NO164402B - Sammensatt fortoeyningselement for dypvanns offshore konstruksjoner. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for bruk i et strekkfortøyningselement ifølge kravinnledningen.

Med gradvis uttømming av hydrokarbonreservoarer på land og ved relativt små havdyp, er letingen etter ytterligere petroleumreserver utvidet til større og større havdyp på jordens ytre kontinentalsokler. Etter hvert som reservoarer er funnet på slike større dyp, er det utviklet produksjonssystemer med stadig økende kompleksitet og utviklingsgrad. Det er planlagt at det i 1990 vil kreves utstyr for offshore leting og produksjon ved vanndyp ned til 2000 m og mer. Da bunnfaste strukturer i det vesentlige er begrenset til vanndyp på ikke mere enn 500 m med kjent teknikk og på grunn av de skjærkrefter som påføres konstruksjoner, er andre, såkalte ettergivende konstruksjoner utviklet.

En type ettergivende konstruksjon som betraktes meget interessant er strekkstagplattformen (TLP). En TLP omfatter en delvis nedsenkbar flytende plattform som er forankret til forankrede fundamenter via vertikalt anordnede legemer eller fortøyningsliner, normalt betegnet strekkstag. Strekkstagene holdes under strekk til en hver tid ved å sikre at plattformens oppdrift overskrider dens totale vekt under alle værforhold. Plattformen holdes ettergivende fast i sideretninger som tillater svaiing, jaging og giring, mens bevegelser i det vertikale plan som hiving, stamping og rulling motvirkes stivt av strekkstagene.

Flere aspekter ved oppbyggingen av ettergivende konstruksjoner er utviklet av dynamiske betraktninger for konstruksjonen på grunnlag av bølgenes påvirkning. For å minimere svingebevegelsene må konstruksjonens naturlige svingeperiode enten være mindre eller større enn bølgenes periode ved de ulike havforhold. En stiv konstruksjon, eksempelvis en fast plattform, er konstruert med en naturlig svingeperiode som er mindre enn bølgeperioden. En fast plattforms naturlige svingeperiode øker imidlertid med økende vanndybde og nærmer seg bølgeperioden noe som resulterer i store plattformbevegelser. En ettergivende konstruksjon som eksempelvis en TLP er konstruert slik at den naturlige

svingeperiode er større enn bølgeperioden.

Kjente TLP konstruksjoner benytter tykkveggede stålrør som fortøyningselementer. Disse strekkstag har en vesentlig vekt i forhold til den flytende plattform, en vekt som må overvinnes av den flytende konstruksjons oppdrift. Eksempelvis omfatter strekkstagene som ble benyttet i den første kommersielle TLP som ble installert i Hutton feltet i den britiske del av Nordsjøen på 145 m dybde, stålrør med en ytre diameter på 266,7 mm og en indre borediameter på 76,2 mm. Det vil tydelig fremgå, medøkende lengde på fortøyningselemen-téne som kreves for en strekkstagplattform på dypere og dypere vann, at den flytende konstruksjon må ha den nødvendige oppdrift for å overvinne den ekstreme vekt av slike fortøy-ningselementer og denne må være meget stor og dermed bli uøkonomisk. Videre vil håndteringsutstyret for installasjon og opphenting av de lange tunge strekkstag, tilføre betydelig ytterligere vekt og kompleksitet til en strekkstagplattform. Fløtesystemer kan benyttes, men det stilles spørsmål ved deres pålitelighet. I tillegg forårsaker de en økning av de hydrody-namiske krefter mot konstruksjonen.

I et forsøk på å senke vekten av dypvannsstrekkstag mens de tunge stålrørs styrke opprettholdes, er det foreslått å benytte sterke komposittstrukturer med stor styrke av karbon-fiber og/eller aramidfiber. Selv om det herved foreligger en vesentlig reduksjon i vekten av slike komposittstrekkstag, er slike strukturer følsomme overfor slagpåvirkning. I tillegg gjør de relativt store kostnadene for råmaterialene bruk av komposittkonstruksjoner også kostbare og dermed uøkonomiske for andre installasjoner enn for å fremstille store under-vanns-oljelagringsstrukturer eller på meget dypt vann.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer en hybrid komposittstruktur for bruk som et strekkstagelement i en strekkstagplattform, som er lettere enn vanlige tykkveggede stålrør, men som har forbedret motstand mot skade og lavere kostnad enn fiberforsterkede komposittstrukturer.

I henhold til oppfinnelsen omfatter en konstruksjon for bruk i et strekkstagelement for en flytende offshorestruk-tur, et forspent legeme med flere i lengderetningen orienterte fiberelementer med forspenning. Det forspente legeme er festet til et omgivende metallisk ytre rørlegeme med trykkforspenning.

Den ovenfor beskrevne konstruksjon omfatter videre i henhold til oppfinnelsen gjengede koplinger som er festet til det metalliske rørlegeme.

Ytterligere i henhold til oppfinnelsen er flere av de ovenfor beskrevne konstruksjoner festet ende mot ende og forbundet mellom et undervannsforankringslegeme og en flytende plattform og deretter satt i strekk for å frembringe et strekkstagelement for en slik flytende plattform.

Det er således et mål for den foreliggende oppfinnelse å frembringe et lettvektsfortøyningselement til en lav kostnad, for flytende offshorekonstruksjoner.

Med anordningen for bruk i et strekkfortøyningsele-ment ifølge foreliggende oppfinnelse frembringes et lett-vektsf ortøyningselement til lav kostnad, som er beskyttet mot beskadigelse ved slag og som tillater utvidet bruk av strekk-stagteknologien til dypere vann enn det idag er økonomisk mulig ved bruk av strekkstagelementer fremstilt kun av stål. Dette opnås med anordningen ifølge oppfinnelsen slik den er definert med de i kravene anførte trekk.

Disse og andre mål ved den foreliggende oppfinnelse oppnås ved den foreliggende oppfinnelse som beskrives i det etterfølgende i sammenheng med en foretrukken utførelse vist på tegningen hvor fig. 1 viser et skjematisk sideriss av en strekkstagplattform hvor de hybride fortøyningselementer ifølge den foreliggende oppfinnelse kan benyttes, fig. 2 viser et lengdesnitt av en utførelse av fortøyningselementet ifølge den foreliggende oppfinnelse og fig. 3 viser et lengdesnitt av en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 1 viser en offshorestrekkstagplattform 10 som generelt omfatter en plattform 12 som flyter i vann 14 og som er forankret til havbunnen 16 ved hjelp av flere strekksatte fortøyningselementer 18 som strekker seg mellom den flytende plattform 12 og forankringsanordninger 20 anordnet på havbunnen 16. Forankringsanordningene 20 er innrettet for tilkopling av flere strekkstagelementer 18 og er festet i stilling ved hjelp av flere pæler som strekker seg ned i havbunnen 16.

I henhold til en foretrukken utførelse av oppfinnelsen omfatter strekkstagelementene 18 flere lettvekts, hybride komposittrørkonstruksjoner 22 som er sammenkoplet ved deres ender ved hjelp av flere koplinger 24 av metall. Strekkstagelementene 18 holdes i konstant strekk mellom forankringsanord-ningen 20 og den flytende plattform 12 ved hjelp av den flytende plattforms 12 oppdrift som holdes konstant uavhengig av dens driftsvekt under alle forhold.

I henhold til oppfinnelsen omfatter de hybride komposittrørkonstruksjoner 20 i fortøyningselementene 18 et metallisk ytre rørlegeme 26 (fig. 2) med påsveiste tilkoplings-partier, som eksempelvis tappelementer 28 og bokselementet 30 som er gjenget for sammenkopling med andre tilsvarende komposittrørkonstruksjoner 22. Anordnet i det indre 32 av det metalliske ytre rørlegeme 26 er et komposittrørlegeme 34. Rørlegemet 34 er oppbygget av i det vesentlige i lengderetningen orienterte fibermaterialer innlagt i en harpiksmatriks. I en foretrukken utførelse av oppfinnelsen omfatter rørlegemet 34 karbonfibre anordnet i en epoksymatriks hvor karbonfibrene enten er anordnet langsgående eller viklet skruelinjeformet med liten deling. Selv om karbonfibre foretrekkes kan også andre fibrøse materialer, som enten alene eller i kombinasjon med karbonfibre tilfredsstiller de høye krav til elastisitetsmodulen, benyttes, eksempelvis boronfibre, aramidfibre o.l.

Komposittrøret 34 omfatter et endeparti 36 med utvidet diameter som, i henhold til oppfinnelsen ligger med trykk an mot et radialt innad ragende skulderparti 38 i tappelementet 28. På tilsvarende måte omfatter rørets 34 motstående ende 40 en gjenget kopling 42 og en gjenget mutter 44 som ligger an med trykk mot et radialt innad ragende skulderparti 46 i bokselementet 30. Den gjengede kopling 42 i rørelementet 34 er fortrinnsvis fremstilt av metall og rørelementets 34 fibrøse komposittmaterialer er forbundet med koplingen 42 på kjent måte.

Av det ovenfor nevnte kan det sees at tilstrammingen av mutteren 44 mot den gjengede kopling 42 på rørelementet 34 vil utvirke at rørelementet 34 bringes i strekk mens det metalliske ytre rørlegeme 26 på tilsvarende måte tilføres trykkspenning. Strekk- og trykkspenningene kan justeres ved å variere tilstrammingen av mutteren 44 mot skulderen 46 i bokselementet 30.

En alternativ utførelse av oppfinnelsen er vist på fig. 3. En lettvektskomposittrøranordning 122 omfatter et metallisk ytre rørlegeme 126 som har et påsveist tappelement 128 og et påsveist bokselement 130. Istedenfor et komposittrør som vist med 34 på fig. 2, foreligger flere komposittstenger 134. Stengene 134 er oppbygget på tilsvarende måte som komposittrøret 34, ved bruk av fibrøst materiale i en harpiksmatriks. Stengene 134 kan omfatte parallelle lag med kabler eller komposittstenger av fibre. Flere stenger 134 kan benyttes, avhengig av kravene til konstruksjonen av vedkommende komposittrøranordning 122.

Slik det er vist på fig. 2 har hver stang 134 et endeparti 136 med forstørret diameter som ligger med trykk an mot en perforert sirkulær plate 137 som igjen ligger an mot et radialt innad ragende skulderparti 138 i tappelementet 128. På tilsvarende måte omfatter den motsatte ende 140 av hver stang 134 en gjenget endekopling 142 og en mutter 144 som ligger an med trykk mot et andre perforert sirkelformet platelegeme 145 som igjen ligger an med trykk mot et radialt innad ragende skulderparti 146 i bokselementet 130. På tilsvarende måte som ved utførelsen vist på fig. 2, kan det sees at strekket i stengene 134 kan varieres ved tilstramming av mutrene 144 mot den sirkelformede perforerte plate 145 for å sette kompo-sittstengene under strekk mens det metalliske ytre rørlegeme 146 forspennes ved trykk.

I tillegg til bruk av flere kabler som hver har endekoplinger 136, 142, foreligger også muligheten til at stengene 134 kan omfatte en enkelt lengde av komposittkabelen. I denne utførelse (ikke vist) omfatter plateelementene 137, 145 en kurveformet lagerblokk eller en trinse over hvilken den enkelte kontinuerlige kabel returneres til den motstående ende av røret 122. På denne måte gir en enkelt kabellengde den samme effekt som flere enkelte stenger 134 på fig. 3. Alle stenger er forspent ved tilstramming av en enkelt mutter på en gjenget endekopling på samme måte som ved tilstrammingen av mutteren 144 på endekoplingene 142 (fig. 3).

Den foreliggende oppfinnelse tillater bruk av billige, påsveiste mekaniske koplinger for enkel montering av et strekkstagelement. Sveisen er anordnet i en stilling hvor den forspennes under trykk og utsettes derfor i dens levetid for trykkbelastninger. I tillegg vil strekkforspenningen, især for parallelle lag med kabler, føre til høyere elastisitetsmodul, noe som erønskelig.

Dersom det skulle være et problem at det metalliske ytre rørlegeme 26, 126 skulle kunne kollapse, kan dets indre rom 32, 132 fylles med et lettvekt-skum for å bidra til en indre avstivning.

Den aksiale stivhet av det hybride komposittrør ifølge oppfinnelsen er proporsjonal med summen av EA for det metalliske rør og EA for kompositt stengene, hvor E er materia-lets elastisitetsmodul og A er tverrsnittsarealet. Den omgivende belastning fordeles i forhold til de respektive EA verdier.

Eksempel

For en strekkstagplattform i en vanndybde på 1000 m, som benytter 16 vertikalt anordnede fortøyningselementer, vil de følgende konstruksjonsbetingelser foreligge for bruk av kun stålrør:

Maksimal belastning pr. line = 19,57x10^ N

EA = 17,79xl0<9>N.

Følgelig krever et fortøyningssystem kun med stål, rør med et tverrsnittareal på 87,1 cm<2>(et rør med 635 mm ytre diameter og 44,5 mm veggtykkelse). Vekten i vann av et fortøyningselement med en slik konstruksjon er 375 kg pr m.

I motsetning til dette vil et stag ifølge den foreliggende oppfinnelse ha et ytre stålrørslegeme med en diameter på 381 mm og en veggtykkelse på 12,7 mm. Således vil tverrsnittsarealet av stålet være 155 cm<2>. EA for stålet er lik 3,lxl0<9>N.

Stålrøret bidrar med 17,5% av de krevede EA verdier. De resterende 82,5% frembringes av et komposittrør eller stangsystem anordnet i røret i henhold til oppfinnelsen hvor elastisitetsmodulen er 413x10^ kPa og komposittlegemets tverrsnittsareal er 355 cm<2>som gir enEApå 22,8xl0<9>kPa.

Vekten av det totale hybride fortøyningssystem ifølge oppfinnelsen i dette eksempel er i vann 0,7 kN/m. Det foreligger således en vektbesparelse på 2,64 kN/m ved hybride komposittrør ifølge det foreliggende eksempel, i forhold til fortøyningssystemer med kun stål. De totale besparelser for installasjonen vil bli 4 300 tonn. Denne vektbesparelse kan resultere i en kostnadsreduksjon som overstiger 240 millioner kroner i en strekkstagplattform, i tillegg til andre fordeler som eksempelvis forenklet håndtering, lagring, sammenføyning o.l. for fortøyningssystemet på grunn av at det er mindre og tar mindre vekt.

Dersom komposittsystemet forspennes med et strekk på 34,5 kPa, vil stålrøret få et kompresjons trykk på 75,80 kPa, det vil si at den maksimale spenning i stålrøret er lik 144,8 kPa og den maksimale spenning i komposittrøret er 489,5 kPa.

Disse spenningsnivåer ligger godt innenfor grensene for både komposittmaterialer og sveisbare lavstyrke stålrør.

Claims (11)

1. Anordning (22, 122) for bruk i et strekkfortøy-ningselement (18) egnet for fortøyning av en flytende off-shorestruktur (10) hvor fortøyningselementet omfatter flere sammenkoplede anordninger, KARAKTERISERT VED at hver anordning omfatter et sammensatt indre legeme (34, 134) utformet av flere i det vesentlige i lengderetningen orienterte, ikke-metalliske fiberelementer, og at det indre legeme (34, 134) er montert under strekk i et omgivende metallisk rørlegeme (26, 126) som derved holdes under forspenning.

2. Anordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at gjengede koplinger (28, 30, 128, 130) er festet til det metalliske rørlegeme (26, 126).

3. Anordning ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at det indre legeme (34, 134) er fast forbundet med de gjengede koplinger (28, 30, 128, 130).

4. Anordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det indre legeme (34, 134) omfatter et sammensatt rørlegeme.

5. Anordning ifølge krav 1-3, KARAKTERISERT VED at den omfatter flere indre legemer i form av i lengderetningen anordnede komposittstrekkabler.

6. Anordning ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at strekkablene (134) omfatter kabler med stor styrke.

7. Anordning ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at strekkablene (134) er frembrakt av en sinusformet vikling av en enkelt lengde av en kabel.

8. Anordning ifølge krav 6-7, KARAKTERISERT VED at kablene har parallelle lag med fibrøse elementer.

9. Anordning ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at strekkablene omfatter komposittstenger.

10. Anordning ifølge krav 1-9, KARAKTERISERT VED at de fibrøse elementer omfatter karbonfibre.

11. Anordning ifølge krav 1-9, KARAKTERISERT VED at de fibrøse elementer omfatter aramidfibre.