Referat - Rozwoj_Standardow_Bezpieczenstwa

ROZWÓJ STANDARDÓW BEZPIECZEŃSTWA STATKÓW NA
PODSTAWIE MODELI ZJAWISK FIZYCZNYCH
Jan Jankowski, Stefan Grochowalski
Polski Rejestr Statków
1. Wstęp.
W przeszłości standardy bezpieczeństwa statków były rozwijane głównie na podstawie
danych statystycznych o uszkodzeniach konstrukcji lub wyposażenia, utraty
stateczności
i
zatonięciach.
Standardy
wytrzymałości
kadłuba
miały
postać
tabelaryczną, na ich podstawie dobierano np. grubości elementów kadłuba w
zależności od wymiarów głównych statku. Takie standardy nadawały się do
projektowania statków typowych, już istniejących. Nie nadawały się jednak do
projektowania nowych typów statków, dostosowywanych do rodzaju przewożonego
ładunku lub do metody przeładunku.
Spowodowało to konieczność opracowania przez instytucje klasyfikacyjne nowych
przepisów, szczególnie dla konstrukcji kadłubów statków dużych. Kryteria w obecnie
obowiązujących przepisach dla statków powyżej 100m mają już postać wzorów
matematycznych, umożliwiających przeprowadzenie analiz podczas projektowania.
Jednak serie katastrof na morzu w ostatnich latach obejmujące promy pasażerskie
typu ro-ro, masowce, zbiornikowce, a także drobnicowce, są symptomami kryzysu w
systemach zapewnienia bezpieczeństwa na morzu.
Jeszcze gorsza sytuacja występuje w przypadku małych jednostek. Międzynarodowa
Organizacja Morska (IMO) podaje, że tylko w sektorze rybackim ginie rocznie wielu
członków załóg jednostek rybackich.
Sytuacja ta spowodowała, że IMO podjęło decyzję o opracowaniu standardów
bezpieczeństwa opartych na celu (tzw. Goal-Based Standards). Standardy te mają
doprowadzić do zmiany obecnego stanu bezpieczeństwa na morzu.
Polski Rejestr Statków bierze czynny udział w rozwoju tych standardów. Do tej pory
przygotowano sześć dokumentów dla Rządu RP, a przedstawiciel PRS prezentował je
podczas sesji Komitetu Bezpieczeństwa na Morzu IMO.
2
Celem referatu jest przedstawienie metod rozwoju standardów bezpieczeństwa dla
statków dużych, gdzie aspektem decydującym o bezpieczeństwie jest wytrzymałość
konstrukcji, oraz dla statków małych, których bezpieczeństwo zależy od stateczności
dynamicznej na fali.
2. Rozwój standardów bezpieczeństwa dla statków dużych.
2.1. Obecnie obowiązujące standardy bezpieczeństwa konstrukcji statku.
Obecnie obowiązujące standardy dotyczące konstrukcji statku określają kryteria
bezpieczeństwa na trzech poziomach: belki kadłuba, strefy statku (np. ładowni) i
elementu lokalnego. Te 3 poziomy wraz z 4 kryteriami wytrzymałości (uplastycznienie
materiału, wyboczenie elementów, nośność graniczna oraz zmęczenie) dawały w
wyniku 12 zagadnień do rozwiązania. W rzeczywistości kryterium nośności granicznej
oraz dotyczące zmęczenia elementów konstrukcji stosuje się rzadko, co znacznie
redukuje liczbę zagadnień.
W
przypadku
kryterium
granicy
plastyczności
dokonano
dekompozycji
dopuszczalnych naprężeń na składniki odpowiadające poziomom analiz konstrukcji.
Jednak ta dekompozycja sprawiała problemy w doborze odpowiednich obciążeń,
szczególnie obciążeń falowych, gdyż określane one są w przepisach jako amplitudy,
których prawdopodobieństwo przekroczenia wynosi 10–8 . Są to wielkości, które
pojawią się raz w ciągu życia statku. W związku z tym pojawił się problem składania
naprężeń wynikający z zastosowania różnych obciążeń falowych (np. momentów
gnących działających na belkę kadłuba, ciśnień lub przyspieszeń dynamicznych), gdyż
obciążenia maksymalne nie występują jednocześnie. Problem ten nie został jeszcze
poprawnie rozwiązany.
Nie zadawalający stan zapewnienia bezpieczeństwa przy użyciu istniejących
przepisów spowodował, że z jednej strony IACS opracował wspólne przepisy dla
zbiornikowców i masowców (tzw. Common Structural Rules – CSR) [1], a z drugiej
IMO zaczęło rozwijać Goal-Based Standards (GBS).
2.2. Wspólne przepisy IACS.
W zamierzeniu, CSR miały objąć więcej aspektów bezpieczeństwa, niż dotąd
obowiązujące
przepisy,
również
wymagania
dotyczące
statków
w
stanach
3
uszkodzonych. Obciążenia projektowe (najbardziej niepewna część przepisów mająca
wpływ na bezpieczeństwo statku) przedstawiono w postaci kombinacji najbardziej
niekorzystnych obciążeń statycznych i dynamicznych oraz lokalnych i globalnych.
Wymagania dotyczące składowych dynamicznych obciążeń (falowe momenty gnące i
siły tnące, ciśnienie zewnętrzne, wewnętrzne ciśnienie dynamiczne, ruchy statku i
przyspieszenia) maja postać wzorów, a współczynniki kombinacji obciążeń podane są
w formie tabelarycznej. Współczynniki te wyznaczono przy pomocy tzw. ekwiwalentnej
fali regularnej.
Przy zastosowaniu do analizy konstrukcji metod bezpośrednich, opartych na teoriach
fizycznych oraz metodach matematycznych problem ten nie występuje, gdyż
odpowiednie przesunięcia fazowe są w naturalny sposób uwzględnione na
odpowiednim poziomie obliczeń.
Zachodzi pytanie, czy tak proste podejście stosowane w przepisach jest w stanie
prawidłowo aproksymować obciążenia falowe, będące procesami stochastycznymi,
które są reprezentowane przez rodziny funkcji?
2.3. Standardy opracowywane przez IMO.
Grupa robocza ustalona przez Komitet Bezpieczeństwa na Morzu, w pracach której
przedstawiciel PRS bierze udział, opracowała strukturę GBS w postaci pięciu warstw
[2]:
•
warstwa I opisuje cele ogólne dla projektowania i budowy konstrukcji statku,
•
warstwa II obejmuje wymagania funkcjonalne, tj. projektowy czas życia statku,
warunki środowiskowe, wymagania wytrzymałościowe itp.,
•
warstwa III jest procesem weryfikacji przepisów instytucji klasyfikacyjnych przez
IMO,
•
warstwa IV – w niej znajdują się przepisy instytucji klasyfikacyjnych,
•
warstwa V zawiera standardy wykonawcze opracowane przez przemysł morski.
Obecnie GBS rozwijane są dwoma sposobami: pierwszym – tradycyjnym, drugim –
opartym na analizie ryzyka [3] i [4].
PRS bierze czynny udział w rozwijaniu GBS przy pomocy analizy ryzyka. W metodzie
tej zakłada się, że:
4
•
cele
(warstwa
I)
przyjmują
postać
kryteriów
bezpieczeństwa
w
postaci
prawdopodobieństwa uszkodzenia statku lub utraty życia załogi lub pasażerów,
•
cele będą osiągnięte, gdy każda funkcja statku (warstwa II) taka, jak stateczność,
pływalność, wytrzymałość, manewrowość, ochrona p-poż itp. będą spełniały
ustalony przez IMO poziom bezpieczeństwa.
Takie podejście do opracowania kryteriów bezpieczeństwa jest właściwe, gdyż po
pierwsze, kryteria są ściśle zdefiniowane, a po drugie, są wyrazem losowości morza,
odpowiedzi statku na jego działanie oraz losowości operowania statkiem.
2.4. Zastosowanie teorii fizycznych do opracowania kryteriów bezpieczeństwa
konstrukcji kadłuba.
Opracowanie kryteriów bezpieczeństwa dla konstrukcji kadłuba, które ujmują możliwe
przyszłe przypadki uszkodzeń, będzie możliwe, gdy:
•
przeprowadzone będą analizy możliwych przypadków objętych opracowywanym
kryterium, i
•
zidentyfikowane zostaną istotne elementy mające wpływ na bezpieczeństwo.
Taką możliwość daje analiza ryzyka.
W metodzie opracowania standardów opartej na analizie ryzyka należy przede
wszystkim opracować tzw. „drzewo uszkodzeń konstrukcji” (Rys. 1). Opracowuje się je
na podstawie scenariuszy uszkodzeń i zatonięć statków, ustalonych przy pomocy
danych statystycznych.
Rys. 1 Uproszczone drzewo uszkodzeń masowca
5
Przedstawione drzewo umożliwia przeprowadzenie uporządkowanej i zupełnej analizy
ryzyka zatonięcia statku (masowca) na skutek utraty jednej z jego funkcji (własności),
jaką jest wytrzymałość konstrukcji statku. Poszczególne zdarzenia występujące w
„drzewie
uszkodzeń”
opisuje
się
przy
pomocy
teorii
fizycznych
oraz
deterministycznych i probabilistycznych modeli matematycznych, co powoduje, że te
analizy są efektywne.
Polski Rejestr Statków opracował na podstawie teorii procesów stochastycznych, teorii
mechaniki morza oraz mechaniki konstrukcji modele matematyczne i programy
komputerowe umożliwiające:
•
symulacje ruchu statku na fali nieregularnej (proces stochastyczny) - Rys. 2,
•
symulacje zachowania się konstrukcji statku na tej fali - Rys. 3,
•
wyznaczenie rozkładów probabilistycznych zmiennych losowych i ich kompozycji.
Przy pomocy tych programów symuluje się zjawiska mające wpływ na bezpieczeństwo
statku (Rys. 4).
Rys. 2. Symulacje ruchu statku na fali nieregularnej
6
Rys. 3. Symulacja zachowania się konstrukcji statku na fali nieregularnej
extreme wave
stresses
0.050
f(σ
σ)
f
w
still water
stresses
0.025
yield
stresses
f
s
f
l
0.000
0
200
400
600
400
600
σ
0.04
still water +
extreme wave
stresses
f(σ
σ)
0.02
yield
stresses
f
e
f
l
0.00
0
200
σ
0.02
yield - (still water + extreme wave)
stresses
f(σ
σ)
0.01
probability
yof failure
0.00
-200
0
200
400
600
σ
f(σ
σ ) – probability density function
σ − stresses
Rys.
4.
Rozkłady
probabilistyczne
umożliwiające
wyznaczenie
prawdopodobieństwa
uszkodzenia wzdłużnika.
Przy użyciu opracowanych modeli i programów komputerowych Polski Rejestr
Statków przeprowadza pracochłonne analizy, których wynikiem ma być odpowiedni
standard bezpieczeństwa dla konstrukcji masowca.
7
3. Rozwój standardów bezpieczeństwa dla statków małych
W odróżnieniu od statków dużych, wytrzymałość konstrukcyjna kadłuba nie stanowi
istotnego
zagrożenia
dla
statków
małych.
Problemem
jest
bezpieczeństwo
statecznościowe w ekstremalnych stanach morza. Statystyki przewrócenia się i
zatonięcia statków jednoznacznie wskazują, iż dla małych statków jest to wciąż
największe niebezpieczeństwo, które pociąga za sobą utratę życia wielu ludzi. Jest to
szczególnie widoczne w przypadku statków rybackich.
Jako główne przyczyny problemu statecznościowego małych statków można wskazać:
•
niewystarczające kryteria bezpieczeństwa oparte na statycznej stateczności na
wodzie spokojnej, a nie na rzeczywistej dynamice statku na fali,
•
niekorzystną
relację
właściwości
statecznościowych
statku
do
wielkości
zewnętrznych sił wymuszających od fal i wiatru,
•
wrażliwość na zmiany stanu załadowania i przesunięcia ładunku, które powodują
duże zmiany potencjału prostującego statku,
•
duża różnorodność typów statków, kształtów kadłuba, charakteru operacyjnego
itd., która utrudnia jednolite podejście do zabezpieczenia przed przewróceniem.
W przypadku statków rybackich dodatkowo:
-
często brak dokumentacji technicznej,
-
zły stan techniczny kadłuba i wyposażenia,
-
zmiany
konstrukcyjne
i
wyposażenia
dokonywane
bez
odpowiedniego
technicznego nadzoru,
-
często niewystarczające wyszkolenie załogi,
-
często
niewystarczające
zasoby
finansowe
armatorów
uniemożliwiające
przeprowadzenie ulepszeń technicznych.
Istnieje pilna potrzeba opracowania nowych kryteriów i standardów bezpieczeństwa
opartych na rzeczywistym zachowaniu się statku w warunkach wysokich fal, a nie
rozważaniach statycznych na wodzie spokojnej, które w sposób wyraźny zwiększyłyby
szansę przetrwania statku w warunkach pogody ekstremalnej.
Europejska Platforma Technologiczna Transportu Wodnego (Waterborne Technology
Platform) jako jedno z zadań w strategii rozwoju europejskiego transportu wodnego
8
wyznaczyła całkowite uniknięcie wypadków (zero accident target), miedzy innymi
poprzez „zwiększenie możliwości przetrwania statków w ciężkich warunkach
pogodowych”.
Polski Rejestr Statków S.A. podjął to wyzwanie i rozpoczyna kompleksowy projekt
naukowo-badawczy nakierowany na radykalne polepszenie bezpieczeństwa małych
statków w ekstremalnych warunkach fali i wiatru.
Cele projektu mogą być osiągnięte poprzez opracowanie:
•
nowych kryteriów i standardów opartych na dynamice statku w warunkach
ekstremalnej pogody, które zapewnią unikniecie przewrócenia się i zatonięcia,
•
metod projektowania statku, które umożliwią spełnienie nowych kryteriów
bezpieczeństwa,
•
praktycznych metod weryfikacji kształtu i charakterystyk hydrostatycznych kadłuba
oraz sprawdzenie aktualnego poziomu bezpieczeństwa,
•
instrukcji operacyjnych dla poszczególnych typów statków w celu uzupełnienia
projektowych własności statecznościowych,
•
instrukcji i kursów treningowych dla załóg w zakresie podstaw stateczności oraz
sposobów uniknięcia krytycznych błędów w operacji statków.
Plan opracowania nowych kryteriów i standardów bezpieczeństwa statecznościowego
obejmuje:
-
przeprowadzenie analizy fizyki zjawiska przewracania się statku na fali oraz
wszystkich fizycznych zjawisk towarzyszących,
-
opracowanie modelu matematycznego zjawiska przewracania,
-
opracowanie komputerowego programu symulacyjnego ruchów statków na falach
ekstremalnych, włączając przewrócenie się statku,
-
zweryfikowanie programu komputerowego poprzez badania modelowe,
-
przeprowadzenie systematycznych symulacji numerycznych zachowania się statku
na falach ekstremalnych,
-
przeanalizowanie wyników systematycznych obliczeń i porównanie z danymi
statystycznymi dla statków bezpiecznych i tych, które się przewróciły,
-
określenie racjonalnych kryteriów zabezpieczających przez przewróceniem.
Prace zmierzające do opracowania modelu matematycznego przewracania się statku
na fali zostały już rozpoczęte. Przykładem pierwszych symulacji może być Rys. 5.
9
Rys. 5. Symulacja zachowania się małego statku na nieregularnej fali skośnej.
Oczekuje się, że cały projekt będzie wykonywany wspólnie z innymi partnerami
krajowymi oraz europejskimi, po uzyskaniu środków z funduszy europejskich.
4. Wnioski
Polski Rejestr Statków aktywnie uczestniczy w rozwijaniu nowych kryteriów
bezpieczeństwa zarówno dla statków dużych, takich jak masowce czy tankowce, dla
których problemem jest zapewnienie wytrzymałości kadłuba na fali, jak i statków
małych, zagrożonych przewróceniem i zatonięciem w warunkach ekstremalnego
sztormu.
W obu przypadkach fundamentami pozwalającymi na opracowanie racjonalnych
kryteriów bezpieczeństwa są modele teoretyczne reprezentujące określone zjawiska
fizyczne stanowiące największe zagrożenie dla utrzymania podstawowych funkcji
operacyjnych statku i przetrwania w warunkach krytycznych.
Oczekuje się, że nowa metodologia zastosowana do prezentowanych tutaj problemów
przyniesie nowe racjonalne kryteria i standardy, które w znaczący sposób podniosą
stopień bezpieczeństwa statków na morzu.
10
Referencje:
[1] IACS, Common Structural Rules for Hull Oil Tanker and for Bulk Carriers.
International Association of Classification Societies, 2005,
[2] IMO, Goal-Based New Ship Construction Standards; Report of the Working Group
on Goal-Based Standards, MSC 80/6, 2004,
[3] GBS – Safety level approach Submitted by Denmark, Germany, Norwey and
Sweden, IMO-MSC 81/6/2, 2006,
[4] GBS – Safety level approach – worked example, Submitted by Germany, IMOMSC/6/2, 2006.