DNV-RP-N103: Modellering og analyse av marine operasjoner

Hva DNV-RP-N103 er

DNV utgir den anbefalte praksisen (RP) med tittelen Modellering og analyse av marine operasjoner. Den ble først utgitt som DNV-RP-H103, første gang utgitt i april 2009 og sist utgitt i februar 2014, og ble erstattet i juli 2017 av DNVGL-RP-N103. Ved denne revisjonen ble dokumentkoden, selskapsnavnet og referansene endret. Da DNV skiftet navn i 2021, ble den til DNV-RP-N103, endret i september 2021. Søk og eldre løfteplaner viser fortsatt til RP-H103, og metodene på denne siden finnes i begge.

DNV oppgir gjeldende utgave på siden for RP-N103 i standardoversikten. Hele teksten finnes i DNVs Rules and Standards Explorer, som krever gratis Veracity-innlogging og et betalt Explorer+-abonnement. Innholdsfortegnelsen og første del kan leses gratis, og DNV tilbyr en engangs prøveperiode på 14 dager. Eldre utgaver av DNV-RP-H103 er gratis PDF-er i DNVs arkiv over eldre dokumenter, som er nyttige som bakgrunnsstoff. Et prosjekt bruker utgaven som er angitt i prosjektgrunnlaget.

Hva den dekker

Hoveddelene i den anbefalte praksisen, nummerert som i dokumentet (del 1 er innledningen):

1. Generelle analysemetoder. Bølger og bølgespektre, og bølgelaster på store og små konstruksjoner.
2. Løft gjennom bølgesonen, generelt. Laster på et objekt som passerer gjennom vannflaten, hydrodynamiske koeffisienter, beregningsmetoder, løft gjennom en moonpool og stabilitet.
3. Løft gjennom bølgesonen, forenklet metode. Statisk vekt, hydrodynamiske krefter, kriteriet for slakke stropper, kapasitetskontroller og rykklaster. De fleste kontrollene av løft gjennom skvalpesonen tar utgangspunkt i denne delen.
4. Nedsenking på dypt vann. Wirekrefter, egenperioder og resonans i senkesystemet, slakk wire, hivkompensering og fibertau.
5. Nedsetting på havbunnen og opptak. Støt ved nedsetting, penetrasjon av skjørt, installasjon ved hjelp av sug og nivellering, og opptak av fundamenter.
6. Tauing. Tauing ved overflaten og under vann.
7. Værkriterier og tilgjengelighet. Usikkerhet i værvarsler, opererbarhet og statistikk over varighet av værvinduer.
8. Løfteoperasjoner. Lette og tunge løft, bevegelser i krantuppen, kobling mellom fartøy og løft fra lekterdekk.

Vedleggene gir koeffisienter for medført masse og strømningsmotstand for vanlige former, samt fysiske konstanter. De fleste av disse motstandskoeffisientene gjelder jevn strømning. I bølgesonen bruker den anbefalte praksisen verdien for oscillerende strømning, som typisk er to til tre ganger høyere. Uten CFD eller modellforsøk angir den C_D \ge 2.5 for typiske undervannskonstruksjoner. Artikkelen vår om undervannsløft viser hvordan strømningsmotstand og medført masse varierer med form og hastighet.

Den forenklede metoden for løft gjennom skvalpesonen

Del 4 gir et første, konservativt anslag for et objekt som senkes gjennom bølgesonen, med noen få karakteristiske verdier i stedet for en full simulering. Metoden forutsetter at objektet er lite sammenlignet med bølgelengden, at det følger krantuppen uten resonansforsterkning, og at den vertikale bevegelsen mellom objektet og vannet dominerer. Delnumrene nedenfor er fra den anbefalte praksisen.

Statisk vekt (4.2). Vekten i vann, beregnet ut fra massen i luft og fortrengt volum:

Minste og største verdi brukes når objektet fylles med vann etter nedsenking. Kontrollen for slakke stropper bruker den minste verdien, mens kapasitetskontrollen bruker den største.

Bølgeperioder (4.3.2). Når bølgeperioden tas med i beregningen, omfatter analysen perioder mellom nulloppkrysninger i intervallet

for en dimensjonerende signifikant bølgehøyde H_s. Alternativet i den anbefalte praksisen, bølgekinematikk uavhengig av perioden, gjelder bare for T_z \ge 10.6 \sqrt{H_s / g}; en analyse bruker det ene eller det andre.

Relativ hastighet. Krokens senkehastighet v_c, typisk 0.5 m/s, legges til den kombinerte hastigheten til krantuppen v_{ct} og vannpartiklenes hastighet v_w, som metoden behandler som uavhengige:

Kraftkomponenter (4.3.5 til 4.3.8). Fire krefter virker når objektet passerer vannflaten (figur 1): slaglast på delene som treffer vannet, som øker med kvadratet av treffhastigheten; strømningsmotstand, som øker med kvadratet av den relative hastigheten; massekraften, som kombinerer objektets masse pluss medført masse akselerert av krantuppen, (M + A_{33})\, a_{ct}, med massen av fortrengt vann pluss medført masse akselerert av bølgene, (\rho V + A_{33})\, a_w; og den varierende oppdriften, \rho g\, \delta V, når vannflaten beveger seg opp og ned i forhold til objektet.

Slaglast og strømningsmotstand virker i fase, mens massekraften og den varierende oppdriften virker 180° ute av fase. Metoden kombinerer dem derfor slik (4.3.9)

og den karakteristiske totalkraften på objektet er (4.4.2)

Et langt objekt, for eksempel en spool, der lastene varierer mellom stroppene, krever en mer detaljert analyse.

Slakke stropper og rykklaster

Hvis den hydrodynamiske kraften løfter objektet sterkere enn egenvekten trekker det ned, blir stroppene slakke og strammes brått igjen et øyeblikk senere. Den forenklede metoden unngår dette ved hjelp av kriteriet for slakke stropper (4.4.3):

Dette gir en margin på 10 % før stroppene blir slakke, kontrollert mot minste statiske vekt og oppadrettede hydrodynamiske krefter. Værkriteriene for løftet fastsettes slik at kriteriet er oppfylt.

Når rykklaster ikke kan unngås, angir den anbefalte praksisen størrelsen deres (4.7) ut fra hastigheten idet stroppene strammes, stivheten K i heisesystemet og objektets masse med medført masse i hivretningen:

Totalkraften er da F_{\text{static}} + F_{\text{snap}}. Den samme formelen dekker rykket når objektet løftes fra et dekk i bevegelse.

Ved kapasitetskontrollen (4.4.4) bruker den anbefalte praksisen den største totalkraften med maksimal statisk vekt, F_{\text{static,max}} + F_{\text{hyd}} eller F_{\text{static,max}} + F_{\text{snap}}, og omregner den til en faktor for vekten i luft etter løftestandarden:

Artikkelen vår om dynamisk forsterkningsfaktor går nærmere gjennom rykklast og DAF.

Slik inngår en hivkompensator

En hivkompensator inngår i den forenklede metoden på ett sted: som en myk fjær i heisesystemets stivhet K (4.3.3.4). Det reduserer rykklasten. Den lavere stivheten forlenger også heisesystemets egenperiode,

der m L er heisewirens masse og \theta er en faktor for dens virkning. Den anbefalte praksisen tar derfor med kompensatoren på samme måte når risikoen for resonans kontrolleres. Selve resonansforsterkningen ligger utenfor den forenklede metoden, og metoden tilskriver ikke kompensatoren redusert bevegelse i objektet; begge deler krever en analyse i tidsdomenet.

Den anbefalte praksisen setter også en grense (4.7.7): En passiv kompensator må ikke gå tom for slaglengde, fordi det kan gi svært store topplaster og svikt i heisesystemet. Tilgjengelig slaglengde kontrolleres for hvert lasttilfelle, rundt en likevektsstilling som forskyves når den statiske vekten endres fra luft til vann. Det tas hensyn til innestengt vann ved opptak og, der det er relevant, vanntrykk på stempelet.

Utover den forenklede metoden

Når den forenklede metoden viser risiko for rykklaster, objektet er stort sammenlignet med bølgene, eller løftet er nær resonans, viser den anbefalte praksisen til mer nøyaktige metoder (del 3): en metode med en regulær dimensjonerende bølge, analyse i tidsdomenet med uregelmessige bølger og CFD for lokal strømning. En modell i tidsdomenet følger hele løftet, inkludert wire, løfteredskaper og eventuell kompensator, og viser strekkrefter, bevegelser og slaglengde som tidsserier. Det er her kompensatorens reduksjon av objektets bevegelser tas med, og det er dette CONSTELLATION gjør.

Hvordan RP-N103 brukes til å dimensjonere kompensatoren

Analysen gir laster og bevegelser som kompensatoren dimensjoneres etter:

Den anbefalte praksisen modellerer også en passiv kompensator i del 5.4 som en fjær og demper ved krantuppen over wiren, og beskriver virkningsgraden som e = 1 – |G(\omega)|, der G(\omega) er forholdet mellom objektets bevegelse og bevegelsen på toppen av kompensatoren. DNV-RP-N202, DNVs anbefalte praksis for hivkompenseringssystemer (utgave 2024-06), omhandler selve kompensatoren når prosjektet angir den. Artikkelen vår om passiv hivkompensering viser hvordan slaglengde og gassvolum bestemmer responsen.