Kompletny przewodnik po obciążnikach cumowniczych: wybór materiału, wagi i bezpieczeństwa

A ciężarek cumowniczy to kotwica o nośności — zwykle betonowa, żeliwna lub wypełniona skałami — umieszczana na dnie morskim w celu utrzymania boi cumowniczej i dołączonego do niej statku. W przeciwieństwie do kotwic wleczonych, ciężarki opierają się wyłącznie na tarciu masy i dna, a nie na penetracji przywr, co czyni je przewidywalnymi, łatwymi w utrzymaniu i odpowiednimi do szerokiego zakresu warunków na dnie morskim. Wybór prawidłowego ciężaru, materiału i konfiguracji łańcucha jest najważniejszym czynnikiem decydującym o tym, czy cumowanie będzie bezpieczne podczas burzy lub przeciągów i spowoduje uszkodzenia. W tym przewodniku znajdziesz praktyczne informacje potrzebne do podjęcia właściwej decyzji.

Co robią ciężarki cumownicze i dlaczego są one ważne

Obciążnik cumowniczy służy jako stały fundament stałego lub półtrwałego systemu cumowniczego. Statek jest przywiązany do boi powierzchniowej; boja łączy się za pomocą łańcucha lub liny z ciężarkiem spoczywającym na dnie. Zadanie ciężarka jest dwojakie: wytrzymuje obciążenie poziome wywierane przez wiatr, prąd i fale działające na statek i pozostań przy tym nieruchomy.

Ponieważ ciężarek nigdy się nie zakopuje, jego zdolność trzymania jest regulowana prostym równaniem tarcia: siła trzymania równa się ciężarowi ciężarka pod wodą pomnożonemu przez współczynnik tarcia pomiędzy ciężarkiem a dnem morskim. W błocie współczynnik ten wynosi w przybliżeniu 0,3–0,4; na piasku 0,4–0,6; na żwirze lub skale, do 0,7. A Obciążnik betonowy 500 kg na piasku zapewnia zatem około 200–250 kg poziomej siły trzymania – liczbę tę należy porównać bezpośrednio z obliczonym szczytowym obciążeniem cumowniczym statku.

Niewymiarowe ciężarki ciągną się, czasem katastrofalnie. Podczas wypadku, który miał miejsce w 2019 r. w marinie w Nowej Zelandii, 6-metrowa łódź z przyczepą wyrwała się podczas płynięcia z prędkością 45 węzłów na południe, ponieważ jej ciężarek cumowniczy — pierwotnie dostosowany do 4-metrowego pontonu — nigdy nie został zmodernizowany. Statek przed wejściem na mieliznę spowodował uszkodzenia sąsiednich łodzi o wartości 38 000 dolarów. Prawidłowy rozmiar nie jest opcjonalny.

Rodzaje obciążników cumowniczych

Ciężarki są produkowane lub wytwarzane w kilku postaciach, z których każda ma wyraźne zalety w zależności od środowiska wdrożenia, budżetu i wymagań dotyczących trwałości.

Obciążniki betonowe

Najpopularniejszy typ na świecie. Obciążniki betonowe, wlewane do form cylindrycznych, kwadratowych lub w kształcie grzybka, są niedrogie, chemicznie obojętne w wodzie morskiej i łatwe do wyprodukowania lokalnie. Standardowe obciążniki władz portowych wahają się od 100 kg do 2000 kg . Beton zbrojony ze zbrojeniem morskim wydłuża żywotność do 15–25 lat; niezbrojony beton może pękać i tracić masę po 5–8 latach w miejscach narażonych na przepięcia. Masa zanurzeniowa betonowego obciążnika wynosi około 60% jego suchej masy – jest to ważne dla obliczenia rzeczywistej siły trzymania.

Obciążniki żeliwne i stalowe

Obciążniki z żelaza i stali oferują w przybliżeniu 2,5–3 razy większa od gęstości zanurzeniowej betonu przy tej samej objętości, co pozwala na znacznie mniejszą powierzchnię. Żeliwny ciężarek o masie 300 kg jest znacznie łatwiejszy w transporcie i rozkładaniu małą łodzią roboczą niż równoważny blok betonowy o odpowiedniej wytrzymałości. Kompromisem jest korozja: niepowlekane stalowe obciążniki w tropikalnej słonej wodzie mogą stracić 2–4 mm przekroju rocznie. Cynkowanie ogniowe lub powłoka epoksydowa wydłuża żywotność do 10–15 lat. Są preferowanym wyborem tam, gdzie przestrzeń do rozmieszczenia jest ograniczona lub gdzie nurkowie muszą obsługiwać ciężarek na głębokości.

Kotwice grzybowe używane jako obciążniki

Żeliwna kotwica grzybkowa — znana z miejsc do cumowania małych łodzi — jest technicznie połączeniem ciężarka i kotwicy ssącej. Kształt odwróconej kopuły pozwala na stopniowe zanurzanie się w miękkim osadzie, tworząc uszczelnienie ssące, które z biegiem czasu radykalnie zwiększa zdolność trzymania. A 90 kg grzybów który początkowo wytrzymuje obciążenie poziome 90–100 kg, po dwóch–trzech latach zapadania się w błoto może utrzymać 400–600 kg. Są mniej przewidywalne niż czyste ciężarki na twardym dnie, gdzie nie występuje osadzanie.

Klatki wypełnione kamieniami i gruzem

Klatki ze stali ocynkowanej lub siatki HDPE wypełnione lokalną skałą są opłacalnym rozwiązaniem w przypadku odległych zakotwień, gdzie transport prefabrykowanych obciążników jest niepraktyczny. Klatka jest składana na miejscu i napełniana ręcznie lub za pomocą małego dźwigu. Typowa gęstość wypełnionych klatek sięga 1500–1800 kg/m3. Korozja koszyka jest głównym rodzajem awarii; Dla trwałości przekraczającej 10 lat zaleca się stosowanie ram ze stali nierdzewnej lub cynkowanej ogniowo z prętem o średnicy 6 mm.

Obciążniki do betonu i kruszyw syntetycznych o dużej gęstości

Wyspecjalizowani producenci produkują obciążniki przy użyciu ciężkiego kruszywa (magnetyt, baryt lub śrut stalowy) zmieszanego z betonem w celu uzyskania gęstości na sucho 3 000–4 500 kg/m3 w porównaniu do 2300 kg/m3 dla betonu standardowego. Stosuje się je tam, gdzie należy zmaksymalizować pojemność ładunkową w kompaktowej obudowie — na przykład w ruchliwych marinach o ograniczonym promieniu obrotu lub w systemach cumowniczych w akwakulturze, gdzie należy precyzyjnie rozmieścić dziesiątki obciążników.

Jak obliczyć wymaganą masę wypornika

Dobór ciężarka rozpoczyna się od oszacowania szczytowego obciążenia cumowniczego — maksymalnej siły poziomej, jaką statek wywiera na miejsce do cumowania w projektowych warunkach wiatru i prądu. Istnieje kilka autorytatywnych metod; najczęściej stosowanym w małych statkach jest Podejście Biura Meteorologii / Standardów Cumowania powszechne w Australii i Nowej Zelandii oraz standardy ABYC w Ameryce Północnej.

Krok 1 — Oszacuj szczytowe obciążenie cumownicze

Uproszczony, ale praktyczny wzór dla statków jednokadłubowych to:

F (kN) = 0,5 × ρ × Cd × A × V²

Gdzie ρ = gęstość powietrza (1,225 kg/m3), Cd = współczynnik oporu powietrza (zwykle 1,0–1,3 dla jednokadłubowców), A = powierzchnia nawiewu w m² i V = projektowa prędkość wiatru w m/s. W przypadku 10-metrowego jachtu wycieczkowego o powierzchni nawiewu 18 m² i przy wietrze obliczeniowym o prędkości 40 węzłów (20,6 m/s), obciążenie szczytowe oblicza się na około 5,5–7,0 kN (siła 560–710 kg) . Dodaj 10–15% na obciążenie prądem i udar falowy.

Krok 2 — uwzględnienie tarcia dna morskiego

Podziel szczytowe obciążenie cumownicze przez współczynnik tarcia odpowiedni dla danego typu dna morskiego, aby uzyskać wymaganą masę obciążnika w zanurzeniu. Następnie podziel przez 0,6 (frakcja masy zanurzonej w przypadku betonu), aby uzyskać wymaganą masę suchej. Zawsze stosuj a współczynnik bezpieczeństwa co najmniej 2,0 do stałego cumowania; władze portowe w Wielkiej Brytanii, Australii i Nowej Zelandii powszechnie określają 2,5–3,0.

Działający przykład

Obciążenie szczytowe: siła 700 kg. Dno morskie: piasek (współczynnik tarcia 0,5). Wymagany ciężar zanurzeniowy: 700 ÷ 0,5 = 1400 kg. Wymagany ciężar suchego betonu o SF 2,5: 1400 × 2,5 ÷ 0,6 = 5830 kg . Liczba ta zaskakuje większość osób instalujących miejsca do cumowania po raz pierwszy — wyjaśnia, dlaczego dobrze zaprojektowane miejsca do cumowania w marinach dla 10-metrowych jachtów rutynowo wykorzystują obciążniki o masie 2000–3000 kg w połączeniu z łańcuchem uziemiającym, który zwiększa dodatkowe obciążenie cierne.

Wytyczne dotyczące ciężaru ciężarka według wielkości statku

Poniższa tabela przedstawia orientacyjne minimalne masy ciężarków dla typowych kategorii statków na piaszczystym dnie morskim ze współczynnikiem bezpieczeństwa 2,5. Dostosuj w górę dla błota (÷0,35 zamiast ÷0,5), odsłoniętych miejsc lub statków wielokadłubowych o większym nawiewie wiatru.

Elementy systemu cumowniczego współpracujące z ciężarkiem

Ciężarek nie działa w izolacji. Cały system cumowniczy musi być zaprojektowany jako zintegrowany zespół; ciężarek o prawidłowym rozmiarze może nadal zawieść, jeśli jest połączony za pomocą zbyt małego łańcucha lub skorodowanego krętlika.

Łańcuch uziemiający

Łańcuch uziemiający łączy obciążnik z pionem. Jego podstawową funkcją poza połączeniem jest położenie płasko na dnie morskim i dodanie własnego ciężaru – i tarcia – do nośności systemu. Standardową rekomendacją jest długość łańcucha szlifowanego wynosząca 1,5–2,0 razy głębokość wody , przy użyciu łańcucha o krótkich ogniwach klasy 40 lub 70 o wymiarach zapewniających co najmniej 1,5-krotność szczytowego obciążenia cumowniczego pod względem wytrzymałości na zrywanie. Dla 10-metrowego jachtu na 5 m wody typowy łańcuch naziemny to 8–10 m łańcucha 13 mm klasy 40, który ma minimalne obciążenie zrywające około 9,5 tony.

Łańcuch lub lina pionowa

Taśma łączy łańcuch naziemny z boją powierzchniową. Podnośniki łańcucha są ciężkie i pochłaniają energię udarową poprzez działanie sieci trakcyjnej; Taśmy liny są lżejsze i umożliwiają większe rozciągnięcie elastyczne, co zmniejsza szczytowe obciążenie udarowe obciążnika. Nylonowe taśmy nośne mogą pochłonąć 25–35% energii udarowej że pionowa rura łańcuchowa przekazywałaby bezpośrednio na ciężarek i połączenie z dnem morskim. Wiele nowoczesnych cumowań wykorzystuje kombinację: łańcuch na dole zapewniający odporność na ścieranie, nylon w słupie wody zapewniający elastyczność.

Kajdany i krętliki

Każdy punkt połączenia jest potencjalnym punktem awarii. Używaj wyłącznie szekli dziobowych (omega) o wytrzymałości przekraczającej obciążenie zrywające systemu; Szekle typu D nie nadają się do zastosowań cumowniczych ze względu na ich niską odporność na obciążenie boczne. Obowiązkowe są szekle z myszką (z trzpieniem myszkowym) z drutem nierdzewnym przechodzącym przez trzpień — szekla ze zwykłym trzpieniem może zostać odkręcona pod cyklicznym obciążeniem w ciągu kilku tygodni. Krętliki zapobiegają przenoszeniu obciążenia skrętnego przez skręcenie łańcucha na punkt połączenia ciężarka; używaj wyłącznie krętlików o bezpiecznym obciążeniu roboczym równym lub przekraczającym obciążenie łańcucha.

Boja powierzchniowa

Boja musi zapewniać wystarczającą pływalność, aby utrzymać łańcuch pionowy uniesiony nad dnem morskim, gdy nie jest podłączony żaden statek, zapobiegając gromadzeniu się łańcucha na ciężarku i potencjalnemu jego przemieszczeniu. Ogólna zasada: wyporność boi w kg powinna wynosić co najmniej 1,5-krotność suchej masy łańcucha pionowego . W odsłoniętych miejscach preferowane są boje wypełnione pianką zamiast wypełnionych powietrzem, ponieważ w przypadku przebicia nie można z nich wypuścić powietrza.

Typ dna morskiego i jego wpływ na wydajność ciężarka

Skład dna morskiego bezpośrednio określa, jaką siłę trzymania zapewnia dany ciężar ciężarka. Jest to zmienna najczęściej pomijana przy doborze miejsc do cumowania na podstawie ogólnej tabeli.

Na miękkim błocie wymagane jest takie samo maksymalne obciążenie cumownicze prawie dwukrotnie ciężar zanurzeniowy ciężarka w porównaniu z piaszczystym dnem morskim. Miejsce do cumowania dostosowane do piasku i rozmieszczone na błocie bez regulacji jest od razu zaniżone. Jeżeli rodzaj dna morskiego nie jest pewny, przed instalacją można zidentyfikować podłoże za pomocą inspekcji nurka lub prostej ręcznej sondy penetracyjnej z pontonu.

Instalowanie obciążnika cumowniczego: krok po kroku

Prawidłowy montaż jest równie ważny, jak prawidłowy rozmiar. Odpowiednio dobrany ciężarek umieszczony ze splątanym łańcuchem lub w złym miejscu nie zapewnia większego bezpieczeństwa niż ciężarek o zbyt małym rozmiarze.

1. Zbadaj witrynę. Potwierdź głębokość wody podczas przypływu i odpływu, rodzaj dna morskiego, promień obrotu z dala od innych miejsc do cumowania i zagrożeń oraz bliskość podwodnych kabli i rurociągów. Większość władz portowych wymaga pozwolenia przed umieszczeniem jakiegokolwiek miejsca do cumowania.
2. Zamontuj system cumowniczy na powierzchni. Rozłóż ciężarek, łańcuch uziemiający, krętlik, taśmę pionową i boję. Połącz wszystkie szekle, załóż wszystkie styki za pomocą drutu ze stali nierdzewnej i sprawdź, czy obciążenia niszczące w całym systemie są stałe — najsłabsze ogniwo musi przekraczać obciążenie projektowe z wymaganym współczynnikiem bezpieczeństwa.
3. Zaznacz pozycję rozmieszczenia. Upuść tymczasową boję znacznikową dokładnie w miejscu umieszczenia. Uwzględnij krąg obrotu statku – zazwyczaj 2× długość zakresu plus LOA statku — aby upewnić się, że wahadłowy statek nie dotknie innych miejsc do cumowania lub linii brzegowej.
4. Rozmieszczanie za pomocą dźwigu lub łodzi roboczej z ramą A. Powoli opuść ciężarek; nagłe upadki na miękkie dno morskie mogą spowodować, że ciężarek odbije się i wyląduje pod kątem, zmniejszając jego ślad. W przypadku ciężarków o masie powyżej 500 kg zdecydowanie zaleca się użycie dźwigu na barce.
5. Wysuwaj łańcuch uziemiający w miarę opadania ciężarka. Upewnij się, że łańcuch naziemny leży płasko i promieniowo od obciążnika w kierunku przeważającego obciążenia, a nie ułożony na górze obciążnika.
6. Przymocuj i unieś pion i boję. Upewnij się, że boja pływa z odpowiednią wolną burtą – co najmniej 150 mm nad linią wody – wskazując, że pion nie jest dłuższy niż głębokość wody.
7. Przeprowadź inspekcję nurka w ciągu 48 godzin. Sprawdź, czy ciężarek jest osadzony płasko, łańcuch jest prawidłowo ułożony i czy pod ciężarkiem nie znajdują się żadne zanieczyszczenia, które mogłyby zmniejszyć powierzchnię styku i tarcie.

Częstotliwość przeglądów i konserwacji

Obciążniki cumownicze i związany z nimi osprzęt ulegają z biegiem czasu degradacji. Zużycie łańcucha jest najczęstszą przyczyną awarii cumowania — nie ciągnięcie ciężarka. Badanie przeprowadzone w 2017 r. na 1200 stanowiskach do cumowania na wodach Australii Południowej wykazało, że 62% miejsc do cumowania, które nie były serwisowane od ponad trzech lat, wykazało zużycie łańcucha przekraczające 20% pierwotnej średnicy pręta na jednym lub większej liczbie ogniw.

• Coroczna inspekcja nurka — zmierzyć średnicę ogniwa łańcucha w punktach najbardziej narażonych na zużycie (połączenie ciężarka i połączenie boi). Wymień łańcuch, gdy zużycie przekroczy 10% średnicy nominalnej (np. wymień łańcuch 13 mm, jeśli którekolwiek ogniwo ma średnicę poniżej 11,7 mm).
• Sprawdź stan ciężarka — sprawdzić, czy nie występują pęknięcia, odpryski lub znaczne osady biologiczne zmieniające kształt. Obciążniki betonowe, które pękły w uchu mocującym, należy natychmiast wymienić.
• Sprawdź położenie ciężarka — porównaj współrzędne GPS z oryginalnym zapisem instalacji. Płaszcz, który przesunął się o więcej niż 2 m od pierwotnego położenia, prawdopodobnie został ciągnięty pod obciążeniem i należy go ponownie ocenić.
• Sprawdź szekle i krętliki — sprawdzić wydłużenie kabłąka (oznakę przeciążenia), korozję sworznia i czy cały drut myszki jest nienaruszony.
• Pełna wymiana układu — większość władz portowych nakazuje całkowitą wymianę łańcucha co 5–7 lat, niezależnie od zmierzonego zużycia, oraz ponowną ocenę obciążnika co 10 lat lub po jakimkolwiek większym sztormie przekraczającym projektową prędkość wiatru dla cumowania.

Odpowiedzialne dla środowiska praktyki związane z ciężarkami cumowniczymi

Tradycyjne obciążniki cumownicze wleczone po dnie morskim podczas sztormów lub łańcuchy naziemne poruszające się tam i z powrotem wraz z ruchem statku mogą powodować znaczne szkody na łąkach z trawą morską i podłożach koralowych. Na chronionych obszarach morskich organy regulacyjne coraz częściej wymagają miejsc do cumowania, które minimalizują kontakt z dnem morskim.

• Wyeliminuj przemiatanie łańcucha uziemiającego. Dzięki odpowiednio dobranemu ciężarkowi i zastosowaniu krótszego, cięższego szlifowanego łańcucha łuk zataczany przez ruch łańcucha jest zminimalizowany. W niektórych systemach zamiast pionu łańcuchowego stosuje się sztywne ramię wznośne z włókna szklanego lub HDPE, aby całkowicie wyeliminować zamiatanie dna morskiego.
• W obszarach porośniętych trawą morską należy stosować kotwy śrubowe. Tam, gdzie pozwalają na to przepisy, zastąpienie obciążnika śrubową kotwą wkręcaną w podłoże całkowicie eliminuje szlifowany łańcuch. Wytrzymałość jest równa ułamkowi powierzchni, a naruszenie dna morskiego ogranicza się do średnicy ślimaka (zwykle 75–150 mm).
• Unikaj powłok przeciwporostowych na obciążnikach. Środek przeciwporostowy na bazie miedzi na obciążnikach wypłukuje biocydy do osadu znajdującego się bezpośrednio pod nim. Naturalne osady biologiczne na obciążniku betonowym nie zmniejszają w istotny sposób tarcia przytrzymującego i należy je pozostawić bez obróbki.
• Natychmiast usuń opuszczone miejsca do cumowania. Porzucony ciężarek z łańcuchem i boją staje się zagrożeniem nawigacyjnym i ciągłym źródłem zaburzeń dna morskiego. Większość jurysdykcji nakłada kary za niekonserwowane miejsca do cumowania, a koszty usunięcia gwałtownie rosną, gdy boja zatonie, a łańcuch zostanie zakopany.

Najczęstsze błędy i sposoby ich unikania

Większość awarii cumowania wynika z niewielkiej liczby powtarzających się błędów. Świadomość tych wzorców zapobiega większości incydentów:

• Używanie tego samego ciężarka podczas modernizacji statku na większy. Nawiew i masa statku rosną szybciej niż LOA — wzrost długości łodzi o 20% zwykle odpowiada wzrostowi szczytowego obciążenia cumowniczego o 40–50%. Zawsze przeliczaj przy zmianie naczynia.
• Pomijanie sieci łańcuchowej w obliczeniach głębokości. W płytkiej wodzie (poniżej 3 m) łańcuch szybko napina się pod obciążeniem, przenosząc niemal poziomą siłę bezpośrednio na ciężarek przy minimalnej amortyzacji sieci nośnej. W takich warunkach należy zwiększyć ciężar ciężarka o 25–40% w stosunku do standardowych tabel rozmiarów.
• Pomijam czynnik bezpieczeństwa. Dobór dokładnie obliczonego obciążenia szczytowego bez marginesu bezpieczeństwa oznacza, że ​​w warunkach projektowych cumowanie osiąga swoje granice — każdy podmuch powyżej prędkości projektowej, każde obciążenie falą lub jakiekolwiek zużycie łańcucha natychmiast powodują awarię systemu.
• Używanie niewłaściwej orientacji szekli. Sworzeń szekli musi być ustawiony tak, aby ładunek przeciągał się przez pałąk, a nie przez sworzeń. Szekla obciążona na sworzeń z tą samą siłą może ulec uszkodzeniu 30–50% obciążenia znamionowego .
• Zakładając, że cumowanie jest nienaruszone, ponieważ boja nadal tam jest. Znaleziono boje pływające po tym, jak cały zespół podpowierzchniowy – ciężarek, łańcuch i cała reszta – skorodował i zatonął. Coroczna inspekcja nurka jest jedyną wiarygodną metodą weryfikacji.