Løfteoperasjoner under vann

Løfteoperasjoner under vann
Stavanger 22.-23. november 2006
Utfordringer på store dyp
Svein-Arne Reinholdtsen
MARINTEK
MARINTEK
1

Løfting på store havdyp
• Store strømkrefter - strømhastighet og -retning
varierer over dypet, og med tiden
• Strømkrefter kan gi betydelig offset (lette
lastobjekter)
• Manøvrering fra overflaten vanskelig (lette
lastobjekter)
• Vertikalresonans gir økt dynamikk
• Line-sammenvikling (styreliner, ROV umbilicals)
• Line-rotasjon, ‘kink’
• Dybdebegrensning ved bruk av stålwire
• Høyt trykk – bøyer
MARINTEK
2

Basiskrav: Stabilitet ved landing
Stabilitetskrav:
Mg h g
> ρgV s
h s
F w
Med bunnreaksjon:
Mg h g
> ρgV s
h s
+ F b
h b
h g
F w
h s
Mg
ρgV s
h b
h g
h s
ρgV s
Mg
F b
Støtkrefter ved landing kan også være dimensjonerende
MARINTEK
3

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.
• ”Nøytrale” legemer trenger
justering ved endret oppdrift
F buoyancy
= ρgV
F buoyancy
(z) = ρgV(p(z))
z
p = p 0
+ ρgz
MARINTEK
4

Strømkrefter på store havdyp
• Strømkrefter på løftewiren kan gi stor offset
• Størst offset for lette kabler og laster
• Tidsvarierende strøm gir saktevarierende bevegelser
av lasten
• Risiko for kontakt mellom liner
• Presisjonsmanøvrering med fartøyet tar tid
• ROV har liten manøver-evne med last
MARINTEK
5

Typisk strømprofil 1,
Ormen Lange
0
-100
-200
• Typisk strømprofil,
havdyp 800 m
• Antar at strømmen går i
samme retning over hele
dypet
Dyp (m)
-300
-400
-500
-600
• Ser bort fra tidsvariasjon
-700
-800
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Hastighet (m/s)
MARINTEK
6

Nedsenking av ROV,
strømprofil 1
0
-100
-200
Posisjon av ROV og
kabelkonfigurasjon
på vei ned til 800 m dyp
Dyp (m)
-300
-400
-500
-600
-700
-800
0 40 80 120 160
Avdrift (m)
MARINTEK
7

Avdrift av
lastenheter,
strømprofil 1
0
-100
-200
Lastenheter:
-300
1: 100 t bunnramme
2: 25 t modul
3: ROV med
kabelenhet
Dyp (m)
-400
-500
-600
Bunnramme
modul
ROV / TMS
Like før landing
-700
-800
0 25 50 75 100 125 150 175
Avdrift (m)
MARINTEK
8

Strømprofil 2,
Ormen Lange
0
-25
• Eksempel på strøm nær
Egga-kanten (250 m dyp)
• Konstant retning antatt
• Tidsvariasjon ikke
medregnet
Dyp (m)
-50
-75
-100
-125
-150
-175
-200
-225
-250
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
Hastighet (m/s)
MARINTEK
9

Avdrift av
lastenheter,
strømprofil 2
0
-25
-50
-75
Lastenheter:
1: 100 t bunnramme
2: 25 t modul
3: ROV med
kabelenhet
Dyp (m)
-100
-125
-150
-175
Bunnramme
Modul
ROV / TMS
-200
Like før landing
-225
-250
0 20 40 60 80
Avdrift (m)
MARINTEK
10

Effektiv posisjonering av lastobjekter på store dyp
.
Beregnet optimal bane for overflatefartøy
brukt som input til DP-systemet
MARINTEK
11

Effektiv posisjonering: Varierende oversvigning
Mål: Flytt last 300 m
“Snap plot” for 160 m oversvigning:
Vanndyp: 1000 m
Last vekt: 30 tons
Strøm: 0.8 m/s (motstrøm)
MARINTEK
12

Presisjonsplassering av lastobjekt på bunn
Høyfrekvente strømhastighets-variasjoner nær bunn
Styring ved thrustere, pæler, ankere eller lokale styreliner
MARINTEK
13

Presisjonsplassering, eksempel 1
Simulator for marine operasjoner: Installasjon av Ormen Lange Template
1140T template
Fokus: Dynamisk strekk i posisjonerings liner
Installert av
Heerema Marine Contractors 20.08.2005
MARINTEK
14

Presisjonsplassering, eksempler 2 og 3
Simulator for marine operasjoner:
Bruk av lokale styreliner
Horisontal stivhet: k ≈ F / l
F = strekk i styreline,
l = avstand til festepunkt
MARINTEK
15

Løftedynamikk i vann
Rykk og Vertikalresonans
• Rykklaster (etter slakk)
Fmax = (Mg−
ρ gV) + Vrel
k(M +
M
a
)
• Vertikalsvingninger i vann
• ved ekstrem hydrodynamisk masse
• store havdyp
• uheldig bruk av ‘soft slings’ eller passiv
hivkompensator
MARINTEK
16

Resonans og dempning
Stasjonærsvigning for masse-fjær-demper system:
( ω ) ( ω ϕ)
mx
+ cx
+ kx = F cos t , x = Acos
t −
Egenperiode (udempet):
T
0
= 2 π m/
k
ω = 2 π / T = k/
m
0 0
Dempningsforhold (rel. dempning):
ζ = c/ c = c/2
km
Amplitude:
kritisk
A= F/ ( k− mω
) + ( cω)
2 2 2
Forsterkning (rel. statisk)
12
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
MARINTEK
17

Forsterkning på grunn av vertikal resonans
5
Forsterkning (Zlast / Zkran)
4
3
2
1
0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
T / T0
Rel.
dempn.:
0.15
0.3
0.7
1
MARINTEK
18

Vertikal resonansperiode
avhengig av kranlast/masse versus lengde
Full utnyttelse, F = 1/3 F break , M inkl. hydrodyn. masse
Periode, s
16
14
12
10
8
6
4
F/M=1g
F/M=1/2 g
F/M=1/4 g
F/M=1/8 g
2
0
0 500 1000 1500 2000
Lengde av kranwire, m
MARINTEK
19

Metoder for installasjonsoperasjoner
’Soft slings’ Sylinder Bøye 1 Bøye 2 Kjetting 1 Kjetting 2
MARINTEK
20

Tradisjonell metode
Dypvannsutfordringer:
• Få fartøyer med nødvendig kapasitet
• Vertikal resonans
• Operasjon utover (standard)
begrensninger
• Horisontal posisjonering i variabel strøm
• Osv. osv.
Aktive kontroll systemer
(f.eks.: hiv-kompensator):
+ Effektiv under landing
+ Flere arbeids-modi
- Ineffektiv i bølgesonen
MARINTEK
21

’Soft slings’
+ Lavere rykklaster ved avløft fra et annet fartøy
- Økte dynamiske krefter ved nedsenking
Dypt vann:
• Anvendelig for spesial-applikasjoner
MARINTEK
22

Passiv gass-fyllt sylinder
+ Egnet for ”støt”-dempning av rykklaster
- For stiv for hiv-kompensering
Dypt vann:
• Lastkarakterisitikk er dybdeavhengig
• Skreddersydd design for dypvanns-løft mulig
MARINTEK
23

Bøye
+ Reduserer midlere kroklast
+ Egnet for uttauing
- Større dynamiske krefter i bølgesonen
- Krevende å sjøsette bøyen fra dekk
Dypt vann:
• Krever økt bøye tetthet (og volum)
• Utfordring å utløse bøyen etter landing
MARINTEK
24

Blyant-bøye
+ Mindre vertikale bølgekrefter
- Krever større løftehøyde ved sjøsetting
Dypt vann:
• Krever store/høye bøyer
• Utfordring å utløse bøyen etter landing
MARINTEK
25

Bøye og kjetting
+ Lav statisk og dynamisk kroklast
+ Effektiv dekobling av last fra fartøyet
- Større strømkrefter
- ‘Hang-off’ nødvendig (kompleks installasjon)
- Utsatt for line-sammenvikling (wire rotasjon!)
Dypt vann:
• Horisontal posisjonering
MARINTEK
26

Mekanisk hiv-kompensator
+ Effektiv dekobling av last fra fartøyet
+ ’Recovery’ av små bøyer er enkelt
- Større strømkrefter
- Utsatt for line-sammenvikling (wire rotasjon!)
Dypt vann:
• Horisontal posisjonering
MARINTEK
27

Fritt-fall pendel
Formål: Unngå vertikalresonans!
Problem: Rotasjoner av lasten
Forsterkning (Zlast / Zkran)
5
4
3
2
1
0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
T / T0
Rel.
dempn.:
0.15
0.3
0.7
1
MARINTEK
28