Izados submarinos
Entre la cubierta y el lecho marino, cuatro fuerzas del agua actúan sobre una carga útil: flotabilidad, impacto al entrar en el agua, resistencia hidrodinámica y masa añadida. Cómo afecta cada una a la tensión del cable, qué magnitud alcanza, por qué la aproximación final determina el asentamiento y cómo afecta la profundidad al compensador.
- Cuatro fuerzas actúan sobre una carga útil en el agua. La flotabilidad modifica su peso efectivo, el impacto se produce al entrar en el agua, la resistencia hidrodinámica crece con el cuadrado de su velocidad relativa al agua y la fuerza de masa añadida crece con su aceleración.
- En los ejemplos calculados, una placa de 15 × 10 m a 1.57 m/s experimenta unos 216 kN (22 t) de resistencia con el coeficiente de flujo estacionario, o unos 474 kN (48 t) con el valor para la zona de oleaje de DNV-RP-N103; además, un prisma de 10 × 10 × 20 m a 1.23 m/s² recibe unos 908 kN (93 t) de fuerza de masa añadida.
- Un compensador de heave dimensionado para el caso reduce la contribución de la grúa a la velocidad y aceleración de la carga útil respecto al agua, lo que disminuye ambas fuerzas, y mantiene el cable en tensión hasta el asentamiento.
- La inmersión y la profundidad desplazan el punto de trabajo del compensador. La flotabilidad y la presión del agua lo empujan hacia dentro y se corrigen liberando gas; el enfriamiento durante el descenso lo desplaza hacia fuera y requiere añadir gas. RIGEL, CYGNUS y ANTARES están clasificados para 3,000 m y se diferencian en cómo recuperan su punto de trabajo: RIGEL se ajusta en cubierta, CYGNUS puede liberar gas y ANTARES puede liberarlo y añadirlo.
Un izado submarino va desde la cubierta, atraviesa la zona de salpicadura y desciende por la columna de agua hasta el lecho marino. El agua es unas 800 veces más densa que el aire y se opone a la carga útil de cuatro maneras; la fuerza dominante cambia entre la zona de salpicadura, la columna de agua y el asentamiento.
Cuatro fuerzas que conviene distinguir
| Fuerza | Depende de | Dónde importa | Qué efecto tiene |
|---|---|---|---|
| Flotabilidad | Volumen desplazado, \rho_w V g | Desde la entrada en el agua; cambia rápidamente mientras la carga atraviesa la superficie | Reduce el peso efectivo y lo hace fluctuar: riesgo de que el cable pierda tensión |
| Impacto al entrar en el agua | Cuadrado de la velocidad de impacto, al entrar en el agua | La zona de salpicadura | Picos de carga breves e intensos en la carga útil y los aparejos |
| Resistencia hidrodinámica | Cuadrado de la velocidad relativa, \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z^{2} | Descenso entre olas y corrientes | Se opone al movimiento; de 22 a 48 t en la placa del ejemplo |
| Masa añadida | Aceleración relativa, \rho_w C_A V_R\, \ddot z | En cualquier oscilación; aumenta cerca del lecho marino | Añade inercia a cada oscilación; unos 93 t en el prisma del ejemplo |
En la zona de salpicadura coinciden el impacto, la flotabilidad que cambia rápidamente y la velocidad orbital del agua en unos pocos metros de recorrido; el cruce de la zona de salpicadura lo explica, y DNV-RP-N103 establece el método. Los dos ejemplos calculados siguientes emplean cuerpos distintos, por lo que sus resultados no son dos fuerzas sobre una misma carga útil y no se suman.
Resistencia hidrodinámica
La resistencia hidrodinámica crece con el cuadrado de la velocidad de la carga útil respecto al agua que la rodea, no con su velocidad respecto al lecho marino. El movimiento de la grúa y del cabrestante, junto con la velocidad orbital del agua, contribuyen a esa velocidad relativa \dot z:
Aquí C_D es el coeficiente de resistencia hidrodinámica y A_\perp el área frontal al flujo; DNV-RP-N103 tabula ambos según la forma. Los coeficientes tabulados corresponden a flujo estacionario. En el flujo oscilatorio de la zona de oleaje, la recomendación emplea un coeficiente normalmente entre dos y tres veces mayor y, si no hay CFD ni ensayos con modelos, establece C_D \ge 2.5 para estructuras submarinas típicas.
Ejemplo calculado: una placa de 15 × 10 m
Supongamos una placa que desciende horizontalmente con olas de 4 m y un período de 8 s, representadas por una sinusoide de amplitud \zeta = H/2 = 2\ \text{m}. Como dato de entrada para la evaluación preliminar, se toma su velocidad máxima relativa al agua directamente del movimiento de la ola:
Para una placa perpendicular al flujo, el coeficiente es
y con A_\perp = 150\ \text{m}^2 y \rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3:
Esto corresponde al coeficiente de flujo estacionario. Con el valor para la zona de oleaje de DNV-RP-N103, de al menos 2.5, la misma placa experimenta unos 474 kN (48 t), más del doble.
Coeficientes de resistencia en flujo estacionario según la forma (DNV-RP-N103)
| Forma | C_D | A_\perp |
|---|---|---|
| Esfera | 0.5 | \pi r^2 |
| Cilindro horizontal | 1.2 | 2 r L |
| Cilindro vertical | 1.1 con L/2r = 0.5, 0.9 de 1 a 4, 1.0 con 8 | \pi r^2 |
| Cubo, cara frente al flujo | 1.05 | a^2 |
| Cono, punta hacia el flujo | aproximadamente 0.5, según el ángulo | \pi r^2 |
| Placa rectangular, perpendicular | 1.1 + 0.02\,(L/W + W/L) | L W |
Masa añadida
Una carga útil que acelera en el agua también tiene que acelerar parte del agua que la rodea. Esa agua actúa como masa adicional cada vez que la carga acelera o desacelera, por lo que añade fuerza inercial al peso estático:
Aquí C_A es el coeficiente de masa añadida y V_R el volumen de referencia, ambos tabulados según la forma en DNV-RP-N103. Cerca del lecho marino, la masa añadida aumenta debido al confinamiento, precisamente donde se produce el asentamiento.
Ejemplo calculado: un prisma de 10 × 10 × 20 m
Supongamos un prisma de sección cuadrada que se mueve a lo largo de su eje longitudinal con las mismas olas de 4 m y 8 s. Su aceleración máxima es
Con L/W = 2 el coeficiente es C_A = 0.36, y V_R = W^2 L = 2{,}000\ \text{m}^3. Por tanto,
Coeficientes de masa añadida según la forma (DNV-RP-N103)
| Forma | C_A | V_R |
|---|---|---|
| Esfera | 0.5, en todas las direcciones | \tfrac{4}{3}\pi r^3 |
| Cilindro, transversal a su eje (tubería o carrete que desciende horizontalmente) | 0.62 con L/2r = 1.2, y aumenta hasta 1.00 para un cilindro largo | \pi r^2 L |
| Placa rectangular, perpendicular | 0.58 con L/W = 1, y aumenta hasta 1.00 para una placa larga | \tfrac{\pi}{4} W^2 L |
| Disco circular, perpendicular | 2/\pi | \tfrac{4\pi}{3} r^3 |
| Prisma de sección cuadrada, a lo largo de su eje | 0.68, 0.36, 0.19, 0.08 con L/W = 1, 2, 4, 10 | W^2 L |
Supuestos de los ejemplos calculados
- La velocidad y la aceleración relativas se obtienen directamente de una sinusoide con la altura y el período indicados, no de un modelo de respuesta del buque. En un izado real proceden del modelo acoplado: movimiento del buque, respuesta de la punta de grúa, orden del cabrestante, dinámica del cable, estado del compensador y movimiento orbital del agua.
- La resistencia hidrodinámica y la masa añadida no alcanzan sus máximos a la vez: en una sinusoide, los picos de velocidad y aceleración están separados por un cuarto de período. Los máximos combinados se obtienen de un análisis en el dominio del tiempo.
- Los coeficientes corresponden a un fluido infinito, sin correcciones por la superficie libre ni por el lecho marino.
- La flotabilidad y el impacto al entrar en el agua se omiten en ambos ejemplos; en la zona de salpicadura suelen ser determinantes.
De la cubierta al lecho marino en una operación
Con ANTARES, una operación utiliza sus cuatro modos:
- En cubierta: Bloqueado. Se preparan los aparejos y se levanta la carga con el vástago bloqueado, lo que reduce la altura de izado.
- Zona de salpicadura. Al pasar por la borda y atravesar la zona de oleaje, se comprueban los impactos al entrar en el agua y las cargas de impacto al retensarse el cable; la unidad tiene mayor rigidez y amortiguamiento para el cruce.
- Descenso: Submarino. La unidad es más flexible en la columna de agua; la resistencia hidrodinámica y la masa añadida dependen del movimiento relativo local.
- Asentamiento. Se abren las válvulas y se desactiva la función EQ para un asentamiento suave sobre el lecho marino.
RIGEL y CYGNUS funcionan con un único ajuste de amortiguamiento, elegido en cubierta para el izado. Sea cual sea la unidad, un sistema pasivo solo aísla la carga de olas cuyo período es mucho menor que su período natural, y amplifica el movimiento cerca de ese período. A medida que se larga cable, el sistema suspendido se vuelve más flexible y aumenta su período natural, por lo que puede entrar en la banda de períodos de las olas a cierta profundidad; el modelo de izado comprueba la resonancia durante el descenso.
Fuerzas de esta magnitud, como una fuerza inercial de 93 t además del peso estático, explican por qué un izado submarino pesado suele realizarse con un compensador pasivo dimensionado para el caso. Reduce la contribución de la grúa a la velocidad y aceleración relativas de la carga útil, lo que disminuye tanto la resistencia hidrodinámica como la fuerza de masa añadida; el movimiento orbital del agua permanece. El modelo de izado de cada caso comprueba si el cable mantiene la tensión durante todo el descenso. En nuestra gama, las tres unidades están clasificadas para 3,000 m: CYGNUS cubre los izados pesados de hasta 10,000 t, RIGEL los izados estándar desde 55 t, y ANTARES los izados que requieren ajustes distintos para la zona de salpicadura, la columna de agua y el asentamiento.
Asentamiento: la aproximación final
La energía al entrar en contacto crece con el cuadrado de la velocidad de aproximación, y la fuerza máxima de contacto depende de cuánta energía absorban el suelo y la estructura. Sin compensación, la velocidad de aproximación suma el heave del buque a la velocidad del cabrestante. Un asentamiento brusco o con rebotes puede dañar superficies de precisión y juntas de manifolds, árboles submarinos y plantillas; deformar las placas de apoyo o hacer que penetren demasiado en el fondo; y dejar la carga fuera de posición para las conexiones posteriores.
Con un compensador dimensionado para el estado de mar, llega mucho menos heave del buque a la carga, por lo que su velocidad de aproximación se acerca más a la del cabrestante. Evaluamos los asentamientos frente a una velocidad de contacto de 0.5 m/s, el límite de aceptación que aplicamos según DNV-RP-N103. Una unidad pasiva reduce el movimiento del buque que llega a la carga, pero no lo elimina; la velocidad alcanzada depende del estado de mar y se confirma para cada caso.
- Aproximación. Descienda hasta unos pocos metros sobre el lecho marino con compensación normal.
- Descenso final. En ANTARES, active el modo Asentamiento; largue cable a una velocidad controlada.
- Contacto. Entre en contacto a 0.1–0.5 m/s, con el heave residual absorbido para que la carga no rebote.
- Asentamiento. Reduzca gradualmente la tensión del cable; el compensador limita las cargas de impacto mientras el lecho marino soporta el peso.
Para un asentamiento suave, el modo Asentamiento de ANTARES abre las válvulas y desactiva la función EQ. Cuando se requiere mantener una velocidad de descenso exacta, un sistema activo proporciona ese control. La física del movimiento durante un asentamiento suave se explica en compensación pasiva de heave.
Cómo afecta la profundidad al compensador
Una vez sumergida la carga, tres efectos desplazan el compensador de su punto de trabajo: la flotabilidad de la carga útil, el enfriamiento del gas y la presión del agua sobre el vástago. Un cuarto efecto, las fugas, se evita por diseño. RIGEL, CYGNUS y ANTARES están clasificados para 3,000 m; se diferencian en cómo recuperan su punto de trabajo. CYGNUS y ANTARES utilizan su función de equilibrio (EQ), que libera gas en CYGNUS y también lo añade en ANTARES. RIGEL no tiene función EQ: su carga de gas se ajusta en cubierta para el izado.
| Efecto | Qué le ocurre al compensador | Respuesta |
|---|---|---|
| Flotabilidad | El peso neto de la carga útil disminuye en el agua, por lo que el punto de equilibrio de la unidad se desplaza hacia dentro, en el peor caso hasta la retracción completa | Libere gas para recuperar el punto de trabajo; en CYGNUS, una vez enfriado el gas. Tanto CYGNUS como ANTARES pueden hacerlo. |
| Enfriamiento | El gas se enfría durante el descenso y su presión baja, sobre todo rápidamente al atravesar la termoclina; la carrera perdida depende del volumen de gas, la precarga y el descenso | Añada gas desde la botella a bordo. ANTARES puede hacerlo; CYGNUS, que solo puede liberar gas, no. |
| Presión del agua | Aproximadamente 1 bar por cada 10 m actúa sobre el vástago y lo empuja hacia dentro. En un izado de 250 t con un vástago de 180 mm a 1,000 m, el agua empuja el vástago hacia dentro con unas 26 t, como si la carga hubiera bajado a 224 t. En una unidad cuyo volumen de gas es unas tres veces el volumen de aceite que desplaza a lo largo de toda la carrera, esto mueve el equilibrio desde la mitad de la carrera hasta aproximadamente un sexto de esta | Libere gas a medida que aumenta la profundidad. Tanto CYGNUS como ANTARES pueden hacerlo. |
| Fugas | Entrada de agua, con pérdida de rendimiento y corrosión | Diseño, ensayos y mantenimiento: sellos dobles en dos superficies de sellado, ensayo de presión externa durante FAT, compartimentos que contienen las fugas y sustitución programada de sellos |
Ejemplo de presión del agua: el agua de mar de 1,025 kg/m³ produce unos 10 MPa a 1,000 m, o unos 256 kN sobre un vástago de 180 mm.
Los efectos se compensan parcialmente. El enfriamiento se produce sobre todo en la termoclina, mientras que el desplazamiento por presión sigue aumentando con la profundidad. La purga unidireccional de CYGNUS permite un izado profundo si se espera a que el gas se enfríe antes de liberar gas y hay carrera suficiente para trabajar fuera del centro hasta entonces. ANTARES puede añadir gas desde su botella a bordo, por lo que recupera su punto de trabajo en cada etapa del descenso. RIGEL desciende con la carga de gas ajustada en cubierta, de modo que el modelo de izado comprueba que el desplazamiento neto permanezca dentro de su carrera.
Preguntas frecuentes
¿Por qué es más difícil un izado submarino que uno en aire?
El agua se opone de cuatro maneras: la flotabilidad modifica el peso efectivo, el impacto se produce al entrar en el agua, la resistencia hidrodinámica crece con el cuadrado de la velocidad relativa y la fuerza de masa añadida aumenta la inercia de la carga útil cuando acelera. La fuerza dominante cambia entre la zona de salpicadura, la columna de agua y el asentamiento.
¿Qué magnitud puede alcanzar la resistencia hidrodinámica en un izado submarino?
En el ejemplo calculado, una placa de 15 × 10 m a una velocidad relativa de 1.57 m/s experimenta unos 216 kN, o 22 t, con el coeficiente de resistencia en flujo estacionario, y unos 474 kN, o 48 t, con el valor de DNV-RP-N103: 2.5 para la zona de oleaje. La resistencia crece con el cuadrado de la velocidad: si se reduce a la mitad la velocidad relativa, la fuerza baja a una cuarta parte.
¿Qué es la masa añadida y qué magnitud tiene?
Es el agua que la carga útil debe acelerar junto con ella. El prisma de 10 × 10 × 20 m del ejemplo calculado recibe unos 908 kN, o 93 t, de fuerza inercial con olas de 8 s, y la masa añadida aumenta cerca del lecho marino debido al confinamiento.
¿Qué fuerza domina en la zona de salpicadura?
El impacto al entrar en el agua y los rápidos cambios de flotabilidad, junto con la velocidad orbital del agua. Esa combinación, concentrada en unos pocos metros de recorrido, determina el tamaño del compensador con más frecuencia que cualquier otra etapa del izado.
¿Cómo protege la compensación de heave un izado submarino?
Un compensador dimensionado para el caso reduce la contribución de la grúa a la velocidad y aceleración de la carga útil respecto al agua, lo que disminuye tanto la resistencia hidrodinámica como la fuerza de masa añadida, y mantiene el cable en tensión para limitar los episodios de destensado e impacto. Una unidad pasiva solo aísla la carga de olas cuyo período es mucho menor que su período natural, por lo que el modelo de izado comprueba la resonancia a medida que se larga cable. En nuestra gama, las tres unidades están clasificadas para 3,000 m: CYGNUS para izados pesados, RIGEL para izados estándar y ANTARES para izados que necesitan ajustes distintos en la zona de salpicadura, la columna de agua y el asentamiento.
¿Qué compensador conviene para aguas profundas?
RIGEL, CYGNUS y ANTARES están clasificados para 3,000 m; se diferencian en cómo recuperan su punto de trabajo al cambiar la profundidad. La flotabilidad y la presión del agua empujan el compensador hacia dentro y se corrigen liberando gas; el enfriamiento durante el descenso lo desplaza hacia fuera y exige añadir gas. Los efectos se compensan parcialmente: el enfriamiento ocurre sobre todo en la termoclina, mientras que el desplazamiento por presión sigue creciendo con la profundidad. RIGEL desciende con la carga de gas ajustada en cubierta, de modo que el modelo de izado comprueba que el desplazamiento neto permanezca dentro de su carrera. CYGNUS libera gas y permite un izado profundo si espera a que el gas se enfríe antes de liberarlo. ANTARES también puede añadir gas desde su botella a bordo, por lo que recupera su punto de trabajo en cada etapa.
¿Está calculando un izado submarino?
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