DK147115B - Marin konstruktion, isaer bore- og produktionsplatform, med daempning af svingninger og vibrationer - Google Patents

Description

U7115

Opfindelsen angår en marin konstruktion, navnlig en bore- og produktionsplatform, der er fast lejret på havbunden og strækker sig op over havoverfladen, og som er udsat for bøLgepåvirkninger, der får konstruktionen 5 til at svinge og vibrere.

Formålet med opfindelsen er at forøge den effektive dæmpning af konstruktionens svingninger og vibrationer, så at disse holdes inden for tilladelige amplitudegrænser, navnlig når konstruktionen reagerer ved sin 10 egenfrekvens, når den udsættes for bølgekræfter, f.eks. hidrørende fra stormbølger. Af speciel interesse for opfindelsen er platforme, som er placeret i afstand fra kysten til udvinding af olie i havbunden.

Sådanne bore- og produktionsplatforme kan alle-15 rede nu anvendes med godt resultat på åbent hav på mere end hundrede meters dybde, men efterhånden som platformene bygges til større og større havdybder, bliver konstruktionen mere følsom over for vibrationer og svingninger fremkaldt af bølgeslag. Voldsomme vibrationer kan 20 medføre en katastrofal Ødelæggelse af platformen, og svingninger med store accelerationer, hastigheder og amplituder kan give ubekvemme eller endog umulige forhold for arbejderne på platformen og resultere i fejl i det mekaniske udstyr eller i dettes funktion.

25 Virkningen af bølgeslag på platformen kan i nogen grad imødegås ved, at platformens konstruktionsstivhed forøges ved anvendelse af mere massive konstruktionsdele, der holder egenfrekvensen under bølgefrekvensområdet. Dette giver imidlertid visse ulemper, bl.a.

30 en forøget pris på platformen og forøgede vanskeligheder for anbringelsen af platformen på dybt, åbent hav.

Det er også i US-patentskrift nr. 2.986.889 foreslået at undgå resonans mellem konstruktionens egensvingning og bølgeslaget ved særlig kraftige bølgepå-35 virkninger, ved at et system af til alle sider udgående lange forankringskabler er fastgjort til konstruktionens øvre parti på en sådan måde, at de ved udsving 2 147115 over en vis amplitude kan give efter i deres fastgørelse til konstruktionen, hvorved egensvingningsfrekvensen af det af konstruktionen og forankringskableme dannede elastiske system ændres brat, så at en truende resonans 5 brydes. Dette forudsætter imidlertid, at der tillades ret store amplituder i bevægelsen af konstruktionens øverste dele under påvirkning af bølgeslagene, hvilket er uheldigt af hensyn til konstruktionens personel og mekaniske udstyr.

10 Opfindelsen angiver en konstruktion af den indledningsvis nævnte art, som er ejendommelig ved, at . den indeholder et antal bæreorganer, som er stift forbundet med konstruktionen på indbyrdes adskilte steder, så at de svinger og vibrerer med denne, og som hvert 15 bærer lejer, i hvilke der er ophængt et fysisk pendul indrettet til at svinge i forhold til konstruktionen og lejret til at bringes i svingning af svingninger og vibrationer i denne, og at der mellem pendulet og konstruktionen findes bremsemidler til modvirkning af 20 pendulets svingning i forhold til konstruktionen.

Herved tilintetgøres en stor del af energien i disse vibrationer og svingninger i den stationære marine konstruktion, som udsættes for bølgeslagspåvirkninger, så at sådanne vibrationer og svingninger holdes 25 under et niveau, som ville være ødelæggende for konstruktionen eller i hvert fald ville skabe et miljø, som ville gøre det ubehageligt eller måske ovenikøbet umuligt for arbejdere at arbejde på konstruktionen.

Bremsemidlexne kan ifølge· opfindelsen omfat-30 te en første plade, der er fastgjort på og stationær i forhold til konstruktionen, og en anden plade, der er fastgjort på og bevægelig med pendulet, og som er placeret tæt op ad, men i en lille afstand fra den første plade, og at en fluidummasse er placeret mellem og i 35 kontakt med både den første og den anden plade og udgør et bremsemedium til bremsning af den relative bevægelse mellem de to plader.

147115 3

En udformning af bremsemidlerne, der muliggør, at de virker lige effektivt i alle retninger af pendulets bevægelse, opnås ifølge opfindelsen ved, at den første plade er fastgjort til bæreorganet og har 5 form som en del af en kugleflade med centrum i centret for pendulets svingbevægelse, og at den anden plade ligeledes har form som en del af en kugleflade og er fastgjort til pendulet koncentrisk med den første plade.

Da en konstruktion af den omhandlede art kan 10 blive udsat for bølgeslagspåvirkninger i alle mulige retninger hele horisonten rundt, kan ved en særlig simpel udformning af apparatet ifølge opfindelsen pendulet være ophængt i lejerne ved hjælp af et kardan-led, så at pendulet kan svinge i et vilkårligt, lodret 15 plan.

For at skabe mulighed for at afstemme pendulet til at reagere særlig kraftigt ved konstruktionens egenfrekvens og dermed mest effektivt dæmpe konstruktionens svingninger og vibrationer, som ellers ville 20 være kritiske for dens funktion og sikkerhed, kan apparatet ifølge opfindelsen have midler til indstilling af pendulets effektive længde og dermed til indstilling af pendulets svingningsfrekvens.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende 25 ved hjælp af udførelseseksempler ifølge opfindelsen og under henvisning til tegningen, hvorpå fia. 1 viser et skematisk sidebillede af en konstruktion ifølge opfindelsen i form af en søjle med en fast platform anbragt i dybt vand, 30 fig. 2 et skematisk planbillede set fra linien 2-2 i fig. 1 af den mulige fordeling af et antal dæmpere på platformen, fig. 3 et sidebillede i større målestok af en enkelt af dæmperne i fig. 1, 35 fig. 4 et sidebillede delvis i snit af detal jer i et afstemningsorgan for pendulet i fig. 3, fig. 5 et planbillede delvis i snit efter 4 147115 linien 5-5 i fig. 4, fig. 6 et sidebillede delvis i snit af lejringen af pendulet og dettes bremsemidler, og fig. 7 et planbillede af det i fig. 6 viste, 5 delvis i snit og med visse dele fjernet.

Fig. 1 viser en boreplatform på havet konstrueret til anbringelse på vanddybder på 200-300 m. Platformen bæres af en enkelt søjleformet mast 10, som hviler på et stationært sted på havbunden 12 og går lodret 10 op gennem vandet 14 og op over havoverfladen 16, hvor den bærer et platformdæk 18 over de højeste bølgetoppe. Platformens dæk kan omfatte flere etager arbejdsdæk, som det kendes inden for teknikken. Masten 10's nederste ende er fastgjort til havbunden ved hjælp af ikke viste 15 pæle eller borerør, som er støbt fast i undergrunden og fastgjort til masten. Ankertove eller barduner 20 er fastgjort til en krave 22, som er placeret på mastens øverste del, og holder denne i lodret stilling mod virkningen af tidevandstrømme og vind- og bølgekræfter.

20 Dækket 18 og det derpå fæstnede tilbehør vil være placeret tilstrækkelig højt over den normale vandstand til at gå fri af de stormbølger, som kan forventes det pågældende sted på havet. Således kan f.eks. den neder-ste del af det samlede dæk være beliggende ca. 15 m 25 over middelvandstanden ved lavvande.

En platform konstrueret til anbringelse på 20Om vand, kan f.eks. have en søjleformet bæremast med en udvendig diameter på ca. 8,5 m og bære en dækbelastning på ca. 3000 tons under boring. Da konstruktionen 30 er fastgjort i havbunden, vil den have en vibrations-karakteristik som en bjælke, der har den ene ende indspændt og den anden understøttet på fjedre, i dette tilfælde bardunerne. Afhængigt af denne marine konstruktions udformning dimensioner og belastning vil konstruk-^ tionen have en egensvingningsperiode på 4-10 sek. pr. svingning. Oceanbølger med tilsvarende perioder vil således blive de betydende bølger for denne platform.

5

14711S

Nogle oceanbølger har ved målinger vist sig at have en periode på 3 sek. for 1,5 m bølger, 4 sek. for 2,5 m bølger, 5,5 sek. for 5 m bølger og 14 sek. for 17 m stormbølger. Da vandbølger af en bestemt højde kan 5 have forskellige perioder under forskellige forhold, angiver disse tal målinger udført på et bestemt tidspunkt på bestemte steder og under specielle forhold med vanddybder på 200-300 m. De bølger, som har størst betydning for platformens opførsel, er derfor ikke nødven-10 digvis de højeste bølger, men de bølger, som svarer til konstruktionens egensvingningsfrekvens, og som vil påføre konstruktionen tvungne synkrone vibrationer.

Dynamiske virkninger kan forårsage svigtning af en konstruktion på flere måder. Ved en lidet dæmpet kon-15 struktion kan resonant opbygning forårsage spændinger, der er høje nok til direkte at ødelægge dele og bringe konstruktionen til at falde sammen. Vibrationer, der fortsætter over en tidsperiode, kan også forårsage . svigtning ved træthed i konstruktionsmaterialet. Det 20 antal svingninger, som kan forårsage tæthedsbrud, .afhænger af faktorer som spændingernes størrelse, tidligere spændingsbelastninger, spændingskoncentrationer og miljøets korroderende natur. Træthedsbrud kan ske efter kun meget få svingninger i nogle tilfælde ved uheldig 25 konstruktion. Det er ønskeligt, at de dynamiske spændingsniveauer i en marin platform af den her forelig— 2 gende type reduceres til under 1400 kp/cm .

Et andet betydningsfuldt aspekt ved platformvibrationer eller -svingninger er forekomsten af store 30 bevægelser eller accelerationer. Sådanne virkninger kan påvirke funktionen af udstyr og give ubehag for personel. Menneskelig reaktion på vibrationer er en funktion både af vibrationernes periode og af deres accelerationsniveau. Et accelerationsniveau på mere end 35 0,1 G ved platformens egenfrekvens vil være ubehageligt.

Ved en platform af den viste type og med en egensvingningsperiode på f.eks. 6 sek. vil disse parametre be- 6 147115 grænse dækkets tilladelige svingningsudslag til et maksimum på ca. 1 m.

Der findes en vis naturlig egendæmpning i alle konstruktioner. For den viste bæremastkonstruktion be-5 står denne dæmpning af faktorer som ydre vandmodstand, hysterese og indre friktion i masten og forankringskablerne og dæmpning i fundamentet. Frembringelse af nævneværdig egendæmpning forudsætter imidlertid masteud-bøjninger, som ville være alt for store driftsmæssigt 10 set. Dette gælder navnlig for vandmodstandskræfterne, som vokser med kvadratet på masteudbøjningen. Da det af de tidligere forklarede grunde er ønskeligt at holde udbøjningen inden for et begrænset område, kan der ved dimensioneringen kun regnes med en ret ringe egendæmp-15 ning. Ved opfindelsen suppleres egendæmpningen med en ekstra dæmpning, der kan holde konstruktionens vibrationer og svingninger inden for de krævede grænser, I den i fig. 1 viste samlede konstruktion kan bardunerne eller forankringstovene 20 levere en dæmp-20 ning, som lægges til konstruktionens egendæmpning. Forankringssystemet kan imidlertid som nævnt også medføre en komplikation, idet det sammen med den konstruktion, hvis bevægelse det bremser, danner et elastisk system, som kan bibringes tvungne svingninger under påvirkning af 25 periodiske kræfter. Dette systems resonansfrekvens kan ligge inden for frekvensen for almindeligt forekommende oceanbølger. Den kraft, som påføres et sådant forankringssysten under ikke resonante stormtil stande, kan medføre en belastning på op til 500.000 kp eller mere 30 på forankringssystemet, og en resonant tilstand kan føre til Ødelæggelse af systemet.

I et forankringssystem af den type, som er vist skematisk i fig. 1, og i hvilket forankringstovene 20 kan udgøres af ståltove, som i den ene ende er 35 fastgjort til den beskrevne mast og i den anden ende er fastgjort til havbunden, kan der for at holde konstruktionen inden for konstruktionsgrænserne for spænding 7 U7115 og vibration ved vand- og vejrforhold på en given position kræves, hvad der svarer til fire dæmpere 24 med pendul, hvor hver dæmper vejer ca. 50.000 kp, og hver har en bremseeffekt på ca. 1900 kp m/s. Bortset fra den 5 geometriske fordeling af dæmperne på den samlede marine konstruktion er antallet af dæmpere imidlertid ikke kritisk for opnåelse af de ønskede dæmpningsvirkninger, forudsat at deres totale dæmpningsevne er tilstrækkelig. F.eks. kan det i nogle anlæg være ønskeligt at 10 sætte dæmpere på selve bæremasten under dækket 18 på et sted, som kan ligge under vandets overflade, hvis masten under specielle vand- og belastningsforhold har sine største udbøjninger i denne højde. Flytning af dæmperne fra dækket 18 kan erstatte eller supplere 15 andre dæmpere anbragt i dækkets niveau. Fig. 1 og 2 viser fire dæmpere 24, der er fordelt symmetrisk ved hjørnerne 26 af og fastgjort til boreplatformens dækkonstruktion.

Fig. 3 viser en dæmper 24 i større målestok 20 set i udvendigt sidebillede. Dæmperen er fastgjort til hjørnet 26 af boreplatformens dækunderstøtning 18, så at platformens vibrationer overføres til pendulet.

Pendulet omfatter en massiv masse 28, som er indstilleligt fastgjort på den nederste ende af en pendularm 25 30, hvis øverste ende er forbundet med et kardanled 32, som er vist i fig. 6 og 7, og hvori pendulet er lejret til at kunne svinge i alle retninger i lodret plan i forhold til platformen. Pendulet er altså ophængt på en sådan måde, at det kan svinge i en retning, som 30 svarer til en hvilken som helst svingningsretning af den marine konstruktion.

For at absorbere pendulets energi og derved give effektiv dæmpning af boreplatformens vibrationer og svingninger har konstruktionen bremsemidler, der 35 afbremser pendulmassens svingning. Som vist i fig. 6 og 7 er den øverste ende 34 af pendularmen 30 formet som et hus med en halvkugleformet plade 36, som danner 147115 δ et nedre kammer med en indre kugleformet flade 38# hvilken kugles centrum falder sammen med centret for pendulmassens svingende bevægelse. Radialt indad fra fladen 38 og i en lille radial afstand fra denne 5 findes en anden kugleformet flade 40 på en hovedsagelig halvkugleformet plade 42. Pladen 42 er koncentrisk med pladen 36. Den halvkugleformede plade 42 er stift forbundet med en central cylindrisk bæredel 44# som er en fortsættelse af og er stift fastgjort på en 10 bæredel 46# som igen er fastgjort på hjørnet 26 af boreplatformens dækkonstruktion. Den sfæriske flade 40 forbliver således stationær i forhold til platformen# medens den sfæriske flade 38 bevæger sig med det svingende pendul. Der findes et viskost fluidum 48 i 15 det kammer, som dannes af den sfæriske plade 36# og dette fluidum udfylder rummet mellem de to sfæriske flader 38 og 40. Disse flader er som nævnt beliggende tæt ved, men adskilt fra hinanden, så at de giver tilstrækkelig forskydningskraft i det viskose fluidum til 20 at opnå den Ønskede dæmpningsvirkning i apparatet.

F.eks. kan radius af fladen 38 være af størrelsesordenen 1,5 m og mellemrummet mellem de sfæriske flader kan være af størrelsesordenen 6-10 mm.

Den energi, som optages af dæmpningsfluidummet, 25 vil omsættes til varme, og der findes organer til afkøling af det viskose fluidum, navnlig i området mellem de sfæriske flader, således at fluidummet kan beholde sin viskositet og give den ønskede modstand mod pendulets svingende bevægelse. For at opnå dette er en rørspiral 30 so vundet op på og i nær kontakt med den sfæriske plade 42's indvendige overflade. Et kølemedium, f.eks. vand eller et andet kølefluidum, drives gennem spiralen til køling af pladen 42 og dermed til køling af det viskose fluidum mellem de sfæriske flader 38 35 0g 40. Kølefluidummet pumpes ind i kølespiralen gennem et rør 52, som strækker sig nedad fra boreplatformen gennem hjørnebæredelen 26 og gennem et centralt hul 147115 9 54 i kardanleddet som vist i fig. 7 og til den cylindriske del 44, hvorfra et siderør 56 forbinder det med enden af kølerøret 50. Returløbet sker gennem et ringformet rum mellem røret 52 og et omgivende rør 5 60, fig. 6. Dette ringformede rum er forbundet gennem et siderør 62 med den anden ende af røret 50. Derefter er det ringformede rum 58 forbundet med en ledning 64 på boredækket, som leder kølefluidummet til en varmeveksler 66, fig. 2, hvori fluidummet afkøles, 10 før (jet recirkuleres gennem systemet ved hjælp af en pumpe 68 og fordelingsrør 70.

Kardanleddets lejer udsættes konstant for svingende og vibrerende bevægelser af platformen både på grund af bølgevirkning og driften 15 af maskineri på platformen. De er således udsat for ud-mattelsesangreb og korrosionsangreb. Disse lejer skal kunne bære pendulets store vægt og modstå de beskrevne fluiddæmpningsorganers store bremsevirkning. Ikke desto mindre skal pendulet reagere let, når platformens 20 svingninger begynder at forøges væsentligt, og lejerne skal bibeholde denne bæreevne i hele anlæggets levetid.

Et kendt leje med samvirkende flader af bronce og en bøsning af et perfluorcarbon, f.eks. polytetrafluoethy-len (TEFLON, reg. varemærke) er egnet til denne lejring.

25 på grund af harpikskomponenten har et sådant leje en begrænset varmekapacitet, og der anvendes derfor organer til cirkulering af et kølemedium gennem kardanlejer-ne. Som vist i fig. 7 er lejerne, f.eks. 72 og 74, forbundet gennem ledninger 76 og 78 med respektive 30 fordelings- og samlerør 80 og 82. Disse er gennem hver sin fleksible ledning 84 og 86, fig. 3, forbundet med de tilhørende fordelings- og samlerør 64 og 70, fig. 2, på boreplatformen. Disse sidstnævnte er de samme, som cirkulerer kølefluidummet til fluidbremserne 35 for pendulerne som beskrevet ovenfor. Således cirkuleres det samme kølefluidum, som cirkuleres gennem fluidbremserne, også gennem lejerne. Passende ventiler 88 10 147115 er anbragt i de forskellige ledninger til styring af kølefluidstrømmen til de respektive elementer.

Den øverste ende af huset 34 er dækket af en plade 90, som har en central åbning 92 til muliggø-5 relse af pendulets svingning i forhold til den stationære bæredel 46. En fleksibel bælg 94, som ligger mellem den stationære bæredel 46 og dækpladen 90, lukker huset 34 og beskytter dets indhold, navnlig det viskose fluidum 48, mod forurening eller opblanding med 10 vand eller snavs.

X fig. 4 og 5 er vist en mekanisme til regulering af pendularmens længde, så at pendulet kan afstemmes til at reagere · kraf tigst ved den marine konstruktions egenfrekvens.

15 Pendulets hovedmasse 28 omfatter et hus 100, som er symmetrisk om den nederste ende af pendularmen 30. Huset kan naturligvis indeholde et hvilket som helst tungt, fast eller flydende materiale, som kan udgøre pendulets ønskede koncentrerede masse. Tegningen 20 viser den foretrukne anvendelse af murstensformede legemer af bly 102 til tilvejebringelse af den krævede vægt i et forholdsvis lille rumfang og til at muliggøre forøgelse eller formindskelse af massens vægt som nødvendigt for at opnå maksimal effektivitet, når 25 der sker væsentlige ændringer i vægtbelastningen eller andre driftsforhold for platformsanlægget. Hvis f.eks. det marine anlæg oprindelig er opbygget og anvendt som en boreplatform og derefter, når borehullerne er færdige, ændres til en produktionsplatform med bore-30 maskineriet fjernet, vil vægten af platformens dækbelastning være ændret væsentligt og egenfrekvensen for anlægget følgelig påvirket. I huset 100's dæksel 106 er anbragt mandehuller 104, der giver adgang til husets indre. Huset 100 er forstærket og inddelt ved 35 radialt anbragte indvendige vægge 108.

11 147115

Pendularmen 30's nedre ende har en diametral slids 110. Plangepar 112 og 114 er fastgjort ud i ét med og på hver sin side af pendularmen og rager radialt ud fra denne langs slidsen 110's længdekanter. Flangerne 5 i hvert par har flugtende huller 116 til optagelse af en tilhørende tap 118. Som det ses i fig. 4, er en stang 120 fastgjort til huset 100's overside 106 på modstående sider af pendularmen gående gennem slidsen 110. Stangen 120 er fastgjort aftageligt på huset med 10 udtagelige tappe 122, som går gennem flugtende huller 124 i flige 126 på husets overside 106- og gennem tilsvarende huller 128 i begge ender af stangen 120.

Huset 100 er således aftagelig fastgjort på stangen 120 for at lette samling og adskillelse af apparatet.

15 På midten af og fastgjort til stangen 120 fin des en møtrik 130, som i det samlede pendul' er koak-sial med pendularmen 30. En skrue 132 er skruet ind i møtrikken og forløber langs pendularmens akse fra et leje 134 ved armens nederste ende til et trykleje 136 20 på armens øverste ende. En motor 138 er anbragt i pendularmen over og flugtende med skruen 132 og er drivforbundet med sidstnævnte gennem en kobling 140.

Når motoren drejer skruen, løftes eller sænkes massen 28 til ændring af pendularmens effektive længde. Når 25 huset 100 er indstillet til den ønskede stilling på pendularmen, anbringes tappene 118 gennem de flugtende huller 116 i flangerne 112 og 114 og tilsvarende flugtende huller 142 i armen 120, således at huset fastholdes i denne stilling og aflaster mas sen 30 28's vægt fra skruen 132 og dens tilhørende lejer. Når massen 28 skal indstilles langs pendularmen, fjernes naturligvis tappene 118 fra de flugtende huller, medens indstillingen udføres. På denne måde kan pendulets frekvens indstilles, så at den er afstemt til 35 rigtigt, dvs. optimalt, forhold til den marine platforms egenfrekvens.

Claims (3)

147115 Tegningen angiver motoren 138 som værende en elektromotor, og en fleksibel elektrisk ledning 144 forbinder motoren i hver dæmper med en fælles elektrisk kraftkilde 146 på boreplatformen som vist i fig. 2.

5 Da det er kendt inden for teknikken at anvende omskiftere og styringer både til enkeltvis og koordineret drift af de forskellige elektromotorer, er sådanne organer ikke vist eller forklaret her. Der kan anvendes andre typer af motorer, f.eks. 10 hydrauliske eller pneumatiske motorer til dette formål i stedet for de viste elektromotorer. Pendularmens øverste ende 34 er forbundet med den nederste del ved hjælp af en konisk del 150. Denne koniske udformning giver stivhed til den samlede 15 pendularm samt tilvejebringer et kammer 152 til omslutning af motoren 138. Et mandehul 154 med et vandtæt dæksel 156 går gennem den koniske del 150's væg for at give adgang til motoren til vedligeholdelse og reparation. Som det ses i fig. 3, er en platform 20 158 omgivet af et bur 160 fastgjort på pendularmen ved mandehullet, således at det er muligt for arbejderne at arbejde her.

1. Marin konstruktion, især bore- og produktions platform, der er fast lejret på havbunden og strækker sig op over havoverfladen, og som er udsat for bølgepåvirkninger, der får konstruktionen til at svinge og vibrere, kendetegnet ved, at den indeholder 30 et antal bæreorganer (46), som er stift forbundet med konstruktionen på indbyrdes adskilte steder, og som hvert bærer lejer (72, 74), i hvilke der er ophængt et fysisk pendul (24) indrettet til at svinge i forhold til konstruktionen og lejret til at bringes i svingning af 35 svingninger og vibrationer i denne, og at der mellem pendulet (24) og konstruktionen findes bremsemidler til modvirkning af pendulets svingning i forhold til konstruktionen .