12

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра проектирования судов

ЧЕЛПАНОВ И.В.

П Р А К Т И Ч Е С К О Е З А Н Я Т И Е № 2.1

Раздел 2. Анализ мирового рынка судов

Тема 2.1: Конкурентоспособность судов гражданского назначения

Текст лекции по дисциплине «Судостроение в XXI веке»

Санкт-Петербург

2012

Общие положения

Основным фактором, определяющим конкурентоспособность судна или иного морского объекта, является экономическая эффективность их работы.

Критерием, характеризующим конкурентоспособность, например, морского транспортного судна может быть отношение объёма выполняе­мой им работы (провозной способности) к затратам на выполнение этой работы, т. е. себестоимость перевозки 1 т груза.

Провозная способность судна может быть выражена как

где n — число рейсов в год;

Р_гр — грузоподъёмность судна, т;

f_исп — коэф­фициент использования грузоподъёмности судна;

f_рем — время вывода судна из эксплуатации на ремонт;

t_ст — стояночное время, сут;

R — даль­ность плавания, мили;

v — скорость судна, уз;

j_v — коэффициент исполь­зования скорости.

Затраты на перевозку груза складываются из амортизационных отчислений и расходов на ремонт, зависящих от стоимости судна, расходов на содержание экипажа, на топливо и прочих (навигационных, судовых сборов, административно-управленческих и т. д.). Величина последних невелика, и её можно не учитывать. Таким образом, эксплуатационные расходы

ЭР = mS + cp + qNb(365 - t_рем),

где т — отчисления от строительной стоимости судна на амортизацию и ремонт, %;

S — строительная стоимость судна;

с — расходы на содержание одного члена экипажа в год;

р — число членов экипажа;

q — удельный суточный расход топлива, т/кВт сут;

N — мощность энергетической уста­новки, кВт;

b — стоимость топлива.

Тогда себестоимость перевозки 1 т груза

Стремясь повысить эффективность работы морского транспортного судна, естественно, нужно добиваться минимизации величины себестои­мости перевозки груза.

Из всего количества факторов, оказывающих влияние на эффектив­ность работы судна, нас интересуют в первую очередь технические харак­теристики и элементы судна, его конструктивные особенности и комп­лектация, которые способствуют повышению эффективности работы, а, следовательно, определяют его техническую конкурентоспособность. Анализ технических факторов, обеспечивающих повышение эффектив­ности работы транспортного судна показывает, что конкурентоспособ­ность судна зависит от следующих факторов:

‒ выбора оптимального значения величины грузоподъёмности;

‒ степени приспособленности к грузообработке с целью максималь­ного сокращения стояночного времени;

‒ уменьшения массы корпуса с целью уменьшения затрат на пост­ройку судна;

‒ уменьшения сопротивления воды движению судна с целью сокра­щения затрат на топливо в процессе эксплуатации судна;

‒ сокращения численности экипажа с целью уменьшения расходов на содержание экипажа в процессе эксплуатации судна;

‒ совершенствования энергетических установок с целью сокращения удельного расхода топлива и уменьшения их массы и габаритов.

Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных факторов.

Выбор оптимальной величины грузоподъёмности судна. Принима­емая при создании судна величина его грузоподъёмности напрямую за­висит от партионности грузоотправок и ограничений, налагаемых на раз­меры судна глубинами в портах и на линиях эксплуатации. Судовладельцы всегда стремились увеличить размеры используемых судов и за счёт этого повысить экономическую эффективность их эксп­луатации. Причины, по которым более крупные суда эффективнее в эксплуатации, чем меньшие по размерам, достаточно хорошо известны и вряд ли целесообразно на них останавливаться. Важно на рынок пред­лагать такие суда, грузоподъёмность которых в наибольшей степени соответствовала бы складывающейся конъюнктуре перевозок грузов тех или иных типов на тех или иных направлениях.

Сокращение стояночного времени. Одним из основных путей по­вышения эффективности работы морских транспортных судов являет­ся сокращение времени их стоянки за счёт интенсификации грузовых операций. Скорость проведения грузовых операций зависит от рода груза, т. е. от его качественных (жидкий, генеральный штучный, сухой навалочный) и количественных (удельно-погрузочная кубатура, габа­риты) характеристик, а также от количества и производительности ис­пользуемых перегрузочных механизмов.

При перевалке жидких, навалочных или насыпных грузов, представляющих собой однородную массу, используются высокопроизводитель­ные перегрузочные механизмы непрерывного действия (насосы, ленточ­ные транспортёры и т. п.), при перевалке генеральных грузов, в подавляющем большинстве представляющих собой разнообразную ко­нечную продукцию промышленного и сельскохозяйственного производ­ства небольших размеров и массы, — судовые или береговые краны.

Решить проблему интенсификации перегрузочных работ при перевоз­ке генеральных грузов удалось за счёт укрупнения грузовых единиц и создания стандартного большегрузного контейнера. Интенсивность пере­грузочных работ с использованием контейнеров увеличилась примерно в 500 раз. Увеличилась оборачиваемость и провозоспособность судов, резко сократилось стояночное время, что позволило экономически оправдать значительное увеличение грузоподъёмности сухогрузных судов этого типа.

Уменьшение массы корпуса. Известно, что стоимость металла, его обработки и изготовления из него корпуса судна составляет весьма существенную долю в стоимости транспортного судна. Поэтому уменьшение металлоёмкости корпуса является реальным путём снижения стоимости и повышения конкурентоспособности судна.

Масса металлического корпуса зависит от механических свойств применяемого материала, главных размерений судна и их соотношений, конструктивных особенностей корпуса, условий и района плавания.

Основное требование, предъявляемое к конструкции корпуса судна, заключается в обеспечении её надёжности в течение всего нормативного срока его эксплуатации. Надёжность конструкции корпуса судна опреде­ляется её прочностью и жёсткостью. Под прочностью понимается спо­собность конструкции воспринимать, не разрушаясь, определённые вне­шние условия, а под жёсткостью — способность сопротивляться деформациям, возникающим под действием этих усилий.

В настоящее время общепринятая количественная оценка надёжнос­ти отсутствует. Для того чтобы её определить, необходимо знать, на ка­кой срок службы должны быть рассчитаны элементы конструкции и какая вероятность разрушения корпуса судна и отдельных его конструк­ций должна быть принята.

Повысить надёжность конструкции можно путём увеличения коэффициентов запаса прочности или ввода ограничивающих требований к конструкции. При любом решении масса корпуса будет увеличиваться.

Коэффициенты запаса прочности устанавливаются пра­вилами классификационных обществ на основе анализа прочности пла­вающих судов с учётом действующих на конструкцию внешних сил и напряжений, возникающих при этом в связях корпуса. Однако из-за недостаточной изученности этих явлений принятые коэффициенты не­сколько завышены.

Уменьшить коэффициенты запаса прочности можно в результате:

‒ уточнения нагрузок, методов расчёта прочности и работоспособно­сти материала в различных условиях нагружения;

‒ совершенствования методов нормирования прочности.

Практически полная ликвидация на ряде судов палубного перекры­тия (например, контейнеровозы), создание судов с большими вырезами в бортах, кормовой и носовой оконечностях, а также судов без попереч­ных переборок (с горизонтальной грузообработкой), применение на тан­керах двойного дна и двойных бортов привели к росту массы металли­ческих корпусов. К этому следует добавить стремление строителей судов снизить трудоёмкость сборки корпуса за счёт упрощения его конструк­ции, стандартизации узлов и соединений, что также приводит к росту металлоёмкости корпуса.

Поэтому основной проблемой в области снижения металлоёмкости транспортных судов является разработка методов взаимоувязанной оптимизации главных размерений судна, марки применяемой стали, используемых конструктивных схем корпуса и трудоёмкости изготовле­ния корпуса с учётом совершенствования методов расчёта прочности и её нормирования применительно к конструктивным схемам корпуса судов новых типов.

Накопленный опыт эксплуатации судов различных типов, а также ряд аварий показали, что не все проблемы, возникающие при создании, в частности, крупнотоннажных танкеров, можно считать полностью ре­шёнными. Сегодня из проблем, связанных с созданием крупнотоннаж­ных танкеров и требующих дополнительного детального рассмотрения, следует выделить проблему правильного выбора материала корпуса с учётом условий эксплуатации и степени напряжённости отдельных кон­структивных узлов корпуса, а также усталостных характеристик приме­няемых сталей. Большие толщины продольных связей крупнотоннаж­ных танкеров значительно осложняют выбор марки стали из-за требования равномерного распределения её свойств по толщине с целью исключе­ния возможности возникновения повреждений, связанных с расслоени­ем листов металла.

Устройство на танкерах кроме двойного дна, двойных бортов и отказ в связи с этим от продольных переборок в грузовых танках привели к появлению внутренних волн в танках, вызывающих динамическое воз­действие жидкого груза (балласта) при частичном заполнении танков на бортовые и палубные конструкции корпуса и их повреждение. Наиболее сильные динамические удары жидкости наблюдаются в верхних углах танков и происходят при их заполнении на 70-90 % от полного объёма. Кроме того, образующиеся при указанной конструкции танков большие свободные поверхности жидкости вызывают необходимость обеспечения остойчивости в процессе проведения погрузочно-разгрузочных работ.

Большое разнообразие перевозимых на навалочниках грузов по удельному весу, существенное влияние распределения груза по длине судна на уровень напряжений в корпусных конструкциях, а также более сложное конструктивное оформление корпуса с большим количеством зон воз­можной концентрации напряжений делают проблему обеспечения проч­ности навалочников с ростом их размеров более сложной, чем танкеров. Опыт эксплуатации крупнотоннажных навалочников показал, что на них довольно часто образуются трещины и разломы в местах высокой конст­руктивной или технологической концентрации напряжений из-за недо­статочной усталостной прочности использовавшихся для постройки ста­лей, что приводило в ряде случаев к авариям. Существенный прогресс в снижении повреждаемости корпусных конструкций навалочников мо­жет быть достигнут за счёт совершенствования методов расчёта их напря­жённо-деформированного состояния в сочетании с корректным опреде­лением эксплуатационных нагрузок.

Наблюдавшийся в последние годы рост размеров контейнеровозов, приведший к созданию судов этого типа длиной до 280-300 м, т. е. близ­ких по размерениям к крупнотоннажным танкерам и навалочникам, вызвал определённые трудности с обеспечением их продольной и попе­речной прочности из-за особенностей архитектурно-конструктивного типа. Строящиеся сегодня контейнеровозы имеют почти полностью открытую верхнюю палубу (до 85 % ширины судна), а некоторые и без люков (а следовательно, и без комингсов, и люковых закрытий), что позволяет увеличить контейнеровместимость судна примерно на 20 % без измене­ния его размерений. Широкое раскрытие палубы при больших длинах делает обеспечение общей прочности контейнеровозов открытого типа довольно сложной, а большая ширина, достигающая 40 м, — и попереч­ной прочности. Кроме того, ухудшаются возможности обеспечения проч­ности на скручивание корпуса при движении судна на косом курсе по отношению к волнению.

Уменьшение сопротивления движению и повышение пропульсивных качеств. Как известно, от сопротивления воды движению судна и его пропульсивных качеств зависит выбор мощности энергетической установки, расход топлива и, в конечном итоге, значительная доля затрат на эксплуатацию судна.

У большинства транспортных судов основной составляющей буксировочного сопротивления является вязкостное сопротивление. Даже у наиболее скоростных контейнеровозов относительная скорость (число Фруда) не превышает 0,26, а вязкостное сопротивление в этом случае составляет ок. 80% буксировочного сопротивления. При проектировании обводов корпуса таких судов основные проблемы обеспечение плав­ности формы обводов, ликвидация отрывных явлений и всемерное умень­шение смоченной поверхности.

Использование существующих методов отработки формы обводов корпуса позволяет достичь близкой к минимально возможной величины буксировочного сопротивления, не оставляя практически резервов для существенного снижения её за счёт варьирования параметров формы корпуса. Однако зачастую требования к повышению эффективности эк­сплуатации судна вынуждают отходить от оптимальных с точки зрения гидродинамики соотношений главных размерений и коэффициентов корпуса. Поэтому сегодня в целях снижения сопротивления воды движе­нию судна необходима, прежде всего, разработка методов оптимизации формы обводов корпуса при выполнении требований экономики по сни­жению металлоёмкости, увеличению грузоподъёмности или грузовмес­тимости судна при заданных размерениях, уменьшению трудоёмкости постройки, а также эксплуатационных требований, связанных с ограни­чением одного из размерений судна.

Если говорить о пропульсивных качествах, то для их повышения имеются существенно большие возможности, например, за счёт сниже­ния мощности энергетической установки судна и улучшения экономи­ческих показателей его эксплуатации.

Увеличение размеров транспортных судов при одновременном росте мощностей энергетических установок привело к увеличению нагрузки движителей и снижению их КПД, а следовательно, к уменьшению пропульсивного коэффициента.

В связи с этим одной из важнейших проблем современного транспор­тного судостроения является повышение эффективности движительного комплекса.

Обычный гребной винт остаётся одним из наиболее совершенных гидравлических движителей. Свидетельство тому — бесконкурентное использование его на морском флоте в течение примерно двухсот лет с начала применения на пароходах. Геометрия гребных винтов в последние 10-15 лет совершенствовалась лишь в направлении снижения виброак­тивности, кавитации и улучшения акустических характеристик. Во мно­гих случаях это достигалось за счёт снижения КПД. Совершенствование же геометрии гребного винта для повышения КПД бесперспективно. Некоторые резервы по повышению КПД имеют лишь более сложные движительные комплексы, сконструированные на базе гребных винтов (винты в насадках, соосные винты, винты увеличенного диаметра с ма­лой частотой вращения и т. п.).

Наибольшие резервы улучшения ходкости современных и пер­спективных судов скрыты в области взаимодействия движителя с корпусом.

Предложенные в последние годы отдельные конструктивные реше­ния по улучшению взаимодействия движителя с корпусом не позволяют говорить о полном решении данной задачи. Обоснованное решение во­просов взаимодействия движителя и корпуса может быть получено толь­ко в результате разработки фундаментальной теории и методов расчёта трёхмерного пограничного слоя.

Сокращение численности экипажа. Разрабатывавшиеся в последние годы проекты судов будущего базировались, в первую очередь, на идеях создания судов с минимальным штатом, управляемых в море на ходу в светлое время суток одним оператором, широкого использования дости­жений в информатике и вычислительной технике, способных максимально автоматизировать судовые производственно-технологические процессы.

Создание таких судов позволит в процессе их эксплуатации:

‒ оптимизировать режимы работы всех судовых технических средств и, как следствие, уменьшить затраты энергии на их функционирование;

‒ выявить с помощью развитых диагностических систем необходи­мость ремонта или замены некоторых составляющих судовых техниче­ских средств в портах захода и сокращать в этих условиях затраты труда плавсостава;

‒ оптимизировать элементы рейса с учётом гидрометеорологической обстановки по маршруту плавания;

‒ повышать безопасность плавания за счёт использования автомати­чески корректируемых электронных карт и высокоточных методов опре­деления места судна.

Создание таких судов сдерживается, в первую очередь, необходимос­тью обеспечить их конструктивную надёжность и большими затратами на разработку системы комплексного информационного обеспечения их эксплуатации, поэтому оно должно осуществляться поэтапно путём пост­ройки сначала опытных судов и отработки на них структуры системы и её работоспособности. Это позволит сократить численность экипажа среднетоннажных морских транспортных судов до 12-14 человек, повысить эффективность использования судов на 5-10 %, уменьшить расход топ­лива не менее чем на 10 % и увеличить ресурс судового оборудования.

Совершенствование энергетических установок. Снизить эксплуатационные расходы, связанные с энергетической установкой и составляющие до 30 % общей суммы эксплуатационных расходов судна, можно за счет:

‒ снижения расхода топлива;

‒ уменьшения габаритов машинного отделения и использования освобождающегося помещения для размещения дополнительного груза;

‒ применения топлив дешёвых сортов.

Удельный расход топлива главных двигателей и качество приме­няемого топлива зависят от типа двигателя и уровня решённых при его создании машиностроительных проблем, которых здесь не будем касаться. Однако конструктор при разработке проекта судна может существенно улучшить экономичность энергетической установки за счёт решения проблемы рациональной утилизации потерь по различным средам теплоотвода от главных и вспомогательных двигателей энергети­ческой установки, оптимального выбора уровня энергоотбора и рацио­нальной комплектации и компоновки энергетической установки.

Определённых успехов в улучшении экономических показателей судна в целом можно достичь путём использования нетрадиционного подхода к формированию энергетической установки, например, за счёт примене­ния винторулевых колонок (ВРК) и размещения привода не традицион­но в машинном отделении внутри корпуса судна, а на верхней палубе или электродвижения с размещением электропривода движителя и ис­точника производства электроэнергии в наименее удобных для приёма груза отсеках или помещениях судна.

Таким образом, главными проблемами, стоящими перед судостроите­лями при создании конкурентоспособных морских объектов, являются:

‒ разработка оптимальных характеристик и элементов судов и сооружений, предлагаемых на отечественный и мировой рынки;

‒ повышение пропульсивных характеристик создаваемых объектов;

‒ сокращение материалоёмкости при обеспечении прочностных характеристик;

‒ создание систем автоматизации с целью сокращения численности экипажей объектов;

‒ рациональный выбор и совершенствование энергетических устано­вок и оборудования судов, проведение работ по их оптимальной компо­новке с целью снижения расхода топлива и затрат на обслуживание.

На конкурентоспособность судна, кроме его технических характерис­тик, которые определяются в процессе проектирования на основе техни­ческого задания заказчика или в соответствии с требованиями рынка, оказывают большое влияние экономические факторы, связанные с ми­нимизацией сроков и стоимости постройки судна, зависящие от степени оснащённости верфи и применяемых технологий.

Научно-техническое развитие производственных структур с целью минимизации стоимости и сроков создания объектов идёт сегодня по следующим направлениям:

1. Создание вместо существовавших ранее лет 50-60 назад полнопрофильных судостроительных заводов с развитым машиностроением, ин­струментальным производством, кузнечным и другими вспомогательны­ми производствами судостроительных сборочных верфей без «натурального производства» комплектующего оборудования.

2. Исключение из состава верфей складского хозяйства и переход к поставкам комплектующего оборудования по принципу «just in time» (точно в срок).

3. Минимизация протяжённости грузовых потоков за счёт компактного размещения производств верфи. Использование безрельсового ма­невренного колёсного транспорта для транспортировки корпусных дета­лей, секций и блоков, а также поставляемого оборудования. Оснащение построчных мест крановым оборудованием большой грузоподъёмности, что позволяет сократить время постройки судна за счёт использования более крупных строительных блоков

4. Превращение цехов верфи в крытые помещения с комфортными условиями работы, исключающими влияние погодных факторов.

5. Использование в качестве построечных мест верфи, где формируется судно в целом, либо в виде сухого дока, либо горизонтального стапеля со спуском судна на воду через передаточный док или с помощью синхролифта.

6. Оборудование сухих доков преддоковой площадкой в торце или вдоль дока, обслуживаемой мощными козловыми кранами и предназна­ченной для укрупнения сборочных единиц корпуса и насыщения их оборудованием, механизмами и трубопроводами.

7. Оборудование цехов верфи электронными системами управления, работающими от локальных или единого центра управления как отдель­ными технологическими процессами, так и производством цеха в целом.

Таким образом, минимизация сроков и стоимости постройки судов достигается при их строительстве на предельно упрощённых судосборочных верфях, насыщенных оборудованием, позволяющим строить суда из максимально возможных по весу и размерам судостроительных блоков, предварительно насыщенных необходимым комплектующим оборудова­нием, поступающим на верфь в точно оговоренное время прямо на сбор­ку, минуя складские помещения.