Арктический ледокол: перспективы строительства - Морские вести России

Арктический ледокол: перспективы строительства

28.03.2017

Судостроение

Россия осваивает арктические просторы уже много десятилетий. В весенне-осенние периоды в Арктике налажена навигация транспортных судов под проводкой ледоколов. А в зимние месяцы в Арктике все замирает. Причина известна. Наши атомные ледоколы (типа «Арктика») преодолевают арктический лед толщиной только до 2 метров, который в зимний период в арктических морях достигает толщины до 3 м и более.

Зимней навигации в Арктике нет, а необходимость в ней с каждым годом возрастает. Для зимних проводок транспортных судов нужен ледокол, способный зимой ходить от Баренцева до Охотского моря, преодолевая льды повышенной толщины. Такой ледокол справедливо назвать арктическим.

Николай Нестеров, инженер-судостроитель

Уважаемые читатели!

В журнале МФ №5 за 2007 г. опубликована моя статья о недостаточной ледопроходимости мощных ледоколов в Арктике. В отрасли очевидны трудности с постройкой арктического ледокола. В связи с этим предлагаю читателям на рассмотрение концепцию арктического ледокола, который может решить проблему зимней навигации в Арктике. Вопрос сложный, но моя многолетняя работа в судостроении дает мне основание считать, что решить эту проблему можно.

Николай Михайлович Нестеров, Санкт-Петербург

Ледовый арктический барьер

Трудности в его создании велики. Современная теория ледоколостроения достаточно развита и все-таки не отвечает на вопрос, каким он должен быть. В прессе не обсуждаются проблемы зимней навигации в Арктике, поскольку ее нет. Вспоминают о ней лишь тогда, когда надо дать рекламу, убеждая читателя только в том, что новые атомные ледоколы ЛК-60Я и ЛК-110Я в Арктике будут работать круглый год. Такие публикации связаны с выделением финансирования. Прогнозов о реальных их возможностях нет.

Осваивать зимнюю навигацию в Арктике предстоит морскому флоту. Чтобы этот период был с минимальными техническими и экономическими затратами, о необходимости постройки именно арктического ледокола с заданной ледопроходимостью должен сказать морской флот и вместе с судостроением участвовать в его строительстве. Необходим уровень проектного управления со стороны заказчика. Сегодня этого нет: что судостроение построит, то и будет передано морскому флоту. В таком положении было Мурманское морское пароходство в 80-е годы, эксплуатируя с большими убытками когда-то новые атомные ледоколы, замалчивая их проблемы в ранней весенней проводке транспортных судов, считая условно нормальным их остановки в ледовых условиях, списывая недостаточную ледопроходимость на эксплуатацию «впервые в Арктике». Без существенного участия морского флота дальнейшие исследования не привели к поиску новых механизмов разрушения ледового поля. Проектирование разной геометрии наклонного шпангоута и носовой оконечности последующих атомных ледоколов заметных результатов не дали, а поиски обводов на ледоколах меньшей мощности («Мудьюг», «Капитан Николаев» и др.) также не привели к желаемому результату. Как следствие – невозможность проводки судов в Арктике на непрерывном ходу, если толщина ледового поля превышает 2 м. Образовался своего рода «ледовый арктический барьер». Работа ледокола «набегами» достаточно неопределенна, и время доставки коммерческого груза не может быть точным.

Для развития будущей арктической навигации морскому флоту необходимо участвовать со стадии формирования технического задания на проектирование арктического ледокола, задавая судостроению его ледокольные характеристики с целью однозначного обеспечения его проходимости в толстых ледовых полях Арктики в зимний период. Причем результаты опытовых исследований необходимо тщательно анализировать в связи с достаточно большим набором арктических условий, обладающих стохастическими свойствами.

Основное ограничение ледопроходимости

В свое время в судостроении был проведен большой объем лабораторных и бассейновых испытаний для строительства всесильного а/л «Арктика». Предполагалось, что его технические параметры будут достаточными для проводок транспортных судов, включая и зимний период. Однако реальные льды показали абсолютно противоположные результаты, и надежды на «побежденную Арктику» не сбылись. Оказалось, что а/л «Арктика» может проходить во льдах толщиной не более 2 м, независимо то же самое было установлено и на а/л «Сибирь». В основе ограничения ледопроходимости лежат разные слагаемые, но основное из них, по мнению автора, – недостаточное давление носовой оконечности ледокола с наклонным форштевнем на ледовое поле. При этом ограниченное вертикальное давление носовой оконечности корпуса прикладывается к большой площади, что создает недостаточное удельное давление на 1 м2 ледового поля. В этом случае чем толще лед, тем меньше на него удельное давление. Но по законам физики для разрушения льда все должно быть в прямой зависимости: чем толще лед, тем больше должно быть удельное давление на ледовое поле. Упомянутый физический закон не может обеспечить принятая классическая геометрия носовой оконечности с наклонным форштевнем, в которой при ограниченном вертикальном давлении практикой определилась максимальная ледопроходимость ледокола. Кроме того, в ней принципиально нет возможности конструктивно задавать разрушаемую толщину ледового поля, что не позволяет обеспечить зимнюю ледопроходимость ледокола в Арктике.

Как упомянуто выше, ледокол с классической носовой оконечностью при толщинах льдов в Арктике свыше 2 м останавливается. Почему и какие механизмы лежат в основе остановки? Для ответа на этот вопрос автор предлагает рассмотреть работу классической носовой оконечности ледокола в толстых льдах с позиции механики.

При наваливании на ледовое поле носовая оконечность ледокола во льдах приподнимается, образуя угол β, рис. 1.

Рис. 1. Угол β, образующийся при наваливании носовой оконечности на ледовое поле

Рассмотрим прямоугольный треугольник ОВА (рис. 1). Отношение высоты АВ, равной 1 м (реальный подъем носовой оконечности), к катету ОВ (примерно половина длины корпуса ледокола – 70 м) выразим через tgβ:

tgβ = 0,0142

Несмотря на то что в образовании высоты АВ участвует вся масса корпуса, для оценки максимального вертикального давления Р носовой оконечности на ледовое поле толщиной H (рис. 1) можно взять примерно ее половину. Поэтому при водоизмещении ледокола W = 25 000 т максимальное вертикальное давление Р носовой оконечности на ледовое поле толщиной H (рис. 1) через tgβ можно оценить как:

Р = W*tgβ/2 = 177,5 т (1)

При этом площадь контакта носовой оконечности корпуса с наклонным форштевнем, непосредственно взаимодействующей с подводной толщиной ледового поля, можно рассмотреть на примере площади боковой поверхности усеченного конуса с основанием вверху, что соответствует действительности с некоторыми допущениями. Радиус верхнего основания конуса примем 10 м, нижнего – 4,5 м, образующей –5,9 м при высоте конуса 2 м, что соответствует углу наклона форштевня 20°. При этом целесообразно взять только одну четвертую часть площади боковой поверхности S1/4, непосредственно взаимодействующей с подводной толщиной ледового поля, которую можно определить как:

S1/4 = 67,2 м2.

В этом случае среднее вертикальное распределенное давление Рр носовой оконечности на ледовое поле справедливо получить как отношение вертикального давления Р к площади контакта боковой поверхности S1/4:

Рр = Р/S1/4= 2,6 т/м2 ,

где Рр – среднее вертикальное распределенное давление носовой оконечности при толщине ледового поля 2 м.

При движении вперед угол наклона форштевня и развал первых шпангоутов листов обшивки осуществляют непосредственное давление Р2 (рис. 1) на подводную наклонную поверхность ледового поля, значение которого на 1 м2 можно оценить через тангенс угла наклона форштевня:

Р2 = Рр*tg20° = 0,95 т/м2. (2)

В итоге на один квадратный метр подводной наклонной поверхности ледового поля толщиной два метра оказывается давление, соизмеримое с удельным весом льда, и общее давление носовой оконечности на ледовое поле оказывается примерно равным реакции ледового поля. Такое состояние можно назвать равновесным, при котором ледокол не может разрушать более толстое ледовое поле. Это и является основной причиной остановки ледокола. Рассматривая такой механизм, можно сделать достаточно определенный вывод. Ограничение ледопроходимости при толщине ледового поля 2 м в основном определяется равным давлением корпуса и реакцией ледового поля и указывает на факт, что ледокол с классической носовой оконечностью даже теоретически не должен преодолевать более толстые льды. В силу имеющихся дополнительных сил сопротивления (например, коррозии корпуса) снижение ледопроходимости наблюдается и при меньших толщинах ледового поля.

Приведенная оценка показывает, что для обеспечения проходимости ледокола в толстых льдах Арктики необходимо значительно увеличить удельное вертикальное давление Р (рис. 1) на ледовое поле с уверенным превышением над равновесным состоянием, которого классической носовой оконечностью с наклонным форштевнем не обеспечить, а метод увеличения массы и мощности себя исчерпал. В Арктике с увеличением мощности двигательной установки (повышение тяги на швартовах) и массы корпуса (длины и ширины ледокола) существенного увеличения давления на лед P (рис. 1) ожидать не стоит, а большая инерционность в Арктике угасает с расстоянием даже при небольших толщинах льдов и преимуществ не даст, к тому же маневренность во льдах резко снижается. На основании изложенного можно утверждать, что для дальнейшего увеличения ледопроходимости носовая оконечность ледокола для толстых ледовых полей Арктики должна быть изменена.

Новая носовая оконечность

Для разрушения толстых ледовых полей автор предложил судостроению применить патент РФ № 2458812 «Носовая оконечность корпуса арктического ледокола». Новизна заключается в применении концентратора в носовой части корпуса, имеющего малую площадь и обеспечивающего начальное разрушение толстого ледового поля.

Из практики известно, что продвижение ледокола в Арктике легче в своем старом канале, в котором монолитность ледового поля ранее была нарушена. Если в толстом ледовом поле перед носовыми обводами создавать подобный канал, то и дальнейшее разрушение ледового поля будет эффективнее.

Рис. 2. Первичное разрушение толстого ледового поля концентратором OD и продолжение его разрушения носовыми обводами

На рис. 2 приведен ожидаемый след OD на уровне поверхности ледового поля от концентратора, первично продавливающего (разрушающего) ледяной покров, образуя искусственный канал.

При одинаковом частичном всплытии корпуса ледокола концентратор существенно повысит удельное давление на ледовое поле за счет своей малой площади. В предлагаемом механизме разрушение ледового поля происходит в два этапа. На первом – подошвой DE концентратора (рис. 3), ширина которого входит в расчет толщины ледового поля, в толстом ледовом поле продавливается относительно узкий канал Y (рис. 2), нарушающий его монолитность и сплоченность. На втором – созданный канал расширяется корпусом.

Рис. 3. Толщина ледового поля Н и удлиненные надводные носовые обводы АВС корпуса над концентратором

Толщина Н и сплоченность ледового поля нарушаются подошвой DE концентратора (рис. 3), длина канала OD (рис. 2) от первичного разрушения определяется длиной концентратора OD по уровню поверхности ледового поля (рис. 3). Ширина канала Y (рис. 2) в ледовом поле определяется конструктивной шириной концентратора, которая в свою очередь определяется на расчетную толщину ледового поля. Эффективность работы концентратора ABCDE может быть повышена удлиненными надводными носовыми обводами (рис. 3), обеспечивающими дополнительное вертикальное давление Р (рис. 1) на толстое ледовое поле Н.

При ширине подошвы концентратора 2,5-3 метра площадь взаимодействия его поверхности со льдом Sк можно принять примерно 30 м2. Для оценки усилия разрушения ледового поля Рк возьмем отношение вертикального давления Р (1) к площади поверхности концентратора Sк:

Рк = P/Sк = 177,5/30 = 5,9 т/м2,

где Рк – усилие, создаваемое подошвой концентратора DE (рис. 3).

Приведенная оценка показывает, что давление, создаваемое концентратором Рк на толстое ледовое поле, может быть выше давления, создаваемого известной классической носовой оконечностью Р2 (2).

Главное требование для арктического ледокола

Учитывая современные задачи в Арктике, требование ледопроходимости в зимний период для арктического ледокола является главным требованием. Если это требование не будет выполнено, тогда он не должен называться арктическим.

Строительство ледоколов ЛК-60Я и ЛК-110Я поможет освоению Арктики. Но прошло уже много времени, а эффективного ледокола пока нет. Судостроение с лихвой отсчитывает себе десятилетия на постройку опытных ледоколов, их испытания и выводы. Но такой вариант для современной экономики уже недопустим. Для освоения Арктики ледокол нужен уже сегодня и, чтобы он был построен к 2020-2022 гг., нужны программы, аналогичные по интенсивности строительства объектов для Олимпиады в Сочи.

Новые атомные ледоколы ЛК-60Я и ЛК-110Я в разных стадиях проектирования и строительства. Сравнивая их технические характеристики (табл. 1), можно ожидать, что их будущие ледокольные качества во льдах не превзойдут а/л «Арктика».

Таблица 1. Основные технические характеристики атомных ледоколов

Тип ледокола

Ледопро-ходимость, м

Водоизме-щение, тыс. тонн

Ширина корпуса по КВЛ, м

Длина корпуса по КВЛ, м

Осадка корпуса, м

Мощность двигательной установки, МВт

Гарантийный срок эксплуатации, лет

«Арктика»

2,0*

22

28

136

11

54

30

ЛК-60Я

2,9**

33,5/22,5

33

160

10,5/8,5

60

40

ЛК-110Я

3,5** (1,75)

55,6 (2,52)

38 (1,35)

206 (1,5)

11-13 (1-1,18)

110 (2,0)

Не установлен

* Фактическая
** Заявленная по проекту
(1,75) – параметр в сравнении с а/л «Арктика»

Другой важный параметр ледокола – энерговооруженность, основная характеристика для работы судна в толстых льдах. В таблице 2 приведена энерговооруженность рассматриваемых ледоколов, определяемая как отношение мощности двигательной установки к массе корпуса.

Эн = А/Р

где: Эн – энерговооруженность, МВт/тыс. тонн;

А – мощность двигательной установки, МВт;

Р – масса корпуса, тыс. тонн.

Значения в таблице 2 показывают, что энерговооруженность строящегося поколения ледоколов оказывается не выше ледоколов старой серии, в то время как у арктического ледокола этот параметр должен быть в 3-4 раза больше.

Проблема – коррозия подводной части

Еще одна проблема в арктическом судостроении – коррозия подводной части корпуса (ПЧК) атомного ледокола, снижающая его ледопроходимость примерно на 30% после трех лет эксплуатации. Эпоксидное покрытие снижает скорость коррозии ПЧК, но не исключает ее, а периодическое его восстановление (примерно каждые 2 года) понижает его защитные свойства, заметно увеличивая затраты на содержание. Автор считает, что причиной коррозии ПЧК атомного ледокола является радиокоррозия, впервые опубликованная в «Судостроении №5, 2009», которая имеет повышенную шероховатость и требует дальнейшего изучения. Скорость коррозии ПЧК ледокола высокая, примерно 0,5-1 мм в год. Следует ожидать, что при суммарном сроке эксплуатации судна во льдах 30 лет (без учета стоянок на обслуживание) уменьшение толщины металла листов обшивки ПЧК может составить 15-20 мм. Для арктического ледокола увеличение толщины листов обшивки ПЧК «с запасом на коррозию» является противоречивой задачей. Поэтому поиск способов снижения скорости коррозии ПЧК для арктического ледокола не следует недооценивать, и в этом вопросе морской флот может сделать определенные инвестиции.

Задача государства и бизнеса

Арктический ледокол – это самостоятельное судно для прохождения в толстых льдах Арктики. Его ширину не нужно сравнивать с шириной транспортных судов, которые, конечно, шире. Два арктических ледокола проведут любое транспортное судно в тяжелых льдах. Арктические условия настолько суровы, что нет смысла создавать ледокол шире танкера.

Целесообразно проектировать арктический ледокол, взяв за основу а/л «Арктика», на базе проверенного корпуса, размерения которого (табл. 1) доказали определенную маневренность и прочность во льдах. Предположительно он должен иметь энерговооруженность значительно больше, порядка 8-10 МВт/тыс. тонн (табл. 2), что соответствует атомной установке мощностью 200-250 МВт, разработанной АО «ОКБМ Африкантов». Для работы в толстых ледовых полях осадка корпуса должна быть также увеличена, примерно до 12-15 м. Применение атомной двигательной установки мощностью 200-250 МВт, патента РФ №2458812, увеличение количества гребных винтов предлагаются как концепция арктического ледокола. Указанная мощность не является избыточной, т.к. в простых ледовых условиях установка будет работать с загрузкой 40-60% и только в тяжелых ледовых условиях мощность может быть повышена до 90-95%.

Таблица 2. Энерговооруженность ледоколов

Ледоколы/Энерговооруженность

Будущий арктический ледокол на базе а/л «Арктика»

Ледоколы типа «Арктика»

Строящийся ледокол ЛК-60Я

Проектируемый ледокол ЛК-110Я

Эн

8-10

2,45

1,79

1,97

Рассматривая с позиций вывоза углеводородов из северных широт, такой ледокол нужен нефтедобывающим компаниям. При проводке крупногабаритных транспортных судов в толстых ледовых полях необходимо будет применение двух арктических ледоколов, которые гарантированно обеспечат их проводку в зимних арктических тяжелых льдах Арктики.

Если рассматривать с точки зрения развития Севера и эксплуатации Северного морского пути, тогда он нужен и государству. И в том и в другом варианте арктический ледокол нужен для развития северных районов России, и поэтому его строительство – задача государства и бизнеса. Необходимо также иметь в виду интерес к Арктике других государств. Канада интересуется как полезными ископаемыми арктического шельфа, так и Северо-Западным проходом, Дания вслед за Канадой заявила свои права на Северный полюс, США хотят иметь возможность предъявить юридические претензии на ресурсы континентального шельфа за пределами 200 морских миль. Но у всех стран пока нет арктического ледокола, без которого планировать свое присутствие в Арктике невозможно. Преимущество будет иметь страна, которая первой его построит.

В настоящее время морской флот в лице заказчика может определить необходимость и сроки проектирования арктического ледокола. При затягивании начала его строительства Россия будет отставать от требований времени, т.к. именно упомянутые отрасли при совместной работе могут вносить значительный вклад в наполнение бюджета страны. Уверенное зимнее освоение Северного морского пути принесет достаточно большие доходы от проводок по нему транспортных судов различных зарубежных компаний.

Выводы

1. Строительство арктического ледокола является стратегической задачей. Ледокол должен обеспечить зимнюю навигацию в Арктике при толщинах ледовых полей 2,5-3,5 м и более.

2. В отличие от известных атомных ледоколов для зимней навигации в арктических морях носовая оконечность арктического ледокола должна быть принципиально другой.

3. В проект арктического ледокола предлагается включить новую носовую оконечность (патент РФ №2458812), энерговооруженность порядка 8-10 МВт/тыс. тонн (200-250 МВт), увеличенную осадку и количество гребных винтов, взяв за основу корпус а/л «Арктика», размерения которого доказали прочность и достаточную маневренность во льдах.

4. Морскому флоту необходимо участвовать в формировании технического задания и строительстве арктического ледокола, т.к. именно с ним морскому флоту предстоит осваивать зимнюю навигацию в Арктике.

5. Для строительства арктического ледокола к 2020-2022 гг. нужны программы, аналогичные по интенсивности строительства объектов для Олимпиады в Сочи.

Морской флот №2 (2016)

ПАО СКФ
IV ежегодная конференция ежегодная конференция: «SMART PORT: ЭФФЕКТИВНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭКОЛОГИЧНОСТЬ»
Восточный Порт 50 лет
НПО Аконит
Подписка 2024
Вакансии в издательстве
Журнал Транспортное дело России
Морвести в ТГ