Towimor gotowy z urządzeniami cumowniczo-kotwicznymi na warunki arktyczne

Z uwagi na zmiany klimatyczne w postaci ocieplania się klimatu, otwiera się nowy alternatywny szlak morski pomiędzy wschodnią Azją a Europą, tzw. Północna Droga Morska w rejonie Arktyki. W tym rejonie dodatkowo szacuje się istnienie światowych rezerw ropy i gazu na poziomie 13  proc. i 20 proc. Szlak ten umożliwia również znaczne skrócenie czasu transportu towarów w porównaniu ze szlakiem przez Kanał Sueski. Te wszystkie czynniki pokazują, iż rejon arktyczny może odegrać kluczową rolę w transporcie towarów drogą morską.

Polska firma Toruńskie Zakłady Urządzeń Okrętowych TOWIMOR S.A. jest liderem w produkcji wyposażenia pokładowego, m.in. wciągarek kotwicznych i cumowniczych na statki pełnomorskie różnego typu: kontenerowce, masowce oraz jednostki segmentu offshore.

Z uwagi na bardzo trudne warunki klimatyczne panujące w tych rejonach, wymagania projektowe były bardzo wyśrubowane. Największym wyzwaniem okazała się być temperatura oraz panujące na tego typu jednostkach strefy zagrożenia wybuchem, tzw. „Ex zones”. Połączenie wymaganego szerokiego zakresu temperatur od -52°C do +45°C z występującą strefą zagrożoną wybuchem, stawiało duże wyzwanie przed działem projektowym gdyż na dany moment firma nie dysponowała rozwiązaniem, które byłoby w stanie sprostać temu wyzwaniu.

Te wszystkie czynniki sprawiły, że zdecydowano się na rozpoczęcie projektu badawczo-rozwojowego. Celem projektu było zaprojektowanie innowacyjnego systemu wciągarek cumowniczych i kotwicznych z napędem hydraulicznym przeznaczonych do pracy w warunkach arktycznych.

Projekt zrealizowano w ramach programu NCBiR: „Program Operacyjny Inteligentny Rozwój – Szybka Ścieżka”. Prace badawczo-rozwojowe miały na celu rozwiązanie głównych problemów w trzech branżach: hydraulicznej, mechanicznej i elektrycznej.

W części hydraulicznej projektu, napęd hydrauliczny składał się z zaworów hydraulicznych, dwubiegowego silnika hydraulicznego, agregatu hydraulicznego i towarzyszącego mu wyposażenia hydraulicznego.

W części mechanicznej projektu, konstrukcja wciągarki składała się z zamkniętej przekładni, uszczelnień, łożysk tocznych, wału głównego, bębna cumowniczego, hamulca cumowniczego, otwartej przekładni do podnoszenia kotwicy, zespołu kół łańcuchowych i hamulca kotwicznego. Z uwagi na to, iż przekładnie, a także łożyska toczne i ślizgowe wymagają smarowania, a konwencjonalne środki smarne i uszczelnienia mają zakres temperatur pracy -30°C. Głównym wyzwaniem było tu dobranie środków smarnych i uszczelnień, które umożliwiłyby pracę w bardzo niskich temperaturach.

W części elektrycznej projektu wyróżnić należy szafy sterownicze, przeznaczone do instalacji pod pokładem statku do sterowania i zasilania agregatu hydraulicznego oraz systemu zdalnego rzucania kotwicy i systemu grzania oleju w przekładni wciągarki. Elementy montowane na wciągarce na otwartym pokładzie, takie jak czujniki, kasety sterownicze oraz systemu podgrzewania oleju w przekładni wciągarki.

Dodatkowo dużym wyzwaniem okazał się dobór i selekcja odpowiednich komponentów elektrycznych, spełniających zarówno wymagania temperaturowe oraz parametry strefy zagrożonej wybuchem montowanych na otwartym pokładzie, gdzie występowała strefa Ex. W niniejszym artykule przedstawione zostaną wnioski prac badawczych z części elektrycznej projektu.

W pierwszym etapie prac nad częścią elektryczną projektu dokonano przeglądu podstawowych podzespołów elektrycznych jakie przewidziano do montażu na otwartym pokładzie statku. Były to:

• czujniki indukcyjne;
• kaseta sterownicza.

Czujniki indukcyjne przewidziane zostały do kontrolowania obrotów wału wciągarki kotwicznej oraz wykrywania położenia sprzęgła zaprzęgającego koło orzechowe łańcucha kotwicznego.

Kaseta sterownicza była elementem wykonawczym, przeznaczonym do obsługi przez operatora wciągarki. Te elementy były częścią systemu zdalnego rzucania kotwicy, dzięki któremu zrzut kotwicy odbywał się w sposób kontrolowany i bezpieczny, czyli z kontrolą prędkości wyrzucanego łańcucha i jego długością.

Badania w komorze klimatycznej pozwoliły wybrać najlepsze komponenty z kilku testowanych pod kątem jakości sygnału, maksymalnej częstotliwości przenoszonych impulsów oraz pod kątem niezawodności działania poszczególnych komponentów.

W drugim etapie prac zaprojektowano szafy sterownicze:

• szafa sterownicza oznaczona jako „HCC – HPU Control Cabinet” – dla zasilania i sterowania agregatem hydraulicznym głównego napędu wciągarki. W szafie tej przewidziano również wyżej opisywaną funkcjonalność zdalnego rzucania łańcucha kotwicznego;
• szafa sterownicza oznaczona „WHC – Winch Heating Cabinet” – dla zasilania i sterowania układem grzania oleju przekładni wciągarki.

Stanowisko do badania czujników indukcyjnych w komorze klimatycznej

Szafy sterownicze przewidziane zostały do instalacji pod pokładem statku, jednak wymogi projektu odnośnie temperatury tam panującej nie były łaskawe, gdyż określono minimalną temperaturę otoczenia do pracy szaf na poziomie -32°C. Pod pokładem nie występowała już strefa zagrożenia wybuchem, jednak temperatura była wyzwaniem, gdyż założono również, iż szafy sterownicze muszą mieć możliwość uruchomienia (rozruchu) z minimalnej temperatury otoczenia. Z uwagi na to, komponenty elektryczne zostały dobrane w taki sposób, aby ich temperatura przechowywania była niższa niż minimalna temperatura otoczenia.

W celu sprostania tym wymogom, w szafach zaprojektowano specjalny system ogrzewania wnętrza, który to w pierwszej kolejności rozgrzewał wnętrze szafy do temperatury pozwalającej na podanie napięcia dla układów sterowania i zapewnienia im zakresu ich temperatury pracy. Szafy sterownicze zostały poddane badaniom w komorze klimatycznej, gdzie dokonano sprawdzenia założeń technicznych i potwierdzono poprawne funkcjonowanie szaf.

Poniżej przedstawiono poglądowy wykres temperatury z przeprowadzonych badań. Widać na nim, iż osiągnięto we wnętrzu szaf temperatury wyższe niż -15°C, co pozwoliło na pracę dobranych komponentów szafy w zakresie dopuszczalnych temperatur ich pracy.

W trzecim etapie projektu dokonano doboru komponentów dla systemu grzania oleju przekładni wciągarki. Z uwagi na trudne warunki pracy wciągarki panujące na otwartym pokładzie statku oraz możliwości występowania silnych porywów wiatru, nie było łatwym zadaniem utrzymanie wymaganej temperatury oleju dla zachowania jego właściwości smarnych.

Z drugiej jednak strony należało pamiętać o strefie zagrożonej wybuchem, aby nie przekroczyć dopuszczalnych temperatur na powierzchni urządzenia. Do tego celu wykorzystano oprogramowanie komputerowe, pozwalające zamodelować przekładnię wciągarki, aby ocenić rozkład ciepła i dobrać odpowiednie elementy grzewcze oraz izolację przekładni.

Po analizie zdecydowano się na izolację przekładni i ogrzewanie całej zewnętrznej powierzchni zbiornika za pomocą samoograniczających się, półprzewodnikowych przewodów grzejnych. Rozwiązanie to jest bezpieczne pod względem strefy wybuchu, a także pozwala na wprowadzenie ciepła do oleju na dużej powierzchni, zapobiegając jego spaleniu. Dodatkowo w przekładni przewidziano zainstalowanie czujników PT100 do kontroli temperatury oleju w odpowiedniego sterowania grzaniem. System ten został również przetestowany na realnym modelu wciągarki w komorze klimatycznej.

Podsumowując cały przebieg prac należy stwierdzić, iż TOWIMOR S.A. jest już dzisiaj przygotowany do zaprojektowania wciągarek cumowniczych i kotwicznych na statki pełnomorskie operujące również w rejonach arktycznych. Doświadczenia zebrane podczas projektu badawczego pozwalają firmie na rozwój swoich produktów i dostarczanie urządzeń pracujących w ekstremalnych warunkach. Pod kątem elektrycznym sprawdzono i przebadano dostępne na rynku urządzenia i zintegrowano je do systemu sterowania pracą wciągarek pracujących w warunkach arktycznych.

Autor: Krzysztof Zieliński