NO312639B1 - Fremgangsmåte og anordning for fundamentering av rörledning på lite b¶redyktig sjöbunn - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen dreier seg om en fremgangsmåte for etablering av fundament for en rørledning, og en forankringspæl for en undervanns-rørledning for bruk i forbindelse med fremgangsmåten. Spesielt gjelder den en fremgangsmåte og et pælanordning for bruk ved fundamentering av en rørledning på havbunnen, hvor traséen krysser et relativt flatt område med lite bæredyktig grunn og hvor topplagene har liten fasthet eller at traseen faller innenfor skråningspartier der stabiliteten av bunnen er slik at den tåler lite ekstrabelastning før den kan rase ut.-Havbunnen på Troll-feltet, kan bestå av topplag med lite bæredyktig bløt normalkonsolidert leire med høyt vanninnhold. En rørledning for transport av petroleumsfluider vil synke ukontrollert ned i slammet hvis den legges direkte på bunnen, og man vil ikke ha kontroll over rørledningens kurvatur eller hvor dypt den blir liggende i leiren. En slik rørledning kan gjerne ha 40 tommers (102 cm) diameter.

En kjent løsning for slike bunnforhold er å legge en steinfylling over det aktuelle området hvor topografien er for ujevn og spennene blir for lange. Mange fartøy er i dag utelukkende beskjeftiget med slik transport av steinmasser, bare i Nordsjøen. Slike steinfyllinger bør ha en viss bredde av hensyn til posisjons-toleransen ved leggingen av rørledningen, av hensyn til steinfyllingens stabilitet ,og også av hensyn til eventuelle fremtidige utvidelser med flere delvis parallelle rør. Steinfyllingens volum per løpemeter øker mer enn proporsjonalt med dens høyde over fast grunn. Steinfyllinger blir dermed store i tverrsnitt og volum, og kostnadene ved å etablere dem er betydelige. I de tilfellene hvor det kan være aktuelt å dumpe stein oppå røret for å ta oppadrettede løftekrefter fra temperatureffekter, blir volumet av steinfyllingene ekstra store.

Sugeankere er kjent anvendt ved fortøyning av strekkstags-plattformer ("TLP"), hvor sugeankere i havbunnssedimentene benyttes til å holde såkalte strekkstag i vertikalt strekk nedover.

Ved søkernes eget Submerged Turret Loading ("STL"), benytter sugeankere som trekkes ned i sedimentene, og hvor en ankerline er innfestet i et øye på siden av ankertønnen slik at forankringskreftene er skrå / horisontale. I alle de anvendelsene av sugeankere som vi kjenner til, er problemstillingen å oppnå en best mulig forankring som skal motstå vertikale oppoverrettede og / eller horisontale krefter.

Internasjonal patentsøknad WO 95/20075, (PCT/NL95/00027, videreført som NO 962876) "Method and apparatus for installing a hollow suction pile in the bottom of a body of water" beskriver en fremgangsmåte for å suge ned et sugeanker i havbunnssedimenter ved hjelp av et mindre vakuumkammer anordnet på toppen av sugeankeret. Vakuumkammeret evakueres og åpnes mot toppen av sugeankeret pulsvis slik at det skjer brå trykkfall i sugeankeret. Dermed unngås problemer med langsomt innsig av vann via lekkasjer gjennom sedimentene.

Løsningen i WO 95/20075 er ikke rettet mot å løse den problemstilling som er definert i foreliggende søknad.

WO 95/20075 foregriper heller ikke fremgangsmåten som er beskrevet i foreliggende patentsøknad, men utgjør kun en lite aktuell modifikasjon i en annen faglig retning i forhold til det sugeanker som brukes som pæl i den foretrukne utførelse av foreliggende oppfinnelse.

Løsningen på de ovennevnte problemer er en fremgangsmåte for etablering av fundament for en eller flere rørledninger på en lite bæredyktig sjøbunn ved hjelp av pælanordninger i form av sugeankere med et pumpe-aggregat. Det nye og særegne ved fremgangsmåten er at den omfatter følgende trinn: at penetrasjonsmotstanden i sjøbunnssedimentene estimeres, og at nødvendig lengde for sugeankrene til etablering av tilstrekkelig bæreevne til å bære en rørledning beregnes;

at det som pælanordning anvendes minst ett sugeanker med minst én bærebjelke fast anbrakt på den øvre ende av sugeankeret, fortrinnsvis med bærebjelken montert i en "T"-form på tvers av enden av sugeankeret;

at pælanordningene suges ned i sjøbunnen til en på forhånd bestemt penetrasjonsdybde slik at nødvendig rørlednings-traséhøyde for bærebjelken etableres,

idet det nedsugde sugeanker samtidig vil fungere som anker, fundament og bropilar til å bære en rørledning på den lite bæredyktige sjøbunn.

Oppfinnelsen gjelder også en pælanordning for etablering av fundament for en eller flere rørledninger av stor dimensjon, på en lite bæredyktig sjøbunn, ved hjelp av pælanordninger omfattende sugeankere omfattende et vertikalt rør som i den øvre ende har et tett lokk, og en åpning ved den øvre ende av sugeankeret innrettet for løsbar tilkobling til et pumpe-aggregat, med minst én bærebjelke ved den øvre enden av sugeankeret, innrettet til å bære minste én rørledning, fortrinnsvis med bærebjelken montert i en "T"-form på tvers av sugeankeret. Det nye ved anordningen er at sugeankeret i en i sjøbunnen nedsugd tilstand samtidig vil fungere som anker, fundament og bropilar til å bære en rørledning på den lite bæredyktige sjøbunn.

Øvrige trekk ved oppfinnelsen fremgår av de underordnede patentkrav.

Oppfinnelsens anordning og fremgangsmåte vil i den etterfølgende tekst beskrives i detalj, illustrert i de medfølgende figurtegninger, hvor: Figur 1 beskriver et vertikalt snitt av en pælanordning med en rørledning liggende på pælanordningens bærebjelke. Figur 2 beskriver et langsgående vertikalt snitt gjennom den samme pælanordningen, samt riss av en del av den en rørledning. Figur 3 viser et langsgående snitt gjennom den øvre del av et sjøbunnsområde med bløt havbunnsoverflate, med riss av en rørledning som er fundamentert med pælanordninger (i delvis snitt) ifølge oppfinnelsen. Figur 4 viser i vertikalt snitt en pælanordning ifølge oppfinnelsen, hvor pælanordningen er utgjør et ferdig montert fundament for en rørledning, og hvor ekstra etasjer for rørledning ifølge oppfinnelsen er montert på pælanordningen. Figur 5 beskriver i vertikalt snitt tre forskjellige stadier i fremgangsmåten for montering av en utførelse av pælanordningen. Figur 5a viser pælanordningen hengende like over sjøbunnen, figur 5b viser situasjonen når pælanordningen

er omtrent ferdig nedsugd i sjøbunnen, og figur 5c beskriver hvorledes pumpeaggregat og posisjoneringsenhet kan fjernes fra pælanordningen når fundamenteringen er utført.

Figur 1 viser en pælanordning 1 som ifølge oppfinnelsen kan bestå av ett eller flere sugeankere 10 omfattende et rør 102 og et tett lokk 104. Sugeankeret er innrettet til å suges ned i sedimentene med rørets 102 åpne ende mot sedimentene, og i det vesentlige i vertikal retning. Sugeankeret 10 er nær den lukkede øvre enden utstyrt med en åpning 132 innrettet for tilkobling til et pumpe-aggregat 14, og tilkoblingen i den foretrukne utførelse er løsbar. Nær den øvre enden av røret 102 er det festet minst én bærebjelke 12 innrettet til å bære i det minste én rørledning 4. Pælanordningen har løsbart påmontert en posisjonerings-enhet 140. Posisjoneringsenheten 140 kan omfatte utstyr som er innrettet til å angi pælanordningens posisjon og orientering i et tredimensjonalt koordinatsystem, både med hensyn til retninger i horisontalplanet og i vertikalplan. Posisjoneringsenheten 140 er innrettet til å angi en absolutt eller relativ asimutretning for bærebjelken 12 før nedsugingen finner sted, slik at bærebjelken 12 blir stående hovedsakelig på tvers av den ønskede trasé for rørledningen 4. I en foretrukket utførelse har røret 102 i sugeankeret 10 en diameter på 80 tommer, d.v.s. 203 cm, og en veggtykkelse på 25 mm. Den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen har 10"

(25 cm) diameter på åpningen 132. Videre har bærebjelken 12 i den foretrukne utførelse en lengde på 8 meter, som er den totale summen av usikkerheten i rørleggingsprosessen +/-2,5 meter for rørledningen 4, og den laterale

installasjonstoleransen +/-1,5 meter for pælanordningen 1. Vekten av en slik pælanordning i den foretrukne utførelse er lav, bare ca. 15-20 tonn.

Selv om pumpeaggregatet 14 i den foretrukne utførelse er løsbart tilkoblet sugeankeret 10, kan det tenkes operasjonelle eller økonomiske forhold som tilsier at pumpeaggregatet 14 kan etterlates på sugeankeret 10.

I en foretrukket utførelse har pælanordningen ett enkelt sugeanker 10, fortrinnsvis med bærebjelken 12 montert som en "T"-form på tvers av enden av sugeankeret. Ved spesielle grunnforhold eller ved behov for ekstra bred fundamentering kan det imidlertid være nødvendig å anvende en pælanordning bestående av flere sugeankere 10 bundet sammen av en felles bærebjelke 12. Det kan også tenkes en asymmetrisk plassering av bærebjelken 12 uten at dette avviker vesentlig fra oppfinnelsen.

I den foretrukne utførelsen utstyres bærebjelken 12 med i det vesentlig vertikale stoppere 120 montert stående på bærebjelken 12. I en alternativ utførelse kan stopperne 120 skrå utover i forhold til vertikalen. Stopperne 120 hindrer rørledningen 4 fra å bevege seg ut over bærebjelkens 12 ender dersom stopperne 120 er plassert på endene av bærebjelken 12. Dersom man ønsker å plassere rørledningen 4 på en mer begrenset del av bærebjelken 12 kan den ene av, eller begge stopperne 120 plasseres andre steder på bærebjelken 120. Bærebjelkens 12 stoppere 120 kan være innrettet til å bære ytterligere én eller flere bærebjelker 12'. Selve utformingen av festeinnretningen mellom bærebjelken 12 og stoppere 120 og ytterligere bærebjelker 12' er en fagmessig oppgave. Ifølge denne oppfinnelsen kan man ha muligheten for å legge ytterligere en rørledning 4' på bærebjelken 12, dersom man klarer å legge rørledningen 4 konsekvent på en side av bærebjelkene 12 langs traséen. Dersom man monterer ytterligere en bærebjelke 12' på stopperne 120, og ytterligere stoppere 120', blir operasjonen med å legge ytterligere én rørledning 4' på bærebjelker 12' nesten identisk med leggingen av rørledningen 4. Dette representerer en stor besparelse for fundamenteringen av rørledningen 4'.

I den foretrukne utførelse er posisjonerings-enheten 140 utstyrt med en kompassanordning 142 innrettet til å registrere bærebjelkens 12 retning i horisontalplanet. Toleransen for retningen av den ferdig installerte bærebjelken 12 er satt til +/- 20 grader.

Pælanordningens 1 bærebjelke 12 skal i det vesentlige stå horisontalt etter nedsugingen i havbunnen er avsluttet. Den største tillatte helning av bærebjelken 12 i lengderetning, den "transverse toleransen" d.v.s. på tvers av rørledningstraséen, er +/- 5 grader, noe som gir en elevasjonsforskjell på omtrent en halv meter mellom bærebjelkens 12 ender. Toleransen for vinkelfeil i bærebjelkens 12 tverretning, altså den "longitudinale" i forhold til rørledningen 4, er +/-10 grader.

I den foretrukne utførelsen er bærebjelken 12 rett, slik at pælanordningen 1 utgjør en "T"-form. Imidlertid kan alternative utførelser av bærebjelken 12 ha andre former, for eksempel med knekk ned på midten, slik at pælanordningen 1 utgjør en "Y"--form, uten at dette avviker fra oppfinnelsen.

Oppfinnelsens fremgangsmåte for å etablere et fundament for en eller flere rørledninger 4 over en bløt relativt flat sjøbunn ved hjelp av pælanordninger 1, omfatter følgende trinn: Det må foretas en bestemmelse av penetrasjonsmotstanden av sjøbunnsedimentene i området hvor man ønsker å la rørledningen krysse, og på grunnlag av penetrasjonsmotstanden beregne penetrasjonsdybden som er tilstrekkelig for å bære en rørledning 4 ved hjelp av sugeankere 1 som nevnt ovenfor.

For fremgangsmåten benyttes pælanordninger 1 som beskrevet ovenfor, for understøttelse av rørledningen 4.

Penetrasjonsmotstanden kan vanligvis fastslås på en mer generell basis når det gjelder en flat bløt sjøbunn. Penetrasjonsmotstanden kan måles ved hjelp av en penetrasjonssonde 200 (figur 1).Dersom man kan anta at penetrasjonsmotstanden er uniform i området, eller at man av andre hensyn ikke behøver å foreta en detaljert kartlegging av penetrasjonsmotstanden, kan man foreta en generell beregning av penetrasjonsmotstanden ved hjelp av egnet grunnundersøkelsesmetode, for eksempel seismiske undersøkelser av sjøbunnen.

Penetrasjonsmotstanden kan i løpet av

nedsugingsoperasjonen verifiseres ved hjelp av penetrasjonsdybden og sugetrykket over pumpeaggregatet, ved hjelp av en instrumentpakke 144 (ikke vist) som kan være montert i forbindelse med pumpeaggregatet 14 og/eller posisjoneringsenheten 140. Instrumentpakken 144 er blant annet innrettet til å måle trykk og høyde over havbunnen, og den kan også utgjøre en integrert del med

posisjoneringsenheten 140.

Høyden over sjøbunnen for bærebjelken 12 bestemmes generelt. Når bærebjelkens 12 høyde over havbunnen er bestemt, må den nødvendige penetrasjonsdybde for etablering av tilstrekkelig bæreevne for sugeankeret 10 beregnes. Parametre som inngår i beregningen av nødvendig penetrasjonsdybde er penetrasjonsmotstand i sjøbunnen, dens skjærmotstand, sedimenttetthet, pælanordningens 1 og bærebjelkens 12 høyde over sjøbunnen, bærebjelkens 12 utragende til side for sugeankeret 10, vekt av rørledningen 4, rørledningens horisontale kurvatur, og andre parametre.

Ved bløte bunnforhold med jevn topografi er det lite aktuelt å tilpasse lengden av sugeankrene lokalt. En slik tilpasning vil være plass-, ressurs- og tidkrevende om bord på et fartøy. En løsning kan være å forhåndsprodusere like lengder av pælanordninger 1, eller forhåndsprodusere grupper av forskjellig lengde på pælanordninger 1, hvor den innbyrdes lengde av pælanordningene er ens innen hver gruppe. Slike lengder kan for eksempel være 8 m, 10 m, 12 m, 14 m. Deretter kan man velge en pælanordning 1 av tilfredsstillende lengde før pælanordningen 1 settes i posisjon på sjøbunnen.

Figur 5 viser at hver enkelt pælanordning 12 plasseres på sjøbunnen. Pælanordningen 1 vil synke et stykke på grunn av sin egen tyngde, mens den støttes av vaiere festet nær endene av bærebjelken 12. Deretter suges pælanordningen 1 ned i sjøbunnen ved hjelp av pumpeaggregatet 14. Nedsugingen foretas så ved å pumpe ut vann via åpningen 132 ved hjelp av pumpeaggregatet 14 inntil bærebjelken 12 rager den forhåndsbestemte høyde for rørlednings-traséen opp over sjøbunnen.

Etter at pælanordningen 1 er sugd ned i sjøbunnen vil det ifølge den foretrukne fremgangsmåten bli foretatt en frakobling av pumpeaggregatet 14, posisjoneringsenheten 140 med kompassanordningen 142, samt øvrig kontroll-instrumenteringsutstyr. Disse kan fordelaktig være montert sammen på en såkalt "pumpeskid" og trekkes tilbake samtidig fra pælanordningen 1. Det kan tenkes operasjonelle forhold hvor det ikke er aktuelt å hente tilbake pumpeaggregatet 14, posisjoneringsenheten 140, men dette er lite aktuelt under de operasjonsforhold foreliggende oppfinnelse er tiltenkt.

I en foretrukket utførelse vil pælanordningen 1 senkes til sjøbunnen fra et fartøy og med vaierfeste 128 eller tilsvarende i bærebjelken 12. I den foretrukne utførelse vil vaierfestene plasseres langt ute mot bærebjelkens 12 ender. En slik plassering av vaierfestene forenkler stabiliseringen av pælanordningen 1 og dreiningen av bærebjelken 12 inn i riktig asimutal retning. Selve dreiningen av bærebjelken 12 kan foretas ved hjelp av utstyr som kontrolleres fra overflaten, for eksempel vaiere eller kjettinger, eller det kan benyttes en fjernstyrt undervannsfarkost, en såkalt "ROV" for å dreie bærebjelken inn til riktig asimutal retning på tvers av rørledningstraséen. Når bærebjelken 12 har riktig retning kan den senkes helt ned på havbunnen og nedsugingsoperasjonen kan starte.

Når nedsugingsoperasjonen er avsluttet kan pælanordningens 1 pumpeaggregat 14 ifølge den foretrukne utførelse frigjøres fra åpningen 132, og bringes tilbake til fartøyet. I en alternativ utførelse kan det bringes direkte videre til neste pælanordning 1 som står for tur til å plasseres på sjøbunnen.

Installasjonen av pælanordningen kan foretas fra kranfartøy, eller ved hjelp av et forsyningsfartøy som sleper en såkalt "skid" som bærer pælanordningen.

I den foretrukne utførelse utgjøres som ovenfor beskrevet åpningen 132 av en åpning med diameter 10" eller 25,4 cm. Det vil imidlertid være mulig å utstyre pumpeaggregatet 14 med en flens som tilsvarer diameteren av røret 102, som er 80" eller 203 cm. I den alternative utførelse kan bærebjelken 12 være montert gjennom rørets 102 øvre parti, uten å avvike fra oppfinnelsens idé. For å løsne et slikt pumpeaggregat 14 kan det være nødvendig å reversere strømningsretningen av pumpeaggregatet 14 etter at nedsugingsoperasjonen er avsluttet, slik at det oppstår et overtrykk og pumpeaggregatet 14 trykkes løs fra røret 102.

Det er her kun nevnt rørledninger for petroleumsfluider, for eksempel olje, gass og med et vanninnhold av varierende grad. Det er imidlertid ikke ment å begrense oppfinnelsen til kun å gjelde rørledninger for petroleumsfluider, men rørledninger for hvilket som helst fluid eller for den saks skyld partikler i pulver- eller kornform, og også kabler for eksempel for elektriske og andre energi- eller signalledere. Oppfinnelsen er heller ikke utelukkende ment å måtte utøves utelukkende under marine forhold, idet fremgangsmåten kan tenkes anvendt ved kryssing av myr- eller strandområder eller andre landområder hvor bunnforholdene tilsier bruk av sugeanker. Det er også mulig å forestille seg modifikasjoner av oppfinnelsen, for eksempel diverse fremgangsmåter eller anordninger for å lette neddrivelsen av sugeankeret i sedimentene, for eksempel vannspyling, uten at dette skulle skille seg vesentlig fra denne oppfinnelsen.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for etablering av fundament for en eller flere rørledninger (4) på en lite bæredyktig sjøbunn ved hjelp av pælanordninger (1) i form av sugeankere (10) med et pumpe-aggregat (14), omfattende følgende trinn: at penetrasjonsmotstanden i sjøbunnssedimentene estimeres, og at nødvendig lengde for sugeankrene (10) til etablering av tilstrekkelig bæreevne til å bære en rørledning (4) beregnes; at det som pælanordning (1) anvendes minst ett sugeanker (10) med minst én bærebjelke (12) fast anbrakt på den øvre ende av sugeankeret (10), fortrinnsvis med bærebjelken montert i en "T"-form på tvers av enden av sugeankeret (10); karakterisert vedat pælanordningene (1) suges ned i sjøbunnen til en på forhånd bestemt penetrasjonsdybde slik at nødvendig rørlednings-traséhøyde for bærebjelken (12) etableres, idet det nedsugde sugeanker (10) samtidig vil fungere som anker, fundament og bropilar til å bære en rørledning (4) på den lite bæredyktige sjøbunn.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, idet pælanordningen (1) senkes til sjøbunnen fra et fartøy, i vaierfester (128) i bærebjelken, karakterisert ved at bærebjelken (12) orienteres på tvers i forhold til traséen for rørledningen ved hjelp av en posisjonerings-enhet (140) utstyrt med en kompass-anordning (142) for å registrere bærebjelkens (12) retning i horisontalplanet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at penetrasjonsmotstanden i sjøbunnen bestemmes ved hjelp av en penetrasjons-sonde (200) .

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det foretas en generell bestemmelse av penetrasjonsmotstanden i det sjøbunnsområdet hvor rørledningstraséen skal krysse.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at penetrasjonsmotstanden bestemmes ved hjelp av seismiske undersøkelser av sjøbunnen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at pælanordninger (1) forhåndsproduseres i forskjellige grupper med sugeankere (10) av innbyrdes like lengder.

7. Pælanordning (1) for etablering av fundament for en eller flere rørledninger (4) av stor dimensjon på en lite bæredyktig sjøbunn, ved hjelp av pælanordninger (1) omfattende sugeankere (10) omfattende et vertikalt rør (102) som i den øvre ende har et tett lokk (104), og en åpning (132) ved den øvre ende av sugeankeret (10) innrettet for løsbar tilkobling til et pumpe-aggregat (14 og minst én bærebjelke (12) ved den øvre enden av sugeankeret (10), innrettet til å bære minst én rørledning (4), fortrinnsvis med bærebjelken montert i en "T"-form på tvers av sugeankeret (10) , karakterisert ved at sugeankeret (10) i en i sjøbunnen nedsugd tilstand samtidig vil fungere som anker, fundament og bropilar til å bære en rørledning (4) på den lite bæredyktige sjøbunn.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at bærebjelken (12) er utstyrt med stoppere (120) innrettet til å virke som sidestoppere overfor sideveis bevegelse av rørledningen (4), og som i pælanordningens (1) nedsugde stilling er hovedsakelig vertikalt stående.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at bærebjelkens (12) stoppere (120) er innrettet til å bære ytterligere én eller flere bærebjelker (12').

10. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved en posisjonerings-enhet (140) omfattende en kompass-anordning (142), innrettet til å registrere bærebjelkens (12) retning i horisontalplanet, og en instrumentpakke (14 4) med trykkmåler og en høydemåler innrettet til å kunne måle bærebjelkens (12) høyde over havbunnen.

11. Anordning ifølge krav 10, karakterisert ved at kompass-anordningen (142) er en gyro.

12. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at pumpeaggregatet (14) tilkoblet pælanordningen (1) er anbrakt på et annet sted, for eksempel på fartøyet.