JP2020515734A - アクティブヒーブコンペンセーション(ahc)ロープの温度を評価する方法 - Google Patents
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Abstract
アクティブヒーブコンペンセーションロープの温度を評価する方法。当該方法は、次のステップ、すなわち、ワイヤ、ストランド、及びロープ自体の階層レベル内の螺旋形の構成部材のアセンブリを通じて得られる混合構造としてロープの形状を描くステップと、線形弾性挙動の仮定の下、各々のワイヤの材料特性を示すストランドのメカニカルモデルを用いるステップと、引張荷重及び課された湾曲が組み合わされた動作を示すロープのメカニカルモデルを用いるステップと、周囲の温度に対するロープの温度(Ts)の増加の評価のために熱モデルを用いるステップであって、熱モデルは、ストランド又はロープとシーブとの間の摩擦、及びワイヤ間又はストランド間の摩擦の2つの主な損失源を有するステップと、熱モデルによって取得されるロープの温度(Ts)の増加と、所定の温度の閾値とを比較するステップとを含む。
Description
本発明は、アクティブヒーブコンペンセーションロープ(active heave compensation ropes)の温度を評価する方法に関する。特に、当該方法は、シーブ上でロープが動作速度で前後に移動することによって発生する温度を測定し、ワイヤに熱場を適用した結果を分析する。
既知のように、ワイヤロープ又は単にロープは、海底の装置のために広く用いられていた。しかしながら、近年、より過酷な作業条件に耐えることができるワイヤロープの要求が急激に増加してきている。ユーザは、よりきつい作業及び負荷に耐えることができる、より大きくより長いワイヤロープを必要としている。これら全てのことから、ワイヤロープの製造業者は、今までよりも大きい動的負荷及びより極端な曲げの繰り返しに対応するために、より素晴らしく、より大きく、より強力にすることへの追求を余儀なくされてきた。アクティブヒーブコンペンセーションシステム(AHC)は、アバンドンメント(Abandonment)及びリカバリー(Recovery)のアプリケーションにおけるワイヤロープの平均寿命に最も影響を与える要因の一つである。AHCは、沖合の気候による水ひいては船舶の動きを弱めることで、海底に対する負荷を安定な状態に維持するために用いられる。
このような連続した、釣り合いの位置に対する前後のロープの移動により、動的負荷だけでなく、伸縮及び曲げが繰り返されることによって生じる別の応力がロープに生じる。これらによって、ロープの同じ部分に摩耗、疲労、及び温度増加を生じるが、一方、ペイロードは海底に対して静止している。耐用年数におけるスチールワイヤロープの疲労損傷特性は、「シュレムス K.(1994),「ワイヤロープの不具合における摩耗に関する疲労(Wear−Related Fatigue in a Wire Rope Failure)」,検査及び評価のジャーナル,Voi.22,No.5,pp.490−499」の綿密な研究のトピックであって、小さなロープについて何年もの間行われてきたが、より大きな直径についての情報及び研究については不足しており、さらに、ロープのメカニカルな挙動における温度の効果についてまだ掘り下げて取り組まれていない。
高炭素の引抜鋼ワイヤのメカニカルな特性の変化につながるプロセスは、何年もの間、広く調査されてきた。それにも関わらず、従来の方法は、温度及び発熱につながる関連機構の観点で、関心のある特定のウィンドウを集中して調査していない。
本発明の目的は、AHCを集中的に使用している間に、ロープに発生する熱量を評価する方法を提供することにある。熱サイクルの説明において、高硬度の引抜鋼ワイヤは、メカニカルな特性の変化を受ける。当該特性は、破壊強度(Rm)、降伏強度(Rp02)、及び次のように定義される破断伸び(Ez)である。
ここで、L0はワイヤの初期長さであって、Lは破断時のワイヤの長さである。
このような変化の調査は、ワイヤが(熱場から収集されるデータに応じて)概ね50℃〜150℃の範囲内の熱場にさらされたときに材料の延性がより速く劣化することを明らかにする。このため、本発明の一態様は、(場から生じるデータに従った)前述の温度範囲で熱の影響がどのように高速な延性の劣化をもたらすのかを調査する方法である。特に、本方法は、ロープによって達する温度を評価して、当該温度と、延性の高速劣化に至る所定の温度閾値とを比較する。
本発明によると、アクティブヒーブコンペンセーションロープの温度を評価する方法が記載され、本方法は、添付の独立クレームのような特徴を有する。
好ましい、及び/又は特に有利な、発明の別の実施形態が、添付の従属クレームのような特徴に応じて記載される。
ここで、本発明は、いくつかの非限定的な実施形態を示す添付図面、すなわち以下の図を参照することによって記載される。
アクティブヒーブコンペンセーションロープの温度を評価する方法は、相関メカニカルモデル及び熱モデルで定義されている。モデルのキャリブレーションは、大規模な実験活動を行うことによって実行されている。セットアップのテストは、環境温度に対するワイヤロープの内部及び外部の温度変化(ΔT)を特定する範囲で、入力(荷重、速度、D/d)を組み合わせて行われている。
ここで、図面、特に図1を参照して、アクティブヒーブコンペンセーションロープの温度を評価する方法S100は、次の時系列のステップS110,S120,S130,S140,S150を構成する。
‐S110は、ワイヤ、ストランド、及びロープ自体の階層レベルでの螺旋形の構成要素のアセンブリを通じて得られる混合構造としてワイヤロープの形状を描く。
‐S120は、線形弾性挙動の仮定の下、各々のワイヤの材料特性を示すストランドのメカニカルモデルを用いる。
‐S130は、引張荷重及び課された湾曲が組み合わされた動作を示すロープのメカニカルモデルを用いる。
‐S140は、周囲の温度に対するロープの温度Tsの評価のための熱モデルを用い、熱モデルは、ストランド又はロープとシーブとの間の摩擦、及びワイヤ間又はストランド間の摩擦の2つの主な損失源を有する。
‐S150は、熱モデルによって取得される温度Tsと、所定の温度の閾値とを比較する。
‐S110は、ワイヤ、ストランド、及びロープ自体の階層レベルでの螺旋形の構成要素のアセンブリを通じて得られる混合構造としてワイヤロープの形状を描く。
‐S120は、線形弾性挙動の仮定の下、各々のワイヤの材料特性を示すストランドのメカニカルモデルを用いる。
‐S130は、引張荷重及び課された湾曲が組み合わされた動作を示すロープのメカニカルモデルを用いる。
‐S140は、周囲の温度に対するロープの温度Tsの評価のための熱モデルを用い、熱モデルは、ストランド又はロープとシーブとの間の摩擦、及びワイヤ間又はストランド間の摩擦の2つの主な損失源を有する。
‐S150は、熱モデルによって取得される温度Tsと、所定の温度の閾値とを比較する。
ワイヤロープの形状は、階層レベルでの螺旋形の構成要素のアセンブリを通じて得られる混合構造を有する。ストランドは、螺旋状にねじられて同心状の層に集まってロープを形成し、同じプロセスでワイヤからストランドが形成される。ロープの内部構造は、各々のレベルですべての部材の中心線及び横断面の方向によって完全に定義される。一例として、図1のワイヤロープに関して、(ワイヤ、ストランド、及びロープ自体の)レベルを特定することができる。各々の部材において、ローカル基準システムを、フレネ・セレの単位ベクトルによって定義することができる。ストランドの中心線は、ロープ基準のフレームにおいて円柱状の螺旋によって描かれ、一方、ワイヤの中心線は、ストランドのフレームにおいて円柱状の螺旋(及びロープのフレームにおいてダブル又は入れ子の螺旋)で描かれる。このため、より高い階層レベルでの構成要素のフレームの要素断面の位置及び方向は、2つの構成パラメータ(螺旋半径R及びピッチP)及びスイープ(曲げ)角度θ(swept angle)の関数として完全に定義される。特に、3つのパラメータが、ストランドのワイヤに関してRw、Pw、及びθwとして参照され、一方、ロープのストランドに関してRs、Ps、及びθsとして参照される。
ストランドの幾何学パラメータ(螺旋半径Rs、ピッチPs、スイープ角度θs)は、ストランドのメカニカルモデルを構築するための開始ポイントとして用いられる。メカニカルな荷重に対するストランドの応答であるストランドのメカニカルモデルは、弾性があるものとして特徴付けられ、ワイヤ間の摩擦を無視して、各々のワイヤを湾曲した薄いロッドとしてモデリングし、軸方向の力、曲げモーメント及びねじりモーメント(図3a及び図3b)の組み合わせの力に対して応答することによって評価される。各々のワイヤの材料特性は、線形の弾性挙動の仮定の下、ヤング率E及びポアソン係数vを特定することによって完全に定義される。
ストランドの断面上の応力の合成は、軸方向の力Fs、ねじりモーメントMs1、及び曲げモーメントMs2を取り込むことによって記載される。ストランドの断面の応力の合成に機能結合した、一般化されたひずみは、軸方向のひずみεs、ねじりの曲率Xs1、及び曲げの曲率Xs2である。一般性を失うことなく、例えば、この定式化の根底及び2軸曲げの場合の根底にある運動学的な仮定の完全な議論を参照して、平面の曲げの問題がここで検討される。ストランドの内部形状の変形を無視することによって、線形の断面の次の構成方程式を導入することができる。
ここで、Fsは軸方向の力であって、εsは軸方向のひずみであって、Ms1はねじりモーメントであって、Ms2は曲げモーメントであって、EAs、GJs、及びEIsは、それぞれ、ストランドの上記幾何学的パラメータ(ストランドのワイヤにおける、螺旋半径Rw、ピッチPw及びスイープ角度θw)から開始して容易に特定される、正の軸剛性係数、ねじり剛性係数、及び曲げ剛性係数を意味する。一方、Csは軸方向のねじりの結合剛性の項であって、Xs1はねじりの曲率であって、Xs2は曲げの曲率である。
ロープのメカニカルモデルは、カルドウ,A.,ジョリクール C.(1997)「螺旋形のストランドのメカニカルモデル(Mechanical Models of Helical Strands)」,ASME,Appl.Mech.Rev.Voi.50,No.1,pp.1−14によってまとめられた「2段階の」近似手法である。引張荷重Fr及び負荷される曲げの曲率Xrの組み合われた作用を受けるロープの断面挙動をモデル化するために、本明細書でもそれが保持される。したがって、曲げ問題の解は、引張荷重による応力及びひずみの初期状態に加えられ、抑制されたねじり回転の仮定の下、次の構成方程式が導入される。
ここで、Frは引張荷重であって、Xrは曲げの曲率であって、EArはロープの正の軸剛性であって、EIminはロープの最小断面曲げ剛性であって、Mraddは合計の曲げモーメントに寄与して非線形であって、εr及びMrは、それぞれ、ロープの軸方向のひずみ及び合成曲げモーメントである。
軸方向の挙動は、曲げの曲率及び次の式で推定することができるロープの正の軸剛性と独立していると仮定される。
ここで、mはロープの層の数であって、njはj番目(インデックスjが0はロープの中心部を示す)の層に属するストランドの数であって、次の式で示されるαs,jはj番目の層内のストランドのレイアングル(lay angle)である。
ロープの曲げモーメントMrに対する異なる寄与は、式(2)で認識される。1つめは、線形であって、ストランドの軸方向のひずみから独立している。この項は、個々のストランドの曲げのみを考慮して定義され、ストランド間の摩擦がない「完全なスリップ」である理想的な条件において(又は、言い換えると、完全にスリップするストランドの仮定の下、)ロープの理論的な応答であるともみなされる。したがって、下付き文字「min」は、本明細書において、この寄与がロープの断面曲げ剛性に関する最小の理論値に対応することをさらに強調するために用いられる。剛性係数EIminは次の式のように定義される。
式(2)の2番目の項であるMr addは、非線形であって、個々のストランドに作用する軸方向の力Fsによるトータルの断面曲げモーメントに対する寄与を構成する。単純な釣り合いを考慮して、次の式が得られる。
全体的なストランドに作用する軸方向の力を、軸方向の荷重Frによる第1の寄与Fs,aと、ストランドの曲げによる第2の寄与Fs,bとにさらに分解することができる。すなわち、次の式で示される。
ロープの中心線に対する、軸方向のねじりの問題の円柱状の対称性によって、項Fs,aは、ストランド(及び同じ層の全体のストランド)の長さに沿って一定である。
外表面上の摩擦力が、ストランド間の相対的な移動を防ぐのに十分に大きい、すなわち、ストランドが固定状態[9]であれば、力Fs,bは、次の式のように求められる。
項Fs,bは、式(6)から容易に導くことができるように、ストランドに沿った軸方向の力の勾配を生成する。これは、隣接するストランドに対してスリップする動きをストランドに生じさせる。ストランドの横の表面に作用する接線方向の摩擦力は、軸方向の力のこの勾配に抵抗する。軸方向の力の勾配の効果が接線方向の摩擦力の合計よりも大きいときはいつでも、ストランドは、隣接するストランドに対して相対移動し得る。固定領域とスリップ領域との間で起こり得る遷移を構成するストランドの軸方向の力Fs,bを評価する数的なストラテジーは、著者によって開発されてきており、本明細書においても採用される。数的な手順は、「固定領域の予測」及び「スライド領域の補正」に基づく、典型的なリターンマップアルゴリズム(classic Return−Map algorithm)に基づく。リターンマップアルゴリズムは、ストランドのピッチに沿った、個々のセットのコントロールポイントでのストランドの軸方向の力の勾配の値を伝える。そして、ストランドの軸方向の力は、ストランドの長さに沿って数値積分することによって得られる。
ストランド間のせん断応力を伝えるための摩擦ベースの機構は、ロープの曲げ挙動を非線形にする。図3は、提案されたモデルによって予測される、典型的な断面モーメント−曲率のヒステリシスループを示す。±Xmaxを限界として環状の曲率が断面に適用される。初期のブランチ(branch)は、「完全固定」の場合に対応する初期の剛性EImaxによって特徴付けられる。そして、ストランドの内部でスライド現象が生じる結果、接線剛性は徐々に減少する。Xmaxは、断面のすべてのストランドがスリップ状態にある場合にのみ実現され得る限界値EIminに達するのに十分大きいとみなされることに留意すべきである。
直径Dを有するシーブ上でロープが曲げられるときはいつでも、中心線の曲率の値に応じて、3つの領域を容易に定義することができる。シーブから遠い1つ目の領域において、ロープの中心線はストレートで、曲率は完全に0に等しい。ロープとシーブとの間の接触領域上の2つ目の領域において、ロープの中心線の曲率は、一定であって、概ね次の式で求められる。
0の曲率とシーブによって与えられる最大の曲率Xmaxとの間の遷移によって特徴付けられる3つ目の領域は、本明細書では無視する。シーブ上を通るストランドの全体の断面は、0から最終的な曲率の値Xmaxまで曲がると考えられる。断面の曲げの間に損失するエネルギー(ストランドの単位長さ当たりの損失するエネルギー)は、ヒステリシスループで囲まれる、次の式の面積Acとして求められる。
熱モデルは、次の事実に基づく。すなわち、ストランド又はワイヤロープがシーブ上で環状に曲がるときはいつでも、システムへの入力として提供される全体のメカニカルな力の一部は、摩擦現象によって損失して熱に代わるという事実である。そして、発生した熱は、ストランドを通じて伝わって、周囲との間で交換される。
(1)ストランド(又はロープ)とシーブとの間の摩擦、及び(2)ストランド(又はロープ)の構成部材間の摩擦の2つの主な損失源を特定することができる。1つ目の損失源は、個々別々に求める必要がある。実際、摩擦条件も全体のシステム構成(例えば、ロープとシーブとの間のずれ、潤滑条件、シーブの摩耗状態等)に応じて変化する。代わって、2つ目の損失源は、常に存在しており無視することができず、ロープの断面の曲げ伸ばしを交互に行うことに本質的に関連する。そして、熱の発生源gは、(0からシーブによって与えられる曲率Xmaxまで行って、再び0に戻る)最大の曲げサイクルにおいて単位長さ当たりで損失する式(7)のエネルギーAc(Nm/m)から容易に求められる。
周囲の温度に対するロープの温度の評価のための熱モデルは、2つの主なステップを含むアルゴリズムによって示される。
ステップ1−計算準備
a.周囲の気温Taを定義する。
b.空気の速度Vを定義する。
c.空気の密度ρfを定義する。
d.空気の絶対粘度μfを定義する。
e.ロープの直径dを定義する。
f.ロープの放射係数eを定義する。
g.太陽光吸収係数aを定義する。
h.太陽及び空の全体の放射熱Qsを定義する。
i.単位長さ当たりで損失する、次の式のエネルギーAcを定義する。
a.周囲の気温Taを定義する。
b.空気の速度Vを定義する。
c.空気の密度ρfを定義する。
d.空気の絶対粘度μfを定義する。
e.ロープの直径dを定義する。
f.ロープの放射係数eを定義する。
g.太陽光吸収係数aを定義する。
h.太陽及び空の全体の放射熱Qsを定義する。
i.単位長さ当たりで損失する、次の式のエネルギーAcを定義する。
ここで、M0は、ロープのメカニカルモデルによって決定されるロープの曲げモーメントの値であって、Xmaxは、シーブによって与えられる曲率である。
j.サイクル期間tcを定義する。
k.ロープの単位長さ当たりに発生する、次の式の力gを求める。
k.ロープの単位長さ当たりに発生する、次の式の力gを求める。
l.ロープの温度Tsを仮定する。
ステップ2−反復計算
m.次の式の単位長さ当たりのロープの対流熱損失qcを定義する。
m.次の式の単位長さ当たりのロープの対流熱損失qcを定義する。
ここで、qc1及びqc2は、単位長さ当たりの対流熱の損失率の計算に関する2つの経験に基づく式であって、Kfは、空気の熱伝導率を示す。
n.次の式の単位長さ当たりのロープの放射熱の損失率qrを定義する。
ここで、d’はストランドの直径であって、eは放射係数であって、Ksはストランドの(平均)温度であって、Kaは周囲の温度である。
o.単位長さ当たりの太陽熱増加qsを定義する。
ここで、aは太陽光吸収係数であって、Qsは太陽及び空の全体の放射熱であって、qは太陽光線の効果的な入射角度であって、A’はストランドの投影面積である。
p.ロープの温度Tsについて次の式を解く。
q.id温度Tsが安定するまで、上記ステップpで計算されるロープの温度Tsの新しい値でステップ2を反復する。
予測ツールの結果sは、潤滑状態及びロープの耐久性の双方において2つの主な直接的な結果を有する。
潤滑は、化学的及びメカニカルな特性を失う温度を超えて低下する温度によって特徴づけられる。この場合、ツールは、望ましい操作条件がその上限の超過につながるかどうかをシミュレーションすることを可能にする。さらに、疲労の応力に耐えるロープの能力は、スチールワイヤのメカニカルな特性(引張強度、降伏強度、破断伸び)に直接関連する。内部調査及び既知の科学的な文献のように、スチールワイヤが広範囲に熱場に曝される場合、これらの特性を損ない得る。直接的な結果は、ワイヤロープの耐疲労特性に関する主なパラメータを示す、延性の損失である。ロープの温度状態を監視することにより、この延性の損失の決定につながり、その結果、耐疲労特性の変化の推定につながる。このように、ツールは、何がロープへの直接的な結果を導くか、及びどのように特定の操作条件がロープへの直接的な結果を導くかを理解する機会を提供する。
少なくとも実施形態が簡潔な説明及び詳細な説明で説明された場合であっても、本発明の保護範囲内の多くの他の変形例が存在することが意図されるべきである。さらに、上記実施形態又は前述の実施形態は、単なる例であって、本発明及び本出願又は形状の保護範囲を決して限定することはないことが意図されるべきである。むしろ、その簡潔な説明及び詳細な説明は、当業者に対して、少なくとも実施形態を実行するのに便利なガイドを与え、さらに、添付のクレーム及び/又は技術的/法的な同等物によって包含される本発明の保護範囲から離れることなく、ここで説明される機能及び部材のアセンブリの多くの変形が可能であることが意図されるべきである。
Claims (9)
- ワイヤ、ストランド、及びロープ自体の階層レベル内の螺旋形の構成部材のアセンブリを通じて得られる混合構造としてロープの形状を描くステップであって、ロープの形状を描くパラメータは、ストランドのワイヤの螺旋半径、ピッチ、及びスイープ角度(Rw,Pw,θw)、並びにロープのストランドの螺旋半径、ピッチ、及びスイープ角度(Rs,Ps,θs)である、ステップ110と、
線形弾性挙動の仮定の下、各々のワイヤの材料特性を示すストランドのメカニカルモデルを用いるステップであって、ストランドのメカニカルな挙動を描くパラメータは、軸方向の力(Fs)、ねじりモーメント(Ms1)、及び曲げモーメント(Ms2)である、ステップ120と、
引張荷重及び課された湾曲が組み合わされた動作を示すロープのメカニカルモデルを用いるステップであって、ロープのメカニカルな挙動を描くパラメータは、引張荷重Fr及び曲げモーメント(Mr)である、ステップ130と、
周囲の温度に対するロープの温度(Ts)の評価のための熱モデルを用い、熱モデルは、ストランド又はロープと、シーブと、の間の摩擦、及びワイヤ間又はストランド間の摩擦の2つの主な損失源を有する、ステップ140と、
熱モデルによって取得されるロープの温度(Ts)と、所定の温度の閾値とを比較する、ステップ150と、
を含む、アクティブヒーブコンペンセーションロープの温度を評価する方法。 - 熱モデルは、ロープの温度を評価するための事前計算を含み、事前計算は、
周囲の気温(Ta)を定義するステップaと、
空気の速度(V)を定義するステップbと、
空気の密度(ρf)を定義するステップcと、
空気の絶対粘度(μf)を定義するステップdと、
ロープの直径(d)を定義するステップeと、
ロープの放射係数(e)を定義するステップfと、
太陽光吸収係数(a)を定義するステップgと、
太陽及び空の全体の放射熱(Qs)を定義するステップhと、
単位長さ当たりで損失する、式(9)のエネルギー(Ac)を定義し、式(9)において、M0は、ロープの曲げモーメントの値であって、Xmaxは、シーブによって与えられる曲率である、ステップiと、
サイクル期間(tc)を定義するステップjと、
ロープの単位長さ当たりに発生する、式(10)の力(g)を求めるステップkと、
ロープの温度(Ts)を求めるステップlと、
を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 熱モデルは、ロープの温度を安定させる反復計算を含み、反復計算は、
単位長さ当たりのロープの式(11)の対流熱損失(qc)を定義し、式(11)において、qc1は式(12)で示され、qc2は式(13)で示され、qc1及びqc2は、単位長さ当たりの対流熱の損失率の計算に関する2つの経験に基づく式であって、Kfは、空気の熱伝導率を示すステップmと、
単位長さ当たりのロープの放射熱の式(14)の損失率(qr)を定義し、式(14)において、d’はストランドの直径であって、Ksはストランドの(平均)温度であって、Kaは周囲の温度であるステップnと、
単位長さ当たりの式(15)の太陽熱増加(qs)を定義し、式(15)において、aは太陽光吸収係数であって、Qsは太陽及び空の全体の放射熱であって、qは太陽光線の効果的な入射角度であって、式(16)のA’はストランドの投影面積であるステップoと、
ロープの温度Tsについて式(17)の式を解くステップpと、
id温度(Ts)が安定するまで、上記ステップpで計算されるロープの温度(Ts)の新しい値でステップmからステップpまでを反復するステップqと、
を含む、請求項8に記載の方法。
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