Subsea-berging: losbreken, opstijgen en uit het water hijsen
Een object van de zeebodem bergen is geen installatie in omgekeerde volgorde. De zeebodem houdt het vast, het gewicht is onzeker en een trekkracht die door de heave van het schip wordt aangedreven, kan de kraan ver boven haar SWL belasten voordat de zeebodem loslaat. Wat gebeurt er bij het losbreken, en wat deed een heave-compensator in onze bergingscasus met een zuigcaisson?
- Bij berging komen belastingen en risico’s kijken die bij installatie ontbreken: de houdkracht van de zeebodem, een gewicht dat is veranderd door aangroei, ingesloten water en grond, en een constructie die door jarenlang gebruik verzwakt kan zijn.
- Een zuigcaisson verzet zich tegen lostrekken, en die weerstand neemt toe naarmate er sneller wordt getrokken, omdat water niet snel genoeg eronder kan stromen. Bij een kale hijsdraad bepaalt de heave van het schip dat tempo.
- Een passieve heave-compensator in de hijslijn vangt de heave op als slag. Daardoor bepaalt de lier een langzame, gelijkmatige trekkracht en blijft de onderdruk onder de caisson laag.
- In onze CONSTELLATION-casus trok een CYGNUS 700 t / 5 m een zuigcaisson van Ø6 m uit stevige klei op 120 m diepte, bij Hs 2.5 m, met een piekbelasting in de hijslijn van 566 t, 87 % van de SWL van de kraan van 650 t. Met een kale hijsdraad bereikte de hijslijn ongeveer 1,280 t, bijna het dubbele van de SWL van de kraan.
Bij installatie wordt een bekend object op een voorbereide zeebodem neergelaten. Bij berging wordt iets opgehaald dat daar jarenlang heeft gelegen: vastgehouden door de grond, bedekt met aangroei, vaak vol water en sediment, en mogelijk zwakker dan bij plaatsing.
Waarom berging lastiger is dan installatie
- De houdkracht van de zeebodem. Onderdruk onder een caisson of een mudmat, en adhesie en wrijving langs de wanden, vergroten de belasting totdat het object losbreekt.
- Een onbekend gewicht. Aangroei, ingesloten water en sediment vergroten het gewicht, terwijl ontbrekende of gecorrodeerde onderdelen het verminderen. Het gewicht in aangetroffen toestand is een schatting met een bandbreedte.
- Een verzwakte constructie. Hijspunten en constructiedelen kunnen door corrosie of vermoeiing aan sterkte hebben verloren. Daardoor kunnen ze mogelijk minder belasting dragen dan bij installatie.
- Het loskomen. Wanneer de zeebodem loslaat, valt de kracht die het object omlaag hield in één keer weg. De in de hijsdraad en het hijsgerei opgeslagen rek slingert het object omhoog. De hijslijn kan slap vallen en daarna een schokbelasting krijgen.
Losbreken
Zuigcaissons laten het probleem het duidelijkst zien. Normaal worden ze verwijderd door water terug onder het deksel te pompen, waardoor ze omhoog worden gedrukt. Als dat niet mogelijk is, moet de kraan ze lostrekken; dat is de hier gemodelleerde situatie. Wanneer een caisson omhoog wordt getrokken, moet via de klep water onder het deksel stromen. Als het trekken sneller gaat dan het water kan volgen, daalt de druk binnenin en houdt de zeebodem de caisson steviger vast, totdat de grond in de caisson bezwijkt. Wrijving langs de wand levert een extra weerstand die weinig verandert met de snelheid.
Met een kale hijsdraad komt de trekkracht evenzeer van de heave van het schip als van de lier: elke golf trekt snel, waardoor de grondweerstand en de belasting in de hijslijn toenemen. Als de caisson onder die trekkracht loskomt, slingert de opgeslagen rek in de hijslijn hem omhoog (Figuur 1).
Een passieve compensator in de hijslijn verandert dat. De eenheid vangt de heave van het schip op als slag, zodat de lier de trekkracht op de caisson bepaalt: langzaam en gelijkmatig. Daardoor blijft de grondweerstand lager. In onze casus kwam de caisson gelijkmatig los, met minder dan 0.1 m/s en zonder plotseling loskomen. Als de zeebodem wel in één keer loslaat, beperkt de demping van de eenheid hoe snel het object omhoogkomt, in plaats van dat de opgeslagen rek in de hijslijn het omhoog slingert.
Opstijgen en uit het water hijsen
Zodra het object los is, gaat het omhoog door de waterkolom, terwijl de hijslijn het gewicht in water plus de stromingsweerstand draagt, vaak met nog grond in een caisson of water dat in een constructie is ingesloten. Aan het oppervlak werkt de spatzone omgekeerd: de opwaartse kracht neemt af wanneer het object het water verlaat, en het meegevoerde water en de grond vergroten het gewicht in lucht. DNV-RP-N103 schrijft voor dat dit ingesloten water wordt meegerekend bij de controle van de slag van de compensator tijdens de berging. Passage door de spatzone verklaart de belastingen aan het oppervlak.
Onze bergingscasus met een zuigcaisson
In een model met CONSTELLATION bergt een constructieschip met een kraan van 650 t een zuigcaisson van Ø6 × 10 m (107 t in lucht, 93 t in water) uitsluitend door te trekken met de kraan, via een bovenste klep van Ø0.5 m, uit stevige klei op 120 m waterdiepte. Het hijssysteem heeft een hijsdraad van 90 mm met drie parten; de zeetoestand is Hs 2.5 m en Tp 8.0 s. Dezelfde hijsconfiguratie en zeetoestand zijn doorgerekend met een voor deze taak gedimensioneerde CYGNUS 700 t / 5 m in de hijslijn en met een kale hijsdraad.
| Resultaat | Kale hijsdraad | Met CYGNUS |
|---|---|---|
| Piekbelasting in hijslijn | ongeveer 1,280 t | 566 t |
| Ten opzichte van kraan-SWL van 650 t | bijna het dubbele | 87 % |
| Ten opzichte van draad-SWL van 663 t | bijna het dubbele | 85 % |
| Ten opzichte van breuklast van de hijsdraad van 1,658 t | 77 % | 34 % |
| Caisson uit de klei getrokken | nee: hij steeg ongeveer 1 m | ja: gelijkmatig uitgetrokken met minder dan 0.1 m/s; de wand was na ongeveer 4.5 minuten vrij van de zeebodem |
Vanaf het losbreken bleef de eenheid vrij van haar aanslagen, grotendeels in de onderste helft van haar slag, terwijl de lier de caisson gelijkmatig uit de klei trok. De berekening eindigt zodra de wand vrij is van de zeebodem; het opstijgen en het uit het water hijsen maakten er dus geen deel van uit. Met de kale hijsdraad overschreed de belasting in de hijslijn de SWL van de kraan terwijl de grond de caisson nog vasthield; de caisson steeg ongeveer 1 m. Dit is één realisatie van de zeetoestand en de CYGNUS was voor deze casus gedimensioneerd. Een werkelijke berging wordt gemodelleerd voor het specifieke object, de grond en het schip.
De eenheid kiezen
RIGEL behoudt de instelling die hij aan dek kreeg. CYGNUS kan gas laten ontsnappen en ANTARES kan gas laten ontsnappen en toevoegen. Daardoor kunnen beide zich opnieuw centreren wanneer de belasting na het losbreken afneemt. In onze casus behield de CYGNUS gedurende de hele berekening zijn instelling voor het losbreken: opgeladen voor enkele honderden tonnen zou hij gesloten tegen zijn aanslag staan zodra de caisson vrij hangt met 93 t in water. Het opstijgen en het uit het water hijsen moeten daarom afzonderlijk worden gecontroleerd. Alle drie zijn geschikt voor een diepte tot 3,000 m. Bij de meest onzekere losbreekbelastingen biedt actieve regeling meer flexibiliteit; onze actieve VEGA-eenheid is in ontwikkeling.
Bronnen en aannames
- De bergingscasus is een CONSTELLATION-model met een snelheidsafhankelijke extractie van de zuigcaisson: wrijving langs de buitenwand plus een interne onderdruk, bepaald door de stroming via een bovenste klep van Ø0.5 m en begrensd door de laagste van de omgekeerde draagkracht van de grond en cavitatie, in klei met een ongedraineerde schuifsterkte van ongeveer 42 kPa. De beweging van het schip wordt in zes vrijheidsgraden op de kraantip aangebracht. De berekening omvat het lostrekken en eindigt zodra de wand van de caisson vrij is van de zeebodem.
- Eén realisatie van de zeetoestand (Hs 2.5 m, Tp 8.0 s). De CYGNUS 700 t / 5 m was voor deze casus gedimensioneerd en behield gedurende de hele berekening dezelfde gasvulling.
- De eis voor ingesloten water komt uit DNV-RP-N103, voorheen DNV-RP-H103 (april 2010, 4.7.7.4).
Veelgestelde vragen
Waarom is subsea-berging lastiger dan installatie?
De zeebodem houdt het object vast, het gewicht is sinds de installatie veranderd, de constructie kan zwakker zijn en het plotseling loskomen kan het object omhoog slingeren en een schokbelasting in de hijslijn veroorzaken. Bij installatie ontbreken deze factoren.
Wat is losbreken door onderdruk?
Een zuigcaisson of mudmat verzet zich tegen lostrekken uit de zeebodem. Onder een caisson moet tijdens het omhoogtrekken water via de bovenste klep toestromen. Wordt hij sneller getrokken dan het water kan volgen, dan daalt de druk eronder en houdt de zeebodem hem steviger vast. Onder een mudmat op klei duurt de onderdruk te lang om vanzelf te verdwijnen; de hijsbeweging moet die weerstand overwinnen. Wrijving langs de wanden vergroot de weerstand.
Hoe helpt een heave-compensator bij het losbreken?
Hij vangt de heave van het schip op als slag, zodat de lier een langzame, gelijkmatige trekkracht bepaalt en de grondweerstand lager blijft. In onze casus kwam de caisson gelijkmatig los, met minder dan 0.1 m/s en zonder plotseling loskomen. Als de zeebodem wel in één keer loslaat, beperkt de demping van de eenheid hoe snel het object omhoogkomt, in plaats van dat de opgeslagen rek in de hijslijn het omhoog slingert.
Moet de compensator tijdens een berging anders worden ingesteld?
Dat hangt af van hoe sterk de belasting afneemt zodra het object vrij is. RIGEL behoudt de instelling die hij aan dek kreeg; CYGNUS kan gas laten ontsnappen en ANTARES kan gas laten ontsnappen en toevoegen. In onze caissoncasus werd de instelling gekozen voor het losbreken. Daardoor zou de eenheid gesloten tegen haar aanslag staan zodra de caisson vrij hangt, en moeten het opstijgen en het uit het water hijsen afzonderlijk worden gecontroleerd.
Wat liet het bergingsmodel zien?
In onze CONSTELLATION-casus trok een voor deze taak gedimensioneerde CYGNUS 700 t / 5 m een zuigcaisson van Ø6 m uit stevige klei op 120 m diepte, bij Hs 2.5 m, met een piekbelasting in de hijslijn van 566 t, 87 % van de SWL van de kraan van 650 t. Met een kale hijsdraad bereikte de hijslijn ongeveer 1,280 t, bijna het dubbele van de SWL van de kraan. Dit is één realisatie van de zeetoestand en de berekening omvat het lostrekken, niet het opstijgen.
Bergt u een object van de zeebodem?
Stuur ons:
- het object, de bandbreedte van het gewicht in aangetroffen toestand en de hijspunten
- de grondgegevens, of de verwachte weerstand bij het losbreken
- het schip, de kraan en het hijsgerei, en de zeetoestanden
We modelleren het losbreken in CONSTELLATION, met en zonder compensator, en controleren het opstijgen en het uit het water hijsen voor uw eenheid en hijsgerei.
Stuur uw hijscasus →
