Unngåelse av resonans

Alle fjær-masse-systemer har en egenfrekvens — frekvensen systemet tenderer til å svinge med når det forstyrres. I en passiv hivkompensator, er massen den opphengte lasten, og fjæren er den komprimerte gassen i akkumulatoren.

Når den bølgeinduserte bevegelsen i krantuppen svinger ved eller nær denne egenfrekvensen, reagerer systemet med forsterket bevegelse, slik at lasten beveger seg mer enn krantuppen, ikke mindre. Denne forsterkningen kan være kraftig: Et udempet system i resonans ville teoretisk ha uendelig respons.

I praksis begrenser dempingen maksimalresponsen. Hvor høy toppen blir ved resonans, avhenger av den faktiske konfigurerte dempingen, og derfor angir screeningmodellen dempingen i stedet for å oppgi en universell faktor. Dette er klart uakseptabelt for en innretning som skal redusere bevegelse.

Egenperioden til en passiv hivkompensator avhenger av lastmassen og gassfjærens stivhet. For enhetene fra Norwegian Dynamics med grunnlaget nedenfor spenner beregnede egenperioder over omtrent 10–30 sekunder. Hvert prosjekt beregner sin egen koblede periode ut fra faktisk masse, gasstilstand og linestivhet.

Med screeningsgrunnlaget for Nordsjøen som brukes her, er spektrale toppperioder på 5–15 sekunder (Tp) det veiledende eksitasjonsbåndet; prosjektstedets eget metocean-grunnlag er styrende. I godt utformede systemer ligger egenperioden godt over de energirike bølgeperiodene, slik at eksitasjonsfrekvensen holder seg over egenfrekvensen, i isolasjonsområdet. Marginen verifiseres mot prosjektets bølgespekter og blir ikke bare forutsatt.

Resonansrisikoen øker imidlertid når:

• Gassvolumet er for lite (slik at fjæren blir for stiv og egenperioden reduseres).
• Lasten er lettere enn dimensjoneringstilfellet (slik at massen og dermed egenperioden reduseres).
• Det forekommer dønninger med lang periode (slik at eksitasjonsperioden øker mot egenperioden).

Ingeniører bruker flere strategier for å sikre at hivkompensatorer opererer trygt borte fra resonans:

• Tilstrekkelig gassvolum — Større gassvolumer gir mykere fjærer med lengre egenperioder og skyver resonansen godt over bølgeperiodenes intervall.
• Tilstrekkelig demping — Hydraulisk demping begrenser forsterkningen ved resonans til akseptable nivåer og gir en sikkerhetsmargin selv om forholdene bringer systemet nærmere egenfrekvensen.
• Analyse av lastområdet — Kompensatoren må kontrolleres for hele området av forventede laster, ikke bare dimensjoneringspunktet. Den letteste lasten gir vanligvis den korteste egenperioden og dermed den høyeste resonansrisikoen.
• Adaptiv innstilling — ANTARES justerer gassfjærens arbeidspunkt automatisk når lastforholdene endres, og holder egenperioden der analysen plasserte den. Hver innstilling kontrolleres fortsatt i den koblede modellen; tilpasningen utvider det anvendelige området, men fjerner ikke kontrollbehovet.

Unngåelse av resonans gjelder ikke bare kompensatoren, men hele løftesystemet. Kranwiren, skivene og eventuell undervannsrigging har alle egen stivhet og masse, noe som skaper et koblet system med flere mulige resonansformer.

På større vanndyp blir wirens elastisitet betydelig, og det koblede wire-kompensator-systemet kan ha andre resonansfrekvenser enn hver av komponentene alene. Derfor krever dypvannsoperasjoner grundig koblet dynamisk analyse som modellerer hele systemet fra fartøy til havbunn.

For kritiske operasjoner brukes tidsdomenesimuleringer med stedsspesifikke bølgedata og fartøyets faktiske RAO-er til å verifisere responsen i de definerte operasjonstilfellene. Norwegian Dynamics gir ingeniørstøtte til disse analysene som en del av valg og dimensjonering av kompensatorer. Se vår veiledning for valg av kompensator for mer informasjon.