NO309233B1 - Fremgangsmåte ved installasjon av strekkstagplattform - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved installasjon av en strekkstagplattform til havs, omfattende de trekk å bringe en frittflytende plattformkonstruksjon til et midlertidig dypgående som er noe større enn normalt dypgående i driftstilstand, bringe plattformkonstruksjonen i en forutbestemt stilling i forhold til stort sett vertikalt anordnede strekkstag, som på forhånd er festet til ett eller flere fundamenter på havbunnen og ved sin øvre ende er forsynt med et koblingselement, føre strekkstagene på plass i forhold til plattformkonstruksjonen slik at deres koblingselementer inntar en stilling i avstand over tilhør-ende innfestingsorganer på plattformkonstruksjonen, og bevirke en relativ bevegelse mellom koblingselementene og plattformkonstruksjonen for å bringe koblingselementene til befestigelse i de tilsvarende innfestingsorganer, hvoretter videre stramming av strekkstagene skjer ved reduksjon av plattformkonstruksjonens ballast.

Flytende strekkstagplattformer (TLP) er forankret til sjøbunnen med vertikale forspente strekkstag. Forspenning-en oppstår som et resultat av at oppdriften er større enn plattformens vekt. Ved at stagene har en betydelig aksial stivhet gjør dette at plattformens vertikalbevegelse på grunn av bølger, på det nærmeste undertrykkes. Stagenes forspenning settes slik at nedadrettede bølgekrefter på plattformen ikke kan føre til at disse kan bli slakke. På den annen side må stagene inneha tilstrekkelig styrke til å motstå de tilsvarende oppadrettede bølgekrefter.

Et betydelig kostnadselement er knyttet til bruk av temporære arrangementer i forbindelse med oppkobling av stagene og for å moderere plattformens transiente dynamiske oppfør-sel fra fritt flytende til fast oppspent tilstand. Ved start av installasjon vil plattformen være fritt flytende, med mulig unntak av påvirkning fra slepebåter og kjedeline-forankringssystem. Typiske resonansperioder i denne fase vil være 15-25 sek. for hivbevegelse og 30-70 sek. for rull og stamp. I ferdig installert tilstand vil stagenes stivhet redusere hiv/rull/stamperesonansperiodene til 2-4 sek. Under ytre påvirkning av direkte bølgekrefter, saktevarierende 2 . ordens bølgekrefter og dynamikk på grunn av vindkast forandres plattformens tilbakeføringsegenskaper ved at stagenes stivhet gradvis aktiviseres. Det er allment kjent at dynamiske systemer som går fra en dynamisk steady-state tilstand til en annen, vil gjøre dette ved en transient dynamisk overgang. Slike transiente overganger kan være voldsomme selv der hvor den økende restoringen har en lineær oppførsel. For installasjon av en TLP må dette vanligvis gjøres slik at økningen i restoring er ikke-lineær. Det er kjent at den dynamiske oppførsel av ikke-lineære systemer kan være verre enn for lineære systemer, samtidig som det er langt vanskeligere å beskrive denne oppførsel gjennom beregninger. Til nå har denne transiente effekt vært oppfattet som et så stort problem for stagene at det er gjort en stor innsats på å redusere omfanget av denne. De 5 TLP plattformer som til nå er bygget illustrerer dette tydelig, og det samme gjør patentlitteraturen.

En fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte type er kjent fra US 5.054.963. For hvert strekkstag benyttes det her fire hydraul syl indre med en slaglengde på 1,5 m for å oppta de transiente bevegelser. Plattformen deballasteres til den nærmer seg sitt normale funksjonsnivå, samtidig som slaglengden av hydraulsylindrenes stempler gradvis reduseres. Når et hjørne av plattformen befinner seg i en bølge-dal, blir så stemplene for dette hjørne låst. Denne låseoperasjon gjentas for de øvrige hjørner. Deretter justeres stemplene inntil strekket er likt i alle strekkstagene, og til slutt blir strekkstagene festet til plattformen ved hjelp av en permanent skrueforbindelse. Hydraul syl indr ene og deres kompliserte styresystem, som representerer en meget vesentlig investering, har nå ikke lenger noen funksjon.

Heidrun-plattformen, som skal installeres sommeren 1995, er nok et eksempel på at store beløp brukes på mekanisk utstyr som kun har til hensikt å redusere voldsomheten av den dynamiske transient. I korte trekk går det her ut på å benytte en spesiell form for koblingsmekanisme som hviler på utstikkere som er festet på nedre del av søyleveggene. Stagenes øvre ender er gjenget, men i tiden før installasjon vil disse kunne bevege seg fritt inne i koblingsmekanismene. På et signal, når alt er klart for installasjon, engasjeres alle koblingsmekanismene samtidig. Ved et system av fallende kiler, som er gjenget på den siden som vender inn mot staget, virker disse slik at de låser seg til staget på den siden der plattformen forsøker å bevege seg oppover. På den siden der plattformen beveger seg nedover, derimot, vil kilene dyttes ut av gjengeinngrepet slik at plattformen fritt kan bevege seg nedover. Ved at disse inngrepene veksler fra side til side tvinges plattformen nedover og stagenes forspenning bygges opp. Debal-lastering foretas for å redusere varigheten av denne transientfase. Dynamisk sett er dette en fordelaktig måte å utnytte naturlovene på.

Plattformens bevegelsesenergi for rotasjon om horisontale akser er vanligvis viktigere for stagkreftene enn bevegelsesenergien på grunn av vertikalbevegelse. Det som skjer når koblingsmekanismene veksler mellom å gripe når plattformen forsøker å bevege seg oppover og la den bevege seg fritt når den beveger seg nedover, er at plattformens bevegelsesenergi omformes til stillingsenergi. Dvs. bevegelsesenergien brukes til å presse plattformen nedover der den holdes fast ved at stagene strekkes. Fordi bevegelsesenergien tappes ut gjennom hele transientfasen, forårsaker dette kun moderate krefter i koblingselementene og de tilhørende stagene.

De koblingsmekanismer som til nå har vært benyttet, representerer til dels elegante løsninger for å redusere stør-reisen på kraftforløpet gjennom en dynamisk transient. Det nødvendige utstyr er spesialtilpasset formålet og benyttes kun gjennom en kortvarig installasjonsfase. Kostnadene ved dette utstyr øker kraftig ved økende belastning. For at disse ikke skal bli for store, settes det restriktive værbegrensninger for installasjon. Dette fører til at de temporære koblingsmekanismer blir det svakeste ledd i kjeden og langt svakere enn selve staget og koblingsenheten ved bunnfundamentet.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte type, hvor omkostningene til midlertidig utstyr for å ivareta den transiente fase, i det minste er betydelig redusert.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at koblingselementene, bortsett fra i deres endestilling, tillates å bevege seg hovedsakelig uten vertikal tvangsstyring i forhold til innfestingsorganene under nevnte relative bevegelse, hvorved en flerhet støt kan oppstå mellom koblingselementene og de tilsvarende innfestingsorganer som følge av plattformkonstruksjonens bølgeinduserte bevegelser under nevnte relative bevegelse.

Man har med andre ord overraskende funnet at plattformkonstruksjonen kan installeres uten bruk av temporære koblingsmekanismer. Selv om de støt som oppstår mellom koblingselementene og deres innfestingsorganer på plattformkonstruksjonen kan være ganske voldsomme i installa-sjonsfasen, har det vist seg at da både disse og selve strekkstagene må kunne motstå de påkjenninger som kan opptre i løpet av hele driftsfasen, f.eks. også under såkalte hundre års bølgesituasjoner, vil de ha tilstrekkelig styrke til å oppta støtkreftene. I løpet av et støt vil strekkstaget tøyes, men stillingsenergien kan ikke lagres i strekkstaget som for de bevegelige koblingsenheter ifølge teknikkens stand. Det som faktisk vil skje, er at energien vil veksle mellom plattformkonstruksjonens bevegelsesenergi og strekkstagenes stillingsenergi. På grunn av viskøse effekter og friksjon vil noe av bevegelsesenergien dissiperes. Samtidig vil intervallene mellom påfølgende støt bli stadig kortere fordi man samtidig reduserer plattformkonstruksjonens dypgående.

Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen er definert i de uselvstendige krav.

Til bedre forståelse av oppfinnelsen skal den beskrives i form av utførelseseksempler under henvisning til vedføyede skjematiske tegninger, hvor: fig. 1 er et oppriss av to forhåndsmonterte strekkstag,

fig. 2 viser strekkstagene på fig. 1 forbundet med en plattformkonstruksjon før endelig installasjon av denne, og fig. 3 viser en variant av fig. 2.

På fig. 1 er det vist to strekkstag 1, som hvert er festet til et fundament 2 på havbunnen 3. Strekkstagene, som kan bestå av sammensveisede stålrør, holdes i opprettstående stilling ved hjelp av oppdriftslegemer 4, som eventuelt kan fjernes etter fullført installasjon. Øverst er strekkstagene forsynt med hvert sitt koblingselement 5, som f.eks. kan bestå av en fast påmontert hylse. Forhåndsmonteringen av strekkstagene 1 på fundamentene 2 kan skje på flere i og for seg kjente måter, f. eks. som vist i forannevnte US 5.054. 963. Strekkstagenes 1 lengde er utført med stor nøyaktighet under hensyntagen til bl.a. fundamentenes 2 reelle plassering, slik at koblingselementenes posisjon i forhold til vannflaten 6 er nøyaktig som bestemt på forhånd.

Fig. 2 viser strekkstagene 1 forbundet med en plattformkonstruksjon i en innledende fase til den endelige sammenkobling mellom plattformkonstruksjonen og strekkstagene. I nedkant av plattformens søyler 8 og på utsiden av disse er det anordnet innfestingsorganer 9 for strekkstagenes koblingselementer 5. Hvert innfestingsorgan er forsynt med en vertikal føring 10 for det tilhørende koblingselement 5. Innfestingsorganet har videre en vertikal spalte med en bredde som er litt større enn strekkstagets diameter, men som er smalere enn diameteren av koblingselementet 5. Denne spalte tillater sideveis innføring av strekkstaget i innfestingsorganet til den stilling som fig. 2 viser, dog forutsatt at innføringen skjer ved et noe større dypgående av plattformkonstruksjonen 7 slik at koblingselementene 5 kan passere over føringen 10 under den sideveis bevegelse.

Fig. 2 viser også at det til hvert koblingselement 5 er festet en kabel 11 som er forbundet med en vinsj 12 på plattformkonstruksjonens dekk 13. Vinsjen 12 benyttes til å trekke strekkstaget 1 på plass i forhold til innfestingsorganet 9, og den vil også kunne benyttes til å dempe sakte-varierende bevegelser av plattformkonstruksjonen under den endelige koblingsfase.

Det vil forstås at innføringen av strekkstagene og koblingselementene 5 i innfestingsorganene 9 vil måtte skje ved et noe større dypgående av plattformkonstruksjonen 7 enn det som er vist på fig. 2. I denne tilstand er plattformkonstruksjonen hovedsakelig frittflytende og kan ha ganske store sakte-varierende bevegelser med samme periode som egenperioden i stamp. Disse sakte-varierende bevegelser vil være overlagret mindre bevegelser med samme periode som bølgene. Ved å stramme opp kablene 11 og styre vinsjene 12 på passende måte, f.eks. slik det skal forklares i det etterfølgende, kan de sakte-varierende bevegelser dempes så å så si helt ut, og de gjenværende vertikale bevegelser med samme periode som bølgene vil da typisk bare være 5-10% av bølgehøyden. I denne situasjon kan plattformkonstruksjonens dypgang reduseres ved hjelp av ballast-pumpene slik at koblingselementene 5 inntar en stilling som fig. 2 viser med en typisk gjennomsnittlig avstand til innf est ingsorganene 9 på f. eks. 0,5 m. Dette vil være utgangspunktet for den endelige sammenkobling, som med fordel kan skje ved en relativt rask reduksjon av plattformkonstruksjonens 7 dypgående.

En slik reduksjon kan tenkes oppnådd på forskjellige måter eller ved kombinasjoner av slike. En mulig måte er å anvende en vekt 14, f.eks. en lekter eller et lignende flytelegeme, som henges opp under dekket 13 av plattformkonstruksjonen slik fig. 2 viser. Her er heiseverket 15 i plattformkonstruksjonens boretårn 16 via et taljearrange-ment benyttet til å heve lekteren 14 delvis ut av vannet, for derved å belaste plattformkonstruksjonen med en last på f.eks. 3 000 tonn. Ved å slippe lasten, slik at lekteren beveger seg til den stilling som er vist med punktert linje på fig. 2, vil den opprinnelige gjennomsnittlige klaring på 0,5 m mellom koblingselementene 5 og de tilsvarende innfestingsorganer 9 kunne opptas relativt raskt, men vil føre til et relativt kraftig støt mellom disse. Beregninger har imidlertid vist at støtkraften likevel vil holde seg godt innenfor den normale kapasitet av strekkstagene. En årsak til dette er at strekkstagplattformer hovedsakelig benyttes på store havdyp. På grunn av strekkstagenes tilsvarende store lengde vil disse ha en viss fleksibilitet som gjør dem i stand til å absorbere støtkreftene. Skulle støtkref-tene likevel bli større enn ønskelig, kan disse reduseres ved å foreta en langsommere hevning av plattformkonstruksjonen, f.eks. ved at dette kun skjer ved tømming av ballastvann, men da må man til gjengjeld akseptere at støtene mellom koblingselementene og innfestingsorganene skjer over en lengre periode.

En annen måte å oppnå en rask hevning av plattformkonstruksjonen er ved å tømme ballast fra spesielle ballasttanker

som ligger over vannlinjenivået.

Enten man benytter seg av en rask vektreduksjon eller ikke, vil det under sammenkoblingsfasen foretas en utpumping av ballastvann, som vil pågå helt til man har oppnådd den forspenning i strekkstagene 1 som er nødvendig for å forhindre at disse kan bli slakke.

Fig. 3 illustrerer en alternativ metode for relativt raskt å oppta klaringen vist på fig. 2 mellom koblingselementene 5 og innfestingsorganene 9. Her trekkes ganske enkelt plattformkonstruksjonen 7 til side for sin posisjon lodd-rett over fundamentene 2 på havbunnen, f.eks. ved hjelp av en taubåt 17, og på grunn av strekkstagenes 1 skråstilling kan klaringen her opptas uten å endre plattformkonstruksjonens dypgående. Mens taubåten 17 søker å holde plattformkonstruksjonen 7 i den viste stilling, blir så ballastvann pumpet ut inntil strekkstagene har fått den nødvendige forspenning, noe som samtidig fører til at plattformkonstruksjonen trekkes tilbake på plass over fundamentene. Det vil ses at denne fremgangsmåte kan gjennomføres uten å forsyne plattformkonstruksjonen med spesialutstyr av noe slag og at den vil gi mindre kraftige støt på grunn av den mindre stivhet i vertikalretningen som strekkstagenes skråstilling gir.

Dersom den forventede støtkraft ved første gangs kontakt mellom koblingselementene 5 og innfestingsorganene 9 skulle bli større enn ønskelig, f.eks. fordi strekkstagene er unormalt korte eller stive, eller sammenkoblingen må skje under spesielt ugunstige værforhold, kan støtkraften reduseres ved å anordne et energidissiperende organ mellom koblingselementet og det tilhørende innfestingsorgan. Dette energidissiperende organ kan med fordel være av den plastisk deformerbare type.

Det vil forstås at når det på tegningene bare er vist ett strekkstag for hver plattformsøyle, er dette gjort for oversiktens skyld. Vanligvis vil det for hver plattform-søyle være en gruppe strekkstag, gjerne tre eller flere, og plattformkonstruksjonen vil vanligvis ha tre eller fire søyler. En plattformkonstruksjon med tre søyler vil være statisk bestemt og vil kunne gjøre bruk av foreliggende oppfinnelse uten behov for noen etterjusteringsmulighet av koblingselementenes posisjon i innfestingsorganene dersom strekkstagenes lengde bestemmes og fremstilles tilstrekkelig nøyaktig. Fremgangsmåten vil også kunne benyttes for plattformkonstruksjoner med fire eller flere søyler, men med den modifikasjon at den opprinnelige installasjon med strekkstag uten justeringsmuligheter skjer for tre av plattf ormkonstruksjonens søyler, slik at man også her i utgangspunktet har en statisk bestemt konstruksjon. Deretter blir stagene for den eller de øvrige søyler strammet opp og festet på en eller annen praktisk måte, f.eks. ved hjelp av hydrauliske jekker eller mekaniske kiler.

I det foregående er det nevnt at plattformkonstruksjonens sakte-varierende bevegelser kan dempes ved å stramme opp kablene 11 og styre vinsjene 12 på passende måte. Et eksempel på slik styring er kjent fra det tidligere nevnte US 5.054.963. Her er vinsjene forsynt med passiv hivkom-pensering slik at linene kan forsynes med en konstant stramming på omtrent 3 0 tonn. Ideelt sett vil dette ikke ha noen innvirkning på plattf ormkonstruksjonens bevegelser, men på grunn av hystereselignende effekter i hydraulikken og kabelføringen vil det likevel kunne skje en viss demp-ning av bevegelsene.

En annen og mer effektiv måte er å forspenne kablene til en gitt verdi og låse vinsjene, dog slik at disse gir etter dersom kabelstrekket overskrider en tillatt grense. Likeledes kan vinsjene spole inn om slakk i kablene skulle inntreffe. På denne måte øker rulle/stampestivheten, som er svært liten fra før på grunn av lav metasenterhøyde. Beregninger og modellforsøk viser at dette er en forutsig-bar, sikker og svært virkningsfull måte å redusere plattformkonstruksjonens rotasjonsbevegelser på før den endelige sammenkobling.

En ytterligere fremgangsmåte er å styre vinsjene slik at disse, f.eks. ved hjelp av bremsekraft, gir en mer eller mindre konstant motstand mot uttrekking av kabelen, mens slakk i kabelen spoles inn uten nevneverdig kraft. Vinsjene vil dermed tappe energi ut av plattformkonstruksjonen når denne beveger seg oppover, men vil ikke tilføre energi under dennes påfølgende nedadgående bevegelse.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved installasjon av en strekkstagplattform til havs, omfattende de trekk å bringe en frittflytende plattformkonstruksjon (7) til et midlertidig dypgående som er noe større enn normalt dypgående i driftstilstand, bringe plattformkonstruksjonen (7) i en forutbestemt stilling i forhold til stort sett vertikalt anordnede strekkstag (1) , som på forhånd er festet til ett eller flere fundamenter (2) på havbunnen (3) og ved sin øvre ende er forsynt med et koblingselement, føre strekkstagene (1) på plass i forhold til plattformkonstruksjonen (7) slik at deres koblingselementer (5) inntar en stilling i avstand over tilhørende innfestingsorganer (9) på plattformkonstruksjonen (7) , og bevirke en relativ bevegelse mellom koblingselementene (5) og plattformkonstruksjonen (7) for å bringe koblingselementene (5) til befestigelse i de tilsvarende innfestingsorganer (9) , hvoretter videre stramming av strekkstagene (1) skjer ved reduksjon av plattformkonstruksjonens (7) ballast, karakterisert ved at koblingselementene (5), bortsett fra i deres endestilling, tillates å bevege seg hovedsakelig uten vertikal tvangsstyring i forhold til innfestingsorganene (9) under nevnte relative bevegelse, hvorved en flerhet støt kan oppstå mellom koblingselementene (5) og de tilsvarende innfestingsorganer (9) som følge av plattformkonstruksjonens (7) bølgeinduserte bevegelser under nevnte relative bevegelse.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at koblingselementene (5) tillates å bevege seg hovedsakelig fritt i forhold til plattformkonstruksjonen (7) under nevnte relative bevegelse .

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at langsomt varierende bevegelser av plattformkonstruksjonen med en periode hovedsakelig tilsvarende dennes naturlige stampeperiode dempes ved å utøve en varierende vertikalkraft mellom toppen av koblingselementene (5) og plattformkonstruksjonen (7) .

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at et plastisk deformer-bart energidissiperende organ anordnes permanent mellom hvert koblingselement (5) og det tilhørende innfestingsorgan (9).

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte relative bevegelse bevirkes i det minste delvis ved å trekke plattformkonstruksjonen (7) sideveis bort fra nevnte forutbe-stemte stilling i forhold til strekkstagene (1).

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at nevnte relative bevegelse bevirkes i det minste delvis ved å frigjøre en vekt (14) som på forhånd er blitt opphengt i plattformkonstruksjonen (7) .

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det som nevnte vekt benyttes et flytelegeme såsom en lekter (14).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at nevnte vekt (14) på forhånd opphenges ved hjelp av et heiseverk (15) i et boretårn (16) på plattformkonstruksjonen (7).

9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at nevnte relative bevegelse bevirkes i det minste delvis ved å slippe ut vann fra ballasttanker plassert over vannlinjenivået (6) i plattformkonstruksjonen (7).

10. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den utføres samtidig for strekkstagene (1) i tre hjørner av plattformkonstruksjonen (7) .