Балластная цистерна

Балластная цистерна — это отсек внутри лодки, корабля или другой плавучей конструкции, содержащий воду, которая используется в качестве балласта для обеспечения гидростатической устойчивости судна, для уменьшения или контроля плавучести , как в подводной лодке , для коррекции дифферента или крена , для обеспечить более равномерное распределение нагрузки по корпусу, чтобы уменьшить структурные напряжения или провисания , или увеличить осадку , как в полупогружном судне или платформе, или SWATH , для улучшения мореходных качеств . Использование воды в резервуаре обеспечивает более легкую регулировку веса, чем каменный или железный балласт, используемый на старых судах, и позволяет экипажу уменьшить осадку судна , когда оно входит в мелководье, путем временной откачки балласта. Балластные цистерны на дирижаблях используются в основном для управления плавучестью и корректировки дифферента.

История

Основную концепцию балластной цистерны можно увидеть во многих формах водной жизни, таких как иглобрюхая рыба или осьминог-аргонавт . ^{[ нужны разъяснения ]}^{[ 1 ]} Эта концепция много раз изобреталась и изобреталась людьми для достижения самых разных целей.

Первый задокументированный пример подводной лодки, использующей балластную цистерну, был в « Дэвида Бушнелла Черепахе» , которая была первой подводной лодкой, которая когда-либо использовалась в бою в 1776 году. ^{[ 2 ]} В 1849 году Авраам Линкольн , в то время адвокат из Иллинойса, запатентовал систему балластных цистерн , позволяющую грузовым судам преодолевать мелководья Северной Америки на реках . ^{[ нужна ссылка ]}^{[ нужны разъяснения ]}

Корабли

Балласт используется на надводных судах для изменения осадки, дифферента, крена и остойчивости. Его также можно использовать для изменения распределения нагрузки на конструкцию, обычно распределения продольной нагрузки, которое влияет на напряжения растяжения и провисания. Его также можно использовать для изменения моментов инерции, влияющих на движение на волнении. Международные соглашения в рамках Конвенции о безопасности человеческой жизни на море (СОЛАС) требуют, чтобы грузовые и пассажирские суда были построены так, чтобы выдерживать определенные виды повреждений. Критерии определяют разделение отсеков внутри судна и подразделение этих отсеков. Эти международные соглашения полагаются на то, что государства, подписавшие соглашение, будут соблюдать правила в своих водах, а также на суда, имеющие право плавать под их флагом. Балласт может быть использован для компенсации потерь остойчивости из-за затопления некоторых отсеков.

Балластом обычно является вода, в которой судно плавает во время балластировки, например морская вода, закачанная в балластные цистерны. В зависимости от типа судна цистерны могут быть двойными (проходящими по ширине судна), крыльевыми цистернами (расположенными на подвесной зоне от киля до палубы) или бункерными цистернами (занимающими верхнюю угловую часть между корпусом и главной палубой). ). Эти балластные цистерны соединены с насосами, которые закачивают или откачивают воду. Экипажи заполняют эти баки, чтобы увеличить вес корабля и улучшить его устойчивость, когда он не несет груза. В экстремальных условиях экипаж может перекачивать балластную воду в специальные грузовые помещения для увеличения веса в плохую погоду или для прохода под низкими мостами.

Подводные лодки

В подводных лодках и подводных лодках для управления плавучестью судна используются балластные цистерны.

Некоторые подводные аппараты, такие как батискафы , ныряют и всплывают на поверхность исключительно за счет контроля своей плавучести. Они затопляют балластные цистерны, чтобы затем погрузиться в воду, а затем всплывать на поверхность, либо сбрасывая сбрасываемые балластные грузы, либо используя накопленный сжатый воздух, чтобы выдуть свои балластные цистерны из воды и снова стать плавучими.

Подводные лодки крупнее, сложнее и имеют мощную подводную двигательную установку. Они должны преодолевать горизонтальные расстояния под водой, требуют точного контроля глубины, но не погружаются так глубоко и не должны нырять вертикально на станции. Их основным средством контроля глубины являются пикирующие самолеты (гидропланы в Великобритании ) в сочетании с движением вперед. На поверхности балластные цистерны опорожняются для придания положительной плавучести. При погружении основные балластные цистерны затапливаются для достижения примерно нейтральной плавучести. Резервуары для контроля глубины используются для точного контроля плавучести путем закачивания или откачивания воды, чтобы компенсировать изменения веса. Балластная вода может перекачиваться между дифферентными танками для балансировки судна при горизонтальном дифференте. Затем плоскости выравниваются вместе, чтобы корпус опускался вниз, оставаясь на одном уровне. Для более крутого пикирования кормовые плоскости можно перевернуть и использовать для наклона корпуса вниз.

Экипаж погружает судно, открыв форточки в верхней части главных балластных цистерн и открыв клапаны в нижней части. Это позволяет воде проникать в резервуар, когда воздух выходит через верхние вентиляционные отверстия. судна Когда воздух выходит из резервуара, плавучесть снижается, в результате чего оно тонет. Чтобы подводная лодка всплыла, экипаж закрывает вентиляционные отверстия в верхней части балластных цистерн и выпускает в цистерны сжатый воздух. Воздух под высоким давлением скапливается в верхней части резервуаров, а воздушный карман выталкивает воду через донные клапаны и увеличивает плавучесть судна, заставляя его подниматься. По мере подъема гидростатическое давление снижается, заставляя воздух расширяться в цистернах и ускорять скорость всплытия до тех пор, пока избыток не выйдет через донные клапаны и не возникнет максимальная плавучесть. Подводная лодка может иметь несколько типов балластных цистерн: главные балластные цистерны для погружения и всплытия, дифферентные цистерны для регулировки положения подводной лодки («дифферентовки») как на поверхности, так и под водой, а также цистерны контроля глубины для точной регулировки плавучести. ^{[ нужна ссылка ]}

Плавучие конструкции

Балластные цистерны также являются неотъемлемой частью устойчивости и работы глубоководных морских нефтяных платформ и плавучих ветряных турбин . ^{[ 3 ]} Балласт повышает « гидростатическую устойчивость , перемещая центр масс как можно ниже, располагая его под центром плавучести ». ^{[ 3 ]} Балласт также можно отрегулировать для перевода платформы из режима с большой осадкой и уменьшенной площадью ватерлинии, оптимизированного для минимального движения на волнении, в режим буксировки с меньшим сопротивлением.

Плавучий сухой док балластируется, чтобы опустить опорную палубу ниже глубины стыкуемого судна, а после перемещения судна по этой поверхности и закрепления на месте балласт сбрасывается для подъема причальной платформы и пришвартованного судна над поверхностью. вода. Чтобы это стало возможным, большая часть конструкции под несущей палубой разделена на балластные цистерны. Плавучий подъемник для лодок — это уменьшенная версия, работающая по тому же принципу, которая может использоваться в качестве хранилища для конкретного судна.

сухого дока и кессона шлюза Ворота устанавливаются на место над подоконником, затем балластные цистерны затапливаются, чтобы удерживать ворота на месте и обеспечить герметичность, пока док или шлюз осушаются.

Лодки для вейкборда

Большинство лодок с бортовым двигателем, предназначенных для вейкбординга , имеют несколько встроенных балластных цистерн, которые заполняются водой с помощью балластных насосов, управляемых со штурвала с помощью кулисных переключателей. Обычно конфигурация основана на системе из трех баков: один бак расположен в центре лодки, а еще два - в задней части лодки по обе стороны моторного отсека. Как и в случае с более крупными судами, при добавлении водяного балласта в меньшие лодки для вейкбординга корпус имеет более низкий центр тяжести и увеличивает осадку лодки . Большинство заводских балластных систем лодок для вейкбординга можно модернизировать, увеличив вместимость путем добавления балластных мешков с мягкой структурой. Увеличение водоизмещения за счет балласта заставляет лодку поднимать более крупные волны на любой заданной скорости за счет увеличения требований к мощности и нагрузки на гребной винт для достижения этой скорости.

Самолет

Балластные цистерны также используются в некоторых типах самолетов, таких как Аэростаты ( воздушные шары и дирижабли ).

Экологические проблемы

Балластная вода, взятая в танк из одного водоема и сброшенная в другой водоем, может привести к появлению инвазивных видов водной флоры и фауны. Забор воды из балластных цистерн стал причиной появления видов, наносящих экологический и экономический ущерб, таких как дрейссены , например, в Великих озерах Канады и США.

Неаборигенные макробеспозвоночные могут попасть в балластную цистерну. Это может вызвать проблемы экологически и экономически. Макробеспозвоночных перевозят трансокеанские и прибрежные суда, прибывающие в порты всего мира. Исследователи из Швейцарии отобрали образцы 67 балластных цистерн с 62 различных судов, курсирующих по географическим маршрутам, и проверили возможность обмена в середине океана или продолжительность рейса, при котором высока вероятность перемещения макробеспозвоночных в другую часть мира. Была проведена оценка связи присутствия макробеспозвоночных с количеством отложений в балластных цистернах. они обнаружили присутствие высокоинвазивного европейского зеленого краба , грязевого краба , барвинка обыкновенного , моллюска с мягким панцирем и синей мидии В балластных цистернах кораблей, отобранных для исследования, . Хотя плотность макробеспозвоночных была низкой, вторжение чужеродных макробеспозвоночных может вызывать беспокойство во время их брачного сезона. Наиболее серьезный эффект наблюдается, когда самка макробеспозвоночного несет миллионы яиц на одно животное. ^{[ 4 ]}

Миграция живых животных и расселение организмов, прикрепленных к частицам, могут привести к изменению распределения биоты в разных частях мира. Когда мелкие организмы покидают балластную цистерну, чужеродный организм может нарушить экологический баланс местной среды обитания и потенциально нанести ущерб существующей жизни. Судовые рабочие проверяют балластный танк на наличие живых организмов размером ≥50 мкм в отдельных участках стока, а также определяют уровень осадочных отложений различных горных пород или грунта в танке. ^{[ нужны разъяснения ]} На протяжении всей выборки концентрации организмов варьировались в результате на участках стока, а также различались по уровню стратификации в других исследованиях. ^{[ нужны разъяснения ]} Лучшая стратегия отбора проб для стратифицированных резервуаров – это сбор различных интегрированных во времени проб, равномерно распределенных по каждому выпуску. ^{[ 5 ]}

Все трансокеанские суда , заходящие в Великие озера, обязаны обрабатывать балластную воду и остатки балластных танков с помощью балластной воды для очистки и обмена для промывки танков. Управление и процедуры эффективно снижают плотность и богатство биоты в балластных водах и, таким образом, снижают риск переноса организмов из других частей мира в чужие районы. Хотя на большинстве судов осуществляется управление балластной водой, не все могут очистить танки. В аварийной ситуации, когда экипаж может очистить остаточные организмы, для обработки балластных цистерн используется рассол хлорида натрия (соли). Суда, прибывающие в Великие озера и порты Северного моря, подвергались воздействию высоких концентраций хлорида натрия до тех пор, пока уровень смертности не достиг 100%. Результаты показывают, что воздействие 115% рассола является чрезвычайно эффективным лечением, приводящим к уровню смертности живых организмов в балластных цистернах 99,9, независимо от типа организма. Была медиана 0%. Ожидается, что около 0,00–5,33 организмов выживут после обработки хлоридом натрия. ^{[ 6 ]}

Конвенция по управлению балластными водами, принятая Международной морской организацией (ИМО) 13 февраля 2004 года, направлена на предотвращение распространения вредных водных организмов из одного региона в другой путем установления стандартов и процедур управления и контроля судовых балластных вод. и отложения. Оно вступило в силу во всем мире 8 сентября 2017 года. ^{[ 7 ]} Согласно конвенции, все суда, находящиеся в международном сообщении, должны управлять балластной водой и отложениями в соответствии с определенным стандартом в соответствии с планом управления балластной водой для конкретного судна. Все суда также должны будут иметь книгу учета балластных вод и международный сертификат управления балластными водами. Стандарты управления балластной водой будут вводиться поэтапно в течение определенного периода времени. В качестве промежуточного решения судам следует заменить балластную воду посреди океана. Однако со временем большинству судов потребуется установка бортовой системы очистки балластной воды. ^{[ 7 ]}

Для содействия осуществлению конвенции был разработан ряд руководящих принципов. Конвенция потребует от всех судов внедрения Плана управления балластными водами и отложениями. Все суда должны будут иметь журнал учета балластных вод и выполнять процедуры управления балластными водами в соответствии с установленными стандартами. Существующие корабли должны будут сделать то же самое, но после периода поэтапного внедрения. ^{[ 7 ]}

Одной из наиболее распространенных проблем при техническом обслуживании судов является коррозия, возникающая в балластных цистернах двойного корпуса торговых судов. ^{[ 8 ]} Биоразложение покрытий балластных цистерн происходит в морской среде. В балластных цистернах обычно содержатся бактерии и другие организмы, некоторые из которых могут повредить покрытие и конструкцию балластных цистерн. ^{[ 9 ]}

В балластных цистернах обнаружены микротрещины и небольшие дырочки. Кислые бактерии создавали отверстия длиной 0,2–0,9 мкм и шириной 4–9 мкм. Природное сообщество образовало трещины глубиной 2–8 мкм и длиной 1 мкм. По данным электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС), у покрытий, пораженных бактериями, снизилась коррозионная стойкость. ^{[ 9 ]}

Естественное бактериальное сообщество со временем приводит к потере коррозионной стойкости покрытия, которая снижается после 40 дней воздействия, что приводит к образованию пузырей на поверхности балластных танков. Бактерии могут быть связаны с определенными структурами биопленок, влияющими на различные типы атак на покрытия. ^{[ нечеткий ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

См. также

Коррозия в балластных цистернах
Плавающая ветряная турбина - Тип ветряной турбины.
Плавучая нефтяная платформа - морское океанское сооружение с бурением нефтяных скважин и сопутствующими объектами.
Клапан Кингстона - Клапан на внешней стороне корпуса корабля.
Седловидная цистерна (подводная лодка) - балластные цистерны подводной лодки, установленные попарно по бортам корпуса.
Парусный балласт - грузы, используемые в парусных лодках для обеспечения восстанавливающего момента, чтобы противостоять кренящим силам паруса.
Вентиляция (подводная лодка) - клапан, установленный в верхней части балластных цистерн подводной лодки.

Ссылки

^ Йонг, Эд (18 мая 2010 г.). «Ученые разгадали тысячелетнюю тайну осьминога-аргонавта». Планета Земля. Обнаружить . Кальмбах Медиа.
^ Роланд, Алекс (1977). «Подводная лодка Бушнелла: американский оригинал или европейский импорт?». Технологии и культура . 18 (2): 159. дои : 10.2307/3103954 . JSTOR 3103954 . S2CID 112333776 .
^ Jump up to: ^а ^б Мюзиал, В.; С. Баттерфилд; А. Бун (ноябрь 2003 г.). Технико-экономическое обоснование систем плавучих платформ для ветряных турбин (PDF) (препринт). стр. 2–3. дои : 10.2514/6.2004-1007 . ISBN 978-1-62410-078-9 . ОСТИ 15005820 . NREL/CP–500–34874 . Проверено 4 мая 2010 г. Буи Spar ... уже много лет используются в морской нефтяной промышленности. Они состоят из одного длинного цилиндрического резервуара и достигают гидродинамической устойчивости за счет перемещения центра масс как можно ниже и размещения балласта под резервуаром плавучести."; "чтобы сохранить устойчивость платформы от опрокидывания, особенно для ветряных турбин, где вес а горизонтальные силы действуют пока выше центра плавучести. ... значительный балласт должен быть добавлен ниже центра плавучести, или плавучесть должна быть широко распределена для обеспечения устойчивости. {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )
^ Бриски, Э.; Габули, С.; Бейли, С.; МакИсаак, Х. (2012). «Риск вторжения, создаваемый макробеспозвоночными, перевозимыми в балластных цистернах судов». Биологические инвазии . 14 (9). Спрингер: 1843–1850 гг. дои : 10.1007/s10530-012-0194-0 . ISSN 1573-1464 . S2CID 14502375 .
^ Во-первых, Мэтью Р.; Роббинс-Уэмсли, Стефани Х.; Райли, Скотт С.; Мозер, Кэмерсон С.; и др. (2013). «Стратификация живых организмов в балластных цистернах: как изменяются концентрации организмов по мере сброса балластной воды?». Экологические науки и технологии . 47 (9): 4442–4448. Бибкод : 2013EnST...47.4442F . дои : 10.1021/es400033z . ПМИД 23614690 .
^ Брэди, Дж.; Вельде, Г.; МакИсаак, Х.; Бейли, С. (2010). «Смерть чужеродных беспозвоночных в остаточных балластных водах, вызванная рассолом» (PDF) . Морские экологические исследования . 70 (5). Эльзевир: 395–401. Бибкод : 2010MarER..70..395B . doi : 10.1016/j.marenvres.2010.08.003 . ISSN 0141-1136 . ПМИД 20843548 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Выполнение Конвенции по управлению балластными водами» . Лондон: Международная морская организация. 2019.
^ Де Бэр, Крис; Верстрален, Хелен; Риго, Филипп; Ван Пассел, Стивен; и др. (июль 2013 г.). «Снижение затрат на коррозию балластных цистерн: подход к экономическому моделированию» . Морские сооружения . 32 . Эльзевир: 136–152. дои : 10.1016/j.marstruc.2012.10.009 . ISSN 0951-8339 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хейер, А.; Д'Суза, Ф.; Чжан, X.; Феррари, Г.; и др. (2014). «Биодеградация покрытия балластных цистерн, исследованная методами импедансной спектроскопии и микроскопии». Биодеградация . 25 (1). Спрингер: 67–83. дои : 10.1007/s10532-013-9641-6 . ISSN 1572-9729 . ПМИД 23660751 . S2CID 15023985 .
^ Кинвер, Марк (12 мая 2008 г.). «Микроволны «готовят балластных инопланетян» » . Новости Би-би-си .

[1] Йонг, Эд (18 мая 2010 г.). «Ученые разгадали тысячелетнюю тайну осьминога-аргонавта». Планета Земля. Обнаружить . Кальмбах Медиа.

[2] Роланд, Алекс (1977). «Подводная лодка Бушнелла: американский оригинал или европейский импорт?». Технологии и культура . 18 (2): 159. дои : 10.2307/3103954 . JSTOR 3103954 . S2CID 112333776 .

[Musial2003-3] Jump up to: ^а ^б Мюзиал, В.; С. Баттерфилд; А. Бун (ноябрь 2003 г.). Технико-экономическое обоснование систем плавучих платформ для ветряных турбин (PDF) (препринт). стр. 2–3. дои : 10.2514/6.2004-1007 . ISBN 978-1-62410-078-9 . ОСТИ 15005820 . NREL/CP–500–34874 . Проверено 4 мая 2010 г. Буи Spar ... уже много лет используются в морской нефтяной промышленности. Они состоят из одного длинного цилиндрического резервуара и достигают гидродинамической устойчивости за счет перемещения центра масс как можно ниже и размещения балласта под резервуаром плавучести."; "чтобы сохранить устойчивость платформы от опрокидывания, особенно для ветряных турбин, где вес а горизонтальные силы действуют пока выше центра плавучести. ... значительный балласт должен быть добавлен ниже центра плавучести, или плавучесть должна быть широко распределена для обеспечения устойчивости. {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )

[4] Бриски, Э.; Габули, С.; Бейли, С.; МакИсаак, Х. (2012). «Риск вторжения, создаваемый макробеспозвоночными, перевозимыми в балластных цистернах судов». Биологические инвазии . 14 (9). Спрингер: 1843–1850 гг. дои : 10.1007/s10530-012-0194-0 . ISSN 1573-1464 . S2CID 14502375 .

[5] Во-первых, Мэтью Р.; Роббинс-Уэмсли, Стефани Х.; Райли, Скотт С.; Мозер, Кэмерсон С.; и др. (2013). «Стратификация живых организмов в балластных цистернах: как изменяются концентрации организмов по мере сброса балластной воды?». Экологические науки и технологии . 47 (9): 4442–4448. Бибкод : 2013EnST...47.4442F . дои : 10.1021/es400033z . ПМИД 23614690 .

[6] Брэди, Дж.; Вельде, Г.; МакИсаак, Х.; Бейли, С. (2010). «Смерть чужеродных беспозвоночных в остаточных балластных водах, вызванная рассолом» (PDF) . Морские экологические исследования . 70 (5). Эльзевир: 395–401. Бибкод : 2010MarER..70..395B . doi : 10.1016/j.marenvres.2010.08.003 . ISSN 0141-1136 . ПМИД 20843548 .

[IMO-implementing_BWMC-7] Jump up to: ^а ^б ^с «Выполнение Конвенции по управлению балластными водами» . Лондон: Международная морская организация. 2019.

[8] Де Бэр, Крис; Верстрален, Хелен; Риго, Филипп; Ван Пассел, Стивен; и др. (июль 2013 г.). «Снижение затрат на коррозию балластных цистерн: подход к экономическому моделированию» . Морские сооружения . 32 . Эльзевир: 136–152. дои : 10.1016/j.marstruc.2012.10.009 . ISSN 0951-8339 .

[Heyer_et_al-9] Jump up to: ^а ^б ^с Хейер, А.; Д'Суза, Ф.; Чжан, X.; Феррари, Г.; и др. (2014). «Биодеградация покрытия балластных цистерн, исследованная методами импедансной спектроскопии и микроскопии». Биодеградация . 25 (1). Спрингер: 67–83. дои : 10.1007/s10532-013-9641-6 . ISSN 1572-9729 . ПМИД 23660751 . S2CID 15023985 .

[10] Кинвер, Марк (12 мая 2008 г.). «Микроволны «готовят балластных инопланетян» » . Новости Би-би-си .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]