Появление танкерного флота явление относительно новое. Первые танкеры появились в конце XIX в. До этого времени технические решения не позволяли перевозить в трюмах большие количества наливных жидкостей, таких как нефть. Да и рынки не требовали таких перевозок, спрос на нефть удовлетворяла местная переработка и перевозки наземным транспортом.
В конце XIX в. возрос спрос на нефть в связи с развитием энергетики в целом ряде стран, и технологические инновации позволили строить суда нового класса – танкеры, предназначенные для перевозки в трюмах больших количеств сырой нефти и нефтепродуктов. Так начал развиваться этот отдельный специализированный класс судов.
Низкие цены на постройку и фрахт танкеров способствовали развитию морской торговли нефтью и нефтепродуктами на дальние расстояния. Спрос на перевозку наливных грузов, таких как нефтепродукты и неочищенная нефть, вызвало рост размерений и грузовместимости танкеров.
Рис.1. Классификация танкеров в зависимости от перевозимого груза. Источник
Рост размерений танкеров для дальних перевозок оказался ограничен размерами шлюзов двух каналов, через которые проходят основные маршруты – Суэцкого и Панамского, а также Малаккского пролива. Спрос вызвал необходимость расширения шлюзов Панамского канала, что привело к делению танкеров на уже существующие танкеры класса «старый Panamax» и строившиеся уже с учетом новых размеров шлюзов «новый Panamax» (см. рис. 2).
Рис. 2. Расположение основных каналов, ограничивающих рост размерений танкерного флота, и соответствующие предельные размерения для каждого класса танкеров. Источник
Однокорпусные танкеры постройки 1970-80 гг. по всему миру были заменены двухкорпусными танкерами, конструкция которых предотвращает загрязнение окружающей среды.
Рис. 3. Развитие конструктивных технических решений, предотвращающих загрязнение окружающей среды при повреждениях корпуса танкера. Источник
Oil - нефть; Ocean - океан; Steel 1-1/2” (or less thick) – сталь толщиной 1-1/2” (или меньше); Bulkheads - переборки; Protective space – защитное пространство; Cargo tanks – грузовые танки; Single Bottom – одинарное дно; On a single-bottom tanker, only one layer of steel measuring 1-1/2” inches thick separates oil from the ocean – у танкера с одинарным дном только один слой стали толщиной 1-1/2” разделяет перевозимую нефть и океан; Double bottom – двойное дно.
Двойное дно не предотвращает разлив нефти, но даже в самом тяжелом случае, как например с танкером “Exxon Valdez”, по заявлениям экспертов, оно может уменьшить количество нефти попавшее в океан.
Mid-deck - танкер с промежуточной палубой.
У танкера с промежуточной палубой нижние танки имеют одинарное дно и при посадке судна на мель некоторое количество нефти попадет в океан. Но суда данного проекта должны быть лучше защищены от столкновений, чем танкеры с двойным корпусом, хотя практических подтверждений этому нет.
Double hull – двойной корпус.
Суда с двойным корпусом обеспечивают лучшую защиту груза за счет двойного дна и двойных бортов. У танкера с двойным корпусом расстояние между бортом и продольными переборками должно составлять 1/15 ширины танкера или от 2 до 2,9 м.
Принципиальная схема конструкции танкера предельна проста. Как это показано на рис.4 и 5.
Рис. 4. Принципиальная схема конструкции танкера (поперечное сечение). Источник
Oil tanker (Front view) – танкер (вид спереди); Center cut view – поперечный разрез по центру судна; Double hull – двойной корпус; Oil tanks – нефтяные танки; Segregate Ballast tank – отдельные балластные цистерны.
Рис. 5. Принципиальная схема конструкции танкера (вид сбоку). Источник
При постройке танкера также предусматриваются максимально возможные меры для обеспечения безопасности. В основном, это повышенные требования к прочности корпуса и грузовых танков и отсутствию протечек груза при аварии.
Рис. 5. Конструкция современного танкера. Источник
Данный танкер класса ULCC необычен, поскольку имеет двухвальную установку, приводящую его в движение, включающую два двигателя и два гребных винта, а также два руля.
Mooring winches – швартовные лебедки. Монтаж надстройки над МО экономит затраты при постройке. Трубопроводы горячей воды и электрокабели могут быть проложены прямо от МО; Radar - радар; Cabins - каюты; Cargo pump room – помещение погрузочных насосов; Navigation deck – навигационная палуба; Helicopter landing pad – вертолетная площадка; These pipes carry water for cleaning the tanks and firefighting – эти трубопроводы могут подводить воду для очистки танков и противопожарной системы; Anchor windlass – якорный брашпиль; Mooring winch – швартовная лебедка; Tank hatches – люковые закрытия над танками; Discharging and loading points – пункты приема груза и выгрузки: Hydraulic cranes lift shore hoses which discharge and load cargo – гидравлические краны поднимают береговые шланги для разгрузки и приема груза; Oil cargo tanks – нефтяные грузовые танки; Engine room - МО; Steam turbines – паровые турбины; Two five-bladed propellers drive the ship forward – два пятилопастных гребных винта движут судно вперед. Каждый винт весит 53 тонны и размером с трехэтажное здание; Rudders - рули.
Основные вопросы, возникающие при постройке танкера:
Обводы корпуса
Обводы корпуса любого судна являются одной из важнейших его характеристик. Конструкция танкера для перевозки нефтепродуктов является конструкцией, зависящей от веса груза – weight-based, то есть размерения судна связаны непосредственно с весом перевозимого груза. (Для других классов судов, например, для контейнеровозов, конструкция может быть зависящей от объема перевозимого груза - volume-based), где размерения определяются объемом грузового пространства, грузовых трюмов). Поскольку желательно, чтобы вес перевозимого за одно плавание груза, в данном случае – нефти, был максимально возможным, необходимо предусмотреть максимально возможные размеры пространства под грузовые танки. Обычно танкеры движутся с относительно малой скоростью хода, поскольку груз не является скоропортящимся, как в случае перевозки пищевых продуктов, Все эти упомянутые факторы и учитываются при проектировании обводов корпуса танкера. Говоря другими словами, танкер обладает более высоким запасом плавучести (Coefficient of Buoyancy) по сравнению с судами других классов.
Общее расположение
Наиболее важным чертежом в процессе проектирования танкера, который, собственно, и определяет конструкцию танкера, является чертеж общего расположения (General Arrangement Drawing). На рис. 6 показан этот чертеж общего расположения отсеков, помещений, систем и оборудования, вид сбоку. На нем показано расположение всех внутренних отсеков судна, шпангоут за шпангоутом, переборок и других основных конструкций набора судна.
Рис. 6. Чертеж общего расположения отсеков и помещений танкера для перевозки нефтепродуктов. Источник
Некоторые из конструктивных деталей судна понятны из данного чертежа. Грузовые танки (oil tanks - C.O.Ts) обычно имеют одинаковые размерения, определяемые проектировщиком на начальной стадии проектирования, в зависимости от общего веса груза, перевозимого судном. Доступ к каждому танку обеспечивается отдельно посредством трапов или лифтов. Машинное отделение (МО) и надстройки обычно расположены в кормовой части судна. Но особое помещение, отсутствующее на судах других классов, - насосная станция, обычно расположена перед МО. В ней размещаются все насосы, требующиеся для погрузочно-разгрузочных операций.
Бульбообразный нос
На сегодняшний день практически все танкеры имеют бульбообразный нос, что повышает эффективность при движении судна. Хотя танкеры являются тихоходными судами, бульбообразная носовая часть значительно снижает волновое сопротивление при движении судна. При этом геометрия носового бульба у танкеров значительно отличается от аналогичной геометрии бульба высокоскоростных судов.
Рис. 7. Три типа носового бульба при взгляде в корму. Источник
Существует три разновидности носового бульба, они представлены на рис. 7 (при взгляде с носа к корме судна).
Бульб типа "Дельта" имеет больший объем в нижней части. Эта особенность делает такие обводы носовой части судна более выгодными на судах с частым изменением уровня ватерлинии, так как больший объем в нижней части бульба обеспечивает ее погружение в воду при разном диапазоне уровней ватерлинии и условий нагрузки.
Бульб типа "О" имеет максимальный объем в средней части. Такой тип бульба используется на судах с цилиндрическими обводами носовой части, например, для балкеров.
Бульб типа "Nabla" имеет каплеобразную форму с большим объемом в верхней части. Бульб данного типа используется на судах, на которых особое внимание обращено на обеспечение мореходности, например на кораблях ВМФ.
Большинство танкеров перевозят груз по маршруту, а возвращаются порожнем под балластом. Уровень ватерлинии при движении порожнем отличается от уровня ватерлинии в полном грузу. Но это частое изменение уровня ватерлинии требует, чтобы носовой бульб при любых условиях плавания был погружен в воду. Поэтому танкеры, как правило, имеют носовой бульб типа "Дельта".
Проектирование набора танкера
Конструктивный набор танкера зависит от класса и размерений танкера. Пока что многие из существующих малых танкеров для перевозки нефтепродуктов по внутренним водным путям и танкеров каботажного плавания имеют однокорпусной набор. Хотя правила MARPOL (Marine Pollution) требуют двухкорпусной набор судна для всех судов длиной свыше 120 м, независимо от типа груза. Такие танкеры будут заменяться и заменяются двухкорпусными.
Переходной мостик является конструкцией, поднятой над палубой, и идущей вдоль всего танкера, этот мостик обеспечивает доступ ко всем грузовым танкам. Днищевая обшивка, листы палубы, и листы переходного мостика представляют собой детали продольного набора корпуса танкера и повышают прочность его корпуса в продольном направлении.
Бортовая обшивка на однокорпусных танкерах крепилась к шпангоутам поперечного набора. Причина использования конструкций поперечного набора для крепления бортовой обшивка заключалась в скоплениях остатков нефти на ребрах жесткости продольного набора. И тогда после откачки груза, некоторое количество нефтепродуктов оставалось в этих труднодоступных местах. Это имело два следствия: 1) это вело к загрязнению груза, 2) продолжительное накопление остатков груза вело к коррозии ребер жесткости набора.
Набор двухкорпусных танкеров
Как упоминалось ранее, все танкеры длиной более 120 м в настоящее время имеют двухкорпусной набор, предотвращающий загрязнение моря в случае аварий, в соответствии с правилами MARPOL. Танкеры классов "Panamax", "Aframax", "Suezmax", VLCC и ULCC имеют двухкорпусной набор. Основная причина использования двухкорпусного набора – предотвращение загрязнения среды при разливе нефти в случае аварии и повреждения корпуса.
Рис. 8. Набор двухкорпусного танкера в миделевой секции (поперечное сечение). Источник
Stringer – стрингер; Floor – флор; Plate bracket – кница; Inner bottom – внутренне дно; Intermediate stringer – промежуточный стрингер; Wing tank – бортовой танк; Longitudinal bulkhead – продольная переборка; Inner hull – внутренний корпус; Deck-transverse web – подпалубный рамный шпангоут; Centre tank – центральный танк; Transverse web – рамный шпангоут.
На рис. 8. показано поперечное сечение продольного набора двухкорпусного танкера. В правой половине рис. 8. показан обычный шпангоут, к стрингерам крепятся листы внутренней и внешней обшивки. Центральный танк является грузовым танком, а бортовые цистерны являются цистернами балластной воды (segregated ballast tanks – SBT). Цистерны балластной воды для предотвращения коррозии покрывают эпоксидной смолой.
Поперечный набор, представленный в левой части рис. 8, устанавливается через каждые три - четыре шпации, чтобы повысить прочность судна в поперечном сечении. Продольные ребра жесткости привариваются к шпангоутам. Стрингеры, крепящиеся к шпангоутам, дополнительно повышают прочность корпуса танкера.
В настоящее время безотносительно к тому, какое классификационное общество одобряет конструкцию двухкорпусного танкера, корпусной набор танкера выполняется в соответствии с Правилами Harmonised Common Structural Rules – CSR для танкеров, разработанными международной ассоциацией классификационных обществ (International Association of Classification Societies – IACS).
Энергетическая судовая установка (СЭУ) танкера
Поскольку танкеры являются относительно тихоходными судами (средняя макс. скорость хода составляет 15,5 узл) и не имеют пространственных ограничений для размещения двигателя, на них в качестве главных двигателей (ГД) могут использоваться крупные низкооборотные судовые дизельные двигатели. Двигатели данного типа занимают больше места, чем высокооборотные судовые двигатели, но обеспечивают более эффективную передачу мощности на гребной вал, и потери в редукторе отсутствуют, поскольку число оборотов в минуту вала двигателя соответствует числу оборотов в минуту гребного винта. Обычно на танкерах используют гребные винты большого диаметра с малым числом оборотов в минуту для повышения эффективности при движении судна.
Бортовые системы танкера
Танкеры имеют ряд бортовых систем, уникальных по своему назначению.
Система подогрева груза:
Танкеры, перевозящие неочищенную нефть, оснащаются такой системой, поскольку неочищенная нефть является вязкой и плотной жидкостью, особенно при низких температурах. Это может помешать работе насосов и движению жидкости по трубопроводам при погрузочно-разгрузочных операциях. Поэтому для поддержания приемлемой температуры и вязкости груза в трюмах используется специальная система подогрева.
Система вентиляции грузовых танков:
Грузовые танки практически никогда не бывают заполнены полностью, однако скопление воспламеняющихся и взрывоопасных газов в танках недопустимо. Соответствующая вентиляционная система позволяет избежать скопления опасных паров и газов в закрытых пространствах грузовых танков.
Система контроля переполнения (Overflow Control System):
Эта система использует датчики уровня и датчики давления для контроля уровня нефти в грузовых танках, чтобы уровень нефти при погрузочно–разгрузочных операциях не превышал предусмотренные пределы. Датчики, подающие сигналы тревоги, и сливные клапана входят в состав системы, чтобы предотвратить экстремальную ситуацию.
Система подачи инертного газа:
Пространство между свободной поверхностью груза в танке и верхними листами танка должно быть заполнено инертным газом для предотвращения доступа кислорода, чтобы избежать пожароопасной ситуации в случае скопления легко воспламеняющихся паров и газов. Это достигается постоянной подачей инертного газа и контролем за его уровнем в танках. Наиболее часто для этих целей используют аргон и двуокись углерода.
Противопожарная система:
Противопожарная система на борту танкера является одной из важнейших систем, необходима для обеспечения безопасности и должна быть спроектирована в соответствии с требованиями Правил MARPOL. Пожарные шланги, огнетушители, спринклерная система пожаротушения распределены по всему судну для тушения пожара в любой точке судна. Помещение с системой газового огнетушения, использующей двуокись углерода CO2, располагают над МО для заполнения помещения двуокисью углерода в случае пожара в МО.
