Simulering av marine løfteoperasjoner med fokus på kontroll av konstruksjonsrepons

Abstract

Olje- og gassindustrien bruker mer og mer undervannsutstyr på stadig dypere vann. En av de største utfordringene ved bruk av undervannsutstyr er installasjonsprossesen. Installasjonsprossesen er svært avhengig av værvinduet. En bedre forståelse og analytiske metoder kan bidra til å utvide tidsvinduet for å utføre operasjoner.

Denne tesen gir en innføring i de utfordringer som oppstår ved marine operasjoner. Fasene som regnes som mest utfordrende var ``løft av dekk'', ``senkning gjennom bølgesonen'' og ``posisjonering og landing under vann''. Hovedparten av fokuset i denne tesen falt på fasen ``senking gjennom bølgesonen''.

For å vurdere USFOS' evne til å simulere marine operasjoner ble en rekke verifikasjonsstudier gjort. USFOS har i teorien verktøyene for å beregne alle de nødvendige kreftene som står oppstår i løpet av en løfteoperasjon gjennom bølgesonen.

To hovedmodeller ble brukt: en enkel modell og en avansert modell. Begge modellene ble hentet fra en tidligere tese, og arbeidet videre på. Den enkle modellen består et rør opphengt ved hjelp av to fjærer. Denne modulen ble brukt til verifikasjonsstudier. I tillegg ble det gjort en studie for å finne den begrensende sjøtilstanden på den enkle modellen. Den avanserte modellen ble brukt til å finne begrensende sjøforhold for en mer realistisk modell. Den avanserte modellen representerer en ``spool'', som ble opphengt i en enkelt vaier og fire stropper. En sprederbjelte ble brukt til å fordele kreftene på ``spoolen''.

Verifikasjonsanalysene viste at USFOS var i stand til å beregne viktige krefter i vaieren, som er en viktig begrensende faktor, siden slakk ikke er ønskelig. Vekten i luften og vannet hadde en maksimal feil på 1 % . Når motstandskreftene ble studert oppstod noen store forskjeller. En av senkehastighetene til modulen ga en feil på $ 40,29 \% $. Imidlertid er kraftbidraget så lavt som 0,9 % av den neddykkede vekt, så dette ble ansett for å være irrelevant for resten av de kommende analysene.

Slammingkraften var vanskeligere å sjekke mot håndberegninger. Grunnen til dette var at den målte kraften i vaieren var en kraftrespons, og ikke en direkte kraft på selve modulen. Slammingeffekten ble observert, men den var ikke mulig å sammenligne med håndberegninger. Ved å endre egenperioden til systemet med 50 % oppstod nye vibrasjoner da modulen ble senket gjennom bølgesonen. Dette viste at USFOS sannsynligvis beregnet slamming riktig.

En rekke mindre studier ble utført med bruk av ``spool wave''-funksjonen for å sikre gode resultater i de kommende grensestudiene. Et nytt tidssteg ble bestemt for å fange de riktige kreftene. Det var de minste kreftene i vaieren som var av størst interesse. Effekten av demping i vaieren ble sjekket, og resultatene så ut til å ha en innvirkning på kreftene i vaieren. Omfanget av denne innvirkningen var imidlertid usikker. Studier utført med ``spool wave''-funksjonen viste at det var en god måte å oppnå minimumskreftene i vaieren uten å måtte kjøre en fullstendig 3-timers sjø. Det viste seg at vaierkraften var avhengig av når modulen traff vannoverflaten i en ``spool''-bølge. Dette bekreftet at bruken av ``spool wave''-funksjonen var gyldig for å finne de minste kreftene i vaieren.

For å finne de begrensende sjøtilstander for den enkle modulen ble det kjørt flere analyser med ulike sjøtilstander og ulike frø. På bakgrunn av disse analysene ble det satt opp statistiske modeller, forutsatt at minimumskreftene fulgte en minimumsverdi-fordeling. Dette var tilfellet for de fleste av simuleringene, men noen simuleringer ga både positive og negative minimumsverdier, hadde noen verdier nær null, og oppstod sammen med andre store verdier. Det var med andre ord stor spredning. Dette viste at resultatene nær null kunne ha en annen fordeling i den aktuelle sjøtilstanden. For den enkle modellen var det ingen sjøtilstander som gjorde det nødvendig å forutsi sannsynligheten for å ikke overskride grensekraften i vaieren. Begrensende sjøtilstander der operasjonen kunne utføres hadde parametre H_S = 3 m, T_p = 5 s og H_S = 2 m, T_p = 4 s .

Før den begrensende sjøtilstanden for den avanserte modellen kunne finnes, måtte nye følsomhetsanalyser utføres. Dette ble gjort for å sikre at tidsintervallet ga gode resultater og at anvendelsen av ``spool''-bølgen fremdeles var gyldig. Ved å gjøre disse analysene om igjen, kunne de beste parameterne bli funnet slik at analysene tok kortere tid. Da det ble sjekket opp mot begrensende sjøtilstander viste det seg at det måtte brukes sannsynlighetspapir for å evaluere resultatet for 5 av 8 sjøtilstander. Sannsynligheten for å evaluere resultatene. Dersom den begrensende sannsynligheten for å overgå minimumskraften i vaieren ble satt til 90 % , ble den begrensende sjøtilstanden funnet til å ha parametrene H_S = 2 m, T_p = 4 s.