів впливу на витрати суднового палива, одним з яких є вплив шорсткості поверхні корпусу судна.

Діаграма Ісікави дозволила виявити ключові взаємозв'язки між різними факторами й більш точно зрозуміти досліджуваний процес; сприяла визначенню головних факторів, що роблять найбільш значний вплив на розвиток розглянутої проблеми, а також попередженню або усуненню дії цих факторів.

Одним з негативних наслідків старіння морського транспортного судна, разом з зростанням витрат на технічне обслуговування і ремонт, є збільшення витрат палива. Ці обставини мають важливе значення для судновласника тому що витрати на паливо можуть складати до 50 % від загальної суми витрат, що пов'язані з експлуатацією морських транспортних суден.

В області енергоефективності та вартості використаної енергії на суднах було проведено за останній час не так багато наукових робіт, виконаних різними дослідницькими організаціями та університетами. Можна назвати деякі з них:

«Аналіз споживання палива для різних типів і розмірів суден» дослідження, проведене Міжнародною асоціацією морського транспорту (ICS), яке аналізує споживання палива різними типами і розмірами суден. Результати роботи допомагають визначити найбільш ефективні стратегії зниження витрати палива в морському транспорті.

«Оптимізація енергоефективності судна з використанням підходів, керованих даними» дослідження, проведене вченими Шведського королівського технологічного інституту (KTH), яке досліджує оптимізацію енергоефективності суден за допомогою методів аналізу даних. В роботі пропонуються методи прогнозування та управління споживанням палива на судах.

«Техніко-економічний аналіз паливозберігаючих технологій для суден» наукова робота, проведена дослідниками Нідерландського інституту морської техніки (MARIN), яка проводить техніко-економічний аналіз технологій, спрямованих на зниження витрати палива на судах. У роботі розглядаються різні інноваційні рішення, такі як використання альтернативних джерел енергії та оптимізація дизельних двигунів.

Крім цього ця проблема постійно аналізується та досліджується в Міжнародній морській організації (IMO).

За різними оцінками, витрати на паливо можуть досягати до 35...40 % від загальних витрат на обслуговування СЕУ [2].

Автори, в роботі [3], зробили спробу дослідити вплив альтернативних видів палива, а в роботі [4] вплив шорсткості поверхні гвинта на вартість і витрати суднового палива. В теперішньому дослідженні, автори спробували провести аналіз впливу шорсткості поверхні корпусу судна на витрати суднового палива.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Наведена вище проблема знаходиться в центрі уваги фахівців суднової галузі вже тривалий час, вимоги сьогодення ще більше загострюють цю проблему.

У роботі [5] узагальнено знання із різних методів протикорозійного захисту і визначення оптимальних рішень для захисту об'єктів різних галузей (хімічної, енергетичної, комунального господарства) від корозії.

У роботі [6] дана загальна інформація з біокорозія корпусу судна та варіанти її можливого рішення. Світове судноплавство протягом свого існування намагається зменшити збитки від корозії суден, адже сьогодні витрати на усунення даних пошкоджень досягають близько 20 30 % суднових витрат на експлуатацію. На сьогодні найпоширенішим видом корозії є біокорозія. Усунення негативних наслідків біокорозії складається з декількох факторів, таких як: ефективність методу, універсальність, вплив на оточуючу середу. Саме поєднання цих факторів та виявлення альтернативного варіанту є ціллю роботи науковців по всьому світу в останні 20 років.

У статті [7] проведено дослідження впливу шорсткості та хвилястості (в тому числі з урахуванням біонавантаження) на гідродинамічні характеристики судна. Для проведення досліджень створено модель корпусу судна яка включала занурену підводну частину судна і спеціальний канал, в якому моделюється потік. Біологічне забруднення (біологічне забруднення підводного корпусу) морських і річкових суден є проблемою для всіх флотів. Модель досліджувала зміну швидкості рідини під час обтікання «чиста поверхня» з шорсткістю 75, 100, 125 мікрон. Числове моделювання показало незначний вплив зміни шорсткості покриття для «чиста поверхня». Чисельне моделювання для поверхні, забрудненої біологічними забрудненнями (шорсткість 750 мікрон), виявило значний вплив на зміну у швидкості рідини вздовж корпусу. Розроблена модель може бути використана при проведенні досліджень для порівняльної оцінки енергоефективності суден.

У роботі [8], автори статті вказують, що нанотехнології включають в себе широкий спектр можливостей для будівництва, модернізації та ремонту суден, а також суднових систем і устаткування. Застосування нанотехнологій для будівництва та ремонту суден дозволяють поліпшити маневрування та управління суден. Нанодобавки на основі оксиду цезію вже зараз додають в дизельне паливо, що дозволяє на 4 5 % підвищити ККД двигуна і знизити ступінь забруднення вихлопними газами.

У роботі [9] автор вказує, що на даний час залишається актуальність використання наноструктурних добавок в технології лакофарбних матеріалів (ЛФМ) для виробництва покриттів специфічного призначення. Використання наномодифікаторів дозволяє збільшувати антикорозійні характеристики ЛФМ, а от же і збільшенню терміну служби виробів, що покриваються. Застосування функціональних добавок наночасток в полімерних матеріалах, має враховувати їх оптимальні концентрації, при яких досягається істотне поліпшення експлуатаційних характеристик судна без зміни їх оптичних властивостей.

У роботі [10] автори вказують, що одним із найважливіших технічних ресурсів, що визначають реальні терміни безпечної і надійної роботи судна під час навігації, є моторесурс судових енергетичних установок. Він залежить значним чином від умов експлуатації, режимів роботи, впливу зовнішніх факторів, технічного стану. Витрата моторесурсу значно підвищується на несталих режимах роботи. Негативно позначаються на збереженні моторесурсу перехідні режими, режими маневрування, режими руху по мілководних і вузьких фарватерах, на шлюзованих ділянках шляху. Зменшення витрати моторесурсу можна забезпечити за рахунок раціонального використання палива в рейсі, необхідного для виконання транспортної роботи, зниження часу роботи двигунів у несталих режимах, раціонального управління потужністю суднових енергетичних установок. У статті доведено, що проблема економії палива та енергоресурсів на річкових суднах може вирішуватися шляхом моделювання характеристик судна за допомогою сплайн-функцій, які забезпечують точне проходження відповідного сплайна через вузли інтерполяції і рівність похідних від сплайна по аргументу ліворуч та праворуч від інтерполяційного вузла. За допомогою сплайн-функцій отримано розв'язання задачі економії палива головними двигунами.

У статті [11] проведено дослідження впливу шорсткості та хвилястості (в тому числі з урахуванням біонавантаження) на гідродинамічні характеристики судна. Для проведення експериментів була розроблена модель корпусу судна, що включає занурену під воду частину судна і спеціальний канал, в якому моделюється потік. Біологічне забруднення (біологічне забруднення підводного корпусу) морських і річкових суден є проблемою для всіх флотів. Для підтримки швидкості судна з біологічним зараженням корпусу необхідно збільшити потужність дизеля за рахунок збільшення подачі палива. Для підтримки швидкості судна з біологічним зараженням необхідно збільшити потужність дизеля за рахунок збільшення подачі палива. Це впливає на економічність та екологічність морського транспорту. Модель досліджувала зміну швидкості рідини при обтіканні «чистої поверхні» з шорсткістю 75, 100, 125 мікрон. Чисельне моделювання показало незначний вплив зміни шорсткості покриття для «чистої поверхні». Чисельне моделювання для поверхні, забрудненої біологічними забрудненнями (шорсткість 750 мікрон), виявило значний вплив на зміну швидкості рідини вздовж корпусу. Розроблена модель може бути використана при проведенні досліджень для порівняльної оцінки енергоефективності суден.

Аналіз останніх досліджень і публікацій показав, що питання впливу шорсткості корпусу судна на витрати і вартість суднового палива актуальне і потребує особливої уваги.

Методами дослідження є загальнонаукові методи наукового синтезу, для ролі і значення параметрів шорсткості гребного гвинта на морських суднах, системний підхід для обґрунтування впливу шорсткості на витрати і вартість суднового палива.

Мета даної статті провести аналів впливу шорсткості поверхні корпусу судна на витрати суднового палива. Розглянути основний фактор впливу на шорсткість корпусу корозія та біологічне обростання корпусу.

Виклад основного матеріалу

У загальному вигляді вартість життєвого (ЖЦ) судна складається з доданків, які наведено у [12]. Особливий вплив на вартість ЖЦ судна має вартість та витрати суднового палива.

Міжнародний морський флот споживає приблизно 400 млн тон палива щорічно. Витрати на паливо сьогодні складають 50 60 % вартості витрат всього ЖЦ судна. При цьому слід мати на увазі, що для суден витрати на обслуговування, паливо та ремонти у десятки разів перевищують вартість проектування і будівництва нового зразка [12].

Енергоефективність судна характеризує енергетичні можливості технічного засобу при найменших витратах ресурсів для вироблення енергії. Для підвищення енергоефективності суден сьогодні необхідно використовувати як заходи експлуатаційного характеру, так і заходи технічного характеру.

За великих витрат палива зростає рівень забрудненості атмосфери вихлопними газами та виникає негативний вплив на експлуатаційні показники СЕУ, що в комплексі призводить до зниження показників енергоефективності.

Від ефективності використання палива в рейсі безпосередньо залежить прибуток транспортної компанії. Паливо є ресурсом, що має бути раціонально розподілений між відповідними процесами (ділянками шляху) для забезпечення максимального прибутку.

Для виявлення факторів впливу на шорсткість корпусу судна автори побудували діаграму Ісікави (рис. 1).

На думку авторів основними факторами впливу на шорсткість корпусу судна і, як наслідок, на витрати палива є:

особливості збирання корпусу;

матеріали обшивки;

особливості обробки поверхні обшивки (способи очищення);

способи та технології фарбування корпусу;

нерівності фарбування корпусу після побудови або ремонту;

корозія та біологічне обростання корпусу судна.

Автори підкреслюють, що на витрати палива, крім того, впливають:

швидкість судна;

величина змоченої поверхні;

в'язкість води на розподілі тиску поверхнею судна;

виступаючи частини корпусу;

форма корпусу;

глибина та ширина фарватеру;

повітряне середовище;

При аналізі діаграми Ісікави було застосовано класичний спосіб метод мозкового штурму (шляхом опитування 20 експертів капітанів, судномеханіків, колишнього головного інженера Іллічівського судноремонтного заводу (м. Чорноморськ) для встановлення основних причин впливу на вартість та витрати суднового палива.

Проблеми енергозбереження (по суті, економія палива) та захисту навколишнього середовища від шкідливих викидів із суден, що були завжди актуальними, за останнє десятиліття ще більше загострилися. Це викликано нестійкістю світового нафтового ринку та посиленням вимог природоохоронних організацій, включаючи нові положення IMO.

Постійно, особливо останні десятиліття, проводяться дослідження з пошуку факторів впливу на економічність та екологічність суднових палив.

Рис.1 Причинно-наслідкова діаграма Ісікави (розроблено авторами)

діаграма ісікава шорсткість судно

Основними нормативними документами з обмеження шкідливих викидів є вимоги Міжнародної конвенції MARPOL 73/78, Додаток VI «Правила попередження забруднення повітряного середовища з суден» морської міжурядової організації ІМО [1].

Взагалі, можна виділити декілька видів шорсткості (табл. 1).

Технологічна шорсткість обшивки корпусу характеризується висотою мікронерівностей свіжовифарбованої поверхні, тобто рівномірним розподілом по поверхні мікровиступів і мікровпадин. До технологічної шорсткості слід віднести зварні шви.

Таблиця 1

Види шорсткості

Шорсткість
Технологічна (початкова)	Експлуатаційна	Рівноважна
наслідок технологічної обробки виробу абразивним матеріалом	шорсткість, що виникла в наслідок тертя та зносу	експлуатаційна шорсткість, яка відтворюється за стаціонарних умов тертя

(розроблено авторами на основі [13])

Технологічна шорсткість, обумовлена зафарбленням, і експлуатаційна шорсткість, викликана руйнуванням фарби, корозією корпусу та його обростанням, є випадковими, суто нерегулярними процесами, які аналізуються у формі профілограм або за результатами вимірювань. Ці процеси досліджені на дослідних установках та судах та опрацьовані статистичними методами.

Шорсткість свіжовифарбованих поверхонь змінюється від 100 до 350 мкм.

В результаті випробувань суден встановлено [14], що кожні 10 мкм шорсткості свіжопофарбованого корпусу понад 165 мкм, збільшують опір корпусу або потрібну потужність судна для досягнення заданої швидкості на (1 %).

При шорсткості понад 230 мкм її збільшення кожні 10 мкм вимагає збільшення потужності на 0,5 %.

На думку авторів, фактичний вплив шорсткості корпусу повинен бути різний для різних суден.

Як стверджує [14], збільшення потужності СЕУ для підтримки швидкості великотоннажних суден трохи нижче, ніж на інших суднах. Для суден із гострими обводами погіршення цих характеристик становить (3 4 %). Для великотоннажного танкера збільшення шорсткості на 40 мкм призводить до втрати семи діб ходового часу наступні два роки.

Середня шорсткість двох однотипних суден може коливатися. Шорсткість корпусів новозбудованих суден становить 90 125 мкм із щорічним її збільшенням на 25 мкм.

Автори згодні з даними [14], що збільшення потужності та шорсткості корпусу залежить від терміну експлуатації судна (рис. 2).

Незважаючи на очевидну важливість проблеми обліку впливу шорсткості, зумовленої корозією та руйнуванням фарби, на збільшення гідродинамічних коефіцієнтів опору тертя в галузі теоретичного дослідження цього питання з метою практики досягнуто відносно малого прогресу.

Автори статті в подальшому дослідженні більш уваги приділили впливу корозії та обростанню корпусу судна на шорсткість та витрати суднового палива.

Корозія та руйнування фарби знижують швидкість ходу суден, збільшують потрібну потужність, підвищують витрату палива. У середньому руйнація фарби та корозія призводять до зменшення швидкості ходу на 10 25 %.

Статистикою встановлено, що внаслідок цих причин при плаванні в помірних зонах втрати швидкості становлять 0,0008 вуз. на добу [14].

Конструкції корпусу судна піддаються корозійному зносу як із зовнішньої, так і з внутрішньої сторони. Корозійний знос корпусних конструкцій, перш за все, призводить до зменшення товщини металу на порівняно великих ділянках, а також утворення окремих раковин, глибина яких в деяких випадках досягає значної частини товщини металу.



Рис. 2 Збільшення потужності та шорсткості корпусу залежно від терміну експлуатації судна t: Ra шорсткість корпусу в мкм; ANe збільшення потужності при збільшенні шорсткості корпусу для утримання швидкості ходу, що відповідає Ra = 125 мкм;

1 верхня межа шорсткості (якісно пофарбовані судна);

2 нижня межа шорсткості (неякісно пофарбовані судна)

(розроблено авторами на основі [14])

Обростання суден різними мікроорганізмами призводить до погіршення швидкісних показників судна.

Сильне обростання може спричинити зменшення швидкості судна до двох вузлів та збільшити витрату палива до 40 % [15].

Під обростанням автори розуміють небажану акумуляцію мікроорганізмів, водоростей та тваринних організмів на корпусі судна, зануреного у морську воду.

З самого початку судноплавства і до сьогодні, обростання водними організмами корпусу суден розглядається як серйозна проблема, що гальмує розвиток суднобудування. Ні одну сотню років людство не може знайти задовільного рішення цієї проблеми [16].

Як стверджує Вікіпедія, більше 1700 видів тварин і рослин зареєстровані в складі обростання.

Причино-наслідкова діаграма Ісікави (рис. 3) факторів впливу на корозію та біологічне обростання і, як наслідок, впливу на витрати суднового палива показала, що ступінь обростання корпусу залежить від багатьох факторів.

На думку авторів, обростання суден, залежить від таких факторів: концентрації солі, температури, вмісту поживних речовин у морській воді, швидкості течії та інтенсивності сонячного випромінювання. Ці чинники змінюються залежно від сезону, конкретного місця та глибини. Насамперед необхідно враховувати географічне місцезнаходження судна чи інших об'єктів обростання та тісно пов'язану з цим морську флору.

Різні види водоростей мають індивідуальну репродуктивність, деякі з них розмножуються цілий рік, а інші лише у відповідний сезон. Репродуктивні цикли залежать, у свою чергу, від багатьох параметрів:

температури води,

фізіологічної толерантності та вмісту поживних речовин та світлових характеристик.

Сезонні зміни солоності також є важливим чинником.



Рис. 3 Причино-наслідкова діаграма впливу на корозію та біологічне обростання корпусу судна (розроблено авторами)

Автори визначили такі основні фактори впливу:

* тип судна;

* характер використання судна;

* час стоянки судна;

* швидкість судна;

* географічне місце знаходження (район плавання);

* пора року;

* температура забортної води;

* тривалість та інтенсивність сонячного випромінювання;

* глибина занурення під поверхню води;

* швидкість течії води;

* концентрація солі у воді;

* вміст поживних речовин у воді;

* відстань від берега;

* шорсткість чистого корпусу;

* матеріал корпусу;

* флора та цикл її біологічного життя.

Спостереження та контроль за обростанням підводних частин суден існують протягом усієї історії судноплавства.

Збитки, спричинені цим явищем, стали очевидними, і боротьба з обростанням почалася понад 2 000 років тому. Перші судна були зроблені з деревини, і вже тоді люди зіткнулися з морськими організмами -- морськими деревоточцями, які завдавали чимало збитків. До них відносяться молюски: Teredo, Bankia, Lyrodus та ракоподібні Limnoria та Sphaeroma (рис. 4) [17].

Біовідкладення поділяють на мікровідкладення або мікрозабруднення (бактеріальні біоплівки та шари діатомових або кремнієвих водоростей) та макровідкладення (наприклад, макроводорості та тваринні організми -- морські качки, жолуді, гуси, мідії, трубчасті черв'яки, мшанки, асцидії) (табл. 1), які існують разом, утворюючи загальні забруднення.

Рис. 4 Морські молюски Sphaeroma

На рис. 5 наведено часове накопичення біологічного забруднення, що містить чотири основні стадії: перша створення кондицій (умов для біологічного обростання); друга прикріплення; третя створення колонії; четверта зростання.

Процес утворення біовідкладень найбільш інтенсивне проходить у тропічній та субтропічній зонах порівняно з помірними, холодними та полярними областями (рис. 7).

Біоплівки забезпечують середовище існування для понад 400 видів морських форм життя [19].

За даними [20] розміри біологічних накопичень (на другій стадії) можуть мати середню шорсткість Ra = 5-10 мкм.

Підраховано, що опір руху зростав на 11, 20 та 34% у присутності легкого шламу, важкого шламу та морських водоростей відповідно. «Шуба» з мікроі макроводоростей, що утворилася в процесі обростання на корпусі судна, гальмує його рух, при цьому швидкість може падати на 40% і більше. При очищенні корпусу корабля в доці з судна знімають до 400 т біомаси.

Рис. 5 Схема критичних стадій біологічного обростання [18]



Таблиця 1

(розроблено авторами за даними Вікіпедії) Спрощену структуру біовідкладень представлено у таблиці 2 [17].



Рис. 6 Фото обростання корпусу молюсками [17]

(розроблено авторами на основі [17])

Таблиця 2

Спрощена структура утворення морських відкладень

Мікровідкладення	Макровідкладення
Первинна колонізація	Вторинна колонізація	Третинна колонізація
Через 1 хв	Через 1-24 години	Через 1 тиждень	Через 2-3 тижня
Адгезія органічних частинок, наприклад протеїну	Бактерії (наприклад, Pseudomonas putrefaciens), діатомові водорості (наприклад, Achnantes brevipes, Amphora paludosa, Amphora coffeaeformis, Licmophora abbreviate, Nitzschia pusilla)	Спори макроводростей (наприклад, Enteromorpha interstinalis, Ulothrix zonata), найпростіші (наприклад, Vaginicola sp., Zoothamnium sp.)	Личинки макровідкладень: наприклад, Balanus amphitrite, Electra crustulenta (мшанки), Laomedia flexuosa (кишково- полосні), Mytilus edulis (молюски), Spirorbis borealis (черв'яки), Styela coriacca (оболочники)



Рис. 7 Цикли щільності утворення водоростей залежно від кліматичних

Автори підкреслюють, що цілком зрозуміло, що на процес обростання впливає швидкість течії води. Обростання інтенсивне відбувається у відносно статичних умовах: на офшорних конструкціях та суден, що стоять на якорі або пришвартовані біля причалу. Чим менший час стоянки судна, тим менше обростання корпусу. Крім того, утворення і наріст водоростей відбувається переважно у освітлених місцях при ватерлінії, тоді як тваринні організми розташовуються на більш глибоких частинах корпусу судна. Проте інтерес до цього питання не зменшується. Як визначається у [17], глибоководні області раніше вважалися практично безлюдними.

Найбільше на гальмування судна впливають макроводорості, поверхня корпусу при їх наростанні стає дуже шорсткою та горбистою. Для отримання ефективних антиобростаючих покриттів необхідно ретельно вивчити основні властивості численних біоорганізмів, що утворюють відкладення, та процес їх адгезії [17].

Як стверджують деякі джерела, вплив глибини на процес утворення морських біовідкладень ще точно не встановлений.

Проте в результаті досліджень [17] було виявлено, що глибоководні організми розвинули механізми адаптації до малого освітлення, температури і кількості поживних речовин, а також дуже високого гідростатичного тиску.

Використовуючи класифікацію обростання та накопичений матеріал зі втрати швидкості у [14], були отримані розрахункові значення, що характеризують середньодобові втрати швидкості залежно від ступеня обростання корпусу, вуз/добу:

при слабкому обростанні 0,00014 -0, 0009;

при помірному обростанні 0,001 0,0017;

при сильному обростанні 0,0019 0,0023.

Отже, в процесі експлуатації, внаслідок зміни шорсткості корпусу, викликаного корозією, спучуванням фарби та обростанням, підвищується опір руху судна та зменшується швидкість його ходу, зростає витрата палива. Збільшення в'язкісної складової опору залежить також від ступеня шорсткості корпусу.

Автори підкреслюють, що за даними «Аустраліан Андерватер Інжиніринг» після 12 14 місяців експлуатації швидкість суден знижується до 10 %, відновлення швидкості досягається додатковою витратою палива, що становить 8 12 %.



Висновки

1. Вартість палива є найдорожчою складовою життєвого циклу будьякого судна.

2. Шорсткість корпусу, що знаходиться у воді, змінюється в наслідок корозії та обростання його частин. Виникає питання о контролі за станом шорсткості зовнішньої обшивки в процесі експлуатації, необхідним для визначення раціональних термінів доковання.

3. Велике значення для успішного мореплавання має боротьба з корозією та обростанням суден. В останнє століття ця проблема стала набувати особливого значення. Так, обростання знижує (до 50 %) швидкість суден, збільшує (до 40 %) споживання ними палива, підвищує (до 20 % і більше) масу гідротехнічних споруд.

4. Утворення біовідкладень є реальною проблемою у всіх галузях, пов'язаних з судноплавством і експлуатацією в морях.

5. Проблема економії палива та енергоресурсів на морських суднах, вартості судна взагалі, може вирішуватися шляхом моделювання характеристик судна за допомогою, перш за все, характеристик шорсткості поверхні корпусу судна. Підвищення шорсткості поверхонь корпусу призводить до значних перевитрат палива і зниження швидкості судна за рахунок зростання моменту тертя і зниження коефіцієнта упору.

6. Сьогодні паливо для СЕУ розглядається не лише з позицій надійності роботи установок та економіки, а й з урахуванням виконання вимог щодо екології. Це складне завдання значною мірою можна вирішити, використовуючи раціональні значення параметрів шорсткості корпусу судна.



Література

1. МАРПОЛ 73/78. Додаток VI (переглянутий) до Конвенції «Правила запобігання забрудненню повітряного середовища із суден». URL: http://rise.odessa.ua/texts/MARPOL_VI_18.php3.

2. Заблоцький Ю.В. Підвищення економічності роботи суднових дизелів / Суднові енергетичні установки: науково-технічний збірник. Вип. 40. Одеса: НУ «ОМА», 2020. С. 12 16.

3. Пізінцалі Л.В., Шумило О.М., Россомаха О.І., Александровська Н.І., Россомаха О.А., Рабоча Т.В., Малишкін О.В. Аналіз впливу альтернативних видів палива на вартість життєвого циклу судна / Збірник наукових праць Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова. Наукове видання №1(490). 2023. С. 19 29.

4. Александровська Н.І., Пізінцалі Л.В., Россомаха О.І., Россомаха О.А. Аналіз впливу шорсткості гребного гвинта на витрати суднового палива / «Збірник наукових праць Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова» № 4 (493) / 2023. С. 3 12. DOI https://doi.org/10.15589/znp2023.4(493).1

5. Методи захисту обладнання від корозії та захист на стадії проектування [Електронний ресурс]: підр. для студ. спеціальності 161 «Хімічні технології», спеціалізації «Електрохімічні технології неорганічних та органічних матеріалів» / М.В. Бик, О.І. Букет, Г.С. Васильєв Електронні текстові дані (1 файл: 8,81 Мбайт). Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. 318 с.

6. Бруханда В. С., Бабічев Д.М. Біокорозія корпусу судна та способи її уникнення // Матеріали УІІІ Всеукраїнської студентської наукової конференції [Сучасні проблеми морського транспорту та безпека мореплавства] в 2-х т.., (м. Херсон, 22 листопада 2018 року). Херсон: Видавництво ХДМА, 2018. Том. 1. 376 с.

7. Афтанюк В.В., Гаврілкін О.Є. Моделювання гідродинаміки корпусу судна з урахуванням біологічного забруднення. Суднові енергетичні установки: науково-технічний збірник. Вип. 39. Одеса: НУ «ОМА», 2019. С. 14 21.

8. Опришко М.О. Застосування нанотехнологій в суднобудуванні // Суднові енергетичні установки: науково-технічний збірник. Вип. 40. Одеса: НУ «ОМА», 2020. С. 134 138.

9. Григор'єва О.С. Застосування наноматеріалів у захисних покриттів від корозії і обростання конструкцій // Суднові енергетичні установки: науково-технічний збірник. Вип. 40. Одеса: НУ «ОМА», 2020. С. 139 143.

10. Дакі О.А, Ткаченко В.В., Будолак С.Ю. Метод управління витратою палива на річкових суднах із використанням сплайн-функції / Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: технічні науки. Том 31 (70) Ч. 2. № 6. 2020. С.129 134.

11. Афтанюк В.В., Гаврілкін О.Є. Моделювання гідродинаміки корпусу судна з урахуванням біологічного забруднення / Суднові енергетичні установки: науковотехнічний збірник. Вип. 39. Одеса: НУ «ОМА», 2019. С. 14 21.

12. Пізінцалі Л.В. Методологічні основи організаційно-технологічних процесів утилізації суден: монографія. Херсон: ОЛДІ-ПЛЮС, 2021. 308 с. ISBN 978-966-289-488-2.

13. Киричок П., Роїк Т. Методи досліджень та обробки у видавництві та поліграфії: Навчальне видання. [Електронний ресурс]: навч. посібник для аспірантів спеціальності 186 «Видавництво та поліграфія» ОНП «Видавництво та поліграфія» третього (освітньонаукового) рівня вищої освіти / КПІ ім. Ігоря Сікорського / Уклад.: Киричок П.О., Т.А. Роїк. Електронні текстові дані (1 файл: 1,05 Мбайт). Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 37 с.

14. Вплив шорсткості корпусу на опір води руху судна.

URL: tnu.in.ua. http://www.tnu.in.ua > books.

15. Vietti, P (Fall 2009), New Hull Coatings Cut Fuel Use, Protect Environment, Currents: 36 38.

16. Дайвинг Марин Сервис. Підводне очищення корпуса судна і полірування гвинтів. URL: https://diving-ms.com.ua > articles > 94-underwater-cl.

17. Історія створення протиобростаючих покриттів URL: sea-man.orghttps://sea-man. org > obrasta...

18. L.D. Chambers, F.C. Walsh, R.J.K. Wood, K.R. Stokes, World Maritime Technology Conference, ICMES Proceedings, The Institute of Marine Engineering, Science and Technology, March 2006.

19. Source: Materiaux & Techniques 93, 27-41 (2005) Hors Serie: Biofilms et alterations des materiaux: de l'analyse duphenomene aux strategies de prevention, D. Haras.

20. Stefan Silber. How we're giving ships a cloak of invisibility. October 5, 2017, Essa.



References

1. MARPOL 73/78. Dodatok VI (perehlianutyi) do Konventsii «Pravyla zapobihannia zabrudnenniu povitrianoho seredovyshcha iz suden» [MARPOL 73/78. Annex VI (revised) to the Convention "Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships".] URL: http://rise.odessa.ua/ texts/MARPOL_VI_18.php3.

2. Zablotskyi Yu.V. Pidvyshchennia ekonomichnosti roboty sudnovykh dyzeliv [Increasing the efficiency of marine diesel engines] / Sudnovi enerhetychni ustanovky: naukovotekhnichnyi zbirnyk. Vyp. 40. Odesa: NU «OMA», 2020. S. 12 -16.

3. Pizintsali L.V., Shumylo O.M., Rossomakha O.I., Aleksandrovska N.I., Rossomakha O.A., Rabocha T.V., Malyshkin O.V. Analiz vplyvu alternatyvnykh vydiv palyva na vartist zhyttievoho tsyklu sudna [Analysis of the impact of alternative fuels on the cost of the ship's life cycle] / Zbirnyk naukovykh prats Natsionalnoho universytetu korablebuduvannia im. admirala Makarova. Naukove vydannia №1(490). 2023. S. 19 29..

4. Aleksandrovska N.I., Pizintsali L.V., Rossomakha O.I., Rossomakha O.A. Analiz vplyvu shorstkosti hrebnoho hvynta na vytraty sudnovoho palyva [Analysis of the influence of propeller roughness on ship fuel consumption] / «Zbirnyk naukovykh prats Natsionalnoho universytetu korablebuduvannia imeni admirala Makarova» № 3 (492) / 2023. S. 3 12. DOI https://doi.org/10.15589/znp2023.4(493).1

5. Metody zakhystu obladnannia vid korozii ta zakhyst na stadii proektuvannia [Methods of protection of equipment against corrosion and protection at the design stage] [Elektronnyi resurs]: pidr. dlia stud. spetsialnosti 161 «Khimichni tekhnolohii», spetsializatsii «Elektrokhimichni tekhnolohii neorhanichnykh ta orhanichnykh materialiv» / M.V. Byk, O.I. Buket, H.S. Vasyliev Elektronni tekstovi dani (1 fail: 8,81 Mbait). Kyiv: KPI im. Ihoria Sikorskoho, 2018. 318 s.

6. Brukhanda V. S., Babichev D.M. Biokoroziia korpusu sudna ta sposoby yii unyknennia [Biocorrosion of the ship's hull and ways to avoid it] // Materialy VIII Vseukrainskoi studentskoi naukovoi konferentsii [Suchasni problemy morskoho transportu ta bezpeka moreplavstva] v 2-kh t.., (m. Kherson, 22 lystopada 2018 roku). Kherson: Vydavnytstvo KhDMA, 2018. Tom. 1. 376 s..

7. Aftaniuk V.V., Havrilkin O.Ie. Modeliuvannia hidrodynamiky korpusu sudna z urakhuvanniam biolohichnoho zabrudnennia. [Modeling of ship hull hydrodynamics with regard to biological pollution] / Sudnovi enerhetychni ustanovky: naukovo-tekhnichnyi zbirnyk. Vyp. 39. Odesa: NU «OMA», 2019. S. 14 21..

8. Opryshko M.O. Zastosuvannia nanotekhnolohii v sudnobuduvanni [Application of nanotechnologies in shipbuilding] // Sudnovi enerhetychni ustanovky: naukovo-tekhnichnyi zbirnyk. Vyp. 40. Odesa: NU «OMA», 2020. S. 134 138..

9. Hryhorieva O.S. Zastosuvannia nanomaterialiv u zakhysnykh pokryttiv vid korozii i obrostannia konstruktsii [Application of nanomaterials in protective coatings against corrosion and fouling of structures] // Sudnovi enerhetychni ustanovky: naukovo-tekhnichnyi zbirnyk. Vyp. 40. Odesa: NU «OMA», 2020. S. 139 143.

10. Daki O.A, Tkachenko V.V., Budolak S.Iu. Metod upravlinnia vytratoiu palyva na richkovykh sudnakh iz vykorystanniam splain-funktsii [Method for managing fuel consumption on river vessels using a spline function] / Vcheni zapysky TNU imeni V.I. Vernadskoho. Seriia: tekhnichni nauky. Tom 31 (70) Ch. 2. № 6. 2020. S.129 134.

11. Aftaniuk V.V., Havrilkin O.Ie. Modeliuvannia hidrodynamiky korpusu sudna z urakhuvanniam biolohichnoho zabrudnennia [Modeling of ship hull hydrodynamics taking into account biological pollution] / Sudnovi enerhetychni ustanovky: naukovo-tekhnichnyi zbirnyk. Vyp. 39. Odesa: NU «OMA», 2019. S. 14 21.

12. Pizintsali L.V. Metodolohichni osnovy orhanizatsiino-tekhnolohichnykh protsesiv utylizatsii suden: monohrafiia. [Methodological bases of organizational and technological processes of ship recycling: monograph] Kherson: OLDI-PLIuS, 2021. 308 s. ISBN 978-966289-488-2.

13. Kyrychok P., Roik T. Metody doslidzhen ta obrobky u vydavnytstvi ta polihrafii: Navchalne vydannia. [Methods of research and processing in publishing and printing: Educational edition.] [Elektronnyi resurs]: navch. posibnyk dlia aspirantiv spetsialnosti 186 «Vydavnytstvo ta polihrafiia» ONP «Vydavnytstvo ta polihrafiia» tretoho (osvitno-naukovoho) rivnia vyshchoi osvity / KPI im. Ihoria Sikorskoho / Uklad.: Kyrychok P.O., T.A. Roik. Elektronni tekstovi dani (1 fail: 1,05 Mbait). Kyiv: KPI im. Ihoria Sikorskoho, 2021. 37 s.

14. Vplyv shorstkosti korpusu na opir vody rukhu sudna [Influence of hull roughness on water resistance to ship motion]. URL: tnu.in.ua. http://www.tnu.in.ua > books.

15. Vietti, P (Fall 2009), New Hull Coatings Cut Fuel Use, Protect Environment, Currents: 36 38.

16. Daivynh Maryn Servys. Pidvodne ochyshchennia korpusa sudna i poliruvannia hvyntiv. [Underwater hull cleaning and propeller polishing.] URL: https://diving-ms.com.ua > articles > 94-underwater-cl.

17. Istoriia stvorennia protyobrostaiuchykh pokryttiv/ [History of antifouling coatings creation] URL: sea-man.orghttps:// sea-man. org > obrasta...

18. L.D. Chambers, F.C. Walsh, R.J.K. Wood, K.R. Stokes, World Maritime Technology Conference, ICMES Proceedings, The Institute of Marine Engineering, Science and Technology, March 2006.

19. Source: Materiaux & Techniques 93, 27-41 (2005) Hors Serie: Biofilms et alterations des materiaux: de l'analyse duphenomene aux strategies de prevention, D. Haras.

20. Stefan Silber. How we're giving ships a cloak of invisibility. October 5, 2017, Essa.

Размещено на Allbest.ru

...