ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Ocena istotności zagrożeń dla pneumatycznych tratew ratunkowych

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA EXPLO-SHIP 26 Leszek Smolarek Ocena istotności zagrożeń dla pneumatycznych tratew ratunkowych Słowa kluczowe: zagrożenia, tratwy ratunkowe, miary istotności Struktura systemowa tratew ratunkowych jest często mniej istotna niż ich funkcjonowanie, zaś awarii nie da się opisać za pomocą analizy zmian struktury systemu. Ważne jest więc analizowanie stanu systemu prowadzącego do wypadku. Istotne jest także stwierdzenie czy awaria systemu jest wypadkową negatywnych oddziaływań czynników zewnętrznych. W artykule przedstawiono zagadnienie oceny zdarzeń niebezpiecznych ze względu na ich istotność dla bezpieczeństwa tratew ratunkowych 1. The Importance of Life Raft Hazards Key words: safety, hazard factors, drifting rescue units, sea transport In many cases the system structure of drifting rescue units (DRU) is not so important as its operational functioning. The DRU failure is caused not only by DRU system changes, but is adversely affected by environmental factors (action of wind, currents, and waves). 1 Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w latach jako projekt badawczy. 257

2 Leszek Smolarek Wstęp Wymagania zawarte w dokumentach IMO określają parametry techniczne i statecznościowe dryfujących środków ratunkowych. Jednak warunki w trakcie eksploatacji czynnej (użytkowanie aktywne) i doświadczenia z wypadków, które zaistniały wykazują, że nie są one wystarczające, aby zapewnić odpowiednio wysoki poziom bezpieczeństwa rozbitków. Identyfikacja ryzyka polega na określeniu możliwych zagrożeń, tzn. zdarzeń, które mogą zmniejszyć szanse przetrwania rozbitków. Czynników ryzyka i ich wzajemnych kombinacji może być wiele, dlatego ważne jest odszukanie wszystkich rodzajów ryzyka dla zagrożeń bazowych, stanowiących początek sekwencji prowadzących do awarii. Analiza, której celem jest kwantyfikacja każdego ryzyka, to ocena zidentyfikowanych czynników ryzyka pod kątem prawdopodobieństwa i potencjalnych skutków ich wystąpienia. Taka kwantyfikacja pozwala oszacować ekspozycję ryzyka, tzn. wartość oczekiwaną ryzyka dla systemu. W przypadku analizy ryzyka określenie prawdopodobieństwa, jak i ocena skutków nie są zadaniami prostymi. Gdy nie ma dostępu do statystyk ryzyka, należy skorzystać z opisowej kwantyfikacji prawdopodobieństwa, istnieje jednak bardzo ograniczona możliwość oceny faktycznej ekspozycji systemu na różne zagrożenia. Analizując zachowanie się tratew ratunkowych zauważamy, że jest to system dynamiczny zmieniający swój stan i własności w czasie. Wynika to ze zmienności w czasie czynników hydrometeorologicznych. Oznacza to, że zmienne występujące w modelach tych systemów, są zależne od czasu. Zależność ta ma postać funkcji, w których czas jest zmienną niezależną: S tr V tr V w N rozb S tr = Ψ(V tr, V w, N rozb, ST m, t), (1) stan tratwy, prędkość dryfu tratwy, prędkość wiatru, liczba rozbitków w tratwie, ST m stan morza, t czas. Takie określenie czasu pozwala na odzwierciedlenie dynamiki modelowanego systemu. Sposób odzwierciedlenia dynamiki zależy od fizycznego charakteru własności procesów i ich związków w modelowanym systemie lub jego części. 258

3 Ocena istotności zagrożeń dla pneumatycznych tratew ratunkowych Tratwy pneumatyczne na statkach są najczęściej wykorzystywanym zbiorowym środkiem ratunkowym. Pływają one na granicy dwóch ośrodków, wody i powietrza, z których każdy staje się zagrożeniem dla ich bezpiecznej eksploatacji. Tratwa jako obiekt pływający ma spełniać wymagania stateczności na wodzie spokojnej zarówno w stanie załadowanym, jak i pustym. Uwzględniona jest dodatkowa masa, jaka może znaleźć się w tratwie (czy to będą dodatkowe osoby ponad nominalną liczbę osób mogących znaleźć się w tratwie, czy osoby o masie większej niż 8 kilogramów każdy, czy woda która znalazła się w tratwie). Model dynamiczny pozwala na zbadanie zachowania tratwy ratunkowej nie tylko w stanie równowagi (stabilnym), ale także w przypadku zadziałania wymuszenia na wejściu systemu, powodującego jego przejście do innego stanu eksploatacyjnego lub technicznego. Każda tratwa może znajdować się w jednym z następujących stanów eksploatacji: użytkowanie pasywne (tratwa w pojemniku na pokładzie); użytkowanie aktywne (tratwa napompowana wykorzystana do ratowania życia); obsługa (profilaktyczna przegląd obowiązkowy, konserwacja, renowacja); wycofanie tratwy z eksploatacji (np. w czasie przeglądu lub po podjęciu rozbitków); oczekiwanie na użytkowanie (magazynowanie). W przypadku stanu obsługi stopień zagrożenia zależy od jakości pracy ośrodka wykonującego przegląd. Ponieważ nie można określić stanu tratwy znajdującej się w pojemniku, dlatego zmiany stanów technicznych dotyczą stanu użytkowania aktywnego tratwy. Czynniki oddziałujące na tratwę mają naturę losową. Powoduje to, że każda tratwa może, niezależnie od danej chwili i stanu eksploatacyjnego, znajdować się w innym stanie technicznym. Proces zmian stanu technicznego jest losowy, ciągły w czasie i dyskretny w stanach. Założenie dyskretności stanów technicznych tratwy pozwala analizować ją jako system wielostanowy o stanach: pełnej zdatności; częściowej zdatności (np. woda w tratwie, tratwa niedopompowana, tratwa bez dryfkotwy, braki w wyposażeniu tratwy, tratwa wywrócona); niezdatności (np. tratwa nie została spuszczona, nie zadziałały zwalniaki hydrostatyczne, tratwa nie wypełniła się gazem). Stany częściowej zdatności można podzielić na dwie grupy: stany umożliwiające powrót do pełnej zdatności; stany uniemożliwiające przywrócenie pełnej zdatności. 259

4 Leszek Smolarek W przypadku stanu częściowej zdatności może występować przejście do drugiego stanu częściowej zdatności a także do stanu pełnej zdatności czy też do stanu niezdatności, np.: usunięcie wody z tratwy powoduje powrót do stanu pełnej zdatności, zalanie falą niedopompowanej tratwy powoduje wystąpienie stanu częściowej zdatności, łączącego w sobie dwa negatywne elementy dla bezpieczeństwa ludzi. We wszystkich definicjach ryzyka można wyróżnić dwa czynniki: prawdopodobieństwo wystąpienia zagrożenia (PWZ), skutki wystąpienia zagrożenia (SWZ). Najprostszym wzorem określającym ryzyko (R) jest iloczyn tych dwóch czynników postaci: R = PWZ SWZ (2) W analizach ryzyka dąży się do oceny wszystkich możliwych rodzajów skutków, jednak ze względu na niezwykle szeroki zakres takich analiz jak i brak wystarczającej wiedzy, przyjęto skutki śmiertelne traktować jako reprezentujące wszystkie inne rodzaje skutków lub strat. Niestety w przypadku wypadków morskich brak jest wiarygodnych danych dotyczących powiązania skutków śmiertelnych z zastosowanymi środkami ratunkowymi, dlatego wskaźnik ten nie może być wykorzystany. Jedną z metod analizy ryzyka jest określenie scenariuszy awaryjnych. Scenariusze powinny obejmować wszystkie potencjalne awarie. W przypadku dryfujących środków ratunkowych występuje bardzo silna interakcja pomiędzy systemem i otoczeniem, dlatego należy w ocenie ryzyka uwzględnić wpływ warunków zewnętrznych. Miary zagrożenia opierają się na obliczaniu prawdopodobieństwa pewnych niepożądanych zmian, np. w przypadku warunki zewnętrzne są stałe: R = Pr( W = f ) Pr( Z / W ) Pr( M / Z W ) (3) k k R ryzyko, Pr(W = f k ) prawdopodobieństwo wystąpienia warunków zewnętrznych f k, Pr(Z/W) prawdopodobieństwo warunkowe wystąpienia zagrożenia Z pod warunkiem wystąpienia warunków zewnętrznych W, 26

5 Ocena istotności zagrożeń dla pneumatycznych tratew ratunkowych Pr(M/Z W) prawdopodobieństwo negatywnych skutków M pod warunkiem wystąpienia zagrożenia Z i warunków zewnętrznych W. Złożoność warunków zewnętrznych jako środowiskowych procesów przestrzennych sprawia, że nieodzowna staje się budowa modeli stochastycznych opisujących tratwę ratunkową jako system. Analizując zagadnienia dotyczące zastosowania modeli stochastycznych do opisu zmian procesów eksploatacji tratwy można stwierdzić, że: czas eksploatacji tratwy jest zmienną losową ciągłą, czasy przebywania procesu w stanach jako zmienne losowe mogą mieć rozkłady dowolne, a nie tylko wykładnicze; proces eksploatacji tratwy można traktować jako proces dyskretny w stanach i ciągły w czasie. Jeżeli dla scenariusza awarii wyróżnione zostanie zdarzenie inicjujące, to prawdopodobieństwo awarii można opisać wzorem: Pr( awarii) = Pr( Z) Pr( S / Z) Pr( A/ Z S) (4) Pr(Z) prawdopodobieństwo wystąpienia bazowego zagrożenia zewnętrznego (np. wpływ otoczenia fala załamująca się, uderzenie wiatru, duży przechył na fali, trym, itp.); Pr(S/Z) prawdopodobieństwo wystąpienia awarii technicznej któregoś z elementów systemu, błędu ludzkiego lub dodatkowego czynnika zewnętrznego zwiększającego zagrożenie, pod warunkiem wystąpienia zagrożenia bazowego Z; Pr(A/Z S) prawdopodobieństwo warunkowe wystąpienia awarii pod warunkiem wystąpienia Z i S. Wywrócenie się tratwy jest jednym z zagrożeń stwarzających duże ryzyko dla rozbitków, nie tylko ze względu na częstość występowania, ale także negatywne skutki dla ludzi. Analizując sekwencje zdarzeń prowadzących do wywrócenia się tratwy otrzymujemy, że istnieje kilka różnych zdarzeń inicjujących te sekwencje. W pracy przedstawione są propozycje miar określających wpływ różnych zmiennych losowych, opisujących wpływ czynników wewnętrznych i zewnętrznych na stateczność tratwy. 1. Miary istotności 261

6 Leszek Smolarek Do oceny istotności poszczególnych zagrożeń w przypadku awarii polegającej na wywróceniu się tratwy można wykorzystać miary stateczności tratwy. Jako parametry charakteryzujące stateczność tratwy przyjęto: maksymalne ramię prostujące GZ max, maksymalny moment prostujący RM max, krzywą ramion prostujących, moment krytyczny CM. Zmienne losowe wykorzystane do opisu mogą być: typu dyskretnego: dwustanowe (dychotomiczne), wielostanowe; typu ciągłego. W przypadku maksymalnego momentu prostującego mamy: dla zmiennej dychotomicznej: RM max ( Z = x1 ) µ RM max = 1 (5) RM ( Z = x ) x i x 1 stany zmiennej Z takie, że RM max (Z = x ) > RM max (Z = x 1 ); dla zmiennej wielostanowej: max n RM max ( Z = xi ) µ RM max = 1 Pr( Z = xi ) (6) RM ( Z = x ) i= 1 max x opt jest stanem zmiennej Z takim, że RMmax( Z = xopt ) = = { RM ( Z = x )}, zaś sumowanie przebiega po i takich, że xi x opt. max max i x i Miara ta przyjmuje wartości z przedziału [,1]. Im większa wartość miary tym większy jest wpływ rozpatrywanego czynnika na bezpieczeństwo tratwy. W przypadku krzywej momentu prostującego RM miarę istotności dla zagrożeń opisanego zmienną typu ciągłego Z c, np. trym, określa wzór: opt RM(ϕ) [ RM ϕ) RM Zc ( ϕ) ] µ = ( f ( ω) dω GZ moment prostujący, nie wystąpiło zagrożenie; Zc (7) 262

7 Ocena istotności zagrożeń dla pneumatycznych tratew ratunkowych RMω(ϕ) moment prostujący, wystąpiło zagrożenie. Przypadek dynamiczny: GZ = [ RM ( ϕ, t) RM Zc ( ϕ, t) ] fzc ( ω) gzc ( t dωdt µ ) (8) całkowanie przebiega po t [,T] i ω Ω, f Zc jest gęstością prawdopodobieństwa rozkładu wartości zmiennej Zc, tzn. wartości poziomu zagrożenia Zc, g Zc jest gęstością rozkładu opisującego prawdopodobieństwo wystąpienia zagrożenia Zc do chwili t. Dla momentu krytycznego w przypadku dyskretnej zmiennej dychotomicznej: Pr( CM CM / Zi ) Pr( CM CM ) µ CM = (9) Pr( CM CM ) Dla momentu krytycznego w przypadku dyskretnej zmiennej wielostanowej: wi Pr( CM CM / Zi = x j ) Pr( CM CM ) µ CM j= 1 = w 1 (1) w i = ilość stanów zmiennej Z i. Dla momentu krytycznego w przypadku zmiennej typu ciągłego: i [ Pr( CM CM / Zi = ω) Pr( CM CM ) ] µ = dω CM fzi ( ω) Ω (11) Przypadek zmiennych dychotomicznych dotyczy sytuacji takich jak np. kieszenie balastowe wypełnione lub niewypełnione, dryfkotwa jest sprawna lub nie jest sprawna, zaś przypadek zmiennych wielostanowych, np. liczba rozbitków w tratwie, rozmieszczenie rozbitków. 2. Wpływ kieszeni wodnych przykład Stosując przekształcenia analityczne, otrzymamy następujące przybliżone wzory na wielkość ramienia prostującego dla tratwy okrągłej, 1-osobowej, 263

8 Leszek Smolarek z wypełnionymi wodą komorami balastowymi GZ i dla tratwy bez wypełnionych komór balastowych GZ ω : 2 3 3,784 4 GZ =,14719 ϕ, ϕ +, ϕ ϕ (12) , GZ ω =, ϕ,45371 ϕ +,65177 ϕ ϕ (13) GZw GZ,8,6,4, ,2 φ Rys. 1. Krzywe stateczności statycznej dla obu przypadków, w jednostkach umownych Fig. 1. The curves of static stability for both cases expressed in conventional units 1, , µ GZ =,4341+,11379ϕ,594ϕ +,13ϕ,13ϕ + ϕ = 9 dϕ , =,4341ϕ +,56895ϕ,198ϕ +,325ϕ,26ϕ + ϕ 9 1 = 2,5141 W przypadku maksymalnego momentu prostującego mamy: x kieszenie wypełnione, 1,484 = (14), µ RM max = 1 =,18763 (15),

9 Ocena istotności zagrożeń dla pneumatycznych tratew ratunkowych x 1 kieszenie niewypełnione. 3. Wpływ rozmieszczenia przykład Dwóch rozbitków znajduje się w tratwie 1-osobowej. Dystrybuanta rozkładu RM max ze względu na rozmieszczenie rozbitków dla przypadku tratwy 1-osobowej i dwóch rozbitków dana jest wzorem: F RM,4444,2,3556 ( x) =,6444,8,8889, x,15,15 < x,3,3 < x,45,45 < x,6,6 < x,75,75 < x,9,9 < x 1,5 1,5 < x 1,2 1,2 < x (16) 1,4 1,2 1 jednostki umowne,8,6,4, Warianty rozmieszczenia Rys. 2. Wielkość maksymalnego momentu prostującego, w jednostkach umownych, dla różnych wariantów rozmieszczenia rozbitków Fig. 2. The maximum righting moment, in conventional units, for different variants of survivor location W przypadku maksymalnego momentu prostującego mamy: 265

10 Leszek Smolarek µ = 1, =,51865 (17) RM max Wnioski Różne miary istotności prowadzą do tworzenia zróżnicowanych rankingów zagrożeń. Miary istotności zagrożeń pozwalają na hierarchizację zagrożeń i określenie, które z nich najbardziej zmniejszają bezpieczeństwo dryfujących środków ratunkowych. Identyfikacja i hierarchizacja zagrożeń ze względu na ryzyko pozwala podnieść bezpieczeństwo systemu przez zwiększenie jego odporności na etapie projektowania tratew. Wprowadzone w pracy miary, dla przypadków dynamicznych, uwzględniają wpływ czasu na funkcje ryzyka. W przypadku zmiennych wielostanowych i zmiennych typu ciągłego, miary dotyczą kombinacji zdarzeń takich jak: położenie tratwy na fali, rozmieszczenie rozbitków w tratwie, siły wiatrowe działające na tratwę. Literatura 1. Gourlay T., Lilienthal T., Dynamic Stability of Ships in Waves, Australian Maritime College, Tasmania. 2. Kabaciński J., Stateczność i niezatapialność statku, Wyższa Szkoła Morska w Szczecinie, Szczecin Renilson, M.R., Hamamoto, M.A., Standard Method for Presentation of Capsize Data, Fourth International Ship Stability Workshop, Newfoundland, Canada Smolarek L., Model of Wind Forces Acting at a Life Raf, Proc. KONBiN 23, Vol 1, Smolarek L., The Stochastic Model of Life Raft Capsizing Phenomenon, 6 th Conference on Maneuvering and Control of Marine Crafts University of Girona, Girona, Spain, September 17 19, Smolarek L., Modelling of The Wind Generated Force Acting On The Liferaft, Annual of Navigation, No. 6, 23, Smolarek L., Inflatable life raft stability, Archives of Transport, Vol.XV No. 4, 41-57, Smolarek L., Analiza ryzyka dla pneumatycznych tratew ratunkowych, Zeszyty Naukowe Nr 2(74), Akademia Morska w Szczecinie, ,

11 Ocena istotności zagrożeń dla pneumatycznych tratew ratunkowych 1. Tikuisis P., Bell D.G., Keefe A.A., Pope J., Life raft entry from water: effect of strength, tallness, and weight burden in men and women, Aviat Space Environ Med 25; 76: Stamatelatos M., Probabilistic Risk Assessment Procedures Guide for NASA Managers and Practitioners, NASA Headquarters Office of Safety and Mission Assurance (OSMA), 22. Recenzent prof. dr hab. inż. kpt.ż.w. Stanisław Gucma Adres Autora dr Leszek Smolarek Akademia Morska w Gdyni Wydział Nawigacyjny ul. Morska 81-87, Gdynia leszsmol@am.nia.pl Wpłynęło do redakcji w lutym 26 r. 267