DK158607B - Fortoejningselement til flydende offshore-konstruktioner - Google Patents

Description

DK 158607 B

o

Opfindelsen angår et fortøjningselement til flydende offshore-konstruktioner indbefattende en platform med trækpåvirkede ben i form af et antal i hovedsagen vertikalt orienterede fortøjningselementer, der er forbundet således 5 mellem forankringsorganer på havbunden og den flydende platform at de er under konstant trækspænding.

Med den tiltagende udnyttelse af underjordiske og under relativt lavt vand liggende hydrocarbon-reservoirer er eftersøgningen efter flere oliereserver blevet udstrakt 10 til stadig større vanddybder over jordens ydre fastlandssokler. Efterhånden som sådanne dybere liggende olieførende lag er blevet opdaget, er der udviklet stadig mere konplek-se og raffinerede produktionssystemer. Man regner med at der i år 1990 vil kræves undersøgelses- og produktionsud-15 styr til arbejde på vanddybder på 1800 m eller mere. Da konstruktioner til fundering på havbunden på grund af den krævede forskydningsstørrelse af konstruktionen er begrænset til vanddybder på ikke mere end ca. 450 m, er der udviklet såkaldte eftergivende konstruktioner.

20 En type eftergivende konstruktion, som har haft be tydelige interesse, er den såkaldte TLP-platform, dvs. en platform med trækpåvirkede ben. En TLP-platform indbefatter en semisubmersibel flydende platform, der er forankret ved hjælp af piloterede fundamenter på havbunden og 25 vertikale elementer eller forankringstove,i det følgende kaldt trækben. Trækbenene holdes hele tiden under trækspænding ved, at det sikres, at opdriften af platformen under alle forhold overstiger dens arbejdsvægt. TLP-plat-formen fastholdes eftergiveligt i sideretningen, således 30 af sveje-, vugge- og giringsbevægelser er mulige, medens vertikale løftebevægelser fra dønninger, stampning og rulle- og slingrebevægelser modvirkes stærkt af trækbenene.

Adskillige hovedretningslinier for konstruktionsprincipperne for den eftergivende konstruktion er udviklet 35 ud fra dynamiske betragtninger vedrørende konstruktionens påvirkning af bølgebevægelser. For at formindske svingningsbevægelser må den naturlige svingningsperiode for konstruktionen være enten mindre end eller større end bølge-

O

DK 158607B

2 perioderne under de forskellige former for søgang. En stiv konstruktion såsom en fast platform er konstrueret med en naturlig svingningsperiode, der er mindre end bølgeperio den. Den naturlige svingningsperiode for faste platforme 5 vokser imidlertid med tiltagende vanddybder og nærmer sig til sidst til bølgeperioden, hvilket resulterer i store platformsbevægelser. I en eftergivende konstruktion såsom en TLP-platform, er den naturlige svingningsperiode fastlagt, så den er større end bølgeperioden.

10 De forekommende konstruktioner af TLP-platforme har sædvanligvis stålrør med kraftige vægge som forankringselementer. Disse trækben har en betydelig vægt i forhold til den flydende platform, hvilken vægt må overvindes af opdriften af den flydende konstruktion. Det ses umiddel-15 bart, at med den voksende længde af forankringselementerne, som kræves til en platform med trækben på de stadig større vanddybder, vil en flydende konstruktion med den nødvendige opdrift til at overvinde denne store vægt, være så stor at den bliver uøkonomisk. Udstyret til håndtering, 20 montering og optagning af de lange, tunge trækben betyder en yderligere vægtforøgelse og komplicering af et platformsystem med trækben. Der kan anvendes pontonsystemer, men deres driftssikkerhed er tvivlsom. Desuden forårsager de en forøgelse af de hydrodynamiske kræfter på konstruktio-25 nen.

Ved den foreliggende opfindelse anvendes letvægtsmaterialer, der i stedet for tunge, tygvæggede stålrør kan benyttes som forankringselementer til platforme med trækpåvirkede ben på dybt vand.

30 Ifølge opfindelsen er fortøjningselementerne en kompositkonstruktion med et antal i længderetningen orienterede carbonfibre, der er indlejrede i en harpiksmatrix.

Ifølge opfindelsen kan det foran beskrevne sammensatte forankringselement endvidere have metalliske koblings-35 organer fastgjort ved enderne af hver sektion af forankringselementet .

O

3

DK 158607 B

Det sammensatte forankringselement ifølge opfindelsen kan endvidere indbefatte langsgående eller skrueformet anbragte glas- eller aramidfibre.

Det er formålet med opfindelsen at tilvejebringe et 5 trækspændt fortøjningselement til en platform med trækben, hvilket element har mindre vægt, men samme eller større styrke og stivhed end de rørformede stålfortøjningselementer, som hidtil er blevet anvendt, og som derfor kan benyttes til en trækplatform på vanddybder større end 300 m, u-10 den at platformen bliver uøkonomisk overdimensioneret, og uden at der skal anvendes kompliceret ponton- og håndteringsudstyr, som ellers ville være nødvendig ved anvendelse af de kendte rørformede stålfortøjningselementer.

Disse fordele ved opfindelsen vil fremgå af den 15 efterfølgende beskrivelse af foretrukne udførelsesformer for forankringselementet og af tegningen, hvor fig. 1 skematisk viser en platform med trækben, hvor det sammensatte fortøjningselement ifølge opfindelsen kan anvendes, 20 fig. 2 et delbillede af det sammensatte fortøj ningselement ifølge opfindelsen og visende de forskellige lag kompositmateriale, fig. 3 et tværsnit gennem elementet efter linien 3-3 i fig. 2, 25 fig. 4 et tværsnit svarende til fig. 3, men vi sende en alternativ udførelsesform for fortøjningselementet ifølge opfindelsen, fig. 5 et tværsnit efter linien 5-5 i fig. 4, og fig. 6 et tværsnit svarende til fig. 3 og 4, men 30 visende endnu en alternativ udførelsesform for fortøjningselementet ifølge opfindelsen.

Tegningens figurer viser en foretrukken udførelsesform for fortøjningselementet ifølge opfindelsen og variationer heraf. Fig. 1 viser en offshore-platform 10 35 med trækpåvirkede ben. Platformen 10 indbefatter en ar-bejdsplatform 12, der flyder i vand 14 og er forankret

DK 158607 B

O

4 til havbunden 16 ved hjælp af et antal fortøjningselementer 18, der står under trækspænding og strækker sig mellem den flydende arbejdsplatform og forankringsorganer 20, som er anbragt på havbunden 16. Forankringsorganerne 16 er ind-5 rettede til at forbindes med et antal stramme fortøjningselementer 18 og er fastholdt i stilling ved hjælp af en pilotering, der strækker sig ned i bunden 16.

I en-foretrukket udførelsesform for opfindelsen består de spændte fortøjningselementer 18 af et antal let-10 te kompositrør 22, som ved deres ender er forbundet indbyrdes med et antal metalliske forbindelsesorganer 24, og de spændte fortøjningselementer 18 holdes under konstant trækspænding mellem forankringsorganerne 20 og den flydende platform 12 af dennes opdrift, som til stadighed holdes 15 større end platformens vægt under arbejdet under alle forhold.

Som vist i fig. 2 består fortøjningselementet 18 i en foretrukken udførelsesform for opfindelsen i hovedsagen af et kompositrør 22 med et metallisk koblingsele-20 ment 26 ved hver ende. Koblingselementerne 26 kan være udformet med gevind eller simpelt hen været svejst sammen til dannelse af forbindelsesorganerne 24 i fig. 1. Ifølge opfindelsen består hvert kompositrør 22 i fortøjningselementet 18 af et antal lag af i hovedsagen i længderetnin-25 gen forløbende forstærkningsfibre. I den foretrukne form veksler et antal parallelt liggende højmodul-carbonfiber-lag 30 i en termohærdet eller termoplastisk harpiksmatrix med lag 32 af svagt snoede, skrueformet viklede aramidfibre med stor styrke i samme harpiksmatrix. Det vil for-30 stås, at et fortøjningselement 18 kan være opbygget alene af carbonfibre i en harpiksmatrix enten parallellagte eller med lille vinkel skrueformet snoede uden anvendelse af indlagte lag af aramidfibre, idet aramidfibrene i den foretrukne udførelsesform er anvendt for at forøge fortøj-35 ningselementets sejhed og modstand mod beskadigelse i forhold til den noget mere skøre sammensatte carbonfiber/har-

O

5

DK 158607 B

piksstruktur. I den foretrukne udførelsesform har carbon-fibrene en elasticitetsmodul, der er større end 2 millioner kg/cm^.

I fig. 2 og 3 er vist den foretrukne lagdelte ud-5 formning af kompositrøret 22 til fortøjningselementet 18 sammen med en foretrukken udførelsesform for et metallisk koblingselement 26. Det ses af et antal vekslende lag af i længderetningen orienterede carbonfibre 30 og skrueformet viklede aramidfibre 32, der alle ligger i en epoxyma-10 trix danner kompositrøret 22. Det vil forstås, at størrelsen og antallet af lag af carbonfibre og aramidfibre kan variere for at tilvejebringe den ønskede styrke og stivhed af fortøjningselementet 18.

Det foretrukne koblingselement 26 er udformet med 15 i hovedsagen radiale trin, til hvilke de forskellige lag 30, 32 af fibermateriale er forbundet. I deres foretrukne form har trinene 34 i metalkoblingselementet 26 en lidt indadgående tilspidsning i længderetningen bort fra kompositrøret for at forøge forbindelsens styrke overfor aksi-20 al belastning. Som ligeledes vist i fig. 3 ligger enderne af carbonfibrene an mod de radialt orienterede flader 36 af trinene 34, medens de skrueformet viklede aramidfibre-lag 32 ligger på trinenes 34 stigningsflader 38. Som forannævnt kan metalkoblingselementet være forsynet med ge-25 vind til indgreb med koblingsorganer til forbindelse med forskellige andre komponenter i fortøjningselementet 18, eller koblingselementet kan have partier, der bekvemt kan svejses til andre komponenter.

Fig. 4-6 viser alternativ udførelsesformer for en 30 del af et metalkoblingselement forbundet med et komposit-rør 22 til dannelse af et fortøjningselement 18. Fig. 4 og 5 viser således et alternativt metalkoblingselement 126, som har større modstand mod torsionsbelastninger i forbindelsen mellem kompositrøret 122 og koblingselementet 126.

35 i trindelene 134 er udformet i længderetningen orienterede slidser 140, der danner en låsemekanisme mod torsionskræf-

O

6

DK 158607B

ter, som søger at overklippe forbindelsen mellem koblingselementet 126 og kompositrøret 122. løvrigt.er komposit-røret 122 dannet af vekslende lag af carbonfibre 130 og aramidfibre 132 i en harpiksmatrix ligesom i den foran 5 beskrevne udførelsesform.

Fig. 6 viser endnu en form for metalkoblingselementet 226, som er forbundet med et fiberkompositrør 222, der . er dannet på lignende måde som i de foran beskrevne udfør elsesformer. Koblingselementet 226 har et antal radialt 10 fremspringende, udvidede rundtgående ringpartier 242, der afgrænser et mellemliggende, rilleparti 244 med mindre diameter. Kompositrøret 222 passer til ringpartierne 242 og er presset ind i rillepartiet 244 ved påvirkning med en opslidset klemring, der ligger rundt om ydersiden af kom-15 positrøret 222 og spænder om dette. Selv om der kun er vist to ringpartier 242 og et enkelt rilleparti 244 og en spændering 246 i fig. 6, vil det forstås at der kan anvendes flere sådanne dele til at forøge styrken af forbindelsen mellem metalkoblingselementet 226 og kompositrøret 222.

20 Som anført tjener aramidfiberpartiet i komposit konstruktionen til at forøge fortøjningselementets modstand mod skader fra slag, som ville kunne ødelægge fortøjningselementet. Som alternativ til eller foruden aramid-fiberlag kan der findes andre beskyttelsesmidler på yder-25 siden af fortøjningselementerne, især en beklædning af konstruktionens sammensatte del, hvorved der kan opnås yderligere beskyttelse mod slagpåvirkninger på fortøjningselementerne. F.eks. kan fortøjningselementet indhylles i en skede af gummilignende materiale eller endog af metal.

30 Det vil imidlertid forstås, at tilstedeværelsen af et sådant ekstra beskyttende materiale har den ulempe, at det forøger vægten af den ellers lette konstruktion. Som alternativ til aramidfibre kan anvendes glasfibre til at styrke kompositmaterialet.

35 Til fremstilling af kompositkonstruktionen kan der anvendes flere forskellige kendte teknikker såsom trækning

O

7

DK 158607B

(pultrusion), filamentvikling og støbning. Ved trækningsmetoden trækkes de forstærkende fibre, der er fugtet med u-hærdet harpiks, gennem en opvarmet trækkedyse, hvor kompo-sitmaterialet hærder. Der fremstilles en kontinuerlig læng-5 de kompositmateriale, idet det trækkes ud fra trækkedysen. Denne teknik er nyttig ved fremstilling af flade og runde stænger, rør, I-bjælker og andre lange elementer med konstant tværsnit. Selv om forskellige fiberorienteringer kan fremstilles ved denne trækning, er den letteste form et 10 0° kompositmateriale (i længderetningen orienterede fibre).

Ved filamentvikling vikles den forstærkende fiber rundt' om en dorn i skrueform, eller den vikles i et polært mønster (ende-til-ende) gentagne gange til dannelse af kompositkonstruktionen. Det resulterende kompositmateriale 15 hærdes så i en ovn. Der findes filamentviklemaskiner til fremstilling af store kompositdele. Denne teknik er nyttig til fremstilling af frembringerlegemer, såsom ringe, cyclind-re og trykbeholdere også med variabelt tværsnit. Vådfilament-vikling indbefatter fugtning af fibrene med uhærdet harpiks 20 før vikling på dornen. Ved tørfilamentvikling eller tapevikling anvendes såkaldte "prepreg"-tape med en bredde på ca. 2,5 cm. "Prepreg"-tape eller hylstre er fibre, som er imprægneret med- uhærdet harpiks og er dyrere end fibre og harpiks, der sælges særskilt.

25 Vikling af tørfibre med efterfølgende harpiksind sprøjtning er også mulig.

Dornene hvorpå viklingerne fremstilles kan have varierende tværsnit. Indbygget metalarmatur ved enderne kan let inkorporeres i et filamentviklet produkt. Mange 30 forskellige fiberorienteringer bortset fra 0° orientering kan opnås ved filamentvikling. Lag med ”0° orientering" kan fremstilles som "prepregs", der lægges op med håndkraft. Alternativt kan benyttes en metode med langsgående nedlægning, hvor 0° fibre lægges på en dorn og fasthol-35 des af en udvendig tværgående vikling (90°).

DK 158607B

O

8

Ved støbning udskæres kompositlag af "prepregs" og lægges op i en metalform eller tilsvarende matrice. En vakuumpose kan bringes i stilling over kompositmaterialet for at formindske hulrumforholdet. En varmpresse eller au-5 toklav benyttes derefter til at frembringe de ønskede temperatur- og trykcykluser til korrekt hærdning af kompositmaterialet. Denne teknik er nyttig til fremstilling af flade plader og forholdsvis simple, store plader.

Som vist på tegningen kan fortøjningselementerne 10 18 bestå af flere rørsektioner af kompositmateriale med en vilkårlig ønsket længde, der er bekvem at håndtere. Det vil forstås at kompositrøret alternativt kan være udformet som et enkelt element, der strækker sig fra forankringsorganerne 20 på havbunden op til den flydende arbejdsplatform 12.

15 Af hensyn til bekvem håndtering vil det ofte foretrækkes at anvende kortere rørsektioner.

20 25 30 35

Claims (15)

1. Fortøjningselement til flydende offshore-kon-struktioner indbefattende en platform med trækpåvirkede ben i form af et antal i hovedsagen vertikalt orienterede 5 fortøjningselementer, der er forbundet således mellem forankringsorganer på havbunden og den flydende platform at de er under konstant trækspænding, kendetegnet ved, at fortøjningselementerne er en kompositkonstruktion med et antal i længderetningen orienterede carbonfibre, 10 der er indlejrede i en harpiksmatrix.

2. Fortøjningselement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hvert fortøjningselement er opdelt i sektioner, der er indbyrdes forbundne med mellemliggende koblingselementer af metal.

3. Fortøjningselement ifølge krav 2, kende tegnet ved, at det har rørformet tværsnit.

4. Fortøjningselement ifølge krav 2, kendetegnet ved, at koblingselementerne af metal er udformede med gevind til indbyrdes forbindelse af elementsek- 20 tionerne.

5. Fortøjningselement ifølge krav 2, kendetegnet ved, at koblingselementerne af metal er svejst sammen.

6. Fortøjningselement ifølge krav 1, kende- 25 tegnet ved, at carbonfibrene er lagt parallelt.

7. Fortøjningselement ifølge krav 6, kendetegnet ved, at kompositkonstruktionen endvidere indbefatter i længderetningen orienterede aramidfibre.

8. Fortøjningselement ifølge krav 7, kende-30 tegnet ved, at aramidfibrene er viklet i skrueform.

9. Fortøjningselement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kompositkonstruktionen yderligere indbefatter i længderetningen orienterede glasfibre.

10. Fortøjningselement ifølge krav 9, kende-35 tegnet ved, at glasfibrene er viklet i skrueform. DK 158607 B o

11. Fortøjningselement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at carbonfibrene er viklet med en lille stigningsvinkel.

12. Fortøjningselement ifølge krav 1, kende- 5 tegnet ved, at harpiksmatrixen er en termohærdet harpiks .

13. Fortøjningselement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at harpiksmatrixen er en termoplastisk harpiks.

14. Fortøjningselement ifølge krav 1, kende tegnet ved, at carbonfibrene har et elasticitetsmo- 2 dul på mere end 2 millioner kg/cm .

15 20 25 30 35