Національний університет кораблебудування
імені адмірала Макарова

Єгоров Геннадій Вячеславович

УДК 629.5.067:005:62-192

МЕТОДОЛОГІЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НАДІЙНОСТІ
ТА БЕЗПЕКИ КОРПУСІВ СУДЕН
ОБМЕЖЕНИХ РАЙОНІВ ПЛАВАННЯ

Спеціальність 05.08.03

Механіка та конструювання суден

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Миколаїв – 2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Морському інженерному бюро, м. Одеса.

Офіційні опоненти:

- Заслужений працівник народної освіти України, доктор технічних наук, професор Воробйов Юрій Леонідович, Одеський національний морський університет, завідувач кафедри;

- Заслужений працівник народної освіти України, доктор технічних наук, професор Кочанов Юрій Петрович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри;

- доктор технічних наук, професор Сизов Віктор Григорович, Одеська національна морська академія, професор кафедри.

Провідна організація – Севастопольський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться " 14 " лютого 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д38.060.61 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9, аудиторія 360.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий " 11 " січня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Д38.060.61

доктор технічних наук, професор С.С.Рижков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Значні економічні переваги суден обмежених районів плавання (СОРП) дозволили їм стійко зайняти місце на ринку транспортних послуг, яке раніше належало морським суднам відповідної вантажопідйомності. На початок 2003 року під наглядом Російського морського Регістру судноплавства (РС) перебувало 955 СОРП (60% від загальної кількості транспортних суден), Регістру судноплавства України (РУ) – 109 СОРП (97%).

Більш як 80% суден, що були передбачені до побудови на верфях України та Росії, є СОРП, причому ця тенденція у найближчий час не зміниться. Середній вік суховантажних і нафтоналивних СОРП перевищив 22 роки, що дозволяє очікувати використання значного потенціалу суднобудування України для побудови нових СОРП, у тому числі і для російських замовників, потреби яких оцінюються приблизно у двісті одиниць.

У даному дослідженні поняття СОРП розширене автором за рахунок включення суден внутрішнього плавання (СВП), оскільки більша частина класів СОРП є перехідними між морськими суднами необмеженого району плавання та СВП, причому архітектурно-конструктивний тип (АКТ) СОРП, суден змішаного плавання (СЗП) та СВП, відбиває єдиний підхід до їхнього проектування.

Будь-яке СОРП – судно з обмеженою, але контрольованою надійністю, безпека якого забезпечується додатковими організаційно-технічними заходами – обмеженнями за районами, сезонами, вітро-хвильовими умовами плавання. Основна проблема створення СОРП полягає в обгрунтованому виборі раціональної технічної стратегії поєднання класифікаційних обмежень та економічних переваг, знаходження "золотої" середини поміж вимогами прийнятної надійності, безпеки з одного боку та економічної ефективності з іншого упродовж основних етапів життєвого циклу (ЖЦ) судна: проектування та побудови, експлуатації, ремонту, модернізацій. Незважаючи на значну кількість публікацій провідних вітчизняних спеціалістів упродовж останніх п'ятдесяти років, рішення подібної проблеми для СОРП у цілому не розглядалося.

У цій роботі основна увага приділена вивченню СОРП, рекласифікованих із СВП як суден, що експлуатуються у рамках нових норм РУ та РС за стандартом загальної та місцевої міцності, і СОРП системи Дунай-Майн-Рейн (ДМР), питання забезпечення надійності та ефективності яких у науковій та технічній літературі практично не висвітлювались.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрям дисертаційних досліджень відповідає Закону України "Про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні" № 433-IV від 16.01.03, ст. 8 "Середньострокові пріоритетні напрямки інноваційної діяльності" (п. 2 "Машинобудування і приладобудування як основа високотехнологічного відновлення всіх галузей, суден і електровозів нового покоління").

Дослідження виконувалися згідно з планом НДР РУ 2001-2003 рр. за договором № ГМТУ-01-01 "Підготовка пропозицій за Бюлетенем № 2 Виданий як Частина II "Корпус" Правил РУ 2002 р. до Правил РУ 2000 р. видання", за договором № РСУ-03-01 "Правил класифікації та побудови малих суден".

Суттєву частину склали НДР, виконані під керівництвом та за безпосередньою участю автора як відповідального виконавця, відповідно до планів НДР РС – провідного у СНД класифікаційного товариства (КТ), під наглядом якого перебуває суттєва частина суден українських судновласників, у 1996-2003 рр., включаючи такі теми: № РМРС-96-01 "Розробка пропозицій щодо доповнень вимог Регістру (Частина II "Корпус", п.1.4.9) у частині регламентації завантаження суден обмеженого району плавання IIЗП і IIIЗП"; № РМРС-96-02 "Дослідження морехідних якостей (слемінгу, заливності та втрати швидкості на хвилюванні) суден класів IIЗП і IIIЗП, що існують та рекласифікуються"; № РМРС-96-03 "Оцінка зміни зусиль на тихій воді при затопленні трюмів для типових балкерів"; № РС-17/97 "Дослідження морехідних якостей (слемінгу, заливності та втрати швидкості на хвилюванні) суден класів II і III"; № РС-18/97 "Розробка правил Регістру із складання інструкцій щодо завантаження суден, що перевозять навалочні вантажі"; № РС-7/98 "Розробка пропозицій для створення методичних вказівок РС із складання інструкцій щодо завантаження морських транспортних суден"; № 180-1 (Регіональне Управління РС в Україні) "Підготовка пропозицій щодо формування розділу "Корпус" Правил РС для суден внутрішнього плавання (для басейну Дунай-Рейн-Майн)"; № РС-12/2000 "Розробка методик розрахунку загальної та місцевої міцності корпусів суден внутрішнього плавання"; № 26/2000 "Підготовка методичних вказівок із розробки суднової інструкції щодо безпечної зміни баласту в морі та відповідного бортового програмного забезпечення"; № РС-16/2001 "Підготовка позиції РС для робочих груп МАКТ у частині вимог до міцності суховантажних і наливних суден" (аналіз вимог правил); № РС-17/2001 "Розробка вимог РС до корпусів суден внутрішнього плавання, призначених для перевезення наливних вантажів і небезпечних вантажів в упаковці та навалом"; № РС-49/2001 "Розробка вимог щодо радіаційного захисту для суден, що перевозять радіоактивні матеріали"; № РС-69/2001 "Розробка вимог РС щодо проведення САР корпусу судна з підготовкою розрахункового прикладу САР (Корпус)"; № РС-5/2002 "Розробка вимог до документації на небезпечні вантажі для перевезення на суднах"; № РС-26/2003 "Розробка пропозицій із методики розрахунку міцності та остійності корпусу судна при перегоні".

Важливі науково-практичні результати були отримані автором при виконанні дослідницьких і проектно-конструкторських робіт (загальною кількістю більше 470) за договорами із провідними судновласниками та суднобудівними підприємствами України
і Росії.

Метою дослідження є створення теоретичного підгрунтя проектування, оцінки технічного стану, оновлення, подовження строку служби, модернізацій та конверсій СОРП, які забезпечують комплексне технічне вирішення проблеми забезпечення надійності, безпеки та ефективності корпусів СОРП.

У рамках дослідження вирішені завдання:

аналізу умов експлуатації та систематизації зовнішніх впливів на корпуси СОРП;

ідентифікації основних небезпек, які потребують коректування діючих нормативних вимог до міцності корпусів СОРП, у тому числі у станах, що раніше не розглядалися;

розробки методів аналізу ризику експлуатації корпусів СОРП;

створення наукового підгрунтя проектування сучасних СОРП, включаючи нову їх концепцію, створення правил КТ;

розробки та розвитку методів розрахунку і контролю міцності та надійності корпусів СОРП на стадії проектування та експлуатації;

наукового обгрунтування різних напрямів збільшення строку служби існуючого транспортного флоту, у тому числі ПАС11 Зазвичай застосовується абревіатура CAP – Condition Assessment Program. (Програми Аналізу Стану), оновлення, конверсії та модернізації.

Об’єктом дослідження є СОРП, якими вважаються усі судна, що мають обмеження за районами та сезонами плавання.

Предметом дослідження є міцність, надійність, безпека та ефективність корпусів СОРП на основних етапах ЖЦ з урахуванням ризику їх використання та можливості подовження строку служби.

Як наукові методи дослідження використовуються аналітичні та експериментальні методи на підставі системного підходу, у тому числі метод формалізованої оцінки безпеки (ФОБ), метод імовірнісного аналізу безпеки (ІАБ), метод аналізу можливих відмов та їх наслідків, а також методи математичної теорії надійності, теорії надійності суднових конструкцій, будівельної механіки корабля та проектування суден. Застосовуються також методи управління проектами.

Робота містить нові науково обгрунтовані розробки для вирішення найважливішої народногосподарської проблеми забезпечення надійності, безпеки та ефективності СОРП на основних стадіях ЖЦ суден із використанням ризик-орієнтованих підходів.

Наукова новизна дослідження полягає у отриманні автором особисто таких наукових результатів:

1. Розвинені теоретичні положення формалізованої оцінки ризику, яка дозволяє в умовах невизначеності інформації про пошкодження корпусів суден ідентифікувати і ранжирувати основну небезпеку. Вперше запропонована єдина класифікація морських та річкових СОРП за районами плавання на підставі принципу еквівалентного ризику. Вдосконалений метод контролю зусиль на тихій воді з урахуванням особливостей розподілу навантаження СОРП.

2. Розроблене наукове підгрунтя методу техніко-економічного аналізу ризику, що дозволяє об’єктивно нормувати стандарт міцності корпусів суден.

3. Уперше пропонується метод розрахунку загальної міцності корпусів СВП для європейських внутрішніх водних шляхів (ВВШ), що базується на застосуванні критерію граничної пластичної міцності (КГПМ), з урахуванням зношування до кінця строку служби та навантаженнях, які виникають при вантажних операціях (ВО), посадках на мілину, затопленні відсіків, а також станів під час ремонтних операцій. За допомогою аналізу існуючих суден розроблена сітка основних характеристик тестових СВП для європейських ВВШ. На базі теорії ризику вдосконалені вимоги до мінімального граничного моменту опору корпусу СВП. Уперше введені та обгрунтовані величини "гарантованого" стандарту міцності СВП, забезпечення якого дозволяє врахувати усі основні впливи на корпус.

4. Розвинені методи вибору головних елементів вантажних СОРП, проектування конструкцій корпусу із врахуванням вимог експлуатаційної надійності та мінімізації маси.

5. Розроблені принципи визначення нормативних швидкостей зношування , що дозволяють виконати їх достовірну оцінку для завдань, пов’язаних із проектуванням і розрахунками міцності конструкцій суден. Уперше показано, що найбільш поширеним законом розподілу швидкостей зношування є логнормальний закон.

6. На підставі чисельного моделювання вперше виконаний аналіз ризику аварій під час зміни баласту в морі.

7. Уточнений метод прямих перевірочних розрахунків залишкової місцевої міцності конструкцій СОРП із визначенням розрахункових навантажень та станів, що допускаються, який дозволяє прийняти обгрунтовані технічні рішення для зношених конструкцій при проведенні чергових оглядів та при виконанні проектів з оновлення корпусів, що у рамках існуючої нормативної бази є неможливим.

8. Уперше було розроблене наукове підгрунтя процедури ПАС, яка являє собою незалежну від класифікації рейтингову оцінку фактичного технічного стану конкретного судна. Уперше запропоноване вирішення питання ранжирування конструкцій корпусу із визначенням умовного ступеня важливості кожного елемента. Розвинені теоретичні положення оновлення та конверсії як засобів збільшення строку служби суден, що існують.

9. Встановлені експлуатаційні фактори, які неявно враховуються у завданні так званих мінімальних товщин . Уперше для конструкцій СВП отримані відповідні аналітичні залежності, що роблять зрозумілим фізичну сутність .

На підставі отриманих теоретичних результатів сформульовані такі нові наукові положення, що містять:

концепцію ефективного і надійного СОРП нового покоління як судна з максимальним використанням габаритів шлюзів і каналів ВВШ; для забезпечення найбільшої економічної ефективності збільшеним (на 4-5%) коефіцієнтом загальної повноти; підвищеною (на 40-60%) вантажомісткістю при мінімально можливій висоті борту за рахунок застосування неперервних по довжині надпалубних конструкцій; покращеною керованістю у стислих умовах за рахунок застосування повноповоротних гвинто-кермових колонок (ГКК); підвищеною експлуатаційною надійністю конструкцій суднового корпусу при оптимальній металоємності останнього за рахунок збільшення висоти поперечного перерізу, зменшеної шпації поздовжнього набору, вибору розмірів конструкцій із врахуванням експлуатаційного навантаження, що раніше не враховувалось у правилах побудови; зменшеними (у 1,5-2,0 рази) втратами швидкості на хвилюванні за рахунок збільшення потужності головних двигунів (ГД);

принциповий висновок про те, що основною небезпекою з позицій переломів корпусів СВП є експлуатаційні впливи у вигляді ВО, посадок на мілину, затоплення відсіків, помилок під час ремонтних операцій, а використання в існуючих нормативах хвильового навантаження як головної небезпеки для даного класу суден є необгрунтованим; це дозволяє підвищити експлуатаційну надійність за рахунок проектування конструкцій СВП на ті впливи, від яких пошкодження є найбільш імовірним;

обгрунтування того, що забезпечення надійності та безпеки, подовження строку служби існуючих СОРП, що мають недостатню утомну та зносну довговічність у морських умовах; недостатню місткість вантажних трюмів і танків; значні втрати швидкості під час шторму, є можливим виключно на підставі системного підходу з урахуванням умов експлуатації, вантажів, що перевозяться, засобів завантаження-розвантаження, габаритних обмежень водних шляхів і портів, льодової ситуації, необхідності зміни баласту в морі, особливостей зносу шляхом призначення обмежень щодо припустимих умов експлуатації та застосування рейтингової оцінки технічного стану ПАС;

відмінне від раніше прийнятих положення про те, що найбільш розповсюдженим законом розподілу швидкостей зношування конструкцій СОРП є логнормальний закон; це дозволяє об’єктивно прогнозувати товщину конструкцій суден під час експлуатації та подовженні строку служби існуючих суден, а також визначати розрахункові швидкості зносу для проектних розрахунків та розрахунків фактичної міцності, підвищуючи надійність корпусів СОРП в експлуатації;

висновки про те, що введена з метою боротьби з перенесенням шкідливих водних організмів і патогенів зміна баласту в морі являє собою значну загрозу для безпеки суден та екіпажів; основною небезпекою є втрата остійності, у тому числі через зсув вантажу, перелом чи значне пошкодження конструкцій при порушенні обмежень щодо загальної міцності та втрата керованості, що потребує врахування цих впливів при проектуванні нових суден та підготовці організаційно-технічних заходів для суден в експлуатації.

Практичне значення роботи полягає у такому:

1. Створене наукове підгрунтя проектування, конверсії та оновлення СОРП реалізовано "Морським Інженерним Бюро" (МІБ) при розробці 12 проектів СОРП, за цими проектами побудовано або знаходиться у будуванні 31 судно і, крім того, було модернізовано більш як 400 існуючих суден.

2. Розроблені нормативи та вимоги до конструкції корпусів СОРП, які видані у вигляді Частини II "Корпус" Правил РС класифікації та побудови СВП (для Дунайського басейну) 2001 р.; Частини II "Корпус" Правил РУ класифікації та побудови СВП 2002 р.; Частини II "Корпус" Правил класифікації та побудови морських суден РУ 2002 р., а також у НД 31.0.020-2004 "Правила будівництва та облаштування суден", 2004р.

3. На підставі результатів аналізу ризику під час зміни баласту в морі розроблений нормативний документ РС "Інструкція щодо безпечної заміни баласту в морі", 2003 р., який регламентує заходи щодо збереження міцності та остійності під час зміни баласту для існуючих суден, які не проектувалися для подібних умов.

4. На підставі теоретичних положень методу контролю зусиль на тихій воді розроблений нормативний документ РС "Методичні вказівки з розробки інструкцій щодо завантаження, буклетів щодо перевезення незернових навалочних вантажів та приладів контролю завантаження морських суден", 2000 р. (Збірник НМУ РС, книга 9), який дозволяє контролювати припустимість кінцевих станів судна (перед виходом у море) та регламентувати порядок та умови, що забезпечують безпеку ВО та баластування у порту і на рейді.

5. Сформульовані нормативи та структура процедури ПАС (САР) були реалізовані при розробці відповідної процедури РС (циркулярний лист № 010-7.2.3-30359ц від 21.11.2002).

6. Розроблені вимоги до застосування накладних штаб – основного засобу модернізації та підвищення стандарту міцності корпусів СОРП. Вимоги видані у нормативному документі РС "Інструкція щодо визначення технічного стану, оновлення та ремонту корпусів морських суден" (Додаток 2 до Правил класифікаційних оглядів суден, 2000 р.).

Результати роботи запроваджені до національних "Правил будівництва та облаштування суден", 2004 р.; до Правил класифікації та побудови суден РС, РУ 2001-2003 р.; до нормативних документів РС "Інструкція щодо безпечної заміни баласту в морі", 2003 р.; "Методичні вказівки з розробки інструкцій щодо завантаження…", 2000 р.; "Інструкція з визначення технічного стану, оновлення та ремонту корпусів морських суден", 2000 р. Додатковий клас суден із припустимою висотою хвилі  = 4,5 м введений у дію РС циркулярним листом № 010-2.2-26199ц від 09.10.2002.

Крім того, результати роботи застосовані МІБ та МІБ-СПб при проектуванні нових суден та виконанні проектів щодо зміни класів, модернізацій, ремонтів, реновацій, разових переходів, розширень районів плавання існуючих СОРП для АСК "Укррічкфлот", ВАТ "Волготанкер", СК "Палмалі" (перевізник "ЛУКОЙЛу"), "УДП", "Торговий флот Донбасу", ВАТ "Біломорсько-Онезьке пароплавство", "Херсонський морський торговий порт", ВАТ "Ленське об’єднане річкове пароплавство", "Кілійський суднобудівний-судноремонтний завод", ВАТ "Північно-Західне пароплавство", ВАТ "Донрічкфлот", ВАТ "Волзьке пароплавство", ВАТ "Волго-Донське пароплавство", ВАТ "Рибінський суднобудівний завод", ВАТ "Онезький суднобудівний завод" тощо. Підтверджений економічний ефект від впровадження результатів роботи при модернізаціях та конверсіях суден склав 41,1 млн. доларів США.

Особистий внесок дисертанта. Усі положення та висновки, методи, методики, алгоритми, аналітичні та емпіричні залежності, програми розрахунків та їхні результати, які виносяться на захист, належать особисто автору. З робіт, виданих у співавторстві, на захист виносяться тільки ті частини, що розроблені особисто автором. У офіційній доповіді підкомітету "Inspection and Monitoring" Міжнародного конгресу з конструкції суден та морських споруд ISSC - 2003 [36] автору належать розділи з рейтингової оцінки технічного стану корпусів суден і реновації, які складають 11% змісту. У Правилах [37] автором розроблені вимоги до стандарту загальної міцності корпусів СОРП, нормативних швидкостей зношування, редуціювання тонкостінних елементів СОРП, мінімальних товщин корпусів СОРП, слемінгових навантажень для СОРП. У Правилах [38] автором сформульовані національні вимоги до проектування, будування та устаткування СОРП.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати проведених досліджень були викладені та обговорені на засіданнях секції НТР РС у 1995-2003 рр.; Президіуму НТР РС у 2001-2003 рр.; Президіуму НТР РРР у 2003 р.; засіданнях ISSC у 2000-2003 рр., міжнар. НТК "300 лет РОССИЙСКОМУ ФЛОТУ" CRF-96 (СПб); НТК "Бубновские чтения"(СПб, 1997); міжнар. НТК з суднобудівництва ISC'98 (СПб); НТК пам’яті акад. Ю.О. Шиманського (СПб, 1999, 2001, 2003); міжнар. НТК "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов" ПЭНС 99 (Владивосток); міжгалузевій НПК, присвяченій 55-річчю УДП (Ізмаїл, 1999); НТК пам’яті проф. П.Ф.Папковича (СПб, 2000, 2002); Intern. Congress of the IMAM (Ischia, Italy, 2000; Rhethymno, Greece, 2002); 14th Asian Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures – TEAM'2000 (Владивосток); 6th Intern. Conf. on Ships and Marine Structures in Cold Regions – ICETECH'2000 (СПб); П'ятій міжн. конф. "Транспортні перевезення у країнах СНД, Балтії, Європи" (Одесса, 2000); Intern. Conf. on offshore Mechanics and Arctic Engineering – OMAE (Rio de Janeiro, Brazil, 2001; Oslo, Norway, 2002); Intern. Conf. on Marine Industry – MARIND'2001; MARIND'2002 (Varna, Bulgaria); Intern. Ship and Offshore Structures Congress (Tokyo, Japan, 2000; San Diego, USA, 2003); Eighth Intern. Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures – PRADS 2001 (Shanghai, China); міжнар. конф. з суднобудівництва "Нева 2001", "Нева 2003" (СПб); міжнар. конф. з морських інформаційних технологій "Моринтех-2001", "Моринтех-2003" (СПб); Intern. Conf. Shipbuilding and Ocean Engineering. Problems and Perspectives – SOPP’01 (Владивосток); Intern. Conf. of South East European Transport Research Forum – SETREF (Budapest, Hungary, 2001); Intern. Conf. "Navy and shipbuilding Nowadays" – NSN'2001, NSN'2003 (СПб); 1st Intern. Congress of Seas and Oceans (Szczecin, Poland, 2001); міжнар. конф. "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво" (Миколаїв, 2002); міжнар. конф. "Одеса-2002"; Third Intern. Shipbuilding Conf. – ISC’2002 (СПб); міжнар. симпозіумі "Екологічні проблеми Чорного моря" (Одеса, 2000, 2001, 2002, 2003).

Публікації. Основні положення та результати проведених досліджень наведені у 68 друкованих наукових роботах, з них основних публікацій у наукових спеціалізованих виданнях – 33; додаткових публікацій у спеціалізованих виданнях та правилах побудови і класифікації суден – 5; доповідей – 15 і тез доповідей – 15, у тому числі 65 друкованих робіт без співавторів.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків та 10 додатків. Обсяг дисертації складає 477 сторінок, включаючи 273 сторінки – розділи основного машинописного тексту, 99 рисунків (66 сторінок), 106 таблиць (88 сторінок). Бібліографія містить 593 найменування (50 сторінок). Додатки займають 379 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розглянуті передумови та принципи створення сучасної методології забезпечення надійності та безпеки суднових конструкцій, що грунтується на застосуванні теорії ризику, а також принципові особливості врахування ризику при забезпеченні безпеки СОРП. Проведений аналіз сучасних проектних рішень проблем міцності СОРП.

Дослідженню різних аспектів надійності конструкцій морських та річкових суден присвячені праці Є.П. Анікіна, Є.М. Апполонова, О.Г. Архангородського, М.В. Барабанова, Л.М. Бєленького, Г.В. Бойцова, А.С. Брикера, С.Н. Гиріна, Ю.В. Головешкіна, В.В. Єкимова, Н.Ф. Єршова, В.В. Козлякова, Ю.П. Кочанова, Г.Б. Крижевича, В.А. Кулеша, О.Є. Литонова, В.Т. Луценка, О.І. Максимаджі, Г.В. Маркозова, О.О. Осняча, С.В. Петинова, В.О. Постнова, О.О. Родіонова, О.І. Свєчникова, В.П. Суслова, І.І. Тряніна, В.Н. Тряскіна, В.Б. Чистова, В.С. Чувиковського, О.М. Палія, М.А. Ельберта, R., C. Soares, O. F., P., M., J., A., R.-Strathaus, L.,
Bilal. та ін.

Проблемам забезпечення безпеки плавання суден присвячені праці М.М. Александрова, Л.Р. Аксютіна, Н.І. Буркова, Ю.Л. Воробйова, О.Я. Гаршина, А.А. Єршова, М.А. Єфремова, В.О. Некрасова, М.О. Решетова, І.О. Рябініна, В.Г. Сизова, П.С. Суворова, О.Б. Юдовича, А.Д. Юнітера, A., P., A., J. та ін.

Уперше в морській галузі елементи теорії ризику були використані у дослідженнях безпеки та ризику при використанні засобів засвоєння шельфу наприкінці 1970-х років у працях D., R., J.B., R.A., N.. У наш час сфера застосування ризик-орієнтованих методів дослідження суттєво збільшилася. Це видно з табл. , де систематизована інформація про авторів розробок різних проблем морської техніки, у яких використовані методи теорії ризику.

Сучасне трактування поняття "ризику" дозволило по-іншому поглянути на проблему призначення запасів міцності та надійності. У більшості робіт з надійності суден та морських споруд дослідження зводяться до аналізу імовірності відмови. Незважаючи на усі заяви про те, що людське життя безцінне і забруднення навколишнього середовища є неприпустимим, досі створюються об’єкти, що реалізують свої основні функції в умовах обмежених ресурсів, обмеженої надійності та безпеки. Тому у сфері морських досліджень був запропонований метод ФОБ – системний інтегрований підхід до створення норм безпеки на морі, який враховує необхідність захисту людського життя, навколишнього середовища та техніки на підставі формалізованих методів оцінки ризику та результатів техніко-економічного аналізу. Процес застосування ФОБ містить п’ять етапів: збирання даних та ідентифікацію небезпек; оцінку ризику; вивчення варіантів контролю ризику; оцінку витрат та розробку рекомендацій для прийняття рішення у вигляді , де – вартісна оцінка заходів щодо зниження ризику; , – вартісна оцінка ризику до реалізації заходів щодо його зниження; – вартісна оцінка ризику після запровадження заходів щодо зниження ризику.

Табл. 

Застосування методів теорії ризику у морських галузях техніки

Тема | Автори публікацій

Загальні підходи | І.О. Рябінін, М.М. Александров, C., Н.А. Решетов, D., Г.В. Бойцов, В.О. Некрасов, А.С. Портной, В.Г. Торський, В.П. Топалов, В. Туркін, Г.В. Єгоров, S., E., W.F., R., M., I., E., J., H.S., A., J.A., H., G., N., N., R., R., E. –, J., K.I., N.D., V.G., R. Wilcox, Z., Bilal..

Засоби засвоєння
шельфу | D., R., J.B., R.A., N., R.L., D.R.-Smith, J., О.Е. Літонов, О.М. Палій, С.В. Вербицький, В.І. Голиков, Л.Н. Мучник, M., D., O., A.J., P.A., X., J., A., Y., Ove..

Корпуси
танкерів | Г.В. Бойцов, Є.М. Апполонов, В.І. Євенко, В.К. Трунін, Н.А. Шишкарева, О.Ю. Єганов, K., Ma, W. Magelssen, M.A., D., C.K.A.

Корпуси навалочних суден | D., J.-C., A., G. Chantelauve, L., J., S., D., В.В. Козляков, Г.В. Єгоров, B., E., В.Г. Торський, В.П. Топалов.

Корпуси СОРП | Г.В. Єгоров.

Корпуси СВП | Г.В. Єгоров.

Корпуси промислових суден | M. Dyer.

Перевезення
радіоактивних вантажів | T. Matsuoka, I. Obara, Y. Akutsu, M. Aritomi, Ou Kitamura, Hisayoshi Endo, Y.M.Fontaine, Г.В. Єгоров.

Конструктивний захист атомних суден | T.K.О.В. Агафонов, А.И. Дульнєв, В.В. Хохряков, Л.И. Щоголев, Н.Н. Волков, С.Б. Кодацький.

Корпуси суден
в експлуатації | L. Demsetz, R.R.R.Strathaus, Г.В. Егоров.

Проектування рятівного пристрою | Б.А. Бугаєнко, А.Ф. Галь, C.F. Cain, R.W. Birmingham, P. Sen, R.M. Cripps.

Зміна баласту в морі | Г.В. Єгоров.

Протипожежна
безпека | M. Dogliani, A. Vergine.

Остійність
і непотоплюваність | М.А. Кутейніков, В. Ярисов, M. Gerigk, E. Niessen.

Показано, що загальноприйнята у ФОБ схема дій недостатня для повного циклу створення форм, оскільки не містить механізму контролю над наслідками вжитих заходів щодо керування ризиком, та виходить з ідеї апріорної правильності обраної концепції управління. Для ліквідації цього недоліку нами доданий шостий етап – етап контролю вжитих заходів щодо керування ризиком (моніторінг ризику), що, власне, і відбувається у процесі створення реальних норм.

Автором показано, що кількість тяжких аварійних пошкоджень аж до перелому корпусів СОРП, що збільшується, формує обширну базу для застосування методів теорії ризику, оскільки інформація про аварії суден рідко буває повністю вірогідною та вичерпною, а іноді відсутня взагалі. У таких випадках метод ФОБ дозволяє вирішити три взаємопов’язані завдання: провести багатофакторний аналіз конкретного випадку; отримати оцінку ризику існуючих типів суден із вживанням організаційно-технічних заходів щодо його зниження на підставі аналізу конкретних ситуацій; виконати коректування чи створення нормативів для проектування нових суден на базі оцінки ризику для тих, що існують.

Оцінку аварійних ситуацій запропоновано виконувати за допомогою універсальної формалізованої шкали ступеня збитків (див. табл. ). У роботі досліджені, як правило, аварії та аварійні випадки, які призвели чи могли б призвести до переломів або пошкодження корпусів.

Табл. 

Шкала збитків від аварій та аварійних ситуацій із СОРП

Рівень
наслідків
| Кількість
розглянутих
випадків і
катастроф | Ступінь пошкодження

Вплив на людей | Вплив на
навколишнє
середовище | Пошкодження технічних
засобів

1 – Light Incident | 30 | Немає | Немає | Щонайменше

2– Incident | 14 | Легке тілесне ушкодження | Щонайменше | Незначне

3 – Casualty | 4 | Серйозне, необоротне
тілесне ушкодження | Суттєве | Серйозне

4 – Serious
Casualty | 4 | Втрата людського життя | Критичне | Значне

5 – Very Serious
Casualty | 19 | Багато людських жертв | Катастрофічне | Загибель судна

Відсутність єдиних підходів до вибору стратегії управління ЖЦ СОРП, включно їх надійністью та ефективністью, у цілому призводить до призначення основних обмежень для СОРП, виходячи з досвіду та авторитету окремих спеціалістів. Цей факт яскраво простежується у практиці зарубіжних КТ, де дослідження СОРП є одиничними.

Таким чином, актуальність адекватного врахування ризику як в умовному (бали), так і у вартісному вигляді на основних стадіях ЖЦ не викликає сумнівів. Тим не менш, подібний підхід до цього часу також не знайшов відображення у жодній з відомих методологій проектування та нормування СОРП.

Показано, що вирішення проблеми комплексного забезпечення безпеки, надійності та ефективності СОРП має базуватися на таких принципових підходах:

1. Ризик-орієнтованого нормування та ризик-орієнтованого проектування, які включають технічні аспекти забезпечення надійності та безпеки з метою скорочення можливого збитку від впливу небезпеки.

2. Проектування корпусів на підставі оптимізації показників ЖЦ судна, що містять ризик.

3. Розгляд показників ЖЦ як характеристик, що змінюються у часі, із врахуванням факторів, які впливають на параметри у процесі експлуатації (реновації, модернізації, конверсії, аналізу фактичного стану) та при побудові (модифікації проектів).

Показано, що оптимізацію надійності та ефективності корпусів СОРП за умови збереження прибутковості судна можна представити як мінімізацію вартості ЖЦ об’єкта, що досліджується, із врахуванням ризику у вигляді

min , (1)

де – будівельна вартість, – витрати в експлуатації, – вартісний вираз ризику. Необхідний аналіз повинен проводитись із врахуванням інтересів судновласників, вантажовласників, операторів, екіпажу, держав прапора і прибережних держав, адміністрацій портів, страхувальників, банків, класифікаційних товариств, суднобудівельників і проектантів.

Для аналізу ефективності та надійності протягом ЖЦ для СВП у результаті дослідження існуючого флоту автором була запропонована універсальна сітка характеристик тестових суден.

У другому розділі розглянуті питання ідентифікації небезпек, що призводять до переломів корпусів, оцінка ризику експлуатації сучасних СОРП і шляхи його зниження. Аналіз виконаний відповідно до СВП системи ДМР, що дозволяє на базі простих (у порівнянні із СЗП і морськими СОРП) моделей розглянути усі аспекти запропонованої
методології.

Небезпеки ідентифіковані на підставі даних про технічний стан більш як 140 СВП і результатах дослідження шляхових умов та навантажень при типових перевезеннях і ВО, прийнятих технологіях ремонту конструкцій, і подані на рис. 1 у вигляді дерева подій.

Обробка статистики за СВП дозволила отримати імовірності перелому їхніх корпусів залежно від реалізованої небезпеки за рік, а також оцінити індивідуальний ризик для члена екіпажу . Показано, що величина для самохідних вантажних суден системи ДМР не перевищує  = 0,00100 (досягнений на цей час рівень безпеки проектів суден СВП, спроектованих у повній відповідності до вимог КТ). Переломи для несамохідних СВП під час ВО мають імовірність у 6,5 разів більшу, ніж значення (у середньому на 3000-4500 операцій у порту приходиться 1 перелом корпусу). Для несамохідних суден така небезпека, як посадка на мілину, затоплення відсіків, помилки під час ремонтних операцій мають імовірність аварійного впливу на рівні, що потребує аналізу ризику.

Для СВП системи ДМР для кожної небезпеки був також визначений узагальнений рівень ризику . У певній частині збитків врахована статистика наслідків переломів (особливо збитку, завданого навколишньому середовищу та членам екіпажу). На підставі цих оцінок побудована матриця ризику переломів корпусів СВП – див рис. .

Ранжування досліджених небезпек для корпусів СВП системи ДМР дозволило укласти такий їх список у порядку значимості: 1. ВО. 2. Посадки на мілину. 3. Затоплення відсіків. 4. Ремонтні операції.

Для суден на європейських ВВШ хвилювання не є небезпекою (тільки 2% переломів СВП відбувалися на хвилюванні).

Рис. 1. Зведене дерево подій, які є основними та непрямими причинами
переломів корпусів СВП

Показана виключна роль людського фактора (порушення рекомендованих технологій ВО, схеми баластування, навігаційні помилки, помилки нагляду за станом корпусів, удари грейферами). Розроблені у дисертації методи дозволяють врахувати вплив імовірних помилок людини і через економічно обгрунтовані коефіцієнти запасу знизити наслідки їх впливів. Недоліки конструкції та експлуатаційні пошкодження корпусу розглядаються у контексті раніше перелічених впливів, що проявляються як фон, який сприяє виникненню переломів. Їхній вплив на несучу спроможність корпусу СВП також враховано при розробці методів розрахунку й обгрунтування значень .

Проведений аналіз впливу несучої спроможності корпусів у формі коефіцієнта граничного моменту , де – граничний момент "фібрової" текучості корпусу, – довжина судна, – водотонажність, на показники аварійної статистики. На рис. 3 представлена залежність між і . На її основі визначені вимоги до мінімального стандарту міцності для несамохідних суден, порушення яких призводить до неприпустимого ризику переломів корпусів СВП. Визначений також "гарантований" стандарт міцності, виконання якого забезпечує відсутність переломів корпусів при будь-яких помилках експлуатації.

Показано, що здійснення заходів щодо зниження ризику переломів корпусів СОРП припустимо при виконанні умови

, (2)

де і .

Вартість заходів щодо зниження ризику містить витрати на додаткову масу сталі корпусу при будуванні, на виготовлення нових конструкцій, на заходи щодо захисту від корозії, збитки від вимушеної втрати вантажопідйомності та вантажомісткості, витрати на підкріплення і ремонт в експлуатації, установку додаткового устаткування, навчання членів екіпажу і берегових співробітників тощо.

Залежність для розрахунку ризику у вартісному виразі подається у вигляді

, (3)

де i – індекс категорії небезпеки, що впливала (вибухи і пожежі, зіткнення, посадки на мілину, помилки під час ВО, водотічність корпусів, помилки при проведенні ремонту тощо); k – індекс наслідку (витрати на поновлення пошкодженого корпусу, постановку в док (на сліп), ремонт; компенсацію збитків здоров’ю членам екіпажу і працівниками порту, а також збиток суспільству від втрати працездатного члена суспільства на випадок фатального наслідку; компенсацію наслідків забруднення навколишнього середовища, включно збитки від розливу нафти; втрату і підмокання вантажу, що перевозиться; втрати експлуатаційного часу і, як наслідок, недоотриманий прибуток від експлуатації судна за прямим призначенням, збитки від втрати ділової репутації, страхові виплати тощо).

Імовірність виникнення аварійної ситуації при впливі i-ї небезпеки позначена як ; ваговий коефіцієнт k-го наслідку при впливові i-ї небезпеки, в межах від 0 до 1,0 – ; вартість
k-го наслідку – .

При цьому вартісні складові та повинні бути приведені до єдиного моменту часу, тобто взяті з урахуванням ставки дисконтування.

У табл. 3 подані отримані автором оцінки збитків від переломів корпусів СВП.

Проведені розрахунки абсолютної величини річного ризику (у доларах США) при переломах корпусів несамохідних суден системи ДМР із небезпечними вантажами. Співвідношення ризиків: при ремонтних операціях: при порушенні непроникності: при посадці на мілину : при ВО = 1 : 15 : 16 : 52. Розрахунковий сумарний ризик за 35 років експлуатації, який приходить у середньому на одне несамохідне СВП системи ДМР, що перевозить небезпечні вантажі, складає близько 100% будівельної вартості такого СВП.

У третьому розділі розглянені особливості ризику пошкодження корпусів СЗП та морських СОРП, пов’язані з їхньою технічною експлуатацією та умовами роботи на морі.

У розділі виконаний аналіз аварій із корпусами СЗП та морських СОРП, що сталися з 1991 року. Усього вдалося отримати відомості про 71 аварію та інцидент (див.табл. 2).

У табл. 4 подана коротка класифікація основних груп ідентифікованих небезпек. Загальна частота виникнення небезпеки у всіх досліджуваних випадках визначена як , частота виникнення небезпеки для катастроф, що мають рівні наслідків й , де – число аварійних ситуацій, де мала місце i-а небезпека, – кількість аварій, що вивчається, – кількість катастроф, j – номер випадку.

Щорічна імовірність катастрофи із СОРП за 1991-2002 рр. складає близько 0,002, що нижче за середньосвітовий рівень для суден торгового флоту. Ця оцінка може бути визнаною досить достовірною, оскільки аварію із рівнем наслідків і приховати вкрай
важко.

Щорічна імовірність аварій та аварійних випадків складає приблизно 0,006. Однак дані щодо випадків із рівнями наслідку , і , що наявні у автора, неможна визнати повними. Фактично ця величина повинна бути суттєво вищою, у межах 0,04-0,08. Звертає на себе увагу той факт, що ряд небезпек має , що свідчить про їх значну роль у збільшенні ступеня тяжкості наслідків аварійних подій.

Табл. 

Ідентифіковані небезпеки для СОРП

№ | Небезпеки | % | % | № | Небезпеки | % | %

1 | Небезпеки, пов’язані з технічним станом корпусу, машин, механізмів
та систем судна | 83 | 87 | 2.3 | ВО із застосуванням грейферів, важких навантажувачів і бульдозерів. | 65 | 65

1.1 | Невідповідність технологій, рівня якості та припустимих дефектів річкового
суднобудівництва вимогам для морської експлуатації. | 69 | 78 | 2.4 | Порушення порядку навантаження/вивантаження у порту,ІЗ,
"Настанови щодо кріплення вантажів" | 7 | 4

1.2 | Водотічність зовнішньої обшивки, настилу другого дна, обшивки другого борту, обшивки поперечних переділок, стінок цистерн. | 34 | 61 | 3 | Небезпеки, пов’язані з діями судновласника, берегових операторів та екіпажу. | 77 | 100

1.3 | Порушення технології при виконанні ремонтних і модернізаційних робіт. | 39 | 35 | 3.1 | Баластування, що не відповідає вказівкам ІЗ. | 8 | 9

1.4 | Пропуски дефектів при дефектації
корпусу. | 24 | 35 | 3.2 | Навмисне порушення встановлених обмежень за районами, сезонами плавання. | 32 | 35

1.5 | Помилки проектування. | 23 | 39 | 3.3 | Навмисні та короткочасні посадки на мілину, вимороження. | 11 | 9

1.6 | Вихід із ладу ГД, гребного вала,
гребного гвинта, знеструмлення. | 13 | 17 | 3.4 | Навігаційні помилки. | 20 | 13

1.7 | Великі обсяги замін корпусних
конструкцій при ремонті. | 19 | 13 | 3.5 | Контакт із льодом, контакт із стінками причалів і шлюзів. | 15 | 22

1.8 | Невиконання вимог міжнародної конвенції (МК) з вантажної марки у відношенні люкових кришок, комінгсів і конструкцій повітряних труб, вентиляторів, непроникних дверей. | 32 | 61 | 3.6 | Зміна баласту в морі. | 3 | 9

1.9 | Удиферентування для огляду гвинта, балера керма. | 1 | - | 3.7 | Помилка прогнозу. | 31 | 52

2 | Небезпеки, пов’язані з порушеннями технології перевезення вантажу. | 72 | 78 | 3.8 | Перевантаження судна. | 7 | 17

2.1 | Перевезення металобрухту. | 25 | 48 | 3.9 | Зміна судновласника. | 44 | 65

2.2 | Перевезення вогненебезпечних
вантажів. | 3 | 9

Усі випадки були проаналізовані за допомогою математичного моделювання різних сценаріїв розвитку шляхом побудови дерев відмов та дерев подій (див. на рис. 4 матрицю ризику СОРП). Масові розрахунки виконувались за допомогою програм "СигМент – МИБ", "СигМА – МИБ", "ЭльБрус – МИБ", "Балка", "Предел" та "МКЭ-94", які входять до складу комплексу конструкторських програм "КОРАБЕЛЛА – МИБ".

Показано, що найбільшу небезпеку являє стан і конструкція люкових закрить, комінгсів дверей, вентиляторів та інших отворів у непроникному корпусі, існуючий рівень ризику з даної небезпеки відноситься до "неприпустимого". Небезпеки, пов’язані з фактичним забезпеченням непроникності корпусних конструкцій (зношування у морських умовах), перевезенням металобрухту, невідповідністю технологій річкового суднобудування, застосуванням грейферів, зміною судновласника, порушенням встановлених КТ обмежень, помилкою прогнозів відносяться до зони, яка потребує техніко-економічного аналізу ризику.

Основними негативними особливостями існуючих вітчизняних СОРП є недостатня утомна та зношувана довговічність корпусів у морських умовах; недостатня місткість вантажних трюмів і танків; недостатня потужність ГД та пов’язані з цим значні втрати швидкості