NO145926B - Fremgangsmaate til fremstilling av store islegemer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte

til fremstilling av store islegemer, f.eks. til fundamentering av bore- eller produksjonsutstyr for oljevirksomheten til havs, utførelse<1>av moloer, kaier, større fyllingsarbeider og lignende, der det ved hjelp av hensiktsmessig fryseteknikk ved frysing av vann blir fremstilt et islegeme (isfjell eller isøy) med slik dimensjon i vertikalretningen at det oppstår en så stor belastning mot havbunnen at legemet er stabilt understøttet og således i stand til å motstå alle forekommende kraftpåvirkninger, f.eks. fra bølger, vind, strøm, kollisjon osv.

Offshorevirksomhet, dvs. fundamentering og/eller oppføring av konstruksjoner på havbunnen til havs, medfører meget store problemer. Særlig gjelder dette havområder med grov sjø og hard vind. Problemene forstørres ytterligere, dersom det dreier seg om relativt store dyp, f.eks. 60-70 meter og mere. Det er kjent en rekke forskjellige konstruksjoner for offshore virksomhet. En konstruksjon, den såkalte jack up plattformen, består av understøttelsesben som er forskyvbare i vertikalretningen i forhold til et dekk slik at disse benene kan settes ned mot bunnen og løfte plattformen i været over bølgene. Slike konstruksjoner er uhyre utsatt for korrosjon og er dessuten meget kostbare. De egner seg dessuten først og fremst bare for boreoperasjoner og ikke som faste produk-sjonsinstallasjoner. Det er dessuten kjent betongkonstruk-sjoner som fremstilles ved land og slepes ut til destinasjonen, hvor flytetanker fylles med vann og hele konstruksjonen senkes ned til havbunnen. Slike plattformer er uhyre kostbare, og er også utsatt for korrosjon, idet de hittil kjente plattformer av denne type har en beregnet levetid på ca. 20 år. I tillegg til de enormt store avskrivningene som må foretas i denne tiden, vil man i tillegg få et meget kostbart arbeide med å fjerne installasjonen når den ikke lenger kan brukes.

Kaianlegg og moloer og lignende havneinstallasjoner krever kostbare fundamenterings- eller oppfyllingsarbeider, særlig dersom det er relativt dypt vann. Ofte vil omkost-ningene være så store at det vil være både politisk og -

økonomisk umulig å foretaønskelige arbeider.

Det har tidligere vært foreslått å forme til islegemer (ice islands) til bruk som boreplattformer i arktiske egne. Det kan således henvises til f.eks. U.S.-pat. nr. 3.738.114, U.S.-pat.nr. 3.849.993, U.S.-pat.nr. 3.863.456 og U.S.-pat.nr. 4.048.808, som alle behandler metoder til etablering av kunstige isøyer på grunt vann i polare strøk ved å starte på og forsterke naturlig sjøis ved oversprøyting av sjøvann som etter hvert fryser til. Derved dannes etterhånden så store isvekter og istykkelser at islegemet i løpet av en viss tidsavhengig av vær og vind, bryter gjennom sjøisen og synker ned til sjøbunnen som en kunstig isøy.

Det er videre kjent at man har forsøkt å nyttig-gjøre seg naturlige isfjell og isflak for virksomhet til havs i polare egne.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å gi anvisning på en fremgangsmåte for fremstilling av islegemer av en helt annen størrelsesorden enn foran nevnte U.S.-patenter gir anvisning på. Det vil ifølge oppfinnelsen være mulig å frembringe islegemer med en overflate på 30.000 - 50.000 m<2>eller mer, og med en høyde på f.eks. 200 - 300 meter. Ved slike dimensjoner kan oppfinnelsen tas i bruk for anlegg på store havdyp og er således et alternativ til kjente betong-og stålkonstruksjoner med den fordel at fremstillingsprisen ligger langt under, samtidig som de enorme dimensjoner gir mulighet for enklere og rimeligere bore- og produksjonsutstyr ved at man kan innrette seg mer som for landsbaserte anlegg.

Hensikten med oppfinnelsen er videre, i motsetning til foran nevnte U.S.-patenter, å gi anvisning -på en fremgangsmåte til storindustrien og kontrollert fremstilling av islegemene, uavhengig av vær og vind, og slik at islegemene kan holdes i frossen tilstand kontinuerlig i 20 år eller mer, såvel i kalde som tempererte farvann.

Det tas sikte på en fremgangsmåte som sikrer et stabilt islegeme slik at issiging på grunn av de store trykkene unngås eller holdes under kontroll.

De ovennevnte siktemål oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelp av en fremgangsmåte til fremstilling av store islegemer (isfjell), f.eks. boreplattformer, produksjonsplattformer, moloer, kaier, større fyllingslegemer og lignende,

der det ved hjelp av en hensiktsmessig fryseteknikk ved frysing av vann blir fremstilt et islegeme, med en slik dimensjon i vertikalretningen at det hviler på grunnen på oppstillingsstedet, og der islegemet blir fremstilt i sjøen nær land og deretter blir fløtet til bestemmelsesstedet, som erkarakterisert vedat isfrysemaskiner produserer stykkformet is, f.eks. flakis (isspon) eller lignende, som deretter fryses til fast is i en flytende form, f.eks. ved hjelp av underkjølt vann, kaldluft eller ved at issponene eller lignende har en så lav temperatur at vann som føres inn mellom sponene fryses til fast is.

En spesiell fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen går ut på at det fremstilles skiveformede legemer som fløtes separat og settes på hverandre og forankres til hverandre, f.eks. etter å ha passert en fjordterskel, en grunne eller lignende.

For å kunne skille skivene fra hverandre er det et trekk ved oppfinnelsen at det mellom skivene anordnes varmeelementer.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen byr på en rekke fordeler. Ved at de store islegemene det her er tale om fremstilles ved hjelp av kunstfrosne isstykker, f.eks. flakis, kan produksjonen skje på et hvilket som helst sted, uavhengig av geografiske eller metereologiske forhold. Fremstillingen kan således med fordel skje inn under land, og derfor vil arbeidene kunne henlegges til et fast produksjonssted med de fordeler dette byr på, mannskapsmessig og kostnadsmessig. Ved frysingen fremskaffes store mengder varme som, når produksjonen skjer ved land, kan finne anvendeTse til oppvarmingsformål, aqua-kultur, eller som grunnlag for ny kraftproduksjon.

Når frysingen skjer ved land, kan det på en enkel måte skaffes rent ferskvann og rimelig hydroelektrisk kraft, idet disse ressurser svært ofte finnes tilgjengelig samtidig med påtenkte produksjonssteder i norske fjorder.

Anvendelsen av rent ferskvann til frysingen gir

få problemer på varmevekslersiden av kjølemaskineriet i motsetning til saltvann. Videre vil innfrosset havvann i store islegemer by på visse problemer, idet saltvannsis har en tendens til å lagdele seg ved en prosess som skjer ukontrol-lert i mange år fremover.

Ved industriell fremstilling innunder land kan

man endelig langt på vei nyttiggjøre seg komponenter fra verdens.ledende kjøletekniske bedrifter til oppbygging av produksjonsutstyret.

Et problem som oppstår ved frysing av meget store islegemer, er den såkalte sigingen. Når is utsettes for store trykk, blir den en semiplastisk masse og vil flyte den veien hvor det er ingen eller minst motstand. Et islegeme som hviler på havbunnen og har en høyde på f.eks. 300 meter, vil være utsatt for relativt store sigingseffekter omkring vannlinjen. Dypere ned i vannet vil det ytre vanntrykket delvis kompensere for sigingen.

Tungt utstyr eller tunge konstruksjoner som er installert på toppen av islegemet vil øke faren for siging i isen ved og over vannflaten. Dette motvirkes ifølge en ut-førelsesform for oppfinnelsen ved at tunge konstruksjoner, f.eks. større bygninger, boretårn og lignende forankres dypt nede i islaget, fortrinnsvis under vannlinjen. Derved vil man forankre disse tunge konstruksjonene i et tverrsnitt hvor sigingstendensen er minst på grunn av det utvendige vanntrykket.

Ved fremstillingen av islegemet kan det ifølge oppf.innelsen benyttes en fleksibel ringform som dekker •omkretsen i det minste i et avsnitt på begge sider av vannflaten. Formen kan ifølge en videreutvikling forankres i is-massen ved hjelp av radielle stagplater. En ytterligere utvik-ling av denne teknikken erkarakterisert vedat det utenpå den fleksible formen anordnes en annen, konsentrisk form, og at det mellom formene innføres en trykkgass.

Ved hjelp av denne teknikk kan sigingen begrenses ved at formen tar opp en del av sigingen.

Det er kjent å fremstille islegemer- som har en kanal som forløper fra toppen og ned til bunnen. Når legemet da er satt på plass på borestedet, kan borstrengen eventuelt føres ned gjennom denne utsparingen. Dersom utsparingen lages tilstrekkelig stor, kan selve boreutstyret settes direkte på bunnen.

For å oppnå tetning mot det ytre vanntrykket, an-bringes det ifølge oppfinnelsen et skjørt ved den nedre flaten på islegemet, hvilket skjørt presses ned i bunnen ved ned-setting av islegemet, og at temperaturen i det minste i den nedre delen av islegemet er så lav at det oppstår permafrost i havbunnen. Derved vil havbunnen omgjøres til en fast masse, som er godt festet til skjørtet, og man vil forhindre at vann lekker inn til utsparingen.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til de skjematiske tegningene som viser ut-førelseseksempler for oppfinnelsen. Fig. 1 viser islegemet i et begynnelsestrinn under fremstillingen. Fig. 2 viser en utførelsesform for et islegeme, fremstilt ved fremgangsmåten og beregnet til bruk som bore-eller produksjonsplattform. Fig. 3 viser en annen utførelsesform for et islegeme fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, og

fig. 4 viser et horisontalriss av en form til

bruk ved fremstillingen av et islegeme.

I f.eks. en rolig fjordarm legges det ut en flytende, vanntett forskaling 1 som består av en bunn 2 og rundtgående vegger 3. Forskalingen utføres av hensiktsmessig materiale, f.eks. et skjelett av trevirke eller metall, samt et isolerende materiale, f.eks. isopor. Etter hvert som islegemet 4 produseres, skjøter man på veggene 3 ved hjelp av skjøteelementer 5.

Selve frysingen av vannet kan skje på flere måter. Ferskvann fra en elv eller fra et større vann i nærheten føres til et eller flere isanlegg som fryser flakis, terningis eller lignende. Disse flakene eller lignende blåses med en jevn strøm gjennom dyser 6 ned i formen. Sammen med flakisen fra dysene 6 kan det blåses inn vann med mest mulig lav temperatur gjennom dyser 6'. Flakisen fra ismaskinene har så lav temperatur at vannet vil fryse til fast is mellom flakisen eller isterningen. I stedet for flakis eller isspon eller lignende kan ismaskinene.produsere en isstreng som kan vikles opp i tette spiraler den ene oppå den andre. For vedlikehold av isfjellet vil det bli aktuelt å isolere ytterflatene ved hjelp av isolasjon, som er antydet ved 8. Denne isolasjon kan over vannflaten bestå av sydde glassvatt- eller mineralull-matter med en beskyttende og solreflekterende hud, men den kan også bestå av strenger av ovennevnte materialtyper som vikles som en del av den ovenfor nevnte spiral. Isolasjonen nedover i havdypet vil, på grunn av trykkforholdene, måtte anordnes på en noe annen måte enn over vannflaten. Det kan tenkes anvendt ett eller flere vannfylte skjørt av sterkt armert folie. Vannet i skjørtene vil virke isolerende, og direkte kontakt mellom isflaten og strømmende vann unngås. Denne teknikk kan med fordel anvendes i kombinasjon med foran-nevnte viklingsmetode, idet skjørtene rulles av etter hvert som det ferdige islegeme synker nedover i sjøen under produksjonen. Skjørtene forsynes med synkelodd eller lignende.

For å fjerne den varmen som trenger gjennom isolasjonen, må det et stykke innenfor isolasjonen legges inn kjøle-elementer 9 langs legemets ytterflater. Dette kan være kjøle-rør som utgjør en del av de ovenfor nevnte spiralviklinger. Kjøleeffekten kan styres automatisk etter temperaturavlesninger som kontinuerlig foretas av innfrosne temperaturfølere.

Som innledningsvis nevnt frembringes det ved fremstilling av isen store mengder varme. Denne varmen kan benyttes som fjernvarme til nærliggende bebyggelse, varmen kan ut-nyttes til intensiv oppdretting av fisk eller blåskjell/østers, eller varmen kan danne grunnlag for et temperaturdifferanse-kraftverk (kaldt fjordvann mot produsert spillvarme).

For å gjøre det mulig å flytte islegemet fra produksjonsstedet til destinasjonsstedet må den vertikale høyden ikke være større enn at legemet får mindre dyptgående enn det grunneste stedet i sleperuten. På destinasjonsstedet må den vertikale høyden økes slik at legemet blir stående på bunnen med et så stort trykk at det vil være stabilt og motstå alle krefter som overføres av strøm, bølger, vind og lignende.

De installasjoner på islegemet som ikke kan foretas ved land, blir da installert på destinasjonsstedet. På den øvre flaten av islegemet kan man plassere bygninger 11 og andre konstruksjoner, f.eks. et boretårn 12 eller dersom det dreier seg om en produksjonsplattform, ventiler, overførings-utstyr for lasting av tankskip og lignende. Det kan dessuten bygges en helikopterterminal 13 eller en kortbaneflyplass. Når det dreier seg om offshorekonstruksjoner, vil islegemet nemlig få meget store dimensjoner i horisontalretningen. Dersom det er dybder på omkring 100 meter, vil et tverrmål på ca. 250 meter ikke være en utenkelig dimensjon. Oppholdsrom, produksjonslokaliteter 14 og lignende samt lagerrom 15 kan plasseres inne i islegemet, på samme måte som man gjør ved ekspedisjoner i Antarktis. Man er da beskyttet mot vær og vind. Store ballasttanker, slik som lagerrommene 15 kan også benyttes i forbindelse med økingen av legemets dyptgående på destinasjonsstedet. Dersom det på produksjonsstedet, for eksempel ved land, utspares store lagerrom 15, vil dette selv-følgelig bevirke at islegemet får mindre dyptgående i forhold til et massivt islegeme av samme størrelse. Rommene 15 kan da gjøres så store at islegemet flyter over de grunneste stedene i sleperuten. På destinasjonsstedet kan tankene 15 fylles med underkjølt væske, f.eks. sjøvann med økt saltgehalt, slik at det er flytende ved temperaturer på omkring -5 - -8°C. Derved vil man kunne øke legemets dyptgående, slik at det utøver et så stort press mot bunnen at man vil få tilstrekkelig stabili-tet. Lagring av olje og flytendegjort gass kan skje i lager-tankene 15. Når lagrene ikke er fylt med olje, kan de fylles med sjøvann, hvis dette er påkrevd av hensyn til tyngden av islegemet.

Direkte adkomst til havbunnen kan skje ved at man anordner en utsparing 18, som går fra toppen av islegemet helt til bunnen. Ved å tette mot det utvendige vanntrykket med et rundtgående skjørt 16 som borer seg ned i havbunnen på grunn av islegemets store tyngde, vil man kunne installere boretårn 17 eller for direkte tilgang til brønnhodet. Man vil således kunne etablere de samme forhold som man har på landjorden ved boring eller produksjon av olje.

Tunge konstruksjoner, f.eks. bygninger 11 eller boretårn 12, kan påvirke siging i isen i ugunstig retning. Sigingen vil være størst i området omkring vannflaten, etter-som man her har liten eller ingen mottrykk fra vannet utenfra. Det vil derfor være gunstig å føre ned fundamenteringen 23

for slike konstruksjoner til en dybde under vannflaten til et avsnitt der sigingstendensen i isen er mindre. Her kan fun-damenteringene hvile på plater 24, som fordeler belastningen.

For å forhindre vannlekkasje inn under skjørtet 16 til utsparingen 18, holdes det så lav temperatur i islegemet,

i det minste i den nedre delen av dette, at det frembringes permafrost i havbunnen, slik at den fryser til tilstrekkelig dybde for å sikre mot vannlekkasje.

Når is utsettes for store trykk, vil den være en semiflytende masse, og det vil oppstå siging i isen. For å forhindre dette fremstilles islegemet, i det minste i området omkring vannflaten, inne i en form 19 (fig. 4). Denne formen kan bestå av to konsentriske ringer 20 og 21, hvorav den indre ringen 20 er elastisk, slik at den med motstand gir etter for sigingen. Den er videre utstyrt med forankring i form av radielt rettede stagplater 22, som fryses fast i isen. Den ytre ringen 21 er en solid stiv ring og i mellomrommet 22 mellom de to ringene kan det innføres trykkgass ved hjelp av hvilken man kan regulere motstanden mot sigingen. Den ytre ringen har i seg selv en vekt som vil få den til å gli nedover. Dette kan motvirkes ved å ordne med oppdriftstanker eller ved

å gjøre ringen svakt konisk slik at det ved isens siging opp-trer en oppover rettet kraft.

Siden isens tendens til siging særlig vil kunne opptre ved vannflaten, i et område hvor bølgeerosjonen er betydelig, vil en foretrukket anvendelse også kunne være bruk av isolerte kassetter av betong som presses inn mot isflaten ved stålkabler som løper fra kassett til kassett hele veien rundt. På denne måte kan oppnås en bølgebrytende effekt samtidig som man sikrer termisk isolasjon, og kraft mot sigingstendensen.

Etter dagens pris på elektrisk kraft i Norge (15 øre/kwh), vil det koste ca. 7 kr. pr. m å fryse opp 1 m is i medgått energi. Tilsvarende pris på betong utgjør ca. 400 - 500 kr. pr. m 3. Is er således et svært billig produksjons-materiale.

Is er et rent naturprodukt og vil gå tilbake til naturen, dersom konstruksjonen ikke skal anvendes mere. Man kan da bare rigge ned utstyret, fjerne isolasjonen og la naturen gå sin gang.

De samme betraktninger som er gjort ovenfor, kan legges til grunn ved større havnearbeider. Store moloer, kaier, utfyllingsarbeider og lignende kan utføres ved hjelp av islegemer.

Toppen av isfjellet kan dekkes, helt eller delvis, av plater av forspent betong eller av stål, for å få en gunstig vektfordeling av tyngre utstyr og for å unngå store' partielle trykk.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av store islegemer (4) (isfjell), f.eks. boreplattformer, produksjonsplattformer, moloer, kaier, større fyllingslegemer og lignende, der det ved hjelp av en hensiktsmessig fryseteknikk ved frysing av vann blir fremstilt et islegeme, med en slik dimensjon i vertikalretningen at det hviler på grunnen på oppstillingsstedet, og der islegemet blir fremstilt i sjøen nær land og deretter blir fløtet til bestemmelsesstedet,karakterisertved at isfrysemaskiner produserer stykkformet is, f.eks. flakis (isspon) eller lignende, som deretter fryses til fast is i en flytende form, f.eks. ved hjelp av underkjølt vann, kaldluft eller ved at issponene eller lignende har en så lav temperatur at vann som føres inn mellom sponene fryses til fast is.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat det fremstilles skiveformede legemer som fløtes separat og settes på hverandre og forankres til hverandre, f.eks. etter å ha passert en fjordterskel, en grunne eller lignende.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert vedat det mellom skivene anordnes varmeelementer, slik at skivene kan skilles fra hverandre ved smelting av isen.

4.Fremgangsmåte ifølge et eller flere av foregående krav,karakterisert vedat tunge konstruksjoner, f.eks. større bygninger (11), boretårn (12) og lignende forankres dypt nede i islegemet, fortrinnsvis under vannlinjen.

5. Fremgangsmåte ifølge et eller flere av foregående krav,karakterisert vedat formingen av legemet utføres i en fleksibel ringform (19) som dekker legemets omkrets i et avsnitt over og under vannflaten.

6. Fremgangsmåte ifølge et eller flere av foregående krav,karakterisert vedat temperaturen i den nederste delen av islegemet holdes så lav at det i grunnen på oppstillingsstedet under islegemet frembringes permafrost.

7. Fremgangsmåte ifølge et eller flere av foregående krav,karakterisert vedat det ved islegemets bunnflate anordnes et nedoverrettet, rundtgående tetnings-skjørt (16), som ved hjelp av legemets vekt skal trykkes ned i havbunnen for å forhindre lekkasje av vann inn til en indre utsparing (18).