Bergung aus der Tiefe: Losbrechen, Aufstieg und Austritt aus dem Wasser
Die Bergung eines Objekts vom Meeresboden ist keine Installation in umgekehrter Reihenfolge. Der Boden hält es fest, sein Gewicht ist ungewiss, und ein durch die Hubbewegung des Schiffs ausgelöster Zug kann den Kran weit über seine SWL belasten, bevor sich das Objekt vom Boden löst. Was beim Losbrechen geschieht und wie ein Seegangskompensator in unserer Fallstudie zur Bergung eines Saugcaissons wirkte.
- Bei einer Bergung kommen Lasten und Risiken hinzu, die bei einer Installation nicht auftreten: der Halt im Meeresboden, ein durch Bewuchs, eingeschlossenes Wasser und Bodenmaterial verändertes Gewicht sowie eine durch jahrelangen Einsatz möglicherweise geschwächte Struktur.
- Ein Saugcaisson widersetzt sich dem Herausziehen. Je schneller er gezogen wird, desto größer wird der Widerstand, weil Wasser nicht schnell genug unter ihn nachströmen kann. Bei direktem Seilanschlag bestimmt die Hubbewegung des Schiffs dieses Tempo.
- Ein passiver Seegangskompensator im Laststrang nimmt die Hubbewegung durch seinen Hub auf. So gibt die Winde einen langsamen, gleichmäßigen Zug vor, und der Sog unter dem Caisson bleibt gering.
- In unserem CONSTELLATION-Fall zog ein CYGNUS 700 t / 5 m einen Saugcaisson mit Ø6 m bei 120 m Wassertiefe aus festem Ton. Bei Hs 2.5 m betrug die maximale Seillast 566 t, also 87 % der SWL des 650 t-Krans. Bei direktem Seilanschlag erreichte die Seillast etwa 1,280 t, fast das Doppelte der Kran-SWL.
Bei einer Installation wird ein bekanntes Objekt auf einen vorbereiteten Meeresboden abgesenkt. Bei einer Bergung wird etwas angehoben, das dort seit Jahren liegt: vom Boden festgehalten, mit Bewuchs bedeckt, oft mit Wasser und Sediment gefüllt und möglicherweise schwächer als bei der Installation.
Warum Bergungen schwieriger sind als Installationen
- Der Halt im Meeresboden. Sog unter einem Caisson oder einer Schlammmatte sowie Adhäsion und Reibung entlang der Schürzen kommen zum Gewicht hinzu, bis sich das Objekt löst.
- Ein unbekanntes Gewicht. Bewuchs, eingeschlossenes Wasser und Sediment erhöhen das Gewicht; fehlende oder korrodierte Teile verringern es. Das Gewicht im vorgefundenen Zustand wird als Bereich geschätzt.
- Eine geschwächte Struktur. Anschlagpunkte und Strukturelemente können durch Korrosion oder Ermüdung an Festigkeit verloren haben. Ihre Tragfähigkeit kann daher geringer sein als bei der Installation.
- Das Losbrechen. Wenn sich das Objekt vom Meeresboden löst, entfällt dessen Haltekraft schlagartig. Die im Seil und Anschlagzeug gespeicherte Dehnung schleudert das Objekt nach oben. Das Seil kann erschlaffen und sich anschließend ruckartig straffen.
Losbrechen
An Saugcaissons wird das Problem besonders deutlich. Normalerweise werden sie entfernt, indem Wasser unter den Deckel zurückgepumpt wird und sie so herausdrückt. Ist das nicht möglich, muss der Kran sie herausziehen; dieser Fall wird hier modelliert. Beim Anheben muss Wasser durch das Ventil unter den Deckel nachströmen. Wird der Caisson schneller gezogen, als Wasser nachströmen kann, sinkt der Druck im Inneren, und der Meeresboden hält ihn stärker fest, bis der Boden im Caisson nachgibt. Die Reibung an der Schürze trägt einen Anteil bei, der sich mit der Geschwindigkeit kaum ändert.
Bei direktem Seilanschlag stammt der Zug ebenso von der Hubbewegung des Schiffs wie von der Winde: Jede Welle zieht schnell, wodurch Bodenwiderstand und Seillast steigen. Löst sich der Caisson unter dieser Last, schleudert die gespeicherte Seildehnung ihn nach oben (Abbildung 1).
Ein passiver Kompensator im Laststrang ändert das. Das Gerät nimmt die Hubbewegung des Schiffs durch seinen Hub auf. Dadurch bestimmt die Winde den langsamen, gleichmäßigen Zug am Caisson, und der Bodenwiderstand bleibt geringer. In unserem Fall wurde der Caisson bei weniger als 0.1 m/s gleichmäßig herausgezogen, ohne sich schlagartig zu lösen. Wenn sich ein Objekt schlagartig vom Meeresboden löst, begrenzt die Dämpfung des Geräts, wie schnell es angehoben wird, statt es durch die gespeicherte Seildehnung nach oben zu schleudern.
Aufstieg und Austritt aus dem Wasser
Nach dem Losbrechen hebt der Kran das Objekt durch die Wassersäule, wobei das Seil sein Gewicht im Wasser zuzüglich Strömungswiderstand trägt, oft mit Bodenmaterial im Caisson oder eingeschlossenem Wasser in der Struktur. An der Oberfläche wirkt die Spritzwasserzone in umgekehrter Richtung: Der Auftrieb nimmt ab, wenn das Objekt das Wasser verlässt, und mitgeführtes Wasser und Bodenmaterial erhöhen sein Gewicht in Luft. DNV-RP-N103 verlangt, dieses eingeschlossene Wasser bei der Prüfung des Hubs des Kompensators während der Bergung zu berücksichtigen. Durchquerung der Spritzwasserzone erläutert die Lasten an der Oberfläche.
Unser Fall zur Bergung eines Saugcaissons
In einem CONSTELLATION Modell birgt ein Bauschiff mit einem 650 t-Kran einen Saugcaisson mit Ø6 × 10 m (107 t in Luft, 93 t im Wasser) allein durch Kranzug. Der Caisson wird durch ein Kopfventil mit Ø0.5 m aus festem Ton in 120 m Wassertiefe gezogen. Zum Einsatz kommen ein 90 mm-Seil mit drei tragenden Strängen sowie ein Seegang mit Hs 2.5 m und Tp 8.0 s. Dieselbe Anschlagkonfiguration und derselbe Seegang wurden mit einem für den Einsatz ausgelegten CYGNUS 700 t / 5 m im Laststrang und mit direktem Seilanschlag berechnet.
| Ergebnis | Direkter Seilanschlag | Mit CYGNUS |
|---|---|---|
| Maximale Seillast | etwa 1,280 t | 566 t |
| Bezogen auf die SWL des 650 t-Krans | fast doppelt so hoch | 87 % |
| Bezogen auf die SWL des Seils von 663 t | fast doppelt so hoch | 85 % |
| Bezogen auf die Bruchlast des Seils von 1,658 t | 77 % | 34 % |
| Caisson aus dem Ton gezogen | nein: Er stieg um etwa 1 m | ja: gleichmäßig mit weniger als 0.1 m/s herausgezogen; die Schürze war nach etwa 4.5 Minuten frei vom Meeresboden |
Ab dem Losbrechen arbeitete das Gerät frei von seinen Endanschlägen, meist in der unteren Hälfte seines Hubs, während die Winde den Caisson gleichmäßig aus dem Ton zog. Der Lauf endet, sobald die Schürze frei vom Meeresboden ist; Aufstieg und Austritt aus dem Wasser waren daher nicht Teil der Simulation. Bei direktem Seilanschlag überschritt die Seillast die SWL des Krans, während der Boden den Caisson noch festhielt. Er stieg um etwa 1 m. Dies ist eine einzelne Realisierung des Seegangs, und der CYGNUS wurde für diesen Fall ausgelegt. Eine tatsächliche Bergung wird anhand des jeweiligen Objekts, Bodens und Schiffs modelliert.
Gerät auswählen
RIGEL behält die an Deck eingestellte Konfiguration bei. CYGNUS kann Gas ablassen, und ANTARES kann Gas ablassen und zuführen. Beide können sich daher neu zentrieren, wenn die Last nach dem Losbrechen abnimmt. In unserem Fall behielt der CYGNUS seine Einstellung für das Losbrechen durchgehend bei: Für mehrere Hundert Tonnen geladen, würde er geschlossen am Anschlag stehen, sobald der Caisson mit 93 t im Wasser frei hängt. Aufstieg und Austritt aus dem Wasser müssen daher gesondert geprüft werden. Alle drei sind für 3,000 m ausgelegt. Bei besonders unsicherem Losbrechen bietet eine aktive Regelung mehr Flexibilität; unser aktives VEGA-Gerät ist in Entwicklung.
Quellen und Annahmen
- Der Bergungsfall ist ein CONSTELLATION-Modell mit geschwindigkeitsabhängiger Extraktion eines Saugcaissons: Reibung an der äußeren Schürze plus ein innerer Unterdruck, der sich aus dem Durchfluss durch ein Kopfventil mit Ø0.5 m ergibt. Begrenzt wird der Unterdruck durch den niedrigeren Wert aus umgekehrter Tragfähigkeit des Bodens und Kavitation. Der Ton hat eine undränierte Scherfestigkeit von etwa 42 kPa. Die Bewegung des Schiffs wird an der Kranspitze in sechs Freiheitsgraden aufgeprägt. Der Lauf umfasst das Herausziehen und endet, sobald die Schürze des Caissons frei vom Meeresboden ist.
- Eine Realisierung des Seegangs (Hs 2.5 m, Tp 8.0 s). Der CYGNUS 700 t / 5 m wurde für diesen Fall ausgelegt und behielt während des gesamten Laufs dieselbe Gasfüllung.
- Die Anforderung zum eingeschlossenen Wasser stammt aus DNV-RP-N103, früher DNV-RP-H103 (April 2010, 4.7.7.4).
Häufig gestellte Fragen
Warum ist die Bergung aus der Tiefe schwieriger als die Installation?
Der Meeresboden hält das Objekt fest, sein Gewicht hat sich seit der Installation verändert, seine Struktur kann geschwächt sein, und das Losbrechen kann es nach oben schleudern und das Seil ruckartig belasten. Bei einer Installation treten diese Faktoren nicht auf.
Was bedeutet Losbrechen gegen Sogkraft?
Ein Saugcaisson oder eine Schlammmatte widersetzt sich dem Herausziehen aus dem Meeresboden. Unter einem Caisson muss beim Anheben Wasser durch das Kopfventil nachströmen. Wird er schneller gezogen, sinkt der Druck unter ihm, und der Meeresboden hält ihn stärker fest. Unter einer Schlammmatte auf Ton hält der Sog zu lange an, um sein Abklingen abzuwarten; der Hebevorgang muss ihn überwinden. Reibung an den Schürzen kommt hinzu.
Wie hilft ein Seegangskompensator beim Losbrechen?
Er nimmt die Hubbewegung des Schiffs durch seinen Hub auf. So gibt die Winde einen langsamen, gleichmäßigen Zug vor, und der Bodenwiderstand bleibt geringer. In unserem Fall wurde der Caisson bei weniger als 0.1 m/s gleichmäßig herausgezogen, ohne sich schlagartig zu lösen. Wenn sich ein Objekt schlagartig vom Meeresboden löst, begrenzt die Dämpfung des Geräts, wie schnell es angehoben wird, statt es durch die gespeicherte Seildehnung nach oben zu schleudern.
Muss der Kompensator während einer Bergung seine Einstellung ändern?
Das hängt davon ab, wie stark die Last abnimmt, sobald das Objekt frei hängt. RIGEL behält die an Deck eingestellte Konfiguration bei; CYGNUS kann Gas ablassen, ANTARES kann Gas ablassen und zuführen. In unserem Caisson-Fall wurde die Einstellung für das Losbrechen gewählt. Sobald der Caisson frei hängt, würde das Gerät daher geschlossen am Anschlag stehen. Aufstieg und Austritt aus dem Wasser müssen gesondert geprüft werden.
Was zeigte das Bergungsmodell?
In unserem CONSTELLATION-Fall zog ein für den Einsatz ausgelegter CYGNUS 700 t / 5 m einen Saugcaisson mit Ø6 m bei 120 m Wassertiefe aus festem Ton. Bei Hs 2.5 m betrug die maximale Seillast 566 t, also 87 % der SWL des 650 t-Krans. Bei direktem Seilanschlag erreichte die Seillast etwa 1,280 t, fast das Doppelte der Kran-SWL. Dies ist eine einzelne Realisierung des Seegangs; der Lauf umfasst das Herausziehen, nicht den Aufstieg.
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