DNV-RP-N103: 海洋作業のモデリングと解析

規格 DNV-RP-N103 の概要

DNVが発行するこの推奨規格（RP）の表題は 海洋作業のモデリングと解析です。最初の文書番号は DNV-RP-H103で、初版は 2009年4月 、旧版の最終発行は 2014年2月でした。その後 2017年7月 に DNVGL-RP-N103に置き換わりました。この改訂では文書番号、会社名、参照文献が変更されました。DNVが2021年に名称を変更した際に DNV-RP-N103となり、改訂は 2021年9月です。検索結果や過去の吊り上げ計画では現在も RP-H103が引用され、このページで扱う方法は両文書に掲載されています。

DNVは現行版を RP-N103 のページに掲載しています。全文を読むにはDNVのRules and Standards Explorerで無料のVeracityログインと有料のExplorer+契約が必要です。目次と第1節は無料で閲覧でき、DNVは1回限りの14日間トライアルも提供しています。旧 DNV-RP-H103 の各版は DNVの旧文書アーカイブで無料PDFとして入手でき、背景資料に役立ちます。実際のプロジェクトでは、その設計基準で指定された版を使用します。

対象範囲

RPの主な節を文書中の番号に従って示します（第1節は序論）:

1. 一般的な解析方法。 波と波浪スペクトル、大規模・小規模構造物に作用する波浪荷重。
2. 波浪域での吊り上げ、一般事項。 水面を通過する対象物の荷重、流体力係数、計算方法、ムーンプールを通した吊り上げ、安定性。
3. 波浪域での吊り上げ、簡易法。 静荷重、流体力、吊り索の弛み判定基準、容量の確認、スナップ荷重。多くのスプラッシュゾーンでの吊り上げ評価は、ここから始まります。
4. 深海への降下。 ケーブル荷重、降下系の固有周期と共振、ケーブルの弛み、ヒーブ補償、繊維ロープ。
5. 海底への着底と回収。 着底時の衝撃、スカートの貫入、吸引による据付けと水平調整、基礎の回収。
6. 曳航。 水上および水中での曳航。
7. 気象基準と作業可能性。 予報の不確かさ、作業可能条件、継続時間の統計。
8. 吊り上げ作業。 軽量物・重量物の吊り上げ、クレーン先端の動き、船舶間の連成、台船からの吊り離し。

付録には、一般的な形状の付加質量係数・抗力係数と物理定数が示されています。これらの抗力係数の多くは定常流を対象とします。波浪域ではRPは振動流の値を用い、通常はその2～3倍です。CFDや模型試験がない場合、一般的な海中構造物には C_D \ge 2.5 を指定しています。私たちの 海中吊り上げ の記事では、形状と速度に応じた抗力と付加質量の変化を説明しています。

スプラッシュゾーンを通過する吊り上げの簡易法

第4節は、完全なシミュレーションの代わりに少数の代表値を用い、波浪域を通して降下させる対象物の荷重を初期段階で保守的に見積もります。対象物が波長に比べて小さく、共振による増幅なしにクレーン先端に追従し、対象物と水の鉛直方向の相対運動が支配的であると仮定します。以下の節番号はRPに従います。

静荷重（4.2）。 空中での質量と排水容積から求める水中重量:

対象物が水没後に浸水する場合、最小値と最大値を用います。吊り索の弛みの確認には最小値を、容量の確認には最大値を用います。

波周期（4.3.2）。 波周期を考慮する場合、解析ではゼロアップクロス周期を次の範囲で評価します:

ここで、設計有義波高は H_sです。RPが示す、周期に依存しない波動運動学の代替法は、 T_z \ge 10.6 \sqrt{H_s / g}の場合にのみ適用されます。解析ではどちらか一方を用います。

相対速度。 フックの降下速度 v_c, （通常0.5 m/s）を、クレーン先端速度 v_{ct} と水粒子速度 v_wを独立として合成した速度に加えます:

力の成分（4.3.5～4.3.8）。 対象物が水面を横切るときには4つの力が作用します（図1）。水に当たる部分のスラミング力は衝突速度の2乗に比例し、抗力は相対速度の2乗に比例します。質量力には、対象物の質量と付加質量にクレーン先端の加速度を乗じた項 (M + A_{33})\, a_{ct}と、排水質量と付加質量に波の加速度を乗じた項 (\rho V + A_{33})\, a_wが含まれます。さらに、水面が対象物に対して上下することで、変動浮力 \rho g\, \delta Vが生じます。

スラミング力と抗力は同位相で作用し、質量力と変動浮力は180°逆位相で作用するため、次式（4.3.9）で組み合わせます。

対象物に作用する特性全荷重は次式（4.4.2）です。

スプールのように長く、吊り索ごとに荷重が異なる対象物には、これより詳細な解析が必要です。

吊り索の弛みとスナップ荷重

流体力による上向きの力が対象物の自重による下向きの力を超えると、吊り索が弛み、その後すぐに再び張り詰めます。簡易法では次の吊り索の弛み判定基準（4.4.3）によって、これを防ぎます:

これは、最小静荷重と上向きの流体力で評価する、吊り索が弛み始めるまでの10 %の余裕です。この条件を満たすように、吊り上げ時の気象基準を設定します。

スナップ荷重を回避できない場合、RPは（4.7）に従い、スナップ時の速度、巻上げ系の剛性 K と対象物の質量および鉛直方向の付加質量から、その大きさを求めます:

この場合の全荷重は F_{\text{static}} + F_{\text{snap}}. 同じ式は、動いている甲板からの吊り離し時に生じるスナップ荷重にも適用されます。

容量の確認（4.4.4）では、RPは最大静荷重を用いた次の全荷重のうち大きい方、 F_{\text{static,max}} + F_{\text{hyd}} または F_{\text{static,max}} + F_{\text{snap}}を採用し、吊り上げ規格で用いるために空中重量に対する係数へ換算します:

私たちの 動的増幅係数 の記事では、スナップ荷重とDAFをさらに詳しく説明します。

ヒーブ補償装置の扱い

簡易法では、ヒーブ補償装置を巻上げ系の剛性に作用する柔らかいばねとして扱います K （4.3.3.4）。これによりスナップ荷重が下がります。剛性が低くなると、巻上げ系の固有周期も長くなります:

ここで m L は巻上げ索の質量、 \theta はその影響を表す係数です。RPは共振リスクの確認にも、同じ方法で補償装置を含めます。共振による増幅自体は簡易法の対象外であり、補償装置によって対象物へ伝わる動きが減る効果も簡易法には織り込みません。どちらも時刻歴解析が必要です。

RPはさらに制限（4.7.7）を定めています。パッシブ補償装置はストロークを使い切ってはなりません。使い切ると非常に大きなピーク荷重が生じ、巻上げ系が破損するおそれがあります。各荷重ケースについて、空中から水中への移行で静荷重が変化することによる平衡位置の移動を考慮し、回収時に閉じ込められた水や、該当する場合はピストンに作用する水圧も含めて、利用可能なストロークを確認します。

簡易法を超える解析

簡易法でスナップ荷重のリスクが示される場合、対象物が波に比べて大きい場合、または吊り上げが共振に近い場合、RPはより精度の高い方法（第3節）を示します。規則設計波による解析、不規則波中の時刻歴解析、局所流れのCFDです。時刻歴モデルはワイヤ、索具、補償装置を含む吊り上げ工程全体を追跡し、張力、動き、ストロークを時系列で示します。補償装置による対象物の動きの低減を評価するのはこの解析であり、 CONSTELLATION もこの解析を行います。

規格 RP-N103 による補償装置の仕様選定

解析で得た荷重と動きに基づいて、補償装置の仕様を決めます:

RP自体も第5.4節で、パッシブ補償装置をワイヤの上、クレーン先端に設けたばねとダンパーとしてモデル化し、その効率を e = 1 – |G(\omega)|と定義します。ここで G(\omega) は対象物の動きと補償装置上端の動きの比です。 DNV-RP-N202は、プロジェクトで指定された場合に、ヒーブ補償システム自体を扱うDNVの推奨規格（版は 2024-06）です。私たちの パッシブヒーブ補償 の記事では、ストロークとガス容積が応答をどう決めるかを説明します。