Unterwasser-Hebevorgänge
Zwischen Deck und Meeresboden wirken vier Kräfte des Wassers auf eine Nutzlast: Auftrieb, Aufschlaglast beim Eintauchen, Strömungswiderstand und Zusatzmasse. Wie sie jeweils die Seilzugkraft beeinflussen, wie groß sie werden, warum die letzte Annäherung über das Absetzen entscheidet und wie sich die Wassertiefe auf den Kompensator auswirkt.
- Auf eine Nutzlast im Wasser wirken vier Kräfte. Der Auftrieb verändert ihr effektives Gewicht, beim Eintauchen treten Aufschlaglasten auf, der Strömungswiderstand wächst mit dem Quadrat ihrer Geschwindigkeit relativ zum Wasser und die Kraft aus der Zusatzmasse mit ihrer Beschleunigung.
- In den Rechenbeispielen erfährt eine 15 × 10 m große Platte bei 1.57 m/s etwa 216 kN (22 t) Strömungswiderstand mit dem Beiwert für stationäre Strömung oder etwa 474 kN (48 t) mit dem Wellenzonenwert nach DNV-RP-N103. Bei einem Prisma von 10 × 10 × 20 m und 1.23 m/s² kommt eine Kraft aus der Zusatzmasse von etwa 908 kN (93 t) hinzu.
- Ein für den jeweiligen Fall ausgelegter Seegangskompensator verringert den vom Kran verursachten Anteil an Geschwindigkeit und Beschleunigung der Nutzlast relativ zum Wasser. Dadurch sinken beide Kräfte, und das Seil bleibt bis zum Absetzen unter Zug.
- Eintauchtiefe und Wassertiefe verschieben den Arbeitspunkt des Kompensators. Auftrieb und Wasserdruck drücken ihn nach innen; zum Ausgleich wird Gas abgelassen. Die Abkühlung beim Absenken drückt ihn nach außen und erfordert zusätzliches Gas. RIGEL, CYGNUS und ANTARES sind alle für 3,000 m ausgelegt und unterscheiden sich bei der Rückführung in die Mittellage: RIGEL wird an Deck eingestellt, CYGNUS kann Gas ablassen und ANTARES kann Gas ablassen und zuführen.
Ein Unterwasser-Hebevorgang führt vom Deck durch die Spritzwasserzone und die Wassersäule bis zum Meeresboden. Wasser ist etwa 800-mal dichter als Luft und wirkt auf vier Arten auf die Nutzlast. Welche davon überwiegt, ändert sich zwischen Spritzwasserzone, Wassersäule und Absetzen.
Vier Kräfte im Überblick
| Kraft | Abhängig von | Wo sie wichtig ist | Wirkung |
|---|---|---|---|
| Auftrieb | Verdrängtes Volumen, \rho_w V g | Ab dem Eintauchen; ändert sich schnell, während die Last die Wasseroberfläche passiert | Verringert das effektive Gewicht und lässt es schwanken: Risiko eines schlaffen Seils |
| Aufschlaglast beim Eintauchen | Quadrat der Aufprallgeschwindigkeit beim Eintauchen | Spritzwasserzone | Kurze, hohe Lastspitzen in Nutzlast und Anschlagmitteln |
| Strömungswiderstand | Quadrat der Relativgeschwindigkeit, \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z^{2} | Absenken bei Wellen und Strömung | Wirkt der Bewegung entgegen; 22 bis 48 t an der Beispielplatte |
| Zusatzmasse | Relativbeschleunigung, \rho_w C_A V_R\, \ddot z | Bei jeder Schwingung; steigt nahe dem Meeresboden | Erhöht die Trägheit bei jeder Schwingung; etwa 93 t am Beispielprisma |
In der Spritzwasserzone kommen Aufschlaglasten, schnell veränderlicher Auftrieb und die Geschwindigkeit der Wasserteilchen auf wenigen Metern Wegstrecke zusammen; Durchquerung der Spritzwasserzone erläutert dies, und DNV-RP-N103 beschreibt das Verfahren. Die beiden Rechenbeispiele unten verwenden unterschiedliche Körper. Ihre Ergebnisse sind daher keine zwei Kräfte an derselben Nutzlast und werden nicht addiert.
Strömungswiderstand
Der Strömungswiderstand wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit der Nutzlast relativ zum umgebenden Wasser, nicht mit ihrer Geschwindigkeit über Grund. Kran- und Windenbewegung sowie die Teilchengeschwindigkeit des Wassers gehen in diese Relativgeschwindigkeit ein: \dot z:
Dabei ist C_D der Widerstandsbeiwert und A_\perp die angeströmte Fläche; DNV-RP-N103 tabelliert beide nach Körperform. Die tabellierten Beiwerte gelten für stationäre Strömung. Für die oszillierende Strömung in der Wellenzone verwendet die Richtlinie typischerweise einen zwei- bis dreimal höheren Beiwert und setzt ohne CFD- oder Modellversuche C_D \ge 2.5 für typische Unterwasserstrukturen an.
Rechenbeispiel: eine 15 × 10 m große Platte
Eine flach ausgerichtete Platte wird bei Wellen von 4 m Höhe und 8 s Periode abgesenkt. Für eine Sinusschwingung beträgt die Amplitude \zeta = H/2 = 2\ \text{m}. Als Eingangsgröße für eine überschlägige Prüfung wird ihre maximale Geschwindigkeit relativ zum Wasser direkt aus der Wellenbewegung abgeleitet:
Für eine Platte senkrecht zur Strömung beträgt der Beiwert
und mit A_\perp = 150\ \text{m}^2 sowie \rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3:
Das gilt für den Beiwert bei stationärer Strömung. Der Wellenzonenwert nach DNV-RP-N103: mindestens 2.5. Damit erfährt dieselbe Platte etwa 474 kN (48 t), mehr als das Doppelte.
Widerstandsbeiwerte für stationäre Strömung nach Körperform (DNV-RP-N103)
| Körperform | C_D | A_\perp |
|---|---|---|
| Kugel | 0.5 | \pi r^2 |
| Liegender Zylinder | 1.2 | 2 r L |
| Stehender Zylinder | 1.1 bei L/2r = 0.5, 0.9 von 1 bis 4, 1.0 bei 8 | \pi r^2 |
| Würfel, Fläche angeströmt | 1.05 | a^2 |
| Kegel, Spitze in Strömungsrichtung | etwa 0.5, je nach Winkel | \pi r^2 |
| Rechteckige Platte, senkrecht angeströmt | 1.1 + 0.02\,(L/W + W/L) | L W |
Zusatzmasse
Eine Nutzlast, die im Wasser beschleunigt, muss auch einen Teil des umgebenden Wassers beschleunigen. Dieses Wasser wirkt beim Beschleunigen und Abbremsen wie zusätzliche Masse. Zur statischen Gewichtskraft kommt daher eine Trägheitskraft hinzu:
Dabei ist C_A der Zusatzmassenbeiwert und V_R das Referenzvolumen; beide sind nach Körperform in DNV-RP-N103. Nahe dem Meeresboden steigt die Zusatzmasse durch die räumliche Begrenzung, genau dort, wo die Last abgesetzt wird.
Rechenbeispiel: ein Prisma von 10 × 10 × 20 m
Ein Prisma mit quadratischem Querschnitt bewegt sich in denselben Wellen von 4 m Höhe und 8 s Periode entlang seiner Längsachse. Seine maximale Beschleunigung beträgt
Bei L/W = 2 beträgt der Beiwert C_A = 0.36, und V_R = W^2 L = 2{,}000\ \text{m}^3. Damit ergibt sich
Zusatzmassenbeiwerte nach Körperform (DNV-RP-N103)
| Körperform | C_A | V_R |
|---|---|---|
| Kugel | 0.5, in jeder Richtung | \tfrac{4}{3}\pi r^3 |
| Zylinder, quer zur Achse (waagerecht abgesenktes Rohr oder Spool) | 0.62 bei L/2r = 1.2, ansteigend auf 1.00 für einen langen Zylinder | \pi r^2 L |
| Rechteckige Platte, senkrecht angeströmt | 0.58 bei L/W = 1, ansteigend auf 1.00 für eine lange Platte | \tfrac{\pi}{4} W^2 L |
| Kreisscheibe, senkrecht angeströmt | 2/\pi | \tfrac{4\pi}{3} r^3 |
| Prisma mit quadratischem Querschnitt, entlang der Längsachse | 0.68, 0.36, 0.19, 0.08 bei L/W = 1, 2, 4, 10 | W^2 L |
Annahmen der Rechenbeispiele
- Relativgeschwindigkeit und Relativbeschleunigung werden direkt aus einer Sinusschwingung mit der angegebenen Höhe und Periode abgeleitet, nicht aus einem Modell der Schiffsbewegung. Bei einem realen Hebevorgang liefert sie das gekoppelte Modell aus Schiffsbewegung, Bewegung der Kranspitze, Windensteuerung, Seildynamik, Zustand des Kompensators und Bewegung der Wasserteilchen.
- Strömungswiderstand und Zusatzmasse erreichen ihre Maxima nicht gleichzeitig: Bei einer Sinusschwingung liegen die Maxima von Geschwindigkeit und Beschleunigung um eine Viertelperiode auseinander. Kombinierte Spitzenwerte ergeben sich aus einer Zeitbereichsberechnung.
- Die Beiwerte gelten für ein unbegrenztes Fluid ohne Korrektur für die freie Wasseroberfläche oder den Meeresboden.
- Auftrieb und Aufschlaglasten sind in beiden Beispielen nicht berücksichtigt; in der Spritzwasserzone sind sie meist maßgebend.
Ein Ablauf vom Deck zum Meeresboden
Bei ANTARES durchläuft ein Hebevorgang vier Betriebsarten:
- An Deck: Verriegelt. Die Last wird bei verriegelter Kolbenstange angeschlagen und angehoben. Das hält die erforderliche Hubhöhe gering.
- Spritzwasserzone. Beim Führen über die Bordkante und durch die Wellenzone werden Aufschlag- und Schnapplasten geprüft; für die Durchquerung ist das Gerät steifer eingestellt und stärker gedämpft.
- Absenken: unter Wasser. In der Wassersäule ist das Gerät weicher eingestellt; Strömungswiderstand und Zusatzmasse folgen der lokalen Relativbewegung.
- Absetzen. Die Ventile öffnen, und die EQ-Funktion wird für ein sanftes Absetzen auf dem Meeresboden freigegeben.
RIGEL und CYGNUS arbeiten mit einer einzigen Dämpfungseinstellung, die für den Hebevorgang an Deck gewählt wird. Unabhängig vom Gerät entkoppelt ein passives System die Last nur von Wellen, deren Perioden deutlich kürzer als seine Eigenperiode sind; nahe der Eigenperiode verstärkt es die Bewegung. Mit zunehmender Seillänge wird das hängende System weicher, und seine Eigenperiode steigt. In einer bestimmten Tiefe kann sie daher in den Bereich der Wellenperioden geraten; das Hebemodell prüft die Resonanz während des Absenkens.
Kräfte dieser Größenordnung, eine Trägheitskraft von 93 t zusätzlich zur statischen Gewichtskraft, sind ein Grund, schwere Unterwasser-Hebevorgänge häufig mit einem für den Fall ausgelegten passiven Kompensator auszuführen. Er verringert den vom Kran verursachten Anteil an Relativgeschwindigkeit und Relativbeschleunigung der Nutzlast und damit Strömungswiderstand und Kraft aus der Zusatzmasse; die Eigenbewegung der Wasserteilchen bleibt bestehen. Ob das Seil bis zum Absetzen unter Zug bleibt, wird im Hebemodell für den jeweiligen Fall geprüft. In unserem Sortiment sind alle drei Geräte für 3,000 m ausgelegt: CYGNUS deckt schwere Hebevorgänge bis 10,000 t ab, RIGEL Standard-Hebevorgänge ab 55 t und ANTARES Hebevorgänge, die unterschiedliche Einstellungen für Spritzwasserzone, Wassersäule und Absetzen erfordern.
Absetzen: die letzte Annäherung
Die Energie beim Aufsetzen wächst mit dem Quadrat der Annäherungsgeschwindigkeit. Die maximale Kontaktkraft hängt davon ab, wie viel dieser Energie Boden und Struktur aufnehmen. Ohne Kompensation kommt zur Windengeschwindigkeit die Hubbewegung des Schiffs hinzu. Ein hartes oder wiederholtes Aufsetzen kann Präzisionsflächen und Dichtungen an Manifolds, Trees und Templates beschädigen, Mudmats knicken oder zu tief eindringen lassen und die Last für spätere Anschlüsse falsch positionieren.
Mit einem für den Seegang ausgelegten Kompensator erreicht deutlich weniger Hubbewegung des Schiffs die Last. Ihre Annäherungsgeschwindigkeit liegt damit viel näher an der Windengeschwindigkeit. Wir prüfen das Absetzen anhand einer Aufsetzgeschwindigkeit von 0.5 m/s, dem von uns angewendeten Grenzwert gemäß DNV-RP-N103. Ein passives Gerät verringert die auf die Last übertragene Schiffsbewegung, beseitigt sie aber nicht. Die tatsächlich erreichte Geschwindigkeit hängt daher vom Seegang ab und wird für jeden Fall bestätigt.
- Annäherung. Unter normaler Kompensation bis auf wenige Meter über dem Meeresboden absenken.
- Letztes Absenken. Bei ANTARES in die Betriebsart „Absetzen“ wechseln und das Seil mit geregelter Geschwindigkeit ausgeben.
- Aufsetzen. Kontakt bei 0.1–0.5 m/s; die verbleibende Hubbewegung wird aufgenommen, damit die Last nicht zurückspringt.
- Lastübergabe. Die Seilzugkraft schrittweise abbauen; der Kompensator begrenzt Schnapplasten, während der Meeresboden das Gewicht übernimmt.
Für ein sanftes Absetzen öffnet die Betriebsart „Absetzen“ von ANTARES die Ventile und gibt die EQ-Funktion frei. Wenn eine genaue Absenkgeschwindigkeit eingehalten werden muss, bietet ein aktives System diese Regelung. Die Bewegungsphysik hinter einem sanften Absetzen erläutert die passive Seegangskompensation.
Wie die Wassertiefe den Kompensator beeinflusst
Sobald die Last im Wasser ist, verschieben drei Einflüsse den Arbeitspunkt des Kompensators: Auftrieb der Nutzlast, Abkühlung des Gases und Wasserdruck auf die Kolbenstange. Ein vierter Einfluss, Leckage, wird konstruktiv verhindert. RIGEL, CYGNUS und ANTARES sind alle für 3,000 m ausgelegt; sie unterscheiden sich bei der Rückführung in die Mittellage. CYGNUS und ANTARES nutzen ihre Equilibrium-Funktion (EQ): CYGNUS lässt damit Gas ab, ANTARES kann zusätzlich Gas zuführen. RIGEL hat keine EQ-Funktion; seine Gasfüllung wird für den Hebevorgang an Deck eingestellt.
| Einfluss | Wirkung auf den Kompensator | Gegenmaßnahme |
|---|---|---|
| Auftrieb | Das effektive Gewicht der Nutzlast sinkt im Wasser. Dadurch wandert die Gleichgewichtslage des Geräts nach innen, im ungünstigsten Fall bis zum vollständigen Einfahren. | Gas ablassen, um das Gerät wieder zu zentrieren; bei CYGNUS erst nach dem Abkühlen des Gases. CYGNUS und ANTARES können dies beide. |
| Abkühlung | Das Gas kühlt beim Absenken ab, und sein Druck sinkt, überwiegend rasch beim Durchqueren der Sprungschicht. Der verlorene Hub hängt von Gasvolumen, Vorspannung und Absenkverlauf ab. | Gas aus der mitgeführten Flasche zuführen. ANTARES kann dies; CYGNUS kann nur Gas ablassen. |
| Wasserdruck | Etwa 1 bar je 10 m wirkt auf die Kolbenstange und drückt sie nach innen. Bei einem Hebevorgang mit 250 t und einer Kolbenstange von 180 mm bewirkt das Wasser in 1,000 m Tiefe eine einwärts gerichtete Kraft von etwa 26 t, als wäre die Last auf 224 t gesunken. Bei einem Gerät, dessen Gasvolumen etwa dreimal so groß ist wie das über den vollen Hub verdrängte Ölvolumen, verschiebt dies die Gleichgewichtslage von der Hubmitte auf etwa ein Sechstel des Hubs. | Mit zunehmender Tiefe Gas ablassen. CYGNUS und ANTARES können dies beide. |
| Leckage | Wasser dringt ein, Leistung sinkt und Korrosion entsteht. | Konstruktion, Prüfung und Wartung: doppelte Dichtungen an zwei Dichtflächen, Prüfung unter äußerem Druck beim FAT, Kammern zur Eingrenzung von Leckagen und planmäßiger Dichtungswechsel. |
Beispiel für Wasserdruck: Meerwasser mit 1,025 kg/m³ erzeugt etwa 10 MPa in 1,000 m Tiefe beziehungsweise etwa 256 kN auf einer Kolbenstange von 180 mm.
Die Einflüsse heben sich teilweise auf. Die Abkühlung erfolgt überwiegend in der Sprungschicht, während die druckbedingte Verschiebung mit der Tiefe weiter zunimmt. Die einseitige Gasablassfunktion von CYGNUS deckt einen tiefen Hebevorgang ab, wenn das Gerät das Gas erst nach der Abkühlung ablässt und bis dahin genug Hub für die außermittige Lage hat. ANTARES kann Gas aus der mitgeführten Flasche zuführen und stellt sich deshalb in jeder Phase des Absenkens wieder mittig ein. RIGEL durchläuft das Absenken mit der an Deck eingestellten Gasfüllung; das Hebemodell prüft daher, ob die gesamte Verschiebung innerhalb des verfügbaren Hubs bleibt.
Häufig gestellte Fragen
Warum ist ein Unterwasser-Hebevorgang schwieriger als ein Hebevorgang an Luft?
Wasser wirkt auf vier Arten entgegen: Auftrieb verändert das effektive Gewicht, beim Eintauchen treten Aufschlaglasten auf, der Strömungswiderstand wächst mit dem Quadrat der Relativgeschwindigkeit, und die Kraft aus der Zusatzmasse erhöht bei Beschleunigung die effektive Trägheit der Nutzlast. Welche Kraft überwiegt, ändert sich zwischen Spritzwasserzone, Wassersäule und Absetzen.
Wie groß kann der Strömungswiderstand bei einem Unterwasser-Hebevorgang werden?
Im Rechenbeispiel erfährt eine 15 × 10 m große Platte bei einer Relativgeschwindigkeit von 1.57 m/s etwa 216 kN oder 22 t mit dem Beiwert für stationäre Strömung und etwa 474 kN oder 48 t mit dem Wellenzonenbeiwert nach DNV-RP-N103: Dieser beträgt 2.5. Der Strömungswiderstand wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit: Wird die Relativgeschwindigkeit halbiert, sinkt die Kraft auf ein Viertel.
Was ist Zusatzmasse, und wie groß ist sie?
Das Wasser, das eine Nutzlast zusammen mit sich selbst beschleunigen muss. Beim Prisma von 10 × 10 × 20 m im Rechenbeispiel kommt eine Trägheitskraft von etwa 908 kN oder 93 t in Wellen mit 8 s Periode hinzu. Nahe dem Meeresboden steigt die Zusatzmasse durch die räumliche Begrenzung.
Welche Kraft ist in der Spritzwasserzone maßgebend?
Aufschlaglasten und schnell veränderlicher Auftrieb zusätzlich zur Geschwindigkeit der Wasserteilchen. Diese Kombination auf wenigen Metern Wegstrecke bestimmt die Auslegung des Kompensators häufiger als jede andere Phase des Hebevorgangs.
Wie schützt Seegangskompensation einen Unterwasser-Hebevorgang?
Ein für den jeweiligen Fall ausgelegter Kompensator verringert den vom Kran verursachten Anteil an Geschwindigkeit und Beschleunigung der Nutzlast relativ zum Wasser. Dadurch sinken Strömungswiderstand und Kraft aus der Zusatzmasse. Das Seil bleibt unter Zug, sodass Seillose und Schnapplasten begrenzt werden. Ein passives Gerät entkoppelt die Last nur von Wellen, deren Perioden deutlich kürzer als seine Eigenperiode sind; deshalb prüft das Hebemodell die Resonanz, während das Seil ausgegeben wird. In unserem Sortiment sind alle drei Geräte für 3,000 m ausgelegt: CYGNUS für schwere Hebevorgänge, RIGEL für Standard-Hebevorgänge und ANTARES für Hebevorgänge mit unterschiedlichen Einstellungen für Spritzwasserzone, Wassersäule und Absetzen.
Welcher Kompensator eignet sich für große Wassertiefen?
RIGEL, CYGNUS und ANTARES sind alle für 3,000 m ausgelegt; sie unterscheiden sich bei der Rückführung in die Mittellage, wenn sich die Tiefe ändert. Auftrieb und Wasserdruck drücken den Kompensator nach innen und werden durch Gasablassen ausgeglichen; die Abkühlung beim Absenken drückt ihn nach außen und erfordert Gaszufuhr. Die Einflüsse heben sich teilweise auf: Die Abkühlung erfolgt überwiegend in der Sprungschicht, während die druckbedingte Verschiebung mit der Tiefe weiter zunimmt. RIGEL durchläuft das Absenken mit der an Deck eingestellten Gasfüllung; das Hebemodell prüft, ob die gesamte Verschiebung innerhalb des Hubs bleibt. CYGNUS lässt Gas ab und deckt einen tiefen Hebevorgang ab, wenn das Gas erst nach der Abkühlung abgelassen wird. ANTARES kann auch Gas aus der mitgeführten Flasche zuführen und stellt sich deshalb in jeder Phase wieder mittig ein.
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