Løfteoperasjoner under vann Stavanger 22.-23. november 2006 Sentrale fysiske forhold ved løfteoperasjoner i vann Peter Chr. Sandvik 1
De høyeste belastninger i løpet av levetiden kan komme under installasjonen 1 Generelt Rykk ved avløft eller etter slakk Støt ved ukontrollert pendling Lokale belastninger fra bølgeslag Bunnrammer, trålbeskyttelse Bølgekrefter i plaskesonen Sugeanker Bølgekrefter i plaskesonen Krefter under penetrering 2
De høyeste belastninger i løpet av levetiden kan komme under installasjonen 2 Oppjekkbare plattformer Sidekrefter ved landing på bunnstruktur eller havbunn ROV Slag ved utsetting og innhenting Slag ved retur til TMS Verktøy (ROT) Støt ved landing Rørstykker (spool) Krefter ved løfting i luft Bølgekrefter i/nær overflaten 3
De høyeste belastninger i løpet av levetiden kan komme under installasjonen 3 Stålrør Bøyespenninger over stinger eller ved havbunnen, og under inntrekking Kabler "Kink" ved avlasting etter tvinning/rotasjon Fleksible rør Krumning like over havbunnen 4
Løft generelt Tåler konstruksjonen påkjenningene ved løfting og nedsenking? Hydrodynamiske krefter Løfteramme Løftebjelke Begrenset løftehøyde gir betydelig trykk fra løfteskrev i bunnramme i rør Forsterkninger (trykkstaver) 5
Balansering for korrekt landing Krav: Landing horisontalt Ujevnt fordelt oppdrift (luftfylte elementer) Skjevstilling i luft Håndtering på dekk? Løfteskrev - lengder og plassering? Nok løftehøyde? 2-krans-løft? 6
Krefter ved løfting under vann Statiske krefter: [Neddykket vekt] = [vekt i luft] - [oppdrift] W = mg - ρgv Massekrefter: Bølgekrefter, F b, og krefter som skyldes lastbevegelse, F l : F F b l Strømningsmotstand (drag, dempning) F d ( ρv + a) && x ( ) b = ρv + ca ( m + a) && x l = 1 = = 1 2 ρ c d A x& rel x& rel && x b 7
Strekk ved nedsenking gjennom plaskesonen Eksempel 15.00 10.00 Vertikal posisjon (m) 5.00 0.00-5.00-10.00 } Plaskesonedynamikk Avtagende Vekt i vann -15.00 0 500 1000 1500 2000 2500 Strekk (kn) Vekt i luft 8
H-ramme tas ombord Drenering 9
Berging av vrak 10
Oppdrift og hydrostatisk trykk Inkompressibel Trykkgradienten (ρg) inngår i likevekts- og stabilitetsberegning. Hydrostatisk trykk (p) inngår ikke. Kompressibel Hydrostatisk trykk påvirker volum og vil inngå i likevekts- og stabilitetsberegning. F buoyancy = ρgv F buoyancy (z) = ρgv(p(z)) z p = p 0 + ρgz 11
Hydrodynamisk masse Plate Boks Sugeanker 12
Hydrodynamisk masse og drag for lang sylinder og for kule 2 D 4 a = ρ π L = ρ V a = 1 ρ π 3 R = 1 V 2 4 3 2 ρ C a = 1 C d = 1 C a = 0.5 C d = 0.5 13
Hydrodynamisk masse for ventilerte strukturer 1.2 Added mass for roof structures 1.0 a = added mass a / a(solid) 0.8 0.6 0.4 p = 0.16 p = 0.25 p = 0.3 0.27 p = 0.375 p = 0.47 a(solid) = added mass of solid plate 0.2 with the same total area 0.0 p = perforation ratio (p = 0.27 ) KC = (2 pi) x Amplitude / Dimension 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 KC number 14
Hydrodynamisk masse for ventilerte strukturer Ny beregningsmetode Antakelse: Trykkfall over strukturen gir gjennomstrømning: 1 p = ρ µ v 2 v Dermed reduseres treghetskreftene og den tilsvarende hydrodynamisk masse Input til ny beregningsmetode: Hydrodynamisk masse for tett struktur, a 0 Perforeringsgrad, p Estimert trykkfalls-koeffisient, µ 15
Hydrodynamisk masse for ventilerte strukturer Ny beregningsmetode sammenliknet med testresultater 0.30 0.25 p = 0.27 a = added mass a(solid) = added mass of solid plate with same geometry #1 p=0.27 Calc. #1 p=0.27 Meas. #2 p=0.375 Calc. #2 p=0.375 Meas. #3 p=0.47 Calc. #3 p=0.47 Meas. a/a(solid) 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 p = perforation ratio Amplitude 16
Hydrodynamisk masse for sugeankere Ny beregningsmetode sammenliknet med testresultater 1.2 1.0 D a / a0 0.8 0.6 0.4 0.2 Calculated p=1% Measured p=1% Calculated p=3% Measured p=3% Calculated p=11% Measured p=11% 0.0 1 10 100 1000 10000 Amplitude / D * (1-p)/p^2 17
TOGP undervanns-struktur gjennom plaskesonen 1-2 1 2 18
TOGP undervanns-struktur gjennom plaskesonen 3-8 3 4 5 6 7 8 Store dynamiske krefter i plaskesonen 19
Skadet deksel 20
Lange rør gjennom plaskesonen Metode 1 (Stabilitetsproblem) 1 2 3 4 21
BASISKRAV 1 Likevekt Vertikalkraft: F w = Mg - ρgv s F w Moment: Mg x g F w x w ρgv s x s = 0 x w F w Mg x s x g ρgv s ρgv s Mg 22
BASISKRAV 2 Stabilitet gjennom nedsenkingsforløpet F w Stabilitetskrav: Med vannplanstivhet: Mg h g > ρgv s h s [Mg h g + ρgi Wp > ρgv s h b ] h g Med bunnreaksjon: Mg h g > ρgv s h s + F b h b h s Mg F w ρgv s h g h s ρgv s h b Mg F b 23
Lange rør gjennom plaskesonen Metode 2 (Etter stabilitetssjekk) 24
Bølgekrefter i VMO-reglene Bølgepartikkel - kinematikk Parameter Generelt (dypt vann) Basert på λ / Hs = 20 Ekstrem bølgeamplitude (m) Hs Hs Bølgepartikkel - hastighet (m/s) ω Hs = 2 π Hs/T 3. 1 Hs Bølgepartikkel - akselerasjon (m/s 2) ω 2 Hs 3.1 Bølgetall (1/m) k = ω 2 /g 0.32/Hs Reduksjon med dyp, d ( - ) exp( - kd) exp( - 0.32 d / Hs) Karakteristiske kraftkomponenter: Drag - kraft: F d v r 1 = ρ c 2 d A v 2 r v r = 3. 1 er relativhastighet mellom objekt og vann Hs e 0. 32 d ( ) Hs Massekraft: F m = ( ρ V + m h ) a b a b = 3. 1 e ( 0. 32 Hs d ) I plaskesonen (hvor d = 0) defineres også en karakteristisk slammingkraft, F s, og en oppdriftskraft, F b, som skal kombineres med ovenstående kraftkomponenter. 25
Maks. vertikalkraft på langt rør (Avhengig av forholdet rørlengde / bølgelengde) 1.2 1 0.8 F / F0 0.6 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 L / λ λ = 1.56 T 2 F 1 0 = ρcd AL zb z& b+ ρ AL(1 + 2 & c ) a & z b 26
Dynamisk analyse av kranoperasjoner Enkel bevegelseslikning, som kan løses direkte dersom koeffisientene er konstante: Kraft-eksitasjon: M && x + c x & + k x = F ex(t) (RAO-data for fartøy er beregnet slik) Bevegelses-eksitasjon: M && x + c x & + k x = k x0(t) Men: Slamming: Slakk/rykk: Vinsjing: Drag: Plaskesonen: M varierer k varierer k varierer kvadratisk M, c og F ex posisjonsavhengig Dette krever tidssimulering 27
Løftedynamikk Resonans 12 Forsterkning (rel. statisk) 10 8 6 4 2 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 T / T0 Rel. dempn.: 0.03 0.075 0.15 0.3 0.7 1 28
Løft i luft Krefter p.g.a. vertikalakselerasjon && z F = Mg 1+ DAF= 1 + g && z g Pendelbevegelse eksiteres av horisontal kranbevegelse (kan også eksiteres av vertikalbevegelse med T=T 0 /2) Pendelperiode: Sørg for dempning! T 2 0 L Hysterese i vinsj med konstant strekk Kranfører kan redusere sving normalt på bommen 29
Løftedynamikk Rykklaster (ved slakking og ved avløft)! Pendling i luft Store utslag mulig p.g.a. lite dempning i luft Reduseres ved hjelpewirer til slurende vinsj (tunge konstruksjoner) til manuell vinsj (lette konstruksjoner)! Vertikalsvingninger i vann ved ekstrem hydrodynamisk masse store havdyp uheldig bruk av soft slings eller passiv hivkompensator 30
Rykk-last Fmaks = Fstatisk + V rel k M Rykk-kraften er sterkest ved: - Kort løftewire (stor stivhet) - Stor hydrodynamisk masse - Stor relativ hastighet mellom kran og last i rykk-øyeblikket Støt mellom objekter eller ved landing kanregnespåsammemåten 31
Avløft fra annet fartøy Rykklast: wirestivhet, k masse, M relativ hastighet,v rel F max = Mg+ V rel k M Beregning av maks. relativ hastighet (1: kran, 2: last): Overkonservativt: Forenklet: Riktig: V rel = V 1 + V 2 V rel = V + V 2 1 2 2 Samtidighet inkludert 32
Rykk-last (2): Løft fra bunnen Anta en vinsj som kan skifte fra konstant strekk til løftemodus idet kranen passerer nedre punkt (d.v.s. idet vinsjen slutter å ta inn wire). Strekket i nedre ende er lavt ( F 0 < F statisk ) idet systemet skifter til løftemodus. Løftet starter (lasten beveger seg) når wiren er strukket nok til at strekket er lik F statisk 33
Rykk-last (3): Løft fra bunnen Anta harmonisk (sinusformet) kranbevegelse, amplitude Z 0 og periode T: F Max = ( ) 0 2 + ( + ) 0 W + W + ω MF 2Z ω M M Z w W = vekt i vann av modul (kn) M = total dynamisk masse av modul (t) W w = vekt i vann av wire (kn) M w = wiremasse (t) = strekk nede, idet det skiftes til løftemodus (kn) F 0 ω = kranbevegelsens sirkelfrekvens = 2 π / T Z 0 = Vertikalamplitude av kranen (m) k = wirestivhet (kn/m) 0 0 F k w 0 F k 34
Rykklast, eksempel: 3.00 2.75 2.50 Fmax / W 2.25 2.00 1.75 F0 / W = 0 F0 / W = 1 VMO formel Modulmasse, tørr 12.6 t Total dyn. masse 15.6 t Vekt i vann, W 107 kn Wirediameter 38 mm Kranamplitude 2.5 m periode 8.8 s hastighet 1.8 m/s 1.50 1.25 1.00 100 200 300 400 500 Vanndyp (m) 35
Skygge-effekt fra kranfartøyet Eksempel på beregningsresultater Max liftwire force (kn) 3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 4 5 3 2 1 y x 6 7 8 9 10 11 12 Tp (s) Wavedir. 180 deg. Wavedir. 165 deg. Wavedir. 150 deg. 36
Løfteoperasjon under vann (Ikke frivillig) 37
Sikker Job Analyse Uventede risikomomenter? 38