Subsea-hijsoperaties
Vier waterkrachten werken op een nuttige last tussen dek en zeebodem: opdrijving, slamming, stromingsweerstand en toegevoegde massa. Wat ze elk doen met de lijnbelasting, hoe groot ze worden, waarom de laatste nadering bepalend is voor de landing en wat de diepte doet met de compensator.
- Vier krachten werken op een nuttige last in het water. Opdrijving verandert het effectieve gewicht, slamming treedt op bij het raken van het water, stromingsweerstand neemt toe met het kwadraat van de snelheid door het water en de kracht door toegevoegde massa neemt toe met de versnelling.
- In de rekenvoorbeelden ondervindt een plaat van 15 × 10 m bij 1.57 m/s ongeveer 216 kN (22 t) stromingsweerstand met de coëfficiënt voor stationaire stroming, of ongeveer 474 kN (48 t) met de waarde voor de golfzone uit DNV-RP-N103; een prisma van 10 × 10 × 20 m ondervindt bij 1.23 m/s² ongeveer 908 kN (93 t) kracht door toegevoegde massa.
- Een heave-compensator die op de hijsoperatie is gedimensioneerd, vermindert het aandeel van de kraan in de snelheid en versnelling van de nuttige last ten opzichte van het water. Daardoor nemen beide krachten af en blijft de hijsdraad tot aan de landing onder spanning.
- Onderdompeling en diepte verschuiven het werkpunt van de compensator. Opdrijving en waterdruk duwen hem naar binnen; dit wordt gecorrigeerd door gas af te laten. Afkoeling tijdens het neerlaten duwt hem naar buiten en vereist toevoeging van gas. RIGEL, CYGNUS en ANTARES zijn alle drie geschikt voor 3,000 m en verschillen in hoe ze opnieuw centreren: RIGEL wordt op dek ingesteld, CYGNUS kan gas aflaten en ANTARES kan gas aflaten en toevoegen.
Een subsea-hijsoperatie verloopt van het dek door de spatzone en de waterkolom naar de zeebodem. Water is ongeveer 800 keer zo dicht als lucht en werkt op vier manieren tegen de nuttige last in. Welke kracht overheerst, verandert tussen de spatzone, de waterkolom en de landing.
Vier krachten om te onderscheiden
| Kracht | Afhankelijk van | Waar relevant | Effect |
|---|---|---|---|
| Opdrijving | Verplaatst volume, \rho_w V g | Vanaf het raken van het water; verandert snel wanneer de last het wateroppervlak passeert | Verlaagt het effectieve gewicht en laat het schommelen: risico op een slappe hijsdraad |
| Slamming | Kwadraat van de impactsnelheid bij het raken van het water | De spatzone | Korte, scherpe belastingspieken in de nuttige last en het hijsgerei |
| Stromingsweerstand | Kwadraat van de relatieve snelheid, \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z^{2} | Neerlaten door golven en stroming | Werkt de beweging tegen; 22 tot 48 t op de voorbeeldplaat |
| Toegevoegde massa | Relatieve versnelling, \rho_w C_A V_R\, \ddot z | Elke trilling; neemt toe nabij de zeebodem | Voegt traagheid toe aan elke trilling; ongeveer 93 t op het voorbeeldprisma |
In de spatzone komen slamming, snel veranderende opdrijving en de snelheid van waterdeeltjes samen binnen enkele meters van het traject; het passeren van de spatzone behandelt dit, en DNV-RP-N103 beschrijft de methode. De twee rekenvoorbeelden hieronder gebruiken verschillende objecten. Hun resultaten zijn dus geen twee krachten op één nuttige last en worden niet bij elkaar opgeteld.
Stromingsweerstand
De stromingsweerstand neemt toe met het kwadraat van de snelheid van de nuttige last ten opzichte van het omringende water, niet ten opzichte van de zeebodem. De beweging van kraan en lier en de snelheid van de waterdeeltjes dragen beide bij aan die relatieve snelheid \dot z:
Hier is C_D de weerstandscoëfficiënt en A_\perp het oppervlak loodrecht op de stroming; DNV-RP-N103 geeft voor beide waarden per vorm. De getabelleerde coëfficiënten gelden voor stationaire stroming. Voor de oscillerende stroming in de golfzone gebruikt de RP een coëfficiënt die doorgaans twee tot drie keer zo hoog is; zonder CFD of modelproeven geeft de RP C_D \ge 2.5 voor typische subsea-constructies.
Rekenvoorbeeld: een plaat van 15 × 10 m
Neem een plaat die horizontaal wordt neergelaten in golven van 4 m met een periode van 8 s, voorgesteld als een sinus met amplitude \zeta = H/2 = 2\ \text{m}. Als invoer voor een eerste beoordeling wordt de pieksnelheid ten opzichte van het water rechtstreeks aan de golfbeweging ontleend:
Voor een plaat loodrecht op de stroming is de coëfficiënt
en met A_\perp = 150\ \text{m}^2 en \rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3:
Dit is met de coëfficiënt voor stationaire stroming. De waarde voor de golfzone in DNV-RP-N103, van minstens 2.5, leidt voor dezelfde plaat tot ongeveer 474 kN (48 t), ruim twee keer zoveel.
Weerstandscoëfficiënten voor stationaire stroming per vorm (DNV-RP-N103)
| Vorm | C_D | A_\perp |
|---|---|---|
| Bol | 0.5 | \pi r^2 |
| Horizontale cilinder | 1.2 | 2 r L |
| Verticale cilinder | 1.1 bij L/2r = 0.5, 0.9 van 1 tot 4, 1.0 bij 8 | \pi r^2 |
| Kubus, vlak naar de stroming | 1.05 | a^2 |
| Kegel, punt in de stroming | ongeveer 0.5, afhankelijk van de hoek | \pi r^2 |
| Rechthoekige plaat, loodrecht | 1.1 + 0.02\,(L/W + W/L) | L W |
Toegevoegde massa
Een nuttige last die in water versnelt, moet ook een deel van het omringende water versnellen. Dat water gedraagt zich als extra massa wanneer de last versnelt of vertraagt en veroorzaakt daardoor een traagheidskracht boven op het statische gewicht:
Hier is C_A de coëfficiënt voor toegevoegde massa en V_R het referentievolume; beide zijn per vorm getabelleerd in DNV-RP-N103. Nabij de zeebodem neemt de toegevoegde massa toe door de beperkte ruimte, precies waar de landing plaatsvindt.
Rekenvoorbeeld: een prisma van 10 × 10 × 20 m
Neem een prisma met vierkante doorsnede dat langs zijn lengteas beweegt in dezelfde golven van 4 m en 8 s. De piekversnelling is
Bij L/W = 2 is de coëfficiënt C_A = 0.36, en V_R = W^2 L = 2{,}000\ \text{m}^3. Dus
Coëfficiënten voor toegevoegde massa per vorm (DNV-RP-N103)
| Vorm | C_A | V_R |
|---|---|---|
| Bol | 0.5, in elke richting | \tfrac{4}{3}\pi r^3 |
| Cilinder, dwars op de as (een buis of spool die horizontaal wordt neergelaten) | 0.62 bij L/2r = 1.2, oplopend tot 1.00 voor een lange cilinder | \pi r^2 L |
| Rechthoekige plaat, loodrecht | 0.58 bij L/W = 1, oplopend tot 1.00 voor een lange plaat | \tfrac{\pi}{4} W^2 L |
| Ronde schijf, loodrecht | 2/\pi | \tfrac{4\pi}{3} r^3 |
| Prisma met vierkante doorsnede, langs de lengteas | 0.68, 0.36, 0.19, 0.08 bij L/W = 1, 2, 4, 10 | W^2 L |
Aannames in de rekenvoorbeelden
- De relatieve snelheid en versnelling zijn rechtstreeks afgeleid van een sinus met de genoemde golfhoogte en periode, niet van een scheepsresponsmodel. Bij een echte hijsoperatie komen ze uit het gekoppelde model: scheepsbeweging, respons van de kraantip, liercommando, dynamica van de hijsdraad, toestand van de compensator en beweging van de waterdeeltjes.
- Stromingsweerstand en toegevoegde massa bereiken hun piek niet op hetzelfde moment: bij een sinus liggen de pieken in snelheid en versnelling een kwart periode uit elkaar. Gecombineerde pieken volgen uit een tijdsdomeinberekening.
- De coëfficiënten gelden voor een onbegrensde vloeistof, zonder correctie voor het vrije wateroppervlak of de zeebodem.
- Opdrijving en slamming zijn in beide voorbeelden buiten beschouwing gelaten; in de spatzone zijn ze doorgaans maatgevend.
Van dek tot zeebodem in één hijsoperatie
Bij ANTARES gebruikt één hijsoperatie vier modi:
- Op dek: vergrendeld. De last wordt aangeslagen en van dek gehesen met de zuigerstang vergrendeld, zodat de benodigde hijshoogte beperkt blijft.
- Spatzone. Overboord en door de golfzone, waarbij slamming en schokbelastingen worden gecontroleerd; voor deze passage is de unit stijver en sterker gedempt.
- Neerlaten: Subsea. De unit is soepeler ingesteld voor de waterkolom; stromingsweerstand en toegevoegde massa volgen de lokale relatieve beweging.
- Landing. De kleppen openen en de EQ-functie wordt vrijgegeven voor een zachte plaatsing op de zeebodem.
RIGEL en CYGNUS werken met één dempingsinstelling, die op dek voor de hijsoperatie wordt gekozen. Welke unit ook wordt gebruikt, een passief systeem isoleert de last alleen van golven waarvan de periode veel korter is dan zijn eigenperiode, en versterkt beweging nabij die eigenperiode. Naarmate de hijsdraad wordt gevierd, wordt het hangende systeem soepeler en neemt zijn eigenperiode toe. Op een bepaalde diepte kan die daardoor in de band van golfperioden vallen; het hijsmodel controleert resonantie tijdens het neerlaten.
Krachten van deze omvang, een traagheidskracht van 93 t boven op het statische gewicht, verklaren waarom een zware subsea-hijsoperatie vaak wordt uitgevoerd met een passieve compensator die voor die operatie is gedimensioneerd. Hij vermindert het aandeel van de kraan in de relatieve snelheid en versnelling van de nuttige last, waardoor zowel de stromingsweerstand als de kracht door toegevoegde massa afneemt; de beweging van de waterdeeltjes blijft bestaan. Of de hijsdraad tot onderaan onder spanning blijft, wordt voor de betreffende operatie in het hijsmodel gecontroleerd. In ons assortiment zijn alle drie de units geschikt voor 3,000 m: CYGNUS is geschikt voor zware hijsoperaties tot 10,000 t, RIGEL voor standaardhijsoperaties vanaf 55 t, en ANTARES voor hijsoperaties die verschillende instellingen vereisen voor de spatzone, de waterkolom en de landing.
Landing: de laatste nadering
De energie bij bodemcontact neemt toe met het kwadraat van de naderingssnelheid. De maximale contactkracht hangt af van hoeveel energie de bodem en de constructie opnemen. Zonder compensatie komt de heave van het schip boven op de liersnelheid. Een harde of stuiterende landing kan precisieoppervlakken en afdichtingen van manifolds, trees en templates beschadigen, mudmats doen knikken of te diep laten wegzakken, en de last buiten positie achterlaten voor latere aansluitingen.
Met een compensator die voor de zeetoestand is gedimensioneerd, bereikt veel minder heave van het schip de last en ligt de naderingssnelheid veel dichter bij de liersnelheid. Bij de screening van landingen hanteren wij een bodemcontactsnelheid van 0.5 m/s, de acceptatiegrens die wij toepassen onder DNV-RP-N103. Een passieve unit vermindert de scheepsbeweging die de last bereikt, maar neemt die niet volledig weg. De daadwerkelijk bereikte snelheid hangt daarom af van de zeetoestand en wordt per geval bevestigd.
- Nadering. Laat de last onder normale compensatie zakken tot enkele meters boven de zeebodem.
- Laatste daling. Schakel ANTARES over naar de Landing-modus; vier de hijsdraad met een gecontroleerde snelheid.
- Bodemcontact. Raak de bodem met 0.1–0.5 m/s; de resterende heave wordt opgevangen zodat de last niet stuitert.
- Plaatsing. Laat de draadspanning geleidelijk afnemen; de compensator beperkt schokbelastingen terwijl de zeebodem het gewicht overneemt.
Voor een zachte plaatsing opent de Landing-modus van ANTARES de kleppen en geeft de EQ-functie vrij. Als een exacte neerlaatsnelheid moet worden aangehouden, biedt een actief systeem die regeling. De bewegingsleer achter een zachte landing wordt behandeld in passieve heave-compensatie.
Wat diepte doet met de compensator
Zodra de last in het water is, verschuiven drie effecten het werkpunt van de compensator: opdrijving van de nuttige last, afkoeling van het gas en waterdruk op de zuigerstang. Een vierde effect, lekkage, wordt door het ontwerp voorkomen. RIGEL, CYGNUS en ANTARES zijn alle drie geschikt voor 3,000 m; ze verschillen in hoe ze opnieuw centreren. CYGNUS en ANTARES gebruiken hun evenwichtsfunctie (EQ), die bij CYGNUS gas aflaat en bij ANTARES ook gas toevoegt. RIGEL heeft geen EQ-functie: de gasvulling wordt op dek voor de hijsoperatie ingesteld.
| Effect | Effect op de compensator | Maatregel |
|---|---|---|
| Opdrijving | Het nettogewicht van de nuttige last neemt in water af, waardoor het evenwicht van de unit naar binnen verschuift, in het ergste geval tot volledige intrekking | Laat gas af om de unit opnieuw te centreren; bij CYGNUS nadat het gas is afgekoeld. Zowel CYGNUS als ANTARES kan dit. |
| Afkoeling | Het gas koelt af tijdens het neerlaten en de druk daalt, grotendeels snel tijdens de passage door de thermocline; hoeveel slag verloren gaat, hangt af van gasvolume, voorspanning en het neerlaten | Voeg gas uit de fles aan boord toe. ANTARES kan dit; CYGNUS, dat alleen gas kan aflaten, niet. |
| Waterdruk | Ongeveer 1 bar per 10 m werkt op de zuigerstang en duwt deze naar binnen. Bij een hijsoperatie van 250 t met een zuigerstang van 180 mm op 1,000 m duwt het water de stang naar binnen met ongeveer 26 t, alsof de last tot 224 t was afgenomen. Bij een unit waarvan het gasvolume ongeveer drie keer zo groot is als het olievolume dat over de volledige slag wordt verdrongen, verschuift het evenwicht daardoor van halverwege de slag naar ongeveer een zesde van de slag | Laat gas af naarmate de unit dieper komt. Zowel CYGNUS als ANTARES kan dit. |
| Lekkage | Water dat binnendringt, met verlies van prestaties en corrosie tot gevolg | Ontwerp, beproeving en onderhoud: dubbele afdichtingen op twee afdichtvlakken, beproeving onder uitwendige druk tijdens FAT, compartimenten die een lekkage beperken, geplande vervanging van afdichtingen |
Voorbeeld waterdruk: zeewater van 1,025 kg/m³ geeft ongeveer 10 MPa op 1,000 m, of ongeveer 256 kN op een zuigerstang van 180 mm.
De effecten heffen elkaar deels op. De afkoeling vindt vooral in de thermocline plaats, terwijl de drukverschuiving met de diepte blijft toenemen. CYGNUS kan met zijn eenrichtingsaflaat een diepe hijsoperatie aan als het gas pas wordt afgelaten nadat het is afgekoeld en er tot die tijd voldoende slag beschikbaar is om buiten de middenstand te werken. ANTARES kan gas uit de fles aan boord toevoegen en centreert daardoor opnieuw in elke fase van het neerlaten. RIGEL doorloopt het neerlaten met de op dek ingestelde gasvulling; het hijsmodel controleert daarom of de netto verschuiving binnen de slag blijft.
Veelgestelde vragen
Waarom is een subsea-hijsoperatie moeilijker dan hijsen in lucht?
Water werkt op vier manieren tegen: opdrijving verandert het effectieve gewicht, slamming treedt op bij het raken van het water, stromingsweerstand neemt toe met het kwadraat van de relatieve snelheid en de kracht door toegevoegde massa maakt de nuttige last bij versnelling effectief zwaarder. Welke kracht overheerst, verandert tussen de spatzone, de waterkolom en de landing.
Hoe groot kan de stromingsweerstand bij een subsea-hijsoperatie worden?
In het rekenvoorbeeld ondervindt een plaat van 15 × 10 m bij een relatieve snelheid van 1.57 m/s ongeveer 216 kN, of 22 t, met de weerstandscoëfficiënt voor stationaire stroming, en ongeveer 474 kN, of 48 t, met de waarde voor de golfzone uit DNV-RP-N103: 2.5. De stromingsweerstand neemt toe met het kwadraat van de snelheid: halveert de relatieve snelheid, dan daalt de kracht tot een kwart.
Wat is toegevoegde massa en hoe groot is het effect?
Het is het water dat een nuttige last samen met zichzelf moet versnellen. Het prisma van 10 × 10 × 20 m in het rekenvoorbeeld ondervindt ongeveer 908 kN, of 93 t, traagheidskracht in golven met een periode van 8 s; door de beperkte ruimte neemt de toegevoegde massa nabij de zeebodem toe.
Welke kracht overheerst in de spatzone?
Slamming en snel veranderende opdrijving, boven op de snelheid van waterdeeltjes. Deze combinatie, binnen enkele meters van het traject, bepaalt vaker dan enige andere fase van de hijsoperatie de dimensionering van de compensator.
Hoe beschermt heave-compensatie een subsea-hijsoperatie?
Een compensator die op de hijsoperatie is gedimensioneerd, vermindert het aandeel van de kraan in de snelheid en versnelling van de nuttige last ten opzichte van het water. Daardoor nemen zowel de stromingsweerstand als de kracht door toegevoegde massa af, en blijft de hijsdraad onder spanning zodat gebeurtenissen met een slappe draad en daaropvolgende schokbelasting worden beperkt. Een passieve unit isoleert de last alleen van golven waarvan de periode veel korter is dan zijn eigenperiode; het hijsmodel controleert daarom de resonantie terwijl de hijsdraad wordt gevierd. In ons assortiment zijn alle drie geschikt voor 3,000 m: CYGNUS voor zware hijsoperaties, RIGEL voor standaardhijsoperaties en ANTARES voor hijsoperaties die verschillende instellingen vereisen voor de spatzone, de waterkolom en de landing.
Welke compensator is geschikt voor diep water?
RIGEL, CYGNUS en ANTARES zijn alle drie geschikt voor 3,000 m; ze verschillen in hoe ze opnieuw centreren als de diepte verandert. Opdrijving en waterdruk duwen de compensator naar binnen en worden gecorrigeerd door gas af te laten; afkoeling tijdens het neerlaten duwt hem naar buiten en vereist toevoeging van gas. De effecten heffen elkaar deels op: de afkoeling vindt vooral in de thermocline plaats, terwijl de drukverschuiving met de diepte blijft toenemen. RIGEL doorloopt het neerlaten met de op dek ingestelde gasvulling; het hijsmodel controleert daarom of de netto verschuiving binnen de slag blijft. CYGNUS laat gas af en kan een diepe hijsoperatie aan als het daarmee wacht tot het gas is afgekoeld. ANTARES kan ook gas uit de fles aan boord toevoegen en centreert daardoor opnieuw in elke fase.
Rekent u aan een subsea-hijsoperatie?
Stuur ons gegevens over de nuttige last, de afmetingen en het gewicht, de waterdiepte en de zeetoestanden. Wij modelleren de hijsoperatie in CONSTELLATION en adviseren een compensator en de benodigde maat.
Stuur uw hijsgegevens →
