JP2023548724A - 浮いている船の為の動き補償されるパイルガイドを制御する為のシステム及び方法、並びに船 - Google Patents

Abstract

浮いている船の為の動き補償されるパイルガイドを制御する為のシステムであって、モノパイルを海底内に打ち込む間に該モノパイルをその長手方向に案内する為のパイルガイドと、該パイルガイドが取り付けられている船に対して水平方向に該パイルガイド動かす為のアクチュエータと、該アクチュエータを制御する為の制御装置と、ここで、ここで、該制御装置は、モノパイルを海底内に打ち込む間に該パイルガイドの水平方向位置を維持するように、該パイルガイドが取り付けられている該船の動きを補償する為に構成されている、モノパイルを海底内に打ち込む間に垂直方向に対する該モノパイルの傾斜角を決定する為の第１のセンサと、モノパイルを海底内に打ち込む間に該パイルガイドにかかる該モノパイルの実際の力の大きさ及び方向を決定する為の第２のセンサと、を備えており、ここで、該制御装置は、該第１のセンサによって決定された場合に該傾斜角を最小にする為に、該モノパイルにかかる該パイルガイドの所望の力を決定すること、且つ該所望の力が実際の力よりも大きい場合に該実際の力の方向と反対に、該実際の力が該所望の力よりも大きい場合に該実際の力と同じ方向に、該パイルガイドを動かす為に該アクチュエータを制御するように構成されている、該システム。【選択図】図１

Description

本発明は、浮いている船（floating vessel）の為の動き補償されるパイルガイドを制御する為のシステムであって、モノパイルを海底内に打ち込む間に該モノパイルをその長手方向に案内する為のパイルガイドと、該パイルガイドが取り付けられている船に対して水平方向に該パイルガイドを動かす為のアクチュエータと、該アクチュエータを制御する為の制御装置と、ここで、該制御装置は、モノパイルを海底内に打ち込む間に該パイルガイドの水平方向位置を維持するように、該パイルガイドが取り付けられている該船の動きを補償する為に構成されている、を備えているところの上記の浮いている船に関する。

そのようなシステムは、当技術分野で、波によって誘起される動きが補償されるパイルグリッパとして知られている。既存のシステムは、パイルの傾斜及び船の移動の継続的な測定に基づく位置制御を使用する。該既知のシステムのアクチュエータは、パイルガイド又はグリッパを、それが取り付けられた船に対して動かす為のハイドロリックシリンダの１セットを備えている。それにより、該グリッパが、前後揺れ及び横揺れ方向の妨げとなる船の動きを補償することが可能になる。本出願人は、該既知のシステムの制御装置は、海底内にモノパイルを打ち込む間に該モノパイルの貫通深さが増す場合には十分でないことを発見した。貫通工程の進行中、傾斜角がゼロより大きくなると、比較的大きい力が該グリッパに及ぼされ得、この傾斜は、波及び海流の力、不規則的な土壌構造、及び堅固なモノパイル土壌内状態と相まった位置制御の不正確さによって引き起こされうる。該傾斜角を減らす為にグリッパ位置が変位されると、例えば動作範囲の外に出ること又は該グリッパによる過剰な力に起因して該船を範囲外に押し出すことが原因となって、動き補償の為の既存の制御が妨げられうる。該既知のシステムの該制御装置が十分でない別の理由は、該海底内に該モノパイルを打ち込む間に該モノパイルの貫通深さが増す場合に、地中の該モノパイルの「ヒンジ」が固定されることであり、すなわち、該モノパイルがその向きの補正に対してより抵抗するようになる。該海底における該モノパイルの低下するヒンジ効果と相まった動き補償の制御の不正確さの為に、該モノパイルと該グリッパとの間の力が許容できないレベルまで増大しうる。

本発明は、改良されたシステムを提供することを目的とする。

この目的の為に、本発明に従うシステムは、モノパイルを海底内に打ち込む間に垂直方向に対する該モノパイルの傾斜角を決定する為の第１のセンサと、該モノパイルを海底内に打ち込む間に該パイルガイドにかかる該モノパイルの実際の力の大きさ及び方向を決定する為の第２のセンサとを備えており、制御装置は、該第１のセンサによって決定された場合に該傾斜角を最小にする為に、該モノパイルにおける該パイルガイドの所望の力を決定すること、且つ該所望の力が実際の力よりも大きい場合に該実際の力の方向と反対に、該実際の力が該所望の力よりも大きい場合に該実際の力と同じ方向に、該パイルガイドを動かす為に該アクチュエータを制御するように構成されている。

本発明の利点は、該制御装置の構成が、一定の条件下でのみ、該実際の力の方向と反対への該パイルガイドの変位を引き起こすことである。それにより、該パイルガイドにかかる力を許容可能な制限内に保ち、従って、動き制御がその動作範囲の外に出ることを防止する。

該船の動きを補償する為の該制御装置の動作は、動き制御部分として示され得、該所望の力を決定することを通じて該アクチュエータを制御する為の該制御装置の動作は、力制御部分として示されうる。本発明に従う該動き制御部分と該力制御部分の同時の動作は、混合型の制御技術として示されうる。該動き制御部分は、該モノパイルがパイル打ち込み中に垂直方向の向きのままであるときには、該力制御部分なしで機能する。例えば該海底を貫通する間の土壌構造の変化の為に、該モノパイルが傾こうとすると、直ちに該力制御部分も作用するようになる。一方、完全に動きのない状況で、該船が動かない場合、該モノパイルが傾斜した場合にのみ作用しうるのは該力制御部分である。しかしながら、大抵の場合、実際に該動き制御部分と該力制御部分の両方が同時に作用する。

該制御装置は、該所望の力が所定の力レベルを超える場合に、動作条件下で該船の動きを補償する動き制御の妨げを回避する為に、該所望の力が該所定の力レベルに設定されるように構成されうる。従って、該所望の力は、該所定の力レベル未満であるか又はそれに等しい。実際には、該所定の力レベルは固定されたレベルであり得、一方、該所望の力の大きさは、実際の条件、例えば該傾斜角及び該海底の該土壌構造、に応じて変動する。

該所定の力レベルは、該パイルガイドが取り付けられる該船のスラスター（thrusters）の最大パワーに比例しうる。このことにより、動作条件下で該船が該モノパイルから離れる方へ押されるのを防止する。

該船の該スラスターの容量は、該パイルガイドの力容量より小さいものでありうる。短い期間（「バースト」（bursts））の間、この力容量は、該モノパイルを押してその傾斜した向きからその垂直方向の向きに戻す為に使用されることができる。この力制御は、該動き制御部分にとってそれがより好都合であることから、船の作業性に対する制限を設定しうる。

実際的な実施態様において、該アクチュエータは、該制御装置によって制御可能なハイドロリックシリンダ（hydraulic cylinders）の１セットを備えている。

該第２のセンサは、該ハイドロリックシリンダ内の圧力を測定する為の圧力センサを備えうる。代替的には、該実際の力は、該パイルガイド上で１以上のロードピンを用いて測定されうる。

該所望の力は、該パイルガイドを傾斜した向きからモノパイルの垂直方向の向きに動かすように該アクチュエータを制御して、該傾斜角の減少との関係で該実際の力の増加率を決定することによって決定されうる。これは、例えばＰＩＤコントローラを用いて行われることができる。

代替的には、該所望の力は、モノパイルが打ち込まれる海底の土壌構造と、該モノパイルをその傾斜した向きから垂直方向の向きへと動かす為の、該モノパイルにおける該パイルガイドの必要とされる力との関係に基づいて決定されうる。これは、該関係がパイルの打ち込み中に決定される、モデルに基づく計算でありうる。

該制御装置は、該パイルガイドが取り付けられている該船の動きを補償する為のアルゴリズムを備え得、該アルゴリズムは、該所望の力を入力として使用して、該パイルガイドに及ぼされることになる力を予想する。

該システムは、モノパイルを海底内に打ち込む為のハンマーを備え得、ここで、該第１のセンサは該ハンマーに設けられている。

実際的な実施態様において、該第１のセンサは傾斜センサであり、及び該第２のセンサは荷重センサである。

本発明はまた、モノパイルを海底内に打ち込む間に、浮いている船の為の動き補償されるパイルガイドを制御する為の方法であって、ここで、該モノパイルは、該パイルガイドによってその長手方向に案内され、及び該パイルガイドは、該パイルガイドが取り付けられている該船の動きを補償する為に水平方向に動かされ、該モノパイルを該海底内に打ち込む間に、垂直方向に対する該モノパイルの傾斜角と、該パイルガイドにおける該モノパイルの実際の力の大きさ及び方向と、が決定され、検出された傾斜角を最小にする為の該モノパイルにおける該パイルガイドの所望の力が決定され、及び該パイルガイドは、該所望の力が該実際の力よりも大きい場合に該実際の力の方向と反対に、該実際の力が該所望の力よりも大きい場合に該実際の力と同じ方向に動かされる、上記方法に関する。

該所望の力は、該所望の力が所定の力レベルを超える場合に、動き位置制御の妨げを回避する為に、該所定の力レベルに設定されうる。

該所望の力は、該パイルガイドを傾斜した向きから該モノパイルの垂直方向の向きに動かして、該傾斜角の減少との関係で該実際の力の増加率を決定することによって決定されうる。

代替的には、該所望の力は、該モノパイルが打ち込まれる該海底の土壌構造と、該モノパイルをその傾斜した向きから垂直方向の向きへと動かす為の、該モノパイルにおける該パイルガイドの必要とされる力との関係に基づいて決定されうる。

本発明はまた、上記で規定された該システムを備えている船に関する。上記で特定された該動き制御部分及び力制御部分は、該船内のそれぞれ異なる下位モジュール内で実施されうる。

本発明は、以降で例として本発明の実施態様を示す概略図面を参照しながら解説される。

図１は、本発明に従う、動き補償されるパイルガイドを制御する為のシステムの一つの実施態様を含んでいる船の斜視図である。 図２は、図１に示される該船の一部の拡大斜視図である。 図３は、図１の該船に取り付けられた該動き補償されるパイルガイドの上面図である。 図４は、図３の該動き補償されるパイルガイドを制御する為の該システムの一つの実施態様を説明する図である。

図１は、海底Ｓ中にモノパイル２を設置する為の浮いている設置船１を示す。設置船１は、モノパイル２を持ち上げる為のクレーン３を備えている。図１～図３は、該モノパイル２を海底Ｓ内に打ち込む間に該モノパイル２をその長手方向に案内する為の動き補償されるパイルガイド４を示す。該パイルガイド４は、該船１に取り付けられ、船の動きを補償する為に、ハイドロリックシリンダ５の形態のアクチュエータにより該船１に対して水平方向、すなわち長手方向及び横方向又はＸ方向及びＹ方向、に移動可能である。該パイルガイド４は、該モノパイル２を囲む為に周知の方式で開閉されることができる。該パイルガイド４の機能は、動作の開始から、独力で安全に直立して立つように該土壌によって支持されるのに十分に深くハンマーで打ち込まれるまで、該モノパイル２を垂直に設置することである。

動作条件下で、該モノパイル２は、製造施設から洋上の設置場所まで、該船１によって水平方向に輸送される。該モノパイル２が設置される前に、それは、該クレーン３によって逆さまにされ、その後該モノパイル２は該クレーン３から垂直に吊り下がる。その後、該モノパイル２は降下されて該海底Ｓに置かれる。土壌構造に応じて、該モノパイル２は、その重さの為に最初に該海底Ｓをある深さまで貫通しうる。代替的には、該モノパイル２は、独立したシステム又はパイルガイドに組み込まれたアップエンドシステム（図示せず）によって逆さまにされうる。該パイルガイド４は該モノパイル２に連結され、該モノパイル２を該海底Ｓ内に打ち込む為に、パイル打ち込みハンマー６が、該クレーン３によって該モノパイル２の上に置かれる。該パイルガイド４は、該モノパイル２の垂直方向の向きを維持するように、該ハイドロリックシリンダ５によって制御される。そのように浮いている船からモノパイル２を設置することは、ジャッキアップ船よりも高い積載量及びクレーン能力を可能にするが、波によって誘起される船の動き及び厳格なモノパイルの垂直方向の設置許容差の為に、難度が高い。

該設置船１には、該動き補償されるパイルガイド４を制御する為のシステムが備わっており、これは図４の図によって図解される。該パイルガイド４及び該ハイドロリックシリンダ５に加えて、該システムは、該ハイドロリックシリンダ５を制御する為の制御装置７と、該モノパイル２を該海底Ｓ内に打ち込む間に垂直方向に対する該モノパイル２の傾斜角を決定する為の傾斜センサ８と、該モノパイル２を該海底Ｓ内に打ち込む間に該パイルガイド４にかかる該モノパイル２の実際の力の大きさ及び方向を決定する為に該ハイドロリックシリンダ５内の圧力を測定する為の圧力センサ９と、を備えている。図４において、該傾斜センサ８は該モノパイル２の隣に示されているが、代替の実施態様において、それは該パイル打ち込みハンマー６に位置しうる。

該制御装置７は、該モノパイル２を該海底Ｓ内に打ち込む間に該パイルガイド４の水平方向位置を維持するように該船１の動きを補償する為に構成されている。そのような制御は、該パイルガイド４を静止させて配置することを意図する、周知の、従来の能動的な船の動き補償に基づく。それは、該パイルガイド４を該船の動きと正確に反対に動かして、該パイルガイド４が水平方向において静止して立ち、該モノパイル２が直立状態を保つようにする。該船１に作用する該パイルガイド４の力は、該船１の位置決めを妨げうる。それ故に、本発明に従う該制御装置７は、該傾斜センサ８が傾斜角を検出した場合に該傾斜角を最小にする為に、該モノパイル２にかかる該パイルガイド４の所望の力を決定するようにも構成されている。傾斜角の検出に対する該制御装置７の反応は、該パイルガイド４を実際の力の方向と反対に動かすように該ハイドロリックシリンダ５が操作されるものでありうる。しかしながら、この反応は、該所望の力が該実際の力よりも大きいときにのみ起こる。該実際の力が該所望の力よりも大きい場合、該ハイドロリックシリンダ５は、該実際の力と同じ方向に移動するように操作される。後者の条件付き制御工程は、波によって誘起される動きの補償制御がその動作範囲の外に出て、結果として不安定な動き制御になるのを防止する働きをする。

該傾斜角を最小にする為の該モノパイル２にかかる該パイルガイド４の望ましい力は、様々な方法で決定されることができる。例えば、該望ましい力は、該パイルガイド４を傾斜した向きから該モノパイル２の垂直方向の向きに動かすように該ハイドロリックシリンダ５を操作することによって決定され、一方で、該傾斜角の減少との関係で該実際の力の増大が決定される。これはＰＩＤコントローラを用いて実現されることができ、該ＰＩＤコントローラは、傾斜角の減少と該モノパイル２にかかる該パイルガイド４の力との関係を得る為に該ハイドロリックシリンダ５内の圧力を段階的に増大させる。この関係から、該モノパイル２を傾けてその垂直方向の向きに戻す為の該所望の力が導出される。該所望の力は、該パイルガイド４にかかる該モノパイル２の該実際の力と比較される。上述されたように、該ハイドロリックシリンダ５は、該所望の力が該実際の力よりも大きい場合に該実際の力の方向と反対に、該実際の力が該所望の力よりも大きい場合に該実際の力と同じ方向に、該パイルガイド４を動かすように操作される。動作条件下で、該実際の力は、動特性及びシステム慣性及び選択された制御速度に起因して、ある時間遅延、例えば数秒、の差をもって、設定された所望の力に追従しうる。力に対する時間遅延は、該システム／船の動作窓を増しうることが留意される。船は、該船のスラスターが与えることができる力よりも高い、該パイルガイドにかかる、ある時間量、例えば５～８秒、の力を許容する。

該傾斜角を最小にする為に該モノパイル２にかかる該パイルガイド４の該所望の力を決定する代替の方式は、モノパイル２が打ち込まれる海底の土壌構造と、該モノパイル２をその傾斜した向きから垂直方向の向きへと動かす為の、該モノパイル２における該パイルガイド４の必要とされる力との関係に基づく。そのような関係は、該土壌構造及び貫通するモノパイル２のモデルから導出されうる。代替的には、打撃回数と１回の打撃当たりの該モノパイル２の貫通との関係もあり得、それは、該モノパイル２を垂直方向の向きにする力制御の為の特性を定義する為に該海底Ｓでの該モノパイル２の固定を導出する為に、すなわち該所望の力を決定する為に、使用されることができる。

該制御装置７は、該所望の力が所定の力レベルを超える場合に、該所望の力が該所定の力レベルに設定されるように構成されている。該所定の力レベルは、該船１の方位スラスター１０の最大パワーに比例する。このことにより、該システムが該モノパイル２を垂直方向の向きに向かうように押すことを試みるのを防止し、一方で、必要とされる力は、該船１の該方位スラスター１０の最大の力を超える。

本発明は、図面に示されており、上記で説明された実施態様に制限されず、特許請求の範囲及びその技術的均等物の範囲内で種々の様式で変えられうる。

Claims (15)

1. 浮いている船（１）の為の動き補償されるパイルガイド（４）を制御する為のシステムであって、
   モノパイル（２）を海底（Ｓ）内に打ち込む間に該モノパイル（２）をその長手方向に案内する為のパイルガイド（４）と、
   該パイルガイド（４）が取り付けられている船（１）に対して水平方向に該パイルガイド（４）を動かす為のアクチュエータ（５）と、
   該アクチュエータ（５）を制御する為の制御装置（７）と、ここで、該制御装置（７）は、モノパイル（２）を海底（Ｓ）に打ち込む間に該パイルガイド（４）の水平方向位置を維持するように、該パイルガイド（４）が取り付けられている該船（１）の動きを補償する為に構成されている、
   モノパイル（２）を海底（Ｓ）に打ち込む間に垂直方向に対する該モノパイル（２）の傾斜角を決定する為の第１のセンサ（８）と、
   モノパイル（２）を海底（Ｓ）に打ち込む間に該パイルガイド（４）にかかる該モノパイル（２）の実際の力の大きさ及び方向を決定する為の第２のセンサ（９）と、
   を備えており、
   ここで、該制御装置（７）は、該第１のセンサ（８）によって決定された場合に該傾斜角を最小にする為に、該モノパイル（２）にかかる該パイルガイド（４）の所望の力を決定すること、且つ該所望の力が実際の力よりも大きい場合に該実際の力の方向と反対に、該実際の力が該所望の力よりも大きい場合に該実際の力と同じ方向に、該パイルガイド（４）を動かす為に該アクチュエータ（５）を制御するように構成されている、
   該システム。
2. 該所望の力が所定の力レベルを超える場合に、該所望の力が該所定の力レベルに設定されるように、該制御装置（７）が構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 該所定の力レベルは、該パイルガイド（４）が取り付けられる該船（１）のスラスター（１０）の最大パワーに比例する、請求項２に記載のシステム。
4. 該アクチュエータは、該制御装置（７）によって制御可能なハイドロリックシリンダ（５）の１セットを備えている、請求項１～３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 該第２のセンサが、該ハイドロリックシリンダ（５）内の圧力を測定する為の圧力センサ（９）を備えている、請求項４に記載のシステム。
6. 該所望の力が、傾斜した向きからモノパイル（２）の垂直方向の向きに該パイルガイド（４）を動かすように該アクチュエータ（５）を制御し、そして、該傾斜角の減少との関係で該実際の力の増加率を決定することによって決定される、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 該所望の力が、該モノパイル（２）が打ち込まれる海底（Ｓ）の土壌構造と、該モノパイル（２）をその傾斜した向きから垂直方向の向きへと動かす為の、該モノパイル（２）における該パイルガイド（４）の必要とされる力との関係に基づいて決定される、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
8. 該制御装置（７）は、該パイルガイド（４）が取り付けられている該船（１）の動きを補償する為のアルゴリズムを備えられており、該アルゴリズムは、該所望の力を入力として使用する、請求項１～７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 該システムは、モノパイル（２）を海底（Ｓ）内に打ち込む為のハンマー（６）を備えており、ここで、該第１のセンサ（８）は該ハンマー（６）に設けられている、請求項１～８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 該第１のセンサが傾斜センサ（８）であり、及び該第２のセンサが荷重センサ（９）である、請求項１～９のいずれか１項に記載のシステム。
11. モノパイル（２）を海底（Ｓ）内に打ち込む間に、浮いている船（１）の為の動き補償されるパイルガイドを制御する為の方法であって、ここで、該モノパイル（２）は、該パイルガイド（４）によってその長手方向に案内され、及び該パイルガイド（４）は、該パイルガイド（４）が取り付けられている該船（１）の動きを補償する為に水平方向に動かされ、該モノパイル（２）を該海底（Ｓ）内に打ち込む間に、垂直方向に対する該モノパイル（２）の傾斜角と、該パイルガイド（４）における該モノパイル（２）の実際の力の大きさ及び方向とが決定され、検出された傾斜角を最小にする為の該モノパイル（２）における該パイルガイド（４）の所望の力が決定され、及び該パイルガイド（４）は、該所望の力が該実際の力よりも大きい場合に該実際の力の方向と反対に、該実際の力が該所望の力よりも大きい場合に該実際の力と同じ方向に動かされる、該方法。
12. 該所望の力が所定の力レベルを超える場合に、該所望の力が該所定の力レベルに設定される、請求項１１に記載の方法。
13. 該所望の力は、該パイルガイド（４）を傾斜した向きから該モノパイル（２）の垂直方向の向きに動かして、該傾斜角の減少との関係で該実際の力の増加率を決定することによって決定される、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 該所望の力は、該モノパイル（２）が打ち込まれる海底（Ｓ）の土壌構造と、該モノパイル（２）をその傾斜した向きから垂直方向の向きへと動かす為の、該モノパイル（２）における該パイルガイド（４）の必要とされる力との関係に基づいて決定される、請求項１１又は１２に記載の方法。
15. 請求項１～１０のいずれか１項に記載のシステムを備えている船。
    

Images