Влияние на остойчивость судна подвешенных грузов

При переносе груза на судно и с него происходит смена опорного плеча и теряется остойчивость. В этом материале рассмотрено влияние подвешенных грузов в момент крена на остойчивость.

Допустим, что на судне имеется груз весом P, подвешенный в точке О, расположенной на расстоянии l_у от ДП. Если груз закрепить и в точке g – его Ц.Т., то при крене судна груз останется на месте и начальная остойчивость судна не изменится. Если же груз не закреплен, то при крене судна на угол θ центр тяжести его переместится в сторону крена из точки g в точку g₁ и линия подвеса груза примет положение перпендикулярно плоскости новой ватерлинии В₁Л₁. Угол между линией подвеса gO до крена и g₁O после крена равен θ.

Такое перемещение груза, как это видно из рисунка, создает дополнительный кренящий момент:

$\Delta Mкр=Р·l_z·\sin \theta Форм. 1$

где:

• l_z – возвышение точки подвеса над первоначальным положением Ц.Т. груза.

Так как этот момент действует в сторону крена, то восстанавливающий момент уменьшается: M′θ = Мθ – ΔMкр. Поскольку Mθ = D′ · h · sin θ, тo

Выражение в скобках представляет собой новое значение метацентрической высоты судна при наличии подвешенного груза:

$h1=h–\frac{P–lz}{D\prime } Форм. 3$

Если выразить массу подвешенного груза и водоизмещение в тоннах, то поправка к метацентрической высоте на влияние подвешенного груза будет:

$∆h=–\frac{P·lz}{D\prime } Форм. 4$

Таким образом, наличие на судне подвешенного груза приводит к уменьшению исходной метацентрической высоты, а, следовательно, к уменьшению восстанавливающего момента.

Предлагается к прочтению: Крен судна при поперечном перемещении груза

Сравнив полученное выражение с формулой, учитывающей изменение метацентрической высоты при вертикальном переносе груза, убеждаемся, что они аналогичны. Это означает, что влияние подвешенного незакрепленного груза весом P на остойчивость равноценно влиянию такого же неподвижного груза P, Ц.Т. которого перемещен в точку подвеса О.

Из формулы 4 также следует, что значение поправки Δh не зависит от того, где в данный момент находится груз после отрыва его от палубы. Изменение метацентрической высоты происходит в момент отрыва груза от палубы. Сам процесс подъема и опускания груза, не влияет на остойчивость судна. Поэтому при вычислении поправки Δh длина подвеса l_z определяется длиной, измеренной от Ц.Т. груза, лежащего на настиле двойного дна или на палубе, до точки подвеса.

Влияние на остойчивость судна жидких грузов со свободной поверхностью

На судах всегда имеется жидкий груз (балластная вода, топливо, пресная вода различного назначения и т. д.), а на наливных судах – штатный перевозимый груз. Если жидкий груз полностью заполняет отведенный ему объем (цистерну, танк), то при наклонениях судна он будет вести себя как твердый не перемещающийся груз. Влияние такого груза на остойчивость аналогично влиянию, которое оказывает на остойчивость закрепленный твердый груз.

В действительных условиях эксплуатации судов цистерны или отсеки по различным причинам оказываются заполненными не полностью. В таком случае говорят, что емкости имеют свободную поверхность. При наклонении судна изменится форма объема жидкости в цистерне, а это отражается на посадке и остойчивости судна.

Допустим, что на судне имеется цистерна, частично заполненная жидкостью. До того как судно накренилось, Ц.Т. жидкого груза находился в точке g. При крене жидкость в цистерне сместилась, Ц.Т. ее также сместился в сторону крена и занял новое положение (точка g₁). Ц.Т. жидкости одновременно является Ц.В. заполненного объема цистерны, поэтому кривая g₁ представляет собой кривую Ц.В. радиус кривизны r_ж кривой (по аналогии с наклонением судна) является метацентрическим радиусом, а точка О – метацентром по отношению к жидкости в цистерне. Следовательно, с точки зрения влияния на остойчивость, жидкий груз со свободной поверхностью подобен подвешенному грузу, точка подвеса которого расположена в метацентре, а длина подвеса равна метацентрическому радиусу.

Поправка Δh к метацентрической высоте, учитывающая влияние свободной поверхности жидкости, будет:

$∆h=–\frac{P·r_{ж}}{D} Форм. 5$

где:

• P = ρ_ж – масса жидкости в цистерне;
• V_ж – объем, занимаемый жидкостью;
• ρ_ж – плотность жидкости.

Значение метацентрического радиуса для этого случая можно определить с помощью формулы:

$r_{ж} = i_x/V_{ж},$

где:

• i_х – момент инерции свободной поверхности жидкости относительно продольной оси, проходящей через Ц.Т. площади этой поверхности.

Если в формуле 5 подставить выражения для P, r_ж, D, то она примет вид:

Из формулы 6 видно, что поправка на влияние свободной поверхности жидкости всегда имеет отрицательный знак, т. е. свободная поверхность жидкого груза, перетекая в сторону наклонения судна, уменьшает метацентрическую высоту и отрицательно сказывается на остойчивости.

Основное влияние на Δh оказывает величина i_х, зависящая от формы и размеров свободной поверхности. При большой площади свободной поверхности момент инерции i_х, а, следовательно, и поправка Δh будут столь велики, что поперечная метацентрическая высота окажется недостаточной и может стать даже отрицательной.

Момент инерции i_х, а вместе с тем и вредное влияние свободной поверхности можно уменьшить, если поставить в отсеках и цистернах переборки вдоль или параллельно плоскости наклонения судна. Какое влияние оказывают такие продольные переборки на остойчивость судна, видно из следующего примера. Разделим отсек на две равные части и будем считать, что свободная поверхность отсека имеет форму прямоугольника, как это чаще всего бывает.

Если длина отсека l, а ширина b то момент инерции площади всего отсека относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести этой площади, будет:

$i_x=\frac{l·b^3}{12}$

Если разделить отсек одной продольной переборкой на две равные части, то ширина каждой части будет b/2 , а суммарный момент инерции двух отсеков:

$\Sigma i_x=2·\frac{l·(b/2{)}^3}{12}=\frac{1}{4}·\frac{l·b^3}{12}$

т. е. в 4 раза меньше, чем у неразделенного отсека.

Если установить две продольные переборки и определить суммарный момент инерции свободной площади такого отсека, то можно убедиться, что переборки уменьшают отрицательное влияние свободной поверхности жидкого груза на остойчивость пропорционально квадрату числа отсеков.

В заключение приведем ряд рекомендаций по устранению или уменьшению отрицательного влияния свободной поверхности жидкого груза на остойчивость судна:

1. При приеме жидкого груза необходимо стремиться к тому, чтобы цистерны или отсеки были запрессованы (запрессованными считаются цистерны, заполненные на 95 % и более).
2. Расходовать рейсовые запасы следует сначала из верхних емкостей, а затем – из нижних, причем забирать их надо по очереди из разных цистерн, а не одновременно из нескольких.
3. При балластировке нельзя принимать забортную воду сразу в несколько балластных цистерн.
4. Во время рейса следует избегать приема забортной воды в балластные танки и ее удаление из них. Особенно опасна такая операция для судна с малой метацентрической высотой, например для лесовозов с грузом леса на палубе. Балластировку нужно производить в порту или на базе – убежище, а в море – лишь в исключительных случаях с соответствующей расчетной проверкой остойчивости.
5. При балластировке судна приемом воды в кормовые трюмы, через которые проходит туннель гребного вала, не следует доводить уровень выше туннеля.

Влияние на остойчивость насыпных грузов

Груз, способный пересыпаться, оказывает на остойчивость судна действие, аналогичное действию жидкого груза.

Если жидкий груз можно отнести к категории легко перемещающихся грузов, которые приходят в движение при малейшем наклонении судна, то насыпной груз при тех же условиях придет в движение только в том случае, когда угол крена судна превысит так называемый угол естественного откоса – угол крутизны, при котором насыпной груз, находящийся в куче, еще остается в покое.

Динамика смещения груза весьма сложна. Под влиянием небольшой качки смещается лишь тонкий слой груза, что не может оказать заметного влияния на остойчивость судна и практически приводит лишь к выравниванию поверхности груза, образовавшейся при погрузке. Увеличение количества пересыпающегося груза с нарастанием угла качки происходит неравномерно, а с резким переходом при некотором угле крена от тонкого поверхностного слоя сразу к достаточно толстому. При некоторых углах крена груз вообще не смещается, а затем сползает на один борт сразу большим пластом, причем вновь образующаяся поверхность груза, как правило, бывает плоской с небольшим повышением у борта, на который происходит крен.

Пересыпание груза вызывает перемещение Ц.Т. судна в сторону крена и, следовательно, уменьшение восстанавливающего момента. Судно получает дополнительный крен и может опрокинуться в случае внезапного шквала или приложения какого-либо другого кренящего момента. Отсутствие в настоящее время надежных теоретических и экспериментальных данных по динамике смещения насыпных грузов не позволяет строго решать задачу об их влиянии на остойчивость судна. Поэтому мы ограничиваемся только общими сведениями о характере влияния насыпных грузов на остойчивость судна.

Ниже приведен пример сертификата для сыпучего груза, где указан угол естественного откоса груза.

Существуют различные предупредительные меры по ограничению смещения насыпных грузов:

• Разделение трюмов постоянными или временными продольными переборками. Они должны простираться на высоту, достаточную для предотвращения смещения: в твиндеках такие переборки устанавливают от палубы до палубы. Переборки должны быть достаточно прочными, соответствующим образом закрепленными и непроницаемыми для данного груза;
• Устройство над грузовыми люками шахт – питателей достаточной емкости (2,5–8 % вместимости отсека);
• При частичном заполнении трюма – выравнивание насыпного груза и укладка сверху мешков с этим грузом.

Изменение остойчивости судна при посадке на грунт

Изменение остойчивости судна при посадке на грунт обусловлено следующим обстоятельством: действие реакции давления грунта на корпус судна равносильно снятию в точке касания груза, равного по весу реакции грунта. Снятие груза с днища вызывает резкое смещение вверх Ц.Т. судна, т. е. уменьшает остойчивость.

Читайте также: Метацентрическая формула начальной поперечной остойчивости

Допустим, что судно первоначально имело водоизмещение D. После посадки на грунт осадка его уменьшилась на ΔT и соответственно изменилось водоизмещение на величину P = ρ·ΔV, определяемую объемом оголившегося слоя ΔV. Поскольку реакция грунта R равна этой отрицательной силе плавучести оголившегося слоя, она может быть выражена в виде:

$R=\rho ·\Delta V=\rho ·S \Delta ·T$

Действие реакции давления грунта на корпус равносильно снятию с судна груза, Ц.Т. которого расположен на днище, поэтому Z_р = 0. Тогда, используя формулу для определения новой метацентрической высоты при снятии груза с судна, можно определить новое значение метацентрической высоты при посадке судна на грунт:

$h_1=h–\frac{P}{D–P}·(T–\frac{∆T}{2}–2)$

Из формулы видно, что для определения новой метацентрической высоты в случае посадки судна на грунт необходимо найти P и ΔТ, что можно сделать путем тщательного промера глубин вокруг судна, находящегося в аварийном положении.