NO175827B - Anordning ved trykkbeholdere - Google Patents

Description

I oljeindustrien blir av og til flytende konstruksjoner, slik som halvt neddykkede plattformer og strekkstagplattformer (TLP), benyttet som bærekonstruksjoner for bore-og/eller produksjonsutstyr. Disse konstruksjoner er meget avhengig av vekten ved at jo mindre mengder konstruksjons-stål som benyttes, dess mer utstyrsbelastning kan de oppta. En hoveddel av vektkomponenten av konstruksjonsstålet ligger i det ytre skall i søylene og pontongene, som vanligvis har sirkulært eller rektangulært tverrsnitt, og som består av plater som er avstivet i omkrets- eller lengderetningen med T-avstivere og bulbstålplater helt til sentrum. En slik konstruksjonsform er kostbar og tidkrevende når det skal bygges opp til de snevre toleranser som kreves på grunn av lasteevnens følsomhet for en sammentrykning av skallene.

Både strekkstagplattformer og halvt neddykkbare plattformer har skrogpontonger som er prismatiske elementer med i tverrsnitt sirkulær, kvadratisk, rektangulær, heksagonal eller annen form. For å motstå det hydrostatiske trykk rundt disse elementer når de er neddykket, blir det. ytre plateskall avstivet av tverrgående avstivere som blir anordnet inne i plateskallet for å hindre bukling av platen.

Da det er svært arbeidsintensivt å fremstille denne avstivning, samt da det fører til øket vekt og større kost-nad, vil det være gunstig helt ut å kunne sløyfe denne. Videre vil det være gunstig å kunne utforme det ytre plateskall på en slik måte at platene ikke i det hele tatt utset-tes for bøyepåkjenninger, og derfor ikke kan bli buklet. Hvis man gjør dette, kan også det ytre plateskall fremstilles av lettere materiale enn tilfellet er med dagens flytende konstruksjoner.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å eliminere kravet til avstivere, og å gjøre det ytre plateskall lettere både i pontong- og søyleelementer.

Ifølge oppfinnelsen oppbygges det en plateprofilform som omfatter et hult element med et skall av avvekslende konkave og konvekse flater i forhold til elementets lengdeakse, og et indre rammearrangement for å understøtte skallet, karakterisert ved at de konkave flater ikke er avstivet og forløper hovedsakelig over elementets hele lengde.

Denne profilform vil redusere vekten av og kostnadene med konvensjonelt avstivede trykkbeholdere for ytre trykk. Slike konstruksjoner vil by på visse fordeler over de kon-vensjonelle utformninger, spesielt der det ytre trykk er den dominerende belastning, for eksempel i områder på sjøen og i undersjøiske omgivelser.

Denne oppfinnelse er spesielt beregnet for enhver beholder som skal motstå ytre trykk og er ikke begrenset til strekkstagplattformer eller halvt neddykkbare plattformer, og for den del ikke til vanntrykk heller. Idéen er heller ikke begrenset til stål eller ethvert annet metall, fordi oppfinnelsen like godt kan benyttes i forbindelse med kull-stoff iberteknologi i det ytre skallmaterialet.

Beholdere beregnet for å oppta ytre trykk trenges overalt hvor folk eller utstyr skal holdes tørt nede i sjøen, og denne oppfinnelse kan med fordel benyttes i slike konstruksjoner. Eksempler på slike kan være oppholdsrom (habitats), avlukker for oljeproduksjonsutstyr på sjøbunnen, dykkerfarkoster, U-båter, oppdriftskammere og tanker etc. Det fins tilfeller der de langsgående hjørnerammerør i tillegg kan benyttes til f.eks. føringer for strekkstag i strekkstagplattformer og peleføringer for oppdriftsbenene i stålplattformer.

Denne oppfinnelse vil også med fordel kunne benyttes til å oppta det ytre trykk fra is. Alltid når en konstruksjon blir innefrosset i is, vil isen utøve et stort trykk på konstruksjonen, fordi isen ekspanderer, og dette trykk kan bli opptatt meget effektivt av rammen ifølge oppfinnelsen. Der hjørnerørene i tillegg benyttes til å danne den konvekse del av skallet, kan de føre damp eller annen varm gass eller fluidum for å smelte isen lokalt ved konstruksjonen, slik at det ytre trykk blir redusert.

Slike profilformer er ikke tidligere blitt benyttet i fartøyer på sjøen på grunn av den økende motstand slike former medfører i et fluidum som beveger seg (eller når den beveges gjennom et fluidum), men det skal vises at denne form er fullstendig god nok for stasjonære strekkstagplattformer eller for en halvt neddykkbar, flytende produksjons-plattform. En slik profilform er også å foretrekke på grunn av dens dempingskarakteristikk (dvs. reduksjonen av svinge-bevegelser), selv om graden av denne fordel ennå ikke er bestemt. Relativt sett er det bare i det siste at det er blitt nødvendig å holde flytende konstruksjoner stasjonære i lange tider og ikke forflytte dem ofte og hurtig gjennom vannet.

Oppfinnelsen skal nå beskrives i form av et eksempel med henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Fig. 1 viser et prismatisk element som er oppbygd i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 2 viser en rektangulær profilform som er oppbygd i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 3 viser skjematisk et skrog for en halvt neddykkbar plattform eller TLP bestående av søyle- og pontongele-menter. Fig. 4 viser et tverrsnitt av søylen og pontongen ifølge fig. 3, oppbygd ved bruk av kjent teknikk (fig. 4A) og ved å benytte teknikken ifølge oppfinnelsen (fig. 4B). Fig. 5 viser et element med tverravstivende membraner som er festet i avstand over lengden. Fig. 6 viser en spiraldreining av en prismatisk beholder under et ytre trykk og uten en endeavstivning. Fig. 7 viser elementet på fig. 5 med et konsentrisk indre element. Fig. 8 viser forvridningen av et rektangulært element under påvirkning av et ytre trykk. Fig. 9 og 10 viser et element med en indre ramme for å hindre forvridningen, som er vist på fig. 8. Fig. 11 viser et indre rammeverk for å hindre forvridning uten bruk av et konsentrisk indre element. Fig. 12 og 13 viser anordningen og konstruksjonen av langsgående skott inne i elementet. Fig. 14 og 15 viser anordningen og konstruksjonen av avstivede og korrugerte tversgående skott inne i elementet. Fig. 16 og 17 viser konstruksjonen av det ytre skall i elementet. Fig. 18 viser et element som er egnet for bruk som en pontong ifølge fig. 3. Fig. 19 viser et element som er egnet for bruk som en søyle ifølge fig. 3, og

fig. 20 og 21 viser overgangen mellom en konkav membran til en plan plate ved enden av elementet.

Fig. 1 viser et hult byggeelement som er konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Det er oppbygd med et antall langsgående hjørnerør 3 0 med en konveks hjørneplate 32 som er festet på rørene 30. Mellom hvert av nærbeligg-ende hjørnerør 3 0 er det én del av et ikke avstivet plate-spenn 34. Inne i elementet er det anordnet et indre rammeverk 3 6 som støtter opp hjørnerørene 30.

Konstruksjonen ifølge oppfinnelsen kan også benyttes i konstruksjoner, der det må tilveiebringes relativt store tørre områder i omgivelser nede i sjøen. Et eksempel er vist på fig. 2, der et stort antall parallelle rør 30 danner et nesten flatt tak med et konkavt membranplateskall 34 mellom rørene 30. Et lignende rammeverk benyttes i gulvet i konstruksjonen. Et indre rørrammeverk understøtter rørene 30, og dette kan også tjene som serviceledninger.

Et typisk skrog for en halvt neddykkbar plattform eller en strekkstagplattform er vist på fig. 3. Den kan bestå av et hvilket som helst antall pontonger 38 eller søyler 40, men for enkelhets skyld er det vist en pontong 38 som har fire elementer i en lukket ring og med fire vertikale søyler 40. Snitt av søylene (AA) og pontongene (BB) som er konstruert ved hjelp av kjent teknikk og ved bruk av T-avstivere 42 og ringavstivere 44, er vist på fig. 4A. Fig. 4B viser det samme snitt av søylene og pontongene ifølge oppfinnelsen og viser den enkle konstruksjon.

På fig. 5 er det vist en ytterligere utførelsesform for en rammekonstruksjon med rektangulært tverrsnitt, men andre tverrsnitt kan fremstilles på lignende måte.

Det antas at membranene 46 og/eller de tversgående skott kan stilles opp og innrettes korrekt i de relative stillinger, mens hjørnerørene 30 og dekkplatene 32 allerede er påfestet i riktig stilling. Etter at to av disse rør 30 er festet til topphjørnene på membranene 46, kan det konkave topplateskall 34 senkes ned mellom disse og ned på hjørne-rørene 30 og kan sveises langs kantene til dekkplatene 32. Ved hel gjennomsveising kan plateskallet festes langs kantene til dekkplatene, idet hjørnerørene 3 0 benyttes som sveiseunderlag og sveisingen foretas i opp-ned-stilling. Hele elementet kan roteres for å feste de andre plateskall på lignende måte ved å benytte opp-ned-sveising.

Et prismatisk beholderelement 48 beregnet for å motstå ytre trykk, som har både konkave flater 3 4 og konvekse flater 32, slik som vist på fig. 6, kan ha liten torsjonsstivhet i enkelte tilfelle. Det kan derfor forventes at uten en endeavstivning, vil en slik beholder kunne innta et mindre volum under et ytre trykk, slik at den vil danne en spiral, dvs. at en konkav rille som opprinnelig er rett, vil danne en spiral under et øket ytre trykk, slik som vist på fig. 6B.

Endeinnfestingen som foretas når et element av denne type anordnes på en slik konstruksjon som en strekkstagplattform eller en halvt neddykkbar plattform, vil tjene til å hindre denne forvridning, men det kan oppnås ytterligere motstand ved å benytte den høyere torsjonsmotstand som fås fra et mindre prismatisk element 50 (som er uten riller og ribber) med rette sider og anordnet koaksialt med det større element 48, slik som vist på fig. 7.

Det skal bemerkes at et slikt indre rør ofte er gunstig i elementer på sjøen, fordi det fremskaffer en flyteevnereserve i tilfelle av inntrengning av vann gjennom det ytre skall. Det er en påstand at et slikt rillet element ikke er tidligere benyttet nettopp fordi det har en tendens til å danne en spiral under et ytre trykk. I dette tilfellet er oppfinnelsen basert på den påstand at et indre ikke rillet rør kan benyttes i forbindelse med et ytre rillet skall som en metode for å hindre denne virkning.

Hvis man betrakter et rektangulært element, dvs. et prismatisk element med et tverrsnitt som er i hovedsaken et rektangel, men med konkave sider, under virkningen av et jevnt ytre trykk (P), vil dette element ha en tendens til å falle sammen, slik som vist på fig. 8.

Det indre rammeverk må kunne motstå denne sammen-fallingstendens. Det er mulig med mange alternativer, men et av disse er vist på fig. 9, som viser rammeverket (membraner) i form av trykkstolper 52 og strekkbjelker 54 som kan benyttes mellom de tversgående skott. Den foran viste membranutforming vil være et minimumskrav for å hindre at den viste form skal falle sammen. En alternativ utførelses-form vil være å anordne ytterligere trykkstolper 56 langs kortdimensjonen (a), slik som vist på fig. 10.

Det foran foreslåtte og tversgående membranrammeverk vil ikke bli benyttet med mindre det er billigere enn å benytte et plateformet skott, dvs. ved ganske enkelt å plassere skottene nærmere hverandre.

Et indre rør 50 ved aksen i elementet er ikke den eneste fremgangsmåte for å hindre en spiraldannelse som skyldes utilstrekkelig torsjonsmotstand. Det foreligger andre fremgangsmåter for å øke torsjonsstivheten i elementet så mye at en sammenfalling hindres, og disse krever ikke dette sentrale rør, og på fig. 11 er det vist et eksempel på et element som har trekantformet tverrsnitt.

I dette eksempel økes torsjonsstivheten ved hjelp av et rammeverk 58 mellom hjørnene på rørene 30 i form av fagverk. De diagonale elementer 60 i disse fagverk vil øke torsjonsstivheten for elementene så mye at det hindres spiraldannelse. Et alternativ vil være å erstatte de diagonale elementer 60 med lette metallplater som motvirker skjær-kraften. Hvis diagonalene blir fullstendig utelatt, vil det likevel frembringes noe motstand av Vierendeel-fagverket.

Elementer med et hvilket som helst antall sider kan anordnes i en ramme på lignende måte, og i hvert tilfelle må den indre ramme være slik at den frembringer den nødvendige torsjonsstivhet mellom de tversgående skott. Et rammeverk av denne type kan bli foretrukket i disse undervannskon-struksjoner, hvor et sentralt rør ikke foretrekkes for å tilveiebringe flyteevnereserve eller hvor det er til hinder for passasje av folk eller plassering av utstyr. Deler av pontongene i en strekkstagplattform kan for eksempel kreve at det benyttes et sentralt rør, mens det i andre deler, f.eks. i områder som pumperom, ikke er nødvendig. I dette eksempel kan pumperommene forsynes med fagverk mellom hjørnerørene 30, slik det foran er vist på fig. 11.

Hvis trykkbeholderen beregnet for å motstå ytre trykk er en del av et fartøy, f.eks. en strekkstagplattform eller en halvt neddykkbar plattform, vil det være nødvendig med indre skott både langs elementets akse og på tvers av denne. Denne avdeling utføres for å begrense det volum som blir fylt hvis vann skulle trenge inn gjennom det ytre skall og for å opprettholde den opprettende stabilitet. Den mest foretrukne rammeverksplan for de langsgående skott vil være å plassere dem mellom det sentrale rør 50 (fortrinnsvis en sylinder i de fleste tilfelle) og hjørnerørbjelkene 30, slik som vist på fig. 12.

De langsgående skott 62 kan best formes av korrugert platepaneler, og kan ideelt plasseres som vist på fig. 13 for å oppta de høye kompresjonskrefter og for å hindre hjørnebjelkene 30 i å bøyes mot sentrum av elementet under påvirkning av et ytre trykk. Slike skott må åpenbart være korrugert eller avstivet for å hindre bukling, og de må benyttes minimalt for å hindre unødvendig tilleggsvekt og tilleggskostnad.

Da de langsgående skott 62 fjerner kravet til utforming om at rørene 3 0 skal kunne oppta bøyebelastninger, foretrekkes disse fremfor de tversgående skott, men de vil likevel ikke begrense behovet for tversgående skott 64.

Ved de tversgående skott 64 må det frembringes en vanntett tilslutning, der de møter den ytre skallmembran 34, men de må ikke utgjøre en stiv understøttelse av skallet, idet dette vil hindre skallet i å virke som en enkeltmembran med en enkel krumning. Det vil si at det er bare hvor et tversgående skott 64 møter den ytre membran at det foreligger et mulig konstruksjonsproblem. Dette problem må over-vinnes med en eller annen type "bløt opplagring". Hvis imidlertid et tversgående skott møter et langsgående skott eller et indre rør, vil en stiv understøttelse ved sveising av et stivt skott til et stivt element være helt ut til-fredsstillende.

En fremgangsmåte som muliggjør en "bløt opplagring" ved det ytre membranskall er vist på fig. 14.

Når vanntrykket (P) virker på det ytre membranskall 34, vil det ha en tendens til å trykke den elastomere pakning 66 ned mot kanten av det tversgående skott 64. Når vanntrykket (P) virker mot den ene side av det tversgående skott 64, vil den elastomere pakning bli trykket mot den motstående side,

og vil derved hjelpe til med avtetningen.

Andre konstruksjonsdetaljer som vil tilveiebringe den ønskede fleksibilitet i membranplanet omfatter bruk av en korrugert plate 68, der korrugeringene står loddrett på resultanten for den ytre kraft på platemembranen, slik som vist på fig. 15. For en slik konstruksjon kan de elastomere pakninger ganske enkelt erstattes med en sveisesøm 70 mellom den korrugerte plate 68 og det ytre membranskall 34.

En annen foretrukken detalj er at rørbjelkene 3 0 kan hjelpe til å forme de konvekse "hjørner" i tverrsnittet og til å bære belastningen fra de konkave deler 34. Ved ut-formningen må det også tas i betraktning det tilfellet at en tilstøtende konveks del er blitt punktert på grunn av sam-menstøt med skip eller av andre årsaker, og derved endres den normale belastning på rørbjeiken. En foretrukken detalj er vist på fig. 16.

Et trekk ved oppfinnelsen er at sveisene som forbinder de konvekse hjørneskall- (deksel-) plater 32 til de konkave skallplater 34, kan fremstilles ved å benytte rørbjelkene 30 som sveiseunderlag. Dette vil både fore til en enkel fremstilling og en god konstruksjonsutforming. Det antas imidlertid at disse enkeltsidige sveisesømmer 72 som er frem-stilt med et sveiseunderlag, ikke kan forventes å være feilfrie, og inspeksjonen av baksiden vil være umulig. Med denne utformning må det derfor være tillatt med enkelte sveisefeil. I områder hvor det er absolutt nødvendig med inspeksjon av baksiden av sveisen, kan det bygges opp en sveisesøm 74, som kan kalles en sveiseklakk, og som sveises på hjørnerøret i form av et opphøyet sveiseparti, som derpå slipes for å tilveiebringe en passende sveisesømbehandling ved 76, slik som vist på fig. 17. Det ytre membranskall 34 blir derpå anbragt opp mot sveiseklakken 74 og holdes på plass av en midlertidig sveiseunderstøttelse 78 inntil sveisesømmen 80 er fullført. Ved fjerning av sveiseunder-støttelsen 78 kan det foretas en inspeksjon av baksiden 82 av den ferdige sveisesøm 80.

For en viss trykkhøyde og for en viss tykkelse av den ytre skallplate må det være et visst minimumsforhold mellom nedbøyning i forhold til spennet i skallet for å begrense membranpåkjenningene i skallet. Det er blitt konstatert at det er nødvendig med et minimumsforhold mellom nedbøyning og spenn på omtrent 10%.

Det finnes et utall forskjellige muligheter for å benytte rektangler, oktagbner og andre tverrsnittsformer i forskjellige kombinasjoner for skrogpontonger og søyler i strekkstagplattformer og halvt neddykkbare plattformer. Enkelte former er bedre enn andre for spesielle anvendelser. Den generelle konklusjon vil være at jo flere sider tverrsnittet har, dess tynnere kan membranskallet utføres. Dette må imidlertid balanseres med større vekt og omkostninger i hjørnerørelementene og det indre rammeverk.

Den på fig. 18 viste utførelsesform for en pontong 38 viser et passende kompromiss.

Valget av denne form blir stort sett styrt ved valget av oktagonformen for søylene 4 0 som pontongene skal bygges sammen med. Den oktagonform som er vist på fig. 19 er et passende valg for en søyle.

Det er lett å se at hjørnerørene 3 0 kan plasseres slik på hjørnerørene i skrogpontongene 38 at de faller direkte sammen med hjørnerørene fra søylene 40. Disse rørforbindel-ser vil utgjøre punkter med høye spenningskonsentrasjoner og vil bli utformet som rørknutepunkter som er alminnelig benyttet i plattform- (jacket-) fremstillingen.

Der hvor plateskallet i søylene møter plateskallet i pontongene foreslås den detalj at den innbuede membran 34 endres til en plan plate 84, slik at den plane plate i søylene forbindes med den plane plate i pontongene. Dette utføres ved hjelp av en overgangsplate 86 i form av et membranskall som over lengden har en avtagende krumning. Slike overgangsarrangementer vil utføres på endene både på pontongene og søylene ved hjørneknutepunktene. Et passende arrangement av denne detalj er vist på fig. 2 0 og 21. Den på fig. 21 viste detalj kan også benyttes i undervannsan-vendelser hvor det er nødvendig å lukke endene i konstruksjonen. Overgangen til plan plate ved enden av elementet vil muliggjøre sveising av denne plane plate ved hjørnene.

Selv om de viste eksempler er blitt beskrevet med henvisning til prismatiske elementer som har rette og parallelle hjørnerør, utelukker dette ikke anvendelsen av oppfinnelsen på konstruksjoner, f.eks. U-båter, hvor det er nød-vendig med krummede og/eller ikke-parallelle hjørnerør.

Selv om de fleste beskrevne eksempler viser til flytende fartøyer, dvs. strekkstagplattformer og halvt neddykkbare fartøyer, er det lett å forstå at det finnes mange andre områder hvor den beskrevne ramme ifølge oppfinnelsen kan være fordelaktig sett på bakgrunn av den kjente teknikk.

Claims (12)

1. Profilelement som omfatter et hult element (48) med et skall av avvekslende konkave (34) og konvekse (32) flater i forhold til elementets lengdeakse og et indre rammearrangement (3 6), karakterisert ved at de konkave flater (34) ikke er avstivet og forløper hovedsakelig over elementets hele lengde.

2. Profilelement som angitt i krav 1 med hovedsakelig polygonalt tverrsnitt, karakterisert ved at skallet omfatter tilstøtende langstrakte skallpartier, hvilke skallpartier har avvekslende konkave (34) resp. konvekse (32) flater i forhold til hulprofilets lengdeakse, og ved at hver konkav og konveks flate forløper hovedsakelig over hele lengden av profilelementet.

3. Profilelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det er et prismatisk element med langsgående rammeelementer (30) mellom de til-støtende konkave flater (34).

4. Profilelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det er et prismatisk element som har parallelle, langstrakte hjørnerammeelementer (30), hvor det mellom de respektive par av hjørneelementer (30) er festet konkave skallpartier (34).

5. Profilelement ifølge krav 3, karakterisert ved at de avvekslende konkave (34) og konvekse (32) skallpartier er bundet sammen og er bundet til de langsgående rammeelementer (30).

6. Profilelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de konkave skallpartier (34) bare har en krumning i tverretningen til elementets langsgående akse.

7. Profilelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det indre støtte-rammeverk (36) omfatter et langstrakt, langsgående avstiv-ningselement (50).

8. Profilelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det indre støtte-rammeverk (36) omfatter et tversgående skott (46).

9. Profilelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det indre støtte-rammeverk (36) omfatter et langsgående skott (62).

10. Profilelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det er en ytre trykk-beholder som danner et pontongelement (38) eller et søyle-element for en flytende konstruksjon (40).

11. Halvt neddykkbar, flytende konstruksjon som omfatter et element ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 10, karakterisert ved at den har en skrog-pontong (38) eller dekkunderstøttende søyle (40).

12. Fremgangsmåte for fremstilling av et profilelement som er et hult element i stand til å oppta en ytre påført trykk-belastning, hvor det tilveiebringes et skall med avvekslende konkave (34) og konvekse (32) flater i forhold til elementets lengdeakse, og et indre rammearrangement (36) for å understøtte skallet, karakterisert ved at det benyttes ikke avstivede konkave flater (34) langs i hovedsaken elementets hele lengde.