Entscheidungen im Entwurf und Betrieb von Schiffen und Offshore-Plattformen werden zunehmend von Simulationsergebnissen unterstützt, etwa beim Nachweis der Erfüllung von Vorschriften.
Der folgende Artikel gibt einen Überblick über Anwendungen von Simulationen in der Offshore-Industrie, wobei der Fokus auf den damit[ds_preview] verbundenen Vorteilen für die Geschäftsprozesse der Kunden liegt. Die Simulationen werden angewandt auf feststehende und schwimmende Offshore-Plattformen, in der Offshore-Industrie eingesetzte Schiffe wie Versorgerschiffe sowie Teilsysteme, beispielsweise in der Ausrüstung. Der Nutzen von Simulationen für Geschäftsprozesse betrifft Umweltverträglichkeit, hohe Verfügbarkeit, Nachweis der Erfüllung von Vorschriften und mehr Freiheit bei innovativen Systemen. Die Rolle verschiedener Simulationsfelder (wie Struktur, Lärm und Vibrationen, Strömungsmechanik, Prozesstechnik usw.) in diesem Zusammenhang wird durch verschiedene Anwendungen aus Projekten des Germanischen Lloyd (GL) veranschaulicht.
1. Einleitung
Traditionell werden Entscheidungen im Entwurf und Betrieb von Schiffen und Offshore-Plattformen nach Erfahrung gefällt. Daran wird sich auch in Zukunft im Prinzip nichts ändern. Aber zunehmend greifen wir auf »virtuelle Erfahrung« in Form von Simulationen zurück. Umfang und Leistungsfähigkeit dieser Simulationen haben sich über die letzten zehn Jahre sehr dynamisch entwickelt. In früheren Veröffentlichungen haben wir uns mehr auf die technischen Details von Simulationen konzentriert (Bertram, 2009a, b). An dieser Stelle wollen wir daher eher auf den Nutzen moderner Simulationstechnik aus Kundensicht eingehen. »Kunden« können Entwerfer, Werften oder Betreiber von Offshore-Systemen sein, die bei der Abwicklung von ihren Projekten auf die spezielle Expertise von Simulationsexperten zurückgreifen. Aus Kundenperspektive unterstützen Simulationen die Geschäftsprozesse im Offshore-Bereich vor allem in den folgenden Punkten:
• hohe Umweltverträglichkeit
• hohe Verfügbarkeit / Auslastung
• Innovation
• Compliance
Diese Aspekte werden im Weiteren näher erläutert.
2. Hohe Umweltverträglichkeit
Unfälle wie die des Tankers »Exxon Valdez« und der Ölplattform »Deepwater Horizon« haben weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Industrie. Neben den direkten Schadenersatzansprüchen gibt es indirekte Verluste durch den Imageschaden, der das Käuferverhalten beeinflusst. Dementsprechend spielen Sicherheit und Umweltschutz eine hohe Rolle in der Ölindustrie. Diese Aspekte betreffen sowohl den Entwurf wie auch den Betrieb.
Offshore-Strukturen sollten von vornherein ausreichend fest ausgelegt werden, auch im Hinblick auf selten auftretende Lasten. Internationale und nationale Vorschriften sowie die Regeln der Klassifikationsgesellschaft geben hierbei Anhaltspunkte für die anzusetzenden Extremlasten, z. B. die höchsten Wellen, die in diesem Teil der Weltmeere innerhalb von 100 Jahren zu erwarten sind. Die Wahrscheinlichkeit, mit der derartige Worst-Case-Szenarien auftreten, ist Gegenstand weltweiter Expertendiskussionen und nimmt an Bedeutung zu, die Thematik soll aber an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt werden. In der Praxis folgt der Simulationsexperte den Kundenspezifikationen oder gängigen Vorgaben, wie etwa den Klassifikationsvorgaben.
In den meisten Strukturanalysen sind die Lastannahmen die größte Fehlerquelle bzw. Unsicherheit. Möglichst genaue Strukturanalysen erfordern daher in der Regel vorab spezielle hydrodynamische Simulationen, um die örtlich und zeitlich veränderlichen Lasten zu bestimmen. Dazu werden verschiedene Methoden eingesetzt:
• Langfristige Verteilungen der Seegangslasten für Betriebsfestigkeitsanalysen, auf Basis linearer Verfahren zum Seeverhalten von Schiffen und Offshore-Plattformen in Wellen (Bertram und Gualeni, 2011)
• Extrem hohe Wellen auf der Basis von RANSE-Lösern (RANSE = Reynolds-averaged Navier-Stokes equations), (El Moctar et al., 2007)
• Hydrodynamische Stoßlasten, ebenfalls mit RANSE-Lösern bestimmt. Stoßlasten treten bei Slamming und Sloshing auf (Bertram et al., 2003; Peric et al., 2007). In den meisten Fällen wird bei den Simulationen eine schwache Fluid-Struktur-Wechselwirkung angenommen, d.h. die hydrodynamische Simulation bestimmt die Lasten für die Strukturanalyse. Eine starke Wechselwirkung, die auch den Einfluss der Verformung auf die Strömung erfasst, wird nur in Ausnahmefällen berücksichtigt (Oberhagemann et al., 2008; El Moctar et al., 2011), beispielsweise bei globalen wellenerregten Schiffsvibrationen (»Springing« und »Whipping« genannt) oder bei Sloshing-Problemen an recht biegeweichen Membran-Tanks.
Finite-Element-Analysen (FEA) zur Überprüfung der Festigkeit von Strukturen sind inzwischen Industriestandard und werden vielfältig im Entwurf eingesetzt. Globale Festigkeitsanalysen im linear-elastischen Bereich des Materials werden bei uns täglich eingesetzt zur Analyse von Schiffen, Plattformen und diversen Teilsystemen (z. B. Getrieben, Maschinen, Krane, Steigerohren, Pipelines usw.).
Für Plattformen und FPSOs (Floating-Production-Storage-Offloading-Schiffe) werden häufig noch zusätzlich anspruchsvollere Analysen durchgeführt, z. B. Betriebsfestigkeitsanalysen und Kollisionsanalysen. Letztere tragen zur Verbesserung der (passiven) Sicherheit gegen Ölleckagen bei. Aufbauend auf umfangreichen Kollisionsanalysen hat der Germanische Lloyd als erste Klassifikationsgesellschaft einen Standard zur Bewertung und Genehmigung alternativer Konstruktionskonzepte bei Tankern entwickelt (Zhang et al., 2004). Derartige Kollisionsanalysen werden heute regelmäßig durchgeführt, um Schiffen das Zusatzklassezeichen »COLL« zu verleihen, und bei Offshore-Windparks, bei denen behördlich ein Nachweis der Kollisionsfreundlichkeit verlangt wird.
Häufig werden inzwischen auch Betriebsentscheidungen auf Simulationen abgestützt. Dies betrifft insbesondere die Reaktion auf Unfälle. Der Fortschritt bei den Simulationstechniken und der Rechnerleistung hat zu Anwendungen in jüngerer Zeit geführt, die früher überhaupt nicht untersucht werden konnten oder bei denen man auf teurere und/oder weniger genaue Modellversuche zurückgriff, zum Beispiel:
Schleppen beschädigter Strukturen
Nach einem Unfall müssen beschädigte Schiffe oder Halbtaucher-Plattformen zur Reparatur in einen Hafen geschleppt werden. Dabei hat der Unfall in der Regel Festigkeit, Freibord und Stabilität der Struktur verringert. Dies muss beim Anbringen der Schleppverbindungen berücksichtigt werden. CFD-Simulationen (computational fluid dynamics) für Schleppverbände im Seegang sind Stand der Technik für die hydrodynamischen Aspekte. Finite-Element-Analysen bestimmen die Belastungen innerhalb der beschädigten Struktur, wobei der tatsächliche Zustand der Struktur einschließlich Abrostung berücksichtigt werden sollte.
Ölaustritt
Mehrphasenströmungen, d.h. Strömungen mit verschiedenen Medien unterschiedlicher Dichte und Viskosität, können von den meisten kommerziellen CFD-Programmen simuliert werden. Für Ölaustrittsprobleme werden dann Öl und Wasser, manchmal auch noch die Luft (wenn die Wellenbildung oder Sloshing erfasst werden soll), als Medien simuliert. Vasconcellos und Alho (2012) stellen eine derartige Anwendung für einen Ölaustritt bei einem FPSO-Schiff vor.
Gasausbreitung
Für den Simulationsexperten sind Gas- und Ölausbreitung sehr ähnlich. Die gleiche Software kommt zum Einsatz, nur werden Dichte und Viskosität den Gasen entsprechend anders angesetzt. Zusätzlich müssen bei Gasen (insbesondere heißen Abgasen) thermische Prozesse und thermischer Auftrieb im Modell erfasst werden. Derartige Simulationen können externe Strömungen betreffen, beispielsweise in der Nähe von Unterkünften und Helikopterdecks auf Plattformen, oder interne Strömungen in geschlossenen Unterkünften und Arbeitszonen. Die Simulationen können auch extreme Temperaturen und Geschwindigkeiten (einschließlich Überschallströmungen) abbilden, etwa bei explosiven Leckagen.
Feuer
Für Feuersimulationen kommen vereinfachte zonale Modelle und aufwendigere CFD-Simulationen zum Einsatz. Zonale Modelle sind schneller und erlauben die Simulation größerer Abschnitte mit mehreren Kabinen und Decks; allerdings gibt es manchmal numerische Probleme für große Räume, die sich über mehrere Decks erstrecken, bei der Modellierung der Klimaanlage und beim Flash-over in benachbarte Räume. CFD-Modelle liefern detaillierte Information über Temperaturen, Wärmefluss und Rauchgaskonzentrationen. Die erforderlichen Rechenzeiten begrenzen CFD-Simulationen bislang auf kleinere Abschnitte und kürzere Echtzeitsimulationen. Trotzdem sind bereits praxisrelevante Simulationen für komplexe Räume möglich, (Bertram et al., 2004).
3. Hohe Verfügbarkeit
Bei Offshore-Strukturen kommen Ausfallzeiten meist viel teurer zu stehen als bei Handelsschiffen. Entsprechend wird mehr Aufmerksamkeit auf die verlässliche Verfügbarkeit dieser Strukturen gerichtet. Dabei gibt es drei wesentliche Ansätze: Entwurf und Konstruktion (robuste Systeme), Inspektion und Wartung (z.B. zustandsgerechte Wartung, um Ausfälle zu vermeiden) und schnelle Problembehebung nach einem Ausfall. Bei allen drei Ansätzen können uns Simulationen helfen:
Entwurf robuster Systeme
Formelle Risikoanalysen (z.B. FMEA = failure mode and effect analyses) werden vielseitig zur Beurteilung von Offshore-Systemen eingesetzt. »Systeme« in diesem Zusammenhang können technische Objekte sein, aber auch Prozeduren. Betriebliche risikomindernde Maßnahmen tragen häufig signifikant zur Erhöhung der Verfügbarkeit bei. Ein typisches Beispiel ist die Angabe von Einsatzgrenzen (Seestärken) für Installation, Wartung oder Betrieb, sowohl bei Offshore-Strukturen (wie Plattformen und FPSOs) als auch bei Versorgern und anderen Arbeitsschiffen. Derartige Einsatzgrenzen werden häufig nach Simulationen festgelegt, z. B. Simulationen des Seeverhaltens. Die Wahl des Simulationsmodells hängt dabei von vielen Aspekten ab, wie der erforderlichen Genauigkeit, der Form (schlankes Einrumpfschiff, Katamaran, völlige breite Plattform, hydrodynamisch »transparente« Jack-up-Strukturen, usw.) und der Geschwindigkeit (Bertram und Gualeni, 2011). Zunehmend werden anspruchsvolle viskose CFD-Simulationen eingesetzt, die auch brechende Wellen realistisch modellieren können.
Eine andere typische Offshore-Anwendung sind Betriebsfestigkeitsanalysen, die Lastspektren auf bestimmte Einsatzorte zugeschnitten berücksichtigen können. Kritische Bauteile werden so bereits in der Konstruktionsphase untersucht und gegebenenfalls umkonstruiert, um spätere teure Ausfälle zu vermeiden. Derartige Analysen sind auch empfehlenswert, wenn Offshore-Strukturen länger als ursprünglich vorgesehen betrieben werden sollen.
Inspektion und Wartung
Bei manchen Teilsystemen wird Verschleiß oder Abrostung bewusst in Kauf genommen, da der Austausch dieser Systeme wirtschaftlicher ist als eine Konstruktion auf Lebenszeit des Gesamtsystems. Beispiele finden sich im Maschinenbau (z. B. Filter), aber auch in Stahlkonstruktionen, wo Korrosion als »unvermeidlich« akzeptiert wird. In diesen Fällen bieten sich regelmäßige Inspektion und zustandsgerechte Wartung an, um außerplanmäßige Ausfälle zu vermeiden. »Zustandsgerechte Wartung« für den Stahlrumpf (Austausch von abgerosteten Bauteilen nach regelmäßiger Inspektion durch Besichtiger) wird natürlich schon seit langem praktiziert.
Neu dagegen sind Ansätze, die Produktdatenmodelle für den aktuellen Zustand der Stahlkonstruktion mit Finite-Element-Modellen zusammenbringen, wobei möglichst viel Information zwischen den beiden Modellierungen aus Zeit- und Kostengründen automatisch ausgetauscht wird (Wilken et al., 2011). Mit diesem Ansatz kann die globale oder lokale Festigkeit von unterschiedlich abgerosteten Strukturen in Finite-Element-Analysen bestimmt werden. Die Er-
gebnisse sind Ausgangspunkt für Strategien zur risikobasierten Inspektion für Offshore-Strukturen, Ausrüstung oder FPSOs (Stadie-Frohboes et al., 2008).
Schnelle Problemlösung
Für zylindrische Strukturen können wirbelerregte Vibrationen (VIV = vortex induced vibrations) mit einfachen semiempirischen Formeln untersucht werden. An komplexen Systemen wie Schiffen und FPSOs dagegen können VIV verschiedener Frequenzen an vielen Anhängen oder Rumpföffnungen erregt werden. Die traditionell mühsame Vorgehensweise mit systematischem Ausprobieren, um die Quelle der Vibrationserregung zu bestimmen, wird heute durch gezielte CFD- und Strukturanalysen ersetzt, die Zeit und Kosten sparen (Menzel et al., 2008).
4. Innovation
Die Offshore-Industrie ist (notwendigerweise) deutlich innovativer gewesen als die Schiffbauindustrie. Oft gibt es signifikante Wettbewerbsvorteile für Pioniere: Die Ersten, die große Bohrtiefen meistern; die Ersten, die Exploration in arktischen Gewässern meistern usw. Die Kehrseite der Medaille sind die Risiken beim Betreten technologischen Neulands. Wann immer wir unseren vertrauten Bereich bei neuen Konzepten verlassen, geben Simulationen uns wertvolle Einblicke und »virtuelle Erfahrungen«, um nicht nur die Machbarkeit, sondern auch die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Dies gilt gleichermaßen für Installationen, Teilsysteme und Prozeduren.
Zum Beispiel setzt man im modernen Entwurf CFD und Optimierung ein, um optimale Rumpfformen zu erhalten (Abt und Harries, 2008; Hochkirch und Bertram, 2012). Ähnliche Anwendungen sind für Offshore-Plattformen und Anhänge bekannt. Parametrischer Formentwurf, moderne Optimierungsalgorithmen und große Parallelrechner haben zu signifikanten Verbesserungen bei vielen unserer Projekte geführt. Offshore-Versorger sind gute Kandidaten für formelle Rumpfoptimierung. Dabei müssen Treibstoffeffizienz, Seeverhalten und Stabilität angemessen im Optimierungsmodell erfasst werden, um zu guten Lösungen zu kommen (Harries et al., 2012).
5. Compliance
Die Offshore-Industrie, insbesondere der Öl- und Gassektor, wird von Behörden und Interessengruppen genauestens beobachtet. Unfälle mit hohem Medienecho werden erfahrungsgemäß zu weiter verschärften Kontrollen und Auflagen führen. Simulationen spielen hier eine zentrale Rolle, besonders in der Entwurfs- und Genehmigungsphase, denn inzwischen werden Simulationen auf breiter Ebene als technischer Nachweis für Compliance von Behörden akzeptiert. Typische Analysen zur Genehmigung einer Installation betreffen:
Risikobewertung
Formelle Risikoanalysen (wie FMEA) sind in der Offshore-Industrie schon länger gängige Praxis. Derartige Risikoanalysen verbinden Wahrscheinlichkeitsrechnung mit ausgewählten Simulationen, die vor allem den »Effekt« eines Unfalls in der FMEA betreffen. Beispiele sind Kollisions-, Leckstabilitäts- und Evakuierungsanalysen. Der Germanische Lloyd hat dazu eine integrierte Vorgehensweise entwickelt, die Feuer- und Evakuierungssimulationen mit Ereignisbaumanalysen verbindet (Petersen und Voelker, 2003).
Arbeitsschutz
Internationale Vorschriften (wie z.B. der International Labour Organisation / ILO), Industrievereinbarungen sowie Firmenrichtlinien regeln verschiedene Aspekte des Arbeitsschutzes in der Offshore-Industrie. Die ILO Maritime Labour Convention von 2006 wird wohl im Jahr 2013 verpflichtend werden und bereits jetzt in vielen Bauspezifikationen berücksichtigt. Eine der wichtigsten Änderungen der ILO Convention betrifft Lärm und Vibrationen in Unterkünften und Arbeitsräumen. Zur Bewertung der Vibrationen sind Finite-Element-Analysen inzwischen Standard in der maritimen Industrie. Für Körperschallanalysen würden normale Finite-Element-Analysen zu einem viel zu hohen Rechenaufwand führen. Da hier aber Informationen über ein Frequenzband gemittelt werden können, bietet sich die sogenannte Statistische Energieanalyse (SEA) als effiziente Alternative an. Validierungsmessungen haben gezeigt, dass dieser Ansatz ausreichend genau im Frequenzbereich zwischen 80 und 4.000 Hz ist (Wilken et al., 2004). Körperschallanalysen finden ihren Einsatz auf Plattformen und Schiffen, für Unterkunfts- und Arbeitsräume. Simulationen werden kompliziert, wenn menschliches Verhalten modelliert werden soll, z.B. bei Evakuierungen. Hierbei benutzt man Techniken der ereignisorientierten Simulation (DES = discrete event simulation). Der Germanische Lloyd und Traff Go haben zu diesem Zweck die Software »Aeneas« entwickelt (Petersen et al., 2003). In »Aeneas« wird das Schiff oder der Wohnbereich auf einer Plattform durch ein vereinfachtes Netz von verschiedenen Zell-Typen (wie begehbarer Fußboden, Türen, Treppen, Hindernisse/Wände) dargestellt. Die Menschen werden durch einfache Expertensysteme, sogenannte Agenten, simuliert.
6. Balance zwischen Detailtiefe und Ressourcen
Simulationen sind, wie gezeigt, ein vielseitiges und nützliches Instrument. Anspruchsvolle Simulationssoftware alleine reicht aber nicht. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der richtigen Modellierung, die die richtige Balance zwischen Detailtiefe und Ressourcen (Zeit und Kosten) finden muss. Diese Kunst erfordert Sachverstand und Erfahrung. Erst in der Symbiose aus Software, Hardware und Experten erschließt sich der wahre Wert der »Advanced Engineering Services«.
R.V. Ahilan, Prof. Dr. Volker Bertram
