Bachelors thesis report

Transkript

1 DEGREE PROJECT, IN NAVAL ARCHITECTURE, FIRST LEVEL STOCKHOLM, SWEDEN 2015 Bachelors thesis report JOSEPH O'BRIEN KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

2 Abstract This paper summarises the most important aspects of shipping today, describing stakeholders, markets and types of ships, and weighing the sustainability of this form of transportation. Furthermore, it follows an initial ship design project step by step: a new vessel is being projected to fulfill a transportation need. The vessel will safely and cost-effectively transport 1.2 million cubic meters of raw logs from Port Metro in Vancouver to the Chinese harbours Tianjin and Qingdao. During the initial design phase, the requirements and main limiting factors of the ship s specifications are identified and the system concept is created. Also investigated in this paper is the need for a new generation of intact stability criteria for ships, in light of the mechanics of a stability failure mode, parametric rolling, and cases of particular accidents at sea involving parametric rolling. The circumstances surrounding incidents of stability failure in cases where existing criteria are met, are explored. The existing criteria are examined and possible motivations behind the development of new criteria are considered. Finally, new methods for assessing risk in the case of parametric rolling are proposed. Based on the importance of this topic for safety at sea, and the hypothesis that a second generation of stability criteria is needed is examined critically.

3 Table of Contents Essä om sjöfart: Viktiga begrepp och sammanhang i Sjöfartens bok 2 Projektering av ett lastfartyg 6 Towards a Second Generation of Intact Stability Criteria 15 Introduction Theoretical background Analysis: parametric rolling Proposals for a second generation of intact stability criteria Real ships at risk for parametric rolling Discussion: is a new approach to intact stability criteria needed? 27 Sources 30 Appendices 32 Appendix A: General Arrangement 32 Appendix B: Main particulars 33 Appendix C: Propeller modelling report 34 Appendix D: MATLAB code 37 1

4 Essä om sjöfart: Viktiga begrepp och sammanhang i Sjöfartens bok Inledning: sjöfarten, en kritisk del av vår ekonomi Att sjöfarten är en viktig fenomen från en ekonomi-, teknik- och samhällsperpektiv går inte att missas. Transport är en till hundra procent väsentlig del av värdsekonomin och kommer att fortsätta vara det. Att 90% av världens varor transporteras på havet är tecken på detta. Sjöfart är dessutom en viktig fråga för oss här i Europa, speciellt Sverige, där export och import är kritiska för den lokala ekonomin (t ex den svenska pappersindustri, vapenexport osv). Sjöfartsmarknader: produkter, fartyg, nationer och transportvägar En marknad kan betraktas som en produktklass och alla de intressen som beror på detta. Oljemarknaden, till exempel, som innefattar entreprenörer, platformer där oljan utvinns, oljetransport, raffinaderien, kunder runt om världen, etc. De oceanburna handeln och dessa olika marknader kan indelas huvudsakligen i containergods, olja- och gastransport, bulktransport, och mer specialiserade transportfartyg. Detta är en grov indelning och skulle kunna detaljeras mer, men varje produkttyp kännetecknas av speciella typer av fartyg, flödesvägar, och regelverk. Containergods transporteras av containerfartyg, vars kapacitet oftas mäts i TEU, eller twenty-foot equivalent unit som motsvarar utrymmet för en 20-fot container. Typiskt för detta typ av transport är styckegods av hög- eller medelvärde, half-förädlade material, delkomponenter eller färdiga produkter. En oceangående containerfartyg kan ha en längd på 300 meter och fart 20 knop, och rymma TEU. Containertransport kan följa tidtabeller liksom linjetrafik på land. Containertransporten, till skillnaden från andra marknader inom sjöfart, är också dominerad av europeiska aktörer, såsom danska A.P Møller-Mærsk, schweiziska MSC och franska CMA-CGM. Olja- och gasmarknaden är ett transportsystem för hantering av huvudsakligen vätskor, då gaser är kondenserade under tryck under transport. Hamn- och lastutrustning samt själva fartygets utrustning är anpassad till transport av vätskor och innefattar då rörsystem, pumpar, kompressorer och högtryckstankar. Säkerhet är viktig inom detta marknad då olja och kemikalier som transporteras av tanker kan vara mycket skadliga till miljön. De flödesvägar som dominerar för oljemarknaden är mellan de stora oljeproducerande länder i Mellanöstern och Asien, (främst Japan), och mellan forna Sovjet och de Europeiska konsumentländerna. Bulktransport: råvaror som bauxit och andra typer av malm, cement, kol och spanmål transporteras i stora bulkfartyg som är enkla och långsamma då de bär laster vars relativvärde är ganska lågt, men rymmer mycket. Tillsammans med tankers står den här typen av fartyg för den storsta delen av transport på havs när det gäller mängd, om inte värde. Specialiserade fartyg transporterar allt från andra fartyg till avfall från kärnkraftverk. Varje fartyg är konstruerade för att flytta sina laster en given sträcka i en viss tid med en 2

5 säkerhetsnivå som motsvarar reglerna som gäller just den typen av sjötransport. Exempel kan vara RORO-fartyg för transport av bilar och andra typer av värdefulla eller svårhanterade last, exempelvis stora pappersrullar från skogsindustri; och servicebåtar som hamnbogserare, räddningsbåtar och supplyfartyg. Att nämna här är också kryssningsfartyg och ferrier som tar passagerare, bilar och lastbilar över havet. I kryssningsmarknaden har destinationer i karibien och medelhavet stora betydelse, då de motsvarar över hälften av värdens totala kapacitet, medan dem topp tio färjebolagen i värden är nästan uteslutande europeiska, bland de största Stena och Silja. Sjöfartens aktörer I alla marknader deltar vissa aktörer med olika roller i sjöfarten. Kunder beställer transport, rederier administrerar och utrustar transporten, varv bygger fartygen och investerare finansierar dem, och såklart försäkringsbolag försäkrar sjöfartyg, gods och leveranser. Dessutom finns det regelverk (internationella och lokala), klassningssällskap som inspekterar och klassifieserar, och hamnauktoritet. I fortsättningen beskrivs några av dessa aktörer i mer detalj, som motsvarar den delen av läsningen som jag personligen tyckte var intressant och informativ: Varv: när fartyget beställs är det oftast hård konkurrens om vilken varv vinner kontraktet. Många av Europas stora varv som var viktiga under senare hälften av före århundraden, såsom polska Gdansk, är knappt i operation längre, eller har fokuserat på spetskompetens och mindre fartgy, såsom svenska Kockums. Eftersom billiga arbetskraft har flyttat skeppsbyggnaden till Asien, domineras marknaden av aktörer där, framförallt i Sydkorea, som bygger idag nästan 30% av värdens havsgående fartyg. Klassningssällskap spelar ett avgörande roll för säkerhet till havs, då de implementerar regelverk vars syfte är att se till att allt som rör sig på havet har de tekniska förutsättningarna för att utföra sitt uppdrag utan fara till personal, last eller naturen. Ett klassningssällskap är bundet till ett land och har bland andra uppdrag att utföra inspektioner av utrustning och skrov. De viktigaste är engelska Lloyd s Register, norska DNV, Germanischer Lloyd, Bureau Veritas och American Bureau of Shipping. Utöver dem här finns det en mängd mindre klassningssällskap, dock bara 8 av de tillhör den internationella samarbetsorganisation, International Association of Classification Societies (IACS), som ger de gemensamma mål och håller en hög standard. Sveriges hamnar är en viktig del av sin ekonomi. Såsom Kanada har Sverige den längsta kuststräckan i sitt geografistkt område, med 270 mil av kuster. Runt 90% av den svenska utrikeshandeln flöder genom hamnen. Dessutom reser årligen omkring 30 miljoner passagerare till och från Sverige med färja.hamn är intressanta system med många aktörer. Några av de kan nämnas här. Befraktare är den som äger lasten eller hyr fartyget. Avlastaren är ansvarig för lasten på uppdrag av lastägaren. Olika typer av mäklare fungerar som administratörer eller middlemen. Bogserbåtar hjälper stora båtar med manövrering, båtmän förtöjer/lossar fartyget, och hamnförvaltning bedriver hela hamnverksamheten, speditörer som organiserar frakten, Tullverket, osv. 3

6 Sjöfarten och det hållbara samhället Vid första ögonkast är sjöfarten den mest miljövänlig form av transport idag. Människor påverkas inte av buller eller föroreningar av luft eller vatten, fartyg lämnar inga permanenta spår i vattnet, och transporten kan ske med en relativt låg energiprislapp. När sjöfarten utgör sina uppgifter i ideala förutsättningar kan detta tyckas vara sant. Däremot har sjöfarten som industri stora problem att hantera i praktiken. Blivande ingenjörer som reflekterar kring det hållbara samhället kan ha både ljusa och mörka tankar. Å ena sidan kan havet tänkas vara en viktig pusselbit i vårt samhällets framtid eftersom det erbjuder stora outnyttjade resurser, utgör en så stor andel av värdlens yta och innehåller en stor mängd oupptäkta kunskaper. Storsta utmaningarna för sjöfarten från en hållbarhetssynpunkt har med haverier att göra: när allt går snett kan miljön förstöras i stor skala. Oljespill är ett hot som kommer först till tanke. Man kan göra en liknelse med kärnkraftverk: säkerheten är hög, man skritar hur mycket som helst om hur miljövänlig man är, sannolikheten av en katastrof är infinitesimal, men när katastrofen väl händer är det många liv och mycket skada som är på spel. Mer sutila men inte därför mindre viktiga miljöskador sker på grund av sjöfarten. Ett exempel av en sådan miljöskada tar jag från mina hemtrakter i Kanada: the Saint Lawrence Seaway förenar Atlanten med Kanadas stora insjöar och USA:s industriella stader såsom Milwaukee och Chicago och är en viktig flödesväg för sjöfarten. Ekosystemet där har påverkats starkt av det som följer med i fartygens ballastvatten och släpps ut i insjöarna. Flera fiskearter viktigt för fiske och ekosystemets balans är på väg att försvinna på grund av främmande rovarter. Miljögifter kan också nämnas här. Grundfärgen på skrovet på många fartyg innehåller giftiga ämnen som påverkar ekosystemet. Regelverk kan ha en stor positiv påverkan mot detta typ av miljöskada i framtiden och bör ses som en viktig satsning av stater och internationella organisationer. Egna synpunkter och slutsatser Under senare delen av utbildning, framförallt inom marina system, har jag upplevt en liten paradigm shift med begreppet systemtänkande. Jag tror att hela fenomenet sjöfart kan betraktas som ett system där marknader, aktörer, infrastruktur och till och med individuella fartyg och människor står i en balans. Att arbeta för att detta system ska bli bättre förståd, ska optimeras, och ska fortsätta lyckas är en viktig insatts för mänskligheten och för jorden. Det finns en designspiral för de flesta marintekniska system, men man kan säga att det finns också en påverkanspiral i systemet. Det finns inga perfekta versioner av vår värld förutom i människans fantasi, och samma kan sägas om sjöfarten. Det globaliserade ekonomin lär inte försvinna snart och sjöfarten är en viktig pusselbit från ett samhälls- och ekonomiskt perspektiv. Jag nämnar också att läsningen av Sjöfartens bok i alla sina delar var givande och ger en utmärkt perspektiv på ämnet. Läsning av boken gav bra introduktioner till många viktiga delområden och uppmuntrar läsaren att följa upp intressanta ämnen med mer fördjupning. 4

7 Själv tyckte jag att följande delen var intressanta och vill lära mig mer: Arbeta till sjöss, Klassificeringssällskapens roll för sjösäkerheten, Bärgning en omfattande räddningsapparat, Ett fartyg blir till, och Hamnar och infrastruktur. 5

8 Projektering av ett lastfartyg Inledning Ett rederi har fått i uppdrag att arrangera transport av skogsprodukter från Kanada till Kina. Beställaren behöver transportera 1,2 miljoner kubikmeter rundvirke från Port Metro i Vancouver till hamnarna Tianjin och Qingdao i Kina. Rederiet inleder ett projekteringsarbete för att ta fram en ny handelsfartyg som kan på ett säkert och kostnadseffektiv sätt tillgodose beställarens transportbehov. Detta rapport sammanfattar det initiala designfasen där kraven och styrande begränsningar identifieras och ett fartygskoncept tas fram. Tillvägagångssätt Fartygsprojekterkingsarbetet börjar med bestämning av fartygets huvudata. Då volymen varor att transportera långt överskrider det som ett handelsfartyg kan transportera, bör fartyget dimensioneras efter existerande fartyg som anses vara typiska för transportscenariot. Därför har längd, höjd och blockcoefficient bestämts efter statistiska samband för bulkfartyg. Däremot blir djupgåendet och bredden de maximala tillåtna av hamn- och kanalrestriktioner eller rekommendationer för transportscenariot. Till exempel, hamnen Tianjin har ett maximal djupgående på 13,5 m, och fartyg med bredd över 35 m gör att trafik i två riktningar upphör, medan Port Metro i Vancouver har inga restriktioner alls (Harbour Master Port Metro 2014, p. 45). Med kända huvuddimensioner, kan en uppskattning av fartygets lastkapacitet göras, som i tur tillåter en uppskattning av antal avfärd per månad för ett lämpligt flöde. Vid varje färd ska fartyget fara [nm]. Om 14 knop väljs som marschfart kommer resa och avresa tar 32 dagar. Två identiska fartyg kan då förse beställaren med en last varenda vecka, och transportarbetet skulle vara klart inom 5 måndader. 6

9 Lastens massa bestämmer i stort sätt dödvikten, som tillsammans med en uppskattning av lättvikten, leder till ett värde på deplacement. Tomfallet betraktas också, så att behovet av ballasttankar under hemresan kan analyseras och deras placering bestämmas. Färdvägen approximeras med hjäp av internetbaserad kartor ( ), och med en designfart som är typisk för typen av fartyg och last, kan tiden för tur och return beräknas och därefter storlek på bränsletankar. Variabler för alla storheter tilldelas i beräkningsverktyg MATLAB för att underlätta beräkning och tillåter uppdateringar senare i designspiralen. Med huvuddata bestämda bör utformning av skrovet börjas. Skrovets form förfinas under flera iterationer av designprocessen, med avseende på bestämda värden för blockkoefficient och deplacement, krav på stabilitet, osv. Figur 1 visar spantrutor för skrovet. Figur 1: Spantrutor för skrovet När skrovet börjar närma sin slutliga form känner man fartygets MG 0 och GZ-kurva, och har en ide om fartygets motstånd och effektbehov. Framdrivningssystemet kan nu dimensioneras: utifrån fartygets behov av drivkraft vid diverse hastigheter och skrovets geometri kan en lämplig propellerarrangemang väljas. Viktberäkningar Blockcoefficient typisk för bulkfartyg är 0,82-0,84. För transportscenariot har 0,83 valts, och kontrollerats mot ett statistikt värde (Bertram och Wobig 1999): 3 C B = 4, , 8 F n 39, 1 F n + 46, 6F n (1) där Fn är Froudenummer vid designfart. Viktberäkningar följde formler. Ett approximativt värde för dödvikten ges av D W = m last + m bränsle + 2 % (2) där sista termen är ett tillskott för besättning, mat, dricksvatten, mm. Lättvikten beräknades med formler för stålvikt, utrustningsvikt, dieselmaskineri, och vikt av övriga utrustningar, allt enligt lämpliga approximationer (Milchert 2001). 7

10 W st = 0, 031E 1,36 ( 1 + 0, 05(C B 0.7)) W o = 0, 4LB 0,84 W d = 12(MCR/RPM) 0,7 W r = 0, 69MCR (3) (4) (5) där E är Lloyds equipment number baserat på fartygets dimensioner, och MCR står för maximum continuous rating i MW och RPM revolutioner per minut. L W = W st + W o + W d + W r (6) Resultaten kontrollerades mot statistik för sambandet mellan bulkfartygs dödvikt och deplacement (Watson 1998). Ballast behövs under hemresan då fartyget bär ingen last, för att säkerställa att propellern är till hundra procent under vattnet och för att uppnå önskade stabilitetsegenskaperna. Hydrostatiska och stabilitetsberäkningar Tjockleken på fartygets dubbelbotten bestäms för att tillgodose fartyget med utrymme för ballasttankar. Genom att öka höjden på dubbelbotten kunde KG i lastad kondition höjas och därmed förbättra stabiliteten. Valet på fartygets dubbelbotten kontrollerades mot DNVs rekommendationer för minimum tjocklek enligt Papanikolaou 2014: d bh = B + 50T (7) då dbh är dubbelbottenhöjden och T är djupgåendet. Resten av hydrostatiska och stabilitetetsberäkningarna genomfördes i MSY Hydrostatics. Bland de indata till programvaran är masscentrum i z-led, som uppskattas med: KG last = d bh + ( D d bh)/2 (8) KG LW = 0, 58(D + V OLDH/L/B) (Schneekluth 1998) (9) K G = ( KGlast DW + KG LW LW)/Δ (10) där Δ är deplacement. Det gav som resultat KG =14 m för det lastade fartyget och KG =5 m för det lastade. Programmet ger som output fartygets tyngdpunkt i x-led, dess begynelsemetacentrumhöjd GM 0 och GZ -kurvan i lastade samt olastade kondition. 8

11 Figur 2: GZ-kurvan för fartyget Begynelsemetacentrumhöjden är ett mått på fartygets stabilitet nära noll graders krängning, och ges approximativt av lutningen på GZ -kurvan. För låga värden på GM 0 betyder att fartyget är instabilt och kan inte hålla sig i upprätt läge, medan för höga värden kan medföra höga accelerationer av fartyget när den rättar sig och därmed fara till besättningen och lasten. GZ -kurvan, däremot, visar hävarmen för den rättande moment som agerar på fartyget när den krängs vid olika vinklar. Arean under kurvan representerar den totala energin (i form a vågor och vind) som skulle krävas för att övervinna det rättande momentet. GZ -kurvan kontrolleras mot IMOs recommendation on intact stability för att säkerställa att fartyget är duglig i den operativa miljön som det är tänkt att klara. GZ -kurvan som visas här motsvarar den lastade konditionen. Den uppfyller alla kriterier. Begynelsemetacentrumhöjden GM 0 uppfyller också IMOs rekommendationer, då den underskrider inte 0.15 m. För det lastade fallet, GM 0 =0,7 m och för det olastade GM 0 =9 m. En första approximation av djupgåendet fås när huvuddimensionerna och blockcoefficient bestäms, men när skrovgeometriet är känd får man ett mer exakt värde på djupgåendet. Kravet att detta inte ska överskrida det maximala tillåtna av hamnen är uppfyllda då T = 11 m. Fribord är arean av fartygets bordläggning som är övan vattenlinjen. Det minsta tillåtna fribordet bestäms av regelverk. Fartygets fribord är baserad på fartygstyp ock längd. Att ställa ett maximalt fribord innebär att fartyget kan lastas, om det så önskas, så att överskrids, men inte mer än ett visst värde som betäcknas och ges av: T scant T design T scant = D f ribord (11) Fartygets fribord är 4152 mm (DNV 2001). Framdrivning För en grov uppskattning av fartygets motstånd, släpeffekt och axeleffect användes KTH Marina System Resistance calculator, med metoden enligt Holtrop och Mennen. Figur 3 visar motstånd som funktion av fart. 9

12 Figur 3: Komponenterna av motståndet Från det totala motståndet kan effektbehovet (som funktion av farten) beräknas: P E = R tot V (12) Två metoder används för underlag för propellervalet: den första analyserar en propeller vald från en komerciell propellerserie, och den andra använder bladelementteori för att bestämma huvudegenskaperna i en ny propellerdesign. Seriepropeller: en fem-bladig propeller, SSPA 5.60, valdes för fartyget. Man utgår från drivkraft T som behövs för att möta motståndet vid diverse fartnivåer. Då för propellerseriens prestanda finns uttryckt i dimensionlösa storheter, omvandlades T till den dimensionslösa storheten K T, K T = T /ρn2 4 D (13) för att kunna plotta på propellerdiagrammet. Där kurvan för K T,req skär K T -kurvan i propellerdiagrammet, kan den optimala propellerverkningsgraden identifieras, samt framdrivningstalet J. Propellerns varvtal kan beräknas från framdrivningstalet: R PM = V A /DJ (14) η 0 Figuren nedan visar propellerdiagrammet för serie SSPA 5.60 med propellerverkningsgraden och dimensionlös drivkraft (behovet) inritade. 10

13 Figur 4: Propellerblad för serie SSPA 5.60 Data för propellerarrangemangen finns i Bilaga B, huvudata. BEM-modellering används för att uppskatta prestanda av en förenklad propellerdesign. BEM-modellering drar samman två teorier, bladelementteori och rörelsemängdteori, för att konvergera på exakta värden på de axiala och tangentiala hastighetskomponenterna hos vattnet som strömmer förbi propellern. Bladelementteori beräknar, för en enkel bladgeometri, den tänkbara driv- och vridkraften som propellern kan ger uppehov till, genom att summera bidraget från varje element längs ett blads längd, enligt: Δ T = qcn[clcos(φ) C D sin(φ)]δr (15) Δ M = qcn[cl sin(φ) + C D cos(φ)]rδr (16) Figur 5 visar propellerdiagrammet för en 5-bladig propeller med enkel bladgeometri. Den ljusblå kurvan motsvarar behovet av fartyget under design, och visar de resultaterande propellerverkningsgraden och framdrivningstalet. 11

14 Figur 5: Propellerblad for propellerdesign framtagen för fartyget En rapport över teorin bakom propellerdesignen, samt beräkningar, resultat och MATLAB-kod för detta finns i Bilaga C. Propellerverkningsgraden visar förhållandet mellan släpeffekt och propellereffekt och leder, när faktorer för så kallade sugfaktorn ( thrust deduction factor ) och medströmsfaktorn ( wake deduction factor) har räknats in, till en uppskattning av fartygets total effektbehov. Sugfaktorn är en sänkning i effekten (från släpeffekten) pga propellerns inverkan på tryckgradienten över skrovet. Medströmsfaktorn är en ytterligare sänkning pga hastighetsskillnaderna mellan fartygets hastighet och hastigheten av dess vak. η 0 = P E /P S (17) Figur 6 visar fartygets effektbehov P S. Vid designfarten antar detta drygt 11 MW. Figur 6: Fartygets effektprognos 12

15 Manöveregenskaper IMO rekommerderar minimivärden på fartygs gir- och stoppförmågan och deras kursstabilitet. Här redovisas endast fartygets kurstabilitet enligt Clarkes grov uppskattningsmetod (Milchert 2001, p.12.6). Figur 7 visar att fartyget är någorlunda kursinstabilt. Figur 7: Kursstabilitet enligt Clarke Detta medför högre belastning på rodern, som bör dimensioneras således. Hållbarhetsfrågor Projekteringsarbetet ska ta hansyn till hållbarheten. Hållbarheten består av tre huvudområden: människor, miljö och ekonomi. Det ligger utanför siftet av detta rapport att analysera transportscenariot från en ekonomisk perspektiv, men några funderingar kring det hållbara samhället och miljön följer. Det finns orsak att ifrågasätta hållbarheten av export av rundvirke till kina, då man satsar alltmer på en opålitlig märknad (hetskonsumtion av skogsprodukter) istället för export av förädlad trägods som ger jobb och ekonomiskt tillväxt lokalt där träden växer och skördas. Mer om hållbarheten från en samhällsperspektiv kan läsas i Mackenzie Transporteffektivitet är ett mått på hur miljövänlig transportscenariot är. Det mäter energiförbrukning i [kj/ton km] och en väldigt grov approximation ges av a xeleffekt [kw ] designfart [m/s] / DW [ton] (18) 13

16 Detta scenario har en transporteffektivitet på drygt 40 kj/ton km. Då en annan beräkning baserad på bränslekonsumtion och fuel energy density gav ett resultat nära detta, antas approximationen vara god. Tabell 1 (Davis et alii 2011) visar statistik över olika tranportformer i USA under 2010, och kan ge ett sammanhang till resultatet: Transportation mode kj per tonne kilometre Domestic Waterborne 160 Class 1 Railroads 209 Heavy Trucks 2,426 Air freight (approx) 6,900 Tabell 1: Energiförbrukning enligt form av transport Att transporteffektivitet verkar bättre än statistiken kan förklaras av fartygets storlek relativt dess fart, eftersom mindre fartyg med högre hastigheter har sämre transporteffektivitet. Koldioxidutsläpp är, tillsammans med transporteffektivitet, en viktig benchmark för hållbarhetsanalys. Koldioxidutsläppet är i direkt samband med transporteffektivitet. Då förbränning av dieselolja orsakar 0,73 g/kj i koldioxidutsläpp, kan detta beräknas till 0,029 kg/ton km. Både energianvändning och koldioxidutsläpp har minimerats genom val av transport. Det ligger utanför siftet av rapporten att göra en livcykelanalys på fartyget, men detta ska ses i stor utsträckning som en stålstruktur, då stål utgör en oerhört stor andel av dess tyngd och geometri. När fartyget skrotas kan stålet återvinnas och därför kan fartyget lycklitvis betraktas som en återvinningsobjekt. Slutsatser Fartyget uppfyller kraven från beställaren då den har typiska dimensioner och designfart för dess fartygsklass, har kapacitetet att leverera produkterna med ett sunt flöde, håller en acceptabel standard av säkerhet, tar hänsyn till begränsningar och operativ miljö, och är hållbar från en miljö- och samhällsperspektiv. Uppskattningarna för deplacement, masscentrum, lastutrymme, motstånd och effektbehov är rimliga då projekteringsarbetet oftast använt flera metoder för att nå samma resultat, och jämfört med data från existerande fartyg. 14

17 15

18 Towards a Second Generation of Intact Stability Criteria Introduction A number of failure modes are known where ships experience a loss of stability in heavy weather. Among these failure modes is the phenomenon of parametric rolling, studied since the 1930 s but reexamined at present in the light of a growing number of incidents at sea during recent decades which shed doubt upon the sufficiency of the IMO s intact stability criteria: ships fulfilling the criteria experience loss of stability with subsequent damage to or loss of ship or cargo. First, this report briefly reviews the theoretical background necessary to understand parametric rolling, beginning with the concept of ship stability and proceeding to enumerate the intact stability criteria and explain the sea conditions that give rise to parametric rolling. The concepts for the theoretical background are drawn principally from Mikael Huss book Fartygs stabilitet (Huss 2007). The report then takes up the phenomenon of parametric rolling and studies the mechanics of the phenomenon from a conceptual point of view, based on Levadou (2003). By way of illustration of the concepts presented, and as a framework for the discussion of the thesis statement of the paper, two cases are examined that can be representative for two types of ships that are sensitive to parametric rolling, namely ro-ro ships and newer container ships. The first incident is the 1998 APL China incident as described in the proceedings of the 2001 SNAME Annual Meeting (France 2001) and the second is the measuring of parametric rolling on board the ro-ro ship Aida in 2004 as described by Hua (2006). Finally, the report examines the possible causes of the insufficiency of the intact stability criteria to ensure seaworthiness in the sea conditions previously examined, by seeing how they relate to parametric rolling, taking up the method used to develop the criteria, and considering the new circumstances that have lead to a reconsideration of the criteria. Reflecting on Naoya Umeda s review of the status of the IMO s work with intact stability criteria (Umeda 2013), the report draws conclusions about the need for a second generation of and makes suggestions for new methods for assessing risk in the case of parametric rolling. 16

19 1. Theoretical background Stability The stability of a ship is its tendency to return to equilibrium when external forces have temporarily shifted it from its original or upright state. It is a time-dependent property in certain sea conditions and it varies, for example, with how much a ship heels and what height and wavelength of waves the ship encounters. Although this ability or tendency is not always easy to quantify, the intact stability criteria attempt to establish boundary values for a number of physical parameters in order to ensure that loss of stability by the ship, within the limits of its design operability, will not be a concern. A ship is at equilibrium when the downward force of weight and the upward force of buoyancy are collinear. Figure 1.1 shows the centre of buoyancy B and the centre of gravity G. Figure 1.1: Cross section of ship at equilibrium. When the ship is heeled by an external force, the center of buoyancy shifts from B to B 1 (see Figure 1.2), while the centre of gravity does not move relative to the ship. This means the vertical lines of force G and B 1 are separated by distance GZ, which acts as lever arm for the force pair, and is proportional to moment that tends to right the ship. Figure 1.2: Cross section of a ship heeling. 17

20 The intersection of the vertical line of B 1 and the centerline of the ship is denoted M and called the ship s metacenter. It is of central importance for the ship s stability. The distance GM is called the metacentric height. The heel angle is denoted Ѳand GM 0 is the limit value of GM as Ѳ 0 and approximately equal to the slope of the GZ-curve near Ѳ= 0. The higher the GM 0, the more stable the ship, as the ship will accelerate towards the upright position (and the state of equilibrium) more forcefully near Ѳ= 0. Intact stability criteria Intact stability criteria are recommendations to ensure that the ship in its intact (not compromised or damaged) remains seaworthy at all times in the seas it is designed to operate in. Intact stability criteria are formulated in the IMO resolution A.749(18), the so-called 1993 IS Code. According to the assumption of intact stability recommendations in force, a ship is seaworthy if it fulfills all stability criteria - intact stability and damage stability. The intact stability recommendations for most ships (general cargo, for example ) are as follows: -GM 0 should not be less than 0.15 m. -Righting lever GZ should be at least 0.2 m at angle of heel Ѳ 30. -Maximum righting lever should occur at heel >30 preferably but not less than 25. -The Area of the GZ curve should be at least: a) m radian up to Ѳ= 30 b) m radian up to Ѳ= 40 c) 0.03 m radian between 30 and 40 or between 30 and angle of downflooding. The angle of downflooding is an angle at which deck immersion takes place with subsequent water ingress. The following figure shows a GZ-curve for a ship (GZ plotted against Ѳ), and the points critical for stability criteria are marked: Figure 1.3: a ship s GZ-curve 18

21 What do the criteria express from a mechanical point of view, and why is a ship that fulfills the intact stability criteria assumed to be invulnerable to stability failure? The criteria may be divided into three groups based on which quantities are analyzed. First, the GM 0 criterion: it should be remembered that the higher the value of the GM 0, the more stable the ship, since the ship will right itself more forcefully near Ѳ= 0; at lower values of GM 0, the ship is considered insufficient to maintain equilibrium at or near the upright position. Second, the lever arm criteria: if the GZ value (proportional to the righting moment of the ship when it heels, caused by the gravity-buoyancy force pair) does not exceed a minimum value at certain critical angles, or reaches its maximum too late, in other words when the ship has heeled too far, the ship may not experience enough moment to right itself in heavy seas and is at risk for shipping water. Third, the criteria involving area under the GZ-curve: the area under the curve is a measure of the energy required to heel the ship over to a given extent. The positive area under the GZ-curve is thus the total energy needed to heel the boat to the angle of vanishing stability - and thus capsize it. The sea has all the energy to do so - the criterion merely ensures that in the sea states the ship will likely encounter, the sea will not have enough energy to cause that much heeling. In the case of all three types of intact stability criterion, the particular values against which a ship s stability properties are measured, are the result of statistical analysis. The criteria were developed by the IMO in the 1960 s and 70 s based on statistical analysis of casualties at sea using Rahola (1939). The intact stability criteria mentioned above are not applicable in two extensive categories of vessel: high speed craft and boats whose length is less than 24 m. These cases have separate criteria and are not considered in this paper. Recommendations for high speed craft are documented in, for example, HSC-2000 (International Code of Safety for High-Speed Craft) with appendices describing the intact stability criteria for various hull types (see Huss 2007, p 96) The weather criterion: in cases of severe wind and rolling, an added criterion exists since its inclusion in For an average wind speed, pressure and constant inclination (see Huss 2007, p 95), a gust of wind 50% stronger further heels the ship causing rolling with amplitude In Figure 1.4, φ 0 is the constant inclination, φ 1 is the roll amplitude, and φ 2 is the least of the ship s flooding angles. The ship fulfills the weather criterion if b a. 19

22 Figure 1.4: The IMO weather criterion for the GZ-curve. Damage stability criteria Damage stability criteria are recommendations that are meant to ensure that a ship will not capsize or sink when damaged. They are statistically based and vary from ship to ship. The damage stability requirements for cargo ships can be found in The International Convention for the Safety of Life at Sea, chapter II-1 (IMO 1974). Various cases include single compartment flooding, multi compartment flooding, engine room flooding, etc. In any case, the ship s margin line should not be submerged after damage has occurred. The margin line is an imaginary line drawn 75mm below the freeboard line. This paper does not concern damage stability, but focuses on the question of whether the intact stability criteria in force are sufficient. The failure modes of stability Pure loss of stability is a phenomenon that occurs when a ship is left in an unstable state for a critically long time due to variations in the GZ-curve as waves of certain encounter frequency pass the ship, usually in a following sea. Parametric rolling is a phenomenon that occurs when a ship experiences stability variations at a frequency that corresponds to its natural rolling frequency due to wave encounter, causing rolling to escalate to a dangerous level. In dead ship condition, a ship which has lost propulsion and maneuverability turns into a beam sea and a combination of drift and wind forces cause a rolling motion that endangers the ship. Broaching is another phenomenon that causes turning into a beam sea and rolling, this time under the influence of wave riding. Excessive accelerations are caused by an excess of stability - no danger zone is identified by the existing criteria but excessive stability causes accelerations that may endanger the crew on the bridge or cause cargo securement to fail. 20

23 2. Analysis: parametric rolling The mechanics of parametric rolling Parametric rolling is an unstable phenomenon, which can quickly generate large roll angles that are coupled with significant pitch motions (France 2003). Parametric rolling is an unpredictable phenomenon, involving rolling motion in head seas or following seas. As the ship travels at a given speed and angle with respect to waves of a given wavelength, it encounters them with a certain periodicity: the time between meeting the waves is called wave encounter period,. If the wave encounter period nears one-half the natural roll period T E of the ship, and the ship experiences significant variation in righting arm as the T r encountered waves pass the ship, and furthermore the ship experiences a sideways disturbance (such as a sudden gust of wind), then the ship becomes vulnerable to parametric rolling. The wave encounter period for head seas is calculated as follows: T E = λ / (C w + V c os γ) (2.1) where V is ship speed, γ is the encounter angle (the ship s heading angle relative to the direction of travel of the wave front), and the wave is of wavelength λ and speed C w. The same equation is used for following seas only the terms in the denominator are subtracted, not added. Natural rolling frequency is approximated according to ABS 2004: ω 0 = GM /B (2.2) where GM is the metacentric height in calm water and B is the ship s beam. Natural rolling period is given by T r = 2π/ω 0 (2.3) where where ω 0 is the natural rolling frequency of the ship. Figure 2.1 shows the shape of the hull at the waterline, and therefore the metacentric height GM, an important stability property, changing with the passing wave. 21

24 Figure 2.1: Waves and waterline in heavy following or head sea Figure 2.2 shows the results of a simulated test of parametric roll. The expected free roll is shown, and the difference between free roll and actual (parametric) roll increases with time, although the disturbance is no longer present. Figure 2.2: Simulation of parametric rolling from ABS 2004 The expected result is a constant roll motion while disturbance is present (as in the case of a beam sea) or a decaying roll motion due to the damping effect of the ship once the disturbance ceases. The actual effect can be explained by the synchronising of periodically varying stability properties and the natural roll period. Figure 2.3 shows the variation in the dynamic stability of the ship (as expressed by the GZ-curve), timed with the rolling of the ship.. Naturally, parametric rolling will begin to be dampened and eventually cease when the course or speed is changed, and therefore the period of encounter is no longer in the vicinity half the natural period. Figure 2.3: Stability curves and roll motion in sync A linear differential equation, called a Mathieu Equation (as in France 2001 p.6), expresses the ship s vulnerability to loss of stability due to parametric rolling. The equation is as follows: 22

25 d 2 θ/dt 2 + ( p + q c os(t))θ = 0 (2.4) where p is a function of the ratio of encounter period to natural rolling period T E /T r, and q represents the amplitude of the parametric motion. Figure 2.4 gives an example of the solution set when equation (4) is solved numerically to determine areas of instability. The x-axis is a function of the ratio of encounter period to natural rolling period /T, and the y -axis is a function the forcing amplitudes. T E r Figure 2.4: Mathieu Equation identifying unstable regions for a ship It is clear from the figure that even infinitesimal disturbances can cause instability of roll motion at critical period ratio T E = ½T r and that another critical area exists at T E = T r. This second case is similar to parametric rolling and is called synchronous rolling. 23

26 3. Proposals for a second generation of intact stability criteria A growing need to identify ships that are possibly vulnerable to stability failure due to parametric rolling and other phenomena is being felt by the IMO. The proposed second generation intact stability criteria currently being elaborated at the IMO are based on the concept of vulnerability, and have a three level approach to stability assessment. Each of the failure modes are evaluated by two levels of vulnerability criteria, plus a third, ship-specific, direct stability assessment. Specifically, parametric rolling is being addressed by such a three-level approach (Umeda 2013). The first criteria is: ΔGM/GM R PR (3.1) where or R PR = [0.5] (3.2) R PR = [0.17+(2.125C m -1.7)(100A BK /LB)] (3.3) where GM is the amplitude of the variation of the metacentric height as a longitudinal wave passes the ship, GM is the metacentric height of the loading condition in calm water, A BK is the total overall area of the bilge keels (no other appendages) [m 2 ], L is length between perpendiculars [m], C m is the midship section coefficient, and B is the moulded breadth of the ship [m]. Why R PR is assigned these particular values is not intuitively evident. First, the equation (3.3) gives an alternative value to equation (3.2) for the case of ships equipped with bilge keels, which are a feature that limits the ship s vulnerability to parametric rolling because of their roll-damping function. Ships without bilge keels are to follow the criteria obtained from equation (3.2). An explanation of why variations of the metacentric height ( ΔGM) in waves are not to exceed one-half of the metacentric height of the loading condition in calm water, in the case of the hull not equipped with bilge keels, and the values given by equation (3.3) in the other case, is that the occurrence condition of parametric roll can be obtained as Δ GM/GM > R PR (Umeda 2013). Ships that fulfill the first criterion are considered not vulnerable to parametric rolling because their initial stability does not vary sufficiently to give rise to the phenomenon of in the first place. Ships that do not are subjected to a second level criterion, which is based on the same methodology as the first level criterion, but involves direct calculation of GM in longitudinal waves and examination with 16 wave cases. Additionally, this criterion takes into account the effect of ship speed in relation to wave and roll frequencies. If the ship fails to comply with this check, these data could be used for the operational limitation (Umeda 2013), and the ship assessed for the third and final criterion. 24

27 The final criterion is a direct stability assessment, involving numerical simulation of nonlinear roll motion coupled with vertical motions. This innovative approach allows us to take account of the effect of vertical motions on roll restoring variation. This effect could reduce the possibility of parametric roll (Umeda 2013) 25

28 4. Real ships at risk for parametric rolling The new methods for assessing risk in the case of parametric rolling are prompted by real cases of stability failure where ships experienced the phenomenon in question. Such ships fulfilled the existing criteria but were clearly not ensured against such failure by the criteria. A closer examination of two such cases is illustrative. The APL China incident The APL China incident concerns a container ship which suffered great loss to cargo and damage to the ship in a severe storm in October 1998, where the captain reported extreme and unexpected roll of up to 40 degrees in head seas, and subsequent investigation established, through the use of model tests and numerical simulation, that parametric rolling was the probable cause of the motions (France 2003). The APL China is a post-panamax container ship and her hull is approximated by the C11 hull design, an image of which is presented in Figure 2.5. The C11 class ships are owned by American President Lines and classed by the American Bureau of Shipping. At the time of the incident, the ship s stability properties were acceptable according to the criteria:...the freeboard [was] slightly more than 12 m. In the pre- casualty condition, the vessel s GM was approximately 2 m (France 2003). In addition, model tests performed on the C11 hull design in head and quartering seas across a range of speeds up to 25 knots and in beam seas at standstill yielded maximum roll angles between 2.5 deg and 7 deg at a GMt of 0.9 m" (France 2003). Figure 2.5: A rendering of the APL China s hull A model of the C11 hull (an approximation of the APL China s hull and typical of post-panamax container ships) is presented in Figure 2.5. Although the exact block coefficient of the hull is not available at the time of this paper, container ships of this class can have a block coefficient as low as Measurements on the M/V Aida Another incident of parametric rolling measured on board a Pure Car and Truck Carrier (PCTC), the M/V Aida, is also illustrative. In February 2003, the Aida experienced sudden, 26

29 extreme roll motion, while encountering heavy head seas. Roll angles up to 50 degrees were read off the bridge inclinometer. " When this incident was post-analysed it was found that the conditions, in terms of the relation of wave encounter period and natural roll period, were such that parametric rolling was the most likely cause." (Palmquist 2004) Figure 2.6 shows an example of recorded roll motions on the Aida a year later. The angles are less extreme this time, but that the peak-to-peak roll amplitude went from approximately 4 to 30 degrees in 80 seconds shows how negligible rolling can become dangerous rolling in a short period of time without any further lateral disturbance. Figure 2.6: Rolling motions measured on the PCTC Aida in 2004 (Hua 2006) A closer look at the main particulars of the ship is therefore in order, in order to shed light on the discussion section of this report. The owner (Wallenius Lines AB, Sweden) claims that the vessel is built to the highest class of Lloyd s Register of Shipping and therefore fulfills the IMO s intact stability criteria. In addition, it has outstanding stability features including an impressive 34 m of freeboard. The roll-on, roll-off (ro-ro) ship cruises with an average speed of 15 knots, and often travels nearer 19 knots ( ). Also worth noting is the hull shape: Traditionally the hull lines of typical Pure Car and Truck Carriers have been optimized for minimum resistance when going on a straight path and for maximum cargo capacity (Zachrisson 2011). The results is a vessel with a low block coefficient (0.56 in this case) and high center of mass. To compensate for the slender hull, significant flares are a stabilising feature in the hull design, and the impressive (watertight) ship height also contributes significantly to stability. 27

30 5. Discussion: is a new approach to intact stability criteria needed? The existing criteria The underlying assumption of the method (Rahola 1939) used by the IMO to determine the intact stability criteria is that the record of casualties at sea available up to that point is sufficiently representative of range of stability-related casualties that could possibly occur in ships. Although it proved to be a good working hypothesis for the decades in which the first generation of intact stability criteria was in force, it is now under review. Its main flaw appears to be that it takes too little into account a ship s dynamic stability and hull shape. This becomes evident when cases such as the two mentioned above are analysed. It is significant to note that the two ships in the cases described above are belong to two categories of vessel that have certain similarities. Both are optimised for carrying expensive cargo at higher speeds. They are both of more recent design and have low block coefficients. Thus, though they fulfill the existing intact stability criteria and have better-than-average metacentric height (thanks to hull flares, for example) or very high angles of vanishing stability (thanks to tall watertight walls), they are more exposed to righting arm variations in heavy weather, according to Paulling (2011). The new hull designs have become widespread in the decades following the early 1970 s, when the intact stability criteria were established. For example, ro-ro s began to proliferate after the market for exporting and importing cars expanded drastically in the 1970 s. Thus, casualties involving ro-ro s did not contribute to statistics that are the basis of the intact stability criteria. The existing intact stability criteria were clearly unable to detect the two ships vulnerability to parametric rolling. The new criteria, however, would have done so by detecting the variations in GZ-curve due to wave encounter. Proof of this is the numerical simulations done with the C11 hull as part of the APL China investigation identified its vulnerability to parametric rolling in an attempt to establish the cause of the incident (France 2003). The argument against the development of new criteria Japan, the Netherlands and the United States believe that phenomena such as broaching and parametric roll cannot be completely prevented by design, and, therefore, measures must be taken in ship operations to avoid these stability failure events. (SLF 2007, p. 2) These countries also recommend that performance-based criteria for parametric roll should be developed, enabling ship stability to be judged on a ship-by-ship basis and failure of stability due to parametric rolling to be prevented by on-board, ship-specific directives. An example of on-board operational guidance (Levadou 2003, section 9.1) is the ship s identifying of dangerous situations involving resonance. Danger zones can be identified and the results presented in a polar plot, for a given heading and range of ship speeds. For 28

31 example, Figure 3.1 shows the display on ship s radar enabling the pilot to avoid a number of dangerous ship conditions (parametric and synchronous rolling in red). Figure 3.1: Avoiding resonance phenomena The weakness of this approach is that because loading conditions vary, and with them the natural rolling period, as well as the fact that a wide range of sea states will be encountered at different speeds and headings, the amount of information which is needed for a reliable operational guidance is rather large (Levadou 2003, section 10). However, increasingly satisfactory numerical methods and measuring techniques for prediction of parametric rolling are being developed (van Laarhoven 2009). The argument for the development of new criteria Although changing course and speed is an obvious and effective response to parametric rolling, and the ability to accurately predict the phenomenon is ever-improving, the situation is vulnerable to human error. Proof that such errors occur are tragedies such as the HMAS Nizam where ten Australian sailors were swept off their ship and lost their lives (Royal Australian Navy 2015); investigations pointed at temporary loss of ship stability due to resonance phenomena coupled with an imprudent maneuver in heavy following seas. The APL China incident, although it occurred in hurricane force seas, may arguably also be attributed to human error, as the captain steered into the oncoming seas precisely to avoid beam seas and the possibility of excessive rolling in the storm, and thus encountered the resonance phenomenon necessary for parametric rolling to occur. There is a strong case for developing new criteria altogether: ships are, according to the two cases presented in section 2 and in agreement with van Laarhoven 2009, most vulnerable to parametric rolling because of hull shape. Among the avenues available for the avoidance of parametric rolling at the design stage, is avoiding large gradients at bow and stern to increase dynamic stability and therefore decrease the ship s sensitivity to loss of stability in waves (van Laarhoven 2009). Van Laarhoven also mentions roll damping features such as u-tanks and stabilizing fins that dampen roll motion. Conclusion 29