DNV-RP-N103: Modellering en analyse van maritieme operaties

Wat DNV-RP-N103 is

DNV publiceert de aanbevolen praktijk (RP) onder de titel Modellering en analyse van maritieme operaties. De eerste versie was DNV-RP-H103, voor het eerst uitgegeven in april 2009 en voor het laatst uitgegeven in februari 2014, en werd in juli 2017 vervangen door DNVGL-RP-N103. Bij die herziening veranderden de documentcode, de bedrijfsnaam en de verwijzingen. Toen DNV in 2021 van naam veranderde, werd dit DNV-RP-N103, gewijzigd in september 2021. In zoekresultaten en oudere hijsplannen wordt nog steeds verwezen naar RP-H103, en de methoden op deze pagina staan in beide documenten.

DNV vermeldt de huidige editie op de pagina over RP-N103 van DNV. De volledige tekst staat in DNV’s Rules and Standards Explorer, waarvoor een gratis Veracity-account en een betaald Explorer+-abonnement nodig zijn. De inhoudsopgave en het eerste hoofdstuk zijn gratis in te zien en DNV biedt een eenmalige proefperiode van 14 dagen. De oudere DNV-RP-H103 edities zijn als gratis pdf beschikbaar in DNV’s archief met oudere documenten, bruikbaar als achtergrondinformatie; voor een project geldt de editie die in de projectbasis is voorgeschreven.

Wat het behandelt

De hoofdonderdelen van de RP, genummerd zoals in het document (hoofdstuk 1 is de inleiding):

1. Algemene analysemethoden. Golven en golfspectra, en golfbelastingen op grote en kleine constructies.
2. Hijsen door de golfzone, algemeen. De belastingen op een object dat het wateroppervlak passeert, hydrodynamische coëfficiënten, rekenmethoden, hijsen door een moonpool en stabiliteit.
3. Hijsen door de golfzone, vereenvoudigde methode. Statisch gewicht, hydrodynamische krachten, het criterium voor slappe stroppen, capaciteitscontroles en schokbelastingen. Dit is het uitgangspunt voor de meeste controles van hijsen door de spatzone.
4. Neerlaten in diep water. Kabelkrachten, eigenperioden en resonantie van het neerlaatsysteem, slappe kabel, heave-compensatie en vezelkabels.
5. Plaatsing op de zeebodem en terughalen. Landingsimpact, penetratie van funderingsschorten, installatie door onderdruk en nivellering, en terughalen van funderingen.
6. Slepen. Slepen aan het oppervlak en onder water.
7. Weercriteria en beschikbaarheid. Onzekerheid in weersverwachtingen, inzetbaarheid en statistiek over aanhoudende weersomstandigheden.
8. Hijsoperaties. Lichte en zware hijsen, beweging van de kraantip, bewegingskoppeling tussen vaartuigen en vrijhijsen vanaf een ponton.

Bijlagen geven toegevoegde massa- en weerstandscoëfficiënten voor gangbare vormen, en fysische constanten. De meeste van die weerstandscoëfficiënten gelden voor stationaire stroming. In de golfzone gebruikt de RP de waarde voor oscillerende stroming, doorgaans twee tot drie keer zo hoog. Zonder CFD of modelproeven geeft de RP voor gangbare onderwaterconstructies C_D \ge 2.5 op. Ons artikel over onderwaterhijsen laat zien hoe weerstand en toegevoegde massa afhangen van vorm en snelheid.

De vereenvoudigde methode voor hijsen door de spatzone

Hoofdstuk 4 geeft een eerste, conservatieve schatting voor een object dat door de golfzone wordt neergelaten. Het gebruikt enkele karakteristieke waarden in plaats van een volledige simulatie. De methode gaat ervan uit dat het object klein is ten opzichte van de golflengte, de kraantip volgt zonder resonantieversterking en dat de verticale beweging tussen object en water overheerst. De hoofdstuknummers hieronder zijn die van de RP.

Statisch gewicht (4.2). Het gewicht in water, berekend uit de massa in lucht en het verplaatste volume:

Er wordt een minimum en een maximum genomen als het object na onderdompeling volloopt. Voor de controle op slappe stroppen wordt het minimum gebruikt; voor de capaciteitscontrole het maximum.

Golfperioden (4.3.2). Als de golfperiode wordt meegenomen, omvat de analyse nuldoorgangsperioden met opwaartse kruising binnen

bij een ontwerpwaarde voor de significante golfhoogte H_s. De alternatieve methode van de RP, waarbij de golfkinematica onafhankelijk is van de periode, geldt alleen voor T_z \ge 10.6 \sqrt{H_s / g}; de analyse gebruikt de ene of de andere methode.

Relatieve snelheid. De neerlaatsnelheid van de haak v_c, doorgaans 0.5 m/s, komt bovenop de gecombineerde snelheid van de kraantip v_{ct} en de snelheid van de waterdeeltjes v_w, die de methode als onafhankelijk beschouwt:

Krachtcomponenten (4.3.5 tot 4.3.8). Vier krachten werken op het object terwijl het het wateroppervlak passeert (figuur 1): slamming op de delen die het water raken, toenemend met het kwadraat van de impactsnelheid; weerstand, evenredig met het kwadraat van de relatieve snelheid; de massakracht, die de massa van het object plus de toegevoegde massa combineert bij versnelling met de kraantip, (M + A_{33})\, a_{ct}, met de massa van het verplaatste water plus de toegevoegde massa bij versnelling door de golven, (\rho V + A_{33})\, a_w; en de veranderlijke opwaartse kracht, \rho g\, \delta V, wanneer het wateroppervlak ten opzichte van het object op en neer beweegt.

Slamming en weerstand werken in fase; de massakracht en de veranderlijke opwaartse kracht werken 180° uit fase. Daarom combineert de methode ze als (4.3.9)

en is de karakteristieke totale kracht op het object (4.4.2)

Een lang object, zoals een spool, waarbij de belasting per strop verschilt, vereist een verfijndere analyse.

Slappe stroppen en schokbelastingen

Als de hydrodynamische kracht het object sterker omhoog duwt dan het eigen gewicht het omlaag trekt, komen de stroppen slap te hangen en trekken ze even later met een schok weer strak. De vereenvoudigde methode voorkomt dit met het criterium voor slappe stroppen (4.4.3):

Dit geeft een marge van 10 % tot het moment waarop de stroppen slap komen te hangen, gecontroleerd met het minimale statische gewicht en de opwaartse hydrodynamische krachten. De weercriteria voor de hijs worden zo vastgesteld dat aan dit criterium wordt voldaan.

Als schokbelastingen niet te vermijden zijn, berekent de RP de grootte ervan (4.7) uit de schoksnelheid, de stijfheid K van het hijssysteem en de massa van het object inclusief de toegevoegde massa voor heave:

De totale kracht is dan F_{\text{static}} + F_{\text{snap}}. Dezelfde formule geldt voor de schok bij het loskomen van een bewegend dek.

Voor de capaciteitscontrole (4.4.4) neemt de RP de grootste totale kracht bij het maximale statische gewicht, F_{\text{static,max}} + F_{\text{hyd}} of F_{\text{static,max}} + F_{\text{snap}}, en rekent deze om naar een factor op het gewicht in lucht voor de hijsnorm:

Ons artikel over de dynamische versterkingsfactor behandelt de schokbelasting en de DAF uitgebreider.

Hoe een heave-compensator wordt meegenomen

In de vereenvoudigde methode wordt een heave-compensator op één plaats meegenomen: als een soepele veer in de stijfheid van het hijssysteem K (4.3.3.4). Daardoor neemt de schokbelasting af. De lagere stijfheid verlengt ook de eigenperiode van het hijssysteem:

waarbij m L de massa van de hijslijn is en \theta een factor voor het effect daarvan. De RP neemt de compensator op dezelfde manier mee bij de controle op resonantierisico. Resonantieversterking zelf valt buiten de vereenvoudigde methode. De methode rekent de compensator ook geen vermindering toe van de beweging die het object bereikt; voor beide is een analyse in het tijdsdomein nodig.

De RP stelt ook een grens (4.7.7): een passieve compensator mag niet aan het einde van zijn slag komen, omdat dit zeer hoge piekbelastingen en falen van het hijssysteem kan veroorzaken. De beschikbare slag wordt voor elk belastingsgeval gecontroleerd, rond een evenwichtspositie die verschuift wanneer het statische gewicht verandert van lucht naar water. Daarbij wordt rekening gehouden met ingesloten water bij het terughalen en, waar relevant, met waterdruk op de zuiger.

Verder dan de vereenvoudigde methode

Als de vereenvoudigde methode wijst op een risico van schokbelastingen, het object groot is ten opzichte van de golven of de hijs dicht bij resonantie ligt, verwijst de RP naar nauwkeurigere methoden (hoofdstuk 3): een aanpak met een regelmatige ontwerpgolf, analyse in het tijdsdomein met onregelmatige golven en CFD voor de lokale stroming. Een tijdsdomeinmodel volgt de hele hijs, inclusief de hijslijn, het hijsgerei en eventuele compensator, en geeft de lijnkrachten, bewegingen en slag als tijdreeksen. Daarin wordt de vermindering van de objectbeweging door een compensator meegerekend. Dat is wat CONSTELLATION doet.

Hoe RP-N103 bijdraagt aan de dimensionering van compensatoren

De analyse levert de belastingen en bewegingen; daarmee wordt de compensator gedimensioneerd:

De RP modelleert een passieve compensator zelf in hoofdstuk 5.4, als veer en demper aan de kraantip boven de hijslijn, en beoordeelt deze op zijn efficiëntie, e = 1 – |G(\omega)|, waarbij G(\omega) de verhouding is tussen de beweging van het object en de beweging aan de bovenkant van de compensator. DNV-RP-N202, de aanbevolen praktijk van DNV voor heave-compensatiesystemen (editie 2024-06), behandelt de compensator zelf als het project deze voorschrijft. Ons artikel over passieve heave-compensatie laat zien hoe de slag en het gasvolume de respons bepalen.