DE102005056461A1

DE102005056461A1 - Pfahlführungsvorrichtung zur Stabilisierung schlanker Pfähle

Info

Publication number: DE102005056461A1
Application number: DE200510056461
Authority: DE
Inventors: Pieter Van Luipen; George Fedosejevs; Reink Pohlmann
Original assignee: Menck GmbH
Current assignee: Menck GmbH
Priority date: 2005-11-26
Filing date: 2005-11-26
Publication date: 2007-05-31
Also published as: WO2007059837A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung langer schlanker Pfähle beim Eintreiben in den Meeresboden unter Wasser mittels Rammhämmern oder anderer Arbeitsgeräte, wobei an mindestens einer Stelle zwischen Meeresboden und Pfahlkopf eine Zwischenführung durch ein von einem flexiblen Zugelement unter Vorspannung gehaltenes Führungselement erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung langer schlanker Pfähle beim Einbringen in den Meeresboden unter Wasser, mittels Rammhämmern oder anderen Arbeitsgeräten. Außerdem betrifft die Erfindung einen Rammhammer zum Eintreiben von Pfählen unter Wasser, die zur Vermeidung eines Knickens mittels einer Führung gesichert sind.

Ein langes schlankes Rohr oder ein langer schlanker Pfahl neigt in vertikaler Lage und am unteren Ende aufstehend schon unter seinem Eigengewicht dazu auszuknicken. Das typische Verhältnis von Länge zu Durchmesser ist bei solchen Pfählen mit diesem Verhalten über 50. Zusätzlich wird dieses Verhalten noch durch eine geringe Wandstärke und zusätzliche Gewichte am oberen Ende, wie z. B. das eines Rammhammers, weiter negativ beeinflusst. Externe Kräfte wie die Meeresströmung, das Aufsetzen auf dem Meeresboden und die dynamische Last während des Einbringens des Pfahls mittels eines Arbeitsgerätes beeinflussen ebenfalls die Knickneigung negativ.

Der Stand der Technik berücksichtigt dieses Ausknickverhalten und verhindert es durch aufwendige Stützkonstruktionen, sogenannte Jackets, oder alternativ durch die Verwendung von kurzen Rohr-Segmenten die ineinander gesteckt werden. Die Verbindung erfolgt dann durch schwierige Unterwasserverschweißungen oder durch defektanfällige meist rastende, unlösbare Steckverbindungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Rammhammer vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, unter Verzicht auf aufwendige Stützkonstruktionen auch schlanke Pfähle oder dergleichen ohne Knicken mittels Rammhämmern oder anderen Arbeitsgeräten in den Meeresboden einzubringen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Stabilisierung langer schlanker Pfähle beim Einbringen in den Meeresboden unter Wasser mittels Rammhämmern oder anderen Arbeitsgeräten dadurch gelöst, dass das an mindestens einer Stelle zwischen Meeresboden und Pfahlkopf eine Zwischenführung des Pfahls durch ein von einem flexiblen Zugelement unter Vorspannung gehaltenen Führungselementes erfolgt und/oder eine Gewichtsentlastung des Pfahls erfolgt.

Die Erfindung schlägt somit die Verwendung von Zwischenführungen am Pfahl oder die Verwendung einer Zugkraft am oberen Ende des Pfahls oder eine Kombination aus beidem vor.

Die Zwischenführungen, die nicht fest installiert sondern lose sind, werden von einem flexiblen Zugelement, z. B. Seil, Bohrgestänge oder anderem geführt. Dieses Zugelement wird unter Vorspannung gehalten. Das Kräfte-Führungs-System ist so abgestimmt, dass das Ausknicken eines schlanken Pfahls auch bei aufgesetztem Arbeitsgerät und durch dessen Betrieb verursachter dynamischer Lasten verhindert wird.

Durch die alternativ oder zusätzlich aufgebrachte Zugkraft am oberen Ende des Pfahls, oder etwas unterhalb des Pfahlkopfes, knickt der Pfahl auch dann nicht aus, wenn er mit dem Zusatzgewicht des Arbeitsgerätes belastet wird. Das Kräftesystem ist dabei so abgestimmt, dass es möglich ist, den Pfahl mit Rammschlägen nach unten in den Meeresboden zu bewegen, obwohl er oben hochgezogen wird.

In Ausgestaltung der ersten Alternative ist vorgesehen, dass die Vorspannung durch eine Gewichtskraft erfolgt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Vorspannung durch die Gewichtskraft stets in gleich bleibender Stärke ohne aufwendige Regelungsmechanismen bereitgestellt werden kann.

Dasselbe gilt auch für die alternative Maßnahme, dass die Vorspannung durch eine Auftriebskraft erfolgt.

Mit Vorteil wird das Gewicht selbst als Führungselement ausgebildet, so dass die Vorspannung zwischen Gewicht, insbesondere dem Führungselement, und einem Auftriebskörper aufgebracht wird.

Alternativ zur Gewichtskraft kann auch ein vorhandenes Casing oder Template, das fest auf dem Meeresboden aufsteht oder ein bereits installiertes Rohr als Casing dazu dienen, dass die Vorspannung zwischen dieses Templates, oder eines Casings und einem Auftriebskörper, insbesondere einer Arbeitsplattform, erzeugt wird.

Zusätzlich können die flexiblen Zugelemente mit Vorteil auch dazu dienen, dass auch der Rammhammer durch das flexible Zugelement geführt wird.

Alternativ oder in Ergänzung der zuvor genannten Ausgestaltungen, kann die Gewichtsentlastung durch ein flexibles Element erfolgen, das zwischen Arbeitsplattform und oberem Pfahlende gespannt ist.

Gewichtsentlastung kann besonders einfach konstant gehalten werden, wenn eine Gewichtsentlastung durch ein Auftriebselement erfolgt. Da das Auftriebselement ein bestimmtes Volumen besitzt und allseitig von Wasser umgeben ist, entspricht die Entlastung dem Gewicht des verdrängten Volumens.

Die Vorrichtungsaufgabe wird durch einen Rammhammer zum Eintreiben von Pfählen unter Wasser, die zur Vermeidung eines Knickens mittels einer Führung gesichert sind, dadurch gelöst, dass der Pfahl mindestens eine Zwischenführung aufweist, die an vorgespannten flexiblen Elementen, bzw. längsverschieblich, befestigt sind. Die flexiblen Elemente, in der Praxis also Seile oder Bohrgestänge, sind leicht zu befestigen und können ebenso bequem auch wieder entfernt werden. Die bisher bekannten aufwendigen Stützkonstruktionen zum Führen der Pfähle können somit vorteilhaft entfallen.

Der mechanische Aufwand zur Bereitstellung der Vorspannung kann in Grenzen gehalten werden, wenn zur Erzeugung der Vorspannung der flexiblen Elemente mindestens ein Gewicht vorgesehen ist. Dies weist auch zusätzlich den Vorteil auf, dass die Vorspannung konstant bleibt.

Unter bestimmten Voraussetzungen lässt sich die Vorspannung den betrieblichen Erfordernissen besser anpassen, wenn die Arbeitsplattform eine Spannvorrichtung zur Erzeugung der Vorspannung für das flexible Element aufweist. Dabei wird das flexible Element am Meeresboden, z. B. an einem Casing, befestigt.

Alternativ oder ergänzend kann mit Vorteil auch mindestens ein Auftriebskörper zur Erzeugung der Vorspannung vorgesehen sein.

Man kann möglicherweise auf ein Gewicht zur Erzeugung der Vorspannung ganz verzichten, wenn das flexible Element an einem Ende an einem Casing befestigt ist.

Ergänzend oder alternativ kann ein Knicken schlanker Pfähle auch dann vermieden werden, wenn am oberen Ende des Pfahls eine Gewichtskraftentlastung vorgesehen ist.

Diese Gewichtskraftentlastung lässt sich auch besonders bequem dadurch konstant halten, dass an der Gewichtskraftentlastung eine Auftriebskraft angreifend vorgesehen ist.

Alternativ ist es möglich, auf der Arbeitsplattform eine Zugvorrichtung vorzusehen, die es ermöglicht, dass an der Gewichtskraftentlastung ein Seil mit vorzugsweise geregelter Seilkraft angreifend befestigt ist.

Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.

Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1: ein erfindungsgemäßes System mit einem gewichtskraftvorgespannten flexiblen Element,
2: ein erfindungsgemäßes System mit einem Casing verbundenen vorgespannt flexiblen Element,
3: ein System gemäß 2 mit geänderter Aufhängung der Führungselemente,
4: ein alternatives System mit einer Gewichtskraftentlastung des Pfahls durch Zugkraft am oberen Ende des Pfahls,
5: eine Gewichtskraftentlastung des Pfahls mittels eines Auftriebskörpers und
6: eine Gewichtskraftentlastung mittels an flexiblen Elementen (Seile) vorgesehenen Auftriebskörpern.
In 1 ist der Rammhammer mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnet. Dieser hängt an einer Traverse 18. Von einem nicht dargestellten Arbeitsschiff oder einer Überwasserplattform wird diese Traverse am Seil oder Bohrgestänge zusammen mit dem daran angehängten Rammhammer 1 abgesenkt. Der Rammhammer wird dabei an zwei flexiblen Elementen 4 geführt, die durch die Gewichte 5 unter Vorspannung gehalten werden. Die Führung 19 des Rammhammers ist im Bereich der oberen Pfahlführung 16 angeordnet, die wiederum den Pfahl 2 am oberen Ende hält. Zwischen der oberen Pfahlführung 16 und der Führung des Pfahls unten 17 der unteren Pfahlführung 17, in diesem Fall dem Meeresboden 15, sind somit zusätzliche Zwischenführungen 3 vorgesehen, die in diesem Fall fest mit dem flexiblen Element 4 verbunden sind und den Pfahl 2 zusätzlich führen, so dass er in diesem Beispiel insgesamt an vier Stellen geführt ist. Dadurch wird ein Knicken des schlanken Pfahls sicher verhindert. Bei diesem System bleibt die Lage der Führung somit relativ zum Meeresboden konstant, während die Zwischenführung des Gewichts 5 und der Führung beim Eintreiben des Pfahls sich relativ zum Pfahl verändert. Das Hauptziel ist die Verwendung von zusätzlichen Zwischenführungen 3 zwischen oberer 16 und unterer Führung 17, um das Ausknicken des Pfahles 2 im gesamten Installationsprozess zu verhindern. Infolge des Ballastgewichts 5 werden die Führungsseile 4 gespannt und befinden sich in einem kleinen, nahezu konstanten Abstand.
In 2 sind die Zugleinen an einer Struktur am Boden befestigt. Dies kann ein bereits installierter Pfahl, ein so genanntes „Casing", oder etwas anderes, wie ein Template, sein. Der Vorteil im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen System ist, dass kein Ballastgewicht erforderlich ist, und die Höhe des Ballastgewichtes nicht kontrolliert werden braucht. Die Zugleinen werden auch bei durch Meeresbewegungen bedingten Abstandsänderungen unter konstantem Zug gehalten. Dafür kommen zum Beispiel Winden mit konstanter Zugkraft in Frage. In 2 ist demnach ein System dargestellt, bei dem das untere Ende der flexiblen Elemente 4 nicht wie in 1 von Gewichten 5 gespannt wird, sondern stattdessen mit den unteren Enden 9 der flexiblen Elemente 4 an einem Casing befestigt sind. Die Vorspannung wird somit am anderen Ende der flexiblen Elemente 4 auf geeignete Weise aufgebracht. Die Zwischenführungen 3 sind an den flexiblen Elementen 4 verschieblich geführt. Gehalten werden die Zwischenführungen 3 durch ein zusätzliches Seil, also ebenfalls ein flexibles Element 20, das an seinem oberen Ende 21 am Rammhammer 1 befestigt ist, so dass sich die Zwischenführungen 3 zusammen mit dem Rammhammer bewegen. Beim Eintreiben verändert sich somit die relative Lage der Zwischenführungen 3 zum Meeresboden 15, während sie jedoch relativ zum Pfahl etwa dieselbe Position behalten.
Das in 3 dargestellte System unterscheidet sich von dem System gemäß 2 im Wesentlichen dadurch, dass die Zwischenführungen 3 und die sie haltenden zusätzlichen Elemente 20 nicht direkt am Hammer, sondern mit ihrem obern Ende 21 an der Traverse 18, an der der Bohrstrang angreift, befestigt sind.
In 4 wird eine einstell- und nachführbare Zugkraft durch elastische Zwischenelemente am Pfahlkopf eingeleitet. Diese elastischen Zwischenelemente 12 ermöglichen den Betrieb eines Arbeitsgeräts, das unter anderem dynamische Lasten in dem Pfahl einleitet.
4 zeigt also ein System, bei dem eine Gewichtsentlastung am oberen Ende 11 des Pfahles 2 angreift. Die nach oben gerichtete Seilkraft, dargestellt durch die Pfeile 22, greift an elastischen Zwischenelementen der Gewichtsentlastung 12 an und, entlastet den Pfahl 2 von seinem Eigengewicht. Die Seile 14 haben eine von Rammhammer 1 getrennte Aufhängung. Sie müssen auf geeignete Weise am oberen Ende unter entsprechender Vorspannung gehalten werden.
Ähnlich wie 4 zeigt 5 eine andere mögliche Ausführung. Das Auftriebs-Prinzip benötigt bei unmittelbarer Anbringung am Pfahl keine Zugleine. Die Anbringung des Auftriebskörpers 8 ist so gestaltet, dass es den Betrieb eines Arbeitsgeräts erlaubt, das dynamische Lasten in dem Pfahl einleitet. Die Stabilität des Auftriebskörpers ist dem Umgebungswasserdruck angepasst und liefert im gesamten Installationsprozess eine nahezu konstante Auftriebskraft. Das in 5 dargestellte System kann auf die Seile 14 verzichten, da die Gewichtskraftentlastung des Pfahles 2 durch den Auftriebskörper 8 erfolgt, der fest am Pfahl 2 angebracht ist, sodass die durch die Pfeile 13 dargestellte Auftriebskraft den Pfahl entlasten kann.
Das in 6 dargestellte System unterscheidet sich von der 5 dadurch, dass die Auftriebskörper 8 nicht direkt am Pfahl 2 angebracht sind, sondern über Seile 14 ihre Auftriebskraft in die elastischen Zwischenelemente der Gewichtskraftentlastung 12 einbringen, die hier fest mit dem Pfahl 2 verbunden ist.
6 zeigt also eine kombinierte Lösung. Der Auftriebskörper ist mit Seilen oder Ähnlichem über elastische Zwischenelemente am Pfahlkopf befestigt. Hierbei kann der Auftriebskörper simpler ausgeführt werden, z. B. durch Luftsäcke, da er sich nur in der Nähe der Wasseroberfläche gegen den Umgebungsdruck behaupten muss. Diese elastischen Zwischenelemente ermöglichen den Betrieb eines Arbeitsgeräts, das unter anderem dynamische Lasten in den Pfahl einleitet.

1: Rammhammer
2: Pfahl
3: Zwischenführung
4: Flexibles Element
5: Gewicht
6
7
8: Auftriebskörper
9: Ende
10: Casing
11: Oberes Ende
12: Gewichtskraftentlastung
13: Auftriebskraft
14: Seil
15: Meeresboden
16: Obere Pfahlführung
17: Untere Pfahlführung
18: Traverse
19: Führung des Rammhammers
20: Zusätzliches Seil als flexibles Element
21: Oberes Ende-Pfahl
22: Nach oben gerichtete Kraft

Claims

Verfahren zur Stabilisierung langer schlanker Pfähle beim Eintreiben in den Meeresboden unter Wasser mittels Rammhämmern oder anderen Arbeitsgeräten, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stelle zwischen Meeresboden und Pfahlkopf eine Zwischenführung des Pfahls durch ein von einem flexiblen Zugelement unter Vorspannung gehaltenen Führungselementes erfolgt.
Verfahren insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtsentlastung des Pfahls erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung durch eine Gewichtskraft erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung durch eine Auftriebskraft erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung zwischen Gewicht, insbesondere dem Führungselement, und einem Auftriebskörper aufgebracht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung zwischen einer fest auf dem Meeresboden stehenden Template oder mit dem Meeresboden fest verbundenem Teil, zum Beispiel einem Casing, und einem Auftriebskörper, insbesondere einer Arbeitsplattform erzeugt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Rammhammer durch das flexible Zugelement geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsentlastung durch ein flexibles Element erfolgt, das zwischen Arbeitsplattform und oberem Pfahlende gespannt ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtsentlastung durch ein Auftriebselement erfolgt.
Rammhammer zum Eintreiben von Pfählen unter Wasser, die zur Vermeidung eines Knickens mittels einer Führung gesichert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfähl mindestens eine Zwischenführung (3) aufweist, die an vorgespannten flexiblen Elementen, bzw. längsverschieblich, befestigt sind.
Rammhammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Vorspannung der flexiblen Elemente mindestens ein Gewicht (5) vorgesehen ist.
Rammhammer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsplattform eine Spannvorrichtung zur Erzeugung der Vorspannung für das flexible Element (4) aufweist.
Rammhammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Auftriebskörper (8) zur Erzeugung der Vorspannung vorgesehen ist.
Rammhammer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Element an einem Ende (9) an einem Casing (10) befestigt ist.
Rammhammer zum Eintreiben von Pfählen unter Wasser, die zur Vermeidung eines Knickens mittels Führungen gesichert sind, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende (11) des Pfahls (2) eine Gewichtskraftentlastung (12) vorgesehen ist.
Rammhammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gewichtskraftentlastung (12) eine Auftriebskraft (13) angreifend vorgesehen ist.
Rammhammer nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gewichtskraftentlastung (12) ein Seil (14) mit vorzugsweise geregelter Seilkraft angreifend befestigt ist.
Rammhammer nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Führung des Rammhammers mittels flexibler Elemente erfolgt.