Betongplattform

Betongplattformer er konstruksjoner laget av armert betong som brukes til produksjon eller utnyttelse av petroleumsresurser.

En Condeep-plattform under bygging

De bygges ved land og taues til sitt bestemmelsessted.

Det er to store aktører på verdensmarked som er det franske selskapet Doris og det norske selskapet Norwegian Contractors, som er en del av Aker-gruppen. Tidligere drev Norwegian Contractors, Peconor og Kværner konkurrende virksomhet for norsk sokkel, der Norwegian Contractors produserte i Jåttåvågen og Vats, mens Kværner produserte ved Hanøytangen.

DimensjoneringRediger

De norske betongplattformene er dimensjonert etter grensetilstandsmetoden, som er definerte tilstander der en konstruksjon eller et konstruksjonselement er på grensen til å være uegnet eller ikke tilfredsstiller de krav som settes. Oftest brukes fire grensetilstander: bruksgrensetilstandene, bruddgrensetilstandene, utmattingsgrensetilstandene og ulykkesgrensetilstandene. Konstruksjoner og konstruksjonselementer skal kontrolleres i alle fire grensetilstandene, før en kan bekrefte at de er egnet for bruk. Alle betongplattformene er dimensjonert etter Norsk Standard NS3473, men i litt forskjellige utgaver av standarden. I tillegg ble det brukt Oljedirektoratets forskrifter om bærende konstruksjoner.

Understellet består av armerte betongkonstruksjoner, typisk med:

  • Portlandcement med en høy styrke.
  • Betongen er satt sammen av sand, kjemikaler som akselererende eller redarderende tilsettingstoffer for å kontrollere størkningshastigheten.
  • Stålarmering for å ta opp strekklaster i konstruksjonen.
  • Spennarmering for å få trykk i utsatte konstruksjonsdeler.
  • Det er brukt store mengder ventiler og rørsystemer.
  • Mange innstøping til ulike formål.

Betongkonstruksjonene er bygget i størst mulig grad med sirkulære konstruksjonselementer. Det er for å få en god kraftgang med små spenningskonsentrasjoner, men også for å redusere bølgelastene. Betongkonstruksjonene er storvolumkonstruksjoner og at de pådrar seg store bølgelaster. Bølgelaster bestemmes oftest ved hjelp av analyser med potensialteori eller ved modellforsøk. I analyser brukes panelmetoder eller kilde-sluk-metoder. Væsketrykket beregnes for hver del og summeres opp over alle panelene eller kildene. For en flytende betongkonstruksjon som beveger seg gjøres analysene typisk i to trinn. Først beregnes lastene som om legemet ble holdt fast - eksitasjonslaster. Så beregnes tilleggslastene ved at en lar legemet bevege seg i bølgeperioden. Lastene uttrykkes som tilleggsmasse eller virtuell masse, samt dempningslaster og fjærlaster. Disse bidragene kan en så normalt summere sammen. Ikke alt lar seg fastsette nøyaktig analytisk, og en må gjøre modellforsøk.

De første betongkonstruksjonene ble bygget med en plate under, som ble satt på havbunnen. På grunn av havstrømmer fikk en erosjon ved siden av og underfundamentet. Det ga laster fundamentet ikke var dimensjonert for og oppsprrekking av undersiden. Nyere plattformer er utstyrt med skjørt. Vekten av plattformene og dynamiske bevegelser tas da delvis opp av skjørtene (som spissmotstand og friksjon) og delvis av bæreevnen til bunnplata. For å holde kontroll på lastfordelingen er det satt inn trykkmålere som måler jordtrykk og poretrykk.

FaseneRediger

ByggingRediger

Byggingen påbegynnes i en dokk, der sjøen holdes vekke ved en spuntvegg. En bygger der skjørtene og de nederste delene av plattformen. Det er brukt både skjørt av stål og betong.

Vann sluses så inn i dokken, og den vannfylles. Betongplattformen flyter opp, og taues ut av dokkområdet.

I flytende tilstand kan en gjøre glidestøp av skaftene, der forskalingen er laget slik at forskalingen er festet på armeringen og den flytter seg oppover. Glidehastigheten kan ikke være større enn at betongen rekker å få en akseptabel styrke, og tid nok til å legge inn ny armering. En forsøker å unngå å stoppe når en støper for å unngå støpeskjøter, men noen ganger er det nødvendig. Skjøtene blir senere steder der en kan få lekkasjer. Etter hvert som vektene øker, synker plattformen dypere ned i sjøen. For å støpe må det arrangeres med det en omfattende logistikk med materialhåndtering, også av personell for mannskapsskifter. Ut de store støpeoperasjonene går støpingen som en døgnkontinuerlig aktivitet.

Etter at støping er avsluttet, gjøres blant annet:

  • Bygging av dekk inne i utstyrsskaftene
  • Installering av utstyr.
  • Trekking det inn stigerør.
  • Lukking av transportåpninger.
  • Testing av utstyr.

Det har vært en rekke arbeidsulykker under byggingen av betongplattformene. Noen av dem har hatt dødelig utgang som:

  • 26. september 1975 falt en person til et lavere nivå under bygging.
  • 6. november 1983 falt en person ned på Statfjord C betongunderstell i Gandsfjorden ved Stavanger.
  • 4. november 1985 kantret betongblandeskipet «Concem» i Gandsfjorden, ti mennesker omkom.
  • 1997-1998 fire døde under byggingen av Gullfaks C i Jåttavågen.[1] [2]

InstalleringRediger

Den blir testet ved byggestedet ved den senkes ned slik at toppen på søylene bare så vidt stikker opp fra sjøen. Den holdes i denne dypgangen en stund, og en sjekker at det ikke er lekkasjer noen steder. 23. august 1991 sank Sleipner A-1 under en slik test i Gandsfjorden. Det var forårsaket av feil gjort i analyser. Celleveggene som var underdimensjonert sprakk opp, vannet strømmet inn og hele plattformen sank.[3]

Plattformen slepes så inn i en dyp fjord. Der blir den blir senket ned til skaftene er like over overflaten slik at plattformdekket kan plasseres over skaftene og deretter heves plattformen med dekket til slepedypgang.

Forut for slepingen må det gjøres omfattende batymetriundersøkelser for å sjekke at det ikke stikker opp skjær eller vrak som plattformen kan kollidere med under tauingen.

Plattformen slepes ut til feltet ned hjelp av taubåter. Den senkes ned på havbunnen ved å fylle cellene for vann. Skjørtene penetrerer havbunnen ved at vann pumpes ut fra skjørterommene og det oppstår et undertrykk, eller et sug, som drar plattformen ned i havbunnen.

Etter at plattformen er plassert på havbunnen blir det gyset inn betongmasse (engelsk grout) under bunnplata for å få en god lastoverføring til havbunnen.

FjerningRediger

Plattformene har mange separate oppdriftsceller, og det er nødvendig å sikre at hver enkelt av disse er tette for å hindre ustabilitet gjennom lekkasje til sjø. Alle åpninger må tettes slik at vannet kan pumpes ut for å gi oppdrift. Flytestabiliteten må beregnes. Dette vil mellom annet avgjøre hvor mye av overbygningen som må fjernes før reflyting. Videre må vekten på innretningen beregnes, herunder vekten av sand og voksutfelling som er kommet til i bruksperioden. Vekten på betongen mellom innretningen og havbunnen må også beregnes. En hovedutfordring ved reflyting er at innretningen kan sitte fast til sedimentene. Frigjøringsprosessen vil være svært krevende å kontrollere, og det vil være fare for at innretningen kan skyte ukontrollert opp når den først frigjøres. Trykket under hvert celleskjørt må kontrolleres, og det må sikres kommunikasjon mellom dem slik at undertrykk unngås i enkeltceller. Det må etableres rørforbindelser til alle områder i fundamentet dersom det skal frigjøres fra bunnen. Frigjøring av plattformene fra havbunnen gjøres ved at den kan løsnes ved at det pumpes vann inn i skjørtekamrene. Nødvendig overtrykk vil være én til tre bar, avhengig av sedimenttype og skjørtekonfigurasjon. En forutsetning for at en slik frigjøringsoperasjon skal kunne lykkes, er at overtrykket ikke siver ut gjennom permeable kanaler/sprekker i sedimentene. Dette kan muligens kompenseres ved å ha stor pumpekapasitet. Når skjørtene kommer opp til havbunnsoverflaten, vil trykket forsvinne under det enkelte skjørtet. I denne fasen vil en måtte fortsette trykkoppbyggingen under gjenværende skjørt, mens en pumper ut ballastvann for å overvinne gjenværende friksjon. Dersom friksjonen er høy, vil en kunne få en kraftig bevegelse oppover når innretningen frigjøres helt. Dersom man ikke har god kontroll på deballasteringen kan det risikeres at understellet treffer havbunnen slik at det dannes brudd i skjørt- eller celle-kanter. Dersom sedimentmassen er av en slik beskaffenhet at den ikke kan gi nok jekketrykk, kan en tetningsmasse pumpes ned i skjørtekamrene. Denne vil danne en forsegling over den permeable grunnen, slik at jekketrykket kan økes.[4]

Dersom en lykkes med å frigjøre innretningen fra havbunnen, er neste utfordring at betongen eller sedimenter under innretningen kan følge med i starten og senere løsne. Dette vil kunne medføre at innretningen skyter ukontrollert opp eller mister stabiliteten. En vil også risikere at denne massen faller av under slepet, noe som kan føre til havari eller skade på andre innretninger, i første rekke rør. Tauing over bunnrammer og rørledninger bør i størst mulig grad unngås.[5]

Plattformen taues så til land for opphogging eller gjenbruk.

DriftserfaringerRediger

Da de første betongkonstruksjonene ble bygget, så en for seg at de i praksis var vedlikeholdsfrie.[6] Det har vist seg å ikke stemme.[7] Betongkonstruksjoner brytes ned med tiden akkurat som andre materialer. Erfaring viser at de ofte er modne for omfattende vedlikehold etter 20-30 år.

Nedbryting av armert betong skjer enten ved at betongen brytes ned, ved at armeringen korroderer, eller ved en kombinasjon. Betong brytes ned hvis den blir utsatt for påkjenninger den ikke er laget for å motstå. Det kan være mekaniske påkjenninger, frost eller kjemiske reaksjoner med stoffer som er i eller kommer i kontakt med betongen. Hvis armeringen begynner å ruste skyldes dette nesten alltid enten karbonatisering eller kloridinntrengning.

Armeringen ligger beskyttet inne i betongen. Denne beskyttelsen virker av to grunner. Den ene grunnen er at betongen i stor grad hindrer vann å komme inn til armeringen. Den andre grunnen er at betong er svært basisk, har en pH-verdi på 11-13, og derfor danner en beskyttende oksidfilm på ståloverflaten. Betongen herder ved at vann og sement reagerer kjemisk. Noen av reaksjonsproduktene fra herdeprosessen har den negative egenskapen at de reagerer med CO2 i luften og senker pH-verdien i betongen. Dette kalles karbonatisering. Hvis pH-nivået i betongen synker til under ca. 9,5 vil oksidfilmen forsvinne. Det sjiktet der betongen har pH-verdi på 9,5 kalles karbonatiseringsfronten. Karbonatiseringen starter ytterst i betongoverflaten, der betongen først kommer i kontakt med CO2, og karbonatiseringsfronten jobber seg innover i betongen med en hastighet på noen millimeter pr tiår. Karbonatiseringsfronten når etter hvert fram til armeringen, som normalt ligger 25–60 mm innenfor betongoverflaten. Da forsvinner oksidfilmen fra overflaten av stålet, og risikoen for rustangrep på armeringen øker betydelig.

Betong kan inneholde klorider som trenger inn i betongen. Hvis en tilstrekkelig mengde klorider trenger inn til armeringen, og det er tilgang på vann og oksygen, vil det nesten alltid resultere i rustangrep på armeringen. Hva som er kritisk kloridinnhold varierer fra betongkonstruksjon til betongkonstruksjon.

Betongen kan brytes ned på grunn av frostskader. Fritt vann i betongens porer vil kunne fryse og medføre strekkspenninger i betongen med påfølgende skader. Det er kun for porøse betonger, for eksempel i bestandighetsklasse M90 (høyt v/c forhold), at deler av det frie vannet fysisk fryser til is. I de fleste betongkvaliteter er det andre effekter, som osmose, som påfører betongen strekkspenninger. En betongkonstruksjon som er utsatt for saltholdig vann er meget utsatt for denne typen nedbryting.

Kjemisk nedbryting av betong er en fellesbetegnelse for nedbrytingsmekanismer der kjemiske reaksjoner i betongen resulterer i redusert levetid. De kjemiske reaksjonene forekommer som regel mellom betongen og et tilført (fremmed) stoff, men kan og forekomme mellom ulike bestanddeler i betongen. De kjemiske reaksjonene kan enten oppløse bindemidlet i betongen, eller de kan gi et reaksjonsprodukt med større volum som dermed virker sprengende på betongen. I den første kategorien er syreangrep som løser opp sementlimet. I den andre kategorien havner alkalireaksjoner, sulfatreaksjoner og nitratreaksjoner som danner forbindelser som binder vann og sveller.

Erfaringene med betongplattformer er i hovedsak gode. Noen av erfaringer er:[8]

  • Noen av plattformene har avskalling av betong i bølgeskvalpesonen. Hovedårsak er manglende overdekking av armeringen og inntrengning av klor.
  • Det siver vann gjennom konstruksjonene - permeabiliteten er for høy. Det skjer typisk i støpeskjøter og ved innstøpinger.
  • Det blir korrosjon på armeringen på grunn av betongavskalling og kloridinntrengning.
  • Plattformene setter seg i hovedsak i samsvar med forutsetningene. Det oppstår også skjevsetninger.
  • Plattformene beveger seg dynamisk i hovedsak i samsvar med analyseresultatene.
  • Svikt i en pakning i en flens har medført utilsiktet vanninnstrømning (2000m3) og vannfylling av et skaft.[9]
  • For høyt trykk i lagerceller på to plattformer på Statfjord-feltet har medførte at betongen fikk store revner, og slapp ut olje. Lagercellene er i utgangspunktet laget med undertrykk, for å forebygge utslipp. Feil operasjon og manglende overvåking av trykket ga likevel overtrykk og utslipp.[10] [11]
  • To små hull i betongkonstruksjonen ga oljeutslipp.[12]
  • Det har vært noen få kollisjoner med fartøyer, der betongkonstruksjonen har klart seg bra.
  • Det har vært noen få tilfeller der bølger har klatret opp lags konstruksjonene og slått inn i dekket over.
  • Overflatebehandling med epoksy i byggefasen har falt av.
  • Det er en god del riss i betongoverflatene.
  • Tilstanden til spennkablene i et marint miljø er i stor grad ukjent, men en har i et tilfelle ført et kamera langs kablene. Ved det tilfellet var kablene i bra stand etter mange år i bruk.
  • Sulfatreduserende bakterier produserer H2S i lagertankene og er også med i brønnstrømmen. H2S kan skade betongen, stålskjørter og mekanisk utstyr. Tilstanden til konstruksjonene inne i lagercellene og under plattformen er i stor grad ukjent. Det måles rutinemessig H2S i lagercellene. Konsentrasjonen av H2S i lagercellene (opp til 4000 ppm) er målt til å være vesentlig større enn i brønnstrømmen. Gass lages av bakterier, og de produserer trolig gassen i lagercellene i overgangen mellom vann og olje.[13] Syrene kan angripe stålkonstruksjoner og -utstyr, og fra kloakkledninger vet en at det kan ødelegge betong.[14]
  • Bakterier spesielt på havbunnen (bakteriell korrosjon eller engelsk Microbiologically influenced corrosion (MIC)), kan øke korrosjonen på skjørt. Bakterier kan bidra til korrosjon på ulike måter. Noen krever tilgang til oksygen, mens andre opptrer i anaerobe miljøer. De forbruker gjerne oksygen og produserer syrer. Sulfatreduserende bakterier er de mest vanlige. De omdanner sulfat i sjøvannet til sulfidioner, som reagerer med hydrogen og metalioner, og danner hydrogensulfid (sumpgass) og metallsulfider (typisk jernsulfid).[15]

Typer betongplattformerRediger

Betongplattormene har ulike formål. Det er bygget betongplattformer av typene:

Betongplattformer i Nordsjøen og NorskehavetRediger

Installasjon Havdyp Levert til og når Kommentarer
Ekofisktanken (2/4-T) 70 m Phillips 1973 Første betongkonstruksjon til havs. Prosjektert av Doris og bygget i Jåttavågen i Stavanger. Vanndypet har økt med tiden på grunn av innsynking av havbunnen.
Frigg CDP1 104 m Elf 1975 Doris-platform CGS 1 shaft, type Jarlan Wall. Plattformen ble bygd for boring på Frigg. Plassert på havbunnen på den britiske delen av Frigg-feltet.
Beryl A (Condeep) 120 m Mobil 1975 Første Condeep-plattform. Tre skaft. 118m vanndyp.
Brent B (Condeep) 140 m Shell 1975 Condeep-plattform. Tre skaft. 140 m vanndyp.
Brent D (Condeep) 140 m Shell 1976 Condeep-plattform. Tre skaft. 140 m vanndyp.
Frigg TP1 104 m Elf 1977 Doris type "CGS 2 shafts". 104m vanndyp. Gassbehandlingsplattform.
Frigg TCP2 (Condeep) 104 m Elf 1977 Gassbehandlingsplattform plassert på den norske delen av Frigg-feltet. Lagertankene kun brukt til oppdriftsformål under installeringen. Condeep med tre legger.
Statfjord A (Condeep) 146 m Mobil 1977 Bygget for behandling av olje-og gass, med et stort oljelager på havbunnen. Har tre skaft.
Statfjord B (Condeep) 146 m Mobil 1981 Bygget for behandling av olje-og gass, med et stort oljelager på havbunnen. Har fire skaft.
Statfjord C (Condeep) 146 m Mobil 1984 Bygget for behandling av olje-og gass, med et stort oljelager på havbunnen. Har fire skaft.
Gullfaks A (Condeep) 135 m Statoil, 1986 Bygget for behandling av olje-og gass, med et stort oljelager på havbunnen. Har fire skaft.
Gullfaks B (Condeep) 142 m Statoil, 1987 Bygget for behandling av olje-og gass, med et stort oljelager på havbunnen. Har fire skaft.
Oseberg A (Condeep) 109 m Norsk Hydro 1988 Har fire skaft.
Gullfaks C (Condeep) 216 m Statoil 1989 Bygget for behandling av olje-og gass, med et stort oljelager på havbunnen. Har fire skaft. Plassert i en skråning på havbunnen.
Ekofisk barrieren (Ekofisk Wall) 77 m Phillips Petroleum 1989 Bygget for å beskytte Ekofisktanken mot bølger på grunn av nedsynkingen av havbunnen.
Draugen (Condeep) 251 m Norske Shell 1993 Gassplattform uten oljelager med ballasttanker nederst. Bygget med ett skaft som holder dekket oppe.
Sleipner A (Condeep) 82 m Statoil 1993 Betongunderstellet til Sleipner A sank i Gandsfjorden den 23. august 1991. Nytt understell ble plassert på feltet i 1993.
Troll A (Condeep) 303 m Norske Shell 1995 Verdens høyeste flyttbare byggverk. Den største faste innretningen i Nordsjøen.
Heidrun TLP 350 m Conoco 1995 Verdens største strekkstagplattform, og den eneste av sitt slag med understell av betong.
Troll B ca 303 m Norsk Hydro 1995 Verdens største halvt nedsenkbar plattform i betong.

KilderRediger

  • Svein Fjeld, Michel E. Hall, G C Hoff, Dominique Michel, Lasse Robberstad, Anne Vegge og Terje Aas Warland. "The North Sea Concrete Platforms: 20 Years of Experience.", OTC, Houston, 1994.
  • Tor Inge Fossan: Driftserfaringer med betongplattformer, Konstruksjonsdagen, Petroleumstilsynet, 2017.
  • Atle K. Haug and Svein Fjeld. "A floating concrete platform hull made of lightweight aggregate concrete." Engineering Structures 18.11 (1996), side 831-836.

ReferanserRediger

  1. ^ Finn E. Våga: Gullfaks C er en farlig arbeidsplass, Stavanger Aftenblad, 24. september 1988, side 8.
  2. ^ Stavanger Aftenblad: Dødsulykke i Jåttavågen, 31. mars 1987, side 5.
  3. ^ Wackers, Ger. "Working Paper nr 32 Resonating Cultures:: Engineering Optimization in the Design and (1991) Loss of the Sleipner a GBS." Working paper http://urn. nb. no/URN: NBN: no-3742 (2004).
  4. ^ Dr techn. Olav Olsen: Disponering av betonginnretninger, 2010 - https://www.npd.no/globalassets/1-npd/publikasjoner/rapporter/dr-techn-olav-olsen-as-disponering-av-betonginnretninger.pdf
  5. ^ Dr techn. Olav Olsen, 2010
  6. ^ Fjeld med flere, 1994.
  7. ^ Fossan, 2017.
  8. ^ I hovedsak fra Fossan (2017).
  9. ^ Gullfaks A i 2012.
  10. ^ Statoil: Statfjord "C" - lekkasje fra celle E1 9. og 10. august 1989, brev til Oljedirektoratet, 16.10.1989. Det var en 12m lang sprekk i øvre dome.
  11. ^ Roger L. Leonhardsen, Ove Hundseid og Terje L. Andersen: Gransking av overtrykking av slamcelle 11 Statfjord A den 26. november 2019, Petroleumstilsynet, 2020. 150m3 med olje ble sluppet ut.
  12. ^ Draugen i 1993.
  13. ^ Arne Kvitrud, Terje L. Andersen og Marita Halsne: Rapport etter tilsynet med tilstanden på betongunderstellet på Gullfaks C, Petroleumstilsynet, 2020.
  14. ^ Se Ulla Kjær: Beton i aggressivt miljø, Beton-teknik nr. 2/03/1974, side 3ff, Lars Hjort: Betonrørs holdbarhed, Beton-teknik nr. 5/02/1982, side 2f og Reza Javaherdashti: A brief review of general patterns of MIC of carbon steel and biodegradation of concrete. IUFS Journal of Biology 68.2 (2009), side 65-73.
  15. ^ Brown, Martin, et al. "SS: Mooring System Integrity: Phase 2 Mooring Integrity JIP-Summary of Findings." Offshore Technology Conference. Offshore Technology Conference, 2010, side 10ff.
  16. ^ Haug og Fjeld, 1996.
  17. ^ Mikkelsen, J. K., T. Norheim, and S. I. Sagatun. "The troll story." Offshore Technology Conference. Offshore Technology Conference, 2005.
  18. ^ Hoff, G. C., and R. Elimov. "Concrete production for the Hibernia platform." Proceedings of the 2nd CANMET/ACI international symposium on advances in concrete technology, supplementary papers, Las Vegas. 1995.
  19. ^ Hetland, Steinar. "Offshore concrete platforms for the Sakhalin II development." Structural Concrete 10.1 (2009): 21-26.
  20. ^ Haug, A. K., Eie, R., Sandvik, K., Kvaerner, A., & Aoki, E. (2003, January). Offshore Concrete Structures for LNG facilities-New developments. In Offshore Technology Conference. Offshore Technology Conference.
  21. ^ Fernandes, Juliana Ferreira, Tulio Bittencourt, and Paulo Helene. "Review of the Application of Concrete to Offshore Structures." American Concrete Institute, ACI Special Publication: Farmington Hills, MI, USA (2008): 377-392.