Wykorzystanie symulatora inspekcji statków w zagadnieniach dydaktycznych związanych z nadzorem nad stanem technicznym i wytrzymałością kadłuba statku

Transkrypt

1 CHORAB Paweł 1 ŁOZOWICKA Dorota 2 Wykorzystanie symulatora inspekcji statków w zagadnieniach dydaktycznych związanych z nadzorem nad stanem technicznym i wytrzymałością kadłuba statku WSTĘP Laboratorium komputerowe na Wydziale Nawigacyjnym Akademii Morskiej w Szczecinie wyposażone jest w symulator inspekcji statku (Survey Simulator SuSi) stworzony przez towarzystwo klasyfikacyjne Det Norske Veritas Germanischer Lloyd (DNV-GL) [1]. Symulator jest nowoczesnym narzędziem służącym do podnoszenia kwalifikacji zawodowych. Pozwala na prowadzenie wizualnych inspekcji stanu technicznego statku, symulowanie przygotowania statku do takich inspekcji, a także poznawanie złożonej budowy kadłuba statku morskiego. Główne funkcje symulatora pozwalają między innymi na symulowanie uszkodzeń w kadłubie statku (pęknięcia, wyboczenia, braki w wyposażeniu, inne). Do modułu dołączone są rzeczywiste fotografie przykładowych uszkodzeń (findings mode). W symulatorze przedstawiono także obszary w konstrukcji kadłuba szczególnie narażone na uszkodzenia (areas of attention mode). Użyteczność symulatora inspekcji statku w nauczaniu zagadnień dydaktycznych związanych z nadzorem nad stanem technicznym i wytrzymałością kadłuba statku można rozpatrywać w aspektach: uświadomienia zagrożeń jakie niesie ze sobą nieprawidłowa eksploatacja techniczna statku morskiego, zwiększenie poziomu świadomości w kontekście odpowiedzialności za stan techniczny statku i jego urządzeń, symulowanie zagrożeń związanych z zagadnieniami wytrzymałości ogólnej i lokalnej kadłuba statku na skutek niewłaściwie planowanych i prowadzonych operacji balastowo ładunkowych w czasie eksploatacji statku. Rys. 1. Model kadłuba masowca wykorzystanego w symulatorze inspekcji statku [1] 1 PRAWNY OBOWIĄZEK PRZEGLĄDÓW TECHNICZNYCH KADŁUBA STATKU W prawie polskim, a także unijnym istnieje obowiązek rejestracji oraz dokonywania przeglądów technicznych statków. Takie działanie pozwala na utrzymanie właściwego stanu technicznego jednostek pływających co ma bezpośrednie przełożenie na bezpieczeństwo żeglugi. Podstawą 1 Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Nawigacji Morskiej, Zakład Budowy i Stateczności Statków, p.chorab@am.szczecin.pl 2 Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Nawigacji Morskiej, Zakład Budowy i Stateczności Statków, d.lozowicka@am.szczecin.pl 2636

2 przeglądów technicznych oraz dopuszczenia do żeglugi morskiej są przepisy Unii Europejskiej oraz Polski, do których należą: ustawa z dnia 18 września 2001 roku Kodeks morski [Dz. U. z 2001 roku nr 138 poz z późn. zm.], rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie nadawania i zatwierdzania nazwy statku morskiego z dn. 30 kwietnia 2004 roku [Dz. U. z 2004 roku nr 118 poz. 1237]. Przepisy określają, że statek może być używany w żegludze jeżeli odpowiada wymaganiom bezpieczeństwa w zakresie: budowy, jego stałych urządzeń oraz wyposażenia, właściwości manewrowych, ochrony wód, powietrza lub ochrony przed hałasem, warunków sanitarnych statku jak również bezpieczeństwa i higieny pracy, składu i kwalifikacji załogi. Statek morski uprawniony do poruszania się w żegludze międzynarodowej powinien posiadać szereg dokumentów uznawanych przez kraje uprawiające żeglugę międzynarodową. Do najważniejszych dokumentów określających stan techniczny danego statku możemy zaliczyć: świadectwo klasy (Certificate of Class), międzynarodowe świadectwo wolnej burty (International Load Line Certificate) Z posiadaniem wyżej wymienionych świadectw wiąże się konieczność wykonywania okresowych przeglądów statków. 2 PROBLEM WYTRZYMAŁOŚCI KONSTRUKCJI KADŁUBA STATKU Jednym z istotnych kryteriów zapewnienia technicznego bezpieczeństwa statku będącego w eksploatacji jest odporność jego konstrukcji na uszkodzenia, trwałe odkształcenia bądź całkowite zniszczenie. Konstrukcja statku powinna zapewnić przeciwdziałanie siłom zewnętrznym zarówno powierzchniowym jak i masowym działającym na elementy poszycia. Przyjmuje się, że siłami wewnętrznymi występującymi wewnątrz elementów konstrukcyjnych kadłuba statku nazywa się wyłącznie część sił międzycząsteczkowych będących odpowiedzią na działanie sił zewnętrznych [4]. Lokalne różnice pomiędzy rozkładami sił masowych i powierzchniowych powodują występowanie sił wewnętrznych, które mogą przy przekroczeniu określonych wartości spowodować trwałe odkształcenia lub uszkodzenia kadłuba. Sposobem na zniwelowanie różnic jest równomierny rozkład ciężaru po długości statku. Jednakże statek nie jest jednolitą konstrukcją. Niektóre przedziały przeważają ciężarem nad innymi. Przykładem może być skrajnik dziobowy, dociążony przez urządzenia kotwiczno - cumownicze oraz własną konstrukcję (mniejszy odstęp wręgowy, platformy, dodatkowe usztywnienia itp.), która musi być odporna na działanie dodatkowych obciążeń wynikających chociażby ze slemingu. Różnice w rozkładach sił mogą powodować zatem takie reakcje kadłuba statku jak skręcanie, ścinanie czy też zginanie. Obciążenia zewnętrzne kadłuba możemy rozpatrywać pod kątem wytrzymałości ogólnej, gdy wpływają one na wielkość sił wewnętrznych wzdłuż całego kadłuba statku, oraz pod kątem wytrzymałości lokalnej analizując niewielkie obszary kadłuba. Obciążenia lokalne przenoszone są przez poszycie kadłuba i poprzeczne wiązania burt, pokładów i grodzi (rysunek 2). Rys.2. Przykład naprężeń występujących w konstrukcji kadłuba statku [1] 2637

3 Miejsca szczególnie narażone na odkształcenia wskutek naporu wody zaburtowej na kadłub statku to: konstrukcja burty w rejonie ładowni - występowanie naprężeń gnących, połączenie konstrukcji burty z konstrukcją dna wewnętrznego-występowanie naprężeń tnących, konstrukcja dna- naprężenia ściskające. Kontrola wytrzymałości statku podczas eksploatacji wymaga znajomości przede wszystkim wartości momentów gnących BM (Bending Moments) oraz sił tnących SF (Shear Forces) przy operacjach ładunkowo - balastowych. Należy ustalić zmianę wielkości momentów gnących i sił tnących przy zmianie położenia ciężarów na statku i zmianę podwodnej części kadłuba statku (wynikające z nowego położenia równowagi kadłuba statku). W typowych stanach załadowania można stosować rozłożenie ładunku przewidziane przez Instrukcję kontroli wytrzymałości. Wymogi eksploatacyjne mogą narzucić inne rozłożenie ładunku, należy wówczas sprawdzić, czy wartości sił tnących i momentów gnących nie przekraczają wartości dopuszczalnych dla danej konstrukcji zarówno w trakcie przeładunku jak i po jego zakończeniu ( port conditions and seagoing conditions ). Narzędziem wspomagającym kontrolę wytrzymałości wzdłużnej jest kalkulator załadunku, którego przykład zaprezentowano na rysunkach 3 i 4. Rys.3. Przykład kalkulatora załadunku-obliczenia sił tnących i momentów zginających [3] Rys.4. Przykład kalkulatora załadunku-obliczenia sił tnących i momentów zginających [3] Za pomocą programu dokonuje się obliczeń wszystkich parametrów wytrzymałościowych a także statecznościowych i porównuje się je z wartościami dopuszczalnymi dla danego stanu załadowania. Narzędzie pozwala na opracowanie sekwencji załadunku oraz jej weryfikację. 2638

4 3 CHARAKTERYSTYKA PROGRAMU NAUCZANIA NA KIERUNKU NAWIGACJA W ZAKRESIE ZWIĄZANYM Z NADZOREM NAD STANEM TECHNICZNYM I WYTRZYMAŁOŚCIĄ KADŁUBA STATKU Z omawianymi w poprzednich rozdziałach problemami studenci Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Szczecinie zapoznają się na następujących przedmiotach: Budowa i stateczność statku I i II semestr na kierunku Nawigacja, oraz Przeglądy, konserwacja i remonty statków IV i V semestr na kierunku Transport Morski. W ramach przedmiotu Budowa i stateczność statku realizowane są między innymi następujące treści programowe: inspekcje wymagane przez Konwencję o Liniach Ładunkowych, wytrzymałość kadłuba, siły tnące, momenty gnące, momenty skręcające, ugięcie kadłuba, wytrzymałość lokalna kadłuba statku, wytrzymałość kadłuba na wzburzonym morzu, korozja kadłuba, metody zapobiegawcze, konserwacja statku, planowanie remontów i przeglądów, dokumentacja i oprogramowanie komputerowe do kontroli wytrzymałości ogólnej i lokalnej statku, wpływ rozmieszczenia ciężarów na przebiegi sił tnących i momentów gnących - symulacja komputerowa. Kolejnym przedmiotem specjalistycznym jest przedmiot Przeglądy, konserwacja i remonty statków gdzie realizowane są między innymi następujące treści programowe: eksploatacja statku, utrzymanie sprawności technicznej statku, dozór techniczny, remonty, program rozszerzonych przeglądów, regulacje prawne, stan techniczny statku w świetle wyboru bandery i klasyfikatora statku, proces korozji w konstrukcjach morskich; czynniki wpływające na korozję, wpływ środowiska morskiego na proces korozji, mechanizm korozji i jej typy; korozja okrętowych metali i tworzyw niemetalowych, uszkodzenia korozyjne poszczególnych elementów statku, kadłuba, urządzeń i instalacji, zmęczenie i zużycie konstrukcji statku, ugięcie, wyboczenie kadłuba, pękanie konstrukcji statku, przykłady uszkodzeń konstrukcji kadłuba masowców, zbiornikowców; nowe standardy konstrukcyjne dla statków, w szczególności dla masowców i tankowców, uszkodzenia konstrukcji kadłuba i wyposażenia innych typów statków np. kontenerowców, roro, planowanie utrzymania sprawności technicznej statku; przeglądy kadłuba statku i wyposażeniazadania i typy przeglądów; wskazania eksploatacyjne i remonty; działania prewencyjne przed utratą sprawności technicznej, wykrywanie uszkodzeń, elementy konstrukcji i wyposażenia statku w aspekcie jakościowej eksploatacji i dozoru technicznego - działania prewencyjne, inspekcje, przeglądy techniczne (określenie kondycji technicznej), monitorowanie uszkodzeń, naprawy, konserwacja [2]. 4 WIZUALIZACJA PROCESÓW KOROZJI KADŁUBA STATKU Z WYKORZYSTANIEM SYMULATORA INSPEKCJI STATKÓW Niesprzyjające warunki atmosferyczne towarzyszące eksploatacji jednostek morskich czynią je wyjątkowo narażonym na procesy korozji. Zjawisko to może spowodować bardzo duże straty dlatego też istotne jest wczesne dostrzeżenie ubytków materiałowych i odpowiednia prewencja tym bardziej że materiały wykorzystywane w okrętownictwie charakteryzują się słabą odpornością na korozję ze względu na dużą agresywność środowiska, w jakim są eksploatowane. Znajomość procesu korozji 2639

5 elementów konstrukcyjnych statku stanowi jeden z efektów kształcenia studentów Akademii Morskiej w Szczecinie. Ważną rzeczą z punktu widzenia kształcenia przyszłych eksploatatorów statków jest przekazanie im praktycznych umiejętności identyfikacji uszkodzeń korozyjnych poszczególnych elementów statku, kadłuba, urządzeń i instalacji. Pracując z symulatorem SuSi student ma możliwość swobodnego poruszania się po trójwymiarowym kadłubie statku oraz wybranych pomieszczeniach, które przedstawione są za pomocą foto realistycznych tekstur mając uczucie chodzenia po rzeczywistym statku. Jedną z funkcji symulatora jest symulowanie korozji kadłuba i elementów konstrukcyjnych statku. Przykład objętych korozją elementów kadłuba we wnętrzu statku możemy zobaczyć na rysunku 5. Rys. 5. Wizualizacja objętych korozją elementów kadłuba statku (fragment ładowni)[1] Dosyć interesującą funkcją, którą można zastosować w symulatorze jest ustalenie poziomu korozji danego elementu lub powierzchni (rysunek 6). W procesie dydaktycznym funkcję tą można wykorzystać zarówno do wizualizacji postępowania procesu korozji w czasie (od nowej konstrukcji ze świeżą powłoką malarską do powierzchni całkowicie skorodowanej), jak również w poszukiwaniu innych uszkodzeń konstrukcji przy jednoczesnym występowaniu skorodowanego poszycia. Wykorzystanie tej funkcji przy nauce znajdowania w kałdubie typowych uszkodzeń konstrukcji jest dodatkowo ważne, ponieważ wizualnie dla skorodowanej powierzchi uszkodzenia są mało widoczne i nauczenie się rozpowznawiania uszkodzeń na początkowym etapie ich powstawania jest szczególnie trudne. W rzeczywistości nauka ta wiąże się z wieloletnim doświadczeniam. Wizualizacja zaś z wykorzystaniem tej opcji znacznie podnosi wiedzę zawodową i w pewnym sensie doświadczenie. Rys. 6. Przedstwienie na przykładzie zbiornika dennego procesu postępowania korozji na elementach konstrukcji statku [1] 2640

6 5 WYKORZYSTANIE SYMULATORA INSPEKCJI STATKU W PROCESIE DYDAKTYCZNYM ZWIĄZANYM Z WYTRZYMAŁOŚCIĄ KADŁUBA STATKU Główne funkcje symulatora SuSi pozwalają między innymi na szczegółowe symulowanie inspekcji statku ze szczególnym wyszczególnieniem obszarów kadłuba narażonych na uszkodzenia (areas of attention mode), co może być szczególnie przydatne w zapoznawaniu studentów z problemem wytrzymałości konstrukcji kadłuba statku. Rys.7. Wizualizacja (podświetlenie) miejsc w ładowni statku szczególnie narażonych na różnego rodzaju uszkodzenia konstrucji [1] Rys.8. Przykład przedstawienia obszarów występowania symulowanych uszkodzeń elementów konstrukcyjnych w ładowni statku [1] 2641

7 Rys. 9. Rzeczywiste zdjęcie uszkodzonego elementu konstrukcyjnego ładowni statku [1] Rys.10. Załączone do symulatora zdjęcie innego uszkodzonego elementu konstrukcji kadłba (pęknięcie elementu) [1] W odniesieniu do obowiązującego programu nauczania symulator wykorzystać można m.in. do tematów związanych z zagadnieniami dotyczącymi kontroli wytrzymałości kadłuba statku w czasie eksploatacji. Obecnie studenci poznają te zagadnienia w formie teoretycznej na zajęciach audytoryjnych, oraz w praktyczny sposób dokonują obliczeń dla prostych konstrukcji (barka prostopadłościenna). Praktyczna nauka odbywa się z wykorzystaniem rzeczywistych kalkulatorów załadunków statków. Narzędzia te automatyzują proces obliczeniowy związany z wyznaczeniem aktualnych sił tnących i momentów gnących w kadłubie statku porównując obliczone wartości z wartościami kryterialnymi. Na początkowym etapie kształcenia studentom Wydziału Nawigacyjnego szczególnie trudno wyobrazić sobie jak przekroczenie dopuszczalnych naprężeń występujących w kadłubie wpłynie na elementy konstrukcyjne kadłuba statku. Kalkulatory załadunku przedstawią jedynie wartości liczbowe i wykresy rozkładu krzywych: ciężaru, wyporu, obciążeń, sił tnących, momentów gnących. Wizualizacja typowych uszkodzeń zmęczeniowych konstrukcji kadłuba będzie dodatkowych elementem dydaktycznym dotyczącym niewłaściwej kontroli wytrzymałości kadłuba statku. Należy też dodać, że jest to jeden z ważniejszych obszarów bezpiecznej eksploatacji technicznej statku. Dowodem na to są wciąż pojawiające się wypadki dotyczące pęknięć elementów konstrukcyjnych kadłuba statku. 2642

8 Zakłada się następujący scenariusz zajęć laboratoryjnych: 1. Odnalezienie na statku przestrzeni zagrożonych uszkodzeniami konstrukcji spowodowanymi działaniem sił zewnętrznych na podstawie informacji teoretycznych uzyskanych podczas wykładów. 2. Spośród symulowanych uszkodzeń w kadłubie statku, blachach poszycia i elementach usztywniających zidentyfikowanie tych, które wskazują ewidentnie na charakter uszkodzeń zmęczeniowych. 3. Oznaczenie zidentyfikowanych elementów konstrukcji w postaci szkicu lub zapisu. 4. Sporządzenie wykazu zidentyfikowanych elementów ze wskazaniem na rodzaj uszkodzenia. Kolejny scenariusz polegać może na przygotowania planu ładunkowego masowca (wyznaczenie mas ładunku w poszczególnych ładowniach statku, oraz ustalenie kolejności operacji ładunkowych i balastowych). Kolejne etapy scenariusza polegały będą na: 1. Przygotowaniu planu ładunkowego we wstępnym etapie (obliczenia masy całkowitej ładunku, masy w poszczególnych ładowniach), 2. Opracowanie sekwencji operacji ładunkowo balastowych ustalenie kolejności napełniania ładowni i opróżniania zbiorników balastowych. Na tym etapie niezbędna jest kontrola za pomocą kalkulatora załadunku statku położenia równowagi statku, parametrów statecznościowych i wytrzymałościowych kadłuba statku. 3. Przedstawienie w postaci tabeli zgodnie z wytycznymi o sporządzaniu planu ładunkowego wartości sił tnących i momentów gnących w kadłubie statku na każdym etapie załadunku (kolejne kroki). 4. Opracowanie przygotowanego planu w postaci przedstawienia w sprawozdaniu z ćwiczenia etapów w których w czasie załadunku wystąpią największe siły tnące i momenty gnące w kadłubie statków. 5. Sporządzenie wniosków ze sprawozdania czym spowodowane są duże wartości siły tnącej i momentu gnącego oraz komentarza uzasadniającego miejsce występowania tych w wartości w kadłubie statku przy danym rozkładzie ciężaru (krzywa ciężaru) i położeniu równowagi statku (krzywa wyporu) 6. Odnalezienie na symulatorze inspekcji statku tych miejsc w kadłubie statku (np. gródź, pokład, dno, burta statku, zrębnica luku ładowni itp.) i zapoznanie się z obszarami szczególnie narażonymi na uszkodzenia (rysunek 8), a także zapoznanie się z rzeczywistymi uszkodzeniami w postaci załączonych rzeczywistych zdjęć z wybranych obszarów elementu konstrukcyjnego (rysunek 9 i 10). 7. Podsumowanie ćwiczenia, sporządzenie wniosków. WNIOSKI Charakter prowadzonej eksploatacji statków na morzach i oceanach wpływa na dużą liczbę wytycznych co do bezpieczeństwa takich jednostek. Uzyskane zgodnie z prawem odpowiednie certyfikaty powinny odpowiadać sprawności i przygotowaniu statku w zakresie bezpieczeństwa przewozu i transportu drogą morską. Do najważniejszych zalet związanych z wykorzystaniem omawianego symulatora na zajęciach dydaktycznych z przedstawionej tematyki można zaliczyć: 1. Wizualizację (foto realistyczną) elementów konstrukcyjnych kadłuba statki i przykładów ich uszkodzeń. 2. Możliwość symulowania różnych stanów powłoki malarskiej (korozja) i wiążące się z tym trudności w odnajdywaniu uszkodzeń konstrukcji, zwłaszcza na etapie początkowym. 3. Bardziej przekonujące, niż za pomocą wartości liczbowych przedstawienie skutków zbyt dużych naprężeń w kadłubie statku przykładowe uszkodzenia elementów konstrukcyjnych kadłuba oraz dodatkowe zdjęcia uszkodzonych elementów. 4. Komplet pomocy dydaktycznych związanych ze statkiem dla którego kadłuba symulowane są uszkodzenia (dokumentacja techniczno eksploatacyjna, kalkulator załadunku statku, 2643

9 symulator inspekcji statku). Pozwala to na przedstawianie wybranych zagadnień techniczno eksploatacyjnych w sposób kompleksowy na różnych płaszczyznach tj. w różnym ujęciu danej tematyki). Należy podkreślić również, że obowiązek dbałości o stan techniczny statku spoczywa w głównej mierze na załodze statku. Liczne inspekcje wymagają wcześniejszego przygotowania statku, a rozpoznanie uszkodzeń, ich właściwa interpretacja we wczesnej fazie może pozwolić na uniknięcie katastrofalnych skutków. Wykorzystanie tego narzędzia (Ship Survey Simulator) pomoże również w podkreśleniu rangi i ważności zagadnień związanych np. z oceną wytrzymałości kadłuba statku w eksploatacji. Streszczenie W artykule przedstawiono propozycje wykorzystania symulatora inspekcji statku (SuSi) stworzonego przez towarzystwo klasyfikacyjne Det Norske Veritas Germanischer Lloyd do prowadzenia zajęć dydaktycznych w zakresie związanym nadzorem nad stanem technicznym statków, problematyką wytrzymałości oraz korozji kadłuba statku. W artykule pokrótce scharakteryzowano prawny obowiązek przeglądów technicznych kadłuba statku oraz poruszono problem wytrzymałości konstrukcji jako jednego z istotnych kryteriów zapewnienia technicznego bezpieczeństwa jednostki. W artykule zestawiono wykaz tematów zajęć dydaktycznych zgodnych z programem studiów na kierunku Nawigacja Akademii Morskiej w Szczecinie oraz dopasowano funkcje symulatora SuSi, które mogłyby być wykorzystane do wizualizacji procesu korozji oraz w zapoznawaniu studentów z problemem wytrzymałości konstrukcji kadłuba statku. Zastosowanie symulatora inspekcji statku w procesie dydaktycznym nie tylko pozwala na wzbogacenie wykładów, ale również stanowi znakomite narzędzie za pomocą którego student zapoznaje się z specyfiką pracy na statku. Using the Survey Simulator for teaching of supervision of the technical condition and strength of the ship hull Abstract The paper presents proposals of using of the survey simulator (SuSi) created by the classification society Det Norske Veritas- Germanischer Lloyd to teach classes in the field related to the supervision of the technical condition of vessels, issue of durability and corrosion of the hull of the ship. The article briefly characterized as a legal obligation technical inspections of the hull and the problem of strength of the hull structure as one of the important criteria for the technical safety of the ship. The article summarizes the list of subjects according with the program of study in the Faculty of Navigation at Maritime University of Szczecin and fitted functions of simulator that could be used to visualize the corrosion process and familiarizing students with the problem of the structural strength of the hull of the ship. Using of the survey simulator in the teaching process not only allows for enrichment lectures, but also is a great tool by which the student becomes familiar with the specifics of the work on the ship. BIBLIOGRAFIA 1. Towarzystwo Klasyfikacyjne DNV GL; e_technology_training_surveyors.asp 2. Program studiów, kierunek Nawigacja, specjalność-transport Morski, studia inżynierskie 2012; 3. PŻM Polska Żegluga Morska w Szczecinie; kalkulator załadunku statku m/v Ziemia Zamojska 4. Więckiewicz W., Budowa kadłubów statków morskich, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia