Målfrid Høve Sporsheim Elin Haugetun

Transkript

1 Prosjekt oppgave i TMR Marine Operasjoner Vår 2006 Målfrid Høve Sporsheim Elin Haugetun

2 Forord Denne rapporten inneholder prosjektoppgave i faget TMR 4225 Marine Operasjoner. Oppgaven går ut på å sammenligne installasjon av bunnrammer på Ormen Lange feltet mot installasjon i Barentshavet. Prosjektet skal også ta for seg momenter ved kartlegging og transport av bunnrammer, samt beskrive en operasjon nærmere. Prosjektet teller 30 % av total karakter, prosjektet skal presenteres muntlig og en skriftlig rapport skal leveres. Vi har prøvd å presentere rapporten på en naturlig måte, men en forutsetning er at leseren er kjent med elementer kunnskaper i marine emner. Retter en takk til faglærere og studentassistent i faget for god undervisning og veiledning. Aker Kværner har gitt oss mye informasjon og vil benytte anledningen til å takke Jan H. Gramnæs og Trond Kjetil Nodberg for informasjon. Trondheim Elin Haugetun Målfrid Sporsheim 2

3 Innhold Forord... 1 Innhold... 3 Figurliste... 4 Tabell liste... 4 Sjefsammendrag... 5 Sjefsammendrag... 5 Innledning Bakgrunnsinformasjon Beskrivelse av kartlegging og installasjon på feltene The Pencil Buoy Methode Hovedfaser til pennebøyemetoden Kritiske situasjoner til hovedfasene til operasjonen Beskrivelse av analysering av kritiske situasjoner for operasjonen Forskjeller i operasjonen ved Ormen Lange vs. Barentshavet: Fartøy, strukturer og instrumenter som blir brukt i operasjonen Fartøy, BOA Deep C: Bunnrammer: Beskrivelse av pennebøyen Løftelekter Vær og varighet Varighet og vær begrensning for hver fase i operasjonen Analyse av landing av struktur Resultater Hydrodynamisk tilleggsmasse Akselerasjon til en plate nær havbunnen Hastighet til en plate nær havbunnen Krefter på dokking pil Forslag til videre arbeid Kilder og referanser Vedlegg

4 Figurliste Figur 1: Skisse av undervannsløsning for Ormen Lange feltet... 7 Figur 2:Barentshavet... 7 Figur 3: Illustrerer løft av bunnramme fra lekter til skip. Pennebøyen ligger ombord i skipet10 Figur 4: Viser ulike steg ved senking av bøyen Figur 5: Viser skisse av elementer som er med på å slepe struktur Figur 6: Viser bøye, struktur og skip i slepe posisjon Figur 7: Senking av bunnrammen Figur 9: Bilde av BOA Deep C Figur 10: Bilde av winch package om bord i skipet Figur 11: Skisse av bunnramme Figur 12: Skisse av bunnstruktur Figur 13: Skisse av en disk nær bunn. Fra forelesningsnotat om Plate close to bottom Figur 14: Resultat av beregning av hydrodynamisk masse Figur 15: Viser resultat av akselerasjonen til disk Figur 16: Hastighet til disk nær havbunnen Tabell liste Tabell 1:Forskjell i utførelse av operasjon Ormen Lange vs. Barentshavet Tabell 2: Hoveddimensjonene til BOA Deep C Tabell 3: Løfte kapasitet til kranene til BOA Deep C Tabell 4:Dimensjoner til bunnramme Tabell 5:Hoveddimensjoner for løftelekteren

5 Sjefsammendrag I denne rapporten har vi sett på the Pencil Buoy Method (pennebøye metoden) for våt tauing av bunnrammer og forskjeller mellom operasjoner ved Ormen Lange og Barentshavet. Pennebøyemetoden er basert på en pennebøye som bærer den neddykkede massen til strukturen, da den blir tauet undervann ved hjelp av et fartøy. Metoden blir delt inn i tre faser. I den første fasen blir bunnrammen løftet fra en lekter til et fartøy ved hjelp av en kranlekter. Strukturen blir senket under vann og blir festet til vinsj og bøye etter nedsenking. Bøyen blir sjøsatt og tauing kan begynne. Hele den første fasen skjer innaskjærs og er dermed lite påvirket av vær og vind. Den andre fasen er tauing av struktur under vann til installasjonssted. I siste fase tas bøye om bord i skip og nedsenking av struktur kan begynne. Strukturen blir plassert på en dokking pil, en ROV hjelper til med posisjonering. Operasjonen ved Ormen Lange feltet vil være mer krevende enn i Barentshavet. Dette på grunn av kupert havbunn, sterke strømmer og ekstremt havdyp på Ormen Lange feltet i forhold til Barentshavet. Operasjoner i Barentshavet kan være utfordrende med tanke på muligheten for isfjell. Vi har analysert landing av strukturen på havbunnen, ved hjelp av MATLAB. For å forenkle beregningene har vi valgt å modellere den ene sylinderen av skjørtet som en enkel disk med gitt diameter og enhetshøyde. Vi har foretatt analyse av hydrodynamisk masse, hastigheten og akselerasjonen til en disk nær bunn. Vi har og beregnet krefter i x- retning og moment i y- retning til dokking pilen. Analysene stemte overens med teorien gitt i faglitteratur, da vi blant annet observerte at tilleggsmassen gikk mot uendelig og hastigheten mot null da avstanden mellom disk og havbunnen ble veldig liten. 5

6 Innledning På hjemmesiden i faget er prosjektoppgaven beskrevet, se vedlegg 1. Prosjektoppgaven gir oss mulighet til å velge mellom to problem, vi velger å arbeide med problem 1 som omhandler installasjon av bunnrammer. Vi har valgt sub problem F. en annen prosedyre. Prosedyren er The Pencil Buoy Method utviklet av Aker Kværner. Metoden går ut på å taue strukturen under vann ved hjelp av en bøye. I oppgaven har vi en kort beskrivelse av kartlegging og installasjon på Ormen Lange versus Barentshavet. Hovedfokuset har vært The Pencil Buoy Method, utførelse, kritiske situasjoner og analyse. 6

7 1. Bakgrunnsinformasjon Ormen Lange feltet Ormen Lange feltet ligger i Norskehavet, 120 kilometer nordvest av Mørekysten. Vanndypet ligger mellom 800 og 1100 meter. Det er Norges nest største gassfelt og løsningen for feltet er kun basert på undervannsteknikk. Ormen Lange feltet ble påvist ved boring i 1997 og forventet produksjonstart er oktober Figur 1: Skisse av undervannsløsning for Ormen Lange feltet. Kilde: Barentshavet Barentshavet ligger mellom Svalbard i vest og Novaya Zemlya i øst. Gjennomsnittlig vanndyp er 230 meter. Oljedirektoratet tror en tredjedel av de uoppdagede petroleumsressursene på norsk sokkel finnes i den norske delen av Barentshavet. Figur 2:Barentshavet Kilde: 7

8 2. Beskrivelse av kartlegging og installasjon på feltene Dette avsnittet har vi begrenset til kun å gi en grov beskrivelse av kartlegging og installasjon på de to feltene. Dette har vi gjort fordi vi videre i oppgaven kunne velge å se grundigere på metode for enten kartlegging eller installasjon. AUV, i sammen med ROV, blir brukt for å kartlegge havbunnen før en bestemmer optimal plassering av template. I første omgang, for en større kartlegging av havbunnen, blir AUV som oftest benyttet. Data fra AUV/ROV blir brukt sammen med simuleringsprogram for å optimalisere template plassering i forhold til havbunnen. Operasjonen blir også simulert og kalkulert med detaljerte datamodeller, og deretter grundig testet i modellskala. Da plasseringen er bestemt og alle tester er gjort, kan installasjonen begynne. Installasjon foregår normalt ved at en lekter med templatene på taues ut av et offshore heavy lift fartøy, eller at strukturene plasseres på dekket til et kranfartøy og taues ut til feltet. Ved feltet løftes strukturene av lekter eller fartøy og senkes ned til havbunnen. Noen titalls meter fra havbunnen hjelper som regel en ROV til med videre posisjonering av strukturen. De marine operasjonene på Ormen Lange feltet møter spesielt store utfordringer knyttet til dybde og meget sterke strømmer. I tillegg er vind- og bølgekreftene i området rundt Ormen Lange meget krevende. Ved utbyggingen av Ormen Lange feltet dimensjoneres alle installasjoner for bølgehøyder opp mot 30 meter, og vindstyrker opp mot 35 m/s. Kilde: I og med at havbunnen er såpass kupert som den er i Ormen Lange feltet, har det vært viktig å få kartlegge havbunnen så bra som mulig. Dette er gjort med en autonom undervannsfarkost NUI Explorer, med hjelp fra data fra ROV. På grunn av dypet og de sterke strømmene, måtte det i tillegg benyttes lydsignal for å få plassert templatene på riktig posisjon. Lydsignalene kom fra ti akustiske følere som var installert på havbunnen tidligere. De marine operasjonene i Barentshavet er ventet å bli utsatt for forskjellige utfordringer ved installasjon. I forhold til Ormen Lange feltet, har ikke installasjonene i Barentshavet det samme problemet med ekstrem vanndybde, men har derimot en fare for is og isfjell. Den sørlige delen av Barentshavet er normalt isfri hele året, men isfjell kan forekomme. I tillegg har man endringer i miljøforhold som vind, snø, temperatur og lys. Dette gir en ekstra utfordring i forhold til de marine operasjonene som utføres der. Kilde: 8

9 3. The Pencil Buoy Methode Aker Kværner har tatt patent på The Pencil Buoy Method (pennebøyemetode). Metoden ble utviklet av Aker Kværner Contractors basert på erfaringer fra installasjonsteknikker brukt opp gjennom årene. Pennebøyemetoden baserer seg på å frakte undervannsstrukturer under vann ved hjelp av en bøye, metoden blir beskrevet nærmere under. Metoden blitt brukt blant annet på Hydro Vigdis feltet, Snøhvit feltet og Norne feltet. (referanse: Aker Kværner) 3.1 Hovedfaser til pennebøyemetoden Pennebøye metoden er delt inn i tre faser, de tre fasene er beskrevet under med tekst og figurer. En animeringsfilm på hvordan pennebøyemetoden ble utført på Snøhvit feltet finnes på: Fase 1: Løfte struktur fra lekter og feste struktur til bøye. 1) Bunnramme blir løftet fra lekter med en kranlekter. 2) Kranlekteren transporterer bunnstrukturen til skipet som skal taue strukturen. Se figur 3 for illustrasjon. 3) Kranlekter senker strukturen ned gjennom splash sonen. 4) Kranlekteren manøvrer strukturen under aktertrommelen til skipet. Tauevinsjen til fartøyet og pennebøyen vil bli koblet til strukturen. Strukturvekten blir da overført fra kranlekter til fartøyets vinsj, kranlekteren blir fra koblet. 5) Pennebøyen blir sjøsatt fra fartøyet ved at vinsjen slakkes (struktur senkes) og fartøyet beveger seg svært langsomt fremmover. Bøyen glir av fartøyet og treffer vannet i takt med senkingen av strukturen. Da bøyen er i vannet vil den først ligge horisontalt i vannflaten, strukturen senkes til pennebøyen er i vertikal posisjon. Se figur 4. 9

10 Figur 3: Illustrerer løft av bunnramme fra lekter til skip. Pennebøyen ligger ombord i skipet Figur 4: Viser ulike steg ved senking av bøyen 10

11 Fase 2: Slepe struktur til destinasjon Pennebøyen er nå i en vertikal posisjon i sjøen, strukturen er rett under bøyen. Fartøyet tauer strukturen til destinasjon med marsjfart på ca 3 knop. Taueoperasjonen blir gjennomført ved at pennebøyen bærer den nedsunkete vekten av strukturen og rigging til feltet. Dette illustreres i figur 5 og 6. Figur 5: Viser skisse av elementer som er med på å slepe struktur. Figur 6: Viser bøye, struktur og skip i slepe posisjon. 11

12 1. Senke og installer struktur på havbunn Ved destinasjon er bøyen i vertikal posisjon med struktur under bøye i sjøen. Vinsjen drar struktur og bøye opp. Bøyen vil først ligge horisontalt i vannflaten og deretter dras om bord i fartøyet. Bøyen blir hektet av vinsjen og vekten er da overført fra pennebøyen til vinsj på fartøyet. Vinsjen senker strukturen ned til havbunnen og den blir installert. En ROV brukes til å hekte av vinsjen. Dette er illustrert i figur 7. Figur 7: Senking av bunnrammen. 12

13 3.2 Kritiske situasjoner til hovedfasene til operasjonen I avsnittet 3.1 ble fasene til pennebøye metoden presentert, vi vil nå beskrive de kritiske situasjonene til hver fase. Disse vil få nærmere beskrivelse i avsnitt 3.3. I forelesningsnotat Crane operation er figur 8 presentert. Vi bruker denne modellen for å finne kritiske situasjoner i fase 1 og fase 3. Kritiske momenter i de ulike løftefasene: 1. Lift-off: Rykklaster Nedslag Horisontal gliding 2. I luft: Pendelbevegelse Kollisjon 3. Kryssing av splash sonen: Dynamiske laster Rykklaster 4. Dypt neddykket: Vertikal resonans 5. Landing: Vertikale bevegelser Horisontal forskyvning Nedslag Figur 8: Kritiske momenter i de ulike løftefasene 1 Kritiske situasjoner for hver fase: Fase 1: Løfte struktur fra lekter og feste struktur til bøye. Løfte struktur fra lekter Løft i luft Kryssing av splash zonen Koble bøye til struktur og ta av kran Sjøsetting av bøye Fase 2: Slepe struktur til destinasjon Tauing av struktur Bevegelser til bøyen Fase 3: Senke og installer struktur på havbunn Koble bøye fra struktur og feste vinsj Dra bøye om bord i skipet Senking av struktur Struktur nær havbunn Landing 13

14 3.3 Beskrivelse av analysering av kritiske situasjoner for operasjonen For å begrense dette avsnittet har vi valgt å ikke skrive noen formler på elementer man kan beregne. Vi vil heller ikke kommentere analyseprogram som benyttes i industrien/forskningen i dette avsnittet. For nærmere informasjon om formler referer vi til kompendium i Marine operasjoner og annen relevant faglitteratur. Under lift-off operasjonen, beveger både lekter og kranfartøyet seg. Vi vil derfor ha en relativ vertikal bevegelse mellom krankroken og lekteren. Om vekten av modulen er signifikant sammenlignet med det fortrengte volumet til lekteren eller kranfartøyet, vil bevegelseskarakteristikken være forskjellig før og etter lastoverføringen. Ved å analysere situasjonen før og etter lastoverføring, kan en finne sannsynlighet for rykklast og nedslag. For beregninger i denne fasen, gjør en antakelser om bølgeperiode og bølgehevning. En må også gjøre antakelser om bevegelsene til lekter og kranfartøy. Dette for å kunne beregne den relative vertikale bevegelsen mellom de to. Ved løft i luft, møter en utfordringer som pendelbevegelser og muligheter for kollisjon. Vi har et kranfartøy med en last som henger i kranen. For å analysere denne fasen av operasjonen, benyttes en koblet dynamisk modell for kranfartøy og last. Denne modellen benyttes til å finne egenperioder og egenvektorer til det koblede system, ved å beregne hydrodynamiske koeffisienter for systemet. Ved kryssing av splash sonen, må en beregne de hydrodynamiske laster på legemet som entrer vannet (water entry/slamming). Dette kan bli gjort ved hjelp av moment teori. Dette er beskrevet av Faltinsen (1990). Ved hjelp av endring i bevegelsesmengde, Eulers likninger og Gauss teorem kan de dynamiske kreftene som virker på legemet finnes. Moment teori må også benyttes når en ser på sjøsettingen av bøya, for å finne de kreftene som virker på den. I tillegg må en ta hensyn til strekket i kabelen fra vekten av den neddykkede strukturen. Ved tauing av strukturen, må en se på motstanden strukturen møter i vannet og beregne strekket i vaieren fra fartøyet til struktur. Under tauing vil bøya fungere som en passiv hivkompensator for strukturen, og bevegelsene som blir overført fra fartøyet til struktur blir dempet. En dynamisk analyse må foretas for videre å beregne kreftene og bevegelsene som overføres. Når en drar bøyen inn i fartøyet, kan moment teori igjen benyttes for beregning av krefter. (Water exit) Ved senking av strukturen må en beregne strekk i kabelen og ta hensyn til strømninger som kan føre til avdrift. Her må en ta hensyn til bevegelsen kranen på skipet har, og hvordan dette forplanter seg til strukturen. Antakelser må gjøres om bølgeperiode, bølgehevning og bevegelse til fartøy. Deretter må en sette opp en forenklet dynamisk modell for å beregne relevante dynamiske krefter og responser. 14

15 Ved landing av struktur benyttes konservering av energi for å analysere kreftene som virker. For å forenkle beregningene neglisjeres viskøse krefter og demping. En antar at kinetisk energi til lasten absorberes av wiren og underlaget den skal installeres på. 3.4 Forskjeller i operasjonen ved Ormen Lange vs. Barentshavet: Marine operasjoner er normalt begrenset av været. En marin operasjon som innebærer installasjon av template, er normalt begrenset til en signifikant bølgehøyde mindre enn 3 meter. Ekstremvær finner en både i Barentshavet og i Ormen Lange feltet. For å finne forskjeller i operasjonen avhengig av hvor den skjer, ser vi nærmere på hver fase i operasjonen og prøver å definere forskjellene som kan oppstå. Disse er presentert i tabell 1. Faser av operasjonen Fase 1: Løfter struktur fra lekter Løft i luft Kryssing av splashsonen Sjøsetting av bøye Kobling til vinsj på fartøy, avkobling fra lekter Forskjell Ormen Lange vs. Barentshavet Som nevnt ovenfor skjer løft fra lekter og nedsenking inshore når en benytter seg av pennebøyemetoden. Dette gjør at operasjonen i realiteten kan utføres når som helst på året og under hvilke som helst værforhold ute på feltet, siden denne fasen av operasjonen uansett skjer i rolige farvann. Her er det ingen forskjell ved installasjon ved Ormen Lange eller Barentshavet. Fase 2: Tauing Fase 2 av operasjonen vil også være ganske lik for begge lokasjoner. Fase 3: Fase 3 av operasjonen vil gi noen forskjeller i Dra bøye om bord i fartøy forhold til om operasjonen utføres ved Ormen Senking av struktur Lange eller Barentshavet. Dette gjelder spesielt Landing/plassering av struktur for nedsenking og plassering av strukturen. Ormen Lange feltet er veldig dypt og har spesielt sterke strømninger ned i vannkolonnen. I tillegg er havbunnen kupert, og nøyaktig posisjonering er viktig. Det vil da bli behov for andre hjelpemidler enn bare støtte fra en ROV ved landing av strukturen. Som nevnt i kapittel 2 ble det satt ut ti følere for posisjonering, slik at posisjoneringen ble gjort ved hjelp av lydsignaler. Dette vil ikke være nødvendig ved Barentshavet. Tabell 1:Forskjell i utførelse av operasjon Ormen Lange vs. Barentshavet 15

16 3.5 Fartøy, strukturer og instrumenter som blir brukt i operasjonen Hovedutstyr for å bruke The Pencil Buoy Method er bøyen, løftelekter og tauefartøy. For å begrense oppgaven har vi valgt å baser valgene våres på informasjon mottatt av Aker Kværner Fartøy, BOA Deep C: Fartøyer som er blir brukt til å taue undervannsstrukturer under vann ved hjelp av bøye er Advanced anchor- handling vessels (AHVs). Disse er mer tilgjenglig i markedet enn offshore heavy- lift vessles. For tauing av havbunnsstrukturene til Snøhvit feltet ble flerbruksfartøyet BOA Deep C benyttet. Vi vil i denne oppgaven også beskrive dette fartøyet. Hoveddimensjonene til fartøyet er presentert i tabellen under, informasjon om skipet er hentet hos Aker Kværner. Kilde: 4EB7-B41E-5EB D/12704/200512MissionPossibleforWEBlowres.pdf Length overall 120 m Breadth 27 m Draught (max) 8,6 m Deck Area m2 Deck Capacity 15 tonnes/m2 Moon pool 7,2 x 7,2 m Accommodation 90 single cabins Dynamic Positioning DnV Autro (class III) Power installed kw Bollard pull 250 tonnes Speed max/econ 17,5/12,5 Max winch 500 tswl WROV System 2xMillenium/3 000 mwd Tabell 2: Hoveddimensjonene til BOA Deep C Om bord i skipet er det to tauevinsjer med SWL 500 tonn og trommel kapasitet på 3600 meter av Ø 90 mm vaier. Samt en anker håndterningsvinsj med SWL 500 tonn og trommel kapasitet på 8100 m av Ø 108 mm vaier. Disse vinsjene er samlet i en vinsj pakke (winch package), se figur 10. Skipet er utstyrt med to kraner, en midtskips og en i akterenden. Begge kranene har aktiv hiv kompensator og vinsjen tåler å operere inntil 2000 meter under vann. I tabellen under er løfte kapasitets data for kranen gitt. Midtskips kran Akter kran Løfte kapasitet /radius At shore 250 tonn/ 12 m 30 tonn/ 13 m 90 tonn/30 m 18 tonn/ 20 m Offshore 200 tonn/ 12 m 30 tonn/ 13 m 90 tonn/ 30 m 10 tonn/ 20 m Max. Hastighet 18 m/min 21 m/min Tabell 3: Løfte kapasitet til kranene til BOA Deep C. 16

17 Figur 9: Bilde av BOA Deep C. Figur 10: Bilde av winch package om bord i skipet. 17

18 3.5.2 Bunnrammer: Vi bruker samme bunnrammer som de som er plassert Snøhvit feltet som er produsert av ABB Offshore Systems. Under er skisse av en bunnramme og dimensjonene til den. Vekt 260 tonn Lengde 26 meter Bredde 16 meter Høyde 14 meter Tabell 4:Dimensjoner til bunnramme. Figur 11: Skisse av bunnramme Beskrivelse av pennebøyen Pennebøyen er en sylinderstruktur med indre diameter på cirka 4,5 meter og lengde 30 meter. Skroget til sylinderen er laget av stålplater med indre stivere. Den har en egenvekt på 55 tonn og dødvekt (bæreevne) på ca 250 tonn. Bøyen tar hensyn til lekkstabilitet, den er delt inn i mange vanntette rom med såkalt enkompartment standard, dvs at et hvilket som helst rom kan fylles uten at bøya går under. I tillegg har vi bestemt at vi vil ha 10 % reserve igjen i tillegg til den vanlige enkompartmentskaden sitat Jan H. Gramnæs Områdeleder Engineering i Aker Marine Contractors. 18

19 3.5.4 Løftelekter Aker Kværner brukte Conlift løftelekter under operasjonen på Snøhvit feltet, lekteren har en kapasitet på 400 tonn. Vi velger å bruke en heavy lift cranebarge fra Eide group. Lekteren har en kapasitet på 450 tonn pr kran og er utstyrt med 4 kraner. I tabell under er dimensjonene presentert. Kilde: Dimensjoner: Lengde Bredde Dypgang Dypgang i lastet tilstand Kran informasjon: Kapasitet Modus Thruster: Styrings thruster Ytelse Tabell 5:Hoveddimensjoner for løftelekteren 76 meter 37 meter 4,7 meter 3,615 meter 4x450 tonn, totalt 1800 tonn 10,36 m transvers og 8 m langsgående 1x retractable AQUA 800 hp 19

20 3.6 Vær og varighet På Snøhvit feltet installerte de seks havbunnsrammer på ca en måned ved hjelp av pennebøyemetoden. Ut i fra det kan vi estimere at en operasjon tar en liten uke (ca 5 dager). Vi refererer til Aker Kværner for vær kriterier de opererer med, se utdrag fra Weather Criteria, i presentasjon Sub sea structure installation on Snohvit field using a new construction vessel fra Deep Offshore Technology Conference 2003 i Marseilles, Frankrike. Vi går ut ifra at værvarsel for signifikant bølgehøyde må gjelde for 48 timer. Dette baseres på forelesningsnotat om Weather windows. Utdrag fra presentasjon Sub sea structure installation on Snohvit field using a new construction vessel : 20

21 3.6.1 Varighet og vær begrensning for hver fase i operasjonen Fase 1: Løfte struktur fra lekter og feste struktur til bøye Denne operasjonen skjer i rolig farvann (inshore). Da strukturen blir løftet med kranlekter kan vi ikke ha signifikante bølgehøyder over 1 m og vindhastighet over 25 knop. Varighet antas å være på fasen 12 timer. Fase 2: Slepe struktur til destinasjon Strukturen blir tauet under vann med en avstand fra overflaten større enn en halvbølgelengde, slik at den ikke blir utsatt for bølgekrefter. Aker Kværner opererer med Hs 8 m (10 års retur sommerstorm) ved våt tauing. Hvor lang tid denne delen av operasjonen tar kommer an på hvor langt strukturen skal taues. Fartøyet som tauer strukturen har en marsj fart på ca 3 knop når den tauer. Bunnrammene som ble installert på Snøhvit feltet ble tauet fra Polarbase til feltet, en distanse på ca 150 km nm Varighet på tauing: T = timer 3 knop Ormen Lange feltet er ca 100 km fra land, tiden som fartøyet vil bruke til destinasjon der er: Varighet på tauing: T = nm knop 18 timer Fase 3: Senke og installer struktur på havbunn Signifikant bølgehøyde kan ikke være større enn 2-2,5 meter ved offshore operasjoner og operasjon med ROV krever Hs 3,5 m, ifølge Aker Kværner. Dersom været skulle forverre seg utover aksepterte grenser under installasjonsoperasjon, kan strukturen bli forflyttet til sikker tilstand ved enten å frakte struktur tilbake til pennebøyen eller midlertidig våt parkering av strukturen på en tilfredsstillende posisjon for senere å hente den kilde: Sub sea structure installation on Snohvit field using a new construction vessel. Varighet antas å være 12 timer. 21

22 3.7 Analyse av landing av struktur Vi har valgt å gjøre en grundigere analyse for landing av strukturen. Vi har sett nærmere på hva som skjer med hydrodynamisk tilleggsmasse nærme bunnen, og sett på effekten endringen i hydrodynamisk tilleggsmasse har på hastighet og akselerasjon av strukturen. Vi har i tillegg gjort enkle beregninger for å finne hydrodynamiske krefter dokking pilen blir utsatt for ved landing av strukturen. Figur 12: Skisse av bunnstruktur. Bunnrammen som skal installeres har fire sylindere som utgjør skjørtet til rammen. For å forenkle analysen har vi sett på kun en av disse sylinderne og modellert denne som en sirkulær plate. Ved landing av struktur har vi ingen påvirkning fra bølger. Hydrodynamisk tilleggsmasse i hiv er beregnet ut i fra formler gitt for en sirkulær plate: A R R R h πρ 8π 5 ρ = + log for 1 8 h h 3 2 R A 33 8 = ρr 3 3 h for 1 R Her er: A 33 = hydrodynamisk tilleggsmasse i hiv ρ = sjøvannets tetthet R= platens radius h = høyde over havbunnen Kilde: forelesningsnotater om Plate close to bottom 22

23 I følge teori fra kompendium i Marine Operasjoner, skulle hydrodynamisk tilleggsmasse gå mot uendelig for en sirkulær plate når den nærmer seg bunnen. En sirkulær flat plate får altså en dempet landing på grunn av denne enorme økningen i hydrodynamisk tilleggsmasse, forutsatt at platen er helt horisontal når den lander. Figur 13: skisse av en disk nær bunn. Hentet fra forelesningsnotat om Plate close to bottom For en sirkulær plate skal hastigheten når vi nærmer oss bunnen gå mot null. Akselerasjonen får en endelig verdi i dette tilfellet. Ved beregning av hastigheten benyttet vi oss av energibetraktning. I beregningene neglisjerte vi viskositet og demping: 1 E = ( m+ A33( z) ) V( z) 2 E = kinematisk energi m = masse av plate V(z) = hastighet til plate Vertikal kraft er gitt fra: 2 1 dv 1 d F = 3 ( m A33( z))2 V ( m A33( z)) V( z 2 + dz + 2 dz ++ ) Bruker denne likningen til å finne dv dt, siden dv 1 da ( + ) + = dt 2 dz 33 2 m A33 V w, 2 der 1 w= ρ gω 2 Ω= volum av plate w = neddykket vekt 23

24 dv dt blir da funnet fra: da () t dt 2 dz m + A ( t) dv ( t + dt ) = [ w V ( t )] = F ( t 33 ) Videre blir hastigheten funnet ved forward Euler integration, altså ved å integrere akselerasjonen. For den enkle kraftberegningen for dokking pilen, har vi tatt utgangspunkt i øving 2 i faget Marine Operasjoner, og benyttet samme fremgangsmåte som antydet i løsningsforslaget. Vi har tatt for oss de horisontale kreftene som virker på dokking pilen. Vi har fortsatt modellert bare det ene benet til skjørtet. I denne delen av analysen har vi måttet anta mange parametere, noe som gjør analysen meget usikker. Analysen er gjort kun for å illustrere hvordan horisontale krefter kan regnes ut på en dokking pile. Alle resultater er presentert og tolket i kapittel 4. 24

25 4. Resultater Analysene er gjort i MATLAB, skript er vedlagt som vedlegg 2. Vi har programmert slik at bruker må skrive inn diameter på disk selv. For resultatene i oppgaven er diameter på 5 meter blitt brukt. 4.1 Hydrodynamisk tilleggsmasse Hydrodynamisk masse er beregnet etter formlene over og plottet, se figur 14. Vi se at resultatet stemmer overens med teorien. Tilleggsmassen i hiv for disken vil gå mot uendelig når den nærmer seg havbunnen. Dette vil føre til dempning av strukturen og dermed en mykere landing. 250 Addedmass for disk nær havbunn 200 A33/rho*r 3 [m/s 2 ] h/r Figur 14: Resultat av beregning av hydrodynamisk masse. 25

26 4.2 Akselerasjon til en plate nær havbunnen Akselerasjonen til disken blir plottet mot høyden fra disken (z = r) ned til havbunnen (z = 0). Resultatet av dette er presentert i figur 15. Det er stor endring i grafen i intervallet [1,2], der spiller added mass inn og akselerasjonen blir forandret. Høyder over 2,5 m fra bunnen er akselerasjonen noe lunde konstant Akselerasjon for en disk nær havbunn 2 høyde fra havbunn til disk[m] Figur 15: Viser resultat av akselerasjonen til disk. akselerasjon [m/s 2 ] 26

27 4.3 Hastighet til en plate nær havbunnen Hastigheten til disk nær havbunnen er presentert i figur 16. Vi ser her sammenhengen mellom endringen i hastighet og økningen i hydrodynamisk tilleggsmasse. Hastigheten øker helt til økning av hydrodynamisk tilleggsmasse begynner å spille inn, for deretter å minke mot null. Fra faglitteraturen vet vi at hastigheten til disken går mot null da tilleggsmassen går mot uendelig. Dette stemmer med vårt resultat. 2.5 Hastighet for en disk nær havbunn 2 høyde fra havbunn til disk[m] hastighet [m/s] Figur 16: Hastighet til disk nær havbunnen. 4.4 Krefter på dokking pil Krefter som virker på dokking pilen fra disk i x- retning og moment i y- retning er: Kraft i x- retning: N Moment i y- retning: Nm 27

28 5. Forslag til videre arbeid I første om gang vil vi gjøre grundigere analyser av landing av struktur med en mer realistisk modell. For videre arbeid ville det være naturlig at vi gjør grundigere analyser av alle kritiske faser i operasjonen, utfører modellforsøk og gjør analyser med større bøyer for å kunne ta større strukturer med seg ut. Det vil også være naturlig å skaffe mer nøyaktig informasjon om feltet bunnrammen skal plasseres på, som for eksempel værkart over område og detaljert informasjon om havbunnen. 28

29 Kilder og referanser Bøker: - Lecture notes in Marine Operations, Finn Gunnar Nielsen, Trondheim/ Bergen Sea Loads on ships and offshore structures, O.M. Faltinsen, 1990 Informasjon mottatt fra Jan H. Gramnæs, Områdeleder Engineering Aker Marine Contractors: - Sub sea structure installation on Snohvit field using a new construction vessel fra Deep Offshore Technology Conference 2003, Marseilles, Frankrike. Internett adresser: _Safetec_News.pdf html onforsubseainstallation.htm aspx EB D/12704/200512MissionPossibleforWEBlowres.pdf ation.htm htm 29

30 Vedlegg Vedlegg 1: Oppgavetekst. Vedlegg 2: MATLAB program 30