NO164132B - Fremgangsmaate og maaleutstyr for utlegning av elektriske sterkstroemkabler. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for utlegning av et langstrakt legeme så som en stiv, tung elektrisk sterkstrømkabel i sjøen fra et kabelskip, samt måleutstyr for utførelse av fremgangsmåten. Oppfinnelsen gjelder spesielt måling av: - internt langsgående strekk som foreligger i et langstrakt legeme som passerer ut i sjøen via et utmatnings- eller opptakshjul på et kabelskip, hvilket hjul er festet til skroget pa skipet ved hjelp av et festeutstyr, og/eller - helningsvinkelen ved hvilken det langstrakte legeme forlater eller entrer skipet.

Denne oppfinnelsen angår også måleutstyr

- for maling av det mekaniske strekk i en elektrisk sterk-strømkabel eller i et fleksibelt rør som mates ut eller tas opp av et kabel utiegningsskip ved dype farvann, og/eller for måling av helningsvinkelen som én slik kabel forlater, henholdsvis entrer skipet med.

Det er tidligere kjent ulike utstyr for a måle slike verdier. Når det gjelder strekkmålingsutstyr kan følgende referanser nevnes: - UK patent nr. 743.362 som viser et kabel fasthol dings-, kabelbremse- eller kabel vi kl ingsarrangement som omfatter to trinser montert på en felles roterbar bærer. - Tysk DAS nr. 21.41.095 som angår et kabelutmatningsarrange-ment med ettergivende organer som kompenserer for plutselige endringer i strekket og som også indikerer kabel strekket. - UK patent nr. 1.241.776 som viser en belastningindikator for fortøyningsli ner. Strakk 1appér benyttes for å detektere strekk-kreftene mens det endelige strekket finnes ved å sammenligne det målte resultatet med en ideell kjedelinje-beregni ng. - UK patent nr. 1.422.946 som også angår et forankringsline-system. Her måles strekket i flere forankringsl i ner og sammenlignes i en overvåkende stasjon som også kan gi en visuell fremvisning av resultatet.

Når det angår måleutstyr for helningsvinkelen som kabelen forlater et skip med, er det ikke nevnt noen referanser, men alt kjent utstyr omfatter store mekaniske armer som berører

kabelen og styres av den.

Alle tidligere teknikker som er kjent av oss medfører store ulemper, for eksempel er.de upraktiske i røffe marine omgivelser, de er ikke pålitelige, de er vanskelige å justere, og den oppnådde presisjonen er mye lavere enn ønsket.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte i følge hvilken både det totale kabelstrekk og/eller helningsvinkelen til kabelen finnes uten bruk av kompliserte mekaniske arrangementer soin er fal somme for variable feltforhold.

Et ytterligere formal er å utvikle fremgangsmåter og/eller utstyr som tillater kompensasjon for påvirkninger som skipets akselerasjoner har på de målte verdier.

For I gi en bedre, og mer utvetydig forståelse av foreliggende oppfinnelse, vises til den detaljerte beskrivelse av utførelseseksempler gi tt nedenfor og til de ledsagende tegninger, hvor: Fig. 1.viser hvordan kabelens utmatnings-/opptaksarrangement ombord i skipet er bygget opp rent prinsipielt sett, Fig. 2 viser kre ftene som virker på utlegnings-/opptaks-ar ran gem en t i henhold til Fig. l, Fig..3 viser ved en forenklet kurve hvordan helningsvinkelen a,varierer med verdien av forholdet mellom komponentene til lagerkreftene, og Fig. 4 viser hvordan et utstyr i henhold til foreliggende opprinnelse i prinsippet er bygget opp.

! Fig. 1 er det vist en frontdetalj i skroget til et kabel uti egni ngsski p 1 som, bef i nner seg i sjøen ?. og med et faringshjul 3 festet ved hjelp av et 1agerarrangement 4 i baugen eller akter på skipet I. En kabel 5 som enten føres til sjøen, eller bringes opp fra. sjøen elle.r endog holdes i ro i en ikke bevegelig stilling, bøyes over utiegningshjulet 3 ved området 6 og entrer endelig sjøen ved et punkt 7. På figuren er he1n i n g v in k e1e n vist ved. verdien a. Den totale vekten til kabelen kan være Flere tusen kilo dersom det er dype farvann på stedet. Arrangementet som er vist i Fig. 1 viser ikke noen detaljer som motorer, bremser eller trinser, da dette ikke er nødvendig for å få en god forståelse av oppfinnelsen.

I Fig. 2 er kreftene .og geometrien til utlegnings-utstyret vist ennå enklere, idet alle unødige detaljer er sløyfet. Kreftene Sj og Sq representerer strekket i selve kabelen på hver sin side av hjulet. Kreftene Fx og Fy representerer de detekterte verdier av 1agerkreftene i x- og henholdsvis y- retning. Vinkelen a er atter helningsvinkelen, e0 er virkningsgraden til lageret 4 på grunn av friksjonstap i lageret, og ec er på lignende mate virkningsgraden til kabelen på grunn av interne friksjonskrefter som opptrer når kabelen bøyes rundt hjulet 3. Tapene or nedenfor innbefattet i v irkningsgradverdi en og den totale virkningsgrad ^ tot benyttes i kalkulasjonene som summen av de ovennevnte virkningsgrad-verdier, det vil si:

Dersom kreftene som virker på hjulet betraktes, og antas å være i likevekt, og ingen akselerasjon av hjul, kabel eller skip finner sted, enten. vf or di kabelen befinner seg i ro eller fordi hastigheten som den beveger seg med er konstant, fås følgende forhold:

Og når ligning 2 nå deles med ligning 3 fås en ny ligning:

(Fx)/(Fy) = (So (etot + sin a))/(S0.cos a) =

(<e>tot)/(cos a) + tg a (lign.: 4)

Denne nye ligningen er grafisk fremstilt i Fig. 3 og er vist for to forskjellige verdier av den totale virkningsgrad i systemet, nemlig etot = !»° °9etot = 0.95.

Som det fremgår av disse ligningene er det ulike metoder for å beregne de ønskede verdier avhengig av parametrene som velges eller måles. Den mest direkte metoden er sannsynligvis å måle helningsvinkelen ved hjelp av en spesiell detektor og også å måle to komponenter av de resulterende lagerkrefter direkte, det vil si ved hjelp av veieceller, en for hver komponent. Deretter kan både det mekaniske strekk Sq i kabelen ved sjønivå og den nøyaktige verdien til den totale virkningsgrad for systemet kalkuleres fra ligningene 4 og 2 eller 3.

En annen tilnærming skjer ved å måle bare x og y komponentene til 1agerkreftene og å estimere, ved empiriske metoder, en fornuftig verdi på den totale virkningsgrad utledet fra de totale tap, og fra kalkulasjoner som tilsvarer diagrammet vist i Fig. 3 kan verdien på helningsvinkelen a bestemmes. Dette vil videre føre til en lett beregning av Sq ved hjelp av ligningen 2 eller 3 ovenfor. Da virknings-gradverdien ec er innvolvert i beregningene, vil innflytelsene fra kabelens stivhet på 1 agerkraft-kompo'nentene også tas hensyn til i denne relativt enkle beregningsmetode.

Beregningene ovenfor er basert på den forutsetning at stabile tilstander foreligger. Det vil si at man ikke tar i betraktning eventuelle akselerasjoner. Selvsagt er dette langt fra sannheten, særlig i sjøomgivel ser hvor akselerasjoner forventes i alle retningen. Og akselerasjoner av skipet, av hjulet og av kabelen i seg selv vil påvirke de målte 1agerkraft-komponenter uten å påvirke kabel strekket på lignende måte. Imidlertid er det ikke så vanskelig å kom-pensere for slike akselerasjonskrefter, da de kan detekteres "ed hjelp av akselerometre av kjente typer, og signaler fra disse akselerometrane kan introduseres i systemet og feilene som er gjort kan kompenseres for. De mest alvorlige feil vil forårsakes av ak selerasjonskre fter som skyldes vertikal akselerasjon av det. relativt tunge hjulet 3, o g den virkningen dette kan ha på den målte komponenten Fy. Dette kan kompenseres for ved hjelp av et vertikalt ak selerometer som 17 anbragt nær hjulet 3. Signalene fra dette ak selerometeret kan deretter avveies på en egnet måte og legges til signalet som representerer den målte komponenten Fy. Akselerasjonsvirk-ninger i andre retninger kan kompenseres for på lignende måte, men ar vanligvis ikke regnet for å være så alvorlige.

Vanligvis er de ønskede mekaniske st rekk verdi er de som virkelig foreligger i kabelen. Mye av hensikten'med oppfinnelsen er å detektere de sanne strekkforhold i kabelen for å sikre at den ikke skal bli overbelastet og derfor utsatt for skade.

Hvordan akselerasjonssignalene kan innføres i systemet, er også antydet i Fig. 4 . I Fig. 4 bøyes kabelen 5 over hjulet 3 og i tillegg er det vist det nødvendige utstyr for å oppnå de ønskede verdiene fra de detekterte variablene.

I Fig. 4 er detektorene 10 og 11 veieceller eller lignende detektorer av strekkiapptypen, og de måler kontinuer-lig to ortogonalt rettede komponenter av den resulterende kraft som virker på lageret 4. Det vil si at det er den totale kraft som måles, det vil si at den også omfatter vekten av hjulet 3, vekten av kabeldelen som bæres av hjulet, virkningen fra bøyningen av kabelen som søker å rette seg ut igjen, og alle akselerasjoner og retardasjonskrefter som skyldes akselerasjoner av selve skipet i alle retninger samt akselerasjoner av kabelen og hjulet, det vil si også omfattende akselerasjoner av rotasjonsmessig art.

Et tachometer 12 kan også benyttes for å fastlegge vinkelhastigheten og vinkelakselerasjonen til hjulet 3. Dette tachometer 12 kan anbringes nær sentrum av hjulet som vist, eller det kan være anbragt ved periferien eller ved en.egnet annen plass på kabelen eller kabel trekkingsutstyret.

Signalene som opptrer fra de tre detektorene 10, 11 og 12 føres til en forsterker 15 via forbindelsene 13, 14 og henholdsvis 15..

Som forklart tidligere kan det også innføres minst et akselerometer 17 som detekterer akselerasjoner i minst en retning og sender signaler som representerer denne eller disse akselerasjoner over forbindelsene 19 og 20 til forsterkeren 16 nevnt ovenfor.

Når signalene blir forsterket, fares de til en signalprosessor (22) via en buss 23. Her bl i r signalene omformet til verdier som er tilpasset for fremvisning på display-enhet 24 og registerenhet 25 som er koblet til signalprosessor 22 via forbindelser 26 og 27.

På figuren er det også vist en vinkeldetektor 18 som er vist i mekanisk kontakt med kabel overfl aten og gir en verdi for vinkelen a (Fig. 1 eller 2), og sender denne verdien til forsterkeren 17 via forbindelsesledd 21. Som man ser blir det valgfrie utstyr representert av stiplede linjer i Fig. 4, mens utstyret som kreves for å realisere foreliggende oppfinnelse i sin enkleste form, er vist med fullt opptrukne 1 i njer.

I henhold til foreliggende oppfinnelse finnes ikke verdiene på hel ningsvinkelen og kabelstrekket ved havets overflate direkte ved å måle verdiene på strekket og vinklene i seg selv, men indirekte ved å måle de to forskjellige komponenter av den resulterende mekaniske kraft som virker på lagrene til hjulet 3 og beregne de ønskede verdier fra disse to målinger.

Dersom for eksempel de horisontale og vertikale komponenter til lagerkraften måles, og disse komponenter betegnes som Fx som er komponenten til lagerkraften i horisontal retning og Fy som er komponenten i vertikal retning av lagerkraften, så beregnes de ønskede verdier, det vil si helningsvinkelen a og kabel strekket Sg, begge ved havets overflate, fra de målte verdier som forklart ovenfor. Følgende parametere innvolveres i en ligning som trenges for en mer nøyaktig beregning:

65 = virkningsgraden i 1 ågeret ^ 0, 998

ec = virkningsgrad til kabelen under bøying 90°;s0,99 Sq = strekk i kabel ved havoverflaten

Si = strekk i kabel innenfor føringshjulet 3

wj = traghetsmomentet for hjulet 3 under rotasjon ww = vinkelakselerasjonen til hjulet under rotasjon mw = massen til hjulet

mc = massen til kabelen som er 'koblet' til hjulet ac = akselerasjonen til kabelen.

aw - akserelasjonen av hjulet

Og 'når akselerasjonsvirkningene innbefattes, gjelder følgende ligning under utmatning:

So - Si = tap

Sq wj.ww<+> mc.ac<+>~m^.aw<+> Si/ec.6b (lign.: 5)

Oet Forlanges selvsagt ikke at komponenten som skal måles er arrangert i et ortogonalt ak se system. Hvilke'som helst målinger som utføres i ulike retninger vil gi et utvetydig sett resultater. Imidlertid antas det at det ikke er nødvendig a beskrive øvrige slike metoder da prinsippet forbi i r uforandret mens matematikken blir mer komplisért.

Fordi ec varierer med a, vil en mindre feil i verdien til helningsvinkelen kunne oppstå, men fordi virkningsgraden'ikke vil variere noe særlig for et gitt utstyr, vil den'ende!ige verdien ikke avvike mye fra den korrekte. I virkeligheten er det ved kalkulasjoner funnet at påvirkningen av den endelige vinkelverdi en ikke vil overskride 0,3°. Det vil derfor i en praktisk løsning normalt ikke være nødvendig å ta med variasjonen i faktoren ec med a i betraktningen.

Når denne fremgangsmåten skal benyttes i praksis, er det bare nødvendig å bygge to følere inn i det mekaniske lageret, og lede detekteringene fra disse følere til en.aritmetisk enhet, for eksempel en mikroprosessor, som beregner slutt-verdiene. Dermed vil alle typer av komplisert mekanisk utstyr unngås.

Et måleutstyr i henhold til foreliggende oppfinnelse har den viktige fordelen at det ar meget fleksibelt. Således kan det omfatte trekk som forenkler kompensasjonen av forskjellige feil-kilder og det eksisterer mange av disse. For eksempel forekommer feil på grunn av akselerasjonen til kabelen, akselerasjoner i forskjel 1 ige retninger av skipet 1, og av hjulet 3 og variasjoner i verdiene til tapene som kan forekomme under utlegning eller opptaking av kabelen. Som et eksempel kan det nevnes, at friksjonstapene i selve kabelen ikke bare varierar med kabeltypen, men også med utlegnings-vinkelen, idet utiegningsvinkelen fastlegger graden av bøyning av kabelen, og jo større bøyingen er, desto større er tapene.

Det bør også nevnes at meget gode resultater er oppnådd i et testutstyr ved å male bare verdiene til Fx og Fy komponenten til den resulterende lagerkraft kombinert med en justering av den totale virkningskraft e^ ^ til systemet mellom verdiene 0,95 og .1,0. De kalkulerte verdiene til So og a er deretter funnet å ligge svært nær opp til de virkelige verdiene, det vil si innenFor en grense på 1,0 %.

Beskrivelsen ovenfor representerer bare en foretrukken utførelse. Oppfinnelsen kan varieres innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse angitt av kravene nedenfor. Som modifikasjoner til oppfinnelsen kan følgende trekk nevnes: Registerenheten 25 (Fig. 4) kan implementeres av en skriver som automatisk gir utskrift av strekk, vinkel ved utlegning, og lengde av kabelen som er matet ut, gjerne ved regulære, men justerbare intervaller, for eksempel hvert

tiende sekund eller hvert halve minutt.

Dersom skipet er utstyrt med et ekkolodd, vil målearrange-

mentet i henhold til foreliggende oppfinnelse kunne være tilpasset dette ekkolodd slik at også dybden registreres ved regelmessige intervaller.

Det skal ,også nevnes at den målte verdien kan jevnes ut

slik at ikke momentanverdier, men heller en gjennomsnitts-

verdi får for hvert intervall. En slik utjevning kan lett oppnås ved hjelp av kjent elektronisk filtrering av signalene som representerer de målte verdier eller de kalkulerte funksjoner.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for utlegning av stiv, tung elektrisk sterkstrømkabel (5) i sjøen (2) fra et kabelskip (1), omfattende fortløpende maling av den vinkel a dg det langsgående strekk (S0) hvormed kabelen forlater et føringshjul (3) som er plassert i skipets bau (eller akterstavn), karakterisert ved at kraftkomponenter (Fx,Fy) som påvirker aksen (4) av hjulet i to ulike retninger måles på i og for seg kjent måte og at det, for beregning av den virkelige vinkel a og det virkelige strakk (S0) kabelen (5) har ved passering av føringshjul et (3), dessuten foretas fortløpende fastlegging av måleverdier for akselerasjonen (ac) av kabelen og akselerasjoner (ww,aw) av fgr ingshju1 et (3), fastlegging av parameterverdier (mc) for kabelens masse, føringshjulets masse (mw) og dreiemoment (wi), samt kabelens stivhet og friksjonsarbeidet som utføres ved før ingshju1 ets opplagring og i kabelen når den beveges over hjulet, idet måleverdiene og parameterverdiene føres sammen til en beregningsenhet (16,22), hvor vinkelverdi er og strekkverdier registreres som en funksjon av tiden eller som en funksjon av stedet på kabelen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, og hvor detektorene er mekaniske/elektroniske transducere, og hvor de horisontale- eller vertikale kraft-komponenter måles i ett vertikalt plan, karakter i sart ved at signalene som fås fra detektorene representerer: F x = S\<+> Sq.s i n a Fy = Sg.cos a hvor rx er lagerkraftkomponenten i horisontal (x-) retning, hvor Fy er lagerkraftkomponenten i vertikal (y-) retning, S i er kabelstrekket ov/er hjulet (3) Sq er kabelstrekket nær havoverflaten a er helningsvinkelen nær havoverflaten og at beregningsenhetan (16,22) omfatter en mikroprosessor som ved hjelp av disse ligninger og fra de estimerte verdier av tapene, kalkulerar helningsvinkel 'a og strekket (S q ) til kabelen (5).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 el 1 er 2, karakterisert ved at det fra de malte akselerasjoner (ww,ac,aw) og masser (mw,m,:) til utlegnings/opptaksutstyret og for de kabeldeler som påvirker de detekterte kraftkomponenter, utledes k o m p e n s a r i n g s v e r d i e r som inngår i måleresultatene.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, k a r a k - t e r i s a r t / e d <\ l det fra empiriske verdier på friksjonskraftens i kabelen (5) og i utstyret forøvrig, utledes kompensasjonsverdier som inngår i måleresultatene.

5. Måleutstyr for utførelse av framgangsmåten ifølge krav 1, 2, 3 ellar 4 for å måle helningsvinkelen a ved hvilken kabelen forlater skipet og/eller for å male det langsgående strekk (S0) i en kabel (5) som passerer ned i sjøen (2) via et utlegnings- eller opptaksarrangement (3,4) på at skip (1), karakterisert ved at det omfattar i og for seg kjent måleutstyr, f. aks. elektriske detektorer (10,11) som maler kraft-komponenter (Fx,Fy) langs separate akser til jtlegnings/opptaksarrangementet (3,4), samt minst et aksel er-ometer (17) som måler akselerasjonen (retardasjonen) til kabel ba vegel sene og/eller et akselerometer (17) som måler de lokale akselerasjoner til skipet (1) nær opptaks/utlegnings-arrangementet, (3,4) og at signa leie fra dette ellar disse ak sel erometre ledes til en beregningsenhet (16,22) sammen med de detekterte kraft-komponenter (FX)Fy) for å utlede helningsvinkelen a o g / e 1 1 e r det langsgående strekk (S q ) ved hvilken kabelen (5) forlater skipet (1).