NO141841B - Flytende konstruksjon. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en flytende konstruksjon som egner seg for bruk som flytende boreplattform, produksjonsplattform eller annet fortøyet, flytende konstruksjon med et vertikalt spent fortøyningssystem med et antall ankere, organer til å ballaste og avballaste og et antall fortøyningskabler som forbinder hvert anker med den flytende plattform, idet ankrene har en total oppdrift til å bære hele vekten av konstruksjonen slik at ved transit vil en minimal konstruksjon befinne seg under vannet og for å redusere bevegelser opp og ned og vippende som følge av sjøen til det minst mulige, med et forhold mellom fortøyningskabelens forspenning og deplasement innenfor området på 0,05 til 0,3

med en ankervekt i området 0,10 til 0,45 av ankerdéplasementet og 0,10 til 0,6 av plattformens deplasement og et ankerdeplasement i området på 1,05 til 1,30 ganger plattformens deplasement.

Det ha,r tidligere vært foreslått fortøynings-systemer for flytende plattformer, hvilken er basert på spenningen i et antall forbindelser fra den flytende plattform til et anker på bunnen, f.eks. i US patent 3.154.039, 3.648.638 og 3.780.685.

Foreliggende oppfinnelse er rettet på et forbedret system for vertikal spenningsfortøyning for en flytende konstruksjon, hvis grunnleggende komponenter er beskrevet i en annen ansøkning 75 1300, hvilken ansøkning har tittelen: "Flytende konstruksjon og fremgangsmåte for gjenvinning av dennes ankere", og omfatter det foretrukne forhold mellom forspenningen i fortøyningskablene og fartøyets deplasement for å få en minimal mengde hevning av plattformen v»d bølge-bevegelser. Andre foretrukne forhold inkluderer forholdet mellom ankervekten og ankerdéplasementet, mellom ankervekten og plattformens deplasement og mellom ankerets deplasement og plattformens deplasement. ,

Et formål med foreliggende oppfinnelse er

å skaffe en forbedret vertikal fortøyet flytende plattform som har et minimum av bølgehevnings- eller ribbebevegelser som følge av periodiske bølge- og vindbelastninger.

Et annet formål er å skaffe en forbedret vertikalt fortøyd flytende plattform med optimale forhold for lettere bevegelse av plattformene og for stabilitet av plattformene når disse er fortøyet.

Disse og andre formål og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil bedre fremgå av følgende detaljerte beskrivelse under henvisning til tegningene, hvor fig. 1

er et perspektivriss av den flytende konstruksjon fortøyd på et borested med vertikale parallelle fortøyningskabler,

fig. 2 er et diagram som viser havbølgeforsterkningen som funksjon av bølgeperioden for vanndybder på 91,4 meter og 1.820 meter og forhold mellom forspenning og ankerdeplasement på 0,5, 0,3 og 0,05, og fig. 3,4 og 5 er diagrammer for en matematisk analyse og modellprøve med regelmessige og uregelmessige bølger for 816,48 tonn og 997,92 tonn forspenning med en enkelt kjettingforbindelse og 997,92 tonn med en tre kjettingers forbindelse med baugsøylen og hvert er et diagram for bølgehøyden over bølgeperioden.

Den flytende konstruksjon 10 vist på fig. 1

er vist som en boreplattform, men kan være en produksjonsplattform eller en hvilken som helst annen fortøyd flytende konstruksjon. Den flytende konstruksjon 10 inkluderer et dekk 12 som har hovedsakelig triangulær form, men kan ha en hvilken som helst annen egnet form. Dekket 12 bærer bore-riggen 14, vinsjene 16, rørstablene 18 og huset 20. Benene 22 strekker seg nedover under hjørnene av dekket 12, og er ved deres nedre ender forbundet ved hjelp av de horisontale elementer 24. Dette sammensatte utstyr av komponenter blir i det følgende betegnet som den flytende plattform 28. I tillegg til den flytende plattform 28 inkluderer den flytende konstruksjon 10 også ankrene 30. Ankrene 30 er av den type

ankere som er vist i foran nevnte parallelle ansøkning,

men hvilke som helst egnede ankerorganer kan anvendes i forbindelse med foreliggende oppfinnelse. Trykkinnret-ningene 32 på de horisontale elementer 24 anvendes for å hjelpe til når stasjonen skal holdes fast eller flyttes.

I tilfelle av foreliggende oppfinnelse er

den flytende konstruksjon 10 fortøyd fra ankeret 30 ved hjelp av et antall parallelle, vertikale fortøyningskabler 34.

Når ankrene 30 er på bunnen som vist på fig. 3, er alle de forbindende organer 34 mellom ankrene 30 og den flytende plattform 28 holdt under spenning for å gi spenningsforank-ring av den flytende plattform 28 som skal forklares i det følgende. Slike fortøyningskabler 34 er forbundet med den øvre ende av ankrene 30 som strekker seg gjennom føringer 46 og vinsjene 16 og hvis frie ender er lagret i et kjetting-rom (ikke vist) inne i benene 22. Hvis det anvendes ankere 30 i stedet for noen annen type forankringsorganer, fore-trekkes at de inkluderer egnede organer for ballasting og avballasting (ikke vist).

Fortøyningen av en slik konstruksjon oppnås

på en hvilken som helst egnet måte, såsom ballasting av den flytende konstruksjon 10, feste av fortøyningskablene ved å stramme med vinsjer 16 og med kablene stramme og sikre avballastes den flytende plattform inntil fortøyningskablene er belastet til den på forhånd valgte spenning som skal forklares i det følgende.

Ved konstruksjonen med vertikalt fortøyde plattformer som beskrevet ovenfor, vil spenningen i fortøynings-kablene mellom ankrene og plattformen hindre dennes bevegelse i sjøen. Imidlertid kan en slik plattform fritt heve og senke seg eller svinge hvis den påvirkes av periodiske ytre krefter, såsom bølge- og vindbelastninger.

Størrelsen av spenningen i fortøyningskablene velges mellom null og deplasementet av plattformen. Når plattformen utsettes for bølgevirkning, varieres spenningen omkring den på forhånd valgte statiske spenning. Det har hittil vanligvis vært foreslått at denne på forhånd valgte spenning skal være en verdi som er slik at de største ventede spennings-

variasjoner hverken bevirker at spenningen i holde-

kablene faller til null hvorved fortøyningskablene blir slakke eller øker over bruddstyrken for fortøyningskablene. Imidlertid kan det som beskrevet i det følgende, sees

at nivået for denne forvalgte spenning påvirker dønnings-følsomheten for den vertikalt fortøyde plattform, og ved pas-sende valg av forholdet mellom forspenning og deplasement kan en vertikalt fortøyd plattform konstrueres med minimale dønningsbevegelser.

Takket være spenningen i fortøyningskablene hindres plattformen i sin duvende bevegelse som følge av bølgevirkningen. Det har imidlertid vist seg at den økende forspenning av fortøyningskablene mens kreftene økes som søker å føre plattformen tilbake til dens stabiliserte stilling, ikke alltid reduserer duving eller svingebevegelser (den horisontale bevegelse av plattformen). Ved konstruksjon av plattformen for et minimum av duving foreslås at: (a)

den forvalgte spenning skal være fra 0,05 til 0,30 ganger deplasementet av plattformen, (b) og hvis plattformen har ankere 30 som kan utfoldes, skal forholdet mellom den samlede uballastede ankervekt og deres deplasement være fra 0,10 til 0,45, (c) den uballastede ankervekt skal være fra 10 til 60 % av plattformdeplasementet, og (d) forholdet mellom ankerdéplasementet og plattformdeplasementet skal være i området fra 1,05 til 1,30. Disse forhold er blitt utviklet empirisk som beskrevet i det følgende og er blitt beskreftet ved prøver med modell.

Når virkningen av bølger eller vind forskyver plattformen fra dens nøytrale posisjon, vil de stramme for-tøyningskabler gi en tilbakeførende kraft som søker å føre plattformen tilbake til dens nøytrale posisjon. Denne kraft er gitt ved formelen

hvor x = plattformens deplasement fra den nøytrale posisjon

L = lengden av "spennings-ben"

eller holdekabler

T = statisk eller forspenning i holdekablene

Denne formel kan omdannes til:

eller hvor Det vil sees at en vertikalt fortøyd plattform oppfører seg ved dønninger som et fjærende massesystem med en fjær konstant gitt som T/L. Fra klassiske svingnings-teorier kjennes den naturlige periode for et fjærmassesystem som hvor

Men plattformens masse, plattformens deplasement og forspenningen har følgende avhengighet:

hvor m = plattformens masse

V = deplasement av plattformen T = forspenning

g = tyngdekraftens aksellerasjon

Det forutsettes at a er forholdet mellom forspenningen og plattformens deplasement, slik at Setter man inn uttrykket for den naturlige periode, fås

Hvis dønningsbevegelsene skal holdes nede,

må ikke plattformen betjenes nær dennes naturlige periode. Havbølger har perioder fra ca. 3 til 25 sekunder. Da plattformen må være funksjonsklar i relativt dypt vann, og da den naturlige periode bare avhenger av a og L, er den eneste måte på hvilken den naturlige periode for vertikalt fortøyde plattformer kan justeres, og variere a , forholdet mellom forspenning og deplasement.

For å bringe på det rene hvor langt den naturlige periode for vertikalt fortøyde plattformer må være fjernet fra den for havbølger, skal betraktes ytterligere prinsipper fra svingningsteorien. Når et fjærmassesystem med naturlig periode Pn påvirkes av en eller annen sinus-formet drivkraft med en periode P, beskrives den støe tilstand av systemet ved

hvor F amplituden for eksiteringskraften k fjærkonstanten for systemet t tiden

ø fasevinkelen mellom eksiteringskraften

og reaksjonen

M forstørrelsesfaktor

og

hvor Disse ligninger kan forenkles noe ved å anta at systemet er svakt dempet, dvs. at £ <=> 0. I dette tilfelle og 0 = 0 (eller 180°)• Vi kan nå se at amplituden for reaksjonen ved den støe tilstand er gitt ved eller i tilfelle av en vertikalt fortøyd plattform er amplituden for den støe tilstands dønning gitt ved

hvor F = aplituden for den horisontale kraft som induseres av bølgevirkningen på plattformen

og ved å sette inn for Pn

Således vil amplituden for bølgereaksjonen ved den stabile tilstand for en vertikalt fortøyd plattform avhenge av deplasementet av plattformen, amplituden av de horisontale krefter som induseres ved bølgevirkningen på plattformen og på bølgeforsterkningsperioden, Am, som er en funksjon av forholdet mellom forspenning og deplasement perioden for eksiteringsbølgene og vanndybden. Da amplituden for den av bølgen induserte horisontale kraft F og deplasementet 7 opprettes ved konstruksjonen av en spesiell plattform, og da plattformen vil bli anbragt i vann med en kjent dybde L, er den eneste gjenværende styring konstruk-tøren har over bølgen (eller svingningene) på fartøyet forholdet mellom forspenningen og fartøyets deplasement. Fig. 2 er et diagram som viser dønningens forsterkning Am i ligning 15 ovenfor tegnet opp over bølge-perioden og viser effekten av a , forholdet mellom forspenning og deplasement og L, vanndybden på bølgebevegelsen for en vertikalt fortøyd plattform. Av et slikt diagram kan man se av vanndybden har en mindre effekt på bølgebevegelsen enn forholdet mellom forspenning og deplasement, særlig i de større vanndybder. Dessuten vil bølgebevegelsene for en vertikalt fortøyd plattform i 100 meter vann med et forhold mellom forspenning og deplasement på 0,5 bli urimelig store hvis den ble påvirket av bølger mød perioder fra 17 til 22 sekunder. Etter hvert som forholdet mellom forspenning og deplasement blir mindre, ser vi imidlertid at verdien for denne funksjon blir mindre og derfor reduseres bølgebevegelsen. Som vist ovenfor, vil økning av spenningen i holdekablene senke den naturlige frekvens og under visse omstendigheter kan bri nge den naturlige frekvens for en vertikal fortøyd plattform innenfor området for havbølger. Dette ville selv-følgelig føre til store bølgebevegelser, en virkning helt motsatt den som er ønskelig. Fig. 2 viser også at et forhold på 0,5 for forspenning/deplasement er for stort for plattformer fortøyd i vann hvor dybden nærmer seg 100 meter. Hvis imidlertid det nevnte forhold for en vertikalt fortøyd plattform fortøyd på 100 fots dypt vann var omkring 0,3, kan det sees at bølge-bevegelsene ville forbli bundet for alle bølger med perioder mindre enn 25 sek.

Det anbefales derfor at vertikalt fortøyd plattformer som drives i en vannmengde hvor bølgeperiodene er mellom 3 og 25 sekunder, bør ha forspenning/deplasementsforhold mellom 0,05 og 0,3.

Andre forhold kan utvikles fra dette spennings/ deplasementsforhold for flytende konstruksjoner med utfoldbare ankere. Da forspenningen er lik plattformens deplasement minus dens vekt, er kvantiteten a fra ligningen (7)

lik plattformdeplasementet minus plattformvekten delt på deplasementet, eller

Målinger av spenningsnivåene i vertikale fortøyningskabler under modellprøver med en vertikalt fortøyd plattform har vist at spenningen varieres symmetrisk omkring forspenningen eller verdien for stille vann. Hvis således en bølge skulle bevirke at spenningsnivået synker fra T til null, ville den maksimale spenning som blir produsert, være tilnærmet 2T. For å unngå løfting av ankeret, må ankervekten være minst 2T. Av hensyn til effektiv utnyttelse av materialer, vil imidlertid en konstruktør sannsynligvis ikke velge å gjøre vekten av ankeret meget større enn nødvendig eller 2T. Hvis derfor ligning (7) erstattes av ligning (17), fremkommer

Av ligning 18 kan vi finne ut ved foretrukne verdier av a at den foretrukne ankervekt er fra 10 til 60 % av plattformens deplasement.

Da ankrene skaffer all den nødvendige oppdrift når plattformen er under bevegelse, vil deres kombinerte deplasement tilsvare plattformens vekt pluss selve ankervekten. Da plattformvekten under deplasement sbevegelse er tilnærmet dens deplasement ved vertikal fortøyning minus forspenningen, får vi

eller ved å erstatte uttrykkene (7) og (18) med (19) får vi eller det kombinerte deplasement for ankrene bør være større enn eller lik plattformens deplasement ganger en faktor på 1 + a . Av ligningen (20) kan sees at med de foretrukne verdier for a (0,05 til 0,30) er det foretrukne forhold for ankerdeplasement/plattformdeplasement innenfor området fra 1,05 til 1,30. Ved divisjon av (18) med (20) får vi

Det foretrukne området for verdier av a for å hindre bevegelser av dønning og hiving av plattformen i å bli for store, er innenfor området fra 0,05 til 0,3. Disse verdier og de forhold som er angitt ovenfor, benyttes for å opprette, det mulige områ,de for vekter og deplasement for ankrene. Ved innsettelse i ligningen (21) vil forholdet for ankervekt til ankerdeplasement falle i området fra 0,1 til 0,45.

Da. det i ovenstående analyse er foreta,tt mange antagelser (f.eks. at den vertikalt fortøyde plattform oppfører seg som et svakt dempet system), er det ønskelig å sammenligne dønningene for en virkelig vertikalt fortøyd plattform med de verdier som forutsies av ovenstående analyse. To programmer har vært gjennomført, et analytisk og et annet eksperimentelt, som tillater utførelse av slik sammenligning. Som et resultat av den analytiske undersøkelse, ble der utviklet matematiske ligninger som beskriver de bølgeinduserte horisontale krefter som virker på en vertikalt fortøyd plattform. Disse ligninger ble utledet ved å anvende standard prinsipper fra hydrodynamikken og skipsbyggingen for å komme frem til matematiske uttrykk som beskriver de krefter som virker på hvert plattformelement. Komplisiteten av ligningene nødvendig-gjorde deres løsning ved anvendelse av en digital computer.

Med disse ligninger var det mulig å beregne de horisontale krefter som ble frembragt av bølger med vilkårlig høyde og periode som virket på en spesiell plattform, og derved frem-bringe en verdi for mengden F i ligning (15). Videre har det vært fullført en omfattende rekke modellprøver for en vertikalt fortøyd plattform. En trekantformet, vertikalt fortøyd plattform, hovedsakelig som vist på tegningene, ble utsa,tt for både regelmessige og uregelmessige bølgeprøver, hvorunder dønningsbevegelsen for plattformen ble målt. Modellen ble fastholdt ved hjelp av en enkelt kjetting i hvert hjørne av plattformens spisser, unntatt under et sett prøver, hvorunder tre kjettinger ble anvendt på baugsøylen og en kjetting på hver av de andre søyler. Prøver ble foretatt med•forspenningen i holdekablene på to forskjellige nivåer. Alle disse resultater er vist på fig. 3, 4 og 5. Disse figurer er diagrammer fbr bølgeoperasjonen (amplitude for bølge-bevegelsen delt på bølgehøyden) over bølgeperioden. Alle resultater fra modellprøvene ble satt opp i prototyp-skala ved å anvende egnede omregningsfaktorer på de eksperimentelt målte verdier. Følgelig er de eksperimentelle verdier vist på disse figurer representative for en prototyp plattform.

De heltrukne linjer på diagrammene representerer verdier for bølgeoperasjonen avledes fra den teoretiske analyse beskrevet ovenfor, sammen med de ligninger som er utviklet i denne beskrivelse. De brutte linjer representerer eksperimentelle resultater avledes fra spektralanalyse av de uregelmessige bølgeprøver. De heltrukne punkter representerer eksperimentelle resultater fra regelmessige bølgeprøver. Den utmerkede over-ensstemmelse som sees mellom de analytiske og eksperimentelle resultater,beviser de antagelser som er gjort ved å gå ut fra ligningene i denne beskrivelse som berettiget, og at en prototyp for en vertikalt fortøyd plattform har en bølge-reaksjon som beskrevet i det foregående.

Claims (4)

1. Flytende konstruksjon (10) beregnet på fortøyning i en på forhånd valgt posisjon, omfattende en plattform (12)

med en reserveoppdrift og et antall fortøyningskabler (34) forbundet med og som strekker seg vertikalt under plattformen (12) i parallelt forhold til hverandre og festet til bunnen av vannet, på hvilket plattformen flyter, og forankringsorganer (30) beregnet på feste av fortøyningskablene (34) til bunnen, idet fortøyningskablene (34) er forspent, karakterisert ved at forholdet mellom denne forspenning og plattformens deplasement faller innenfor området 0,05 til-0,30.

2. Konstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at forankringsorganene (30) har et forhold mellom sin uballastede vekt og deplasement i området 0,10 til 0,45.

3. Konstruksjon ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at forholdet mellom ankrenes (30) uballastede vekt og plattformens (12) deplasement er i området 0,10 til 0,60.

4. Konstruksjon ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at forholdet mellom ankrenes (30) deplasement og plattformens (12) deplasement er i området 1,05 til 1 ,30.