O cunoaștere aprofundată a curbelor de stabilitate intactă ne poate ajuta să cunoaștem și să analizăm cazuri reale de instabilitate cauzate la navele de suprafață. Pentru fiecare caz de instabilitate, proiectantul navei trebuie să știe mai întâi efectul pe care l-ar provoca asupra navei. Odată cunoscut efectul, se investighează cauza instabilității navei. În practică, principalele instrumente utilizate pentru analiza cauzelor tuturor cazurilor de instabilitate ale unei nave sunt condițiile de încărcare și curbele de stabilitate.

navă

Un anumit nivel de intuiție bazat pe experiența cu stabilitatea navei de suprafață joacă, de asemenea, un rol major în sublinierea cauzei fiecărui caz, ceea ce face din stabilitate un domeniu și mai interesant de cercetare în domeniul arhitecturii navale.

Mai întâi vom discuta câteva cazuri majore de instabilitate la navele de suprafață. Odată ce efectul fiecăruia a fost studiat, vom vedea apoi ce măsuri sunt luate în etapele de proiectare și operaționale pentru a preveni același lucru. De asemenea, vom raporta fiecare dintre acestea la cazuri reale care au avut loc în trecut.

Efectul liber al suprafeței navelor:

Când orice rezervor sau un compartiment este parțial umplut, mișcarea lichidului (datorită mișcărilor de rulare și de înclinare a navei) ar reduce stabilitatea navei. De ce? Deoarece, atunci când nava este înclinată, lichidul din rezervor se deplasează spre partea inferioară a rezervorului, așa cum se arată în figura următoare.

Figura 1: Efect de suprafață liberă.

În figura de mai sus, rezervorul navei se extinde de jos până la vârful rezervorului (prezentat în roșu) și este umplut doar parțial. Când nava este în poziție verticală, suprafața liberă a lichidului din rezervor este prezentată ca AA1. Când nava se înclină către un anumit unghi de călcâi (să spunem „theta” (), suprafața liberă a lichidului se schimbă acum în TT1. De asemenea, centrul flotabilității se deplasează de la „B” la „B1”.

Ce se întâmplă ca urmare a acestui fapt? Rețineți că atunci când lichidul din rezervor este transferat în partea inferioară, volumul lichidului din pene între punctele „A” și „T” s-a deplasat acum în partea inferioară dintre punctele A1 și T1. Deci, practic, centrul de greutate al volumului de lichid s-a schimbat de la „g” la „g1”.

Ca urmare a schimbării greutății în interiorul navei, centrul de greutate al navei se schimbă acum de la „G” la „G1”. Efectul acestei deplasări de lichid este de așa natură încât greutatea rezultată a întregului sistem acționează printr-un punct virtual mult mai mare decât centrul de greutate real al navei. Acest centru de greutate virtual „GV” se obține prin extinderea unei linii verticale de la noul centru de greutate „G1” la linia centrală a navei. Deci KG-ul rezultat crește, reducând astfel înălțimea metacentrică a navei.

Noua înălțime metacentrică cu efect de suprafață liberă este acum „GVM”, iar noua pârghie de redresare este „GVZV”, ambele fiind semnificativ mai mici decât valorile inițiale (fără efect de suprafață liberă). Această reducere a înălțimii metacentrice sau creșterea CG a navei datorită efectului de suprafață liberă este cea care reduce stabilitatea navei sau chiar o poate face instabilă.

Această reducere a înălțimii metacentrice datorită efectului suprafeței libere poate fi calculată prin următoarea expresie:

În expresia de mai sus,

?L = Densitatea lichidului din rezervor.

?S = Densitatea apei de mare.

IL = Momentul suprafeței libere în jurul liniei centrale longitudinale a rezervorului.

∇S = deplasarea în masă a navei în apa mării.

Există câteva concluzii foarte importante care pot fi extrase din expresia de mai sus și acestea sunt utilizate pentru a dezvolta metode de proiectare pentru a combate efectul suprafeței libere pe nave. Ele pot fi înrolate ca:

  • Efectul suprafeței libere este independent de poziția rezervorului. Adică, un tanc poate fi la orice înălțime a navei sau la orice poziție longitudinală, iar dezvoltarea oricărei suprafețe libere din aceasta ar afecta nava în același mod, indiferent de locația sa.
  • Reducerea înălțimii metacentrice datorită efectului suprafeței libere este mai mare pentru lichidele mai dense.
  • Forma rezervorului joacă un rol major în evaluarea efectului suprafeței libere. Asta deoarece, reducerea stabilității navei este direct proporțională cu momentul zonei suprafeței libere în jurul liniei centrale longitudinale a tancului. Ce presupune acest lucru? Suprafața transversală mai mică a suprafeței libere, cu cât este mai mică zona de moment de inerție față de linia centrală longitudinală a rezervorului, este mai mică reducerea GM datorită efectului suprafeței libere.

Pentru a realiza acest lucru, o prioritate de proiectare în timpul proiectării rezervoarelor este reducerea momentului longitudinal al suprafeței libere prin furnizarea de pereți etanși longitudinali în rezervoare cu suprafață mare, așa cum se arată în figura de mai jos.

Figura 2: Împărțirea longitudinală a unui rezervor pentru a reduce efectul suprafeței libere.

În primul caz, un rezervor cu lățimea aceeași cu grinda navei (b) ar fi produs o reducere semnificativ ridicată a GM datorită unei suprafețe libere. Dacă același rezervor este compartimentat în trei părți egale prin furnizarea a două pereți etanși longitudinali, suprafața liberă se va reduce cu un factor de cub din lățimea rezervorului (b). Dacă studiați planul tancurilor oricărei nave, ați observa că rezervoarele mari de combustibil și apă dulce sunt împărțite în compartimente Port, Centru și Starboard din acest motiv.

Efect de suprafață gratuit pentru două lichide:

Există cazuri în care un rezervor conține două lichide nemiscibile. În rezervoarele de compensare a combustibilului, volumul de păcură utilizat este înlocuit cu apa de mare. În rezervoarele de benzină, apa de mare este introdusă în rezervor pentru a preveni lăsarea unor spații pentru vapori inflamabili. Benzina fiind mai ușoară decât apa de mare, formează întotdeauna stratul superior și este extrasă din partea superioară a rezervorului.

Întrebarea interesantă aici este că aceste tancuri sunt întotdeauna pline. Cum este legat efectul suprafeței libere de aceste cazuri? Rețineți următoarea figură.

Figura 3: Efect de suprafață liberă în rezervoare cu două fluide.

Ceea ce se întâmplă este că interfața celor două lichide acționează ca o suprafață liberă. Deci, când nava se înclină, interfața va rămâne paralelă cu linia de plutire. Pentru ca acest lucru să se întâmple, volumul anumit al lichidului mai greu trebuie să se deplaseze către partea inferioară a navei, înlocuind un anumit volum care a fost ocupat de lichidul mai ușor. Volumul înlocuit al lichidului mai ușor, la rândul său, se deplasează în partea superioară. Efectul rezultat este o deplasare a CG datorită mișcării fluidelor, care creează un efect de suprafață liberă.

Efectul schimbării mărfurilor uscate în vrac:

La navele care transportă mărfuri uscate în vrac, cum ar fi cereale, minereu, cărbune etc. chiar dacă suprafața încărcăturii este aplatizată după încărcare, mișcarea de rulare în timpul călătoriei poate redistribui încărcătura în cală, determinând deplasarea acesteia într-o parte. Aceasta va duce la o listă către o parte. Acum, o navă care a fost listată din cauza schimbării încărcăturii este vulnerabilă la răsturnare în cazul în care rularea crește la unghiuri mai mari. De fapt, se știe că vrachierele se răstoarne din cauza schimbării mărfurilor.

Pentru a preveni astfel de cazuri, se presupune că proiectanții trebuie să se asigure că proiectul lor este conform cu Codul OMI privind practicile sigure pentru încărcăturile solide în vrac (IMO, 1980). Codul furnizează o listă de specificații tehnice pentru fiecare tip de marfă vrac și unghiurile respective de odihnă. Ceea ce ne vom concentra, în această secțiune, nu sunt detaliile Codului, deoarece este un document specific și este ușor de obținut. Ceea ce este important aici este să vedem cum schimbarea încărcăturii afectează stabilitatea unei nave.

Figura 4: Curba de stabilitate a unei nave cu deplasarea mărfurilor uscate.

Figura de mai sus este reprezentarea stabilității navei în timpul deplasării mărfurilor uscate. Curba punctată „AB” trasează brațul sau pârghia de înclinare cauzată de deplasarea granulelor. Pentru a genera această parcelă, se efectuează analiza pentru diferite condiții de încărcare și, în consecință, se obține o gamă de parcele de călcat cu cereale. Fiecare parcela trebuie tratată ca un caz separat pentru analiza stabilității navei la fiecare caz de încărcare.

Acum, imaginați-vă o navă în care cerealele s-au mutat într-o parte. Nava ar fi listată până la un unghi în care momentul înclinării cerealelor ar anula momentul de redresare. Grafic, acest punct este atins în cazul în care curbele brațului de înclinare a cerealelor și curba de stabilitate statică a navei se intersectează.

În cazul deplasării cerealelor, brațul de îndreptare maxim rezultat al navei se reduce, de asemenea. Cum? Să presupunem că GZ maxim pentru cazul dat se produce la un unghi al călcâiului de 40 de grade. Datorită existenței unui braț de înclinare a cerealelor la 40 de grade (ƛ40), GZ maxim rezultat ar fi (GZMAX - ƛ40).

Stabilitatea dinamică a unei nave este zona închisă în curba sa de stabilitate statică. Ne oferă magnitudinea energiei externe de călcat pe care nava o poate absorbi înainte de răsturnare. Suprafața responsabilă de stabilitatea dinamică se reduce datorită prezenței unui braț de înclinare a cerealelor. Cu alte cuvinte, în cazul absenței unui schimb de marfă, zona care contribuie la stabilitatea dinamică ar fi zona dintre curba de stabilitate statică și axa orizontală. Întrucât, aria dintre curba brațului de înclinare și axa orizontală este redusă față de zona inițială atunci când are loc deplasarea încărcăturii (prezentată ca porțiune umbrită în figura de mai sus). Aceasta înseamnă că nava poate absorbi acum mai puțină energie externă (vânt, valuri, forță centrifugă datorită virajelor de mare viteză) înainte de răsturnare.

Prin urmare, sunt luate în considerare următoarele constrângeri de proiectare pentru a preveni pierderea stabilității datorită deplasării încărcăturii uscate:

  • Valoarea înălțimii metacentrice transversale inițiale (GMT) presupunând că efectul suprafeței libere este prezent. Nu trebuie să fie mai mică de 0,3 metri.
  • Valoarea înălțimii metacentrice transversale inițiale (GMT): Nu ar trebui să fie mai mic de 0,3 metri dacă avem în vedere că efectul de suprafață liberă este prezent.
  • Unghiul listei datorat schimbării încărcăturii uscate. Conform codului, această valoare nu ar trebui să depășească 12 grade în orice stare a mării.
  • Unghiul listei datorat schimbării încărcăturii uscate: Conform codului, această valoare nu trebuie să depășească 12 grade în orice stare a mării.
  • Valoarea brațului cu toc de cereale la 40 de grade. Această constrângere este stabilită, presupunând faptul că majoritatea navelor ating un GM maxim la unghi de 40 de grade.
  • Valoarea brațului cu toc de cereale la 40 de grade: Această constrângere a fost stabilită presupunând că majoritatea navelor ating un GM maxim la unghi de 40 de grade.

Panta rezervoarelor din partea superioară și dimensiunea depozitelor de marfă joacă, prin urmare, un rol major în prevenirea deplasării mărfurilor uscate într-un vrac uscat.

Există o serie de alte motive pentru creșterea în centrul de greutate al unei nave sau, cu alte cuvinte, reducerea stabilității acesteia. Vom enumera și discuta câteva dintre ele mai jos:

  • Prăbușirea unei pereți etanși longitudinali sau a unui perete etanș poate duce la creșterea CG, deoarece ar crește momentul de inerție al suprafeței libere.
  • Stabilitatea unei nave este semnificativ redusă datorită acumulării de gheață pe suprastructura acesteia. Nu numai că provoacă unghiuri nedorite de listă, ci și condiții de tăiere nedorite. Adesea, lista datorită înghețării suprastructurilor este un rezultat al acumulării asimetrice de gheață, care determină deplasarea centrului de greutate al navei. Valoarea rezultată a brațului de redresare ar fi semnificativ mai mică pentru toate unghiurile călcâiului, provocând astfel o reducere în:
  1. GZ maxim
  2. Înălțimea metacentrică transversală inițială.
  3. Stabilitate dinamică.
  4. Gama de stabilitate.

Gheața crește, de asemenea, zona de vânt a navei, determinând creșterea momentului de înclinare a vântului, iar stabilitatea dinamică va scădea în continuare în cazul în care există vânturi de grindă.

  • Intrarea de apă în navă prin trape mal întreținute ar putea duce la inundații între punțile interioare. Au existat cazuri în care ușile deschise de pe punțile meteorologice au permis pătrunderea apei provocând o creștere semnificativă a CG datorită inundațiilor punților de nivel superior.
  • Încărcătura pe punte de lemn poate fi adesea acumulată pe o parte a navei din cauza rulării grele în condiții meteorologice nefavorabile. Schimbarea mărfurilor ar avea ca rezultat o listă și au existat cazuri în care navele de marfă din lemn au fost forțate să-și piardă voluntar o parte din marfă în mare pentru a corecta unghiurile periculoase ale listei.

Aici apare o întrebare foarte interesantă. Dacă, în timpul unei operațiuni de descărcare, o navă de marfă pe punte de cherestea are o listă în partea de port datorită acumulării de cherestea pe partea de port, care parte ar trebui descărcată mai întâi pentru a corecta lista?

Cineva care are doar o intuiție de bază ar spune în mod evident că, din moment ce încărcătura este partea portului este partea inferioară (și există încărcătură în exces în partea portului), nava trebuie să elibereze încărcătura chiar din partea portului. Dar aceasta ar răsturna nava. De ce? Pentru că, deși poate părea că îndepărtarea excesului de marfă din partea inferioară ar ridica nava, ceea ce se întâmplă de fapt este, greutatea este îndepărtată din partea inferioară. Înseamnă că centrul de greutate se deplasează în sus, rezultând o scădere a înălțimii metacentrice și, prin urmare, marja de stabilitate scade drastic.

Conceptul de călcâi, Listă și Loll:

Am folosit toți cei trei termeni de mai multe ori în articolele anterioare și din această serie. În timp ce toți cei trei termeni ar însemna că o navă este înclinată spre un anumit unghi, ei nu înseamnă același lucru. Ca și în, sunt termeni folosiți pentru a înțelege 'Cauză' în spatele stării înclinate a navei.

Listă: Se spune că o navă se află într-o stare de listă atunci când momentele supărătoare sunt cauzate de deplasarea internă a greutății care poate fi cauzată de următoarele acțiuni:

  • Schimbarea încărcăturii în interiorul navei.
  • Efecte de suprafață libere.
  • Aglomerarea de pasageri pe o parte a navei.
  • Cireșare asimetrică pe suprastructură.

Figura 5: O listă a navei datorită schimbării greutății interne.

Toc: Se spune că o navă se înclină atunci când momentele supărătoare sunt cauzate de agenți externi, de exemplu:

  • Vânturi de grindă.
  • Tocul datorită unei viraje de mare viteză.
  • Toc datorită unei rachete împușcate în direcție transversală (în nave de război).

Figura 6: Înclinarea navei spre port în timp ce execută o virare bruscă la tribord.

Loll: Starea loll este complet diferită de cele două de mai sus. Se spune că o navă are un unghi de loll atunci când se investighează faptul că nava are o stabilitate inițială negativă sau o înălțime metacentrică inițială negativă, așa cum se arată în curba de mai jos.

Un GM inițial negativ poate apărea din următoarele motive:

  • Efecte de suprafață libere.
  • Compartimente inundate.
  • Greutate superioară - sau încărcare excesivă pe punțile superioare.
  • Acumularea de ape verzi pe puntea meteo datorită scupierilor înfundați.

Figura 7: Starea Loll datorită GM inițial negativ.

Analogiile discutate mai sus ne lasă două inferențe foarte importante:

O navă cu toc sau listă este nu neaparat instabil, deoarece călcâiul sau lista nu implică faptul că o navă are o valoare negativă de GM. Cu toate acestea, cazul instabilității nu poate fi exclus dacă nu sunt verificate valorile GM. Dar o corabie cu loll este categoric o navă instabilă, deoarece are un GM negativ în stare verticală.

Importanța înțelegerii stabilității navelor constă în aprecierea faptului că, fără toate conceptele pe care le-am discutat și abordările pe care le-am adoptat în înțelegerea stabilității, este imposibil să înțelegem inferențele. Se bazează pe inferențe ca acestea, că proiectanții și echipajul experimentat al navei dezvoltă un sentiment de intuiție spre analiza cazurilor de stabilitate a navei.

Declinare de responsabilitate: Opiniile autorilor exprimate în acest articol nu reflectă neapărat opiniile Marine Insight. Datele și diagramele, dacă sunt utilizate, în articol au fost obținute din informațiile disponibile și nu au fost autentificate de nicio autoritate legală. Autorul și Marine Insight nu pretind că este corectă și nici nu își asumă nicio responsabilitate pentru acestea. Opiniile constituie doar opiniile și nu constituie nicio orientare sau recomandare cu privire la orice acțiune care trebuie urmată de cititor.

Articolul sau imaginile nu pot fi reproduse, copiate, partajate sau utilizate sub nicio formă fără permisiunea autorului și Marine Insight.