Marine operasjoner i havbruksindustrien med spesielt fokus på brønnbåtoperasjoner

Abstract

Oppgaven belyser hvordan planlegging og utførelse av marine operasjoner i havbruksnæringen er implementert i norske reguleringer og standarder. Studien identifiserer et manglende fastsatt regelverk, og derfor vektlegges forslag til forbedringer. Som et eksempel, er spesifikasjoner i forhold til total varighet av operasjonen medregnet en tidsbuffer som tar hensyn til uforutsette hendelser et av tiltakene som bør nedfelles i reguleringene. Videre må operasjonsgrenser fastsettes for hva som er akseptabelt nivå av signifikant bølgehøyde, vind- og strømstyrke uten at det går på bekostning av sikkerheten for personell, fisk og utstyr. Med en fastsatt total varighet av operasjonen og nødvendige operasjonsgrenser, kan et tilstrekkelig værvindu defineres slik at operasjonen kan finne sted innenfor sikre rammer. DNV-OS-H101 "Marine Operations, General" kan benyttes som utgangspunkt for å adoptere prinsippene fra petroleumsnæringen, og utnevnelse av en tilsynsmyndighet vil være nødvendig for å sikre at næringen følger lovverket.

Med bakgrunn i manglende regelverk og standarder for planlegging og utførelse av marine operasjoner i havbruksnæringen, er formålet med oppgaven å vise en metodikk for hvordan operasjonsgrenser kan etableres for en typisk operasjon i næringen. Ved fastsettelse av operasjonsgrenser skal usikkerheten knyttet til værvarslingen medregnes gjennom bruk av alfa-faktorer. Ettersom alfa-faktorer ikke er etablert for havbruksnæringen, blir ikke denne usikkerheten tatt hensyn til i denne oppgaven. Operasjonen ble i samarbeid med veilederne bestemt til å være en brønnbåtoperasjon, hvor båten er fortøyd til et enkelt merdesystem ved bruk av fire tau. For fastsettelse av operasjonsgrensene ble aksialkraften i fortøyningstauene til brønnbåten valgt som design parameter. Maksimal tillat aksialkraft ble satt til å være tauets bruddstyrke med en sikkerhetsfaktor på tre.

En koblet SIMO-RIFLEX modell ble etablert for å simulere operasjonen. Operasjonsgrensenes sensitivitet for endringer i væreksponering ble undersøkt ved å studere variasjoner av følgende parametere; værretninger, bølgeamplitude og periode, med og uten strøm og vind. Tre retninger ble totalt undersøkt, 180, 225 og 270 grader i forhold til brønnbåtens koordinatsystem. Siden industrien ikke har noen spesifiserte prosedyrer på hvor mye forspenning fortøyningslinene skal ha, annet enn at tauene skal strammes tilstrekkelig, ble operasjonsgrensenes sensitivitet i forhold til grad av forspenning undersøkt.

Operasjonsgrensene er sensitive for korte bølgeperioder på grunn av påvirkningen fra store bølgedriftskrefter. Bølgedriftskraften er en funksjon av bølgens amplitude kvadrert, som betyr at en økning i amplituden vil medføre en betraktelig økning i bidraget fra bølgedriftskreftene. For å opprettholde tilstrekkelig sikkerhet når amplituden er stor må perioden til bølgen være lang, da bølgedriftskreftene nærmer seg null for lange perioder. Resultatene fra simuleringene viste også at systemet er sensitivt for endringer i innkommende lastretning fra bølger, vind og strøm. For de tre retningene analysert i denne oppgaven vil tilfellet hvor været kommer rett inn mot siden av båten (270 grader) være det mest eksponerte, mens tilfellet hvor bølger kommer rett inn mot baugen (180 grader) vil være minst usatt. Dette er fordi bølgedriftskreftene er større for 270 grader, i tillegg til at vind- og strømkoeffisientene gir et betydelig større bidrag i denne retningen i forhold til 180 grader. Når vind og strøm virker på systemet i tillegg til bølger, vil de totale middelkreftene som virker på systemet øke, slik at operasjonsgrensen reduseres. Vurderinger av systemets egenperioder er nødvendig, da korresponderende bølgeperioder kan medføre en betraktelig økning i de aksielle kreftene i tauene, som medfører en reduksjon av operasjonsgrensene. Resultatet fra sensitivitetsanalysen indikerer at grad av forspenning ikke er av stor betydning for etablering av operasjongrenser.

The thesis highlights how planning and execution of marine operations in the aquaculture industry are implemented in Norwegian regulations and standards. The study identifies a lack of regulations, thus proposals for improvements are emphasized. As an example, specifications for the overall duration of the operation including a time buffer that considers unforeseen events is one of the measures that should be included in the regulations. Furthermore, operational limits must be determined for what is acceptable levels of significant wave height, wind and current strength without compromising on the safety of personnel, fish and equipment. With the stipulated total duration of the operation and the required operational limits, a sufficient weather window can be defined for the operation to take place within safe limits. DNV-OS-H101 "Marine Operations, General" can be used as a basis for adopting the principles of the petroleum industry and a supervisory authority will be necessary to ensure that the industry complies with the legislation.

Based on the lack of regulations and standards for planning and execution of marine operations in the aquaculture industry, the objective of this thesis is to show a methodology for how operational limits can be established for a typical operation in the industry. When determining operational limits, the uncertainty of the weather forecast should be accounted for by using alpha factors. As alpha factors are not established for the aquaculture industry, this uncertainty is not accounted for in this thesis. In cooperation with the supervisors, the operation was decided to be a wellboat operation, where the vessel is moored to a single cage system with the use of four mooring lines. To determine the operational limits, the axial force in the vessel’s mooring lines was chosen to be the design parameter of interest. The maximum allowed axial force was set to be the breaking strength of the mooring line with a safety factor of three.

A coupled SIMO-RIFLEX model was established to simulate the operation. The sensitivities of the operational limits to changes in weather exposure was examined by varying the following parameters; weather directions, wave amplitude and period, with and without applied current and wind. Three directions were examined, 180, 225 and 270 degrees relative to the wellboat’s coordinate system. Since the industry has no specified procedures for how much pre-tension the mooring lines should have, other than tightening the lines sufficiently, the sensitivities of the operational limits to the degree of pre-tension was examined.

The operational limits are sensitive to short wave periods due to the influence of large wave drift forces. The wave drift force is a function of the wave amplitude squared, which means that an increase in the amplitude will result in a significant increase in the contribution from the wave drift forces. To maintain sufficient safety when the amplitude is large, the wave period must be long, as the wave drift forces approach zero for long periods. The results from the simulations also showed that the system is sensitive to changes in the incoming load direction from waves, wind and current. For the three directions analysed in this thesis, bow sea (270 degrees) is the most exposed, while head sea (180 degrees) is the least exposed. This is because the wave drift forces are greater for 270 degrees, in addition to the wind and current coefficients which gives a significantly greater contribution in this direction compared to 180 degrees. When wind and current act on the system in addition to waves, the total mean forces acting on the system will increase, thus the operational limit will be reduced. Assessment of the system’s natural periods is necessary, as corresponding wave periods may cause a significant increase in the axial forces in the vessel’s mooring lines. Results from the sensitivity analysis of pre-tension suggest that the system is not particularly sensitive to the amount of pre-tension applied.