Morskie urządzenia odbojowe

Transkrypt

1 Morskie urządzenia odbojowe Część II. Nowoczesne rozwiązania i technologie Dr hab. inż. Waldemar Magda Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska W niedawno opublikowanej części pierwszej artykułu [3], poświęconej projektowaniu urządzeń odbojowych stosowanych w budownictwie morskim, poruszono kilka istotnych aspektów związanych przede wszystkim z: przyczynami kolizji statku z konstrukcją postojową (np. nabrzeżem), określaniem wyjątkowej energii kinetycznej statku do zaabsorbowania przez odbojnicę, charakterystyką pracy urządzenia odbojowego, parciem burty statku na urządzenie odbojowe, konstrukcją panelu odbojowego i okładziny ślizgowej, rozstawem urządzeń odbojowych na nabrzeżu. Dodatkowo dokonano krótkiego przeglądu nowych generacji statków (kontenerowców, wycieczkowców i szybkich promów o kadłubie katamaranu), zwracając uwagę na ich cechy (kształt kadłuba, wielkość oraz rodzaj napędu), mające bezpośrednio wpływ na sposób obciążenia urządzenia odbojowego. W prezentowanej aktualnie drugiej części artykułu zostanie przedstawionych kilka nowoczesnych rozwiązań i technologii, wytyczających kierunki rozwoju gałęzi budownictwa morskiego związanej z projektowaniem, wykonawstwem i eksploatacją morskich urządzeń odbojowych. Podane zostaną również przykłady urządzeń, które łączą lub w niedalekiej przyszłości połączą funkcje odbojową i cumowniczą, tworząc tzw. urządzenia cumowniczo-odbojowe, a nawet cumowniczo-odbojowo-przeładunkowe. MORSKIE URZĄDZENIA ODBOJOWE zrywającego, ponieważ takie właśnie warunki będą cechowały pracę urządzenia przez większość jego okresu projektowej żywotności. Materiał, jakim jest guma, cechuje pewna pamięć odkształcenia. Zasadniczo kształt, jaki uzyska element gumowy urządzenia odbojowego w pierwotnym cyklu ściskania, będzie kształtem preferowanym w ciągu całego okresu żywotności urządzenia odbojowego. Gdyby urządzenie odbojowe zostało zainstalowane bez uprzedniego przeprowadzenia cyklu zrywającego w warunkach laboratoryjno-produkcyjnych, urządzenie to będzie przejawiało tendencje do utraty symetrii odkształcenia i nadal będzie się odkształcało sprężyście, ale pod pewnym kątem (ściskanie ukośne), co może prowadzić do powstawania niekorzystnego układu sił, działającego na konstrukcję nabrzeża. Ściskanie ukośne urządzenia odbojowego może spowodować, że elementy gumowe urządzenia odbojowego już nigdy (nawet w warunkach ściśle kontrolowanych) nie będą odkształcane sprężyście w taki sposób, w jaki zamierzyli to projektanci urządzenia. Skutkiem takiego zachowania może być utrata skuteczności pracy oraz obniżenie projektowanego okresu żywotności urządzenia odbojowego. Na rys. 2 przedstawiono charakterystykę pracy odbojnicy stożkowej w przypadku ściskania ukośnego. Tylko dla kąta odchylenia kierunku działania obciążenia od pionu a = 0 10 ob- Pierwotny cykl ściskania W przypadku urządzeń odbojowych, których głównymi elementami pochłaniającymi energię kinetyczną podchodzącego statku są elementy wykonane z gumy, ogromne znaczenie odgrywa tzw. pierwotny cykl ściskania, czyli pierwszy po wyprodukowaniu urządzenia odbojowego proces ściskania tego urządzenia. Podczas pierwotnego cyklu ściskania elementu gumowego urządzenia odbojowego (rys. 1) występują dwa istotne zjawiska, a mianowicie: zerwanie wiązań poprzecznych w materiale elastomeru (gumy, kauczuku); z tego względu pierwotny cykl ściskania nazywany jest także cyklem zrywającym; nadanie pamięci odkształcenia elementu czynnego odbojnicy. Część wiązań poprzecznych pomiędzy długimi łańcuchami makrocząsteczek elastomeru, powstałych w trakcie tzw. sieciowania w procesie wulkanizacji, zostaje zerwana. Każdy następny cykl ściskania będzie już wymagał przyłożenia siły mniejszej o około 20 30% w celu osiągnięcia tego samego stopnia deformacji sprężystej niż wymagane to było w pierwotnym cyklu ściskania. Dlatego tak ważne jest, aby charakterystyka katalogowa urządzenia odbojowego, dostarczona przez producenta, odpowiadała charakterystyce urządzenia po zadziałaniu cyklu Rys. 1. Element gumowy odbojnicy stożkowej w trakcie przeprowadzania pierwotnego cyklu ściskającego INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/

2 serwuje się kilkuprocentowy wzrost energii potencjalnej sprężystego ugięcia odbojnicy, co należy uznać za zjawisko korzystne i jak najbardziej pożądane. Jednak dalszy wzrost wartości kąta a przyczynia się do dość nagłej redukcji energii potencjalnej, nawet do około 50% dla a 30, co może znacząco uszczuplić potencjał odbojnicy do absorbowania energii kinetycznej statku. Jednocześnie obserwowaną redukcję reakcji odbojnicy należy uznać za zjawisko korzystne, wpływające na poprawę warunków stateczności konstrukcji, do której zamocowane jest urządzenie odbojowe. Tempo deformacji sprężystej badania laboratoryjne Rys. 2. Pogorszenie charakterystyki pracy odbojnicy stożkowej w wyniku ściskania ukośnego [11] Jeszcze do niedawna badania laboratoryjne odkształcenia gumowych elementów urządzeń odbojowych prowadzono z niewielkimi prędkościami odkształcenia (do kilku centymetrów na minutę, rys. 3). Przykładem tego mogą być zalecenia japońskiej firmy Sumitomo [11], skandynawskiej firmy Fentek [10] lub niemieckiej FenderTeam [7], w których prędkość odkształcenia wynosi 2 8 cm/min. Najnowsze zalecenia PIANC [8] w tym zakresie nakazują jednak prowadzenie ściskania z dużo większą prędkością 15 cm/s. Oczywiście, w przypadku wielkogabarytowych urządzeń odbojowych wykonanie tego zalecenia jest bardzo trudne, a nawet często niemożliwe, czego powodem jest brak odpowiednich pras hydraulicznych (o dużej sile nacisku w połączeniu ze znaczną prędkością przesuwu). Bardzo często ściskane elementy gumowe urządzeń odbojowych mają drobne wcięcia, co ma ukierunkować nadanie najbardziej efektywnego z projektowego punktu widzenia kształtu w trakcie ich ściskania. Jest to pewnego rodzaju sztuczna pamięć odkształcenia, celowo narzucona przez projektantów i producentów urządzeń odbojowych. Wykonanie wcięć w bryle gumowego elementu urządzenia odbojowego a) c) b) Rys. 3. Charakterystyka pracy urządzenia odbojowego (a, b), prasa hydrauliczna do badania odbojnic typu π w laboratorium japońskiej firmy Sumitomo (c) 204 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2011

3 jest szczególnie istotne, gdy zakłada się pracę takiego urządzenia przy znacznych prędkościach odkształcenia. Trzeba pamiętać, że obecnie spotykane szybkie promy samochodowe (Ro-Ro) i pasażersko-samochodowe (Ro-Pax) podchodzą do urządzeń cumowniczych ze stosunkowo dużą prędkością (nawet od kilkunastu do kilkudziesięciu centymetrów na sekundę). Odbojnice pneumatyczne Yokohama Gumowa odbojnica pneumatyczna typu pływającego japońskiej firmy Yokohama została po raz pierwszy wyprodukowana w 1958 r. w celu zastąpienia martwych wielorybów umieszczanych pomiędzy cumującymi do siebie wielorybniczymi statkami-przetwórniami. Obecnie są powszechnie stosowane jako pochłaniacze energii o wysokiej pojemności przy kontakcie statek-statek (tzw. cumowaniu w tandemie) w trakcie prowadzenia prac przeładunkowych ropy naftowej i skroplonego gazu propan-butan (LPG) pomiędzy superzbiornikowcami, głównie na wodach otwartego morza (rys. 4a). Wymiary odbojnic dochodzą do 4,5 m średnicy i 12 m długości. Odbojnice pneumatyczne umożliwiają łagodny początkowy kontakt, z jednocześnie stopniowym wzrostem siły reakcji i dużego dopuszczalnego odkształcenia sprężystego. System monitorujący odbojnice, opracowany przez firmę Yokohama w 2006 r., wykorzystuje elementy układu opracowanego dla potrzeb kontroli ciśnienia w oponach samochodów osobowych. Głównym elementem systemu zdalnej kontroli odbojnicy pneumatycznej jest czujnik ciśnienia zainstalowany wewnątrz morskiej odbojnicy pneumatycznej (rys. 4b). Dane pomiarowe są przesyłane sygnałem bezprzewodowym do poręcznych przenośnych urządzeń peryferyjnych na odległość do 30 m. Wprowadzenie systemu monitorowania do praktyki inżynierskiej zredukowało znacznie koszty napraw i konserwacji odbojnic pneumatycznych. Zdalny pomiar ciśnienia ułatwia dodatkowo ciągłe monitorowanie i ilościową ocenę aktualnej odległości pomiędzy dwoma cumującymi statkami w trakcie cumowania statków w tandemie. Pływające odbojnice piankowe Firma Marine Fenders International, Inc. jest najważniejszym w świecie producentem morskich wysoko sprawnych odbojnic pływających typu zawiesiowego wypełnionych pianką uretanową (rys. 5). Główne zalety piankowej odbojnicy pływającej, o nazwie Ocean Guard, to: wysoka absorpcja energii przy stosunkowo niskiej sile reakcji, nieuleganie całkowitemu uszkodzeniu, nawet gdy nastąpi perforacja zewnętrznej powłoki uretanowej, pianka uretanowa wypełniająca o zamkniętych komórkach nie absorbuje wody, odporna, nie brudząca i wzmocniona uretanowa powłoka zewnętrzna. Początkowo zewnętrzną powłokę odbojnicy piankowej wykonywano wyłącznie w tradycyjnym kolorze czarnym. Szybko jednak zauważono, że prawie każdy kontakt statku z taką odbojnicą (także z odbojnicą pneumatyczną) skutkował powstaniem znacznych czarnych śladów na burcie statku. Efekt ten można było akceptować w odniesieniu do statków starszych generacji, charakteryzujących się burtą w kolorze czarnym. Ślady te są jednak szczególnie widoczne, a wręcz szpecące na burtach malowanych na biało, co obecnie prawie zawsze ma miejsce w przypadku takich statków, jak promy pasażerskie i pasażersko-samochodowe oraz wycieczkowce. Szybką odpowiedzią producentów morskich urządzeń odbojowych było opracowanie i wdrożenie do produkcji pływających odbojnic piankowych a) b) Rys. 4. Cumowanie dwóch statków w tandemie z wykorzystaniem odbojnic pneumatycznych Yokohama (a), czujnik ciśnienia wraz z przyrządem do zdalnego monitoringu (b) INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/

4 a) b) Rys. 5. Morska odbojnica pływająca Ocean Guard wypełniona pianką uretanową i pokryta zewnętrzną nie brudzącą powłoką uretanową w kolorze: czarnym (a) i żółtym (b) (firma Marine Fenders International, Inc.) o zewnętrznej powłoce w jasnym kolorze (np. żółtym do cumowania statków pasażerskich lub szarym do cumowania okrętów marynarki wojennej), nie pozostawiających uciążliwych czarnych śladów na burcie statku. Przesuwno-obrotowy system odbojowy Wraz z gwałtownym rozwojem w projektowaniu nowoczesnych statków, szczególnie typu Ro-Ro i Ro-Pax, oraz postępem techniki i technologii konstrukcyjnych pojawiło się ogromne zapotrzebowanie na urządzenia odbojowe nowej generacji, które: w sposób istotny redukują obciążenia konstrukcyjne, są proste w instalacji i w zasadzie nie wymagają konserwacji, pozwalają na podchodzenie do cumowania statków zarówno starszej konstrukcji, jak i nowych klas. Przesuwno-obrotowy system odbojowy, produkowany początkowo przez firmę Fentek, a następnie firmę Trelleborg Marine Systems (rys. 6), jest uznawany za jedno z najbardziej zaawansowanych urządzeń odbojowych, jakie kiedykolwiek powstało. Cechami charakterystycznymi systemu są przede wszystkim: 1. Ciągłe utrzymanie panelu czołowego w pozycji pionowej bez względu na miejsce przyłożenia obciążenia (redukcja obciążeń konstrukcyjnych, w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi, wynosi około 30 60%). W przypadku statków z pasem burtowym (np. szybkich promów pasażerskich i pasażersko-samochodowych) uchylenie panelu czołowego jest w przypadku odbojnicy przesuwnej mniejsze niż 1, co całkowicie eliminuje ryzyko pojawienia się dodatkowych punktów styku pod linią wody lub wysoko na burcie np. w okolicach bulai (rys. 7). 2. Swoboda ruchu obrotowego panelu czołowego w celu łatwego przystosowania się do większych kątów podchodzenia statku do linii cumowniczej. 3. Poprawne funkcjonowanie w przypadku statków o niskiej wolnej burcie (np. kontenerowców dowozowych) w wyniku dużej powierzchni styku i co za tym idzie małych obciążeń na burtę. Łańcuchy nie są już wymagane do kontroli geometrii odkształcenia, jak ma to miejsce w przypadku tradycyjnych systemów odbojowych uchylnych (np. odbojnic z łańcuchowymi ogranicznikami odkształcenia), które zwykle wytwarzają znaczne siły działające na balustrady statku, umieszczane tuż nad pokładem. 4. Odbojnica przesuwna jest tak zaprojektowana, aby sprostać znacznym obciążeniom zgniatającym, wywołanym przez statki z pasem burtowym. Szczególne znaczenie ma tu zastosowanie płyt odbojowych (ochronnych), wykonanych z niezwykle wytrzymałego materiału, jakim jest polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMW-PE), charakteryzujący się dodatkowo bardzo niską wartością współczynnika tarcia. Na marginesie warto wspomnieć, że pierwowzór przesuwno-obrotowego systemu odbojowego (rys. 8) zaproponował już w 1964 r. Vasco Costa [4] prekursor wielu prac i analiz z dziedziny morskich urządzeń odbojowych. Laserowy pomiar prędkości statku Prędkość statku (zarówno liniowa, jak i obrotowa) jest podstawowym parametrem decydującym o intensywności procesu obciążenia urządzenia odbojowego przez statek podchodzący do stanowiska cumowniczego. Ważność tego parametru jest wzmocniona faktem występowania prędkości statku w drugiej potędze we wzorze na energię kinetyczną statku w chwili uderzenia jego burty w odbojnicę [1, 2, 3]. A zatem możliwość stałej kontroli prędkości w ostatniej fazie operacji podchodzenia statku do konstrukcji postojowej (np. nabrzeża lub szeregu dalb odbojowych i cumowniczo-odbojowych) jest bardzo istotna z punktu widzenia bezpieczeństwa statku, konstrukcji postojowej i samego urządzenia odbojowego. 206 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2011

5 a) b) Rys. 6. Nowoczesny przesuwno-obrotowy system odbojowy firmy Fentek: Mukran (Niemcy) (a), Immingham (Anglia) (b) [10] a) b) Rys. 7. Przesuwno-obrotowy system odbojowy zamontowany na nabrzeżu bazy promowej szybkich promów pasażersko-samochodowych klasy HSS: Harwich (Anglia) (a), Hoek van Holland (Holandia) (b) [10] Rys. 8. Pierwowzór przesuwno-obrotowego systemu odbojowego autorstwa Vasco Costy (1964) [4] Przy osiąganych dzisiaj gabarytach współczesnych statków handlowych nie wystarcza już tylko jakościowa ocena wzrokowa prędkości podchodzenia statku do cumowania. Dlatego coraz częściej wykorzystuje się w tym celu nowoczesne systemy pomiarowe umożliwiające dokonanie pomiaru aktualnej prędkości statku. Jednym z nich jest laserowy system pomiaru prędkości. Głównym elementem laserowego systemu pomiaru jest urządzenie mieszczące w sobie nadajnik w postaci lasera i odbiornik promienia laserowego (rys. 9a). Najczęściej wykorzystuje się lasery pracujące w podczerwieni, ale coraz częściej znajdują zastosowanie tzw. lasery zielone, czyli lasery pracujące w części widzialnej widma promieniowania, emitujące światło w kolorze zielonym (długość fali 532 nm). Uzupełnieniem systemu jest duża elektroniczna tablica informacyjna (rys. 9b), zainstalowana na nabrzeżu w miejscu dobrze widocznym dla kapitana kierującego operacją cumowania statku z wysokości mostku kapitańskiego. Na tablicy wyświetlane są w sposób ciągły informacje na temat prędkości podchodzenia statku oraz jego aktualnej odległości od linii cumowniczej zarówno części dziobowej statku, jak i jego części rufowej. W momencie przekroczenia dopuszczalnej prędkości podchodzenia na tablicy uaktywniają INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/

6 a) b) Rys. 9. Laserowy system pomiaru prędkości statku podchodzącego do stanowiska cumowniczego: nadajnik-odbiornik promienia laserowego (a), tablica informacyjna nabrzeżowa oraz przenośne urządzenia wizualizacyjno-informacyjne (b) się ostrzegawcze alarmy w postaci systemu świetlnego i sygnału dźwiękowego. Na wyposażeniu dodatkowym systemu znajdują się często urządzenia przenośne o wielkości palmtopa (rys. 9b), wykorzystujące sieć internetową i dostarczające niezbędnych informacji (schematów operacyjnych i wartości liczbowych) praktycznie w dowolne miejsce. Nowe układy systemów odbojowych BGV (fr. Bateau à Grande Vitesse) to koncepcja superszybkiego statku, powstałego w wyniku takiej modyfikacji konstrukcji trimaranów, aby ograniczyć siły oporu hydrodynamicznego, utrzymując jednocześnie wystarczającą stateczność przy dużych prędkościach. Trimarany o nowej konstrukcji są zaprojektowane do przewozu zarówno pasażerów, jak i towarów (rys. 10). Pierwsze rejsy tych jednostek zaplanowano dla tras pomiędzy Bolonią Nadmorską (fr. Boulogne-sur-Mer) w północnej Francji i Drammen w Norwegii oraz Sheerness w Wielkiej Brytanii i Vigo w Hiszpanii. Rozpoczęcie eksploatacji trimaranów nowej generacji pomiędzy Francją i Wielką Brytanią jest przewidziane na rok 2012 w celu obsługi turystycznej letnich igrzysk olimpijskich w Londynie. Co prawda, rynek szybkich promów istnieje już od lat, to jednak ich żegluga w trudnych i niesprzyjających warunkach otwartego morza nadal pozostaje nie lada wyzwaniem. Ogromne korzyści armatorów, płynące z obsługi szybkich połączeń promowych to przede wszystkim: znaczne obniżenie kosztów na skutek nielicznego personelu załóg promów oraz zwiększenie przewozów w wyniku bardziej pewnych i wyższych prędkości przewozowych (skrócenie cyklu przewozowego). Jak na razie wykorzystanie szybkich promów jest ograniczone do stosunkowo krótkich tras, najczęściej na obszarach mórz zamkniętych i to w warunkach spokojnego morza. Długość największych trimaranów jest zbliżona do długości lotniskowca i wynosi 230 m. Ich możliwości przewozowe to 1500 pasażerów oraz 242 samochody osobowe i 10 autokarów. Trimarany BGV charakteryzują się dużą dzielnością morską, dzięki której możliwe staje się uzyskanie znacznej prędkości a) b) Rys. 10. Trimarany BGV promy niedalekiej przyszłości: wersja handlowa (a), wersja wojskowa (b) 208 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2011

7 Rys. 11. Wizja artystyczna systemów odbojowych i cumowniczo-odbojowych przewidzianych dla obsługi trimaranów BGV rejsowych również w warunkach wysokiej fali morza wzburzonego. Pędniki strugowodne pozwalają zapewnić odpowiednią wartość wskaźnika mocy napędu głównego do ciężaru statku, przy której możliwe jest uzyskanie prędkości do 65 węzłów (około 120 km/h), czyli prawie o 20 węzłów więcej od obecnie spotykanych szybkich promów o kadłubie katamaranu (np. promy HSS klasy 1500). Unikalny kształt jednostki BGV, sprzyjający powstawaniu stosunkowo małych sił oporu przy jednocześnie minimalnym kołysaniu wzdłużnym i bocznym, powoduje potrzebę odpowiedniego podejścia jednostki do cumowania. Proponowane rozwiązania są jednak niskokosztowe i zezwalają na utrzymanie użytkowania tych nabrzeży również przez statki innego rodzaju (rys. 11). Koncepcja Via Mare Balticum prognoza dla Bałtyku Południowego Zdaniem niemiecko-duńskiego przedsiębiorstwa promowego Scandlines, żegluga promowa przyszłości musi opierać się na sieci tzw. błękitnych autostrad przez Bałtyk. Pracownicy Scandlines opracowali w tym celu koncepcję nowej żeglugi promowej, nazwaną Via Mare Balticum [5]. Zgodnie z tą koncepcją, bardzo ważną zmianą, zauważalną już na statkach typu Rys. 12. Otwarta furta dziobowa promu samochodowo-pasażerskiego (statku typu Ro-Pax) Post-Estonia, jest umieszczenie wjazdu na główny pokład na wyższym poziomie (dotyczy to zarówno furt dziobowych, jak i rufowych (rys. 12). Promy klasy Post-Estonia powstały w odpowiedzi na tragiczne w skutkach katastrofy takich promów, jak m.in.: MS Herald of Enterprise (Ro-Pax), 6 marca 1987, 193 ofiary śmiertelne, MS Estonia (Ro-Pax), 27/28 września 1994, 852 ofiary śmiertelne. W związku z najnowszymi przepisami bezpieczeństwa, dla większości statków typu Ro-Ro i Ro-Pax wysokość progu ma wzrosnąć z 1,5 2,5 m do 3 m, a w niedalekiej przyszłości nawet do 4 m, oczywiście przy stanie pełnego załadowania. Będzie to wymagało stworzenia wyższych nabrzeży, sięgających poziomu 5 m powyżej zwierciadła wody. W konsekwencji konieczne będzie wydłużenie strefy działania urządzeń odbojowych znacznie powyżej poziomu wody. Chrońmy płaczące drzewa kauczukowca Gospodarka rabunkowa tropikalnych lasów Ameryki Południowej (głównie w Amazonii), Ameryki Środkowej oraz Azji Południowo-Wschodniej postępuje nieustannie. Chodzi tu przede wszystkim o bardzo intensywne pozyskiwanie soku mlecznego (żywicy, lateksu) z drzew kauczukowca, rosnących w warunkach naturalnych. Kauczukowce wydzielają najwięcej soku mlecznego wczesnym rankiem, kiedy to zbieracze robią ukośne nacięcie w połowie pnia. Każdy z pracowników w ciągu trzech godzin nacina około 300 drzew, a następnie wraca, aby zebrać pozyskany w tym czasie lateks. Przez około dwa tygodnie na tych samych drzewach wykonuje się kolejne nacięcia ciągle z tej samej strony pnia, ale za każdym razem odrobinę niżej. Po upływie około trzech lat przystępuje się do nacinania kory po przeciwnej stronie pnia. Drzewa kauczukowca, ze względu na sposób pozyskiwania soku mlecznego, nazywane są często płaczącymi drzewami (ang. crying trees, rys. 13a). Po dodaniu odpowiednich stabilizatorów do soku mlecznego otrzymuje się kauczuk naturalny, który następnie podlega oczyszczaniu, a potem wyciskaniu i suszeniu (rys. 13b). W wyniku procesu wulkanizacji kauczuku naturalnego produkowana jest guma naturalna, z której to m.in. wytwarzane są morskie urządzenia odbojowe. Istnieją co prawda specjalne plantacje roślin kauczukodajnych, to jednak nie są one w stanie pokryć światowego zapo- INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/

8 a) b) Rys. 13. Pozyskiwanie soku mlecznego z drzewa kauczukowego (a), suszenie mat kauczukowych (b) Rys. 14. Poliuretanowe odbojnice modułowe ZPTS Milanówek zainstalowane na nabrzeżu (elementy poliuretanowe mają tu charakterystyczne żółtawo-pomarańczowe zabarwienie) [13] trzebowania na ten surowiec. Dlatego na szczególne uznanie zasługują wszelkie próby stosowania zamienników kauczuku naturalnego, w postaci np. kauczuku syntetycznego, czy też poliuretanu, do produkcji różnych wyrobów gumopodobnych, w tym także elementów sprężyście odkształcalnych w morskich urządzeniach odbojowych. W tym miejscu należy z satysfakcją odnotować działalność rodzimego przedsiębiorstwa ZPTS Milanówek, mającego w swej ofercie produkcyjnej szeroką gamę morskich urządzeń odbojowych, w których elementy czynne wykonywane są z tzw. lanego poliuretanu (rys. 14) [13]. MORSKIE URZĄDZENIA CUMOWNICZO-ODBOJOWE Przez tysiące lat tradycyjna praktyka cumowania statków za pomocą lin pozostała niezmieniona. Nawet na dzisiejszym wysoce konkurencyjnym rynku transportowym z dziesiątkami tysięcy statków obsługujących potężny handel międzynarodowy towarami masowymi i konsumenckimi, metody cumowania pozostały w dużej mierze niezmienne od czasów, gdy pierwsi żeglarze zaryzykowali wyjście w morze. Jednak w celu obniżenia zatrudnienia do minimum, tak na pokładzie statku, jak i w porcie, coraz większą popularność w intensywnie eksploatowanych terminalach promowych zdobywają urządzenia do cumowania automatycznego, eliminując w ten sposób konieczność istnienia tzw. załóg cumowniczych i czyniąc proces cumowania bezpieczny dla człowieka. Trzeba jednak pamiętać, że tego rodzaju nowoczesne i na razie dość kosztowne rozwiązania są ekonomicznie uzasadnione tylko w portach o dużych kosztach robocizny, jak ma to miejsce w krajach skandynawskich i Europy Zachodniej. Jedno z takich rozwiązań zaproponowała szwedzka firma TTS Port Equipment AB, która projektuje, konstruuje i instaluje mechaniczne systemy automatycznego cumowania do obsługi promów kolejowych oraz szybkich promów pasażerskich i pasażersko-samochodowych o kształcie katamaranu. System automatycznego cumowania składa się ze stalowej konstrukcji szkieletowej przytwierdzonej do nabrzeża, wewnątrz której porusza się pionowo wózek z pierścieniem cumowniczym. Po dobiciu statku do nabrzeża i dokładnym jego pozycjonowaniu, opuszczany pierścień nachodzi na specjalny bolec, zainstalowany we wnęce burty cumowanego statku. Układ siłowników hydraulicznych zapewnia odpowiednią siłę cumowniczą i jest w stanie przejąć obciążenie poprzeczne o wartości do 1000 kn, co czyni ten system największym na świecie pod względem nośności (rys. 15). Automatyczne systemy cumownicze, a w niedalekiej przyszłości cumowniczo-odbojowe, zaprojektowane w celu szybkiego (< 12 s) mocowania i natychmiastowego zwalniania statku przy nabrzeżu, oferują znaczne korzyści w kategoriach bezpieczeństwa, ekonomii i środowiska. Ryzyko zranienia pracowników załóg cumowniczych, tych na pokładzie statku i tych na nabrzeżu, uczestniczących w operacjach cumowania i odcumowywania statków, zostaje w ten sposób całkowicie wyeliminowane (automatyczne systemy cumownicze wymagają zwykle tylko jednoosobowej obsługi). Opisany wyżej nowoczesny system jest wyłącznie systemem cumowniczym i w celu przeprowadzenia całej operacji dobija- 210 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2011

9 System automatycznego cumowania próżniowego MoorMaster Rys. 15. System automatycznego cumowania zainstalowany na jednym z nabrzeży kolejowych w porcie w Trelleborgu w Szwecji nia i przycumowania statku musi współpracować z tradycyjnym systemem odbojowym, składającym się z szeregu tradycyjnych urządzeń odbojowych zainstalowanych w linii cumowniczej nabrzeża. Istnieją jednak rozwiązania, pozostające jeszcze w sferze prób, dążące do stworzenia uniwersalnego systemu odbojowo-cumowniczego, łączącego w sobie funkcje odbojową i cumowniczą. Zupełnie inne pod względem zasady działania rozwiązanie zaproponowała nowozelandzka firma Mooring Systems Limited (MSL), specjalizująca się w produkcji rewolucyjnych systemów automatycznego cumowania próżniowego. System ten zastosowano na szeroką skalę w Nowej Zelandii i Australii, natomiast w Europie po raz pierwszy w porcie Dover. System automatycznego cumowania MoorMaster może być zainstalowany na nabrzeżu (tzw. system lądowy), jak i statku (tzw. system burtowy). Charakterystyka pracy systemu i jego podatność są zbliżone do warunków pracy tradycyjnego cumowania linowego. Jednak zamiast lin, urządzenie wykorzystuje tzw. panele próżniowe (poduszki) do zapewnienia połączenia cumowniczego (rys. 16). Każdy stalowy panel jest otoczony elastycznym grubym kołnierzem w postaci gumowej uszczelki i działa na zasadzie przyssawki dzięki próżni wytwarzanej w obszarze ograniczonym powierzchnią panelu, uszczelką i powierzchnią burty statku. W ten sposób system próżniowy wytwarza mierzalną siłę cumowniczą, zapewniając fizyczne połączenie pomiędzy statkiem i nabrzeżem. Przy wyłączonym systemie powierzchnie czołowe paneli próżniowych pozostają poza linią maksymalnego sprężystego ugięcia tradycyjnego systemu odbojowego zainstalowanego na nabrzeżu. W wyniku Rys. 16. System automatycznego cumowania MoorMaster w wersji nabrzeżowej INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/

10 Rys. 17. Jednostka HiLoad DP przeznaczona do dokowania pełnomorskiego zbiornikowców i superzbiornikowców (VLCC, ang. Very Large Crude Carrier) aktywacji systemu próżniowego panele próżniowe są wysuwane w kierunku burty statku i próżniowe połączenie cumownicze jest uzyskiwane praktycznie w ciągu kilku sekund. Projektowe nośności urządzeń MoorMaster wahają się od 400 kn do 800 kn. Są przeznaczone głównie dla statków Ro- Ro o długości od 70 do 250 m. Liczba urządzeń wymaganych do bezpiecznego cumowania statku zależy od pola powierzchni nawiewu i warunków pogodowych. W większości przypadków jest wymaganych od 2 do 6 jednostek dla cumowania pojedynczego statku przy nabrzeżu. Urządzenie ma możliwość poruszania panelami próżniowymi w kierunkach poziomym oraz pionowym i może stawiać czoło wahaniom pływowym nawet do 10 m oraz gwałtownej fali powodującej pionowe ruchy dziobu i rufy statku o prędkości dochodzącej do 1 m/s. W swej nowszej odmianie system MoorMaster może być instalowany na pionowej ścianie nabrzeża, uwalniając się tym samym od wpływu bliskości wszystkich powierzchni przeładunkowych na nabrzeżu. Co istotne, tego rodzaju instalacje na nabrzeżach kontenerowych, masowych i drobnicowych nie powodują żadnego zakłócania prac przeładunkowych. Obecnie każda z wersji opisanego systemu cumowniczego MoorMaster musi współpracować z układem tradycyjnych urządzeń odbojowych. Trwają jednak szeroko zakrojone prace badawczo-wdrożeniowe nad dualnym systemem odbojowocumowniczym, w którym system MoorMaster byłby w stanie pełnić również funkcję odbojową przez odpowiednie tłumienie energii kinetycznej dobijającego statku w siłownikach hydraulicznych paneli odbojowo-cumowniczych. Takie rozwiązanie pozwoliłoby oczywiście na wyeliminowanie tradycyjnego systemu odbojowego na nabrzeżu. System HiLoad DP dokowania pełnomorskiego Z operacją podchodzenia jednostki pływającej do cumowania mamy do czynienia głównie na obszarach portowych i stoczniowych. Jednak ciągle rozwijane i intensyfikowane pełnomorskie górnictwo naftowe wymaga prowadzenia prac przeładunkowych na pełnym morzu, a to z kolei powoduje konieczność istnienia odpowiednich sposobów podejścia zbiornikowca do drugiego zbiornikowca (tzw. cumowanie w tandemie) lub do pławy cumowniczo-przeładunkowej. Obecnie najnowocześniejszym rozwiązaniem jest prototypowa jednostka pływająca HiLoad DP, pozwalająca na bezpieczny załadunek ropy naftowej i gazu ziemnego z morskich platform wydobywczych i wydobywczo-magazynowych lub jednostek pływających typu FSO (ang. Floating Storage and Offloading System pływający system magazynowy i przeładunkowy) i FSPO (ang. Floating Production Storage and Offloading System pływający system wydobywczy, magazynowy i przeła- 212 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2011

11 dunkowy) na zbiornikowce, opracowana przez norweską firmę Remora ASA i skonstruowana przez norweską firmę Aibel AS. W budowie tej unikalnej konstrukcji uczestniczyła także Morska Stocznia Remontowa SA ze Świnoujścia. Jednostka została zwodowana na początku 2009 roku i pracuje w sektorze norweskim Morza Północnego [9]. HiLoad DP to pełnomorska jednostka pływająca, wyposażona w układ dynamicznej stabilizacji pozycji (potocznie nazywany układem dynamicznego pozycjonowana), o przekroju poprzecznym kadłuba w kształcie litery L (rys. 17). Składa się ona z kadłuba wypornościowego oraz dwu smukłych wież po obu stronach części rufowej kadłuba. Na górnej powierzchni pokładu jednostki znajduje się tarciowy system połączeniowy, dzięki któremu jednostka może połączyć się z dolną powierzchnią kadłuba zbiornikowca. Wymiary powierzchni pokładu zapewniają prawie 500 m 2 powierzchni tarciowej, co umożliwia wytworzenie siły połączenia tarciowego o wartości 60 tys. kn [12]. Giętki przewód załadowczy, biegnący z podwodnej instalacji wydobywczej, pływającej instalacji produkcyjno-magazynowej (FSPO) lub platformy morskiej, jest na stałe połączony z jednostką cumowniczo-załadunkową HiLoad DP. Końcową sekcję układu załadunkowego stanowi nawinięty na dużą stalową szpulę przewód, który po połączeniu jednostki ze zbiornikowcem jest następnie odwijany i łączony z kolektorem zbiornikowca. System zapewnia możliwość obrotu zbiornikowca o 360. Zbiornikowiec może dokować do jednostki cumowniczo-załadunkowej HiLoad DP przy wysokości fali znacznej sięgającej 4,5 m [12]. Oczywiste wydaje się nazwanie systemu HiLoad DP systemem dokowania, a nie systemem cumowniczym, ze względu na brak wykorzystania jakichkolwiek cięgien cumowniczych podczas operacji połączenia zbiornikowca z jednostką HiLoad DP. Poza funkcją dokowania, jednostka HiLoad DP spełnia także funkcję odbojową i to dwojakiego rodzaju. Po pierwsze jednostka jest wyposażona w dwa klasyczne urządzenia odbojowe, widoczne na obu pionowych wieżach, zapobiegające uszkodzeniu kadłuba zbiornikowca oraz kadłuba jednostki HiLoad DP w trakcie operacji dokowania. Ich potencjał pochłaniania energii kinetycznej statku nie musi jednak być aż tak duży, jak ma to miejsce w odbojnicach nabrzeżowych. Dzieje się tak dlatego, gdyż właściwa funkcja odbojowa jednostki HiLoad DP jest gwarantowana odpowiednią sztywnością jej klasycznego układu kotwiczenia za pomocą układu cięgien kotwicznych. Zastosowanie jednostki HiLoad DP powoduje obniżenie kosztów eksploatacyjnych w stosunku do tradycyjnych rozwiązań alternatywnych (np. cumowanie w tandemie lub do boi cumowniczo-przeładunkowej typu, CALM), poprzez wyeliminowanie asysty holowników i statków pomocniczych, mogących pracować wyłącznie za dnia i przy wysokości fali do 1,5 2,0 m. Dalsze obniżenie kosztów operacji cumowniczych spowodowane jest brakiem konieczności korzystania z tradycyjnego systemu kotwiczenia zbiornikowca z użyciem cięgien kotwicznych. System HiLoad DB może pracować bez przerwy całą dobę i jego zastosowanie nie wymaga wprowadzania żadnych modyfikacji w konstrukcji zbiornikowców, czy też FSPO. Prawdopodobnie największą korzyścią zastosowania HiLoad DP jest znaczna poprawa regularności importu/eksportu (rozładunku/ załadunku) medium transportowanego zbiornikowcami. System jest także całkowicie uniezależniony od głębokości wody, co czyni go wyjątkowo atrakcyjnym i przydatnym do prowadzenia prac na obszarach głębokowodnych. System ten eliminuje także konieczność wyposażania zbiornikowców w układy dynamicznego pozycjonowania. PODSUMOWANIE W części drugiej artykułu, poświęconego urządzeniom odbojowym stosowanym w budownictwie morskim, przedstawiono kilka przykładów świadczących dobitnie o aktualnych trendach rozwojowych tej dziedziny inżynierii morskiej. Omówiono wpływ pierwotnego cyklu ściskania oraz tempa deformacji sprężystej na pracę morskich odbojnic, scharakteryzowano nowoczesne urządzenia odbojowe: odbojnice pneumatyczne, pływające odbojnice piankowe, przesuwno-obrotowy system odbojowy. Przedstawiono urządzenie do laserowego pomiaru prędkości statku podchodzącego do linii cumowniczej, a także pokazano w zarysie przyszłościowy układ odbojowy proponowany do obsługi nowoczesnych promów o kadłubie trimaranu. Zasygnalizowano istnienie koncepcji Via Mare Balticum i wynikającej z niej prognozy dla portów Bałtyku Południowego, dotyczącej koniecznych zmian umiejscowienia urządzeń odbojowych na nabrzeżach terminali promowych. Wskazano także na potrzebę poszukiwania rozwiązań alternatywnych w sferze materiałów do produkcji morskich odbojnic, czego przykładem są odbojnice wykonane z tzw. lanego poliuretanu. Na końcu przedstawiono zalety wyrafinowanego automatycznego systemu cumowania próżniowego oraz pełnomorskiego systemu dokowania zbiornikowców. LITERATURA 1. Magda W.: Absorpcja energii kinetycznej statku przez urządzenie odbojowe nabrzeża. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 5/ Magda W., Sikora Z.: Przyczynek do projektowania morskich urządzeń odbojowych. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 3/ Magda W.: Morskie urządzenia odbojowe. Cz. I: kilka uwag o projektowaniu.. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 6/ Vasco Costa F.: The berthing ship. The effect of impact on the design of fenders and other structures. The Dock & Harbour Authority; Part I: May 1964, str ; Part II: June 1964, str ; Part III: July 1964, str Baltic Gateway: Future trends in the design of ro-ro and ro-pax vessels operating in the southern Baltic. Sea Highways Ltd., March Design of Fender Systems, Working Group on Fender System Design, Japanese National Section of PIANC, March burg. On the safe side. Products, katalog firmy FenderTeam GmbH, Ham- 8. Guidelines for the Design of Fender Systems: Report of Working Group 33 of the Maritime Navigation Commission, International Navigation Association, Brussels, Belgium HiLoad DP no. 1 leaves yard. Offshore, March 20, Marine Fendering Systems, katalog firmy Fentek Marine Systems GmbH, Trelleborg Engineering Systems, INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/

12 11. New Selection of Fender. The New Answer for Approaching Right Fender, katalog firmy Sumitomo, Ref. No. MF-410, Sumitomo Rubber Industries, Ltd, Kobe, Japan. 12. Offloading technique offers improved uptime in all water depths. Offshore, April 1, katalog Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych (ZPTS) w Milanówku. PODZIĘKOWANIE: Inspiracją do napisania powyższego artykułu był referat pt. Morskie urządzenia odbojowe (projektowanie, nowoczesne rozwiązania), wygłoszony przez autora na Bałtyckim Salonie Gospodarki Morskiej Morskie systemy odbojowe (Międzynarodowe Targi Gdańskie S.A., Gdańsk, 23 czerwca 2010). Autor artykułu składa podziękowanie Panu Witoldowi Topolskiemu, dyrektorowi naczelnemu ZPTS Poliuretany za zamówienie oraz sponsoring referatu. 214 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2011