Новости нашей компании

Архив новостей       Управление подпиской

 

27.01.16 13:54
Грузовые составные суда и барже-буксирные составы смешанного плавания для работы с Днепра на перевалочные комплексы, морские порты и порты Дуная


25 января 2016 года в совете николаевского Национального университета кораблестроения имени адмирала Макарова состоялась защита кандидатской диссертации научного сотрудника Морского Инженерного Бюро Александра Егорова "Выбор оптимальных характеристик составных судов и барже-буксирных составов смешанного плавания".
 
Презентационные диссертационные материалы можно скачать по ссылке - (формат Adobe PDF, 16 Мб).
 
Ниже изложены тезисы диссертационного исследования:
 
1. Начиная с 2014 года, наблюдается повышенный интерес к максимально эффективным судам смешанного плавания (ССП) для Днепровского региона из-за резко возросших грузопотоков, в основном, за счет экспортных перевозок зерна.
 
Ситуация на рынке морских и речных перевозок неоднозначная, но с перспективами роста грузопотоков как по Дунаю, так и по Днепру. Применительно к днепровскому региону можно ожидать увеличения грузопотоков за счет перевода части объемов перевозок железной дорогой и автопоездами на более экономичный и экологически безопасный водный транспорт. При переходе подвижного железнодорожного состава в частные структуры и усиления контроля за весовой нагрузкой на ось автомобилей, следует ожидать повышения тарифов на перевозку грузов, что положительно влияет на конкурентоспособность водного транспорта.
 
Анализ технического состояния показывает, что дальнейшая эксплуатация старых судов внутреннего и смешанного плавания сопряжена со значительными рисками (возможны выход из строя судовых устройств, машин и механизмов, водотечность наружной обшивки, деформации корпуса и многие другие ситуации, которые могут привести как к экологической катастрофе, так и к гибели судна и экипажа), поэтому в ближайшие годы следует ожидать массового списания судов, средний возраст которых превышает 40 лет.
 
Для удовлетворения спроса на перевозки по направлениям Днепр - Черное море - Дунай, Днепр - Черное море, Дунай - Черное море, требуются новые современные ССП, включая барже-буксирные составы (ББС) и составные суда (СС), являющиеся самыми экономически выгодными вариантами при условии стабильных грузопотоков и налаженной логистической цепочки в портах при погрузке/выгрузке, особенно, в условиях ограниченных глубин.
 
2. Современные ССП нового поколения, включая составные, отличаются от разработанных в советское время увеличенной вместимостью грузовых трюмов или танков за счет повышения коэффициента общей полноты и применения высоких надпалубных конструкций (комингсов и тронка). Они обладают увеличенной мощностью главных двигателей, обеспечивающих безопасную работу на волнении в соответствии с выбранным классом, что требует соответствующего анализа и обоснования.
 
Ранее Г.В. Егоров показал, что для ССП нового поколения выбор главных размерений полностью определяется путевыми условиями. Несмотря на очевидные путевые ограничения, в советское время подходы к проектированию судов ограниченного плавания были схожи со стандартной ("морской") схемой определения главных размерений и элементов. Поэтому анализ ограничений, накладываемых условиями эксплуатации, представляет принципиальный интерес для выбора основных характеристик СС (ББС). В рамках магистерской выпускной комплексной работы "Создание нового флота для перевозок грузов с Днепра на Дунай", выполненной, в том числе, автором, в Одесском национальном морском университета под руководством С.Н. Баскакова, были произведены расчеты, которые показали, что для перевозки массовых партий груза на линии Днепр - Дунай наиболее эффективными являются суда, максимально использующие путевые ограничения. В диссертационной работе Ю.А. Кочнева, выполненной в Волжском государственном университете водного транспорта под руководством Е.П. Роннова, подтверждаются выводы о том, что главные размерения необходимо выбирать максимально возможными для рассматриваемой линии.
 
Вопросу оптимизации основных характеристик судов, который является основным для начального этапа проектирования и для оценки экономической эффективности, уделялось достаточно внимания как в советское (В.М. Пашин), так и в настоящее время (в работах М.В. Войлошникова, В.А. Некрасова, Н.А. Ефремова и других ученых). Определение и оптимизация основных характеристик СВП и ССП представлена в работах А.Ф. Видецкого, А.Б. Карпова, Ю.А. Кочнева, Е.П. Роннова, Б.В. Богданова, Г.И. Ваганова, Е.Р. Ратнера, Б.М. Сахновского, Н.А. Таранухи, в публикациях МИБ под руководством Г.В. Егорова, Национального университета кораблестроения имени адмирала Макарова В.А. Некрасова, О.И. Соломенцева, А.В. Бондаренко, А.Н. Вашедченко и других коллег.
 
При этом, предложенные этими авторами зависимости и предположения не учитывают современных реалий: тенденций к повышенной "полноте" вновь строящихся ББС и СС (влияет на сопротивление), изменений в Правилах Классификационных обществ, новых сцепных устройств для река-море перевозок, широкого применения CFD моделирования, взаимодействия двух равнозначных корпусов с учетом увеличенного коэффициента полноты (до сих пор при расчетах используются коэффициенты счала CZ, предложенные В.В. Звонковым в 60-е годы на основании испытаний ББС внутреннего плавания).
 
3. Исследования в области сцепных устройств для ББС и СС выполняли В.П. Лобастов, С.В. Преснов, другие коллеги. Анализ основных существующих сцепных устройств показывает, что сцепное устройство необходимо выбирать под каждую конкретную линию и пожелания Заказчика, с учетом конструктивных ограничений самих сцепных устройств.
 
Для ССП с относительно большими морскими переходами рекомендуется использовать полужесткие сцепные устройства, так как существующие сегодня гибкие и "речные" полужесткие сцепные устройства (несмотря на успешные экспериментальные рейсы ББС, состоящих из барж и буксиров-толкачей типа "ОТ-2000" в Азовском море и эксплуатацию ББС, состоящих из барж проекта NBL-90 и буксиров-толкачей проекта POSS-115 в Днепро-Бугском лимане) не соответствуют условиям плавания, а жесткие сцепные устройства морского типа обладают избыточными для обозначенного района плавания характеристиками, которые существенно увеличивают стоимость самого сцепного устройства.
 
Для линии Днепр - Черное море - Дунай или линии Днепр - морские порты Черного и Азовского морей рекомендуется устанавливать полужесткое сцепное устройство типа "Articouple". Такое устройство позволит сэкономить полезную длину баржи и обеспечит достаточные мореходные и прочностные качества состава.
 
Для линии Днепр - Очаков (банка Трутаева), рекомендуется использовать "речные" полужесткие сцепные устройства типа "О" (с ограничениями по высоте волны 2 м при плавании в Днепро-Бугском лимане). При более сильном волнении на морском участке до Очакова необходимо будет водить состав методом буксировки, что позволит значительно удешевить постройку.
 
4. В работе были продемонстрированы принципиальные отличия ББС и СС от самоходных судов. Основное преимущество этих судов - в реализации эффективных, по сравнению с самоходными судами, схем доставки грузов в порты назначения. Если судоходная компания имеет соответствующие гарантии на постоянный грузопоток, либо является, по совместительству, и грузовладельцем, то в таких случаях реализация преимуществ составов очевидна при правильной организации работы всех звеньев логистической цепочки.
 
5. Проведены исследования риска эксплуатации СВП и ССП, включая ББС и СС, показано влияние возраста судов на безопасность мореплавания. Наблюдается устойчивый рост аварийности для судов старше 13 лет с пиками аварий для судов с возрастом 22-25 лет и 30-34 года. Обращает на себя внимание больший по сравнению с общей статистикой процент катастроф ББС (46% против 30%), особенно связанных с повреждением корпуса. Объясняется это тем, что "дешевая" грузовая секция (баржа), чаще всего, остается без должного наблюдения со стороны судовладельцев, береговых служб и надзорных органов.
 
Следует также отметить, что имели место катастрофы, связанные с затоплением ББС в сцепленном состоянии. Основные причины: перегруз баржи, нарушение условий и района плавания и, как следствие, опрокидывание.
 
Таким образом, для исследуемых судов наибольшую опасность могут представлять нарушение непроницаемости отсеков, которое происходит в результате грузовых операций и навигационных ошибок (контакты со стенками шлюзов, посадки на мель и т.д.), коррозионных износов; нарушение порядка погрузки-выгрузки, ошибки прогноза погоды, что, как правило, требует наличия дополнительного запаса прочности корпуса. Кроме того, в работе приведены рекомендации по проектированию отдельных элементов конструкций корпусов.
 
6. Для ССП выбор главных размерений полностью определяется путевыми условиями, то есть, фактически, концепция "макс" является оптимальной при перевозках массовых грузов. На основе анализа путевых условий можно рекомендовать для самоходного судна-толкача СП "Днепро-макс" класса габаритную длину 140-150 м (длину грузовой секции ББС не более 120 м). Габаритная длина состава не должна превышать 270 м. Габаритная ширина судна может быть принята в пределах 16,0-17,2 м (в зависимости от наличия дополнительных подруливающих устройств). Надводный габарит судна может быть равным или меньше 16,7 м (для работы по Днепру не выше Запорожья). Для работы выше Запорожья до Кременчуга - 14,5 м. Для работы выше Кременчуга - 12,8 м. Для работы выше Запорожья без ожидания разводки Кременчугского и Днепропетровского двухъярусного мостов - 8,57 м. Рабочий теоретический диапазон осадок судна "Днепро-макс" класса изменяется в пределах 3,00-4,50 м (рекомендуется учитывать при планировании работы судна как на экспортно-импортных, так и на внутренних, каботажных перевозках).
 
Учтено влияние основных ограничений для эксплуатации ББС и СС на ВВП Украины, включая расчет ширины ходовой полосы, занимаемой составом на повороте реки. Для составов "Днепро-макс" класса, предполагаемых к эксплуатации по схеме 1+1 (судно-толкач и баржа), габаритной длиной 260 м и шириной 17,2 м ширины ходовых полос на повороте реки не превышают ширину судового хода.
 
7. Анализ путевых условий для дальнейшего выбора главных размерений судов ББС и СС СП (на примере "Днепро-макс" класса).
 
Условия, влияющие на выбор габаритной длины LM
 
Характеристика Максимально возможное значение LM, м
Минимальный радиус закругления судового хода
реки Днепр Rmin = 800 м
LM ≈ 282 (при ширине состава 17,2 м)
Длины причалов LПР = 120...350 м 120 (для грузовой секции состава),
140-150 для самоходного судна
Минимальная длина рабочей камеры шлюза LШК = 150 м 150 (при эксплуатации выше Киевского шлюза),
270 (при эксплуатации до Киевского шлюза)

 
Условия, влияющие на выбор габаритной ширины BM
 
Характеристика Максимально возможное значение BM, м
Минимальная ширина камеры шлюзов на Днепре BШК = 18,0 м 17,2 (без учета наледи, при появлении ледового покрова на стенках камер шлюзов допускается запас по ширине не менее 0,4 м от края ледового покрова)

 
Условия, влияющие на выбор осадки d
 
Характеристика портов Максимально возможное значение d, м
Река Днепр, глубина судового хода dВВП = 3,2...3,85 м 3,00 - 3,65

 
Условия, влияющие на выбор надводного габарита HНГ
 
При эксплуатации выше Запорожья без ожидания разводки Кременчугского и Днепропетровского двухъярусного мостов HНГ = 8,57 м. При эксплуатации до Запорожья HНГ = 16,70 м.
 
8. В ходе выполнения работы по данным модельных испытаний в опытовом бассейне был получен коэффициент счала самоходного судна-толкача и баржи "Днепро-макс" класса с Cb = 0,930. Коэффициент счала CZ составного судна в зависимости от числа Fr (для всего составного судна) CZ = 0,259 + 32,64Fr - 493,25Fr2 + 2179,50Fr3. При Fr > 0,07 (для всего составного судна) наблюдается значительное улучшение взаимодействия корпусов самоходного судна-толкача и баржи.
 
9. Определены основные варианты эксплуатации ББС и СС "Днепро-макс" класса:
 
• на основе модели "вертушка", включающей в себя один буксир-толкач и несколько барж, для перевозки грузов из порта в порт (расчетная линия в основную летнюю навигацию Светловодск - Измаил);
• буксир-толкач и баржа для перевозки грузов из речных портов в порты морские или другого речного бассейна, или на РПК (модель "самоходное судно", расчетная линия в основную летнюю навигацию Светловодск - Измаил);
• самоходное судно-толкач и одна баржа для перевозки грузов из речных портов на РПК (расчетная линия в летнюю навигацию Светловодск - банка Трутаева).
 
Результаты сравнения недисконтированного срока окупаемости TO с учетом изменения цен на топливо
 
Схема расчета Цена на топливо Цm, $/т
-10% - 450 -5% - 475 Базовая - 500 +5% - 525 +10% - 550
ББС "Днепро-макс" класса.
Модель "вертушка"
7,69 7,79 7,90 8,01 8,12
ББС "Днепро-макс" класса.
Модель "самоходное судно"
8,20 8,29 8,39 8,49 8,60
Составное судно "Днепро-макс" класса
(речной порт - РПК)
6,16 6,20 6,23 6,27 6,31
* - для каждой схемы принят оптимальный вариант, имеющий минимальный срок окупаемости
(CB = 0,93, VS = 9,5 уз)

 
10. Анализ рассматриваемых моделей показывает, что определение наиболее эффективного для смешанных перевозок коэффициента общей полноты Cb является комплексной задачей нахождения "золотой середины".
 
Для существующих реалий речных и смешанных река-море перевозок массовых партий груза наиболее эффективным для смешанных перевозок является судно с максимально возможным коэффициентом полноты Cb для определенного диапазона скоростей. Для диапазона скоростей 8,5-10 уз (основной диапазон работы существующих ССП) наиболее эффективным является Cb = 0,930, при больших значениях резко вырастает буксировочное сопротивление, а, соответственно, и расходы на топливо, при меньших значениях - перевозится меньше груза и, соответственно, хуже экономика при таких же портовых и различных навигационных (шлюзование, проход под мостами) сборах, расходах на экипаж.
 
Таким образом, для судов "Днепро-макс" класса рекомендуется применять значение коэффициента общей полноты Cb = 0,930 на речную осадку до 3,6 м при обычных для реки эксплуатационных скоростях 8,5-10 уз.
 
Наиболее реализуемым выглядит концепт СОСТАВНОГО судна "Днепро-макс" класса, так как реализация "вертушки", да и вообще барже-буксирного состава, требует гарантированных, постоянных грузопотоков с развитой логистической цепочкой, что в настоящее время проблематично.
 
Существующее составное судно, состоящее из самоходного судна-толкача проекта 19620 и баржи проекта 90035, имеет общую грузоподъемность в реке на осадку 3,2 м порядка 4000 т. Предлагаемый концепт составного судна "Днепро-макс" класса перевозит на осадку 3,2 м около 9700 т, то есть в 2,4 раза больше за каждый рейс.
 
11. Основные характеристики предлагаемого концепта составного судна
 
Данные Составное судно "Днепро-макс" класса
судно-толкач баржа состав в целом
Минимальный класс судна М-ПР О-ПР -
Длина наибольшая, м 141,00 121,50 262,50
Длина между перпендикулярами, м 138,91 120,20 -
Ширина габаритная, м 17,20 -
Ширина, м 17,00 -
Высота борта, м 6,00 5,00 -
Коэффициент общей полноты (в реке T = 3,2 м) 0,930 -
Коэффициент общей полноты (в море T = 4,2 м) 0,937 -
Осадка по ЛГВЛ в море / в реке, м 4,20 / 3,20
Дедвейт, т:
- в реке при осадке 3,20 м
4879 4876 9755
- в море при осадке 4,20 м 7376 7038 14414
Скорость, уз при % от МДМ около 10,0 (100%) (в составе);
около 10,5 (85%) (без состава)
Объем грузовых трюмов, м3 8715 9170 17885
Количество грузовых трюмов 4 6 10
Мощность ГД, кВт 2 x 1200 - -
Экипаж, чел / мест 10 чел. / 12 мест - -

 
Заключение
 
1. На основе применения методов коррекционно-регрессионного анализа и специально поставленного авторского эксперимента существенно усовершенствована математическая модель инженерных и навигационных свойств ББС и СС для использования в речной и морской воднотранспортной системах, которая связывает эти свойства с искомыми оптимальными главными размерениями и основными характеристиками рассматриваемых объектов. Впервые получен коэффициент счала самоходного судна-толкача и баржи "Днепро-макс" класса с коэффициентом общей полноты Cb = 0,930 при их совместной эксплуатации путем проведения модельных испытаний в опытовом бассейне. Также впервые получены зависимости для постатейного определения весовой нагрузки несамоходных и самоходных ССП с коэффициентом полноты Cb > 0,900. Усовершенствованы регрессионные зависимости для проектирования корпусов грузовых самоходных ССП нового поколения, для определения мощности главных двигателей самоходных судов, удельной грузовместимости сухогрузных судов. По результатам модельных испытаний и опыта эксплуатации самоходных ССП с Cb = 0,930 получила дальнейшее развитие методика определения буксировочного сопротивления и буксировочной мощности ББС и СС СП.
 
2. В результате анализа структуры водных путей, погодных условий эксплуатации судов на этих водных путях и применения методов моделирования детерминированных воднотранспортных операций впервые разработана математическая модель функционирования ББС и СС СП, которая обеспечивает определение показателей эффективности их эксплуатации, формирует тривиальные и функциональные ограничения оптимизационной задачи. Получены формулы для определения времени кругового рейса для различных моделей эксплуатации ББС и СС СП. Усовершенствованы зависимости для определения потери скорости на морском участке для ССП с большой полнотой. В результате обработки данных по ветро-волновой обстановке северо-западного района Черного моря получены вероятности появления волн 3% обеспеченности высотой от 1 до 3 м на морском участке в летнюю и зимнюю навигации, которые учитывались при определении коэффициента реализации скорости рассматриваемых составов. Путем обработки статистических данных по расходам судоходных компаний, оперирующих флотом ССП, получены усовершенствованные зависимости для составляющих эксплуатационных расходов.