Afmeren en olie-laden op volle zee - Modelonderzoek en toepassing van éénpunts-meersystemen

RJBL. NO,

ARCHE,-

_Lab.

_{v ScheepsbouwkunJe}

Technische Hogeschcof

Derft

J. J. Blok

J. N. Dekker

Nederlarids Sa/ieepsbouwkundig Proefsta tiGri

Wageningen

AFMEREN

EN OLIE LADEN

OP VOLLE ZEE

Modelonderzoek en

toepassing van

eénpunts-meersvstemen

ek48e

Bibliotheek vn

Sepvaart!:ne

o,

D&t

DOCu.i'fflE

: Kib

-!2

DATUMi

(D

C

e*

O

AFMEREN

EN OLIE LADEN

OP VOLLE ZEE

Bij de olie- en gaswinning op

het Continentale Plat is het

noodzakelijk geworden tankers

op volle zee te laden. Deze

tankers worden dan veelal

afgemeerd aan één punt, een

boei of een paal, zodat zij onder

de invloed van golven, wind en

stroom de positie met de minste

weerstand kunnen kiezen. In dit

artikel zal aandacht besteed

worden aan het modelonderzoek

en de toepassing in de praktijk

van éénpunts-meersystemen.

J. J. Blok

J. N. Dekker

Neder/ands Scheepsbouwkundig Proefstation

Wageningen

Bi) de fotos: Bij het tot stand brengen van de verbinding tussen de tanker eri de boei assisteren sleepboten orn de drijvende olieslangen en de rneertrossen over te brengen (foto links). Op de foto Iinksboven een opstelling rnet twee

tankers op modelschaal. De rneet.

apparatuur erboven dient voor het meten

van de bewegingen van de schepen in golven. Hierboven een grote boei die op

het olieveld Auk ugt rnidden op de

Noordzee. Olietankers van ca. 40 000 ton laadverrnogen worden hieraan

afgerneerd. De ladingsoperatie kan

voortgang vinden tot in golfhoogten van

Het laden en lossen van schepen vindi

meestal plaats in havens. De twee

hoofd-redenen hiervoor zijn enerzijds de goede

doorvoer-rnogelijkheden naar het achterland door middel van andere transportrniddelen

over land of over de binnenwateren en ander-zijds het in een haven grotendeels afwezig zijn

van storende invloeden als golven, wind en stroom hetgeen de ladingoverslag zeer ten

goede komt.

Een belangrijke voorwaarde voor een suc-cesvolle ontwikkeling van een transportketen is dat de ontwikkelingen van de havenfaciliteiten en van de gebruikte schepen en scheepstypen gelijke tred met elkaar houden.

In sommige gevallen gaat men er evenwel toe

over een schip buitengaats te laden en te los-sen. Hier kunnen tal van redenen voor zijn. 0m te beginnen kan de havenontwikkeling achtergebleven zijn bij die van de schepen. Ook kunnen zich gevallen voordoen waarbij het achterblijven van de havenontwikkeling

pas duidelijk naar voren komt wanneer er een plotselinge wijziging in de vervoerstroom

op-treedt. Zo is er aan de oostkust van de

Ver-enigde Staten geen geschikte diepwaterhaven

aanwezig orn de grootste olietankers te

ont-vangen die pas sinds het begin van de

zeven-tiger jaren hun intrede hebben gedaan. Ook

zijn veel havens in Europa te klein geworden

orn de mammoettankers te ontvangen die

vooral na de sluiting van het Suez-kanaal in

1967 fors in grootte gegroeid zijn.

Een geheel andere reden kan zijn dat het

proces van ladingoverslag onverbrekelijk aan een locatie buitengaats verbonden is. Dit is met

name het geval bij de olie- en gaswinning op de

Noordzee waar de olie, en in de nabije

toe-komst ook het gas, in tankers naar de wal

PORITANKER

Flex ibele vc rbi ndi ngstros

Tandem opstelling

wordt getransporteerd in die gevallen waarin het leggen van een pijpleiding naar de wal te

kostbaar zou zijn, te veel tijd zou gaan kosten, of in het geval dat de pijpleiding eenvoudigweg nog niet gereed is.

In verreweg de meeste gevallen waarbij een schip buitengaats moet worden geladen of

ge-lost, wordt het schip aan een éénpunts-meer-systeem afgerneerd zodat het onder invloed

van golven, wind en stroom rond kan zwaaien

en dus automatisch een positie kiest die de

minste weerstand biedt aan de elementen. Deze

mogelijkheid van rondzwaaien is een eerste vereiste orn de belasting van de afmeercon-structie - palen, kabels, kettingen of

anders-Zins - zo klein mogelijk te houden.

Voor dit probleern bestaan vele

construc-tieve oplossingen die elk hun specifieke

voor-en nadelvoor-en hebbvoor-en. Parallel met de eisvoor-en van

het afmeren lopen de eisen van de eigenlijke la-dingoversiag met zijn geheel eigen problema-tiek. Zo zijn. sommige reeds uitgevoerde één-punts-meersysternen voor ruwe olie uitgerust met opslagcapaciteit, zodat zij tevens als buf-fer kunnen fungeren wanneer er geen schip af-gemeerd is om die lading over te nemen.

Momenteel zijn er reeds meer dan 170 één-punts-meersystemen in gebruik, hoofdzakelij k voor de overslag van ruwe olie. Deze

ontwik-keling is vooral sterk gestirnuleerd door de

acute noodzaak de olie uit de velden in de

Noordzee aan land te brengen. Daarbij komt dan het grote voordeel dat olie gemakkelijk over te pompen is, zodat een verbinding ge-vormd door een slang voldoende is. Het

on-gunstige weersklimaat op de Noordzee, waar jaarlijks golven van 15 meter hoogte voorko-men, was hierbij een grote hindernis die even-we! met succes genornen is.

OPSLAGTANK

Oliealang ./%'

///

r Permanente stJve verbinding

(aan beide emden draaibaar)

\\

__1

Boyen: Deze Iuchtfoto, genomen op een olieveld voor de kust van Tunesiè, geeft een duidelijk beeld van een tanker die door middel van een arm scharnierend aan een boei verbonden is. Deze tanker ugt san deze boei permanent afgemeerd en dient uitsluitend voor de op-slag van olie. In 24 uur tijd wordt de tanker links op de foto gevuld met 30000 ton 00e voor het transport naar de vaste wal.

De opbouw van een énpunts-meersysteem

De opbouw en de onderdelen van een

éên-punts-meersysteem zoals dat bij de oliewinning in de Noordzee, de Middellandse Zee en in de Arabische Golf wordt toegepast wordt verdui-delijkt in Fig. 1.

Er worden bu een éénpunts-meersysteem

twee systemen voor olie-opsiag en -transport

Flexibele meertros Dri j vende olieslang u EX PO RTTA N KE R /g Olieslang

Natuar err Techniek, 48, 2 (1980) - Cat, nr. 580

Boyen: Het olieveld bu Castellon voor de oost-kust van Spanje is van zo beperkte omvang dat de oliewin-ning geschiedt vana) een aangepaste tanker. Deze is daar permanent afgemeerd aan één naar de zeebo. dem lopende zeer zware ketting die strak gehouden wordt door een grote drijver welke zich onder water onder de scharnierende vakwerk-arm bevindt. De wa-terdiepte ter plaatse is 117 meter.

toegepast. De ruwe olie wordt in een kleine tanker (30 000 à 100 000 ton laadvermogen)

naar de vaste wal getransporteerd. Aangezien

de oliestroom uit hei veld gewoon aanhoudt wanneer de exporttanker, die voor het

trans-port van de olie zorgdraagt, niet aanwezig is, heeft men een buffercapaciteit in de vorm van

een opsiagtanker gecreerd die permanent ugt

afgemeerd aan het éénpunts-meersysteem (hier

Fig. 1. Uiterst links een zogenaamde 'tandem opstel-ling'. Duidelijk is te zien hoe de olie door slangen van

de zeebodem via de boei en de arm in de opslagtanker

terecht komt en vandsar weer in de exporttanker.

Hiernaast een schets met de belangrijkste componen-ten voor he) geval dat de opslag elders op het otieveld is ondergebracht.

een boei met ankerkettingen, Fig. 1. links).

Deze opsiagtanker kan dan bovendien

ge-bruikt worden orn de olie te behandelen en orn het olieveld onder druk te houden door middel

van water- of gas-injectie. Zowel de opsiag-tanker als de boei moeten zehs de zwaarst denkbare storm kunnen doorstaan. Het

sys-teem noemt men een 'tandem opstelling',

waarbij de exporttanker achter de

opsiag-tanker higt afgemeerd. In andere gevallen kiest men voor afmeren langszij (zie foto pag. 141).

Bu het tweede systeem is er geen drijvende

opsiag nodig. Deze opslag is bijv. elders op het olieveld gerealiseerd of er is een permanente,

vast op de zeebodem staande opslagtank. De exporttanker kan direct aan de boei afmeren

(Fig. 1 rechts).

De diverse onderdelen en de twee functies

van een éénpunts-meersysteem zijn eveneens

duidelijk te onderscheiden op onderstaande

twee foto's: de afmeer-functie is hier

gereali-seerd door middel van een nylon tros en de

overslag-functie is gerealiseerd door middel

van drijvende slangen.

Rechts: Bij dit model zijn duidelijk de twee

functies van een één-punts.meersysteem te onderscheiden: de at-meerdraad die voor op

de boeg bevestigd is en de drijvende

olie-slangen die naar het

midden van de tanker toe open. Het transpa.

raffe bolletje op de

boeg herbergt een stel-sel van potentiometers voor het meten van be-wegingen van het

del. Vergelijk daze

mo-delopstelling met de

werkelijkheid op de

foto rechts hiernaast.

Onder: In bet NSP te Wageningen wordt alles op

modelschaal nagebootst. Op deze onder water

geno-men foto zien we de dubbele slangen met zwarte drijvertes eromheen die de slang in de juiste bocht

hOuden, 00k als de boei heftig beweegt. Op de plaats waar de ankerkettingen aan de boei bevestigd zijn zit-ten ringetjes met rekstrookjes voor hei mezit-ten van de krachten op de kettingea.

Formulering van hei probleem

Het basisprobleern van een

éénpunts-meer-systeern bestaat eruit een bewegend object - het

schip - te verbinden met jets dat niet beweegt, de zeebodem. De verbinding zal sterk en toch flexibel moeten zijn; sterk orn de grote krach-ten, opgewekt door golven, wind en stroom op te kunnen vangen, flexibel orn niet te

bezwij-ken onder invloed van kort durende

piek-belastingen. Parallel hiermee lopen de proble-men die verband houden met de olie-overslag.

Deze algemene eisen worden meestal ver-taald in concrete eisen in termen van omge-vingscondities. Zo komt men gewoonlijk tot

de volgende drie kwantitatieve eisen:

- Het systeem moet sterk genoeg zijn orn de

zwaarst denkbare storm te kunnen overleven. Wat men als 'het systeern' beschouwt hangt af van de configuratie. De exporttanker behoort daar in jeder geval niet toe, omdat deze de boei verlaat indien de golven te hoog worden. Een opsiagtanker met een stijve arm verbonderi aan

de boei behoort wel tot het systeern en zal de

storm ook geheel moeten 'uitrijden'. Voor de

storm kiest men gewoonlijk dc storm die een kans van voorkomen heeft van eens in de 100 jaar voor het betreffende gebied (zie het

Inter-mezzo op de volgende pagina's).

- De olie-overslagoperatie rnoet ononderbro-ken plaats kunnen vinden in golven, wind en

stroom die een bepaald maximum niet

over-schrijden. Voor de noordelijke Noordzee ligt

dit op omstreeks een significante golfhoogte

van 6 m en windsnelheden van 40 knopen.

- Het systeem moet bestand zijn tegen

ver-moeiing onder invloed van een laag

belastings-niveau dat echter wel lange tijd aanhoudt en als zodanig bezwijken van de constructie tot

gevolg kan hebben.

Hieraan moeten dan nog een serie algemene en specifieke eisen worden toegevoegd die

hg-gen op het gebied van bewoonbaarheid (de Spar-boei op het Brent-veld biedt onderdak aan 12 man), onderhoud, inspectie,

bouw-kosten, en niet te vergeten de installatie van het

geheel ter plaatse.

Links: Deze olie-opslag

termina) in de Java Zee

kan 1 000 000 barrels

011e bevatten )1 barrel

= 158 liter). Door het

ene stelse) slangen

wordt de opsiagtanker gevuld, door het

ande-re stel slangen kan de olla via de zeebodem

near een ander )verder-op gelegen) eenpunts-meersysteem gepompt worden voor de export. Onder invloed van

gol-ven, wind en stroom

kan de tankerviii

rond-zwaaien. Dit

boei-schip-systeem is eerst

voor installatie in wer-kelijkheid uitvoerig op schaal beproefd in een opstelling, zoals de fo-to geheel links.

Overziehl van de diverse technische

m ogelij k h ed en

In de grote overzichtsschets (pag. 146-147) is

getracht alle tot nu toe bedachte en in de

prak-tijk gerealiseerde Systemen te groeperen. De

in-deling is gemaakt naar de wijze waarop de

no-minale positie van de boei in het horizontale

vlak gehandhaafd worth en het al of niet aan-wezig zijn van opslagcapaciteit in de boei of in de daaraan afgemeerde tanker.

Omdat deze materie nog sterk in beweging

is, is het niet onwaarschijnlijk dat er in de

nabije toekomst nog andere systemen bedacht zullen worden, al laat het zich aanzien dat dit meer zal liggen op het vlak van efficienter ge-bruik van hetzelfde concept of combinatie van

enige typen.

Voor de afmeerfunctie moet het systeem in zijn totaliteit flexibel zijn en toch sterk genoeg zijn orn de verbinding in stand te houden

tus-sen het schip en de verankering op de bodem. De boei met zijn verankering moet dus werken als een grote veer in het horizontale viak: hoe groter de verplaatsing vanaf het nominale punt onder invloed van uitwendige golf-, wind- en stroomkrachten, des te groter de terugwerken-de kracht moet zijn om het systeem weer terug

naar de uitgangspositie te brengen.

Deze terugwerkende veerkracht kan op vele

wijzen gerealiseerd worden. Het is niet meer

dan handig en relatief goedkoop orn hiervoor gebruik te maken van de alom aanwezige

ele-mentaire natuurkrachten: de zwaartekracht;

het drijfverrnogen (hoewel de Wet van Archi-medes altijd opgaat kan de boei lek raken, een

risico dat verkleind kan worden door de boei

op te bouwen uit compartimenten) de

ma-INTERMEZZO

Storm Significante Gemiddelde

golfhoogte* golfperiode 1 jaarsstorm 8,5m 5jaarsstorm 10,0 m 10 jaarsstorm 10,7m 25jaarsstorm 11,9 m 50jaarsstorm 12,5m 100 jaarsstorm 13,1 m 12,7 sec 13,2 sec 13,4 sec 13,7sec 14,1 sec 14,3sec

teriële rek, in het bijzonder de meertrossen tus-sen het schip en de boei. Voor deze

toepassin-gen is geen regelsysteem nodig, daarom zijn

het passieve systemen. Daarnaast kan men de

terugwerkende kracht ook nog met actieve

middelen realiseren bijvoorbeeld hydraulisch.

Vanwege de hogere kans op storingen in een

dergelijk systeem worden deze nog niet

wege-past. In de tabel staan daarom uitsluitend de

passieve systemen.

Zwaartekrach 1-systemen

De terugwerkende kracht wordt ontleend aan een zekere massa die tegen het

zwaarte-krachtveld in opgetild moet worden. Meestal

neemt men hiervoor zware ankerkettingen,

soms verzwaard met gewichten. Deze kettingen

worden omhoog gehouden door een

drijf-lichaam, de boei. Hierin zijn een zestai

sys-temen te onderscheiden:

- De platte boei (zie de foto rechts hiernaast);

dit is het oudste bekende type geschikt voor niet te diep water (tot circa 100 m) en golf-hoogte tot 5 m (la).

- De Spar-boei; een Spar is een grote diep.

liggende dobber die het voordeel heeft dat de bewegingen van de boei in de golven aanmer-kelijk kleiner zijn dan bu het voorgaande type.

De ELSBM (Exposed Location Single Buoy

Mooring) op het Auk-veld in de Noordzee

be-hoort tot dit type (Ib); (zie foto op pag. 149). - De platte boei met olie-opsiag; dit concept

is nog niet toegepast, alhoewel het in een mild golfklimaat wei toepasbaar zou zijn (Ic).

- De Spar-boei met olie-opsiag; deze boei

combineert het voordeel van kleinere bewegin-gen van type Ib met de mogelijkheid van olie-opslag. Een realisering van dit type is de

Spar-Golfgegevens centrale Noordzee

* De significante golfhoogte is het gemiddelde van

de hoogste golven die eenderde deel van alle golven

uitmaken; dus bijvoorbeeld: men heeft 300 golven gemeten, neemt de hoogste 100 en neemt daar het gemiddelde van. Deze significante golfhoogte komt redelijk overeen met wat men op zee visueel zou

schatten.

** Een lOO jaarsstorm is een statistisch begrip. Het is een storm die statistisch gezien ééns in de 100 jaar

boei op het Brent-veld in de Noordzee. Deze

kan 300 000 barrels olie (40 500 ton) bevatten en deze overladen in tankers tot een goifhoogte

van circa 6 m en windsnelheden tot 40

kno-pen (Id); (zie foto op pag. 148).

- De piatte boci met olie-opsiag niet in de

boeí maar in een tanker. Omdat de verbinding

Boyen: Op de boeg van de tanker zijn de boeien te

zien, die ervoor zorgen dat de twee meertrossen niet zinken door de zware ketting welke aan het eind van de trossen bevestigd is. Deze ketting voorkomt dat de

voorkom). Dit betekent niet dat de tussenliggende intervallen steeds 100 jaar zijn, dit zal zeker

va-rieren. Men kan slechts vaststellen of een storm ook inderdaad een 100 jaarsstorm is geweest na metingen die zich uitstrekken over een veelvoud van 100 jaar.

Na bijvoorbeeld 100 000 jaar meten kan men beter vaststeilen wat de 100 jaarsstorm is; dat is namelijk

de storm die 1000 maal is voorgekomen. Omdat het

oceanografisch onderzoek zich nog niet in detail

tussen de tanker en de boei permanent dient te wezen, wordt de meertros vervangen door een

stijve arm welke aan de uiteinden kan

schar-nieren (zie foto op pag. 138 rechts). Men ge-bruikt meestal een bestaande tanker die relatief goedkoop is gezien het huidige

tonnage-overschot. Deze tankers hebben bovendien het

kunststof troasen zouden slijten in de kluisgaten van de tanker. Op de boei links op de foto kan men het on-derste drijflichaam en de draaitafel waaraan de tros-sen zìjn bevestigd onderscheiden.

over zulk een lange periode uitstrekt, neemt men ihn

toevlucht tot 'extrapolatie' van wei beschikbare

ge-gevens orn een voorspelling te maken over de eigen-schappen van zo'n 100 jaarsstorm. De hoogte van de goiven in zo'n 100 jaarsstorm verschilt uiteraard van

plaats tot plaats. Zo is de significante golfhoogte in

de 100 jaarsstorm op de noordelijke Noordzee gelijk

aan 17,0 m.

ZWAARTEKRACHT SYSTEMEN

la CALM (Calenary Anchor Leg System)

Opslag in de boei IC Id Opsiag in de tanker E port t arr Se r Exportlanker ,

e SBS-systeem Single Buoy Storage)

Export tarrker

Opslagtanker Exporttanker

Ex port tan ker

Circa tOO boeren reeds operationeel, aa,: Argylt (Naordzee) Ekofisk (Noordzee) Montrose /Noordzee) Arabrsche Golf ELSBM /Aukhoordzee) Ontwerp studies Ontwerp studie e mass SPAR IB:eet Operatroneel ap: Ashtart (Tunesiê/ Ardjuna (LPG, lrrdorresiê) Poleng (lndorresie)

Amerada Hess (Ver. Arab, Emiraten( Neq met toegepast

Boyen: In deze overzichtsschets zijn alle éénpunts-meersystemen gerangschikt. De indeling is gemaakt naar de wijze waarop het systeern op zijn plaats blijft (zwaartekracht of deplacement) en de al of niet aan-wezige opslagcapaciteit. De afkorting ALT staat voor Articulated Loading Tower en SALS staat voor Single Anchor Leg System.

voordeel dat allerlei hulpapparatuur en

accom-modatie aanwezig is. Van dit type zijn

meerde-re toepassingen gerealiseerd voor gebieden

waar de maximaal te verwachten golfhoogte en windsnelheden nog enigszins beperkt zijn. Tot

aan golven met een hoogte van circa 3 m en een

windsnelheid van 18 knopen kan de olie van de

DEPLACEMENT - SYSTEMEN

Laad/Ios boei

Opsiag in de boel

Opstag in de tanker

opsiagtanker in de exporttanker worden over-gepompt (le).

- De Spar-boei met olie-opsiag in de tanker;

verscheidene ontwerpstudies duiden erop dat dit type mogelijk zou zijn. Ondanks de resulta-ten van deze studies is dit type nog niet toege-past (If). Natuur en Tec/tniek, 48, 2 (1980) Toepassingen Niet uitvoerbaar Niet uutvoerbaar Drijfvermo gen-systemen

Bij dit type is de boei met één strakke ketting

aan de zeebodem verankerd. Bij een

zijde-lingse verplaatsing wordt de boei gedeeltelijk

onder water getrokken waardoor het drijf-vermogen toeneemt. Hierdoor wordt de boei

naar de rechte stand teruggedrongen. 147

Niet succesvoi gebieken

SALM ALT Brega iLybie) Ju' Aymah lArab.Goif)

t

lia SALMsysteenr Single Anchor Leg Moonngi

Ex port tan ke r

lib

I

Exporttanker

Niet toegepast. maar wet uitvoerbaar

SALM SALS'

Ontwerp Hondo Fu mar studies (USA) (Noordzee(

Ga oupa (Bazitihi Tarraco (Spaxje) Puiai Maieisi8)

rrr

JL

Ex port tan ker

C. Opsiagtanker

Exporttankor Opsiagtanker

--_

---

--- -

- - -

- .--

---

-

---.--

__--z--

--

_-z -=

--De SPAR-boei op het Brentveld; bet bovenste stuk van

de boei herbergt de bemanningsaccommodatie, dui-kersuitrusting, een kraan voor bet overbrengen van de

Bij dit systeem bestaat in principe weer het-zelfde scala van mogeiijkheden:

De piatte boei; deze is alleen geschikt voor erg rustig, beschermd water omdat bij goifslag de boei een neiging tot kantelen vertoont (lia).

- De Spar-boei; dit is een succesvol systeem dat in het algemeen SALM genoemd wordt

(Single Anchor Leg Mooring), in ondiep water

(circa 30 m) wordt de boei door middei van een

ketting met de zeebodem verbonden. Voor die-per water bestaan er varianten waarbij de ket-ting vervangen is door een sianke pijp waarbij

haiverwege en op de bodem voor de flexibihteit

een scharnier is aangebracht. Een eveneens

toegepaste variant gaat nog een stap verder: de

geheie constructie bestaat uit een sianke paai

welke scharniert op de zeebodem (lib).

- Een piatte en Spar-boei met olie-opsiag in

de boei; deze typen zijn niet uitvoerbaar omdat

de grootte van de massa en de

diepgangs-veranderingen die gepaard gaan met het oiie-laadproces onverenigbaar zijn met het toepas-sen van één strakke ketting (lic en d).

- De piatte boei met olie-opsiag in de tanker;

aihoewel dit type wel uitvoerbaar wordt

geacht, met name voor dieper water zijn de toepassingsmogelijkhcden van het voigende

type beter (11e).

slangen en bet helicopterdek. De olie-opsiag is in het gedeelte onder water. De boei is met een aantal ket-tingen aan de zeebodem verankerd.

-

de verbinding is door middei van een stijve

scharnierende arm gerealiseerd. Ook hier zijn weer de varianten waarbij de ketting vervangen

is door ccii slanke pijp. Een zeer bijzondere

variant is die waarbij de drijver in de stijve arm

is ondergebracht zodat de verbinding met de

zeebodem weer uitsluitend uit een ketting kan bestaan. Deze typen beginnen wijde toepassin-gen te vinden voor dieper water (circa 150 rn)

en buitengewoon siechte

weersomstandighe-den (goiven tot 30 m hoogte) (11f); (zie foto's op pag. 150-15i onderaan).

Keuze van hei afmeersysteem

Zoals getoond in de grote overzichtsschets bestaat er een grote variëteit aan mogehjkhe-den waaruit een keuze gemaakt kan wormogehjkhe-den. Het is echter niet juist orn de keuze van het

éénpunts-meersysteem los te zien van het

ont-werp van het gehele oiieveid en de geplande

realisering daarvan.

indien de te verwachten opbrengst van het

veid het toeiaat zai men het hefst kiezen voor een onderzeese pijpieiding om de oiie naar de wai te brengen. 0m de produktie te bespoedi-gen en zo snei mogeiijk jets van de gigantische

De ELSBM-boei op het Aukveld; onder het helicopter- draaien Iangzaam achteruit orn vrij te blijven van de

dek bovenop de boei is de haspel te zien waar de 011e- boei. Deze boei ¡s uitgebreid ¡n rnodelvorm bij het NSF

slang opgewonden wordt. De machines van de tanker te Wageningen beproofd.

investeringen terug te verdienen (in het

Brent-veid werd totaal circa 12 miljard gulden

ge-investeerd) kan een éênpunts-meersysteem toe-gepast worden orn met tankers de olie aan wal te krijgen voordat de pijpleiding gelegd is.

Dit kan nog cens versneld worden door met

het produceren niet te wachten tot de vaste

produktie-platforms gemnstalleerd zij n, doch met een drijvende opsiag en produktiefaciliteit

(meestal een bestaande tanker) bet veld

ver-sneld in produktie te nemen. Deze overwegin-gen zijn voor bet grootste dccl van financidle aard en veci hangt af van de te verwachten

opbrengst

-De belangrijkste technische factoren die de

keuze beïnvloeden, zijn de waterdiepte, de

grootte van bet schip dat afgemeerd moet

wor-den, bet al of niet noodzakelijk zijn van

opslagcapaciteit en de totaliteit aan golven, wind en stroomornstandigheden die tesamen

het weersklirnaat vormen. Daarnaast zijn er tal van aspecten die bij de overwegingen betrok-ken rnoeten worden zoals: getijdenbeweging,

het zicht ter plaatse (veelvuldig voork omen van

mist kan de operatic zeer bemoeilijken),

gesteldheid van de bodem voor de verankering, de heersende temperaturen en de mogelijkheid van ijsafzettingen.

Waarom modelonderzoek

Bij het ontwerpen van een

éénpunts-meer-systeem en het dimensioneren van de diverse

constructie-onderdelen staan ons twee

hulp-middelen ten dienste, te weten: rekenkuridige modellen en fysische (schaal)modellen. In het rekenkundig model stck men ceri stelsel van 12 bewegingsvergelijkingen op voor alle 12 vrij-heidsgraden (= bewegingen): 3 translaties van het zwaartepunt en 3 rotaties orn het

zwaarte-punt van zowel boei als schip. Deze

bewegings-vergelijkingen worden afgeleid van de Tweede Wet van Newton: K = ma. Bovendien zijn er nog de koppelingsvergelijkingen doordat con-structiedelen scharnierend met elkaar verbon-den zíjn.

Ingevolge de structuur van de Wet van New-ton kan men de beweging van bet object vin-den uit dubbele integratie van de versnelling, met andere woorden beweging is tot zijn corn-ponenten te herleiden indien we K en m ken-nen. Het grote probleem hierbij is de juiste be-paling van de uitwendige kracht K. Deze is op-gebouwd uit krachten die de golven, wind en stroom op de constructie itoefenen, alsrnede en dat maakt de zaak juist zo gecompliceerd -krachten die het gevolg zijn van de beweging

zelf. Deze laatste uiten zich als een krachten-spel dat als het ware de eigen massa vergroot (dit heet 'toegevoegde massa') en dat de bewe-gingen tracht te remmen (dit heet 'demping').

Op zich zijn al deze krachten te berekenen,

maar dan moet men wel een goed rekenkundig

model hebben van het gedrag van het water

(golf) en de wind, en bepaalde dingen aanne-men omtrent de wijze waarop deze eleaanne-menten krachten op de boei en het schip overbrengen. Deze rekenmodellen bestaan in principe, maar

de aannamen omtrent de krachtenoverdracht

moeten wet geverifieerd worden. Dat kan met

metingen op ware grootte en op schaal. De

ware grootte metingen zijn een buitengewoon

belangrijk middel orn theorieën achteraf te

controleren. Bi] de schaalmodelmetingen heeft men evenwel de rnogelijkheid orn vooraf het rekenkundig model te verfijnen; eigenlijk een soort ij ken. Daarnaast kan men natuurlijk ook onderzoek met schaalmodellen doen, niet orn een rekenkundig model te ijken, maar gewoon orn de gemeten resultaten direct te gebruiken voor bet ontwerp.

Het onderzoek aan éénpunts-meersystemen

is de laatste weg ingeslagen vooral onder de

druk deze constructies snel te verwezenlijken.

Bovendien waren er een aantal

eigenaardig-heden in bet gedrag van een aan een boei afge-meerd schip die onderzoek met schaalmodellen nodig maakten.

Het eerste verschijnsel betreft het feit dat het totale boei-schip-systeem werkt als een groot massa-veersysteem in het horizontale vlak, dat in een tijdspanne van 5 tot 10 minuten heen en terug gaat. Indien er nu een uitwendige kracht op bet systeem werkt welke min of meer sinus-vormig varieert met dezelfde periode dan zal

resonantie ontstaan, waarbij zeer grote ver-plaatsingen zullen optreden die op hun beurt weer tot grotere krachten in de constructie kunnen leiden. In eerste instantie dacht men

dat deze krachtscornponent met zulk een lange

periode (5-10 mm) niet aanwezig was, zelfs

niet in een zware zeetoestand. Echter bet

resonantie-verschij nsel deed zich zichtbaar

voor, zowel op zee als tijdens de

modelproe-ven. Bi] nadere beschouwing blijkt deze

krachtscomponent bet gevolg te zijn van

'zwe-vingen' in de golfkrachten, die ontstaan uit

verschil-frequenties en uiterlij k verband hou-den met het in groepen voorkornen van de wat

hogere golven (Fig. 2).

Gemiddelde

j

Boyen: Fig. 2. Door zwevingen' in de

golffrequentie-componenten gaat het schip een trage beweging in

het horizontale vlak maken. De periode van deze be-weging ligt in de orde van 300 tot 600 seconden, de amplitude is meestal 20 tot 50 meter groot.

Boyen: Twee modeltankers in tandem opstelling. Links is nog juist het topje te zien van het

dobber-vormige drijflichaam dat met zijn voetpunt scharnie-rend aan de zeebodem verbonden is. De waterdiepte komt overeen met 80 meter in werkelijkheid.

Heronder, van links naar rechts: Deze permanent overeen met 35 meter) en de krachten in de

scharnier-afgemeerde tanker zal een 100-jaarsstorm moeten punten kunnen oplopen tot enige duizenden tonnen. overleven. De bewegingen zijn groot (de modelschaal De drie fotos laten goed hot verloop van één golf

is 1:80: de totale boeghoogte komt in werkeiijkheid langa het systeem boei-schip zien.

i;

i

Het tweede verschijnsel betreft de richtings-instabiliteit van een tanker die aan een boei is

afgerneerd. Zeifs indien de golven, wind en

stroorn alle netjes uit één richting komen, zal de tanker toch een eigenaardige trage heen en weer gaande beweging gaan maken welke

be-kend staat als 'fish-tailing' (Fig. 3). Hierdoor

kan de verbindingsdraad breken.

Daarnaast is er nog de complicatie dat de

veerkarakteristiek van het totaal niet-lineair is,

dat wil zeggen dat bu een tweemaal zo grote

af-wijking de veerkracht meer dan tweemaal zo

groot is. Dit heeft tot gevolg dat de

eigen-periode niet eenduidig gedefinieerd is, doch af-hangt van de amplitude (Fig. 4).

Deze drie verschijnselen zijn van overheer-sende invloed op het bewegingsgedrag van het schip-boei-systeem en zolang men nog bezig is

de juiste toedracht Hoot te leggen, zal het

rekenmodel nog niet de plaats kunnen

inne-men van het onderzoek met schaalmodellen. Precisering van de modelaanpak

Wanneer op een bepaald moment in het ver-loop van een project het moment is

aangebro-ken orn modelproeven te gaan doen, dienen

een aantal zaken bekend te zijn. Men dient op de hoogte te zijn van de weersomstandigheden die op de locatie heersen, de gemiddelde zee-toestand en men moet weten wat als extreem

en wat als overlevingsconditie van de con-structie dient te worden beschouwd. Verder

moet het voorlopig ontwerp van de constructie

rond zijn. Voor het uitvoeren van modelproe-ven moeten dus zowel de omgevingscondities (golven, wind en strorning) als de constructie op schaal worden nagebootst.

De manier waarop het op schaal nabootsen uitgevoerd dient te worden is gebonden aan

paalde wetmatïgheden, die aangeven hoe

be-paalde karakteristieke grootheden omlaag moeten worden geschaald. maar ook hoe de in het fysisch model verkregen grootheden weer

opgeschaald kunnen worden naar het

proto-type.

Een eerste eis is dat de modellen geometrisch

gelijkvorrnig zijn aan het prototype; dus de

verhouding binnen overeenkomstige afmetin-gen in prototype en model moet hetzelfde zijn. Dit is de modelschaal (a). De andere

kenmer-kende fysische grootheden worden meestal omlaag geschaald met behulp van de

model-regels van Froude. Deze modeimodel-regels zijn

geba-seerd op de veronderstelling dat de

zwaarte-kracht en de traagheidszwaarte-krachten een

overheer-sende rol spelen in het krachtenspel in en op

een constructie die zich in de golven bevindt.

Bij de simulatie van bijv. golven op

model-schaal dient er een gelijkvormigheid te bestaan

tussen de snelheid en de versnellingen in model

en prototype. Omdat de zwaartekrachtsver-snelling tijdens de proef dezelfde is als in de werkelijkheid en omdat de belangrijkste

ka-rakteristieken van de golven bepaald worden door de zwaartekrachtsversnelling moeten ook

alle andere in model en prototype

overeen-komende versnellingen gelijk zijn.

De tijdschaa! is dus de worte! uit de geometri-sche schaal. Op eenzelfde wijze kunnen de

an-dere schaa!wetten worden afgeleid.

In

ne-venstaande tabel zijn de schaa!wetten die gel-den voor een object in goiven aangegeven.

Men kan zich indenken dat het in de

prak-tijk erg rnoeilijk za! zijn, gelijktijdig aan a!!e genoemde schaa!verhoudingen te vo!doen. Meestal za! van een mode! de elasticiteit niet op

schaa! zijn. Dit kan omdat de

'gedaante'-ver-anderingen van een model in het algemeen

zo-danig k!ein zijn, dat ze niet van be!ang zijn

voor de hydrodynamische be!astingen. Een uit-zondering hierop vormen flexibeie leidingen en

ankerkettingen. De deformatie van deze

on-derdelen ander invioed van de uitwendige

be-!astingen is zodanig, dat de uitwendige

be-lasting op deze onderde!en ook weer beïnv!oed wordt. Daarom za! men er naar moeten streven

van deze onderdelen de karakteristieken za

goed moge!ijk na te bootsen.

Links: Fig. 3. Zelts indien de golven, wind en stroom alle netjes uit een richting komen, zal de tanker toch een eigenaardige trage heen en weer gaande bewe-ging gaan maken welke bekend staat als fish-tailing'. Dit gecombineerd met de snellere beweging onder in-vloed van de golven veroorzaakt krachten in de meer-draad van 200 tot 400 ton.

Rechts: Fig. 4. Een niet-lineaire veerkarakteristiek

heeft tot gevolg dat als oen reeds grote verplaatsing van de tanker nogmaals jets toeneemt de krachten in de constructie scherp omhoog schieten.

0m een indruk te krijgen van wat er zoal

gesimu!eerd moet worden in het mode! van een

CALM (Catenary Anchor Leg Mooring) geven we onderstaand een overzjcht:

Boei: afmetingen, gewicht, zwaartepunt, posi-tie van het bevestigingspunt van de afmeer!ijn.

Ankerkettingen: aantal, lengte, gewicht per

Iengte-eenheid, e!asticiteits!imiet en elastische rek, bevestigingspunt aan de boei en de

voor-spanning.

Meer!ij nen: lengte, gewicht per !engte-eenheid, e!asticiteit.

Tankers afgemeerd aan de boei: vorm,

algeme-ne afmetingen, dwarsstabiliteit tegen

kap-seizen, s!ingerperiode, !angsscheepse

gewichts-verdeling, positie van de meerlijn,

bevesti-gingspunten.

TABEL De schaalwetten, gebruikt bij omrekening

van gegevens vari model naar werkelijkheid

en omgekeerd, Geometrische schaal a Tijdsschaal Snelheidsschaal _v' Krachtenschaal a3 Gewichtenschaal a3 Buigende momentenschaal a4 Buigstijfheidsschaal Reksti)fheidsschaa! a3 Terugwerkende veerkracht Niet - lineaire veerkarakterist iek

Verplaatsirrg in het horizontale vlak

Na(uur en Techniek, 48, 2 (1980) ₁₅₃

Omdat de dimensie van een versnel!ing een lengte i per kwadratische tijdseenheid is, geldt

dus:

Im

=j2

t1 t

De index m en p geven aan dat de betrokken

grootheid ge!dt voor respectieve!ijk het model

en het prototype. Hieruit voigt de tijdschaa!;

ofwel de verhouding van de duur van een ge-beurtenis in model en in werke!ijkheid.

Wanneer alle omgevingscondities zijn nage-bootst en het modelarrangement met alle

meet-apparatuur in de tank is ingebouwd dan kan

hei testprogramma worden afgewerkt. Vanuit

praktisch en kostenoogpunt zal het aantal

proeven worden beperkt. Meestal bevat het

programma de volgende elementen:

- Overlevingscondities van de boei alleen. De extreme zeetoestand is meestal zodanig

geko-zen, dai ze een kans van optreden heeft van

eens in de 50 of 100 jaar. De simulatie van deze

toestand houdt veelal in, dat golven, wind en

stroom uit éên richting komen.

- Operationele condities: tanker afgemeerd

aan de boei: kans van optreden itot 10. Of

zodanige condities dat men verwacht daar on-der nog te kunnen opereren. Men kiest dan een

zodanige combinatie van stroom, wind en golf-richtingen, waarvan men uit ervaring weet dat er hoge krachten in het afmeersysteem zullen optreden.

- Middelmatige condities: wordt meestal

zo-danig gekozen dat ze een kans van optreden

heeft van meer dan 50.

De informatie die uit deze modelproeven wordt gehaald omvat: ankerlijnkrachteri,

be-wegingen van de boei, meerlijnkrachten,

bewe-gingen van de tanker, krachten en buigend

momenten in de slangen en diverse constructie-onderdelen, algemeen gedrag van het systeem. De krachten worden meestal gemeten met be-hulp van opneem-elementen, die het

gemakke-lijkst deformeren in de richting van die

Links: Deze boei heeft een klein water-doorsnijdend opperviak orn de bewegingen van de boei klein te

hou-den. De bewegingen worden gerneten met een Optisch

voig-systeem dat vast op het minuscule larnpje mid-den bovenop de boei gericht is.

Onder: De ankerkettingen van een modelboei 21m bovenaan uitgerust met een ringetje ter grootte van

een trouwring. Op dit ringetje zijn rekstrookjes

ge-plakt 0m op elektronische wijze de kracht in de anker. kettingen te meten.

Geheel ander: Deze boei is op een ponton van de wert

naar een rustige baai gebracht. Door de onderste

compartimenten vol te laten lopen wordt hij rechtop gezet waarna hij naar de lokatie versleept kan worden.

plaats rekstroken te plakken, is het mogelijk

orn langs elektrische weg deze deformaties te meten. Voorafgaand aan de modelproeven zijn deze opneem-elementen in een ijkbank met be-kende krachten geijkt. Op deze manier is de

re-latie bekend tussen de deformatie van de

opne-nier en de daarbijbehorende kracht. Naar hun functie onderscheidt men: trekkrachtopnemer, schuifkrachtopnemer en

buigend-moment-opnemer. Het is mogelijk orn een aantal van deze soorten samen te bouwen tot een meer

componenten-opnemer, die bijvoorbeeld twee

buigend-momenten en twee dwarskrachten

loodrecht op elkaar meet.

Bewegingen van een boei worden in het

alge-meen gemeten met behulp van een optisch

systeem. Een sterke lichtbron wordt op de top

van de boei geplaatst. Deze bron wordt

ge-volgd door twee lichtgevoelige sensoren. Door

van te voren de posities van de sensoren ten opzichte van het lampje te ijken kunnen de

translatiebewegingen van het Iampje worden gemeten (zie foto op pag. 154).

Bewegingen van de tanker worden meestal eveneens gemeten met behuip van een optisch

systeem (de translaties) aangevuld met een

meetsysteem op basis van gyroscopen (de

rota-ties). Meting van andere grootheden is ook

mogelijk. Bu voorbeeld wanneer de constructie twee scharnierend aan elkaar bevestigde delen bevat, kan de relatieve hoekverandering van de

scharnierende delen worden gemeten d.m.v.

een potentiometer op de rotatie-as.

-

_A-:.

-.

Boyen: De SPARboei (zie omslag) heeft een dermate

grote diepgang(100meter) dat hij in horizontale stand

naar diep water versleept moet worden orn aldaar rechtop gezet te worden.

Rechtsonder: De ideeèn ontwikkeld voor de èén-punts-meersystemen kunnen 00k andere

toepassin-gen vinden. Deze toren, hier tijdens het slepen, is ¡n

137meter diep water rechtop gezet voor het

affakke-len van het gas datbu de oliewinning vrijkomt.

De registratie tenslotte van alle verkregen meetinformatie geschiedt op twee manieren: visueel - op een recorder werkend met voor

ultraviolet lichtgevoelig papier. Deze registra-tie dient voor inspecregistra-tie van het resultaat;

elek-tronisch - op een magneetband. Deze band is

de basis voor de verdere computerverwerking. De proeven waar tot dusverre over is gespro-ken zijn de proeven, die nodig zijn orn het ge-drag van het geïnstalleerde systeem te kunnen bestuderen en orn de inwendige en eventuele uitwendige krachtsgrootheden te meten.

Een ander type proeven dat minder frequent voorkornt, maar toch ook wel belangrijk is, is het uitproberen van de wijze, waarop een sys-teem wanneer het eenrnaal ontworpen en getest is, uiteindelijk op zijn plaats rnoet worden

ge-zet. Wanneer men op ontoegankelijke water-diepten een systeem moet installeren, krijgt

men met grote zware componenten te maken.

0m dit uit te proberen, wordt het model op

een wat grotere schaal gebouwd, dan voor de ontwerpproeven noodzakelijk is. Daardoor is het mogelijk orn de van belang zijnde ballast-compartimenten ook in te bouwen.

De installatie van een éénpunts-meersysteern

geschiedt meestal door een samenspel van kraanschepen, lieren en het ballasten en de-ballasten van bepaalde compartimenten.

Be-langrijke informatie kan uit de modeiproeven worden verkregen voor optredende bewegin-gen, lierkrachten en rnogelij ke instabiliteiten tijdens de installatieprocedure zeif (zie de foto-serie midden op deze pagina's).

Hieronder, van links naar rechts: Het topje van een loo meter hoge toren steekt juist boyen water uit: bu het tot stand brengen van de verbinding met de yak.

werkarm van de tanker wordt de drijftank onder de

in het voorgaande hebben we in hoofdzaak aandacht besteed aan éénpunts-meersystemen zoals momenteel in gebruik bij de oliewinning op zee. Soortgelijke installaties voor aardgas

zijn op een aantal plaatsen in de wereld al itt

gebruik. 00k op de Noordzee zullen zu

hier-voor toegepast gaan worden, hier-vooral nu onder druk van de Engelse en Noorse regeringen het

bij de oliewinning vrijkomende aardgas niet

langer nutteloos verbrand mag worden. Behalve voor dit soort toepassingen gaan de gedachten ook uit naar het op zee afmeren van bijvoorbeeid fabrieken waarin met gevaarlijke stoffen gewerkt wordt, nucleaire reactoren en i ndustrieën die grote hoeveelheden koelwater nodig hebben. Ontwerpstudies hiervoor bevin-den zich reeds in een vergevorderd stadium.

arm met kracht onder water getrokken. De drijftank le-vert de kracht om het gehe!e systeem op zijn plaats te

houden.

Literatuur:

Pinkster, J. A., Remery, G. F. M., (1975). The ro/e of

model tesis in the design of Sing/c Point Mooring

Terrnï-na/s.Offshore Technology Conference.

Shepherd, M. F., (1979). The Brent Oil Field . from dis-cover,v to Refinery. The Royal Institution of Naval

Architects.

Foolen, J., Pincemin, M., Smulders, L., (1977). A single

Anchor Leg Mooring System for the North Sea.Offshore Technology Conference.

Flory, J. F. and Poranski, P. F., (1977). The design of

Single Point Moorings. Offshore Technology

Confe-rence.

Langeveld, J. M., (1974). Design Criteria for Single Point Mooring Terminals. Journal of She Waterways Harbors and Coastal Engineering Division.

Bronvermelding itlustralies

Pim Korver/Smit Internationale, Rotterdam: pag. 138, 145. Shell Centre, Londen: pag. 139 rechts.

Dominion Bridge Co. Lsd: pag. 143. Shell-foto, Rotterdam: pag. 148. 149.

Fotopersburo Róbert Lantos, Hendrik Ido Ambacht/Stnit Internationale, Rotterdam: pag. 156.

Grafic Foto, Duinkerken: pag. 156 onder.

Nederlands Scheepsbouwkundig Proefstation: alle overige foto's.