Åpne hovedmenyen
En jacket plattform på Cd. Del Carmen i Mexicogulfen i 2004.

Jacketer er fagverksplattformer bygget i stål. Det er den mest brukt plattformtypen i Norge og i resten av verden.

Plattformen er sammensatt av et dekk som er understøttet av jacketen. Jacketen er igjen festet til havbunnen med pæler eller sugeanker. De anvendes i petroleumsvirksomheten og for vindmøller. De er permanent festet til havbunnen og er beregnet for lang tids bruk.

Plattformene har typisk mellom tre og åtte legger. Jacketen holder oppe dekket og gir støtte for stigerør, borerør, kabler og annet utstyr. Den overfører laster på dekket og understellet til pælene.

Innhold

Oppbygging av plattformenRediger

FagverkskonstruksjoneneRediger

Fagverket er et bæresystem som består av et romlig rammeverk med staver som tar strekk eller trykk. Fagverket består av:

  • Legger (engelsk leg), som er vertikale rør og som i hovedsak tar trykklaster.
  • Staver (engelsk brace og chord) som veksler på å ta strekk og trykk. Hovedformålet er å reduserer knekklengdene på leggene og å overføre horisontallastene ned til fundamentet. Stavene er gode til å ta strekk- og trykklaster, men er ikke så gode til å ta bøyelaster. En unngår ofte å ha horisontale stag i skvalpesonen, for å unngå variable oppdriftslaster og slamminglaster på stagene.
  • Knutepunkter (engelsk nodes) – der staver og legger knyttes sammen. De brukes også til å knytte sammen to eller flere staver. De klassifiseres ofte som enten T-, Y-, X- eller K-knutepunkt. Generelt blir spenningskonsentrasjonene størst i X-knutepunkter, så i Y-knutepunkter og lavest i K-knutepunkter.[1]

Ved å bygge stavene i triangler kan en overføre alle laster enten i trykk eller strekk. Det gir en sterk konstruksjon med liten vekt. Når jacketen utsettes for en last betydelig lavere enn designlasten vil den oppføre seg lineært, der en kan bruke en analogi til en elastisk fjær. Det er da enkelt å beregne lastene i hver enkelt stav. Basert på kapasiteten til hver enkelt stav kan en finne ut når og hvilken stav som vil svikte først. Dersom fagverket er det en kaller statisk bestemt kan en ikke laste på mer enn til den første staven svikter. Dersom konstruksjonen er redundant, er det alternative fordelinger av lastene i stavene. Avhengig av deformasjonsegenskapene til stavene som svikter, kan det være betydelig styrke igjen selv om en stav svikter. Den vil da svikte i det en kaller en bruddmekanisme som omfatter flere staver. Kraftstrømmen i en jacket er fra toppen der en har vekter fra dekket og de største bølgelastene, og nedover. Svikten er styrt av lastene over bruddstedet. En jacket vil ha en rekke bruddmekanismer. Dersom en har optimalisert, kan teoretisk alle bruddmekanismene oppstå samtidig.[2]

Staver som er satt sammen symmetriske om midtlinjen i et fagverk, er gunstigst for knekking da det ikke gir særlig sekundæreffekter. Det er en fordel at kryssende diagonaler festes innbyrdes i krysspunktet.[3]

På 1970-tallet pælte en gjennom leggene slik at de måtte være rette. Nå gjøres det gjennom såkalte «pile sleeves» som står på havbunnen. Det er derfor ikke lengre nødvendig å ha helt rette legger.

Jacket er øverst tilpasset dekksareal. Jacketen blir så større nedover for å få momentet fordelt over et større areal. I noen tilfeller er leggene på den ene siden vertikal, for å kunne ta inn en oppjekkbare plattformer som skal forbore over dekket.

Noen jacketer har legger som er vertikale øverst, med en knekk nær vannlinjen. Det kan gjøres blant annet for å få en enkel måte å feste stigerørene på. Stigerørene får mest bølgelaster i skvettsonen.

DekketRediger

Dekket har boligkvarter, lagerområder, bore- eller produksjonsutstyr. Spesielt for en del boreplattformer er den store boremodulen. Noen har også store konstruksjoner og mekanisk utstyr for å kunne skidde boreområde over en fast produksjonsplattform.

En vil videre ha dekkskraner for å løfte utstyr og forbruksvarer til og fra forsyningsbåter.

På grunn av høyden på skroget er det ofte uhensiktsmessig å ha stuplivbåter som en finner på andre typer plattformer. Men livbåter som kan droppes fra større høyder er under uttesting. Normalt brukes derfor vanlige lårelivbåter.

PæleneRediger

Pælene er sylidriske stålrør. De er sveist sammen til et langt rør. De slås typisk ned 30 til 50m ned i bakken. Eldre plattformer har typisk flere og kortere pæler, mens nyere har lengre. Det skyldes økt pæledrivingskapasitet i hammerne.

Pælene som føres innvendig i leggene kalles leggpæler. Tilleggspæler kan settes gjennom føringer på bunnplatene. Disse kalles skjørtepæler. Pælene forbindes med jacketen etter pælingen med en betongmørtel. Leggpælene fungerer som en komposittkonstruksjon. Etter at mørtelen er størknet, kan pælene overføre både horisontale og vertikale laster ned i havbunnen.

Noen ganger klarer en ikke å få ned pælene til ønsket dypde. I Norge er pælene på Valhall IP et slikt eksempel.

FaserRediger

ByggingRediger

Plattformene bygges på land. Den bygges liggende for å unngå arbeid i høyden i størst mulig grad.

I Norge er Kværner Verdal den dominerende leverandøren. I tillegg er det bygget jacketer ved Kaldnes og Kværner Egersund.

For produksjon av pæler til jacketer er SIF i Nederland den største leverandøren i Europa.

InstalleringRediger

 
Jacketen til Ekofisk 2-4R og løftefartøyet Thialf, i Mekjarvik i 2010.

Fra byggeverkstedet på land tas den om bord på en lekter ved hjelp av fjernstyrte lastebiler eller den løftes. På lekteren blir den sveist fast til lekteren (engelsk sea fastening). Mindre understell kan stå rett vei på lekteren, men de fleste ligger.

Transporten fra land til feltet er avhengig av fint vær og lave bølger. Det har skjedd at jacketer har fått skade på grunn av bevegelsene i lekteren, og blitt tatt til land igjen.

På feltet blir de fleste jacketene i dag løftet på plass av et større løftefartøy. Dersom jacketen veier mer enn om lag 10.000 tonn vil den bli sjøsatt. Den trilles da av lekteren og i sjøen, der den flyter ved hjelp av påmonterte flytetanker. Plattformen posisjoneres så til rett sted. Den senkes eller løftes så til sin nøyaktige posisjon.

Løftingen foregår oftest av løftefartøyene Thialf eller Saipem 7000.

Under innstalleringen av Frigg DP1 sviktet en oppdrifttank og plattformen havnet utilsiktet på feil plass.

Når plattformen er satt ned på havbunnen, vil den stå på en bunnplate (engelsk mud mat). En vil så normalt starte pælingen. En plattform vil normalt ha en til fire stålpæler i hvert hjørne. Pælingen gjøres med en stor hammer. Når pælingen er avsluttet blir det fylt inn betong (engelsk grouting) mellom pælen og føringsrørene (engelsk pile sleeve). Noen få plattformer har sugeanker med skjørt, som erstatter pæler. Disse presses ned i bakken med sug.

Når fundamentet er på plass løftes dekket på plass av løftefartøyet. Ofte vil hele dekket settes på i ett løft, men ved store dekk løftes dekket på i deler, som så sveises sammen.

FjerningRediger

Fjerning skjer ved at en løfter av dekket. En skjærer eller skyter av forbindelsen mellom pælene og jacketen. Jacketen blir så løftet på en lekter som tar den til land. Er jacketen stor, vil en måtte kutte den opp i deler før den kan løftes.

Bare noen få jacketer er fjernet på norsk sokkel. Det var på Odinfeltet, Ekofiskfeltet og Frøyfeltet.

DimensjoneringRediger

RegelverkRediger

Jacketene dimensjoneres i Norge som oftest etter NORSOK N-001 og ellers i verden etter API RP 2A-stanadarden. En har også begynt å ta i bruk ISO 19902 noen steder i verden.

Dimensjoneringen vil være basert på kontroller i fire grensetilstander. Det er analyser av jacketen, dekket og fundamentene for å sjekke at de ikke blir overbelastet ut fra det aktuelle vanndypet, stedsspesifikke geotekniske data og bølgeforholdene på stedet. Ved den stedsspesifikke vurderingen analyserer en også skipstrafikken i området, og om kollisjonslastene kan overstige det plattformen er dimensjonert for.

Før jacketen kan brukes på norsk sokkel, må operatøren innhente samtykke fra Petroleumstilsynet.

Last- og lastvirkningsanalyserRediger

Summen av lastene i hvert knutepunkt må være lik null, ellers ville ikke dette vært et statisk system (i ro) men et dynamisk system (bevegelig). Et fagverk er basert på trekanter. Et fagverk består av et bærende rammeverk med skråstaver. Noen fagverk har vertikale staver mellom strekk- og trykkstaver. Disse stavene vil bli såkalte ”null-staver”. Det vil si at nesten ingen laster går igjennom disse.

De viktigste lastene på leggene er fra vektene fra dekket, samt bølger. Laster fra bølger, strøm og vind er i Norge de viktigste bidragsyterne. Noen steder i verden må en også gjøre omfattende jordskjelvanalyser, men de betyr relativt lite i Norge. For områder med innsynking som på Ekofisk sjekker en også for at plattformene plutselig kan falle ned på grunn av reservoarinnsynking (engelsk sudden drop).

Over tid vil leggene bli begrodd med ulike marine dyr og planter. De mest vanlige på norsk sokkel er rur og blåskjell. En slik vekst gjør at diameteren på leggene blir større og plattformene pådrar seg større bølgelaster. Tidligere unngikk en begroing ved å smøre leggene med spesielle belegg, men disse er ikke lenger tillatt brukt på grunn av miljøfaren. Før en kan inspisere leggene er det nødvendig å rengjøre dem for groe. Det gjøres oftest med høytrykksspyling.

Analysemetodikken betyr en del for hvilke spenninger en forholder seg til. Det er flere typer analyser, - der en regner med deterministiske spenningsendringer eller der spenningene blir behandlet statistisk. Stokastiske utmattingsanalyser gir lavere utmattingslevetider enn tidsserieanalyser for jacketer. En kan ende opp med å inspiserer på feil steder, fordi det ikke nødvendigvis er de samme stedene som har lavest utmattingslevetid i de to typer analyser. Hovedforskjellen er i antakelsen om Rayleighfordeling på lastvirkningene i en stokastisk analyse.[4]

BølgelasterRediger

Den første bølgelasten som en kunne fastsette analytisk var for en stor vertikal sylinder som gikk fra bunnen og stakk opp over havflaten. Bølgene vil her strømme rundt sylinderen uten at det dannes virvler - separasjon. Metoden kalles McCamy-Fuchs metode.[5] Den regnes som gyldig dersom bølgelengden er større enn om lag fem ganger diameteren på søylen. Bølgelastene er størst når bølgen treffer konstruksjonen midt mellom bølgetoppen og bølgedalen. Akselerasjonen har da sin største verdi, og en sier at lasten er akselerasjonsstyrt. Bølgelasten er proporsjonal med diameteren på sylinderen, vanndypet, egenvekten på vannet og bølgehøyden, og omvendt proporsjonal med kvadratet av bølgeperioden. I tillegg vil sylinderen påvirke væsken, som gir et samvirke som kalles virtuell masse eller tilleggsmasse.

For mindre sylindre vil en få virveldannelser i bølgene når den treffer sylinderen. Lastbildet blir da usymetrisk og det har vist seg umulig å bestemme lasten analytisk. Den mest benyttede empiriske metoden kalles Morisons formel. Den har et bidrag (kalt masselast) fra akselerasjonen (som i McCamy-Fuchs metode) og et bidrag som er proporsjonalt med kvadratet av bølgehastigheten (kalt draglast). Skaleringskoeffisientene i formelen fastsettes ved modellforsøk. Det er særlig data fra en rekke forsøk utført på Turgut Sarpkaya på 1970-tallet som brukes.[6] Draglasten er proporsjonal med diameteren på sylinderen, vanndypet og egenvekten på vannet, omvendt proporsjonal med kvadratet av bølgeperioden, og proporsjonal med kvadratet av bølgehøyden.

Begroing (som rur, blåskjell og tare) på sylinderen reduserer masselasten og øker draglasten.

Strømlaster tas hensyn til ved å legge strømhastigheten til bølgepartikkelhastigheten, før hastigheten kvadreres.

Dersom bølgeperioden samsvar med konstruksjonens egenperiode kan en få resonans, med kraftige forsterkninger.

Bølgeslag fra en bølgetopp kan gi svært høye lokale laster på dekket. Bølger som treffer dekket på en plattform kalles gjerne "grønn sjø".[7] Grønn sjø på dekk beregnes ofte etter dambrudds-teorier. En antar da at en dam brister, og vannet renner inn over dekket på skipet eller plattformen og treffer utstyr. Bølgeslag på dekket gir også betydelige laster på jacketen. "Hvit sjø" er bølgeskummet på toppen av bølgene. De har normalt en vesentlig lavere egenvekt enn grønn sjø, og kan ikke gjøre så mye skade. Hvit sjø er derimot viktig i vurderingen av isingsfare, og kan treffe høyere oppe enn grønn sjø.

TverrsvingningerRediger

Virvelinduserte laster kan oppstå enten i bølgeretningen (såkalt "in-line") eller som tverrsvingninger (såkalt "cross-flow").

Virvelinduserte tverrsvingninger er bevegelser av en konstruksjon som står i en væskestrøm og hvor bevegelsen av konstruksjonen er på tvers av væskestrømmen. Virvelinduserte tverrsvingninger er kompliserte og er fortsatt ikke fullt ut forstått. De er et samvirke der lasten påvirker konstruksjonen og omvendt. Det er også mange faktorer som påvirker svingningene. Det produseres store mengder forskningsrapporter, og vi har fortsatt mange år med forskning igjen.

For en rørkonstruksjon beskrives bevegelsene som en funksjon av redusert hastighet. Redusert hastighet er væskehastigheten dividert med produktet av egenfrekvensen av konstruksjonen og diameteren. Tverrsvingninger oppstår når den reduserte hastigheten overskrider om lag fire. I modellforsøk stanser tverrsvingningen nå den reduserte hastigheten ved om lag 8-10, men i naturlige omgivelser er svingninger observert ved langt høyere verdier. Det er ulike oppfatninger av hvordan hastigheten påvirker tverrsvingningene. Noen har ment at når hastighetene eller Reynoldstallet når et visst nivå blir væskestrømningen så turbulente at en ikke vil få tverrsvingninger. Dette er ikke allment akseptert. I en konstruksjonsanalyse vil en bruke løftkoeffisienter i Morisons formel som funksjon av Reynoldstallet.

Størrelsen på utsvinget vil være avhengig av en rekke faktor som:

  • Dempning av konstruksjonen.
  • Innspenning og svingeformene av konstruksjonen som påvirker egenperiodene.
  • Kjølvannseffekter fra konstruksjoner som står foran den betraktede konstruksjonen i væskeretningen
  • Parallelle konstruksjoner kan kunne føre til at det fremre konstruksjonen laget virvler i egenfrekvensen til det bakre konstruksjonen.
  • I noen tilfeller svinger ikke konstruksjonene som en og en stav, men i egenfrekvensen til en ramme. Rammen kan være mange staver, men også to tilstøtende staver. Det som starter fenomenet er når virvel fra enkelstaver blir avløst i egenperioden til rammen.

StyrkeRediger

Når en kjenner hvilke spenninger en jacket utsettes for, kontrollerer en at den har tilstrekkelig styrke.

For staver som er i strekk er kontrollen i stor grad om spenningene er lavere enn flytespenningen. For legger og staver i trykk må en også kontrollere for knekking.

For å få overslag over knekklasten av de gjennomgående søylene, kan en bruke en knekklengde som er litt større enn avstanden mellom understøttelsespunktene.[8] Økende eksentrisiteter i knutepunktene øker slankheten, og reduserer knekklasten.[9] Eksentrisiteten er avstandene mellom der senterlinjen til stavene krysser hverandre i et knutepunkt. Staver som er satt sammen symmetriske om midtlinjen i et fagverk, er gunstigst for knekking da det ikke gir særlig sekundæreffekter. Det er en fordel at kryssende diagonaler festes innbyrdes i krysspunktet.[10]

UtmattingRediger

Utmattingsbrudd er en skadetilstand som oppstår i konstruksjoner som følge av gjentatte belastninger. Skaden oppstår selv om spenningene er lavere enn flytespenningen. En antar at en for en gitt spenningsveksling (i) kan beregne en delskade ni / N. Der N er antall sykler tatt fra SN-kurver. Når en jacket utsettes for mange spenningsvekslinger bestemmes samlet skade så ut fra teoriene til Palmgren og Miner som summen av delskadene fra hver spenningsveksling. Ved dimensjonering av konstruksjoner brukes sikkerhetsmarginer på sum delskade ofte avhengig av mulighetene for inspeksjon, reparasjon og vedlikehold, samt konsekvensene av svikt i forbindelsen. Sikkerhetsfaktoren gis enten som en tillatt delskade (Palmgren-Minersum) eller som en faktor som en skal multiplisere antall sykler (N) med (engelsk Design Fatigue Factor "DFF"). Tester med variable laster viser at en ofte får brudd før en har Palmgren-Miner-sum lik en. Typiske testverdier er fra 0,4 til 2,2. For analyseformål er det vanlig å forutsette at summen er lik én ved brudd. Ved høye spenninger er formelen ikke konservativ, mens det motsatte er tilfelle ved lave spenninger og mange sykler.[11] På jacketer bruker en DFF-er avhengig av tilgjengelighet for inspeksjon og konsekvenser av brudd. De høyeste DFF-ene (DFF=10) brukes på pælene og i skvettsonen. Dersom en har viktige innvendige sveiser i stagene på jacketen, vil de de også få en høy utmattingsfaktor.

Analyser av jacketer gjøres enten som:

  • Deterministiske analyser der en sender bølger med spesifiserte former, bølgehøyde og perioder gjennom jacketen.
  • Stokastiske analyser der en behandler bølgene statistisk. Gjøres normalt bare for jacketer med mye dynamikk.

Inge Lotsberg[12] anbefalte å bruke deterministisk analyser ut fra:

  • Metoden er mer nøyaktig i de øvre delene av jacketen på grunn av lineariseringen av dragbidraget - der lasten er proporsjonal med kvadratet av bølgehastigheten.
  • Variabel oppdrift kan medføre utmatting i de øvre delene, og en deterministisk analyse er mer fysisk korrekt.
  • De globale dynamiske effektene er små om egenperioden er mindre enn 2,5 sekunder for sjøtilstandene som styrer utmattingsakkumuleringen. Dersom egenperioden er over 2,5 sekunder kan en fortsatt bruke deterministiske analyser, men det blir mer komplisert.
  • Hot-spot-spenningene kan enkelt inkluderes i en deterministisk analyse. Det er mye mer komplisert for en stokastisk analyse.

Robusthet, reservestyrke og redundansRediger

Redundans, reservestyrke og robusthet er forskjellige sider av det samme sak, og blir begrepsmessig brukt om hverandre. Det kan være forskjellige tiltak om det er høy redundans eller høy robusthet en forsøker å oppnå.[13] En stor massiv konstruksjon eller en plate kan være mer robust enn et fagverk, men er ofte ikke redundant.

Robusthet er tolket som et mål for hva konstruksjonen kan tåle av last uten å tape sin funksjon. Andre beskriver robusthet som skadetoleranse, for eksempel som konstruksjonens evne til å motstå hendelser som brann, eksplosjon, støt eller konsekvensene av menneskelige feil uten å gjøre skade i et omfang som er ute av proporsjon med den opprinnelig hendelsen.[14][15] Redundans av bærende konstruksjoner er ofte brukt som et mål for hvilket omfang av degradering en konstruksjon kan tåle, uten å tape spesifikke elementer eller funksjonalitet.

Flere matematiske formuleringer finnes i faglitteraturen for redundans og robusthet, men uten at det er konsensus om hva som er best.[16] Det er ikke anerkjente og standardiserte metoder for å bestemme hvilke løsninger som har størst redundans eller robusthet. Noen tester er

  • å øke 100-års bølgelasten med en faktor, til en når sammenbrudd med en push-over-analyse. Standarden ISO 19902 anbefaler at verdien bør være minst 1,85 (engelsk reserve strength ratio).
  • Fjerne en og en stav i fagverket, og sjekke i skadet tilstand med hundreårslast der last- og materialfaktorene er satt til en.

KilderRediger

  • Blevins R D: Flow-induced vibrations, Krieger Publishing Company, 2001.
  • Odd M. Faltinsen : Sea loads on ships and offshore structures, Cambridge University press, 1990.
  • Faltinsen, O. M., J. N. Newman, and T. Vinje: Non-linear wave loads on a slender vertical cylinder. Journal of Fluid Mechanics 289, side 179-198, 1995.
  • Søren Petter Kjeldsen : Dangerous wave groups, Norwegian Maritime Research, no 2, 1984.
  • Geir Moe og Jon Arild: Hydrodymamiske krefter og bevegelser, Institutt for havnebygg, NTH, 1980.

ReferanserRediger

  1. ^ Lotsberg Inge: Fatigue Design of Marine Structures, Cambridge University Press; 1st edition, 2016, side 257.
  2. ^ Jesper Tychsen og Martin Dixen: Wave kinematics and hydrodynamic loads on intermediate water depth structures inferred from systematic model testing and field observations - Tyra field extreme wave study 2013-15, OSCR2016, Stavanger, 2016.
  3. ^ Arne Selberg: Stålkonstruksjoner, Tapir forlag, Trondheim, 1972, side 419f.
  4. ^ S. F. Mohammadi med flere: Comparison of time domain and spectral fatigue analysis of an offshore jacket structure, ISOPE 2016.
  5. ^ Mac-Camy R.S. og Fuchs R.A.: Wave forces on piles : a diffration theory, US Army Corps of Engineers, Beach Erosion Board, Tech. Memo, no. 69, Washington, 1954.
  6. ^ Sarpkaya T : In line and transvers forces on smooth and rough cylinders in oscillatory flow and high Reynoldsnumber, Naval Postgraduate School, report NPS69-86-003, 4.7.1986
  7. ^ Gerhard Ersdal og Arne Kvitrud: Green water incidents on Norwegian production ships, Proc. Airgap Workshop, HSE/E&P Forum, London, 1999 - http://www.gerhard.ersdal.com/Filer/greenwater_new.PDF
  8. ^ Arne Selberg: Stålkonstruksjoner, Tapir forlag, Trondheim, 1972, side 393.
  9. ^ Selberg, 1972, side 417f.
  10. ^ Selberg, 1972, side 419f.
  11. ^ Lotsberg, 2016, side 114ff, jamfør side 130. Han viser til tester med 280MPa, 175MPa (typisk for stag i strekkstag) og 70MPa (typisk i fast plattformer).
  12. ^ Lotsberg, 2016, side 402. NORSOK N-004 punkt K.4.4.3 har den samme anbefalingen, men uten begrunnelse.
  13. ^ Yoshihiro Kanno og Yakov Ben-Haim: Redundancy and Robustness, or When is Redundancy Redundant? Journal of structural engineering, september 2011 side 935-945.
  14. ^ ISO 19900, punkt 3.4.2 Robustness.
  15. ^ Torgeir Moan: Limit states and systems effects of offshore structures with emphasis on design for robustness, OSRS 2016, Stavanger, 2016.
  16. ^ Se for eksempel Yoshihiro Kanno og Yakov Ben-Haim: Redundancy and Robustness, or When is Redundancy Redundant? Journal of structural engineering, september 2011 side 935-945 og Gerhard Ersdal: Assessment of offshore structures for life extension, Doctorial Thesis, Universitetet i Stavanger, 2005, side 102ff.