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;
Ргр — грузоподъёмность судна, т;
fисп — коэффициент использования грузоподъёмности судна;
fрем — время вывода судна из эксплуатации на ремонт;
tст — стояночное время, сут;
R — дальность плавания, мили;
v — скорость судна, уз;
jv — 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 - tрем),
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:
-
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.
-
Исключение из состава верфей складского хозяйства и переход к поставкам комплектующего оборудования по принципу «just in time» (точно в срок).
-
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
-
Превращение цехов верфи в крытые помещения с комфортными условиями работы, исключающими влияние погодных факторов.
-
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.
-
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.
-
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.