Evitación de la resonancia

Todo sistema de masa y resorte tiene una frecuencia natural — la frecuencia a la que tiende a oscilar cuando se perturba. En un compensador pasivo de heave, la masa es la carga suspendida y el resorte es el gas comprimido en el acumulador.

Cuando el movimiento de la punta de grúa inducido por las olas oscila a esta frecuencia natural o cerca de ella, el sistema responde con un movimiento amplificado: la carga se mueve más que la punta de grúa, en vez de menos. Esta amplificación puede ser drástica: en teoría, un sistema sin amortiguamiento tendría una respuesta infinita en resonancia.

En la práctica, el amortiguamiento limita la respuesta máxima; la altura del pico en resonancia depende del amortiguamiento realmente configurado, por lo que el modelo de evaluación especifica su amortiguamiento en vez de citar un factor universal. Esto resulta claramente inaceptable para un dispositivo diseñado para reducir el movimiento.

El periodo natural de un compensador pasivo de heave depende de la masa de la carga y de la rigidez del resorte de gas. Para las unidades de Norwegian Dynamics con la base indicada a continuación, los periodos naturales calculados abarcan aproximadamente 10–30 segundos; cada proyecto calcula su propio periodo acoplado a partir de la masa, el estado del gas y la rigidez del cable reales.

Según la base de evaluación del mar del Norte empleada aquí, los periodos espectrales máximos de 5–15 segundos (Tp) constituyen la banda de excitación indicativa; prevalece la base metoceánica propia del emplazamiento del proyecto. En sistemas bien diseñados, el periodo natural se sitúa muy por encima de los periodos de ola energéticos, de modo que la frecuencia de excitación permanece por encima de la frecuencia natural: la región de aislamiento. El margen se verifica frente al espectro de oleaje del proyecto, no se presupone.

Sin embargo, el riesgo de resonancia aumenta cuando:

• El volumen de gas es demasiado pequeño (lo que aumenta la rigidez del resorte y reduce el periodo natural).
• La carga es más ligera que en el caso de diseño (lo que reduce la masa y, por tanto, el periodo natural).
• Hay mar de fondo de periodo largo (lo que aumenta el periodo de excitación hacia el periodo natural).

Los ingenieros emplean varias estrategias para garantizar que los compensadores de heave funcionen de forma segura lejos de la resonancia:

• Volumen de gas suficiente — Los volúmenes de gas mayores producen resortes más blandos con periodos naturales más largos, lo que desplaza la resonancia muy por encima del intervalo de periodos de ola.
• Amortiguamiento adecuado — El amortiguamiento hidráulico limita la amplificación en resonancia a niveles aceptables y proporciona un margen de seguridad incluso si las condiciones acercan el sistema a su frecuencia natural.
• Análisis del intervalo de cargas — El compensador debe comprobarse en todo el intervalo de cargas previsto, no solo en el punto de diseño. La carga más ligera suele dar el periodo natural más corto y, por tanto, el mayor riesgo de resonancia.
• Ajuste adaptativo — ANTARES ajusta automáticamente el punto de trabajo de su resorte de gas a medida que cambian las condiciones de carga, manteniendo el periodo natural donde lo situó el análisis. Cada ajuste sigue comprobándose en el modelo acoplado; la adaptación amplía el intervalo operativo, pero no elimina la comprobación.

La evitación de la resonancia no atañe solo al compensador; se aplica a todo el sistema de izado. El cable de la grúa, las poleas y cualquier aparejo submarino tienen su propia rigidez y masa, lo que crea un sistema acoplado con múltiples modos de resonancia posibles.

A mayores profundidades, la elasticidad del cable adquiere importancia y el sistema acoplado de cable y compensador puede tener frecuencias de resonancia distintas de las de cada componente por separado. Por eso, las operaciones en aguas profundas requieren un cuidadoso análisis dinámico acoplado que modele todo el sistema desde el buque hasta el lecho marino.

Para operaciones críticas, las simulaciones en el dominio temporal con datos de olas específicos del emplazamiento y RAO reales del buque verifican la respuesta en todos los casos operativos definidos. Norwegian Dynamics presta apoyo de ingeniería para estos análisis como parte de la selección y el dimensionamiento del compensador; consulte nuestra guía de selección de compensadores para obtener más información.