Разработка методики проектного оптимизационного обоснования судов обеспечения глубоководных работ

В.1 .Характеристика актуальности, новизны, научной ценности и практической значимости темы исследования.

Активно развивающаяся индустрия освоения богатств Мирового океана ставит перед проектантами судов новые задачи. Новые задачи встают и перед теорией проектирования судов, поскольку доминирующая подсистема у судов обеспечения водолазных и глубоководных работ не только влияет на общепроектные характеристики, но и оказывает преобладающее влияние на формирование экономического критерия оптимизации. В связи с дальнейшим развитием освоения шельфовых месторождений, с необходимостью обеспечения спасательных операций, а также с продолжающимися глубоководными исследованиями, задачи проектирования и постройки судов поддержки водолазных и глубоководных операций приобретают все большую актуальность. Дополнительным аспектом необходимости создания более совершенной методики проектирования подобных судов является не только актуальность обеспечения возможности проведения спасательной операции на аварийной подводной лодке, но и дискуссионность в области поиска эффективных направлений создания надежных спасательных комплексов.

В настоящее время ни гражданский, ни военный флот России не имеет в достаточном количестве судов и кораблей, способных поддерживать водолазные операции на глубинах свыше 60 м. Для сравнения, можно отметить, что в США только в зоне Мексиканского залива (уступающего по богатству недр Северному и Баренцеву морям) оперирует порядка 40 судов требуемого типа. Для флота закуплены системы жестких нормобарических скафандров НагсШик 1200 и телеуправляемых подводных аппаратов Зеаеуе, но они не способны в полной мере осуществить спасательную операцию, в частности эвакуацию подводников из отсеков, находящихся под повышенным давлением. Кроме того, коммерческое использование данной техники пока не планируется. Именно дорогостоящая составляющая в структуре рассматриваемых судов типа упомянутых образцов глубоководной техники делает столь ответственной задачу проектной оптимизации.

Таким образом, с учетом принятого Российским правительством перспективного плана освоения богатств Мирового океана, проблема создания судна, способного осуществлять коммерческие и спасательные глубоководные водолазные операции, является предельно актуальной.

В методическом плане необходимо отметить отсутствие обобщающих работ по обсуждаемым судам как в российской, так и зарубежной кораблестроительной литературе. Конечно, частично могут использоваться работы по буксирно — спасательным и исследовательским судам, но создание целостной эффективной методики является актуальным вопросом. Важным моментом является распространение на методику создания судов для глубоководных работ принципов, используемых в CALS-технологиях (технологий информационной поддержки изделий на всем жизненном цикле — проектирования, постройки, эксплуатации, ремонта, утилизации).

Целью диссертационного исследования является определение рациональных характеристик судна обеспечения глубоководных водолазных операций по заданным условиям проведения такой операции и предполагаемым коммерческим условиям контракта. Для этого в работе необходимо проанализировать особенности судна обеспечения глубоководных работ, как сложной технической системы, построить его надежную математическую модель, провести верификацию модели и выполнить численный эксперимент, доказывающий возможность практического применения методики проектирования судна обеспечения водолазных глубоководных работ. В зарубежной печати для таких судов применяется индексация DSV (Diving Support Vessel).

Объектом исследования являются проектные и литературные материалы по судам обеспечения водолазных работ водоизмещением от 1500 до 5000 т., длиной от 40 до 100 м, однокорпусные. В работе имеется ряд положений, создающих возможность проектного анализа судов, имеющих большие размеры, а также полупогружных платформ. Однако эта часть требует дальнейших исследований и уточнений, планируемых на перспективу.

Очень важно отметить, что разработанная проектировочная методика может быть приспособлена и для решения модернизационных задач. В этом случве ряд параметров переоборудоемого или модернизируемого судна в модели заменяется фиксированной величиной. Конечно, по высшим меркам, переоборудуемое судно окажется несколько менее эффективным, чем специально спроектированное и построенное судно. Но если в число ограничений при оптимизации включается краткий срок создания судна, оперативность в применении дорогостоящих водолазных комплексов, отсуствие достаточных капиталовложений, то в таких условиях модернизированное судно будет локально оптимальным.

В.2 .Проблема безопасности на море и значение аварийно-спасательных средств.

В обеспечении безопасности на море тесно переплетаются технические и организационные факторы. Но при прежнем уровне морской техники преобладало значение организационного фактора, а аварийно — спасательная техника, чаще всего, приспосабливалась к конкретным задачам. Применение глубоководных комплексов принципиально меняет ситуацию, хотя и не позволяет ослабить внимания к организационным вопросам.

Положение о порядке расследования аварий на морских судах" [94] предусматривает следующую классификацию чрезвычайных ситуаций, возникающих на водном транспорте:

Кораблекрушение — гибель судна или его полное конструктивное разрушение.

Авария — повреждение судна или его нахождение на мели не менее 48 ч (пассажирского судна — 24 ч).

Аварийное происшествие — то же самое, что и авария, но меньшей продолжительности.

К катастрофам в широком понимании этого слова можно отнести все кораблекрушения и аварии, повлекшие за собой человеческие жертвы.

Возрастающее из года в год значение водного транспорта определяется исключительной экономичностью перевозок морем самой широкой номенклатуры грузов. На морские перевозки приходится свыше 60% всего мирового грузооборота, так как основную часть экспортно-импортных грузов в межконтинентальной торговле можно перевезти только морем. Воды Мирового океана бороздят около 60 тыс. крупнотоннажных судов и свыше 20 млн. мелких судов (туристских и прогулочных катеров, парусных яхт, ботов и др.). Ежесуточно в морях и океанах находится 30 тыс. судов, численность экипажей которых превышает 1 млн. человек. При таких масштабах использования водных транспортных средств сложно избежать возникновения различных чрезвычайных ситуаций. Совершенствование и создание новых систем управления кораблями, навигационного оборудования и средств связи позволяют не превышать примерно стабильное количество ежегодных аварий и катастроф на водном транспорте.

По данным Регистра судоходства Ллойда, ежегодно гибнут 300−400 судов, аварию терпит свыше 8 тыс. судов (общим тоннажем более 600 тыс. т). В кораблекрушениях ежегодно погибают сотни людей. Почти каждый третий корабль возвращается в порт после длительного рейса с поломками или повреждениями оборудования, механизмов или корпуса.

Большинство крупных аварий и катастроф на судах происходит не под воздействием сил стихии (ураганы, штормы, туманы, льды), а по вине людей. Либо начальное развитие аварии связано с внешними, стихийными факторами, но неправильные действия людей усугубляют неблагоприятное развитие событий. Ошибки людей (обозначаемые деликатным термином «человеческий фактор») делятся на допущенные при проектировании, при строительстве судов и при их эксплуатации. Подавляющее число чрезвычайных ситуаций возникает в последнем случае.

Использование новейшего навигационного и радиолокационного оборудования на судах не приводит к уменьшению числа столкновений между ними. Это объясняется ростом количества кораблей торгового, рыболовного, пассажирского и военного флотов, увеличением их скорости, тоннажа и габаритов, уплотнением графиков движения. К столкновениям могут привести ухудшение видимости при неблагоприятных метеорологических условиях, а также влияние «человеческого фактора» — неправильная оценка курса встречного судна, очень большая скорость, пренебрежение сигналами и визуальными наблюдениями, несвоевременная остановка двигателя и т. д. Как правило, столкновения приводят к значительным повреждениям судов, а в ряде случаев — и к затоплению.

Часто из-за ошибок в навигационных расчетах, неправильного маневрирования, поломок в системах и механизмах управления кораблем, сложных метеоусловий суда садятся на мель, наталкиваются на подводные камни, рифы и другие на обшивке до обширных пробоин в корпусе, через которые внутрь поступает забортная вода.

Тяжелые последствия имеют также столкновения, происходящие с нефтеналивными судами. В результате аварий и катастроф танкеров ежегодно более 300 тыс. т нефтепродуктов попадает в воды Мирового океана. Некоторые катастрофы даже способны привести к экологическим бедствиям.

Причиной значительного количества катастроф является техническая непригодность судов с предельными сроками службы и с исчерпанным моторесурсом к их эксплуатации на море или возникающие в них механические поломки. Несмотря на совершенствование диагностики, профилактика аварийности не находится на должном уровне.

К наиболее тяжелым последствиям могут привести нарушения установленных правил плавания. Иногда экипаж не знаком с действительными возможностями своего судна. Следствием может быть и паническое покидание вполне работоспособного судна, и борьба за живучесть на судне, возможности которого по борьбе с затоплением или креном уже исчерпаны. Примерами последнего могут быть аварии с автомобильно — пассажирскими паромами и судами с горизонтальной грузообработкой. Наихудший вариант — комбинация обоих назначений.

Суда гибнут в результате воздействия штормов, ураганов, смерчей, цунами, при столкновении со льдами. Основные причины аварий приведены в табл. 1.1 [49].

Таблица В.1.

Основные причины аварийности за 1895 — 1994 гг.

Вид аварии Причина аварии %.

I Столкновение судов, посадка на мели, рифы и айсберги, навалы 35.

2 Пожары и взрывы 23.

3 Опрокидывание в штормовых условий 12.

4 Перегруз, чрезмерное повышение центра тяжести и опрокидывание 12.

5 Потеря прочности в нерасчетных условиях 12.

6 Затопление при неправильной эксплуатации.

Приведенная статистика происшествий на море является выборочной, она охватывает только крупные аварии, получившие большой резонанс в обществе. Но даже такая неполная информация свидетельствует о необходимости существования специальной инфраструктуры Службы спасения на море, куда входят и спасательные суда. Классификация таких судов приведена на рис.В.1. [42, 94].

Из анализа классификационной схемы следует, что взаимная увязка характеристик судов и оборудования для проведения глубоководных погружений является достаточно распространенной и актуальной.

Цели проведения глубоководных водолазных работ являются спасательными в полном смысле этого слова только применительно к аварийным подводным лодкам. Причем, очень часто, только оперативное использование глубоководных технологий позволяет спасти человеческие жизни.

Во всех остальных случаях глубоководные работы связаны с устранением последствий аварий и подъемом затонувших объектов.

Все глубоководные операции являются чрезвычайно дорогостоящими и, следовательно, выгодными для подрядчиков. С другой стороны, большие риски, использование высоких, а зачастую и уникальных технологий, делают такие операции дорогими по себестоимости. Для достижения коммерческого успеха необходимо оптимальное сочетание многих факторов, что делает оправданным постройку специальных судов, приспособленных для проведения глубоководных работ. Соответственно, не менее оправдан оптимизационный подход к проектированию рассмотренных судов, поскольку каждый процент достигаемой экономии выражается в громадных денежных суммах.

Спасательные суда и средства I.

1 § | III.

X Б О «О4 о со.

Й о 3.

Зло с и •я.

— 0 щ о. а о •вгЭ н.

Ч о, а я ч п о Б й Я.

Он ч и и.

Я в X н к и о? л = ?! Я л ч СС 1.

О и Си х ж н га.

1 о га я.

Й р? я д Я.

Ч >> ее га га.

О.

3 ЕЙ л в о, а 11.

Э и с.

Л й О и и н о Ч о о. и и и га л.

Я & га а. и Й и га я и и.

— С я о.

Й О я о суда га я ь о с.

Е я.

У 3 я л ЕЭ ч о ч.

0> о 3 ч.

73 о с В и ч о я ш.

В «6.

3 с.

§ ш В ч.

4 5.

О ^ а с и Ш.

1 3.

§ 3.

Л? я р

О. Е.

О га.

5 о л, а? о К га ю с и и я 8 я" К, а и о ч о. 5 ООО I с к о. и га.

3 # я о.

2 -Я о.

5 5 н о.

5. ^.

Рис. В.1. Классификация спасательных судов и средств Особо должны быть выделены те спасательные суда и средства, на которых могут устанавливаться комплексы обеспечения глубоководных водолазных работ или элементы таких комплексов.

Проектирование рассматриваемого типа судов, включая выдачу технического задания на его создание, требует комплексного учета многочисленных противоречивых факторов и, естественно, приводит к использованию системного анализа и постановке задачи проектирования как оптимизационной. Структура такой постановки в теории проектирования судов уже сложилась, однако в данном исследовании необходим многоступенчатый подход, когда и в ограничениях на область допустимых величин, и в критериях четко выделяются аргументы и факторы, относящиеся к судну в целом, к доминирующей подсистеме и к меняющимся условиям внешней задачи. При этом анализ вопросов иллюстрируется на практически актуальных примерах.

Предварительный анализ литературы, касающейся темы исследования, показал, что при разработке проблемных вопросов можно использовать несколько информационных массивов. В первую очередь, для постановки и решения оптимизационных задач актуальны методологические рекомендации В. В. Ашика, Л. М. Ногида, В. М. Пашина, А. В Бронникова, В. Б. Фирсова и других специалистов по теории проектирования судов [5, 16, 69, 74, 101, 102]. Рассматриваемая проблема вполне может решаться в рамках сложившейся в теории проектирования судов оптимизационной постановки. Однако обязательно необходимо учитывать многоступенчатость моделей, их доминантный и дискретный аспекты. Поэтому представляют значительный интерес и опубликованные приложения оптимизационных подходов к отдельным группам судов и к решению локальных вопросов [2, 11,22,23,44,45,99].

Важную роль играют работы, обсуждающие вопросы безопасности мореплавания и возможности математического моделирования связанных с этим задач и вопросов[1, 3, 25]. Особенно необходимо быть уверенным в надежной собственной безопасности судна, поскольку при возвращении из спасательного рейса на борту рассматриваемых судов могут оказаться люди, уже пережившие стрессовые ситуации и их надо оберегать от дополнительных переживаний. В этой части новые идеи содержатся, например, в работах Е. В. Любимова и Б. А. Царева [49, 60, 61, 93, 105, 113].

Большое значение имеют технико — экономические исследования, позволяющие сформировать критериальные показатели [10, 13, 15, 51, 56, 62, 91]. Группа исследователей во главе с А. Н. Вашедченко обращает внимание на важность применения надежных прототипов на всех этапах исследования. К сожалению, для рассматриваемых судов пока не имеется достаточного числа проработок. В то же время, разработки по таким судам массовой постройки, как промысловые и буксирные суда, вполне могут быть (в корректированном виде) использованы для решения задач в рассматриваемой области [11, 89]. Помимо выбора критерия, важна и процедура поиска оптимального варианта. В этом отношении важны рекомендации И. Г. Захарова, П. А. Шауба, Н. В. Никитина и других отечественных специалистов, а также зарубежных исследователей [50, 63, 67, 115, 116, 126].

Поскольку для исследуемых судов большое значение имеют высокие показатели мореходности, то применительно к этим судам были внимательно изучены работы из области теории и прочности корабля [4, 12, 41, 47, 78, 81, 104, 118]. Анализ методической литературы показал, что большинство вопросов решается на базе сложившихся схем. Однако для рассматриваемых судов очень своеобразен, например, подход к определению энерговооруженности. Во-первых, в зависимости от объема задач и района действия велик интервал применяемых абсолютных и относительных мощностей. Во-вторых, мощность электростанции у ряда судов соизмерима с мощностью главных двигателей, а иногда и превышает ее. Наконец, нередко спасательно — водолазное судно является модернизированной версией базового судна другого назначения и сохраняет некоторые особенности, которые не вполне объяснимы с позиций вторичных функций.

Особое место занимают работы, связанные со специфичными вопросами водолазного дела [53, 57, 64, 92, 96]. От их правильного решения зависит адекватность других принимаемых решений, этому посвящены работы по адаптации специализированных рекомендаций к проектным задачам [36, 37].

Для статистического обоснования применяемого формульного аппарата был собран располагаемый информационный массив [34, 37, 66, 123, 124]. Рассмотрен вопрос о возможности применения для исследуемых судов многокомпонентных архитектурных решений и компоновок [33, 35, 48, 55]. Пока этому препятствует высокая начальная стоимость таких сооружений, но в наиболее важных случаях применение таких схем вполне оправдано. Для плавучих установок спасательного назначения характерен высокий уровень применения модульных решений [14, 54, 59]. Но модульный подход имеет и самостоятельное значение, особенно при проектировании главной функциональной подсистемы — водолазного комплекса со всеми вспомогательными блоками медицинского назначения.

Для исследуемых судов, являющихся вновь возникшей функциональной группой особо важную роль играют вопросы прогнозирования, в том числе применение рекомендаций С. И. Логачева [8, 40, 58, 59]. Прогнозы должэны дать ответ на вопросы о том, на каком уровне должны планироваться основные величины входящие в проектные задания. Пока в большинстве случаев мирятся с относительно умеренной скоростью, но желательно в дальнейшем на каждом морском театре иметь одно — два судна с повышенными функциональными возможностями. Это относится и к скорости, и к дедвейту, и к дальности рейса.

Неизбежна и постановка вопроса о более широком внедрении модульных подходов, чтобы неизбежный рост параметров водолазных комплексов не вступал в противоречие с отставанием в характеристиках судов — носителей.

Краткий обзор литературы подтвердил актуальность выполняемого исследования, так для судов обеспечения водолазных глубоководных работ ряд вопросов не решен, а для других намечены пути решения в смежных группах судов, но эти пути должны быть адаптированы к специфике рассматриваемых судов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе проведенного диссертационного исследования получены следующие результаты:

1. Разработана новая оптимизационная методика проектирования судов обеспечения глубоководных работ и спасательных операций, базирующаяся на системном анализе судов данного типа. Созданная методика является инструментом проектных исследований как для обоснования основных характеристик судов водолазного обеспечения, так и для выявления оптимальных технико-экономических параметров эксплуатации. Методика может использоваться также для обоснований при переоборудовании судов других назначений в суда обеспечения водолазных работ. Методика удобна на начальных стадиях проектирования, показала хорошую работоспособность и получила практическое применение.

2. Адаптирована процедура расчета вместимости и остойчивости применительно к исследуемому типу судна. Проведено обоснование рациональной схемы общего расположения и архитектурно-конструктивной схемы судна обеспечения глубоководных работ.

3. Создана модель экономической эффективности судна обеспечения глубоководных работ, учитывающая результаты маркетинговых исследований рынка использования таких судов на Западе. Адаптирована методика определения построечной стоимости с учетом стоимости оборудования насыщения.

4. Проведен статистический анализ проектных характеристик построенных проектов судов исследуемого типа. Получены зависимости для определения основных характеристик судна, которые исследуются в качестве ограничений области оптимизационного расчета.

5. Реализован логико-программный продукт, осуществляющий расчеты в соответствии с разработанной методикой, который позволяет провести численные эксперименты на представленной оптимизационной модели. Показанные примеры иллюстрируют чувствительность и адекватность программного комплекса. Намечены пути применения разработанного программного комплекса на последующих стадиях проектирования.

Часть результатов диссертационного исследования в части разработки комплектов «стандартных» водолазных комплексов была внедрена в практику.

В 2004 году ООО «Дайвтехносервис» с участием автора, совместно с КБ «Балтсудопроект» по Заказу Мурманского морского пароходства подготовило, спроектировало и изготовило 2-х контейнерный автономный мобильный водолазный комплекс. Была также проведена работа по установке водолазного комплекса на ледокол «Капитан Игнатюк», в ходе которого на ледоколе была выполнена шахта с водолазной беседкой, создано спуско-подъемное устройство для беседки, размещены контейнеры водолазного комплекса с подводкой всех необходимых магистралей. Водолазный комплекс обеспечивает в штаном режиме работу и декомпрессию двух групп водолазов по 2 человека в сухом или водообогреваемом снаряжении на глубинах до 80 м. Запас воздуха комплекса (1500 л при давлении 200 ати) позволяет осуществлять декомпрессию водолазов по всем «воздушным» режимам даже при полном обесточивании комплекса и отказе основного и резервного дизельгенератора. При подключении дополнительных групп баллонов возможно осуществление декомпрессии на газовых смесях. Также, посколько комплекс изготовлен на базе поточно-декомпрессионной барокамеры ПДК-2 большой вместимости, в аварийном режиме возможна декомпрессия до 8 человек, причем в 2 отсеках по разным режимам независимо. Данный комплекс является самым большим и совершенным водолазным комплексом, установленным в последнее время на суда.

Состав комплекса: Лечебный контейнер:

1. Барокамера ПДК-2.

2. 3 группы баплонов-воздухохранителей по 500 л в каждой, на давление 200 ати.

3. Главный щит контроля воздуха.

4. Пульт управления спуском, со станцией связи с водолазами и между контейнерами.

5. Телевизионный комплекс для визуального контроля водолаза и места работ.

Рис. з. I. Общий вид лечебного контейнера 6. Пульт дистанционного управления установками водообогрева.

Рис. з.2 Место руководителя спусков.

Силовой контейнер

1. Дизельгенератор на 48 кВт.

2. Резервный дизельгенератор на ] 0 кВт.

3. 2 компрессорных станции на 570 л/мин, с электронным управлением и контролем качества воздуха.

4. 2 установки водообогрева (каждая на 2 водолазов).

Все контейнеры теплои шумоизолированы, имеют дополнительные окна и двери. В обоих контейнерах установлены тепловые завесы, позволяющие.

Рис. з. 4. Компрессорные станции и установки водообогрева в силовом контейнере комфортно работать даже при открытых дверях.