DE4002028A1 - Verfahren zur ermittlung der stabilitaet von beladenen schiffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Stabilität von beladenen Schiffen nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Die metazentrische Höhe GM eines Schiffes ist ein Maß für seine Stabilität, d. h. der Fähigkeit des Schiffes, krängenden Momenten standzuhalten. Bei sehr kleinen Neigungswinkeln ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Neigungswinkel und metazentrischer Höhe nach der Formel

wobei M das auf das Schiff einwirkende Moment, ϕ der Neigungswin­ kel und D die Verdrängung darstellen. Die metazentrische Höhe wird nach Fertigstellung eines Schiffes gemessen und stellt eine typische Größe dar, ebenso wie seine Verdrängung.

Bekanntlich werden jedoch sowohl die metazentrische Höhe als auch die Verdrängung in starkem Maße durch die Bela­ dung beeinflußt. Um kritische Zustände zu vermeiden, ist für den Schiffsführer von großem Wert zu wissen, ob die aktuelle Beladung die Schiffstabilität zu stark beeinträch­ tigt. Aufgrund der schiffsspezifischen metazentrischen Hö­ he wird ein Mindestwert von Behördenseite vorgegeben, der von der Schiffsführung nicht unterschritten werden darf. Durch die Art der Beladung und das Gewicht der einzelnen Güter läßt sich jeweils annähernd ein Wert für die aktuelle metazentrische Höhe errechnen. Diese Berechnung ist jedoch mit starken Fehlern behaftet. Häufig werden die Güter mit falschen Gewichtsangaben deklariert. Bei Schiffsladung in Form von Containern läßt sich der Schwergewichtspunkt der Container durch eine reine Gewichtsmessung nicht ermit­ teln. Häufig erfolgt die Be- und Entladung auch nicht nach vorgegebenem Plan, so daß selbst bei Kenntnis der Gewichte der einzelnen Güter die errechnete metazentrische Höhe der tatsächlichen nicht entspricht.

Es ist bekannt, die aktuelle metazentrische Höhe durch ei­ nen sogenannten Betriebskrängungsversuch zu ermitteln.

Hierbei wird das Schiff einseitig durch Flüssigkeit be­ lastet und die metazentrische Höhe bei einem bestimmten Neigungswinkel und einem bestimmten Versuchsmoment nach der obigen Formel errechnet. Bei Schiffen, die mit einer Tankstabilisierungsanlage ausgerüstet sind, läßt sich ein derartiges Verfahren relativ einfach bewerkstelligen, in­ dem mit Hilfe von geeigneten Fördermitteln das Wasser oder eine andere Flüssigkeit zum Tank einer Schiffsseite geför­ dert wird. Aus Sicherheitsgründen wird der Betriebskran­ gungsversuch zu beiden Schiffseiten hin durchgeführt, da infolge von nicht ausgeschalteten automatischen Winden, Windeinflüssen und dergleichen die Meßwerte verfälscht werden können. Der Betriebskrängungsversuch erfordert da­ her verhältnismäßig viel Zeit. Außerdem besteht die Gefahr, daß die Messung verfälschende Einflüsse nicht sofort oder gar nicht wahrgenommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Stabilität von beladenen Schiffen anzu­ geben, das in kürzestmöglicher Zeit durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfah­ ren nach den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden das sich än­ dernde Versuchsmoment und der Neigungswinkel laufend ge­ messen. Zum Beispiel kann die in einem Tank der Tankanlage vorhandene Flüssigkeitsmenge durch eine Füllstandsmessung festgestellt werden, vorzugsweise in einer Ausgestaltung der Erfindung nach dem Prinzip der Schallmessung. Eine Schallmessung kann zwar nur den Abstand des Flüssigkeits­ pegels vom Sensor ermitteln, mit Hilfe der vom Neigungs­ messer gemessenen Neigung und der Geometrie des Tanks las­ sen sich jedoch korrigierende Faktoren ermitteln, so daß die in einem Tank auf einer Seite befindliche Flüssigkeits­ menge und damit das Versuchsmoment ausreichend genau er­ mittelt werden kann. Die Schiffe weisen außerdem stets eine Einrichtung auf, mit der die jeweilige Verdrängung ermittelt werden kann. Mit Hilfe der laufend gemessenen Werte und des ermittelten Verdrängungswertes können daher laufend auch die Werte für die metazentrische Höhe errech­ net werden. Sie werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gespeichert und in ihrer Tendenz mit einer Anzeigevorrich­ tung angezeigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die an sich be­ kannte Tatsache zunutze, daß im Bereich kleiner Neigungs­ winkel ein linearer Zusammenhang zwischen Neigungswinkel und Versuchsmoment besteht. Werden die Werte für die meta­ zentrische Höhe in einem Zeitdiagramm angezeigt, ergibt sich nach einem gewissen Übergangsverhalten eine Konstante, die oberhalb des Mindestwerts für die metazentrische Höhe liegen muß, damit das Schiff eine ausreichende Stabilität aufweist. Bei einem Zeitdiagramm kann der Mindestwert für die metazentrische Höhe als Gerade angezeigt werden. Nähert sich ein Wert für die gemessene metazentrische Höhe diesem Mindestwert oder unterschreitet ihn gar, wird vorzugsweise ein Warnsignal erzeugt.

Zu Beginn des Versuches ergibt sich bei sehr kleinen Nei­ gungswinkeln eine kurvenförmige Tendenz der Meßwerte für die metazentrische Höhe, da zwischen dem Aufbringen eines Moments und dem Reagieren des Schiffes auf dieses Moment trägheitsbedingte Zeitverzögerungen auftreten. Wenn keine äußeren Störgrößen auftreten wie Windböen oder dergleichen, zeigt sich relativ rasch die gleichbleibende Tendenz der Werte für die metazentrische Höhe, so daß der Schiffsfüh­ rer nach kurzer Zeit den Krängungsversuch abbrechen und für die andere Schiffseite einleiten kann. Bei ordnungsge­ mäß ablaufendem Krängungsversuch läßt sich daher die Er­ mittlung der Stabilität des Schiffes innerhalb kürzester Zeit durchführen.

Wie bereits erwähnt, wird aus Sicherheitsgründen für beide Schiffseiten die Stabilität ermittelt. Nach einer Aus­ gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Werte für die Schiffsstabilität für eine Schiffseite mit den Werten für die andere Schiffseite verglichen und es wird ein Warnsignal erzeugt, wenn die Werte voneinander abweichen.

Aufgrund der tendenziellen Darstellung der Werte für die Schiffsstabilität läßt sich auch eine eindeutige qualitative Bewertung des Versuchs in bezug auf mögliche Störeffekte vornehmen, die zum Beispiel durch Windböen, Ladungsmomente, Ballastbewegungen und dergleichen hervorgerufen werden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Flüs­ sigkeitsförderung mit Hilfe von komprimierter Luft. Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, daß die Flüssigkeits­ förderung mittels Pumpen erfolgt. Um festzustellen, ob die ermittelten Versuchsmomente tatsächlich zutreffen, kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung parallel eine Men­ genmessung stattfinden. Die durch den Kanal zwischen den Tankseiten fließende Flüssigkeitsmenge ist ein Maß für die jeweils auf einer Seite befindliche Menge. Die auf diese Weise gewonnenen Werte für das Versuchsmoment können mit den durch die Füllstandsmessung ermittelten Werten vergli­ chen werden. Bei einer bestimmten Abweichung kann eine Kon­ trolle der Genauigkeit des Füllstandsmeßsystems vorgenom­ men werden. Ebenso kann eine Füllstandsmessung stets für beide Tankseiten gleichzeitig vorgenommen werden. Die einem Tankabschnitt zugewonnene Menge muß der der Abnahme im anderen Tankabschnitt entsprechen. Auch hierdurch läßt sich die Funktion der Füllstandsmeßvorrichtung überprüfen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Schiffsstabilisierungstankanlage eines nicht näher dargestellten Schiffes mit einem Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm für die für das erfindungs­ gemäße Verfahren wesentlichen Parameter.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2 mit eini­ gen charakteristischen Abweichungen.

Die in Fig. 1 dargestellte U-förmige Tankanlage 10 besteht aus den Tanks 12 und 14, die über mindestens einen Kanal 16 miteinander verbunden sind. In der Tankanlage 10 be­ findet sich Wasser 18. Mit Hilfe eines Gebläses 20, das über eine Ventilanordnung 22 mit den Tanks 12, 14 verbun­ den ist, läßt sich ein Tank 12, 14 unter Druck setzen und der andere entlüften wie bei 24 gezeigt, so daß das Schiff ein Moment um seine Längsachse erfährt. Dies ist durch den gestrichelten Pegel angedeutet. Auf dem Prinzip der Schallmessung arbeitende Sensoren 26, 28 messen den Pegelstand in den Tanks 12, 14 und leiten die Signale zu einem Meßsystem 30. Das Meßsystem gibt die Pegelmessung H auf einen Rechner 32. Ein Neigungsmesser 34 ermittelt den jeweiligen Neigungswinkel ϕ und gibt ihn auf den Rechner 32. Ein Tiefgangmeßsystem 36 mißt den jeweiligen Tiefgang und gibt die entsprechenden Werte ebenfalls auf den Rech­ ner 32. Ein Volumenstrommesser 38 im Kanal 16 ermittelt den durch den Kanal 16 fließenden Volumenstrom und gibt die ermittelten Werte auf den Rechner 32.

Kommt es aufgrund des Betriebs des Gebläses 20 zu einer unterschiedlichen Volumenverteilung des Wassers 18 in den Tanks 12, 14, wird dadurch ein Krängungsmoment auf das Schiff aufgebracht, und das Schiff nimmt einen entsprechen­ den Neigungswinkel ein. Die Größe des Neigungswinkels hängt von dem entgegenwirkenden Aufrichtungsmoment ab, das be­ kanntlich durch die metazentrische Höhe bestimmt ist. In Fig. 2 ist das Versuchsmoment über der Zeit aufgetragen. Der Verlauf der Kurve ϕ ist durch die durchgehende bzw. gestrichelte Linie angedeutet, während der Verlauf des Ver­ suchsmoments durch die durchgehend gestrichelt gezeichnete Kurve angedeutet ist. Der behördlich vorgeschriebene Min­ destwert GM′_min für das Metazentrum ist strichpunktiert eingetragen. Sobald ein Moment mit Hilfe der Tankanlage 10 auf das Schiff ausgeübt wird, wird dieses gemessen und zum Beispiel auf einen Bildschirm 40 im Zeitdiagramm sichtbar gemacht. Ebenso wird fortlaufend der Neigungswinkel gemes­ sen und sein am Bildschirm dargestellt. Außerdem errechnet der Rechner 32 aus den gemessenen Werten für das Versuchs­ moment, den Neigungswinkel und aus dem Wert für die Ver­ drängung den aktuellen Stabilitätswert GM′.

Bei der Darstellung nach Fig. 2 erfolgen Berechnungen des Stabilitätswerts in zeitlichen Abständen von zum Beispiel 2 Sekunden (der zeitliche Abstand kann beliebig gewählt werden, je nach zu tragendem bzw. notwendigem Aufwand). Aufgrund des Trägheitsverhaltens des Gesamtsystems führt das Aufbringen eines entsprechenden Versuchsmoments erst zeitlich verzögert zu dem resultierenden Neigungswinkel. Die errechneten Werte für die Stabilität verlaufen daher in der Tendenz nach einer Kurve, die erst nach einer ge­ wissen Zeit in eine konstante Gerade übergeht. Aus der Dar­ stellung nach Fig. 2 wird ersichtlich, daß schon nach re­ lativ kurzer Zeit festgestellt werden kann, ob die die einzelnen Stabilitätswerte verbindende Kurve eine Gerade ergibt und diese ausreichend oberhalb des Mindestwertes GM_min liegt. Ist dies der Fall, kann der Schiffsführer den Versuch stoppen und für die andere Schiffseite einlei­ ten. Wie aus dem Kurvenverlauf für den Neigungswinkel er­ sichtlich, kann die Ermittlung der Stabilitätswerte für die andere Schiffseite nach einer gewissen Nachschwing­ phase, wie bei 42 angedeutet, beginnen. Der Versuch ist beendet, wenn der Schiffsführer aus der Tendenz der Werte GM das Resultat entnimmt, daß die ermittelte Stabilität eine vorschriftsmäßige Größe hat. Dieser Zeitpunkt liegt spätestens bei t₁, wenn in den beiden Tanks 12, 14 wieder die gleiche Flüssigkeitsmenge vorhanden ist liegt sehr viel früher als der Zeitpunkt t₂, der einträte, wenn der Ver­ such mit einem größeren Neigungswinkel gefahren würde. Es ist zu erkennen, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren im gezeigten Beispiel mindestens 40% Zeit eingespart wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Werte GM′ für beide Schiffseiten auf gleicher Höhe liegen. Dies ist bei der Darstellung nach Fig. 3 nicht der Fall. Man erkennt, daß die Stabilitätswerte GM′ der ersten Kurve höher liegen als die der zweiten Kurve. Dies be­ deutet, daß am Schiff irgendwelche Störgrößen wirken, wel­ che den Betriebskrängungsversuch beeinflussen. Im Rechner 32 werden die Werte für die erste und zweite Kurve mitein­ ander verglichen und können über eine nicht gezeigte An­ zeige- oder Alarmvorrichtung kundgemacht werden, damit eine Beseitigung der Störeinflüsse vorgenommen wird. Aus der zweiten Kurve für die Stabilitätswerte in Fig. 3 ist außerdem zu erkennen, daß, wie strichpunktiert angedeutet, keine konstante Gerade erhalten wird sondern eine gewisse Schwankungen vorliegen. Derartige Schwankungen können zum Beispiel durch Windböen verursacht werden.

Neben der Anzeige am Bildschirm 40 können die Diagramme oder einzelne Werte über einen Drucker 44 ausgedruckt wer­ den.

Über den Volumenzähler 38 läßt sich außerdem ermitteln, welche Flüssigkeitsmenge sich jeweils in den Tanks 12, 14 befindet. Die Volumenwerte werden ebenfalls in den Rechner 32 gegeben, der eine Plausibilitätsermittlung vornimmt zur Überprüfung der einwandfreien Funktion des Füllstandsmeß­ systems 26, 28, 30 für die Tanks 12, 14.

Ergibt sich ein Verlauf der Daten für GM′ wie in Fig. 2, kann der Schiffsführer im Grunde schon bei t₁/₂ den Versuch beenden, da Störgrößen, welche die Ermittlung GM′ beein­ trächtigen, ersichtlich nicht vorliegen. Die Versuchs­ dauer ist dann besonders kurz. Ergeben sich bei den Werten für GM′ nach der Rückkehr zum Neigungswinkei O Ab­ weichungen zu den zuvor ermittelten, wie in Fig. 3 darge­ stellt, ist eine längere Versuchsperiode notwendig, d. h. auch ein Krängungsversuch mit einer Neigung des Schiffes zur anderen Seite hin.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ermittlung der Stabilität von beladenen Schiffen, bei dem das Versuchsmoment durch querschiffs geförderte Flüssigkeit in einer Schiffsstabilisierungs­ tankanlage oder dergleichen aufgebracht, der Neigungs­ winkel gemessen und ein aus Neigungswinkel, Versuchsmo­ ment und aktueller Verdrängung des Schiffes ermittelter Wert für die Schiffsstabilität mit einem Mindestwert ver­ glichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das sich än­ dernde Versuchsmoment (M) und der Neigungswinkel (ϕ) laufend gemessen und die Werte (GM′) für die Schiffssta­ bilität laufend errechnet und gespeichert und in ihrer Tendenz mit einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laufend errechneten Werte (GM′) für die Schiffssta­ bilität in einem Zeitdiagramm angezeigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Förderung der Flüssigkeit und damit die Veränderung des Versuchsmoments beendet wird, wenn die Werte (GM′) für die Schiffsstabilität über eine vorge­ gebene Zeit annähernd konstant sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Werte (GM′) für die Schiffssta­ bilität ständig mit dem Mindestwert (GM′_min) verglichen werden und ein Warnsignal erzeugt wird, sobald ein Wert sich dem Mindestwert nähert oder unterschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestwert (GM′_min) ebenfalls optisch im Zeitdia­ gramm angezeigt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Werte (GM′) für die Schiffsstabi­ lität für eine Schiffseite mit den Werten für die andere Schiffseite verglichen werden und ein Warnsignal erzeugt und ggf. angezeigt wird, wenn sie voneinander abweichen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Tanks der Tankanlage eine Füllstandsmessung durchgeführt wird, vorzugsweise nach dem Prinzip der Schallmessung.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flüssigkeitsförderung mit Hilfe von komprimierter Luft erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flüssigkeitsförderung mittels Pumpen erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Flüssigkeitsförderung eine Mengenmessung vorgenommen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Schiffseiten Füllstands­ messungen vorgenommen werden und ein Vergleich zwi­ schen der Zunahme der Füllstandswerte und deren Abnahme durchgeführt wird und ein Warnsignal erzeugt wird, wenn die absoluten Werte für die Abnahme und die Zunahme ungleich sind.