海中回収：地盤からの引き抜き、上昇、水面からの引き上げ

海中回収が設置より難しい理由

1. 海底地盤による拘束。 ケーソンやマッドマットの下に生じる吸引力と、スカートに沿う付着力・摩擦力が、設備が抜けるまで自重に加わります。
2. 不確かな重量。 海洋付着生物、内部に残った水や土砂は重量を増やし、部品の欠損や腐食は重量を減らします。回収時の現状重量は、幅を持った推定値です。
3. 弱くなった構造。 吊り点や構造部材は腐食や疲労で強度を失っている可能性があり、許容できる荷重が設置時より低い場合があります。
4. 拘束からの解放。 海底地盤から抜けると、設備を押さえていた抵抗が一気に消えます。ワイヤや吊り具に蓄えられた伸びが設備を上方へ跳ね上げ、ラインがたるんだ後、急激な張力が生じることがあります。

地盤からの引き抜き

この問題が最も分かりやすいのはサクションケーソンです。通常は蓋の下に水を送り込んで押し出し、撤去します。それができない場合はクレーンで引き抜く必要があり、ここではその状況をモデル化しました。ケーソンを引き上げると、上部のバルブを通って内部に水が流入しなければなりません。流入が追いつかない速さで引くと、内部の圧力が下がって地盤の抵抗が増し、やがてケーソン内部の土が破壊されます。スカートに沿う摩擦力も加わりますが、その大きさは速度によってあまり変わりません。

ヒーブ補償装置のないワイヤでは、ウインチだけでなく船体のヒーブもケーソンを引きます。波のたびに速く引かれ、地盤の抵抗とライン荷重がともに増えます。その荷重の下でケーソンが抜けると、ラインに蓄えられた伸びがケーソンを上方へ跳ね上げます（図1）。

ラインに組み込んだパッシブヒーブ補償装置は、この挙動を変えます。装置が船体のヒーブをストロークで吸収するため、ケーソンを引く速さはウインチでゆっくり一定に設定でき、地盤の抵抗も低くなります。この事例では、ケーソンは0.1 m/s未満で安定して抜け、急激な解放は起きませんでした。地盤の拘束が一気に解ける場合も、装置の減衰作用が設備の上昇速度を抑え、ラインに蓄えられた伸びによる跳ね上がりを防ぎます。

上昇と水面からの引き上げ

地盤から抜けた設備は 水中を上昇し、ラインには水中重量に加えて抗力がかかります。ケーソン内に土が残り、構造物内に水が閉じ込められていることもあります。水面ではスプラッシュゾーン通過時の変化が逆向きに起こります。設備が水面から出るにつれて浮力が減り、保持していた水や土砂が空中重量に加わります。 DNV-RP-N103 では、回収時の補償装置のストロークを確認する際、この内部に残った水を考慮するよう求めています。 スプラッシュゾーンの通過 では、水面付近の荷重を説明しています。

サクションケーソン回収事例

当社の CONSTELLATION モデルでは、650 tクレーンを備えた作業船が、Ø6 × 10 mのサクションケーソン（空中重量107 t、水中重量93 t）をクレーンの引張りだけで回収します。深さ120 mの締まりのある粘土から、Ø0.5 mの上部バルブを介し、90 mmワイヤを3本掛けにして引き抜きます。海況はHs 2.5 m、Tp 8.0 sです。同じ吊り具と海況について、この作業向けに選定したCYGNUS 700 t / 5 mをラインに組み込んだ場合と、ヒーブ補償装置のないワイヤの場合を解析しました。

引き抜きが始まってから、装置はストローク端のストッパーに当たらず、主にストロークの下半分で作動しました。その間、ウインチはケーソンを粘土から安定して引き抜きました。解析はスカートが海底から完全に抜けた時点で終了しており、その後の上昇と水面からの引き上げは含みません。補償装置のないワイヤでは、ケーソンがまだ土に拘束され、約1 m上昇した段階でライン荷重がクレーンSWLを超えました。これは一つの海況時系列であり、CYGNUSもこの事例に合わせて選定しています。実際の回収では、対象設備、土質、船舶ごとにモデル化します。

装置の選定

RIGEL は甲板上で設定した値を維持します。 CYGNUS はガスを放出でき、 ANTARES はガスの放出と追加ができるため、どちらも引き抜き後に荷重が減った際、作動位置を中央へ戻せます。この事例ではCYGNUSの引き抜き時の設定を最後まで変えませんでした。数百トン向けに充填した状態では、ケーソンが自由に吊り下がり水中重量93 tになると、装置は閉じた状態でストッパーに当たるため、上昇と水面からの引き上げには別途確認が必要です。3機種とも定格水深は3,000 mです。不確実性が特に大きい引き抜きには、アクティブ制御で柔軟性を高められます。当社のアクティブ装置VEGAは開発中です。