Комментариев: 027.08.2020

Л.Г. Цой, инженер-кораблестроитель, д.т.н., профессор

В статье было показано, насколько вредным является это «инновационное» решение. Мало того, что действующая ватерлиния при минимальной рабочей осадке ледокола не обеспечивает требуемое Регистром прикрытие бортовых гребных винтов, ледокол будет иметь на заднем ходу плохую ледопроходимость, в то время как все ледоколы с нормальными кормовыми образованиями, двигаясь кормой вперед, имеют лучшую ледопроходимость, чем на переднем ходу за счет отсасывающего и размывающего эффекта винтов. Соответственно, согласно требованию Технического задания (ТЗ) «ледопроходимость ледокола на заднем ходу должна быть не менее, чем на переднем ходу». При плохом заднем ходе ледокол будет иметь и плохую маневренность во льдах. Тем не менее, в ответ на представленные ЦНИИМФом результаты контрольных испытаний в независимом ледовом бассейне HSVA в Гамбурге проектант, не приводя никаких контраргументов, безапелляционно заявил, что принятые по рекомендации ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова обводы корпуса являются оптимальными. Невольно возникает вопрос: «Не утрачена ли былая квалификация нынешними судостроителями?»

В 2014 г. автор совместно со специалистами ЦНИИ КМ «Прометей» Ю.Л.Легостаевым и Ю.Л.Кузьминым выступили со статьей «Атомный ледокол нового поколения в ржавом корпусе». Поводом к протестному выступлению послужил неожиданный с началом строительства ледокола отказ от применения предусмотренных в соответствии с ТЗ и Техническим проектом плакированной нержавеющим слоем стали для наружной обшивки корпуса и электрохимической защиты (ЭХЗ). Предлогом для принятия такого варварского решения послужила претензия к плохой работе ЭХЗ на действующих ледоколах. Но эта ссылка относилась к электрохимической защите, созданной в 1980-х гг. К настоящему времени ЦНИИ КМ «Прометей» разработал более совершенную ЭХЗ нового поколения. Мало того, что применение для наружной обшивки гомогенной стали увеличит вес корпуса на 400 т, последняя будет подвержена интенсивной коррозии, в результате чего ледопроходимость и соответственно проводоспособность ледокола будут постоянно ухудшаться. Для сохранения гладкой обшивки и спецификационной ледопроходимости ледокола потребуется его ежегодное докование с выводом из эксплуатации для восстановления лакокрасочного покрытия, что невозможно признать реалистичным и рациональным с экономической точки зрения.

Следует обратить внимание на еще одно ошибочное решение как следствие отказа от плакированной двухслойной стали. Для компенсации увеличения веса ледокола с гомогенной обшивкой корпуса из проекта была исключена креновая система, что существенно ухудшит ледокольные способности ледокола, в частности его возможность высвобождения из заклинивания при буксировке судов “на усах” вплотную и освобождения при вмерзании на мелководье будучи в режиме ожидания. Уже эти серьезные недостатки позволяют констатировать, что строится заведомо ущербный ледокол.

Поводом для очередной критики некорректного проектирования и строительства атомного ледокола по пр. 22220 явилось несоблюдение в процессе постройки головного ледокола «Арктика» требования ТЗ на его проектирование и строительство к минимальной рабочей осадке для обеспечения возможности ледоколу работать в условиях мелководья реки Енисей до порта Дудинка и Обской губы до мыса Каменный. В ТЗ было предусмотрено обеспечение ледоколу минимальной рабочей (безбалластной) осадки, равной в пресной воде 8,7 м. Но, как показал опыт кренования ледокола, его минимальная осадка составила 9,3 м, то есть превысила спецификационную на 0,6 м. Такое существенное отклонение в сторону увеличения осадки вызывает серьезное опасение относительно возможности ледокола «Арктика», спроектированного в качестве универсального (двухосадочного), осуществлять эффективные и безопасные проводки судов в условиях мелководья Енисея и Обской губы.

Для установления влияния увеличенной осадки ледокола на его возможность работать в условиях мелководья и, соответственно, пригодность для эксплуатации в указанных районах в настоящей статье выполнены: оценка работы пропульсивного комплекса ледокола и сопротивления льда его движению в условиях мелководья, расчеты ожидаемой просадки кормы ледокола при плавании по чистой воде, в сплошном припае и ледовом канале на мелководных участках, определение минимально допустимого запаса глубины под килем ледокола. На основании анализа полученных результатов сделаны выводы о работоспособности ледокола на мелководье, включая ожидаемые ограничения по допустимой скорости хода и предельной толщине льда, преодолеваемой при осадке 9,3 м в зависимости от глубины воды под килем ледокола на мелководных участках речных акваторий.

 

Гидрографические и ледовые условия эксплуатации ледокола «Арктика» в устье реки Енисей и Обской губе

В связи с отсутствием современных данных по состоянию глубин и ледяного покрова на предусмотренных проектом речных направлениях эксплуатации а/л «Арктика» настоящий анализ возможности работы ледокола на этих направлениях с завышенной в процессе его строительства осадкой (по сравнению со спецификационной), выполнен применительно к статистической базе данных арктических навигаций советского периода. Согласно этим данным гидрографические особенности речных участков эксплуатации двухосадочного ледокола характеризуются следующими лимитирующими глубинами:

·      Обская губа	В северной части в районе мыса Дровяной в настоящее время проведены дноуглубительные работы до 14 м, в средней части губы глубины составляют 11–15 м, в южной части преобладающие глубины 11–12 м, 10-метровая изобата проходит южнее 680 северной широты. На траверзе мыса Каменный глубины около 10,4 м
·      Енисейский залив	У мыса Шайтанский и мыса Сопочная Карга минимальные глубины соответственно составляют 10,2 м и 10,6 м
·      Река Енисей	Лимитирующая глубина на Турушинском перекате равна 10,4 м, преобладающие глубины в низовье Енисея составляют 15–16 м
·      Порт Дудинка	10,4 м

 

На рис. 1 представлены статистические данные помесячного изменения осредненной толщины льда на фарватере Обской губы при “тяжелом” и “среднем” типах ледовых условий (по наблюдениям 1952–1987 гг.). Такая типизация была разработана ААНИИ в XX в. В XXI столетии в Западном районе Арктики преобладают только “средние” и “легкие” типовые условия.

На рис. 2 приведены статистические зависимости помесячного распределения толщин льда в Енисейском заливе в районе мыса Сопочная Карга также с разделением на максимальные, средние и минимальные значения согласно принятой типизации ледовых условий. Толщина льда в этом районе близка к его толщине на Турушинском перекате, глубина воды которого в числе лимитирующих при плавании в Дудинку.

Рис. 1. Помесячное изменение толщины льда в Обской губе при различных типах ледовых условий

Рис. 2. Распределение по месяцам толщин льда в Енисейском заливе

Как видно из приведенных графиков, толщина льда в рассматриваемых районах достигает максимума в мае, и при “среднем” типе ледовых условий составляет около 185 см в Обской губе и 175 см – на енисейском фарватере. В южной, более мелководной части Обской губы максимальные толщины припайного льда на 10–20 см меньше соответствующих толщин в средней части Обской губы, то есть аналогичны енисейскому льду.

Ожидаемая просадка кормы ледокола и необходимый запас глубины под килем при плавании в условиях мелководья по чистой воде и в ледовом канале

Для определения проходной (ограниченной) осадки при плавании ледокола в условиях мелководья выполнены расчеты необходимого запаса глубины под килем при плавании по чистой воде в соответствии с требованиями Норм проектирования морских каналов, а также при движении в ледовом канале по методике, предложенной А.И.Лабиным.

Согласно Нормам проектирования морских каналов суммарный навигационный запас глубины под килем судна должен составлять не менее величины, определяемой по формуле:

S Z_0-3 = Z₀ + Z₁ + Z₂ + Z₃ ,                                      (м)

где:

Z_o – запас на крен судна вследствие несимметричной его загрузки или резкой перекладки руля, м;

Z₁ – минимальный навигационный запас, необходимый для обеспечения управляемости судна, м;

Z₂ – волновой запас на погружение оконечности судна при волнении, м;

Z₃ – скоростной запас на изменение посадки судна на ходу на тихой воде по сравнению с посадкой без хода, м.

При настоящей оценке работы судна во льдах запас на крен Z₀ и волновой запас Z₂ не принимаются во внимание, как не имеющие отношение к ледовому плаванию.

Минимальный навигационный запас Z₁ определяется в зависимости от осадки судна Т и вида грунта. Для наносного грунта (песок, ракушка, гравий) Z₁ = 0,05 T; для скального грунта, валунов и т.п. запас Z₁ = 0,07 T.

Скоростной запас Z₃ определяется методом последовательных приближений в зависимости от суммы S Z_1-3 = Z₁ + Z₂ + Z₃, числа Фруда и осадки судна.

Результаты расчета ожидаемой просадки кормы ΔТ_к ледокола представлены на графике рис. 3 (кривая 1). На этом же рисунке показана зависимость просадки ледокола кормой от скорости при движении в мелкобитом льду ледового канала (кривая 2).

Рис. 3. Зависимость просадки кормой ледокола от скорости хода на чистой воде (1) и в ледовом канале (2)

Согласно выполненным расчетам, при минимальных глубинах на ледовых трассах Енисея (Турушинский перекат – 10,4 м) и Обской губы (мыс Каменный – 10,4 м) и навигационном запасе Z₁, равном 0,65 м, ледокол с осадкой 9,3 м сможет развивать скорость в условиях чистой тихой воды около 8 узлов, а в ледовом канале – до 9,5 узла.

Вместе с тем, касаясь вопроса просадки кормы спроектированного ЦКБ «Айсберг» а/л «Арктика» пр. 22220, необходимо обратить внимание на следующую отрицательную особенность этого ледокола, обнаруженную при модельных испытаниях в Крыловском Центре и отмеченную в Пояснительной записке технического проекта. Так, в разделе записки 2.3. «Гребные винты и тяговые характеристики» приведено следующее утверждение: «Важно отметить, что взаимодействие движительного комплекса с корпусом на швартовном режиме приводит к увеличению осадки ледокола в корме при создании тяги на передний ход на величину примерно 0,35 м и, соответственно, к уменьшению зазора между днищем и дном акватории». Далее: «При движении ледокола в условиях мелководья, по сравнению с глубокой водой, наряду с существенным увеличением гидродинамического сопротивления наблюдается изменение его ходовой посадки – увеличивается осадка ледокола на миделе и одновременно изменяется его дифферент и соответственно уменьшается зазор под днищем. Даже на швартовном режиме наблюдается “присос” кормовой оконечности ледокола в результате работы гребных винтов… Анализируя полученные при модельных испытаниях данные, можно сделать вывод, что для тихой морской воды стандартной солености при глубине 11 м движение ледокола на передний ход допустимо со скоростями не более 7 узлов, а в условиях пресной воды – не более 5 узлов».

Следовательно, в пресной воде на глубине 10,4 м (Турушинский перекат) при необходимом навигационном запасе глубины, равном Z₁ = 0,65 м, ипри осадке ледокола 9,3 м допустимая просадка кормы при движении ледокола с учетом обнаруженного при модельных испытаниях на швартовном режиме “присоса” кормовой оконечности, равного 0,35 м, и продолжающего увеличиваться с набором скорости ледокола, будет равна не более 10 см. Согласно графику на рис. 3 допустимая скорость хода ледокола не должна превышать 3–4 узла.

Проектанту и Заказчику ледокола «Арктика» с ограниченной осадкой следовало бы обратить особое внимание на обнаруженное явление столь серьезного “присоса” кормы ледокола на швартовном режиме. Есть основания полагать, что причиной этого явилось применение нетрадиционно зауженной кормовой оконечности ледокола (“ноу-хау” ГНЦ им.А.Н.Крылова). ЦНИИМФом при рассмотрении пр. 22220 была высказана неприемлемость узкой кормы. Как было показано на контрольных испытаниях в независимом Гамбургском опытовом ледовом бассейне HSVA, ледокол с зауженной кормой имеет значительно худшую ледопроходимость на заднем ходу, чем на переднем. Это нонсенс. У всех традиционных ледоколов ледопроходимость на заднем ходу всегда превышает таковую на переднем ходу. Требование к ледопроходимости, сформулированное в ТЗ, проектантом выполнено не было.

Таким образом, проведенные расчеты необходимого (безопасного) запаса глубины под килем ледокола пр. 22220 указывают на возможность его эксплуатации с минимальной рабочей осадкой в пресной воде 9,3 м, которая может считаться проходной, на предполагаемых речных трассах при плавании по чистой воде и в ледовых каналах, а также в мелкобитых льдах. Однако скорости ледокола на мелководных участках должны быть существенно ограничены, не превышая нескольких узлов.

 

Просадка кормы ледокола в сплошных льдах при прокладке канала

Для определения запаса на дифферент ледокола при работе в сплошных льдах были проанализированы экспериментальные данные ГНЦ им.А.Н.Крылова, ЦНИИМФа и ААНИИ, накопленные в процессе натурных и модельных испытаний различных ледоколов. Анализ показал, что движение ледокола в ровных сплошных льдах носит циклический характер, сопровождается периодическим наползанием носовой оконечности на лед и ее проваливанием при разрушении ледяного покрова. Соответственно, происходит периодическое погружение кормы в воду, причем это погружение в 2–3 раза меньше, чем вылезание носовой оконечности на лед. В среднем дифферент ледокола на корму практически соизмерим с толщиной преодолеваемого ровного льда. Так, ледокол «Арктика» постройки 1974 г. при движении в предельном для него льду, толщина которого составляет 2,3 м, имел дифферент на корму около 1⁰, что соответствует 2,4–2,5 м. На рис. 4 представлена экспериментальная зависимость дифферента на корму от толщины ровного сплошного льда по результатам испытаний ледокола «Арктика».

Рис. 4. Зависимость дифферента ледокола на корму от толщины преодолеваемого сплошного льда. 1 – дифферент ледокола, м; 2 – дифферент ледокола в мин

Следовательно, при непрерывном движении ледокола в сплошном припайном льду с максимальной толщиной до 2,5 м просадка кормы будет составлять около 0,8 м. Более значительное погружение кормы ледокола возможно при работе набегами в тяжелых льдах запредельной толщины (включая сморози, наслоения, торосы). В этом случае в условиях мелководья скорости набегов должны ограничиваться, что и делается на практике, даже при наличии достаточного запаса глубины под килем, исходя из условия предотвращения заклинивания ледокола. Обычно скорость набега не превышает 5–6 узлов.

Касаясь прокладки ледоколом канала на мелководье, необходимо обратить особое внимание на то, что при движении во льду, толщина которого соизмерима с запасом глубины воды под килем ледокола, погружение кормы ледокола вследствие дифферента будет способствовать расклиниванию попадающих под днище льдин и, таким образом, резкому увеличению ледового сопротивления, связанного с раздавливанием и вдавливанием обломков льда в грунт. В итоге, в условиях предельного мелководья ледопроходимость ледокола будет значительно ниже, чем на глубокой воде. При этом следует учитывать, что прочность речного льда в 2–3 раза больше морского, что повышает вероятность повреждения днища и винтов ледокола.

Рассматриваемый ледокол «Арктика» пр. 22220 отличается значительно зауженной кормой, что будет способствовать ее более глубокому погружению при прокладке канала и соответственно, повышая ледовое сопротивление, ухудшать ледопроходимость в условиях мелкой воды.

 

Влияние величины запаса глубины под килем на тягу гребных винтов и ледовое сопротивление ледокола

Эти вопросы были тщательно исследованы финской фирмой «Вяртсиля Морская техника» в процессе проектирования и строительства по заказу СССР мелкосидящего атомного ледокола «Таймыр».

Согласно данным фирмы, приведенным на рис. 5, при запасе глубины под килем 1,5–2,0 м по сравнению с глубокой водой, потеря тяги винтов у спроектированных и построенных этой фирмой мелкосидящих ледоколов «Таймыр» и «Капитан Сорокин» составляет 13–14%. Осадка атомного ледокола «Таймыр» равна 8,1 м, дизель-электрического ледокола «Капитан Сорокин» − 8,5 м.

Показано также, что значительное снижение ледопроходимости ледокола в условиях мелководья, прежде всего, вызвано изменением взаимодействия корпуса судна со льдом. В частности, когда толщина льда соизмерима с запасом глубины под килем.

Рис. 5. Изменение тяги винтов на швартовном режиме ледоколов «Таймыр» (1) и «Капитан Сорокин» (2) в зависимости от глубины воды

На рис. 6 приведена зависимость ледового сопротивления ледоколов «Таймыр» и «Капитан Сорокин» от глубины воды при скорости 2 уз в ровном сплошном льду толщиной 1,5 м. Как видно из рис. 6, при запасе глубины под килем 1,5–2,0 м ледовое сопротивление ледоколов возрастает примерно в 2 раза. Это следует связывать с расклиниванием обломков льда, соизмеримого по толщине с запасом глубины под килем, между днищем судна и дном водоема.

Рис. 6. Зависимость ледового сопротивления ледоколов «Таймыр» и «Капитан Сорокин» от глубины воды

 

Экспериментальные исследования по оценке влияния мелководья на ледопроходимость ледоколов

Модельные испытания

В процессе создания атомного мелкосидящего ледокола «Таймыр» в опытовом ледовом бассейне Арктического исследовательского центра Вяртсиля (WARC) проводились специальные модельные испытания по выявлению влияния мелководья на ледопроходимость ледокола. Условия проведения испытаний иллюстрируются схемой, показанной на рис. 7.

Рис. 7. Условия модельных испытаний ледокола «Таймыр» по определению влияния мелководья на ледопроходимость

Модельные испытания выявили существенное влияние мелководья на предельную толщину ровного сплошного льда, преодолеваемую ледоколом с минимальной скоростью 2 узла. Так, ледопроходимость ледокола «Таймыр», равная в пересчете на натуру на глубокой воде 1,77 м при запасе под килем 2 м, снижается до 1,38 м, то есть на 22%.

На рис. 8 приведены данные по предельной для ледоколов «Таймыр» и «Мурманск» толщине льда в функции глубины воды, полученные финскими специалистами расчетом и по результатам модельных испытаний (отдельные точки). Эти данные были уточнены после проведения натурных испытаний построенных ледоколов. Как показали приемно-сдаточные ледовые испытания, максимальная ледопроходимость а/л «Таймыр» на глубокой воде составила 2,0 м по сравнению с прогнозируемыми фирмой-поставщиком 1,77 м. Соответственно, на мелководье при минимальном запасе глубины под килем, равном 2,0 м, ожидаемая ледопроходимость «Таймыра» составит около 1,5–1,6 м.

Рис. 8. Зависимость максимальной толщины ровного сплошного льда, ломаемого ледоколом со скоростью 2 узла, от глубины воды на акватории по результатам модельных испытаний

 

Натурные испытания

Влияние мелководья на ледовую ходкость судов, выражающееся в уменьшении скоростей хода при движении на малых глубинах, впервые было установлено ААНИИ на испытаниях ледокола «Мурманск» типа «Москва» в осенне-зимние навигации 1973–1974 гг.

Испытания позволили выявить диапазон глубин, при которых имеет место влияние мелководья. Наиболее сильное влияние мелководья обнаруживается при глубинах менее двух осадок судна. Влияние мелководья становится практически незаметным при отношении глубины воды к осадке судна H_в/T более 3,0–3,5. Характерно, что мелководье больше сказывается на режимах, близких к швартовному, то есть при движении во льдах предельной толщины.

В реальных условиях мелководья были испытаны также ледокол «Таймыр» после постройки финской фирмой «Маса-Ярдс» в 1990 г., ледокол «Капитан Николаев» после переоборудования также фирмой «Маса-Ярдс» в 1990 г. и ледокол «Капитан Сорокин» после переоборудования западногерманской фирмой «Тиссен Нордзееверке» в 1991 г. Все эти испытания проводились в припайных льдах Енисейского залива.

В табл. 1 приведены результаты ледовых испытаний а/л «Таймыр» на глубокой воде и мелководье. Сопоставлена ледопроходимость при одинаковой мощности гребных электродвигателей (ГЭД), равной 33,5 МВт, и скорости установившегося движения 2 уз (1 м/с).

 

Табл. 1. Ледопроходимость а/л «Таймыр» на глубокой воде и мелководье по натурным испытаниям в 1990 г.

Как видно из таблицы, ледопроходимость ледокола «Таймыр» в условиях мелководья (H_в/T = 1,28) при запасе глубины под килем 2,5 м уменьшилась на 12%. Уменьшение ледопроходимости оказалось несколько меньшим, чем ожидалось. По данным модельных испытаний (рис. 10) при H_в/T = 1,28 предполагалось снижение ледопроходимости на около 17%, то есть на 5% больше.

На рис. 9 приведены данные натурных испытаний ледовой ходкости в припае Енисейского залива ледоколов с нетрадиционными формами обводов корпуса. Это ледокол «Капитан Николаев», у которого в 1990 г. традиционная носовая оконечность была заменена на так называемый “конический” нос, разработанный фирмой «Вяртсиля Морская техника», и переоборудованный в 1991 г. ледокол «Капитан Сорокин» с новой носовой оконечностью системы «Тиссен-Ваас».

Оба ледокола имеют конструктивные особенности, позволяющие обеспечить отвод в стороны из-под днища корпуса битого льда, что уменьшает взаимодействие гребных винтов со льдом, а также, по замыслу авторов, должно способствовать уменьшению сопротивления льда движению ледокола на мелководье. У ледокола «Капитан Николаев» это ледоразводящие реи на днище, а у ледокола «Капитан Сорокин» – ледоразводящий клин в диаметральной плоскости. Результаты анализа ледовых испытаний упомянутых ледоколов в условиях мелководья приведены в табл. 2 и 3.

Табл. 2. Ледопроходимость переоборудованного ледокола «Капитан Николаев» по натурным испытаниям 1990 г.

Табл. 3. Ледопроходимость переоборудованного ледокола «Капитан Сорокин» по натурным испытаниям 1991 г.

Как следует из представленных таблиц, потеря ледопроходимости у ледокола «Капитан Сорокин» по сравнению с «Капитаном Николаевым» практически в тех же условиях мелководья, то есть при запасе глубины под килем около 2,5 м, оказалась больше (13% вместо 10%). Очевидно, влияние мелководья на ледовую ходкость зависит от ледоотводящих особенностей формы корпуса судна, способствующих эвакуации льда из-под днища корпуса ледокола. Положительный эффект обеспечили ледоотводящие реи на днище «Капитана Николаева». Учитывая это, на втором ледоколе «Вайгач» серии «Таймыр» финскими судостроителями были также установлены днищевые реи (высотой 20 см), аналогичные таковым на л/к «Капитан Николаев».

Таким образом, натурные испытания подтвердили наличие снижения ледопроходимости в условиях мелководья, что требует особого внимания при проектировании ледоколов с ограниченной осадкой, предназначенных для работы на мелководье.

 

Заключение о возможности эксплуатации атомного ледокола «Арктика» с достигнутой минимальной рабочей осадкой в Обской губе до отгрузочного нефтяного терминала «Ворота Арктики» и на Енисее до порта Дудинка

Выполненное изучение влияния мелководья на ледовую ходкость ледоколов позволяет оценить ожидаемые изменения эксплуатационных возможностей ледокола «Арктика» как двухосадочного, построенного с отступлениями от ТЗ, включая беспрецедентное увеличение водоизмещения «порожнем», отказ от применения плакированной стали для наружной обшивки и упразднение креновой системы.

Избыточный вес ледокола с учетом постоянных жидких грузов привел к увеличению его минимальной рабочей осадки на 0,6 м. Замена плакированной стали на подверженную интенсивной коррозии сталь марок D, E и F приведет к возникновению шероховатости обшивки и прогрессирующему снижению ледопроходимости ледокола в процессе эксплуатации. Кроме того, применение гомогенной стали стоило увеличения веса обшивки корпуса на ~ 400 т, исходя из обеспечения регистровского требования по запасу на ее коррозионно-эрозионный износ в течение 40-летней эксплуатации ледокола. Отказ от креновой системы, являющейся надежным средством предотвращения заклинивания ледокола и его высвобождения из заклиниваний при работе в условиях мелководья, также будет снижать эффективность работы ледокола при ограниченных глубинах, когда не может быть использована дифферентная система.

Ниже рассмотрены ожидаемые негативные последствия относительно эксплуатационных возможностей головного ледокола «Арктика» вследствие завышенной минимальной рабочей осадки на 0,6 м и соответственно уменьшения запаса глубины под килем на мелководных участках работы ледокола.

Как следует из протокола кренования судна, водоизмещение ледокола «Арктика» в состоянии нагрузки “порожнем” составляет 25601 т, что соответствует при стандартной плотности соленой воды 1,025 т/м³ осадкам носом и кормой в пресной воде, равным 9,3 м при минимальном рабочем водоизмещении ледокола.

- Согласно Техническому заданию на разработку технического проекта 22220 универсального арктического ледокола, он должен иметь осадку для периодической работы на мелководье в устьевых районах сибирских рек с пресной водой не более 8,7 м. Однако увеличенная на 0,6 м в процессе постройки ледокола минимальная рабочая осадка составила 9,3 м. Соответственно уменьшится запас воды под килем ледокола на 0,6 м и составит в низовье Енисея на Турушенском перекате 1,1 м (10,4 м – 9,3 м), у мыса Шайтанского – 0,9 м (10,2 м – 9,3 м), и у мыса Сопочная Карга – 1,3 м (10,6 – 9,3 м), а в Обской губе в районе терминала «Ворота Арктики» у мыса Каменный – 1,1 м (10,4 м – 9,3 м).

- При рассмотрении ожидаемой просадки ледокола кормой во время движения по чистой воде и мелкобитом льду канала (рис. 3) было установлено, что согласно проектным данным корма ледокола «Арктика» уже на швартовном режиме при работающих винтах будет просаживаться на 0,35 м. Следовательно, при нормативном навигационном запасе глубины под килем, равном (0,05 – 0,07)Т, ледокол сможет пересекать рассмотренные мелководные районы только малым ходом (до 3–4 уз).

- Наибольший практический интерес представляет оценка возможности работы ледокола на мелководных участках в сплошном припайном льду с прокладкой канала. На рис. 10 представлены результаты полученной путем пересчета с а/л «Таймыр» зависимости толщины сплошного льда, ломаемого ледоколом «Арктика» со скоростью 2 уз, от запаса глубины под килем. Исходная ледопроходимость ледокола с малой осадкой на глубокой воде принята равной 2,8 м согласно указанному в проекте снижению тяги гребных винтов при ограниченной осадке вследствие кавитации движителей. График на рис. 10 свидетельствует об обвальном снижении ледопроходимости ледоколов при запасе глубины под килем менее 2,5–3,0 м. В табл. 4 представлена ожидаемая ледопроходимость а/л «Арктика» на мелководье у мыса Шайтанского, на Турушинском перекате и в районе мыса Каменного при полученной в результате постройки ледокола минимальной рабочей осадке T_min=9,3 м в сравнении с ожидавшейся при соблюдении требования ТЗ минимальной рабочей осадкой T_min=8,7 м.

- Учитывая, что рассматриваемый ледокол оснащен пневмоомывающим устройством (ПОУ), можно рассчитывать по опыту использования ПОУ на отечественных ледоколах, что ледопроходимость ледокола «Арктика» при работающем ПОУ будет увеличиваться примерно на 10 см, то есть составит около 1,05 м у мыса Шайтанского, около 1,25 м на Турушинском перекате и у мыса Каменный при минимальной устойчивой скорости хода 1 узел.

Рис. 10. Зависимость максимальной толщины сплошного льда, ломаемого ледоколом со скоростью 2 уз, от запаса глубины воды под килем ледокола

Обращаясь к статистическим данным помесячного распределения толщин льда в Обской губе и на Енисее (рис. 1, 2), следует ожидать, что при такой ледопроходимости ледокол «Арктика» при “среднем” типе ледовых условий сможет преодолевать мелководные участки со сплошным припаем непрерывным ходом только до января. Остальное время, с января по июнь, он вынужден будет прокладывать канал осторожными ударами с малыми скоростями набега, обеспечивающими безопасную просадку кормы при наползании носом на лед, а также предотвращение заклинивания ледокола. Последняя проблема является особо актуальной, учитывая упразднение креновой системы на а/л «Арктика».

Табл. 4. Ожидаемая ледопроходимость головного ледокола «Арктика» пр. 22220 при работе на мелководье (в пресной воде) с достигнутой в процессе постройки минимальной рабочей осадкой T_min=9,3 м в сравнении с ледопроходимостью ледокола при требуемой по ТЗ на его проектирование минимальной рабочей осадке T_min=8,7 м

Обозначения:     T_в  – глубина воды на мелководных участках, м

                                      T_min– минимальная рабочая осадка ледокола, м

                            h – толщина ровного сплошного льда, м

                            V_s – скорость прокладки канала в сплошном льду, уз.

В табл. 4  приведены также данные по ожидавшейся ледопроходимости ледокола пр. 22220 при условии выполнения требования ТЗ по обеспечению минимальной рабочей осадки ледокола, равной 8,7 м. Основанный на результатах модельных и натурных испытаний а/л «Таймыр» и приведенный на рис. 10 график зависимости ледопроходимости а/л «Арктика» от запаса глубины воды под килем позволяет сделать вывод, что при запасе глубины применительно к Турушинскому перекату и мысу Каменному, равному 1,7 м, ледокол смог бы преодолевать со скоростью 2 уз сплошной лед толщиной 1,4 м. При использовании ПОУ ледопроходимость составила бы около 1,5 м. При наличии предусмотренных проектом, но не примененных на построенном ледоколе плакированного нержавеющей сталью ледового пояса, а также креновой системы, ледокол смог бы развивать минимальный устойчивый ход вплоть до 0,5 узла. Это подтверждено натурными испытаниями ледоколов «Капитан Сорокин» и «Капитан Николаев», которые показали исключительную эффективность креновой системы в поддержании минимально устойчивого хода около 0,5 узла, когда система работает в автоматическом режиме раскачивания с амплитудами накренения до 3–4⁰ при полном периоде около 3 мин. В итоге, применение плакированной стали, то есть постоянно гладкой обшивки корпуса, обеспечило бы ледоколу устойчивый непрерывный ход при скорости 1,0 уз и таким образом – увеличение ледопроходимости на около 0,15 м, а дополнительное использование креновой системы гарантировало бы поддержание минимальной скорости хода ледокола до 0,5 уз и соответственно увеличение ледопроходимости еще на 0,15 м.

Таким образом, при обеспечении соответствия Техническому заданию, предусматривавшему в пр. 22220 изложенные технические решения, ледокол «Арктика» смог бы прокладывать непрерывным ходом канал на мелководных участках Турушинского переката и Мыса Каменного в сплошном льду толщиной до 1,9 м. Это означает, что при “среднем” типе ледовых условий ледокол пр. 22220 уверенно форсировал бы льды Енисея и Обской губы непрерывным ходом в течение всего ледового периода. Построенный же ледокол «Арктика» с увеличенной на 0,6 м минимальной осадкой, лишенный плакировки наружной обшивки и креновой системы, будучи в состоянии преодолевать непрерывным ходом припайный лед толщиной только около 1,2 м, будет вынужден в период с февраля по май при том же “среднем” типе ледовых условий работать ударами, то есть с меньшей эффективностью и повышенным риском повреждения днища и винто-рулевого комплекса.

 

Выводы

Выполненный анализ по оценке эксплуатационных возможностей головного атомного ледокола «Арктика» пр. 22220, построенного с отступлением от ТЗ по требуемой минимальной осадке, необходимой для обеспечения работы в условиях мелководья Обской губы и низовья реки Енисей, позволяет сделать следующие выводы:

1.                      Согласно результатам проведенного на Балтийском заводе-строителе кренования а/л «Арктика» установлено, что минимальная рабочая осадка ледокола превысила спецификационное значение на 0,6 м, то есть составила 9,3 м вместо требуемых 8,7 м.

2.                      Минимальные глубины на енисейском фарватере, расположенные у мыса Шайтанский и на Турушинском перекате, равны 10,2 и 10,4 м. Минимальные глубины в Обской губе сосредоточены в районе мыса Каменный и составляют около 10,4 м. Это означает, что на глубине, равной 10,4 м, запас глубины воды под килем а/л «Арктика» будет составлять 1,1 м. Запас глубины в аналогичных условиях у существующих мелкосидящих ледоколов типа «Капитан Сорокин» и типа «Таймыр» составляет не менее 1,6–2,0 м.

3.                      Проверочные в соответствии с требованиями Норм проектирования морских каналов расчеты необходимого навигационного запаса глубины под килем ледокола «Арктика» показали, что на глубине 10,4 м при осадке 9,3 м в условиях чистой воды ледокол сможет развивать скорость до 8 узлов. В ледовом канале предельно допустимая скорость составит около 9,5 уз. Вместе с тем, как свидетельствуют проектные материалы, примененная на ледоколе в качестве инновации узкая корма будет дополнительно проседать на 0,35 м. В результате, в условиях мелководья при движении по чистой воде и в мелкобитом льду в канале безопасная скорость ледокола «Арктика» не должна превышать 3–4 узлов.

4.           Анализ возможности работы а/л «Арктика» в условиях мелководья в сплошном припайном льду, основанный на результатах модельных и натурных ледовых испытаний мелкосидящего атомного ледокола «Таймыр», позволил установить ожидаемую предельную толщину ровного сплошного льда, который а/л «Арктика» сможет преодолевать непрерывным ходом с минимальной устойчивой скоростью. Для ледокола со свежеокрашенным гладким корпусом эта скорость составляет около 1 узла. Как показал анализ, при скорости 1 узел ледокол «Арктика» при работающем ПОУ сможет, имея запас глубины под килем, равный 0,9–1,1 м, прокладывать канал в ровном сплошном льду толщиной около 1,1–1,3 м. Лед такой толщины нарастает в Енисейском заливе и Обской губе при “среднем” типе ледовых условий уже в январе. Остальное время ледового периода в указанных районах ледокол «Арктика» сможет прокладывать канал, только прибегая к ударам, которые должны выполняться с особой осторожностью, имея ввиду возможность чрезмерной просадки кормы ледокола с расклиниванием льдин между днищем ледокола и дном водоема, приводящем к повреждениям корпуса и винто-рулевого комплекса. Кроме того, интенсивная работа реверсами будет приводить к взмучиванию донного песка и ила, способствуя засорению и ускоренному износу дейдвудов. Также нужно избегать заклинивания ледокола, учитывая отсутствие у него креновой системы.

Следует обратить особое внимание и вопросу обеспечения надежной работы системы охлаждения энергетической установки ледокола забортной водой. С таким минимальным запасом глубины воды под килем (0,9–1,1 м) атомные ледоколы не эксплуатировались. В гарантии бесперебойной работы ледовых ящиков еще предстоит убедиться.

5. Сравнение построенного с завышенной осадкой ледокола «Арктика» с вариантом ледокола, имеющего параметры, предусмотренные Техническим заданием, позволяет убедиться, насколько ухудшились эксплуатационные возможности ледокола с нереализованными требованиями к его ледовым качествам. Сопоставительный анализ показал, что при соблюдении всех требований ТЗ ледокол пр. 22220 при минимальной рабочей осадке 8,7 м смог бы на предельном мелководье прокладывать непрерывным ходом канал в сплошном льду толщиной около 1,7–1,9 м, то есть при “среднем” типе ледовых условий ему не пришлось бы прибегать к работе ударами в течение всей зимней навигации, что обеспечило бы повышенную гарантию как безопасности, так и эффективности работы двухосадочного ледокола на мелководье.

Очевидно, что при принятии решения о продолжении строительства серии двухосадочных атомных ледоколов класса «Арктика» рабочий проект 22220 должен быть соответственно переработан и подвергнут тщательной экспертизе специализированных организаций.

 

Продолжение истории

24 декабря 2019 г. на головном универсальном атомном ледоколе «Арктика» пр. 22220 прошла операция по кренованию. Было установлено, что водоизмещение судна «порожнем» оказалось перегруженным на ~ 1800 т, что привело к увеличению минимальной рабочей осадки ледокола в пресной воде по сравнению с ТЗ на его постройку на 0,6 м (с 8,7 м до 9,3 м). Требование к минимальной рабочей осадке ледокола связано с необходимостью обеспечения его эффективной работы по проводке судов в условиях мелководья Обской губы и реки Енисей. «Росатомфлот» потребовал от судостроителей проведения независимой экспертизы возможности безопасной эксплуатации а/л «Арктика» в условиях мелководья. Для её выполнения проектант ледокола ЦКБ «Айсберг» обратился в ЦНИИМФ, где эта работа была поручена главному научному сотруднику Л.Г.Цою, руководившему в своё время работами по исследовательскому проектированию и разработке технико-эксплуатационных требований к перспективному двухосадочному атомному ледоколу типа ЛК-60Я.

Ознакомившись с протоколом кренования а/л  «Арктика», проектной документацией, изучив опыт постройки, испытаний и эксплуатации мелкосидящих ледоколов типа «Капитан Сорокин» и а/л  типа «Таймыр», основываясь на исследованиях по влиянию мелководья на ледовую ходкость этих ледоколов, выполненных финскими судостроителями, автор подготовил заключение об ожидаемых эксплуатационных качествах и возможности работы а/л «Арктика» на мелководье с осадкой, превышающей спецификационное значение. Это заключение, изложенное выше, было направлено Заказчику а/л  «Арктика» в «Росатомфлот» (ЦНИИМФ (1). Параллельно «Росатомфлот» получил “официальный” отчет ЦНИИМФа (ЦНИИМФ (2), подготовленный новым заведующим лабораторией ледокольной техники и утверденная новым гендиректором института, к выводам которого у капитанов ледоколов возникли вопросы.

Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота (ЦНИИМФ) являлся автором двухосадочного ледокола, его технико-экономического обоснования и разработки технико-эксплуатационных требований к нему. Также Росморечфлотом было поручено ЦНИИМФу осуществлять научно-методическое сопровождение в процессе разработки проекта 22220.

Как показала дальнейшая практика, лабораторные работы и теоретические решения зачастую бывают ошибочны. А поскольку речь идет о безопасности плавания самого мощного в мире атомного ледокола, ошибки должны своевременно исправляться.

Основные разногласия

Осадка, мощность

- ЦКБ «Айсберг»: если ледоколу увеличить ширину с 28 до 32 м, его ледопроходимость упадет с 2,3 до 1,5 м вместо обоснованных ЦНИИМФом 2,8 м.

- «Крыловский государственный научный центр» (КГНЦ): двухосадочный ледокол при работе на осадке 8,5 м попадет в зону развитой аэрации… перерабатываемая мощность, при которой не будет влияния аэрации и кавитации на упор, не превысит 24 МВт.

- ЦНИИМФ (1): величина эффективно перерабатываемой мощности на минимальной осадке равна 48 МВт (подтвердилось при испытаниях в кавитационном бассейне КГНЦ).

Обводы корпуса

- КГНЦ: ледопроходимость ледокола с предложенными ЦНИИМФом обводами корпуса составит всего 2,1 м вместо требуемых ТЗ 2,8 м

- ЦНИИМФ (1): при испытаниях моделей ледокола в ледовом бассейне КГНЦ, модель ЦНИИМФа обеспечила ледопроходимость 2,7 м. При контрольных испытаниях в ледовом бассейне финской компании Aker Arctic модель ледокола с носовыми обводами корпуса, разработанными ЦНИИМФом, обеспечила необходимую ледопроходимость 2,8–2,9 м.

Независимые испытания показали достижимость требуемой ледопроходимости на переднем ходу каждым из конкурирующих вариантов носовых обводов корпуса ледокола. Последующие испытания в мореходном бассейне показали, что модель КГНЦ с бо́льшим развалом носовых шпангоутов на встречном волнении в большей степени подвержена слемингу. Кроме того, разработанные КГНЦ заостренные кормовые обводы корпуса ледокола по проекту 22220, не обеспечили требуемой ТЗ ледопроходимости на заднем ходу, которая должна быть не менее, чем на переднем ходу.

Обводы корпуса, предложенные КГНЦ, и принятые проектантом пр. 22220, значительно ухудшат маневренность ледокола в тяжелых льдах. Утверждение, что за счет острой кормы уменьшится взаимодействие винтов со льдом, контрольными испытаниями в независимом опытовом ледовом бассейне HSVA в Гамбурге не подтвердилось. Ледовое сопротивление на заднем ходу ледокола с зауженной кормой оказалось в два раза выше, чем у ледокола с традиционной полной кормой.

В отличие от транспортного судна минимальная осадка у ледокола является безбалластной, а балласт он принимает для увеличения осадки до 10,5 м с целью повышения эффективности его работы и защиты гребных винтов в условиях тяжелых дрейфующих льдов в открытом море.

Корпус а/л «Арктика» уже построен по теоретическому чертежу КГНЦ. Создание нового перспективного атомохода с таким серьезным эксплуатационным недостатком, как плохой задний ход (рис.1а), является шагом назад в области проектирования ледоколов.

Рис. 1а. Зависимость скорости от толщины ровного сплошного льда на переднем и заднем ходу универсального ледокола по пр. 22220

Обшивка корпуса ледокола

Применение плакированной нержавеющим слоем стали для обшивки корпуса ледокола было утверждено в составе технического проекта и ее стоимость учтена в смете на строительство ледокола. Перед закладкой головного ледокола в 2013 г. проектантом, строителем и заказчиком при согласовании с Регистром было принято решение об отказе от применения плакированной стали на ледоколе пр. 22220. Корпус ледокола было решено выполнить из гомогенной стали. Для обеспечения сорокалетнего срока службы по коррозионно-эрозионному износу, потребовавшему увеличения толщины обшивки судна, а значит и дополнительного веса обшивки корпуса ледокола в 400 т, из проекта была исключена креновая система. Таким образом, ледокол лишили таких важнейших ледовых качеств, как сохранение в течение всего срока службы ледопроходимости на спецификационном уровне за счет постоянно гладкого (нержавеющего) корпуса и возможность высвобождения из заклиниваний и поддержания минимально-устойчивого хода с помощью быстродействующей креновой системы при форсировании льдов в условиях мелководья и проводках судов “на усах” вплотную.

Применяемая на атомных ледоколах высокопрочная хладостойкая сталь типа АБ, отличается значительно худшей коррозионной стойкостью по сравнению с углеродистой низколегированной сталью, применяемой на дизельных ледоколах. Изучение подводной части корпуса атомных ледоколов показало, что шероховатость обшивки, выполненной из стали типа АБ, через 8−10 лет эксплуатации возрастает более чем в 10 раз. В дальнейшем степень шероховатости стабилизируется, оставаясь практически на прежнем уровне. У обшивки из углеродистых низколегированных сталей, применяемых для дизельных ледоколов, шероховатость растет в течение 11−13 лет и стабилизируется на более низком (почти вдвое меньшем) уровне, чем у сталей типа АБ (рис. 2а).

Рис. 2а. Зависимость шероховатости от срока эксплуатации и материала наружной обшивки корпуса

Установлено, что увеличенная за 8–10 лет шероховатость наружной обшивки атомного ледокола со 100–150 мкм до 1600–1800 мкм привела к увеличению коэффициента трения между корпусом и льдом в 2–2,5 раза (для бесснежного льда), то есть с 0,07–0,08 до 0,17–0,19. Результаты экспериментальных исследований свидетельствует о существенной роли составляющей трения в полном ледовом сопротивлении. Сравнительные натурные испытания показали, что ледопроходимость а/л «Арктика» (пр. 1052) через 8 лет эксплуатации снизилась почти на 27%, что соответствует потере около 50% мощности ЯЭУ (рис. 3а). То есть по сравнению с новым (гладким) корпусом расход ядерного топлива у ледокола с шероховатым от коррозионно-эрозионного износа корпусом увеличился в 2 раза.

Рис. 3а. Зависимость толщины ровного льда, преодолеваемого а/л «Арктика», от мощности при скорости 2 уз

Не затратна ли такая экономика, в дополнение к значительному снижению эффективности (производительности) работы ледокола с увеличением срока службы?

Эксплуатация ледокола на мелководье

- КГНЦ: “судно может двигаться по каналу при любом не нулевом зазоре между днищем и дном”. При осадке ледокола в соленой воде, равной 9,05 м, его осадка в пресной воде составляет 9,18 м.

- ЦНИИМФ (1): стандартная соленость морской воды, закладываемая в расчеты плавучести, составляет 1,025 т/м3. Поэтому в пресной воде осадка ледокола будет равна 9,28 м.

- ЦКБ «Айсберг»: минимальная рабочая осадка ледокола в соленой воде будет 9,07 м, в пресной воде - 9,3 м (из результатов кренования головного ледокола).

Это значение осадки и должно использоваться в расчетах при оценках запаса глубины под килем ледокола при эксплуатации на мелководье.

Величина “присоса” кормы ледокола при вращающихся винтах ко дну водоема 0,35 м указана в Пояснительной записке 22220.360060.134.1 к Техническому проекту, при достаточном зазоре под днищем, равном 2,5 м.

- КГНЦ: по расчетным данным просадка кормы ледокола при толщине льда 1,5 м составляет 0,76 м, а во льду толщиной 2,0 м равна 0,82 м. «Всплывающий битый лёд при прокладке канала создаст дополнительную плавучесть ледоколу». «Ледопроходимость ледокола на мелководье зависит только от тяги винтов».

- ЦНИИМФ (1): даже если битый лед будет выталкивать ледокол, то равнодействующая выталкивающей силы будет находиться в носовой части корпуса, создавая дополнительный дифферент на корму. И величину всплытия ледокола под воздействием льда надо прибавлять к просадке кормы, а не вычитать, что подтверждают результаты  испытаний модели ледокола пр. 22220, разработанной КГНЦ, в опытовом бассейне Aker Arctic (г. Хельсинки) в предельном льду толщиной 2,85 м для натуры.

Таким образом, величина суммарной просадки кормы ледокола при прокладке канала применительно к Турушинскому перекату составит:

− для толщины льда 1,5 м: 0,76 + 0,35 + 0,18 = 1,29 м

− для толщины льда 2,0 м: 0,82 + 0,35 + 0,24 = 1,41 м

При минимальной рабочей осадке ледокола 9,3 м и глубине на перекате 10,4 м, запас глубины воды под килем составляет 1,1 м. Ледокол будет ударяться кормой о дно водоема. Требуемый навигационный запас под килем судна должен быть не менее 0,4–0,5 м.

Относительно ошибочного утверждения оппонента, что ледопроходимость ледокола на мелководье зависит только от тяги винтов, воздержусь от комментариев. Сошлюсь лишь для сведения полученную финскими судостроителями зависимость ледового сопротивления от глубины воды (рис. 6) по результатам модельных испытаний при проектировании л/к «Капитан Сорокин» и а/л «Таймыр».

Речь идет о безопасной эксплуатации нового атомного ледокола. Вывод лаборатории морской техники КГНЦ о том, что построенный ледокол «Арктика» пр. 22220 при минимальной рабочей осадке 9,3 м и запасе глубины под килем (клиренсе), равном на мелководье 1,1 м, сможет успешно преодолевать непрерывным ходом со скоростью 2–4 узла припайный лед толщиной 2,0 м, используя мощность 40–50 МВт, весьма неточен. Прокладку канала непрерывным ходом во льду, толщина которого в два раза превосходит клиренс, и который подминается корпусом, представить сложно. Понятно, что только натурные приемо-сдаточные испытания достроенного ледокола позволят расставить все точки над “i”. Но задуматься над вскрытыми проблемами нужно уже сейчас, до начала реализации новой ледокольной серии.