DE2607446A1 - Vorrichtung und verfahren zum festmachen von schiffen und schwimmenden inseln - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR. JAEGER & GRAMS

DlPL-CHEM. DR. KLAUS JAEGER TELEPHON: (O89) 8 54 27O1; 8 5T4O8O DIPL.-lNG. KLAUS D. GRAMS

GRÄFELFING . ARIBOSTR. 47 TELEX : 5 21777 isar d 8O31 STOCKDORF · KREUZWEG

WHA-1

WHARTON ENGINEERS (ELSTREE) LIMITED

Watford Road, Elstree, Boreham Wood, Herts.,England

Vorrichtung und Verfahren zum Festmachen von Schiffen und schwimmenden Inseln

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Festmachen von Schiffen und schwimmenden Inseln aller Art (im folgenden zusammenfassend kurz "Inseln" genannt).

Inseln im Sinne dieser Beschreibung sind beispielsweise küstennah festgemachte Baggerschuten oder Pontons, schwimmende Bohrinseln oder Bohrgerüste, schwimmende Kräne, Versorgungsschiffe, halbversenkte flutbare schwimmende Bohrinseln, gespannt verankerte Arbeitsplattformen oder Schiffe der verschiedensten Bauart. Unter einer "gespannt verankerten" Arbeitsplattform oder Insel ist dabei eine stabil schwimmende festgemachte Plattform oder Arbeitsinsel prinzipiell beliebiger Bauart zu verstehen, deren Auftrieb grosser als ihr

609837/0318

Gewicht ist. Diese Insel ist zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts der senkrecht angreifenden Kräfte und zur Stabilisierung dieser Kräfte zusätzlich mit einer abwärts gerichteten Kraft beaufschlagt, die über stets gespannte Ankerleinen oder Halteleinen (im folgenden kurz "Halteleinen") aufgebracht wird.

Gebräuchliche Verfahren zum Festmachen- einer schwimmenden Insel auf einer vorgegebenen Position (Sollposition) nutzen das Durchhängen der Halteleinen nach der Kettenlinie zum Aufbringen der erforderlichen Verankerungsspannung bzw. deren Veränderung aus. Dabei muss sich die Insel zu einer Veränderung der Ankerspannung in den Halteleinen, und zwar sowohl zu einer Erhöhung als auch zu einer Verminderung der Ankerspannung, notwendigerweise aus seiner Sollposition entfernen. Bei den gebräuchlichen Winden ist dabei eine Relativbewegung zwischen der Halteleine und der Insel während des Versetzens der Insel durch den Brems- und Verriegelungsmechanismus der Winde blockiert. Die bei normaler Verankerung einer Insel oder eines Schiffes an den Halteleinen liegende Spannung beträgt gebräuchlicherweise etwa 15 bis 30 % der Bruchspannung der Halteleine. Durch diese Überdimensionierung steht eine ausreichend grosse Spannungsaufnahmereserve zur Verfügung, die selbst heftigste Bewegungen der Insel relativ zu ihrer Verankerung aufnehmen kann. Andererseits ist jedoch eine überdimensionierung der Halteleinen in der angegebenen Grössenordnung auch unbedingt erforderlich, wenn eine relativ sichere Verankerung der Insel gewährleistet sein soll.

Bei der Verankerung grösserer Inseln erfordern die heute gebräuchlichen Verankerungssysteme die ständige und sorgfältige Überwachung durch geschultes Personal. Die dabei eingesetzten Verfahren und Vorrichtungen stammen im wesentlichen

6098 37/OHi

ORIGINAL INSPECTED

"Z6η74 4

aus der Praxis der Binnenschiffahrt, insbesondere der Praxis des Festmachens und der Verankerung grosser Schiffe in vergleichsweise flachen und ruhigen Binnengewässern.

Gebräuchliche Verankerungssysteme verwenden als Halteleinen Seile und Trossen aus natürlichen Fasern, synthetischen Fasern oder aus Stahldraht oder Ketten, die mit einem ihrer Enden "auf dem Meeresboden befestigt sind und deren anderes Ende von einer Spannvorrichtung gehalten wird, beispielsweise einer auf der festzumachenden Insel angebrachten Winde. Diese Winden müssen zur Anpassung an veränderte Verhältnisse der See, des Windes oder des Ballasts ständig nachjustiert werden. Eine auf diese Weise mit drei oder mehr Halteleinen festgemachte Insel reitet, giert und schwankt relativ frei in der Horizontalen. In vielen Fällen können diese freien Bewegungen in der Horizontalen durch eine entsprechende Wahl der Parameter gedämpft werden, und zwar insbesondere durch eine Berücksichtigung der signifikanten Wellenfrequenz bei der Wahl der Konstruktionsparameter. Die Unterdrückung des Schlingerns, Rollens und Stampfens in Verbindung mit einer eingeschränkten horizontalen Bewegungsaktivität lässt dieses Konzept für viele Hochseeoperationen besonders geeignet erscheinen, insbesondere für Ölbohrungen, für die Bergung und das Setzen oder Absenken schwerer Objekte sowie für die Verlegung von Kabeln und Rohren. Dennoch sind derzeit keine Systeme bekannt, die Inseln oder Ankerlieger selbst mit hervorragenden nautischen Eigenschaften unter äusserster Einschränkung der horizontalen Bewegungskomponenten exakt auf einem vorgegebenen Punkt oder einem vorgegebenen Kurz positionieren können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Festlegen von Schiffen oder schwimmenden Inseln aller Art auf einem vorgegebenen Punkt oder Kurs ("Sollposition") unter Verwendung von Halteleinen oder Anker-

€09831/0318

leinen zu schaffen, die eine weit geringere Überdimensionierung der Halteleinen als bei gebräuchlichen Systemen erfordern und gleichzeitig eine ausserordentlich ruhige,stabile und genaue Positionierung der Insel ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch Mittel zur Überwachung der durch Einwirkung äusserer Kräfte verursachten Beschleunigung und der in den Halteleinen (Ankerleinen) auftretenden Spannung zur Vorausbestimmung der Drift des Schiffes oder der Insel und durch Mittel zur Steuerung von Winden für die Halteleinen in der Weise, dass diese die Halteleinen so einholen oder freilassen, dass das Schiff oder die Insel ihre Sollposition beibehalten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Festmachen eines Schiffes oder einer Insel gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die durch äussere Kräfte verursachte Beschleunigung des Schiffes oder der Insel und die mechanische Spannung in den Halteleinen oder Ankertrossen überwacht werden, um die resultierende Bewegung im voraus zu erkennen, und dass die Winden für die Halteleinen in der Weise gesteuert werden, dass sie die Halteleinen so aufnehmen oder freilassen, dass das Schiff oder die Insel auf ihrer Sollposition gehalten werden.

Im Rahmen dieser Beschreibung schliesst der Begriff "Sollposition" dabei sowohl einen festgelegten stationären Standpunkt als auch einen vorgegebenen Kurs, also eine sich auf vorgegebener Bahn verändernde Sollposition, ein.

Erfindungswesentlich sind die Gegenwart und die Wirkungsweise der Fühler zur Ermittlung der Spannung der Halteleinen,

609837/Q318

26Ü7U6

Steuersysteme, die nach Massgabe der ermittelten Spannungen beeinflussbar sind, und den Einsatzanforderungen entsprechend ausgebildete Ankersysteme, die auf dem Meeresboden installiert werden, sowie Methoden zur Einschränkung der Bewegungsfreiheit einer schwimmenden Struktur, die geeignet sind, diese schwimmende Struktur auf einer relativ zum Meeresboden vorgegebenen bestimmten Position zu halten, und zwar unter spezieller Berücksichtigung des Einsatzes zusätzlicher Schub- oder Druckgeber und der Ausnutzung der an den Vorrichtungen auftretenden mechanischen Spannungen.

Wie vorstehend bereits ausgeführt, erfordern die gebräuchlichen Verfahren der Positionierung schwimmender Stationen durch Ankerwinden einen beachtlichen Aufwand an menschlicher Arbeitskraft. Verschiedene Versuche einer zentralen Steuerung der Ankerwinden haben sich als insofern nicht zufriedenstellend erwiesen, als die Signalbeantwortung viel zu langsam ist.

Zum Schutz der Halteleinen und Trossen sowie der Winden vor einer Überlastung liegt der Erfindung zur Verbesserung der gebräuchlichen Verfahren zum Festmachen, die sozusagen statischer Natur sind, ein elastisches System zum Festmachen, eine "dynamische Positionierung", zugrunde. Bei diesem Prinzip der dynamischen Positionierung wird die Drift oder die Bewegung der Insel durch Fühler an der Insel, an oder in den Leinen oder Trossen oder in den Windenhaiterungen und ein diesen nachgeschaltetes zentrales Steuerwerk vorausbestimmt und bereits im Vorlauf kompensiert. Die von den Fühlern (Spannungsgebern) erzeugten Spannungssignale werden auf ein allen Ankerwinden gemeinsames zentrales Leit- und Steuerwerk gegeben, das diese Winden steuert. Die Winden selbst sind dabei vorzugsweise mit zwei oder drei mit kon-

809837/0318

26Π74Α6

stanter Drehkraft beaufschlagten Windentrommeln ausgerüstet. Unter Führung durch die von den Spannungsgebern an das zentrale Steuerwerk übermittelten Spannungssignalen und der von diesem Steuerwerk an die Windenantriebe übertragenen Stellsignale werden die die Leinenfreiheit steuernden Winden automatisch in der Weise betätigt, dass sie die Leinen entweder aufnehmen oder freilassen. Dieser Regelkreis ist überraschend empfindlich und reagiert bereits beim geringsten Ansatz einer Drift der Insel von der Sollposition. Durch eine zusätzliche Halterung der Halteleinen an Schwimmern kann eine Verkürzung der Regelzeiten erzielt werden.

Bei der Auslegung der Fühler zur Aufnahme der mechanischen Spannungen in den Halteleinen ist die Summe der statischen und der zeitabhängigen Belastung der Halteleinen zu beachten, und zwar zu jedem Zeitpunkt und für jede Art der Halteleine, Kette oder Trosse. Die an den Halteleinen angreifende resultierende Kraft setzt sich aus einer Auftriebskomponente und einer zeitabhängigen Komponente zusammen, die durch eine Kombination der aufschlagenden Wellen und der seitlichen Bewegung der Struktur verursacht ist.

Zur Gewährleistung der einwandfreien und verlässlichen Funktion eines Verankerungssystems für schwimmende Strukturen müssen folgende zwei Bedingungen eingehalten werden:

(a) Die der Summe aller zeitabhängigen und stationären Terme gleiche Gesamtspannung darf zu keinem Zeitpunkt den Wert Null annehmen; und

(b) in keiner einzigen der Halteleinen darf die maximal auftretende Spannung zu irgendeinem Zeitpunkt die unter Berücksichtigung einer Sicherheitsmarge vorgegebene Zugspannungsbelastbarkeit überschreiten.

609337/0318

Bei Einhaltung dieser Bedingungen ist gewährleistet, dass keine der Halteleinen durch eine abrupte Bewegung quasispannungsfrei durchhängt und im nächsten Augenblick durch eine ebenso abrupte Gegenbewegung ruckartig gespannt wird. Ein Reissen der Leinen ist unter Einhaltung der genannten Bedingungen praktisch ausgeschlossen. Eine weitere diesem System oder Regelkreis übergeordnete Bedingung ist, dass die Insel mit einer vorgegebenen Genauigkeit ihre Position (Istposition) über einem bestimmten vorgegebenen Punkt (Sollposition) auf dem Meeresboden einhalten soll.

Der Spannungsfühler oder Spannungsgeber, der im Rahmen der Erfindung eingesetzt wird, liefert ein die aufgenommene Spannung abbildendes Ausgangssignal, das in dieser Form direkt von einer Vorrichtung verwertet werden kann, die ihrerseits die erhaltene Information rasch zu verarbeiten in der Lage ist.

Im Rahmen der Vorrichtung der Erfindung werden vorzugsweise Winden eingesetzt, die automatisch vorspannend wirken. Solche Winden sind gebräuchlicherweise mit hydraulischen Antrieben ausgerüstet und weisen für die Zwecke der Erfindung besonders geeignete Last- und Übergangskennlinien auf. Die jeweils angestrebte Betriebsbandbreite hängt dabei sowohl von den Bedingungen des speziellen Einsatzfalls als auch von der Art und der Struktur der Halteleinen und anderen speziellen Einflussfaktoren ab. Bei den Winden werden vorzugsweise die Auflauftrommeln angetrieben, um der schnellen Laufbewegung der Halteleinen am günstigsten gerecht zu werden. Alternativ oder in Wechselwirkung dazu kann ein Schlingerkompensationssystem eingesetzt werden.

Die drei wichtigsten mit dem vorstehend beschriebenen System erzielbaren Vorteile sind die folgenden:

(I) An Deck der Insel wird Raum eingespart. Gleichzeitig kann so für die Aufnahmetrommeln der Halteleinen und für

6 0 9 8 3 7/0318

2 6 CJ 7 4 4

die Winden eine Umgebung geschaffen werden, die sie bei ungünstigen Witterungsbedingungen besser schützt. So können beispielsweise sämtliche Aufnahmetrommeln für die Halteleinen mit den erforderlichen hydraulischen Antrieben ausgerüstet und in einem zentral auf der Insel eingerichteten Maschinenraum untergebracht werden. Bei dieser Anordnung brauchen lediglich das vollständig wasserdicht verkapselte und verschlossene Getriebe und eine Zwillingswinde oder eine andere geeignete Winde frei zu stehen.

(II) Die in der Summe von allen Winden aufgenommene Leistung kann spürbar vermindert werden. Die durch den Einzelantrieb der Winden verursachten Kosten können spürbar gesenkt werden. So werden vorzugsweise sämtliche Winden hydraulisch von einem einzigen zentralen hydraulischen Antrieb beaufschlagt. Die einzelnen Winden sind an eine Hauptringleitung angeschlossen, die vom hydraulischen Antrieb mit Druckfluid beaufschlagt ist. Ein solches System gewährleistet die Druckfluidversorgung selbst bei sehr schnellem Einholen oder Auslassen der Halteleinen. Durch zwischenzeitlich eingefügte Verriegelungsphasen können weitere Einsparungen in der Leistungsaufnahme erzielt werden. Ein einziger zentraler grosser Speichertank für das Fluid und ein zentrales Kühlsystem sind weitere Vorteile einer in dieser Weise ausgelegten Anlage. Zur Gewährleistung einer hochgradid stossgedämpften Systemcharakteristik können weiterhin Druckspeicher zwischengeschaltet sein.

(III) Alle Winden können unter ein einziges zentrales Steuersystem gestellt werden. Durch Stellen eines einzigen Stellorgans kann die Gesamtheit aller Winden in jeder beliebigen Betriebsphase überwacht, gesteuert und geregelt werden. Dabei braucht dennoch nicht auf zusätzliche Möglichkeiten der Steuerung einzelner oder bestimmter Gruppen einzelner Winden verzichtet zu werden. Die Steuerung ermöglicht

609837/0318

2607 U

eine Rundummanövrierbarkeit,also eine Manövrierbarkeit voraus, rückwärts und seitlich.

In jüngerer Zeit sind hydrostatische Getriebe mit Leistungen bis zu 1,12 MW entwickelt worden, deren leichte und kompakte Bauweise sie für Erdöl- und Erdgasanwendungen, insbesondere meerestechnische Anwendungen, geeignet sein lässt. In modernen meerestechnischen Systemen werden elektrisch betriebene, mit Dampf betriebene und hydraulische Antriebe verwendet. Elektrische Antriebe sind stets die Quelle einer nicht zu unterschätzenden Brandgefahr, zumindest für zahlreiche Einsatzgebiete. Aus diesem Grund sind dampfgetriebene Winden besonders häufig auf Tankschiffen zu finden. Dampfgetriebene Winden gelten als zuverlässig und sind kostengünstiger erstellbar als hydraulische Niederdrucksysteme. Sie werfen jedoch auch zahlreiche Probleme auf, insbesondere im Hinblick auf Kondensationserscheinungen in den langen Rohrleitungen zwischen dem Dampferzeuger und den Windenantrieben. Als eigentlich günstigstes Antriebssystem für Winden, die in automatischen Arbeitszyklen betrieben werden, scheinen hydraulische Mitteldrucksysteme zu sein. Hydraulische Antriebe für solche Systeme sind bereits entwickelt worden. Noch leistungsfähigere Antriebe für hydraulische Mitteldrucksysteme sind derzeit für solche Anwendungen in Entwicklung.

Auf dem Gebiet der automatischen Verankerungssysteme für ankerliegende Schuten, Kranschuten, Arbeitspontons und unter Ankerspannung festgemachter Inseln sind in jüngerer Zeit beachtliche technische Fortschritte erzielt worden. Nach wie vor ist jedoch ein wesentlicher Parameter, der alle Operationen auf offener See beeinflusst, das Wetter. Nordseeerfahrungen der jüngsten Zeit haben gezeigt, dass nur jeder dritte Tag die für einen erfolgreichen Einsatz

809837/0318

von ankerliegenden Schuten und Pontons erforderlichen Witterungsbedingungen erfüllt. Dies entspricht mit anderen Worten einer witterungsbedingten Arbeitszeiteffektxvxtät von nur rd. 30 %. Unter Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens der Erfindung kann unter sonst vollkommen gleichen Bedingungen eine Arbeitszeiteffektxvxtät von rd. 50 % erreicht werden. Dies bedeutet beispielsweise ein schnelleres Verlegen grosser Rohrleitungssysteme, ein schnelleres und sicheres Absatzen grösserer Hochseestrukturen und damit letztlich eine schnellere Erschliessung der Erdöl- und Erdgasreserven sowohl im Küstenschelf als auch im offenen Meer.

Es ist abzusehen, dass Förderinseln für die ölförderung in Wassertiefen von über 250 bis 300 m in Zukunft nicht mehr auf dem Meeresboden verankert sein werden. Fraglos wird jedoch zumindest noch die nächste Generation der schwimmenden ölförderinseln nach den bisherigen Methoden auf dem Meeresgrund verankert sein. Für die Sicherheit und Zuverlässigkeit solcher schwimmenden Inseln ist ihre konstruktiv inhärente Sicherheit eine wesentliche Voraussetzung. Die Erfindung dient der Erhöhung eben dieser konstruktiv-inhärenten Sicherheit schwimmender Inseln durch eine automatische und genaue Positionierung der Strukturen. Selbst wenn also die unverankerte Förderinsel bereits absehbar ist, dienen die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung der Erhöhung der Sicherheit der schwimmenden Bohr- und Förderinseln der Gegenwart und zumindest der nächsten Generation.

Die vorstehend prinzipiell beschriebene Steuerung wird vorzugsweise durch schwenkbar an der Insel angelenkte Ausleger bewirkt, die den Winkel der abgehenden Haltelinie zur Insel bestimmen können. Diese spannungsproportxonale

609837/0318

V6Ü7U6

Winkelinformation wird umgeformt auf ein zentrales Rechnersystem gegeben, das, beispielsweise im Falle einer schwimmenden Bohrinsel, sämtliche Ankerwinden der Insel nach Massgabe der abgetasteten Winkelinformation bzw. Spannungsinformation so steuert, dass die Insel ortsfest gehalten wird, also genau in Sollposition verharrt. Bei Ankerliegern, insbesondere Schwimmkränen der verschiedensten Art, können die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung vorzugsweise zur Seitenstabilisierung und der Einhaltung eines vorgegebenen Arbeitskurses dienen.

Ausserdem können Gyroskope und bzw. oder Beschleunigungsmesser und bzw. oder Fühler ähnlicher Art eingesetzt werden, wobei sich ein solcher Einsatz insbesondere für sehr grosse Schiffe oder schwimmende Inseln eignet, bei denen eine Kursabweichung überaus schnell, gebräuchlicherweise innerhalb von 8 bis 10 s, korrigiert werden muss. Gleicherweise können auch Ultraschallbaken und Unterwasserbojen für die Fühlersysteme verwendet werden, wobei diese Baken und Bojen unterhalb des Pegelbereichs der Gezeiten verankert sind, um ihnen dadurch eine entsprechende Positionsstabilität zu verleihen. Unter Zugrundelegung der Beziehung, dass das Produkt aus Masse und Beschleunigung der Kraft gleich ist, kann insbesondere bei Verwendung eines Gyroskops oder selbst einer Kabelspannvorrichtung, beispielsweise unter Verwendung einer Kraftmessdose in der Windenhalterung, die auf den Halteleinen zur Kurs- oder Positionskorrektur der Insel erforderliche mechanische Spannung ohne weiteres berechnet werden.

Während für den Normalbetrieb Dreitrommelwinden bevorzugt werden, können für bestimmte Einsatzzwecke auch Winden mit zwei oder nur einer Trommel verwendet werden. Solche Winden erhöhen jedoch den Verschleiss der Halteleinen und vermindern die erzielbare Aktionsgeschwindigkeit. Bei Ver-

609837/0318

Wendung einer mit drei Trommeln ausgerüsteten Winde können in den Halteleinen auftretende Bewegungen weich aufgenommen v*erden, ohne die Halteleinen grossen und abrupt auftretenden Kräften aussetzen zu müssen, die die Gefahr eines Reissens der Iieinen mit sich bringen. Zusätzlich kann ein vorzugsweise hydraulisch, pneumatisch, durch eine Feder oder in anderer Weise gedämpfter Schwenkarm vorgesehen sein, der ein schlagfreies Aufnehmen oder Freigeben der Halteleine auch unter Bedingungen gewährleistet, unter denen diese ohne diesen dämpfenden Arm erheblichen Kräften ausgesetzt wäre. Ausserdem können mit dem System der Erfindung Kompensationsschwungräder gekoppelt sein, die aus dem Rollen und Stampfen der Insel Speicherenergie beziehen. Auch der Antrieb solcher Kompensationsschwungräder erfolgt vorzugsweise hydraulisch. In bestimmten Fällen können auch hydraulische Druckspeicher als Energiespeicher ausgenutzt werden. All diese Massnahmen erlauben eine weitere Verminderung des Energiebedarfs für die Vorrichtung der Erfindung.

Bei bestimmten Inseln, insbesondere bei den tiefliegenden halbversenkten Inseln, kann das gesamte Windensystem unter Wasser angeordnet sein.

Zusammengefasst schafft die Erfindung also eine Vorrichtung und ein Verfahren, die statt einer wenig sinnvollen 80 bis 90 %igen Überdimensionierung der Halteleinen mit unter Beachtung einer vernünftigen Sicherheitsmarge normaldimensionierten Halteleinen arbeiten und diese Materialeinsparung durch ein flexibles und mit einfachsten Mitteln äusserst empfindlich auslegbares Regelsystem für die Ankerwinden, die die Halteleinen einholen und freilassen, ermöglichen. Dadurch, dass alle Halteleinen zu jedem Zeitpunkt unter Spannung gehalten werden, sind die Leinen auch nicht

609837/0318

durch ein Schlagen überproportionalen Beschleunigungskräften ausgesetzt. Unter Berücksichtigung der erheblichen Energiekosten für den Einzelwindenbetrieb und den für das Nachjustieren der einzelnen gesperrten Winden erforderlichen Personalaufwand schaffen Vorrichtung und Verfahren der Erfindung also ein System zum Festmachen schwimmender Inseln, das den Einsatz leichterer Halteleinen und zusätzlich die Einsparung von Personal- und Energiekosten ermöglicht.

In den GB-Patentanmeldungen 52 000/73 und 110/74 sind Dreitrommelwinden beschrieben, die vorzugsweise für die Vorrichtung der Erfindung verwendet werden. Zur Erläuterung des Verfahrens der Erfindung ist im folgenden das "Verwarpen" einer Arbeitsinsel zu ihrer Hochseeposition, ihre Positionierung und ihre Verankerung auf dem Meeresboden beschrieben. Die zu diesem Zweck eingesetzten Hilfssysteme sind vollständig wiederverwendbar.

Das System besteht aus 8 Winden, die je 3400 m einer 76 mm starken Stahltrosse aufnehmen. Jede dieser Trossen ist mit ihrem einen Ende an einem 12 t-Anker befestigt, vorzugsweise einem Bruce-Anker oder einem Steven-Anker. Die Winden werden über ein zentrales hydraulisches Ringleitungssystem angetrieben> das seinerseits durch Dieselaggregate beaufschlagt ist. Die Leistung der Antriebsanlage liegt im Bereich von oberhalb 7,5 MW je nach den Erfordernissen des Einsatzfalls. Dabei ist die Leistungsstärke des Antriebssystems ein Faktor, der direkt die Warp- oder Verholgeschwindigkeit der Insel zu ihrer Verankerungsposition entspricht, Wind- und Strömungsverhältnisse entsprechend berücksichtigt. Die Winden sind vorzugsweise auf einem Schleppkahn oder Schlepponton montiert, der mit zwei Schottel-Einheiten ausgerüstet ist, um die Vorrichtung gewünschtenfalls wieder aus eigener Kraft

S 0 9837/0318

bergen zu können. Auf diese Weise wird die Schleppbarke ein schwimmendes föindensystem, das auch zu anderen Zwecken als zum Verholen grosser schwimmender Strukturen einsetzbar ist, beispielsweise zum Verlegen von Abwasserleitungen oder zur Verrichtung anderer Arbeiten aus dem Bau- oder Kanalisationssektor.

Die schwimmende Arbeitsplattform, hier kurz wegen ihrer Form als "Schute" bezeichnet, wird auf ein Druckluftponton oder Kamel gesetzt und an Schleppböcken verankert, die bereits passgerecht an der Einheit ausgebildet sind. Um die Peripherie des Pontons oder Kamels herum sind Führungsrollen in der Weise angeordnet, dass vier Halteleinen voraus und vier Halteleinen achtern ablaufen können. Die jeweils äusseren Halteleinen sind in beiden Fällen vorzugsweise so angeordnet, dass sie querab ausgerichtet sind.

Wenn die gesamte Struktur zum Abtransport fertiggestellt ist, werden vorzugsweise drei 45 t-Pollerschlepper für die Anker eingesetzt. Mit ihrer Hilfe werden die Anker gesetzt, geborgen, versetzt und erneut gesetzt. Das Fortsetzen der Anker erfolgt auf dem für die Schwimmstruktur festgelegten Kurs. Zu diesem Zweck werden zunächst vier der acht Anker aufgenommen und der Schwimmstruktur vorausgesetzt. Dabei werden die beiden äusseren vorderen Anker seitlich auswärts gesetzt, um beim Verholen eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten. Auch die beiden äusseren Achternhalteleinen werden querab zu beiden Seiten der Schwimmstruktur gesetzt. Die beiden verbleibenden Achternhalteleinen werden als Reserveleinen einbehalten, um erforderlichenfalls jederzeit eine Bremskraft aufbringen zu können. Das Verholen der Schwimmstruktur erfolgt durch Spannen der vorausgesetzten Anker. Die Geschwindigkeit, mit der die Winden die Halteleinen oder Ankerleinen aufnehmen, hängen von den Schleppeigenschaften der Schwimmstruktur, dem Wind, den

609837/0318

Wellen und den Strömungsbedingungen ab. Dabei dienen die beiden querab liegenden achtern ausgesetzten Anker der Kurskorrektur.

Während dieses Verholmanövers oder Warpens bleiben die drei Schlepper auf Station, um die Anker jederzeit versetzen zu können. Dieses Verholverfahren ist an sich bekannt und beispielsweise für das Verlegen von Unterwasserrohrleitungen von schwimmenden Arbeitsplattformen aus durchaus gebräuchlich. Während der gesamten Operation wird die Schwimmstruktur von einem zentralen Kontrollraum aus überwacht, der auf der Schute eingerichtet ist. Die Positionsdaten werden dabei während der Fahrt durch engere Kanäle oder Flüsse oder durch Meerengen von Landstationen übermittelt. Auf offener See werden die Positions- und Kursdaten vorzugsweise auf den Schleppern ermittelt.

Während der Vorwärtsfahrt der schwimmenden Struktur und des ständigen neuen Setzens der vorderen Anker und des Einholens der Halteleinen wird der Meeresboden unmittelbar vor der schwimmenden Struktur ständig durch die Echolote an Bord der Schlepper überwacht. Zusätzlich können Geräte vorgesehen sein, die das Meeresbodenprofil graphisch darstellen, falls dies für kritische ManöverSituationen erforderlich ist.

Nach dem Eintreffen der schwimmenden Struktur auf der vorgesehenen Zielposition dient das Festmachsystem bzw. Verankerungssystem zur Einhaltung der Sollposition während des Absetzens bzw. Absenkens der Struktur. Die Schute, also die eigentliche Arbeitsplattform, wird aus ihrer Verankerung auf dem Schwimmponton gelöst, so dass es beim allmählichen Absenken der Struktur aufschwimmen kann. Während des Absetzvorganges müssen die Spannung der Halteleinen und die Freigabe der Halteleinen so aufeinander eingestellt

809837/0318

werden, dass die Gesamtstruktur in der Sollposition verharrt. Nach dem vollständigen freien Absetzen der Schute können die Halteleinen vollständig losgegeben werden und die Schute- vom Träger klargemacht werden. Dabei werden auch die Anker und die Halteleinenführungssysteme am Trägerponton freigegeben. Dabei kann das Freigeben der Führungen entweder automatisch durch Explosxonsöffnungsmechanxsmen oder durch Taucher, gegebenenfalls durch Unterwasserschweissen, erfolgen. Die Schlepper heben dann die Anker und geben sie zum Verstauen auf die Schute.

Vom wirtschaftlichen Standpunkt kann es jedoch günstiger sein, die Anker und die Führungssysteme nach Erreichen der Zielposition aufzugeben und lediglich nach Abschluss des Manövers die Halteleinen zu bergen. Nach dem endgültigen Absetzen der Pontonstruktur, Klarmachen der Schute und Einholen oder Kappen der Anker kehrt die Schute entweder aus eigener Kraft oder im Schlepp zurück.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung

zum Festmachen und zur Positionierung oder zum Kurshalten;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild

eines Windenuntersystems;

Fig. 3 in schematischer perspektivischer

Darstellung eine tiefschwimmende, halbversenkte Bohrinsel und die vergrösserte Ausschnittdarstellung eines Seiltrommelständers für die Halteleine;

S 0 9837/0 318

21- O 7 4 A 6

Fig. 4 eine vergrösserte Seitensicht des

in Fig. 3 gezeigten Trommelstränders;

Fig. 5 eine Schmalseitensicht des in Fig. 3

gezeigten Trommelständers in einer Richtung senkrecht zu der in Fig. 4 gezeigten Ansicht;

Fig. 6 eine Breitseitensicht eines weiteren

Ausführungsbeispiels eines Seiltrommelständers für die Halteleine;

Fig. 7 eine Schmalseitensicht des in Fig. 6

gezeigten Tromm ^Ständers in einer um 90° gegenüber der in Fig. 6 gezeigten Sicht versetzten Seitensicht;

Fig. 8 eine Breitseitensicht einer Winde

auf einem Fundamentrahmen und

Fig. 9 eine um 90° versetz«^ Schmalseitensicht

der in Fig. 8 dargestellten Winde.

Die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung basieren auf dem Prinzip der dynamischen Steuerung und Regelung der Winden für die Halteleinen unter direkter speicherfreier Aufschaltung auf eine Datenverarbeitungsanlage (im folgenden kurz On-line-Betrieb). Durch dieses Prinzip werden eine präzisere Vertäuung, ein genaueres Einhalten der Sollposition und eine genauere Überwachung der Schwimmlage ermöglicht, als d:-es bislang mit den bekannten statischen oder halbstatischen Verfahren möglich war.

Das Windensteuerungssystem erhält als Eingabedaten Informationen über die Positionen der Insel über die Schwimmlage und über

B09837/0318

2607U6

die Verhältnisse der See. Unter Leitung dieses Windensteuerungssystems wird die Aktivität mehrerer an Bord befindlicher Winden koordiniert, die die Halteleinen oder die Warpleinen mit einer Zugspannung beaufschlagen. Dabei können eine Drift aus der Sollposition, eine Kursabweichung und unerwünschte Schwimmlagen weitgehend kompensiert werden. Das Prinzip der dynamischen Spannungsveränderung an den Halteleinen oder Warpleinen, Verholleinen oder Ankerleinen bietet ausserdem dem Vorteil, dass Spannungseinschwingvorgänge gedämpft werden können, so dass bei vorgegebener Leinenstärke die Betriebssicherheitsmarge erhöht wird.

Drei Systembetriebsweisen können unterschieden werden:

(1) Die lokale Windensteuerung: Die Winden werden von einem Steuerpult aus bedient, das lokal jeder einzelnen Winde zugeordnet ist und nicht der Überwachung durch die Datenverarbeitungsanlage unterliegt. Bei dieser Betriebsweise ist also jede einzelne Winde als vollkommen unabhängige Funktionseinheit unter lokaler Steuerung betreibbar. Der Benutzer kann das gewünschte Steuerungsprogramm oder die jeweils gewünschte Spannung frei einstellen. Diese Betriebsweise wird sich ausschliesslich für Manöver empfehlen, die mit geringerer Präzision hinsichtlich der Position und der Einhaltung der Schwimmlage durchgeführt werden können, beispielsweise beim Ankern oder Festmachen an einem Kai. Diese Betriebsweise der lokalen Windensteuerung kann auch mit der im folgenden beschriebenen Betriebsweise 2 kombiniert verwendet werden.

(2) Positions- und Schwimmlageprüfung: Das System kann auch zur Erzeugung von Information über die Position des Schiffes oder der Insel und der Schwimmlage verwendet werden. Diese Betriebsweise unterscheidet sich von der unter Ziff.

9837/0318

beschriebenen Betriebsweise in Form eines geschlossenen Regelkreises und von der unter Ziff. 1 beschriebenen Betriebsweise der lokalen Windensteuerung, kann jedoch in Verbindung mit dieser Betriebsweise eingesetzt werden. Sowohl bei dieser Betriebsweise als auch bei der unter Ziff. 1 beschriebenen Betriebsweise ist das Übergangsverhalten des Systems aufgrund zu langer Regelzeiten nicht zur Erzielung einer wirksamen Schwimmlageüberwachung geeignet.

(3) Automatische Regelung: Das System arbeitet als geschlossener Regelkreis. Die Gyroskope, Ultraschallsonden und anderen Fühler beaufschlagen die Datenverarbeitungsanlage der Vorrichtung bzw. des Systems mit den erforderlichen aktuellen Eingabedaten. In der Rechenanlage wird dann für die jeweils vorhandene oder eingesetzte Windenkonfiguration die optimale Spannungskorrektur berechnet. Die ermittelten Werte werden an die lokale Windensteuerung übertragen. Über eine zu einem Untersystem zusammengefasste Bedienungsschnittstelle kann der Benutzer die als Führungsgrössen dienenden Positionsdaten oder Schwimmlagedaten und andere Solldaten oder Korrekturdaten eingeben und kann andererseits zu Überwachungszwecken die Ausgabe aktueller Betriebsdaten ausgelöst oder eingestellt werden.

In der Fig. 1 ist schematisch die Konfiguration des Gesamtsystems dargestellt. Dieses Gesamtsystem ist aus mehreren Untersystemen (im folgenden kurz als "System¹¹ bezeichnet) aufgebaut. Das Windensystem umfasst alle Winden der Konfiguration einschliesslich ihrer lokalen Steuereinheiten. Die Winden sind,wie zuvor beschrieben, hydraulisch angetriebene Dreitrommelwinden, die in optimaler Weise das für solche Systeme erforderliche Steuer- und Übergangsverhalten zeigen. Die lokale Steuereinheit für

809837/0318 ORIGINAL INSPECTED

2607U6

die Windensteuerung (Fig. 2) enthält einen Analog/Digital-Umsetzer und einen Digital/Analog-Umsetzer zur Signalübertragung zwischen dem Windengetriebe und der Steuereinheit sowie zwischen den lokalen Messwertgebern für den Spannungsvektor und der Steuereinheit. Die lokale Steuereinheit enthält weiterhin einen Mikrorechner, der im wesentlichen aus einem Mikroprozessor, Speicherbausteinen und Schnittstelleneinheiten aufgebaut ist, und ein lokales Steuerpult, das alle Elemente enthält, die zur Steuerung einer Winde als unabhängiger Einheit für die oben beschriebene Betriebsweise der lokalen Steuerung erforderlich sind. Das im linken Teil der Fig. 1 zusammengefasst dargestellte Windensystem ist in der Fig. 2 als etwas ausführlicheres Blockschaltbild für eine einzige Winde dieses Systems stellvertretend für die anderen in gleicher Weise aufgebauten Winden dargestellt.

Die Datenverarbeitungsanlage bildet in der in Fig. 1 gezeigten Weise ein selbständiges üntersystem der Vorrichtung der Erfindung und ist die Zentralstelle der gesamten Datenverarbeitung des Systems. Über entsprechende Schnittstelleneinheiten steht die zentrale Datenverarbeitungsanlage mit allen anderen Untersystemen der Vorrichtung in Verbindung. Das Rechnersystem (Untersystem der zentralen Datenverarbeitungsanlage) weist je nach den Leistungsanforderungen des speziellen Einsatzfalls Kleinrechner in Simplex- oder Duplexschaltung auf. Die erforderlichen Rechner weisen in der Praxis etwa die Leistungsfähigkeit der bekannten DEC PDP 11/40-Anlagen auf. Bei Duplexkonfiguration werden die Rechner vorzugsweise so betrieben, dass bei normalem Online-Betrieb nur einer der beiden Rechner eingesetzt ist und der zweite Rechner als Reserveanlage geschaltet ist. Die bei Ausfall des Hauptrechners erforderliche automatische Umschaltung auf den Reserverechner erfolgt über einen an sich bekannten Betriebswächter.

809837/0318 .OR.ginal ,nspected

2 6 07 4 AB

Im Hinblick auf die Schnittstellen zu den anderen Komponenten des Systems bzw. der anderen Untersysteme sind zwei relativ kritische Bedingungen zu beachten. Zum einen müssen die
Schnittstellen und die übrigen konstruktiven Merkmale so ausgelegt sein, dass sich in den Schnittstelleneinheiten einstellende Fehler nicht den Zusammenbruch oder Ausfall des Gesamtsystems auslösen, sondern nur auf einen möglichst engen Bereich um ihre Entstehungsstelle herum begrenzt
bleiben. Kritische Systempfade müssen also so kurz wie
möglich ausgebildet werden und speziell auf eine hohe
Zuverlässigkeit ausgelegt sein. Zum anderen werden bei
Duplexbetrieb die Datenleitungen vorzugsweise auf beide
Rechenanlagen geschaltet. Beim Ausfall einer der Rechner ist dadurch die Wahrscheinlichkeit vermindert, dass auch die Datenleitungen zum Reserverechner durch den oder aufgrund des Ausfalls in Mitleidenschaft gezogen werden.

Die Rechner können in gebräuchlicher Weise zusätzlich mit anderen peripheren Einheiten erweitert sein, insbesondere durch Zusatzspeicher, wie beispielsweise Plattenspeicher oder Bandspeicher (in den Figuren nicht dargestellt}.

Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (E/A-Schnittstelle) ist die Stelle, über die der Benutzer mit dem System in Verbindung treten und in dessen Ablauf eingreifen kann. Je nach der Komplexität des Gesamtsystems und den Erfordernissen des Einsatzfalls kann die E/A-Schnittstelle beispielsweise
folgende Einheiten enthalten:

(a) Ein Datensichtgerät zur vorzugsweise graphischen Darstellung der Positionsdaten und der Schwimmlagedaten;

(b) ein Datensichtgerät zur alphanumerischen, insbesondere auch tabellarischen Informationsdarstellung insbesondere der Steuerbefehle für das System und der überwachung des

S09837/0318

26U7U6

Istzustandes und

(c) Sondereinheiten, wie beispielsweise Geräte zur graphischen Dateneingabe, insbesondere zur Eingabe der Positionsdaten (gebräuchlicherweise durch eine abrollende Kugel oder einen Leuchtstift gesteuert), Flachschreiber, andere Ausgabeeinheiten oder Magnetbandstationen.

Im Messwertgebersystem (Fig. 1, links oben) werden die für das Positionshalten, Kurshalten und bzw. oder für die Schwimmlagestabilisierung erforderlichen Daten ermittelt und in entsprechende Signale umgewandelt. Dabei können Kreiselsysteme als Fühler für die Schwimmlagedatenerzeugung und Echolotsysteme für die Positionsdatenerzeugung eingesetzt werden. Dabei ist der Einsatz von Kreiselsystemen zu diesem Zweck an sich durchaus bekannt. Der Einsatz von Ultraschallsonden zur Erzeugung von Positionsdaten erfordert eine genaue Verteilung und Anbringung der Ultraschallsonden rund um den Körper des Schiffes oder der Insel herum. Die Verarbeitung der aufgenommenen Sondensignale erfolgt vorzugsweise nach den Verfahren der Triangulation, die eine rasche und genaue Positionsbestimmung ermöglichen.

Für das System oder die Vorrichtung der Erfindung können jedoch sowohl alternativ als auch in Kombination auch andere an sich bekannte Fühler zur Aufnahme von Positionsund Schwimmlagedaten herangezogen werden, beispielsweise Funkpeiler, Laseranlagen oder Radaranlagen. Diese sind der Deutlichkeit der Beschreibung halber in den Figuren nicht dargestellt.

Die Vorrichtung der Erfindung kann vorzugsweise durch folgende Zusätze erweitert und in ihrer Leistungsfähigkeit gesteigert werden:

609837/0318

'/607446

(1) Automatische Rekonfiguration der Rechner bei Verwendung einer Duplexrechenanlage;

(2) ausfallsichere Rückstufung des Systems auf die lokale Steuerbetriebsweise beim Ausfall des gesamten zentralen Rechnersystems, wobei die lokalen Steuereinheiten über Signalausfalltaster den, Ausfall des zentralen Rechnersystems ermitteln und eigene lokale Programme starten können, und

(3) eine ausfallsichere Windensicherung beim Ausfall der lokalen Steuereinheit und bzw. oder beim Auftreten von Störungen an oder in der Winde selbst, wobei ein solches Sicherungssystem vorzugsweise so ausgelegt ist, dass das Gesamtsystem auch beim völligen Ausfall einer einzelnen Winde weiterhin voll funktionsfähig bleibt.

In der Fig. 3 ist in perspektivischer schematischer Darstellung ein typisches Beispiel für die Ausbildung und den Einsatz der Erfindung dargestellt. Gezeigt ist eine halbversenkte tiefschwimmende Bohrinsel an sich bekannter Bauart, an der die Führung der Halteleinen und die Stellung der Windentrommeln und Windenständer sowie der Führungselemente erkenntlich ist. Rechts oben in Fig. 3 ist in vergrösserter Darstellung einer der Trommelständer für die Halteleinen gezeigt. Dieser Trommelständer ist in den Figuren 4 und in rechtwinklig zueinander stehenden Seitensichten noch einmal vergrössert dargestellt. Da die Figuren präzise und ohne weiteres verständliche Konstruktionszeichnungen sind, ist an dieser Stelle auf eine eingehende Beschreibung der Trommelständer verzichtet. Die Figuren sind für sich als wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Offenbarung zu betrachten. Das gleiche gilt auch für die Figuren 6 bis 9.

In den Figuren 6 und 7 sind in rechtwinklig zueinander

609837/0318

26 074 A B

stehenden Seitensichten nach Art der Figuren 4 und 5 eine alternative Ausbildung des Trommelständers gezeigt, der ebenfalls für sich aus den Zeichnungen heraus verständlich ist und nicht näher beschrieben zu werden braucht.

In den Figuren 8 und 9 ist in rechtwinklig aufeinanderstellenden Seitensichten eine Winde dargestellt, deren wesentliches Merkmal ihre Halterung auf einem Grundrahmen ist. Die in den Figuren gezeigte Winde ist ortsfest auf einem Rahmen C gehaltert, der seinerseits in Längsrichtung der abgehenden Halteleine verschiebbar auf einem Grundrahmen D gelagert ist, der ortsfest auf der Insel befestigt ist. Die Längsverschiebbarkeit der Winde relativ zum Grundrahmen D ist durch Verbindungsglieder B, vorzugsweise Lager, gewährleistet. Die Längsverschiebbarkeit der Winde ist durch Kraftmessdosen eingeschränkt, die die Winde bzw. ihren Träger in vorzugsweise beiden Längsverschiebungsrichtungen vorspannend beaufschlagen. Die an den Kraftmessdosen gemessenen Werte sind direkte Parameter für die Belastung der Halteleinen. Die Dreitrommelwinden selbst sind in den bereits eingangs genannten GB-Patentanmeldungen 52 000/73 und 110/74 im einzelnen beschrieben. Wie ebenfalls bereits erwähnt, werden insbesondere die dort beschriebenen Winden für die Vorrichtung der Erfindung eingesetzt.

609837/0318

Claims (5)

1. Patentansprüche

   hy Vorrichtung zum Festmachen von Schiffen und schwimmenden Inseln aller Art, gekennzeichnet durch Mittel zur Überwachung der durch Einwirkung äusserer Kräfte verursachten Beschleunigung und der in den Halteleinen auftretenden Spannung zur Vorausbestimmung der Drift des Schiffes oder der Insel und durch Mittel zur Steuerung von Winden für die Halteleinen in der Weise, dass diese die Halteleinen so einholen oder freilassen, dass das Schiff oder die Insel ihre Sollposition beibehalten.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Überwachung auf dem Schiff oder auf der Insel und an Windenböcken angeordnete Fühler oder Messwertgeber sind und die Winden ein konstantes Drehmoment aufbringende Zweitrommel- oder Dreitrommelwinden sind.
3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winden durch einen hydraulischen Antrieb angetrieben werden, wobei sämtliche Winden der Vorrichtung von einer einzigen zentralen Kraftquelle aus beaufschlagt sind.
4. 4. Verf-ahren zum Festmachen von Schiffen und schwimmenden Inseln

   609837/Ό318

   ORIGINAL INSPECTED

   aller Art, dadurch gekennzeichnet , dass eine Beschleunigung durch die Einwirkung ausserer Kräfte und die Spannung in den Halteleinen (Ankerleinen) überwacht werden, um daraus die Bewegung vorwegnehmend abzuleiten, und dass die Winden aufgrund dieser Daten so gesteuert werden, dass sie die Halteleine in der Weise aufnehmen oder freigeben, dass das Schiff oder die Insel praktisch stationär auf einer Sollposition gehalten wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Spannung durch Fühler oder Messwertgeber überwacht wird, deren Ausgangssignale an eine zentrale Datenverarbeitungsanlage übertragen werden, die sämtliche Winden der Vorrichtung koordiniert überwacht, steuert und bzw. oder regelt.

   €09837/0318