Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - The Importance of Life Raft...

ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)

AKADEMII MORSKIEJ

W SZCZECINIE

IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA

E X P L O - S H I P 2 0 0 6

Leszek Smolarek

Ocena istotności zagrożeń

dla pneumatycznych tratew ratunkowych

Struktura systemowa tratew ratunkowych jest często mniej istotna niż ich funkcjo-nowanie, 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 ratunkowych1_.

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 im-portant as its operational functioning. The DRU failure is caused not only by DRU sys-tem changes, but is adversely affected by environmental factors (action of wind, cur-rents, and waves).

1 _{Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w latach 2004 – 2005} jako projekt badawczy.

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. zda-rzeń, 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 kwantyfi-kacja 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 jed-nak bardzo ograniczona możliwość oceny faktycznej ekspozycji systemu na różne zagrożenia.

Analizując zachowanie się tratew ratunkowych zauważamy, że jest to sys-tem 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. Zależ-ność ta ma postać funkcji, w których czas jest zmienną niezależną:

Str = Ψ(Vtr, Vw, Nrozb, STm, t), (1) gdzie:

Str – stan tratwy,

Vtr – prędkość dryfu tratwy,

Vw – prędkość wiatru,

Nrozb – liczba rozbitków w tratwie,

STm – stan morza,

t – czas.

Takie określenie czasu pozwala na odzwierciedlenie dynamiki modelo-wanego systemu. Sposób odzwierciedlenia dynamiki zależy od fizycznego cha-rakteru własności procesów i ich związków w modelowanym systemie lub jego części.

Tratwy pneumatyczne na statkach są najczęściej wykorzystywanym zbio-rowym środkiem ratunkowym. Pływają one na granicy dwóch ośrodków, wody i powietrza, z których każdy staje się zagrożeniem dla ich bezpiecznej eksploat-acji. Tratwa jako obiekt pływający ma spełniać wymagania stateczności na wo-dzie 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 ma-sie większej niż 80 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 wy-muszenia na wejściu systemu, powodującego jego przejście do innego stanu eksploatacyjnego lub technicznego.

Każda tratwa może znajdować się w jednym z następujących stanów eks-ploatacji:

 użytkowanie pasywne (tratwa w pojemniku na pokładzie);

 użytkowanie aktywne (tratwa napompowana wykorzystana do ratowania życia);

 obsługa (profilaktyczna – przegląd obowiązkowy, konserwacja, renowa-cja);

 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 technicz-nych tratwy pozwala analizować ją jako system wielostanowy o stanach:

 pełnej zdatności;

 częściowej zdatności (np. woda w tratwie, tratwa niedopompowana, tra-twa bez dryfkotwy, braki w wyposażeniu tratwy, tratra-twa 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;

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

czę-ściowej zdatności, łączącego w sobie dwa negatywne elementy dla bez-pieczeństwa 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 mor-skich brak jest wiarygodnych danych dotyczących powiązania skutków śmier-telnych z zastosowanymi środkami ratunkowymi, dlatego wskaźnik ten nie może być wykorzystany.

Jedną z metod analizy ryzyka jest określenie scenariuszy awaryjnych. Sce-nariusze powinny obejmować wszystkie potencjalne awarie. W przypadku dry-fujących środków ratunkowych występuje bardzo silna interakcja pomiędzy systemem i otoczeniem, dlatego należy w ocenie ryzyka uwzględnić wpływ wa-runków zewnętrznych.

Miary zagrożenia opierają się na obliczaniu prawdopodobieństwa pewnych niepożądanych zmian, np. w przypadku gdy warunki zewnętrzne są stałe:



Pr(W = fk) – prawdopodobieństwo wystąpienia warunków zewnętrznych fk,

Pr(Z/W) – prawdopodobieństwo warunkowe wystąpienia zagrożenia Z pod warunkiem wystąpienia warunków zewnętrznych W, Pr(M/ZW) – prawdopodobieństwo negatywnych skutków M pod

Złożoność warunków zewnętrznych jako środowiskowych procesów prze-strzennych 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( ) / Pr( ) Pr( ) awarii Pr(  Z  S Z  A ZS (4) gdzie:

Pr(Z) – prawdopodobieństwo wystąpienia bazowego zagrożenia ze-wnętrznego (np. wpływ otoczenia – fala załamująca się, ude-rzenie wiatru, duży przechył na fali, trym, itp.);

Pr(S/Z) – prawdopodobieństwo wystąpienia awarii technicznej które-goś z elementów systemu, błędu ludzkiego lub dodatkowego czynnika zewnętrznego zwiększającego zagrożenie, pod wa-runkiem 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 nega-tywne skutki dla ludzi. Analizując sekwencje zdarzeń prowadzących do wywró-cenia 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

Do oceny istotności poszczególnych zagrożeń w przypadku awarii polega-jącej na wywróceniu się tratwy można wykorzystać miary stateczności tratwy. Jako parametry charakteryzujące stateczność tratwy przyjęto:

 maksymalne ramię prostujące GZmax ,  maksymalny moment prostujący RMmax,

 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:

) ( ) ( 1 0 max 1 max max x Z RM x Z RM RM _   



gdzie: x0 i x1 stany zmiennej Z takie, że RMmax(Z = x0) > RMmax(Z = x1); dla zmiennej wielostanowej:

) Pr( ) ( ) ( 1 1 max max max i n i opt i RM Z x x Z RM x Z RM _{ }    

_

gdzie: xopt jest stanem zmiennej Z takim, że RM_max(Zx_opt)





max _{max i}

xi RM Z x



 , zaś sumowanie przebiega po i takich, że xi ≠ xopt .

Miara ta przyjmuje wartości z przedziału [0,1]. Im większa wartość miary tym większy jest wpływ rozpatrywanego czynnika na bezpieczeństwo tratwy.

W przypadku krzywej momentu prostującego RM miarę istotności dla za-grożeń opisanego zmienną typu ciągłego Zc, np. trym, określa wzór:







RM() – moment prostujący, gdy nie wystąpiło zagrożenie;

RM() – moment prostujący, gdy wystąpiło zagrożenie. Przypadek dynamiczny:

gdzie:

całkowanie przebiega po t  [0,T] i ,

fZc – jest gęstością prawdopodobieństwa rozkładu wartości zmiennej Zc, tzn. wartości poziomu zagrożenia Zc,

gZc – jest gęstością rozkładu opisującego prawdopodobieństwo wystąpie-nia zagrożewystąpie-nia Zc do chwili t.

Dla momentu krytycznego w przypadku dyskretnej zmiennej dychotomicz-nej: ) Pr( ) Pr( ) / Pr( 0 0 0 CM CM CM CM Z CM CM _i CM _      (9)

Dla momentu krytycznego w przypadku dyskretnej zmiennej wielostano-wej: 1 ) Pr( ) / Pr( 1 0 0      



gdzie: wi = ilość stanów zmiennej Zi.

Dla momentu krytycznego w przypadku zmiennej typu ciągłego:







Przypadek zmiennych dychotomicznych dotyczy sytuacji takich jak np. kie-szenie 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, 10-osobowej, z wypełnionymi wodą komorami balastowymi GZ i dla tratwy bez wypełnionych komór balastowych GZ: 4 7 3 2 10 3,70084 48 0,00006844 0,00438243 0,104719       GZ (12)

4 7 3 2 10 3,30291 77 0,00006510 0,00453071 0,115966              GZ (13) -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 f GZw GZ

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

500141 , 2 10 7563 , 0 00000026 , 0 0000325 , 0 00198 , 0 56895 , 0 04341 , 0 10 5378 , 4 0000013 , 0 00013 , 0 00594 , 0 11379 , 0 04341 , 0 484 , 1 0 6 9 5 4 3 2 484 , 1 0 5 9 4 3 2         _{    }         _{    }  _             _GZ d (14)

W przypadku maksymalnego momentu prostującego mamy:

108763 , 0 895089 , 0 797736 , 0 1 max    RM  (15) gdzie: x0 – kieszenie wypełnione, x1 – kieszenie niewypełnione.

3. Wpływ rozmieszczenia – przykład

Dwóch rozbitków znajduje się w tratwie 10-osobowej. Dystrybuanta roz-kładu RMmax ze względu na rozmieszczenie rozbitków dla przypadku tratwy 10-osobowej i dwóch rozbitków dana jest wzorem:

                               x x x x x x x x x x FRM 20 , 1 gdy 1 20 , 1 05 , 1 gdy 9556 , 0 05 , 1 90 , 0 gdy 8889 , 0 90 , 0 75 , 0 gdy 8 , 0 75 , 0 60 , 0 gdy 6444 , 0 60 , 0 45 , 0 gdy 3556 , 0 45 , 0 30 , 0 gdy 2 , 0 30 , 0 15 , 0 gdy 04444 , 0 15 , 0 gdy 0 ) ( (16) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Warianty rozmieszczenia je d n o s tk i u m o wn e

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:

501865 , 0 498135 , 0 1 max    RM



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 pod-nieść bezpieczeństwo systemu przez zwiększenie jego odporności na etapie pro-jektowania tratew. Wprowadzone w pracy miary, dla przypadków dynamicz-nych, 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 1995.

3. Renilson, M.R., Hamamoto, M.A., Standard Method for Presentation of

Capsize Data, Fourth International Ship Stability Workshop,

Newfound-land, Canada 1988.

4. Smolarek L., Model of Wind Forces Acting at a Life Raf, Proc. KONBiN 2003, Vol 1, 329-337.

5. Smolarek L., The Stochastic Model of Life Raft Capsizing Phenomenon, 6th Conference on Maneuvering and Control of Marine Crafts University of Gi-rona, GiGi-rona, Spain, September 17 – 19, 2003.

6. Smolarek L., Modelling of The Wind Generated Force Acting On The

Liferaft, Annual of Navigation, No. 6, 2003, 81-91.

7. Smolarek L., Inflatable life raft stability, Archives of Transport, Vol.XV No. 4, 41-57, 2003.

8. Smolarek L., Analiza ryzyka dla pneumatycznych tratew ratunkowych, Ze-szyty Naukowe Nr 2(74), Akademia Morska w Szczecinie, 305-315, 2004. 9. http://www.avweb.com/news/reviews/182493-1.html.

10. 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 2005; 76:2–10.

11. Stamatelatos M., Probabilistic Risk Assessment Procedures Guide for

NASA Managers and Practitioners, NASA Headquarters Office of Safety

and Mission Assurance (OSMA), 2002.

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, 81-225 Gdynia e-mail: leszsmol@am.gdynia.pl