WO2006056157A1 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung von bewegungen eines schiffes an einer pier - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verringerung von bewegungen eines schiffes an einer pier Download PDF

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Glenn Bannister
Jochen SCHMIDT-LÜSSMANN
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    • B63B21/16—Tying-up; Shifting, towing, or pushing equipment; Anchoring using winches

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing movements of a ship, which is moored to a pier or off-shore platform, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to an apparatus for performing such a method according to the preamble of claim. 7
  • the movement of a ship in wave-powered water is essentially a periodic excitement of a system consisting of the mass of the ship and a corresponding mass of water. Together with the lines and the fenders fastened to the pier or the ship, this results in an oscillatory system which, while oscillating essentially vertically, also contains vibration components in the horizontal direction and performs torsional vibrations.
  • mooring lines must have a certain elasticity, which further increases the vibration capability of the system.
  • the various points of attack of the mooring lines also lead to the coupling of several individual vibration systems.
  • fenders used as springs and dampers that can absorb vibration energy.
  • Conventional fenders are passive components, but their damping properties are very limited.
  • fenders and active systems which are hydraulically actuated.
  • a corresponding active fender is indicated in which a plurality of hydraulic cylinders are used.
  • fenders can only fulfill their function if they are acted upon by the lateral ship pressure. If the ship moves away from the pier, such a fender will be ineffective. Further, he can only use powers which act substantially perpendicular to it, while shear forces can not be damped.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a method and apparatus for reducing movement of a ship that is moored to a pier or off-shore platform, in wave, wind or streamlined waters, with the help of periodic movements of a moored ship can be greatly reduced.
  • the invention relates to a method and a device for reducing movements of a ship, which moves periodically by waves, currents or wind influences.
  • the ship is attached via holding connections to a pier, wherein the clamping forces of the holding connections are controllable by winch drives with adjustable traction.
  • winches are additionally installed, whose winch drives operate as permanently active vibration dampers or vibration absorbers, wherein during fering the. Holding compounds are acted upon with a first tensile force, which is selected higher than a second tensile force to retrieve the holding connections.
  • the invention contemplates the system consisting of the bulk of the ship, the spring elements of attachment to the pier or off-shore platform, and the elasticity of the ship and water in a periodically excited system by waves, wind or currents . oscillatory system whose vibrations are reduced by using a winch system whose drive absorbs the vibration energy of the system.
  • winches are used whose effective length essentially depends only on the length of the rope length present on the winch drum.
  • the pulling force of the winches is different depending on the direction of rotation.
  • the traction of the winches is set considerably higher than when catching. On the one hand, this prevents a ship from being too far away from a pier and, on the other hand, it prevents energy from being returned to the system due to the lower pulling force when collecting.
  • the tensile forces during fishing and when catching are preferably kept constant in each case. This limits the load on the force application points on the ship or at the pier.
  • the tensile forces during fishing and / or when picking depending on the deviation of the ship from the desired position are chosen to different degrees, in particular to reduce the introduction of force in only small movements of the ship. This also reduces the energy required to operate the device.
  • a device uses controllable winches, which are subjected to a first tensile force during firing, which is higher than a second tensile force for recovering the retaining connections.
  • the winches are driven hydraulically or electrically.
  • FIG. 2 is a schematic front view of a ship attached to a pier
  • Fig. 5 is an illustration of the resulting vibrations of a ship compared to undamped vibrations.
  • Fig. 1 shows a ship 1 moored to mooring lines 6, 7, 8, 9 at Pollem 2, 3, 4, 5 on a pier or off-shore platform.
  • the inventive principle of vibration damping or erosion is installed on the pier in addition to the usually provided at the pier bollards or hooks that hold the mooring lines.
  • Fig. 2 shows a front view of a ship 1 at a pier.
  • standard fenders 10 are provided.
  • the attachment of the ship by means of mooring lines 7, the pier workedes end is fixed to the bollard or hook.
  • winches 12 which act on ropes 11 to the ship.
  • Fig. 3 shows the principle diagram of a wind formation of a hydraulic jack.
  • a driven by a motor 16 pump 15 sucks oil from an oil tank 20 and pumps the oil through the winch motor 14 and back 20 into the oil reservoir, the motor 14 drives the winch drum 13
  • the overpressure valve 17 determines the tensile force with which the ship can be overtaken via the winch drum 13.
  • the overpressure valve 18 determines with which pulling force a mooring line can be launched via the winch drum 13
  • Check valve 21 prevents the motor 14 from returning power to the pump 15.
  • the winch drive for the compensation of periodic oscillations according to the invention is constantly active, and high energies are to be destroyed, considerable waste heat losses, the z. B. can be removed via an oil cooler 19.
  • the winches In order to achieve the most direct possible coupling of the winches to the ship's movement, very stiff cables, in particular steel cables, are used.
  • the winches should be arranged so that the lengths of the ropes are as short as possible in order to introduce any additional spring elements in the system.
  • Fig. 4 shows the force relationships in a graph in which for negative velocities V, ie when firing, a force of about 6 x 10 5 Newton is applied, while in the recovery of the mooring line, the tensile force is 5 x 10 4 Newton.
  • the tractive forces are each substantially constant regardless of the speed.
  • the system of the invention is arranged to readily handle speeds of up to 4 meters per minute.
  • the thin solid line shows the vibration behavior of a ship in the horizontal direction perpendicular to the pier in an undamped ship without the use of winches invention and the thick solid representation of the course of movement of the ship when using the winches of the invention.
  • the graph clearly shows the significant improvement through the use of the invention.
  • the amplitude of the ship's movement could be reduced from about 1 m to less than 0.2 m. This ensures that the mooring lines are charged significantly less, and thus age much slower.
  • the ship does not move so far away from the pier, so that the end of the Spring travel. the fender is not reached. This can also prevent ship's longitudinal movements.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung von Bewegungen eines Schiffes, das an einer Pier oder Off-shore-Plattform festgemacht ist, in wellen-, wind- oder strömungsbewegten Gewässern, wobei das Schiff (1) zusätzlich zu den üblichen Festmacherleinen (6, 7, 8, 9) mittels wenigstens zweier Halteverbindungen (11) an der Pier befestigt ist, und wobei die Spannkräfte der Halteverbindungen über Windenantriebe (12, 13) mit einstellbarer Zugkraft steuerbar sind. Erfindungsgemäß werden die Windenantriebe als aktive Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger eingesetzt, indem die Halteverbindungen beim Fieren mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt werden, die höher als eine zweite Zugkraft zum Einholen der Halteverbindungen gewählt ist. Durch den Einsatz der Erfindung lassen sich periodische Schwingungen eines Schiffes an einer Pier erheblich verringern.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung von Bewegungen eines
Schiffes an einer Pier
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Bewegungen eines Schiffes, das an einer Pier oder Off-shore-Plattform festgemacht ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Die Be- und Entladung von Schiffen erfolgt in der Regel in geschützten Häfen, in denen Seegang und Strömungen nur geringen Einfluss auf die Position des Schiffes beim Be- und Entladen haben. Große Schiffe, wie z. B. Öl- oder Gastanker, werden heute jedoch oft an Kaianlagen be- und entladen, die sich nicht in Häfen oder geschützten Küstenbereichen befinden. Auch aus Sicherheitsgründen befinden sich Anleger für große Schiffe häufig weit vor der Küste bis in den Offshore-Bereich hinein. Solche Schiffe sind daher, wenn sie am Anleger festgemacht sind, erheblichen Wind-, Wellen- und Strömungskräften ausgesetzt.
Auch unter Berücksichtigung erheblicher Sicherheitszuschläge kommt es immer wieder vor, dass Festmacherleinen brechen und unerwünschte Bewegungen des Schiffes an der Pier auftreten. Dadurch können Be- und Entladevorgänge erheblich beeinträchtigt werden. Bei starkem Seegang und großen Windstärken müssen daher Lade- und Entladevorgänge daher häufig unterbrochen werden. Die auftretenden Ausfallzeiten führen zu erheblichen Kosten, die vermieden werden sollten.
Um die Positionierung eines Schiffes an einer Pier zu verbessern, und insbesondere Strömungseinflüssen entgegenzutreten, ist es aus der DE 43 03 829 C2 bekannt geworden, die der Festlegung des Schiffes dienenden Festmacherleinen über Winden zu führen, wobei detektierte Positionsveränderungen des Schiffes erfasst und zur Ausregelung einem Regelungskreis zugeführt werden, der die Antriebe der Winden derart steuert, dass eine Sollwertpositionierung eingenommen wird. Durch dieses Verfahren wird eine im Wesentlichen statische Verbesserung der Positionierung eines Schiffes erreicht, die anderenfalls über eine manuelle Neufestlegung der Festmacherleinen durchgeführt werden müsste. Bei diesem bekannten Verfahren werden insbesondere hydraulisch angesteuerte Konstantzugwinden verwendet, um die Größe der Zugkräfte zu begrenzen. Das dort vorgeschlagene System ist nicht in der Lage, Wellenbewegungen des Schiffes auszugleichen.
Bei der Bewegung eines Schiffes im wellenbewegten Wasser handelt es sich im Wesentlichen um eine periodische Erregung eines Systems, bestehend aus der Masse des Schiffes und einer entsprechenden Masse Wasser. Zusammen mit Leinen und den an der Pier oder am Schiff befestigten Fendern ergibt sich damit ein schwingungsfähiges System, das zwar im Wesentlichen vertikal schwingt, das jedoch auch Schwingungskomponenten in horizontaler Richtung enthält sowie Drehschwingungen ausführt. Aus Sicherheitsgründen müssen Festmacherleinen eine gewisse Elastizität aufweisen, welches die Schwingungsfähigkeit des Systems weiter erhöht. Die verschiedenen Angriffspunkte der Festmacherleinen führen ferner zur Kopplung mehrerer einzelner Schwingsysteme. Wenn die Schiffsbewegungen in Querrichtung so groß werden, dass die verwendeten Fender an das Ende ihres Federweges kommen, tritt auch der Effekt ein, dass die Schiffe anfangen, sich in Längsrichtung zu bewegen. Unter solchen Umständen muss ein Lade- und Löschvorgang ebenfalls u. U. unterbrochen werden, weil die zum Laden- und Beladen benötigten Ladeeinrichtungen an die Grenzen ihres zulässigen Arbeitsbereiches kommen.
Horizontale Schwingungen eines Schiffes, das an einer Pier festgemacht ist, werden im Wesentlichen von den verwendeten Fendern aufgefangen. Bei entsprechender Auslegung wirken solche Fender als Federn und Dämpfer, die Schwingungsenergie aufnehmen können. Bei üblichen Fendern handelt es sich um passive Bauelemente, deren Dämpfereigenschaft allerdings stark begrenzt ist.
Zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften von Fendern sind auch aktive Systeme bekannt geworden, die hydraulisch betätigt werden. In der US 4,137,861 ist ein entsprechender aktiver Fender angegeben, bei dem mehrere Hydraulikzylinder verwendet werden. Solche Fender können ihre Funktion allerdings nur dann erfüllen, wenn sie vom seitlichen Schiffsdruck beaufschlagt sind. Wenn das Schiff sich etwas von der Pier entfernt, ist ein solcher Fender wirkungslos. Ferner kann er nur Kräfte aufnehmen, die im Wesentlichen senkrecht auf ihn einwirken, während Scherkräfte nicht abgedämpft werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung von Bewegung eines Schiffes, das an einer Pier oder Off-shore- Plattform festgemacht ist, in wellen-, wind- oder strömungsbewegten Gewässern anzugeben, mit deren Hilfe periodische Bewegungen eines festgemachten Schiffes stark reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung von Bewegungen eines Schiffes, das sich durch Wellen, Strömungen oder Windeinflüsse periodisch bewegt. Das Schiff ist über Halteverbindungen an einer Pier befestigt, wobei die Spannkräfte der Halteverbindungen über Windenantriebe mit einstellbarer Zugkraft steuerbar sind. Erfindungsgemäß werden zusätzlich Winden installiert, deren Windenantriebe als permanent aktive Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger arbeiten, wobei beim Fieren die. Halteverbindungen mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt werden, die höher als eine zweite Zugkraft zürn Einholen der Halteverbindungen gewählt ist.
Die Erfindung betrachtet das System, bestehend aus der Masse des Schiffes, den Federelementen der Befestigung an der Pier oder Off-shore-Plattform sowie der Elastizität von Schiff und Wasser in einem durch Wellen, Wind oder Strömungen periodisch angeregten System als . schwingungsfähiges System, dessen Schwingungen dadurch reduziert werden, dass ein Windensystem verwendet wird, dessen Antrieb die Schwingungsenergie des Systems aufnimmt.
Um die Amplitude der Schiffsbewegung zu reduzieren, ist es daher notwendig, den durch die Wind- und Wellenkräfte erzeugten Bewegungen des Schiffes durch geschwindigkeitsabhängige Kräfte auf das System entgegenzuwirken. Da das System allerdings nur sehr niedrig frequente Schwingungen ausführt, müssten einfache passive Dämpfer außerordentlich hohe Dämpfungskonstanten aufweisen, um das System wirksam zu beeinflussen. Aktive, in Fendern eingebaute Dämpfer weisen jedoch nur beschränkte Einsatzmöglichkeiten auf.
Bei dem erfindungsgemäßeri Verfahren werden Winden verwendet, deren Wirkungsstrecke im Wesentlichen nur von der Länge der auf der Windentrommel vorhandenen Seillänge abhängt. Von besonderer Wirksamkeit für die Zwecke der Erfindung ist es, dass die Zugkraft der Winden abhängig von der Drehrichtung unterschiedlich groß ist. Beim Fieren, d. h. beim Ausfahren der Festmacherleinen, ist die Zugkraft der Winden erheblich höher als beim Einholen eingestellt. Damit wird einerseits verhindert, dass ein Schiff sich zu weit von einer Pier entfernt, und andererseits wird aufgrund der geringeren Zugkraft beim Einholen verhindert, dass dem System wieder Energie zugeführt wird.
Um eine möglichst direkte Kopplung der Winden an die Schiffsbewegungen zu erreichen, werden vorzugsweise sehr steife Seile, insbesondere Stahlseile, verwendet.
Die Zugkräfte beim Fieren und beim Einholen werden vorzugsweise jeweils konstant gehalten. Damit wird die Belastung der Krafteinleitungspunkte auf dem Schiff bzw. an der Pier begrenzt. In einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Zugkräfte beim Fieren und/oder beim Einholen abhängig von der Abweichung des Schiffes von der Sollposition unterschiedlich stark gewählt werden, insbesondere um die Kraftein leitung bei lediglich kleinen Bewegungen des Schiffes zu reduzieren. Dies senkt auch den erforderlichen Energieaufwand zum Betrieb der Vorrichtung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet steuerbare Winden, die beim Fieren mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt werden, die höher als eine zweite Zugkraft zum Einholen der Halteverbindungen ist. Vorzugsweise werden die Winden hydraulisch oder elektrisch angetrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein an einer Pier befestigtes Schiff in Aufsicht,
Fig. 2 eine schematische Vorderansicht eines an einer Pier befestigten Schiffes,
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm eines Hydraulikantriebs,
Fig. 4 eine Darstellung der idealisierten Kräfteverhältnisse, und
Fig. 5 eine Darstellung der resultierenden Schwingungen eines Schiffes im Vergleich zu ungedämpften Schwingungen.
Fig. 1 zeigt ein Schiff 1, das über Festmacherleinen 6, 7, 8, 9 an Pollem 2, 3, 4, 5 an einer Pier oder Off-shore-Plattform festgemacht wurde. Das erfindungsgemäße Prinzip der Schwingungsdämpfung oder -tilgung wird zusätzlich zu den üblicherweise an der Pier vorgesehenen Pollern oder Haken, die die Festmacherleinen aufnehmen, auf der Pier installiert.
Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht eines Schiffes 1 an einer Pier. Um einen definierten Anschlag des Schiffes 1 an der Pier festzulegen, sind standardmäßige Fender 10 vorgesehen. Die Befestigung des Schiffes erfolgt mittels Festmacherleinen 7, deren pierseitiges Ende an Poller oder Haken festgemacht ist. Zusätzlich befinden sich auf der Pier (mindestens 2) Winden 12, die über Seile 11 auf das Schiff wirken. Obgleich in der Figur dargestellt ist, dass die Winde 12 sich auf der Pier befinden, wird die Funktion der Erfindung in gleicher Weise gewährleistet, wenn sich die Winden 12 alternativ auf dem Schiff befinden.
"Fig. 3 zeigt das Prinzipdiagramm einer Windenausbildung einer hydraulischen Winde. Eine von einem Motor 16 angetriebene Pumpe 15 saugt Öl aus einem Ölbehälter 20 und pumpt das Öl durch den Windenmotor 14 und wieder zurück in den Ölbehälter 20. Der Motor 14 treibt die Windentrommel 13 an. Das Überdruckventil 17 legt die Zugkraft fest, mit der das Schiff über die Windentrommel 13 eingeholt werden kann. Umgekehrt legt das Überdruckventil 18 fest, mit welcher Zugkraft eine Festmacherleine über die Windentrommel 13 gefiert werden kann. Das Rückschlagventil 21 verhindert, dass der Motor 14 Rückleistung an die Pumpe 15 zurückführt.
Da der Windenantrieb zum erfindungsgemäßen Ausgleich periodischer Schwingungen ständig aktiv ist, und hohe Energien zu vernichten sind, entstehen erhebliche Abwärmeverluste, die z. B. über einen Ölkühler 19 abgeführt werden können.
Um eine möglichst direkte Kopplung der Winden an die Schiffsbewegung zu erreichen, werden sehr steife Seile, insbesondere Stahlseile, verwendet. Außerdem sollten die Winden so angeordnet sein, dass die Längen der Seile möglichst kurz sind, um keine zusätzlichen Federelemente in das System einzubringen.
Obgleich in Fig. 3 eine hydraulische Ausbildung der Winden dargestellt ist, können alternativ auch elektrische Winden verwendet werden.
Fig. 4 zeigt die Kraftverhältnisse in einer Grafik, bei der für negative Geschwindigkeiten V, d. h. beim Fieren, eine Kraft von etwa 6 x 105 Newton aufgebracht wird, während beim Einholen der Festmacherleine die Zugkraft bei 5 x 104 Newton liegt. Die Zugkräfte sind jeweils im Wesentlichen konstant, unabhängig von der Geschwindigkeit. Das erfindungsgemäße System ist so eingerichtet, dass es Geschwindigkeiten von bis zu 4 m pro Minute ohne weiteres verarbeiten kann.
Fig. 5 zeigt das Ergebnis durchgeführter Modellrechnungen der Schiffsbewegungen in Metern über die Zeit in Sekunden. Die dünn durchgezogene Linie zeigt das Schwingungsverhalten eines Schiffes in horizontaler Richtung senkrecht zur Pier bei einem ungedämpften Schiff ohne Einsatz der erfindungsgemäßen Winden und die dick durchgezogene Darstellung den Bewegungsverlauf des Schiffes bei Einsatz der erfindungsgemäßen Winden. Die Grafik zeigt deutlich die erhebliche Verbesserung durch den Einsatz der Erfindung. Die Amplitude der Schiffsbewegung konnte von ca. 1 m auf unter 0,2 m reduziert werden. Damit wird erreicht, dass die Festmacherleinen erheblich weniger belastet werden, und damit auch sehr viel langsamer altern. Ferner bewegt sich das Schiff nicht mehr so weit von der Pier weg, so dass das Ende des Federweges . der Fender nicht erreicht wird. Damit lassen sich auch Schiffsiängsbewegungen unterbinden.
Bezugszeichen
I Schiff
2-5 Poller oder Haken 6-9 Leinen 10 Fender
I I Stahlseil
12 Dämpfungseinheit
13 Windentrommel
14 Motor
15 Pumpe
16 Motor
17 Überdruckventil
18 Überdruckventil
19 Ölkühler 0 Ölbehälter 1 Rückschlagventil

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Verringerung von Bewegungen eines Schiffes (1 ), das an einer Pier oder Off-shore-Plattform festgemacht ist, in wellen-, wind- oder strömungsbewegten Gewässern, wobei das Schiff zusätzlich zu den üblichen Festmacherleinen (6, 7, 8, 9) mittels wenigstens zweier Halteverbindungen (11) an der Pier oder Off-shore-Plattform befestigt ist, und wobei die Spannkräfte der Halteverbindungen über Windenantriebe (12, 13) mit einstellbarer Zugkraft steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung von periodischen Bewegungen des Schiffes die Windenantriebe als permanent wirkende aktive Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger eingesetzt sind, und dass die Halteverbindungen beim Fieren mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt werden, die höher als eine zweite Zugkraft zum Einholen der Halteverbindungen gewählt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteverbindungen Festmacherleinen mit hoher Steifigkeit sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festmacherleinen Stahlseile oder Kunststoffseile sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Windenantriebe derart gesteuert sind, dass die ersten und/oder zweiten Zugkräfte entlang der Zugstrecke der Halteverbindungen im Wesentlichen konstant gehalten sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zugkraft ausgehend von einer Neutralposition der Zugkraft mit zunehmender Zugstrecke ansteigend gewählt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zugkraft ausgehend von einer Neutralposition der Zugkraft mit zunehmender Zugstrecke abfallend gewählt ist. 7. Vorrichtung zur Verringerung von periodischen Bewegungen eines Schiffes, das an einer Pier oder Off-shore-Plattform festgemacht ist, in weilen-, wind- oder strömungsbewegten Gewässern, bei dem das Schiff zusätzlich zu den üblichen Festmacherleinen (6,
7, 8, 9) mittels wenigstens zweier Halteverbindungen (11) an der Pier oder Off-shore-Plattform befestigbar ist, und wobei die Halteverbindungen über winden (12, 13) mit einstellbarer Zugkraft geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkraft der permanent aktiven Winden derart steuerbar ist, dass die Halteverbindungen beim Fieren mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt sind, die höher ist als eine zweite Zugkraft zum Einholen der Halteverbindungen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Winden hydraulisch angetrieben sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Winden elektrisch angetrieben sind.
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