Certyfikacja przylgni ratowniczych okrętów podwodnych MW RP

Transkrypt

1 SZTUROMSKI Bogdan 1 Certyfikacja przylgni ratowniczych okrętów podwodnych MW RP WSTĘP Marynarka Wojenna Rzeczpospolitej Polskiej posiada cztery okręty podwodne typu Kobben (projekt 207, ORP Bielik, ORP Sęp, ORP Sokół, ORP Kondor) zbudowane w niemieckiej stoczni na zamówienie marynarki wojennej Norwegii w latach 60 i 70-tych oraz jeden okręt typu Kilo (projekt 877E, ORP Orzeł) zbudowany w byłym ZSRR 2 w 1985 r. Rys. 1. Okręty w służbie Marynarki Wojennej RP (po lewej typ Kobben, po prawej typ Kilo) [1] Obecnie wszystkie okręty podwodne świata ze względu na wykonywane zadania oraz możliwość ewakuacji załogi metodą suchą [2] w przypadku uszkodzenia okrętu wyposażone są w tzw. przylgnie ratownicze(rys. 2 i 3). Rys. 2. Przylgnia ratownicza ORP Kondor [3] Rys. 3. Przylgnia ratownicza ORP Orzeł [4] Stanowią one konstrukcję o wytrzymałości kadłuba mocnego. W ich wnętrzu znajduje się właz ewakuacyjny. Zakończone są płaskim pierścieniem umożliwiającym w zanurzeniu dokowanie na ich 1 Naval Academy in Gdynia, Poland, Mechanical and Electrical Engineering Department, Institute of Bases Machines Construction, ul. Śmidowicza 69, Gdynia, , b.szturomski@amw.gdynia.pl 2 ZSRR - Zwiazek Socjalistycznych Republik Radzieckich 1308

2 powierzchni i szczelne połączenie różnego typu systemów ratowniczych takich jak dzwony ratownicze McCanna SRC (SubmarineRescueChamber) oraz pojazdy ratownicze SRV (SubmarineRescueVehicle) (rys.4). Rys. 4. Dzwon McCanna SRC i pojazdy ratownicze SRV LR5 oraz rosyjski AS34 [5, 6, 7] 1. CERTYFIKACJA PRZYLGNI RATOWNICZYCH OP Okręty podwodne MW RP biorą udział w manewrach NATO i międzynarodowych ćwiczeniach ratowniczych, podczas których wykonywane jest praktyczne ćwiczenie, w którym okręt podwodny symuluje sytuację awaryjną kładąc się na dnie. W celu ewakuacji załogi na jego pokładzie ląduje okręt ratowniczy typu DSRV,PRM, NSRS, lub URF i po uszczelnieniu połączenia następuje symboliczna wymiana załogi. Podczas takiego połączenia na konstrukcję przylgni zaczynają działać obciążenia od nacisku pierścienia pojazdu dokującego, których wielkość jest funkcją głębokości zanurzenia oraz powierzchni kontaktu. Ponadto na powierzchnie boczną pojazdu ratowniczego oddziaływają zmienne prądy morskie, które skutkują dodatkowym obciążeń, jakie musi przenieść konstrukcja przylgni i kadłub okrętu. Z tego powodu przylgnie ratownicze okrętów podwodnych muszą spełniać szereg ściśle określonych wymagań. Dokumentami precyzującymi te wymagania są: STANAG 1297 Requirements for a NATO Common Rescue Seat; International Submarine Rescue Requirements Manual and Instruction Manual for Mating with U.S. Navy Rescue Assets (NAVSEASS700-AA-INS-010). oraz później wydane dokumenty: Norma Obronna NO-42-A207:2001, Okręty podwodne, Przylgnie ratownicze, Wymagania; ATP-57(B) The Submarine Search and Rescue Manual; ANEP/MNEP-85, Aterial Interoperability Requirements For Submarine Escape And Rescue, Edition A Version 1, MONTH 2012, Multinational Technical Publication, Published By The, North Atlantic Treaty Organization, Allied/Multinational Technical Publication, Published by the, Nato Standardization Agency (NSA). Wymagania te precyzyjnie określają wymiary elementów konstrukcyjnych przylgni ratowniczych, narzucają pewne rozwiązania konstrukcyjne oraz zawierają wytyczne do wykonania oględzin, pomiarów, testów, sporządzenia dokumentacji oraz obliczeń wytrzymałościowych wykonywanych jako statyczna analiza metodą elementów skończonych (MES) [8, 9, 16]w autoryzowanym programie CAE [10]. Obliczenia wytrzymałościowe wykonuje się przy pierwszej certyfikacji danego okrętu oraz w przypadku okrętów wyeksploatowanych, na których w elementach konstrukcji przylgni oraz kadłuba mocnego nastąpiły zmiany wymiarów spowodowane ubytkami korozyjnymi, uszkodzeniami mechanicznymi oraz zużyciem eksploatacyjnych mogące mieć wpływ na utratę nośności. 1309

3 Pierwszą certyfikację okrętu podwodnego typu Kobben w Polsce polegającą na weryfikacji wymiarów elementów konstrukcji przylgni ratowniczej wykonał zespół pracowników LPT-ZPBM- WME-AMW 3 w Gdyni, w maju 2008 r. w asyście przedstawiciela NAVSEA (Naval Sea Systems Command - USA). Rys. 5. Fotografie z pomiarów i testów przylgni ratowniczej okrętu typu Kobben [3] Wykonując kolejne certyfikacje okrętów typu Kobben oraz pierwsze obliczenia wytrzymałościowe dla dziobowej przylgni ratowniczej okrętu typu Kilo (ORP Orzeł) [12, 13] w 2009 r., stwierdzono, że wytyczne zawarte w dokumentach NAVSEA [11] zostały opracowane dla atomowych okrętów podwodnych wykonujących zadania na głębokościach do 1000 m. Więc z założenia okręty podwodne MW RP dla których maksymalna dopuszczalna głębokość zanurzania wynosi ok. 300 m nie mogły takich wymagań spełnić i uzyskać pozytywnego certyfikatu. Jednocześnie nie spełnienie wymagań NAVSEA, która narzuca wytrzymałość konstrukcji przylgni go głębokości 700 m nie wyklucza bezpiecznego dokowania pojazdów ratowniczych na przylgniach małych okrętów podwodnych na mniejszych głębokościach np. do 300 m. Tym bardziej, że zatoniecie okrętu typu Kobben lub Kilo na głębokości powyżej 300 m skutkowałoby poważnymi uszkodzeniami i rozczelnieniem kadłuba mocnego, co akcję ratowniczą czyni bezcelową. Z tego powodu zespół pracowników LPT-ZPBM-WME-AMW w miejsce CERTIFICATE The Rescue Seat Area, który ze względu na wymaganą głębokość 700 m musiał zawierać zapis cyt.:... konstrukcja nie spełnia wszystkich wymogów STANAG-u 1297, zaproponował CERTIFICATE OF TECHNICAL INSPECTION Rescue Seat Area, w którym odzwierciedla się faktyczny stan techniczny danej przylgni ratowniczej oraz maksymalną głębokość zanurzenia, na której może nastąpić bezpieczne dokowanie pojazdu ratowniczego, np. 290 m. W dokumencie tym wprowadzono rysunek zawierający najważniejsze informacje dla załogi pojazdu ratowniczego przedstawiający lokalizację płyty kontaktowi, jej wymiary, grubość i chropowatość oraz wolną przestrzeń wokół niej (rys. 6) [3, 4]. 3 Naval Academy in Gdynia, Poland,Mechanical and Electrical Engineering Department, Institute of Bases Machines Construction 1310

4 Rys. 6. Lokalizacja przylgni ratowniczej okrętu typu Kobben i Kilo oraz najważniejsze wymiary Wspólnie z ówczesnym Szefostwem Ratownictwa Morskiego MW RP ustalono również ostateczny zakres pomiarów, testów i inspekcja wzorując się nie tylko na instrukcji NAVSEA [11], ale również na późniejszych dokumentach tzw. ANEP-ach i własnych doświadczeniach. Obecna inspekcja przylgni ratowniczej okrętu podwodnego obejmuje: 1. rysunek techniczny konstrukcji przylgni z najważniejszymi wymiarami i opisem konstrukcji i jej wyposażenia (uchwyty, zawory spustowe, możliwość otwarcia włazuz zewnątrz itp); 2. oględziny stanu konstrukcji z opisem wżerów, uszkodzeń i ubytków, stanu farby ochronnej itp.; 3. oględziny stanu spoin z opisem wżerów, uszkodzeń i ubytków, stanu farby ochronnej itp.; 4. pomiar grubości pierścienia kontaktowego przylgni; 5. pomiar grubości podstawy przylgni; 6. pomiar innych elementów przylgni; 7. pomiar chropowatości pierścienia kontaktowego przylgni; 8. pomiar średnicy pierścienia kontaktowego przylgni; 9. pomiar wolnej przestrzeni wokół przylgni; 10. opis otwarcia włazu; 11. informacje o wykonanych naprawach, remontach i modernizacjach (informacje podadzą użytkownicy jeśli wykonano; 12. test obciążenia uchwytów ściągaczy; 13. obliczania wytrzymałości konstrukcji przylgni (jeśli są wymagane) w trakcie lądowania pojazdu ratowniczego w funkcji głębokości zanurzenia i prądu morskiego w programie CAE, na podstawie których określa się maksymalną bezpieczną głębokość użycia systemu ratowniczego. Nowa forma CERTIFICATE OF TECHNICAL INSPECTION wraz ze sprawozdaniem została zaproponowana podczas ćwiczeń Crown Eagle/Northern Crown [15] w 2013 r. organizowanych w ramach polsko-szwedzkiej umowy dotyczącej zapewnienia bezpieczeństwa pływania okrętów podwodnych, zawartej pomiędzy rządami obu państw ponad 12 lat temu. Ćwiczenia te odbyły się na szwedzkich wodach terytorialnych, gdzie Marynarka Wojenna RP skierowała okręt ratowniczy ORP Lech oraz okręt podwodny ORP Sokół. Podczas ćwiczeń zatopionemu okrętowi podwodnemu pomocy udzielał NSRS (NATO SubmarineRescue System). 1311

5 2. OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCI PRZYLGNI RATOWNICZYCH OP Maksymalna głębokość, na której można wykonać bezpieczne dokowanie pojazdu ratowniczego wyznaczana jest na podstawie statycznej analizy stanu naprężenia w konstrukcji przylgni ratowniczej MES [8, 9] wykonanej w programie CAE [10]. Analizę taką rozpoczyna się od odwzorowania geometrii konstrukcji przylgni ratowniczej wraz z fragmentem kadłuba mocnego w programie CAD (rys. 7 i 8) na podstawie dostępnej dokumentacji, zdjęć, inżynierskich pomiarów i odręcznych szkiców pomocniczych. Po sprawdzeniu ciągłości i poprawności geometrii eksportuje się ją do programu CAE, w którym wykonuje się dyskretyzację (rys. 9) zgodnie z zasadami MES. Do dyskretyzacji zaleca się stosowanie liniowych czworokątnych elementów powłokowych, co zazwyczaj wymaga dzielenia geometrii na partycje. Rys. 7. Konstrukcja przylgni okrętu typu Kobben [3] Rys. 8. Konstrukcja przylgni okrętu typu Kilo [4] Rys. 9. Geometria I dyskretyzacja rufowej przylgni ratowniczej ORP Orzeł [14] Elementom przylgni przypisuję sie podstawowe właściwości materiałowe. Następnie przylgnię obciąża się zgodnie z wytycznymi zawartymi w instrukcji NAVSEA [11] i wykonuje się obliczenia stanu naprężenia i deformacji (rys. 10, 11 i 12). Na ich podstawie wyznacza się maksymalną głębokość zanurzenia okrętu podwodnego, na której można przeprowadzić bezpieczne lądowanie pojazdu podwodnego. 1312

6 Rys. 10. Stan naprężenia zredukowanego wg hipotezy HMH 4 na głębokości 200 m [3] Rys. 11. Stan deformacji na głębokości 200 m, ORP Kondor [3] Rys. 12. Stan naprężenia wg hipotezy HMH na głębokości 700 m, ORP Orzeł [4] 4 Hipoteza wytężenia wg Hubera (1904 r.), Misesa (1913 r.), Hencky ego (1918 r.), 1313

7 WNIOSKI W wyniku przeprowadzonych pomiarów i inspekcji oraz obliczeń wytrzymałościowych konstrukcji przylgni ratowniczej okrętów podwodnych Marynarki Wojennej RP stwierdza się, że ich stan i wymiary zapewniają bezpieczne dokowanie systemów ratowniczych typu DSRV, SRC, SRDRS, NSRS, URF i podobnych (pojazdów ratowniczych i dzwonów McCanna) o średnicy kołnierza dokującego o wymiarach od 1350 do 1500 mm, na głębokościach do 200 m. Powyżej tych głębokości mogą wystąpić deformację plastyczne konstrukcji przylgni i kadłuba. Zespół pracowników Laboratorium Podstaw Techniki, Zakładu Podstaw Budowy Maszyn, Wydziału Mechaniczno Elektrycznego, Akademii Marynarki Wojennej Gdyniawykonujący pomiary i certyfikujący przylgnie ratownicze okrętów podwodnych MW RP w 2010 r. po zdaniu szeregu egzaminów otrzymał Certyfikat Akredytacji OiB 5 Nr 4/MON/2010 nadany przez Ministerstwo Obrony Narodowej w zakresie pomiarów i analiz wytrzymałościowych przylgni ratowniczych okrętów podwodnych oraz prawo do używania symbol akredytacji OiB Ministerstwa Obrony Narodowej (rys. 13). 4/MON/2010 Rys. 13. Certyfikat Akredytacji OiB Nr 4/MON/2010 nadany przez Ministerstwo Obrony Narodowej w zakresie pomiarów i analiz wytrzymałościowych przylgni ratowniczych okrętów podwodnych oraz symbol akredytacji OiB Ministerstwa Obrony Narodowej Streszczenie W pracy przedstawiono proces certyfikacji przylgni ratowniczych okrętów podwodnych MW RP, przeznaczonych do dokowania pojazdów ratowniczych, który miedzy innymi obejmuje wykonanie szeregu pomiarów, testów i analiz wytrzymałościowych konstrukcji przylgni dla różnych wariantów obciążenia na wymaganych głębokościach zanurzenia. Przedstawiono dokumenty normatywne, na podstawie których opracowano wymagania dostosowane do małych okrętów podwodnych, których głębokość zanurzania nie przekracza 300 m. Zamieszczone przykładowe wyniki stanu naprężenia w konstrukcji przylgni ratowniczej okrętu klasy Kobben i Klo uzyskane z symulacji MES wykonanej w programie CAE Certification of submarine's rescue seat areas in Polish Navy Abstract The paper presents the certification process of submarines rescue seat areas of the Polish Navy which are assigned to dock rescue vehicles. This process among a series of measurements, tests and stamina analyzes of 5 Obronność i Bezpieczeństwo Kraju 1314

8 seat area construction for different burden variants on the required depth of immersion. The paper presents the normative documents which were the basis to prepared requires adapt to needs of small submarines which immersion depth does not exceed 300 m. The paper also presents examples of results the construction stress state of the rescue seat area submarine Kobben class and Kilo class obtained from FEM simulations performed in the CAE. BIBLIOGRAFIA [1] z dn r. [2] Bohn M., Projekt pierścienia do dokowania pojazdu ratowniczego na powierzchni przylgni okrętu podwodnego. Praca inżynierska pod kierownictwem Szturomski B, Gdynia AMW 2010; [3] Jurczak W., Świątek K., Bohn M., Szturomski B., Report No: 14/Kondor/LPT/2013, Export opinion abort rescue seat area submarine ORP Kondor, Part I i II, Naval Academy in Gdynia, 2013 r.; [4] Jurczak W., Świątek K., Bohn M., Szturomski B., Report No: 10/ /Orzeł, Report of bow seat area submarine ORP Orzeł 291, Part I i II, Naval Academy in Gdynia, 2011 r.; [5] SRC ( ); [6] SRV LR5 ( ); [7] AS html ( ); [8] Szturomski B. Podstawy Metody Elementów Skończonych, Wydawnictwo Akademickie AMW, Gdynia 2011, ISBN ; [9] Szturomski B., Inżynierskie zastosowanie MES w problemach mechaniki ciała stałego na przykładzie programu ABAQUS, Wydawnictwo Akademickie AMW - Gdynia 2013; [10] Abaqus 6.12, PDF Documentation, Theory Manual, Simulia, Dassault Systems 2012; [11] International Submarine Rescue Requirements Manual and Instruction Manual for Mating with U.S. Navy Rescue Assets (NAVSEASS700-AA-INS-010), Published By Direction Of Commander, Naval Sea Systems Command, 27 January 1992; [12] Flis L., Symulacja wytężenia przylgni ratowniczej okrętu podwodnego wywołanego naporem pojazdu ratowniczego, Mechanik, rocznik 83, nr 2, luty 2010; [13] Flis L., Szturomski B., Jurczak W., Świątek K., Bohn M., Dróżdż Ł., Report 02, Stamina analysis of MATING SEAT submarine ORP Orzeł project 877E Kilo, Naval Academy in Gdynia, 2011 r. [14] Jurczak W., Świątek K., Bohn M., Szturomski B., Report No: 11/ /Orzeł, Report of aft seat area submarine ORP Orzeł 291, Part I i II, Naval Academy in Gdynia, 2011 r.; [15] r. [16] Barnat W., Numerical and experimental investigation on internal membrane pressure wave inside sealed structure, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, 2013, 61, 3,