Lastverteilung und Stabilitätsprüfung beim Doppelkran-Heben

Die Topside-Module von FPSO-Schiffen (Floating Production Storage and Offloading) gehören zu den anspruchsvollsten Hebeoperationen im Offshore-Bereich. Ein einzelnes Modul – etwa ein Öl-Gas-Trennmodul, ein Verdichtermodul oder ein Stromerzeugungsmodul – wiegt typischerweise 200 bis 3000 t und kann Abmessungen von 30 m × 20 m × 25 m erreichen. Während der Bau- und Integrationsphase transportieren Werften diese Kolosse mit großen Portalwippdrehkranen oder Schwimmkranen vom Vorfertigungsbereich am Kai zur vorgesehenen Position auf dem FPSO-Rumpf. Die Ausrichtungsgenauigkeit ist dabei extrem hoch: Die Flanschbohrungen müssen mit einer Abweichung von ≤ 5 mm zentriert werden.

Die Berechnung der Lastverteilung und die Stabilitätsanalyse für den Tandemhub folgen den Lastkombinationsprinzipien der Norm DIN 15018. Die Anforderungen an die Synchronsteuerung basieren auf den zusätzlichen Sicherheitsfaktoren für den Mehrkranbetrieb gemäß DNV-ST-0378.

Wenn das Modulgewicht die Nennlast eines einzelnen Krans übersteigt (oder wenn das Modul trotz zulässiger Last aufgrund seiner Größe und eines stark exzentrischen Schwerpunkts mit einem einzigen Anschlagpunkt nicht waagerecht gehalten werden kann), ist ein Tandemhub erforderlich – zwei Krane heben dasselbe Modul gleichzeitig über ihre jeweiligen Haken und Drahtseile. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Hauptrisiko des Tandemhubs – die ungleichmäßige Lastverteilung – und erläutert Berechnungsmethoden sowie Gegenmaßnahmen.

Berechnung der Lastverteilung beim Tandemhub

Im Idealfall wird die Lastverteilung beim Tandemhub durch den Abstand des Modulschwerpunkts zu den beiden Anschlagpunkten bestimmt – die von den beiden Kranen aufgenommenen Lasten F₁ und F₂ verteilen sich nach dem Hebelgesetz: F₁/F₂ = L₂/L₁, wobei L₁ und L₂ die horizontalen Abstände vom Schwerpunkt zu Anschlagpunkt 1 bzw. 2 sind. Beispiel: Bei einem Modulgewicht von 800 t, einem Schwerpunktabstand von 8 m zu Kran A und 12 m zu Kran B übernimmt Kran A die Last F_A = 800 × 12/(8+12) = 480 t, Kran B entsprechend F_B = 800 × 8/20 = 320 t.

Dies ist jedoch nur der Ausgangspunkt der idealisierten Berechnung – in der Praxis führen drei entscheidende Faktoren zu Abweichungen von der geplanten Lastverteilung. Der erste Faktor ist die unterschiedliche Elastizität der Drahtseile: Selbst bei identischer Spezifikation (z. B. gleicher Durchmesser 52 mm, Festigkeitsklasse 1960) können die tatsächlichen Elastizitätsmoduln der verwendeten Drahtseile um ±5 % voneinander abweichen (bedingt durch unterschiedliche Fertigungschargen und mikroplastische Dehnungsunterschiede je nach Nutzungshäufigkeit). Bei einem 800-t-Modul mit vierfachem Lastvielfaches und einer unbelasteten Seillänge von ca. 80 m ergibt sich unter 480 t Last eine elastische Dehnung von ΔL = F×L/(E×A) ≈ 480×10⁴×80/(1,05×10¹¹×4×π×0,026²) ≈ 0,21 m. Bei einer Abweichung des Elastizitätsmoduls von 5 % zwischen den beiden Kranen beträgt der Dehnungsunterschied ≈ 10 mm – dieser Wert scheint gering, ist aber in der Positionierphase (geforderte Genauigkeit ±5 mm) ausreichend, um ein „Lastübernahme“ eines Hakens zu verursachen (der zuerst am Flansch anliegende Kran übernimmt einen überproportionalen Lastanteil).

Synchronsteuerung beim Tandemhub – Drehwinkel und Schiffsneigung

Der zweite entscheidende Faktor ist die Synchronisationsabweichung der Hubgeschwindigkeiten beider Krane. Selbst wenn die Geschwindigkeitsbefehle für beide Winden identisch sind (z. B. 0,5 m/min), führen Unterschiede im hydraulischen System, Getriebespiel in den Windengetrieben und der sich ändernde Wickelradius des Drahtseils auf der Trommel zu tatsächlichen Geschwindigkeitsabweichungen von ±3 % bis 5 %. Bei einer gesamten Hubhöhe von 15 m führt eine Geschwindigkeitsabweichung von 3 % zu einem Höhenunterschied von ca. 450 mm zwischen den Haken – weit über dem zulässigen Wert für die Modulebenheit.

Die Lösung besteht darin, an den vier Ecken des Moduls Neigungssensoren zu installieren (z. B. Pepperl+Fuchs INX360D-F99-I2E2-V15, Auflösung 0,01°). Die Echtzeit-Neigungswinkel werden drahtlos (z. B. Wi-Fi 802.11n oder LoRa 868 MHz) an die SPS-Steuerungen beider Krane übertragen. Die SPS berechnet den erforderlichen Höhenkorrekturwert aus dem Neigungswinkel (bei einer Modullänge von L=20 m entspricht eine Neigung von 0,1° einem Höhenunterschied von ca. 35 mm) und passt die Windengeschwindigkeiten dynamisch an – die höhere Seite wird um 10 % bis 20 % reduziert, die niedrigere Seite um 10 % bis 20 % erhöht – um die Modulneigung innerhalb von ±0,05° zu halten. Diese „geschlossene Neigungsregelung“ ist etwa zehnmal genauer als die herkömmliche „offene Geschwindigkeitsregelung“.

Der dritte entscheidende Faktor ist die Neigung des Schwimmkrans selbst. Bei einem Tandemhub mit Schwimmkranen führen durch Wellen und Wind verursachte Schiffsbewegungen (Trim/Heel) zu Abweichungen zwischen der tatsächlichen räumlichen Position der Auslegerspitze und den GPS-Werten – eine Schiffsquerneigung von 1° erzeugt an einer 50 m langen Auslegerspitze eine horizontale Verschiebung von ca. 870 mm und eine vertikale Verschiebung von ca. 15 mm. Daher muss bei Tandemhüben mit Schwimmkranen auf jedem Kran eine Bewegungsreferenzeinheit (MRU) installiert werden. Diese erfasst die Sechs-Freiheitsgrade-Bewegungsdaten des Schiffs (Surge/Sway/Heave/Roll/Pitch/Yaw) und speist sie in Echtzeit in das Kransteuerungssystem ein. Mittels Koordinatentransformation wird die Zielposition des Hakens vom schiffsbezogenen Koordinatensystem in das erdfeste Koordinatensystem umgerechnet, wodurch die Auswirkungen der Schiffsbewegung auf die Hakenposition kompensiert werden.

Echtzeit-Lastüberwachung und Überlastschutz beim Tandemhub

Die gefährlichste Situation beim Tandemhub ist die „verdeckte Überlast“ – da das Modul nicht abstürzt und der Kran keinen Alarm auslöst, bemerkt das Bedienpersonal möglicherweise nicht, dass ein Kran bereits um 10 % bis 15 % überlastet ist. Daher muss beim Tandemhub ein unabhängiges Lastüberwachungssystem (Load Monitoring System, LMS) eingesetzt werden, das nicht auf die bordeigenen Lastmomentbegrenzer der Krane angewiesen ist.

Typische LMS-Konfiguration: An der toten Seilendbefestigung jedes Krans wird ein bolzenförmiger Kraftaufnehmer (Load Pin, z. B. Sonderanfertigung von Strainsert, Messbereich 0–600 t, Genauigkeit ±0,5 % v. E.) installiert. Das 4–20-mA-Signal wird über einen Signalaufbereitungsmodul gefiltert und entstört und anschließend über Modbus TCP an einen zentralen Datenerfassungsrechner (DAQ) übertragen. Auf dem HMI-Bildschirm werden die tatsächlichen Lastverteilungsprozentsätze beider Krane in Echtzeit als Zahlenwert und Balkendiagramm angezeigt. Es sind zwei Alarmstufen definiert: Überschreitet die tatsächliche Last eines Krans 115 % des berechneten Verteilungswerts, wird eine gelbe Warnung ausgelöst (Weiterbetrieb erlaubt, aber Bediener werden aufgefordert, den Synchronisationsstatus zu prüfen). Bei Überschreitung von 125 % wird ein roter Alarm ausgelöst und die Hubgeschwindigkeit automatisch auf 10 % der Nenngeschwindigkeit reduziert. Bei Überschreitung von 130 % löst die Sicherheits-SPS einen Not-Aus aus. Das gesamte LMS-System muss unabhängig von der kraneigenen SPS-Steuerung sein (um zu verhindern, dass ein Single Point of Failure sowohl die Lastüberwachung als auch die Kransteuerung gleichzeitig lahmlegt) und mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV, Batterielaufzeit ≥ 30 min) ausgestattet sein.

Anschlagmittel für den Zweikran-Hub: Traverse und hydraulische Synchronzylinder

Bei Modulen mit schlanker Geometrie (Längen-Breiten-Verhältnis > 3:1) oder unbestimmter Schwerpunktlage kann selbst eine präzise Lastverteilungsberechnung das Kippen des Moduls nicht verhindern, wenn direkt mit dem Drahtseil angeschlagen wird – die tatsächliche Schwerpunktlage weicht dann zu stark von der Annahme ab. In solchen Fällen wird eine Traverse (Spreader Beam) oder ein System mit hydraulischen Synchronzylindern zwischen Haken und Modul eingebaut.

Die Traverse wandelt die zwei punktförmigen Hakenlasten in eine gleichmäßig über die Traversenlänge verteilte Last um. Oben ist sie über Drahtseile mit den Haken beider Krane verbunden, unten über mehrere Anschlagpunkte mit dem Modul. Dadurch pendelt sich das Modul beim Heben automatisch waagerecht ein (Prinzip der Balkenwaage). Das System mit hydraulischen Synchronzylindern ist fortschrittlicher: Vier oder acht Hydraulikzylinder werden an den Modulecken montiert und über Schläuche mit einer zentralen Hydraulikpumpenstation (HPU) verbunden. Jeder Zylinder ist mit einem Wegsensor (Genauigkeit ±0,1 mm) ausgestattet. Die SPS steuert über Servoventile die Hübe der einzelnen Zylinder, sodass das Modul während des gesamten Anschlagvorgangs waagerecht bleibt (Neigung < 0,05°). Das System gleicht Höhendifferenzen von bis zu < 200 mm zwischen den beiden Kranhaken automatisch aus – ohne manuelles Nachstellen der Winden durch den Bediener. Dies ist besonders bei Schwimmkran-Einsätzen mit instabilem Seegang und ständig schwankender Hakenhöhe von großer Bedeutung.

Häufige Fragen zum Zweikran-Hub

Kelude bietet für Offshore-Modulmontageprojekte die Planung von Zwei- und Mehrkran-Hebesystemen, die Integration von Lasthöhen-Erfassungssystemen sowie technische Unterstützung bei der Marine Warranty Survey an. Für konkrete Lösungen wenden Sie sich bitte an unser Engineering-Team.