Het installeren van jacket-platforms

Uit

S.G. Tan W.C. de Boom

Nederlands Scheepsbouwkundig Proefstation, Wager?ingen

Hydrodynamische aspecten

en modetonderzoek

47e jaargang, nr. 5, 1979, Cat. nr. 559

Het instaueren

van jacketplatforms

PU BL. NO.

(2..6

lB N(

OF THE N.S.M.B.

ARCHEE

_{Lab. y.}

_{Scheepsbouwkund}

DATUMS

Bibliotheek van de

AfdeIinq Scheepsboa,- en Schepvaartkune

Techr,isce Ho

hro, Dept

DCCUMENTA1E

I:

Vb 2b

S.G. Tan W.C. de Boom

Nederlands Scheepsbouwkundig Proefsta f/on, Wageningen

Bij de foto's: Het Thistle A platform is op de lokatie

aangekomen en wordt

door het kraanschip Orca in positie gehouden

voor-dat het platform in een

ver-tikale stand wordt

ge-bracht. Het gedeelte van het platform, dat na de in-stallatie boyen water zal uitsteken. is geel geverfd om het platform tegen cor-rosie te beschermen. Aan

het onderwatergedeelte

middel van elektrolyse

te-gen corrosie beschermen.

In het bassin van het NSP te Wageningen wordt een model van bak en jacket

(inzet) onderworpen san

een onregelmatige zee-toestand orn de

bewe-gingskarakteristieken van

de bak tijdens

zee-transport te kunnen bepa-len. Voorop de bak is een zgn. pantograaf systeem

Il et insta Heren

jan1jaçketPIatfOrmS

Voor het winnen van olie en/of

gas op zee (offshore) wordt

ge-bruik gemaakt van platforms die

op de zeebodem worden

ge-laatst. Het meest gangbare

ty-e platform is hty-et zogty-enaamdty-e

iacketplatforrn, een stalen

yak-werkconstructie die op de

zee-bodem wordt vastgeheid.

De installatie van een dergelijk

platform

is

een omvangrijke

operatie. Gewoonlijk wordt de

jacket op een transportbak naar

de lokatìe gesleept, waar hij van

de bak wordt tewatergelaten.

Vervolgens wordt het platform

rechtop gezet (up-ending) en

naar de zeebodem afgezonken

door het ballasten van speciale

compartimenten in de poten.

Voordat een jacket

geïnstal-leerd wordt, voert men

uitge-breid rnodelonderzoek uit orn

onder meer het gedrag van de

jacket tijdens transport,

tewa-terlating en up-ending nader te

De enorme vraag naar energie heeft er de

af-gelopen jaren toe geleid dat het zoeken naar

olie en gas zieh niet heeft beperkt tot het vaste land. Vooral de Golf van Mexico, de Perzische

Golf, de Noordzee en de kuststroken voor

Bra-zilië en Nigeria zijn belangrijke werkgebieden

van de zogenaamde offshore-industrie. Ter illustratie van de omvang van de

offshore-activiteiten in de Noordzee is in Figuur 1 een

overzicht gegeven van de olie- en gasvelden die

op dit moment al in produktie zijn of die bin-nenkort gaan produceren.

Voor het zoeken naar en het produceren van

olie en gas op zee is zeer gespecialiseerd mate-rieel in gebruik. Een verkenningsboring

(expIo-ratieboring) wordt gewoonlijk uitgevoerd met

Magnus Thistle'.'.'N'. Murchison Tern

/

Statfjord Cormorant

_{, tDunlin}

Hutton' I

Brent Heathe7 a-il--N/n/an LyelI Aiwyn \00d10 Frigg _{û E. Frigg} Bruce; // _Heimdall Beryl _/ Crawford Piper Brae S Claymore .2 Maureen Tartan

¡

Beatnce o Andrew Buchan Forties _Lomond

ABERDEEN Montrose ° Cod Albuskjell

-/7Tor

Josephinel ,___EkofiSk_ Fulmar

'Edda

Auk

'ìÊIdtisk

Argyll _Vaihall j'._N \ Dan _ESJBERG /

'.NN.//

/ N / N / I Rough i West sole O u Viking IndetatigabIe' o Lilo Sean LON DEN . BERGEN STA VANGEP s r' ¡I

i..

// IMSTERDAM

/II

Jtrt 141WJ

Boyen: Een overzicht van de wert van Union

In-dustrielle et dEntreprise (UÌE)te Cherbourg, die zich gespecialiseerd heeft in het bouwen van stalen

pro-du kf i ep I at forms.

Fig. 1. Op deze kaart zijn de otfshore.activiteiten op de Noordzee aangegeven. De velden waar gas ge-wonnen wordt zijn omcir-keld aangegeven en die waar olie geproduceerd zijn zwart gedrukt. Op de cursief gedrukte velden zijn of worden betonnen gravity structures geinstal-leerd, op de andere velden. jackets. De jackets op de velden. waarvan de naam vet gedrukt is. zijn bij het Nederlands Scheepsbouw-kundig Proefstation te Wa. geningen als model uitge-breid beproetd,

behuip van mobiele platforms die ofwel drij-vend zijn (zoals boorschepen of

half-afzink-bare platforms, de zgn. semi-submersibles) of-wel tijdelijk op de zeebodem worden geplaatst

(zoals de hef-eilanden, de zgn. jack-up's).

Wanneer echter eenmaal olie- of gasvoorraden zijn aangeboord die een economische winning mogelijk maken, verdient bet plaatsen van een vast platform de voorkeur, omdat men dan on-geacht de weersomstandigheden kan

doorwer-ken. De geproduceerde hoeveelheden olie

en/of gas worden direct via onderzeese

pijp-leidingen naar de kust gepompt of met behuip van tankers aan land gebracht.

De vaste produktieplatforms zijn onder te

verdelen in twee hoofdgroepen:

- Stalen

vakwerkconstructies (de zgn.

jackets) die op de zeebodem worden geplaatst en met heipalen worden verankerd;

- Zware constructies,

meestal van beton,

maar bij uitzondering van staal, die door hun

grote eigen gewicht stabiel blijven staan op de

lokaties waar ze zijn afgezonken (de zgn.

gravity-constructies).

De gravity-platforms hebben als voordeel

Natuur err Tec5n,ek, 47, 5(1979) Cat, nr.559

Fig.2. Deze grafiek geeft het verband san tussen het

gewicht van de stalen platforms in verschillende zee-gebieden en verschillende waterdiepten.

300

200

loo

Noordzee

)beproefd bi) hetNSP)

150 200

V

Waterdiepte in meter

dat er meestal een opsiagruimte voor geprodu-ceerde olie in bet platform aanwezig is, die als buffer kan fungeren zodra de afvoer stagneert. De benodigde opslagcapaciteit kan echter ook

worden verkregen door een voorraadtanker

permanent af te meren bij een olieveld.

Hoewel er in de afgelopen vijf jaar in de

Noordzee een tienta! gravity-platforms is ge-bouwd en geïnstalleerd, is op dit moment, op

economische gronden, bet stalen jacket-platform (weer) veruit favoriet.

Stalen jacket-platforms worden geplaatst in verschillende waterdiepten tot maximaal 350 meter. Het ontwerp is ondermeer afhankelijk van de deklast die door de jacket moet vorden gedragen en van de omgevingscondities waar-voor de jacket wordt ontworpen. Het

noorde-lijke dee! van de Noordzee is bekend om de

bij-zonder siechte weersomstandigheden (hoge

windsnelheden en daardoor hoge golven),

zo-dat een jacket die voor dit gebied wordt

ont-worpen relatief zwaarder uitvalt dan een jacket

voor bijvoorbeeld de Perzische Golf (zie

Fig. 2).

305

Perzische Golt

U hoordzee

Q MiddellandseZee

500 V Golf van Mexico

Voor het installeren van een jacket-platform

zijn verschillende procedures in gebruik. De keuze van een bepaalde procedure wordt

be-paald door jacket-ontwerp, jacket-gewicht en waterdiepte. De verschillende

installatiemetho-den onderscheiinstallatiemetho-den zich voornamelijk in de

wijze van transport van de jacket naar de

lokatie:

Kleine jackets met een maximum

totaal-gewicht tot ca. 20 000 kN (geschikt voor

water-diepten tot ca. 50 m) worden op een transport-bak naar de lokatie vervoerd, waar ze met

be-hulp van conventioneel hijsmaterieel van de

bak worden gelichi en op de bodem gezet (zie

Fig. 3a);

Zeer grote jackets kunnen zelfdrijvend

wor-den gemaakt. Drijvend op twee grote hoofd-poten wordt zo'n jacket-platform naar de Io-katie gesleept. Via een ingewikkelde

ballast-procedure wordt de jacket vervolgens in verti-kale positie gebracht en op de bodem

afgezon-ken (zie Fig. 3b). Deze installatiemethode is

reeds enkele malen met succes toegepast voor jackets met een gewicht van 200 000 a 400 000 kN voor waterdiepten van 120 tot 170 m;

3. Verreweg de meest gebruikte methode is

echter de volgende. Het jacket-platform wordt

per transportbak naar de lokatie vervoerd en aldaar van de bak te water gelaten. De jacket drijft dan gewoonlijk horizontaal op hei

bo-venste zijvlak. Door speciale ballasttanks in de

hoofdpoten (en eventueel additionele drijf-tanks) te vullen met water wordt de jacket ïn

vertikale positie gebracht (het zgn. up-enden)

Boyen: Fig. 3a. De stadia bij het installeren van kleine jackets met behulp van conventioneel hijsmateriaal. Onder: Fig. 3b. De stadia bij het installeren van zeer grote jackets. Deze jackets drijven op de twee hoofd-poten en men zinkt deze jackets at door deze hoofd-poten zeer zorgvuldig te ballasten.

en op de zeebodem afgezonken (zie pag.

316-317). De beschreven procedure is mogelijk

voor jacket-platforms die een

tewaterlatingsge-wicht hebben tot ongeveer 250 000 kN voor

waterdiepten tot ca.

160 m. Veel grotere

jackets worden in twee of drie gedeelten gefa-briceerd, die ieder afzonderlijk per bak worden

vervoerd en op de lokatie te water worden

el-Geheel boyen: De 32 000 ton wegende jacket van het zelfdrijvende type tijdens de sleep naar bet Thistle-veld op de Noordzee. De 185 m lange stalen jacket drijtt in horizontale positie op twee poten met een dia-meter van 9 m. Naast de poten is een cylindrische drijttank van 91 m lengte te zien die later gebruikt wordt voor olie-opslag.

Hierboven: De jacket brengt men in vertikale positie door de poten te ballasten en vervolgens naar de zee-bodem at te zinken. De waterdiepte op deze plek is 162 meter.

kaar worden geinstalleerd of eerst in drijvende positie worden samengesteld en dan als één

ge-heel op de bodem worden geplaatst. Op deze

wijze zijn onlangs jackets geplaatst voor water-diepten van meer dan 300 m.

De laatstgenoemde installatiemethode geniet meestal de voorkeur boyen die met een zeif-drijvende jacket omdat:

- Een per bak getransporteerde jacket op een

open werf snel en goedkoop kan worden

gefa-briceerd, terwijl een zelfdrijvend platform in

een dok moet worden gebouwd, vanwaar een open verbinding met de zee moet worden ge-maakt als het platform klaar is;

- Het inbouwen van voldoende

drijfvermo-gen in hei zelfdrijvende platform de hoeveel-heid verwerkt staal doet toenemen;

- De grote diameter van de drijfpoten zoveel

extra golfbelasting met zieh meebrengi dat dit

op zichzelf weer extra staalverbruik

introdu-ceert.

De genoemde redenen maken de

zelfdrijven-de jacket veci duurzelfdrijven-der dan een per bak get

rans-porteerde jacket, ondanks de extra kosten die

zijn verbonden aan het gebruik van een baL

De installatieprocedure van een jacket-platform

De verschillende fasen in de

installatieproce-dure van het type 3 - transport van de jacket

per bak - zijn aangegeven in het schema hier-naast. ledere fase brengt zijn eigen specifieke

problemen met zich mee. Problemen die niet alleen met de installatie zeif samenhangen,

maar die ook repercussies kunnen hebben voor het jacket-ontwerp.

Uiteraard is in de afgelopen jaren een schat aan gegevens verzameid tijdens de installatie van verschillende jackets. Bovendien heeft de

offshore-industrie een aantal

computerpro-gramma's ontwikkeld, die verschillende fasen van de installatie zo gedetailleerd mogelijk

be-schrijven. Toch is het gebruikelijk en vaak noodzakelijk iedere nieuwe jacket-installatie voor te bereiden door middel van een uitge-breid modelonderzoek. De reden hiervoor is dat de kosten die zijn gemoeid met het falen van de installatieprocedure de kosten van de

jacket- fabricage zelf meestal ver overtreffen.

Verlies van de jacket betekent immers een

produktie-achterstand van het betreffende

olie- of gasveid van meer dan een jaar. Een

risico-analyse zal daarom veelal aantonen dat

de kosten verbonden aan maatregelen die de

risico's verkleinen (zoals modelproeven) wor-den gerechtvaardigd door de verhoogde

zeker-heid.

Het is vanzelfsprekend dat een modeiproe-venprogramma zoveel mogelijk de echte instal-latieprocedure volgt. We zullen nu een aantal typen proeven nader beschouwen.

Zeetransport-proeven

Het doel van zeetransport-proeven is:

- Het bepalen van de sleepweerstand van de transportbak beladen met de jacket, in onre-gelmatige zeetoestanden, waaruit het

beno-digde sleepbootvermogen voigt;

- Het bestuderen van de traagheidskrachten op de jacket ten gevolge van de bewegingen

van de combinatie bak-jacket in onregelmatige golven. Hiermee kan het jacket-ontwerp

wor-den gecontroleerd en het

bevestigingsmate-riaal, waarmee de jacket aan de bak is gelast, worden ontworpen;

- Het verzamelen van informatie omtrent de

mogelijkheid van optreden van golfklappen

te-Fabricage van de jacket op de wert

Laden op transportbak

Slepen van detransportbak naarde lokatie (sea-transport)

'j,

Tewaterlaten van de jacket (taunching)

Jacket ¡n vertikaal drijvende positiv brengen d.m.v. baltasten )up-enden)

¿

Positioneren boyen lokatie

Jacket naarzeebodem atzinken

Jacket staat tos op de bodem, vóár het heien (stand on bottom)

'j,

Haien en plaatsen van dekmodutes

Jacket produktie-gereed

gen onderdelen van de jacket die buiten de bak uitsteken.

De modelproefresultaten kunnen leiden tot het vaststellen van uiterste weerscondities waarbij de sleep nog mag uitvaren.

De sleepweerstand wordt gemeten in een

zo-genaamde sleeptank. Het model van de bak, beladen met het jacket-model, wordt via een

lijn met de sleepwagen verbonden. Deze

sleep-wagen trekt de modellen met een bepaalde sneiheid door de tank, waarin onregelmatige golven worden gegenereerd. De kracht in de lijn wordt gemeten, waaruit het benodigde

De bewegingskarakteristieken van de

combi-natie bak-jacket worden bepaald

via

zee-gangsproeven. De modellen worden hiertoe

door middel van slappe veren afgemeerd in een

proefbassin. De veren zijn zo gekozen dat de bewegingen van de modellen in het

periode-gebied van de golven niet beïnvloed worden;

zij dienen slechts de bak en de jacket

gemid-deld in dezelfde positie te houden. Vervolgens worden de modellen beproefd in verschillende

onregelmatige golven vanuit diverse

richtin-gen.

De zes hoofdbewegingen worden gemeten: schrikken, verzetten en dompen (oscillerende

translaties van het gewichtszwaartepunt G in

respectievelijk langs-, dwars- en vertikale

rich-ting) en slingeren, stampen en gieren

(oscil-lerende rotaties orn respectievelijk de langs-, dwars- en vertikale as door G).

Tenslotte kan de kans op golfklappen tegen

de jacket worden afgeleid uit een meting van de relatieve vertikale beweging ten opzichte

van het golvend wateropperviak ter plaatse van een uitstekend gedeelte van de jacket.

De modeiproeven worden uitgevoerd voor

een tijdsduur overeenkornend met een half uur voor het prototype (zie Intermezzo I). Bij die proefduur is voldoende informatie verzameid

orn de gemeten grootheden statistisch

be-trouwbaar te analyseren. Voor nadere uitleg van de manier waarop onregelmatige golven

worden opgewekt in het proefbassin en enkele hydrodynamische basisprincipes van

bewegen-de lichamen in onregelmatige zeetoestanbewegen-den zie

Remery en Van Sluijs (1976).

Uit de resultaten van zeegangsproeven met

Rechts: Het zeetransport van de Montrose jacket op

een transportbak. Voor bet zeetransport worden

mo-delproeven gedaan (zie de openingspagina) waarbij

men een aantal factoren van te voren kan bepalen, zo-als bet benodigde sleepbootvermogen, de invloed van de golven op de combinatie bak-jacket etc.

transportbakken, beladen met een jacket, kan in het aigerneen worden geconcludeerd dat:

- De grootste schrik- en stampbewegingen voorkomen in recht vóór inkomende golven,

terwiji in dwars inkomende golven de domp-, verzet- en slingerbeweging het hevigst zijn;

- De gemeten bewegingen bijna lineair toene-men met toenetoene-mende goifhoogte, indien de ge-middelde golfperiode constant biijft;

- Met het toenemen van de gemiddeide golf-periode (langere golven) de bewegingen in het algemeen groter worden;

- De grootste kans op golfkiappen tegen de

jacket bestaat, wanneer de golven dwars

inko-men.

Tewaterlalingsproeven

Het beiangrijkste doel van

tewaterlatings-proeven is het reduceren van de belastingen in

de kantelarmen van de bak, met behoud van

voldoende dwarsscheepse stabiliteit tijdens de

tewaterlating. De kantelarmen bevinden zieh

in het achterschip aan het uiteinde van elk van de twee afloopbanen. Ze geleiden de jacket

tij-dens het iaatste stadium van de tewateriating

en voorkomen dat de top van de jacket de

ach-terkant van de bak raakt.

Een tewateriating verloopt als voigt (zie

pag. 310):

- Door het aanbrengen van waterballast in het achterschip wordt de bak achterover ge-trirnd (rotatie orn horizontale dwarsscheepse

as);

- Dan wordt de jacket, die op de

afloopba-nen rust, langzaam van de bak afgetrokken of

afgeduwd. De afloopbanen zijn rneestal

voor-zien van een laag PTFE - polytetrafluoretheen,

bekend onder de handeisnamen Teflon en Fluon - orn de wrijvingscoefficiënt zo laag mo-gelijk te houden;

- Wanneer de zware jacket meer naar de

ach-terkant van de bak schuift, neernt de veririrn-ming van de bak toe;

- Op het moment dat het fictieve zwaarte-punt van de jacket de scharnierzwaarte-punten van de kantelarrnen passeert. begint de jacket te

kan-A

i4jI

_.

A

, _r

!P,

Vi4 $!iZA'd

hIi

.

Ill

f.

lfl.q'uvg

_{! "i'}

11L1';.

III

h1

Boyen: Het tewaterlaten van de jacket voor het Clay-more veld op de Noordzee (waterdiepte 110 m). Vier opeenvolgende stadia zijn vastgelegd door een came-ra die op de boeg van de tcame-ransportbak was gemon-teerd. Onder de fotos zijn de stadia nog eens schema-tisch weergegeven.

Rechts: De situatie viak voor het tewaterlaten van het Montrose platform. Links op de toto is duidelijk één van de kantelarmen te zien, die aan het einde van de afloopbaan scharnierend op de bak zijn bevestigd. De kantelarm geleidt de jacket viak voor bij loskomt van de bak, waarmee voorkomen wordt dat de top van de jacket de bak raakt.

INTERMEZZO I

Schaalwetten

Onderzoek aan schaalmodellen heeft alleen

praktische waarde wanneer de resultaten kunnen

worden 'vertaald' naar de ware grootte. 0m de resultaten van modeistudies van dynamische

processen te kunnen interpreteren is bet noodza-kelijk orn de krachten die het dynamisch proces bepalen gehjkvormig weer tegeven. Een gedegen analyse van hei te modelleren fysische

verschijn-sel moet aangeven welk type krachten

domine-rend is.

Wanneer zwaartekracht en

massatraagheids-krachten het belangrijkste zijn, moet worden

ge-zorgd dat het dimensieloze getal van Froude

voor model en prototype gelijk is. Het getal van Froude is

Fr=

waarin y = sneiheid

g = versnelling van de zwaartekracht

L = lengte

De toepassing van de schaalwet van Froude

leidt tot de volgende schaalfactoren: afmetingen, verplaatsingen : X

sneiheid, tijd

: fX

versnelling, hoekverdraaiing : 1

kracht, volume :

moment :

waarin X de lengteschaal is.

Een schaalfactor geeft de verhouding aan tus-sen overeenkomstige grootheden in het model en het prototype. Wanneer de lengtematen van mo-del en prototype zich dus verhouden als 1:36 be-tekent dit dat, orn het gelai van Froude voor

bei-de constructies gelijk te houbei-den, bei-de snelhebei-den zich moeten verhouden als 1:6 (l:f36). De

schaalwet van Froude wordt erg veci gebruikt,

onder andere voor proeven met bewegende

lichamen in golven.

Wanneer visceuze krachten belangrijk zijn,

moet bet dimensieloze getal van Reynolds gelijk

zijn voor model en prototype.

Getal van Reynolds:

Re=

waarin y = snelheid

L = lengte

r = kinematische viscositeit.

telen. Er is sprake van een fictief zwaartepunt. omdat een gedeelte van de jacket al onder wa-ter is verdwenen en dus een opwaartse kracht ondervindt (zie Fig. 4). Zodra de

kantelbewe-ging begint, treedt de maximum belasting op de kantelarmen op. De maximale vertikaal-kracht is het gewicht van de jacket minus de

opwaartse kracht.

Het reduceren van de belasting op de

kantel-armen kan worden bereikt door de

opwaart-se kracht op de jacket op het moment van kan-telen te vergroten. De bak dient dus een grote

diepgang en trimhoek te hebben op het mo-ment dat de jacket gaat kanteten.

Het belang van he minimaliseren van de krachten in de kantelarmen is gelegen in de ge-voigen die grote belastingen op de jacket

(op-tredend over een relatief korte lengte, dus te

beschouwen als puntbelastingen) hebben voor

hei ontwerp van de jacket. Speciale sterkte-eisen zullen moeten worden gesteld voor een

belastinggeval dat slechts gedurende een

rda-tief korte periode in de levensduur van de

jacket voorkomt.

Naast de krachten in de kantelarmen is de dwarsscheepse stabiliteit van de combinatie

bak-jacket tijdens de tewaterlating van belang. De dwarsscheepse stabiliteit is evenredig

met het quotient 1/7, waarin

= oppervlaktetraagheidsmoment van hei

waterlijnoppervlak t.o.v. de horizontale

langsscheepse as.

V = waterverplaatsing van bak en jacket;

- Hei traagheidsmoment van het waterlijn-opperviak is recht evenredig met de lengte van de waterlijn (afmeting l in Fig. 4); voor een

Wanneer in model en prototype dezelfde

vloeistof wordt gebruikt (bijv. water), hetgeen betekent dat modet = ,dan gelden de

volgende schaalfactoren indien de wet van Rey-nolds wordt toegepast:

afmetingen : X sneiheid :

tijd : X2

De schaalwet van Reynolds worth onder

ande-re gebruikt voor bet bepalen van

stromings-krachten op slanke constructies.

Wanneer de resulterende schaalfactoren van

de schaalwetten van Froude en Reynolds onder-ling worden vergeleken, blijkt dat beide

schaal-wetten niet kunnen worden verenigd binnen én modelproef. Een keuze moet worden gemaakt.

De jacket-installatieproeven, zoals die in dit arti-kel worden beschreven, worden uitgevoerd vol-gens de schaalwet van Froude. Een korte toelich-ting zal worden gegeven bij die proeftypen waar-voor het gebruik van deze Froude-schaalwet niet

voor de hand ligt.

Natuur en Techniek, 47, 5 (1979)

Gewicht van de bak

Opwaartse kracht op de bak

rechthoekig opperviak bijv: I = 1/12 lx b3 met

= lengte en b = breedte waterlijn;

- Het waterlijnoppervlak van de jacket is

klein t.o.v. dat van de bak.

Tijdens de tewaterlating neemt de lengte 1b

geleidelijk af door het groter worden van de

vertrimming van de bak. Hoewel de jacket een bijdrage gaat leyeren in de stabiliteit, zal toch in het algemeen de totale dwarsscheepse stabi-liteit afnemen tijdens het verloop van de

tewa-terlating. Behoud van stabiliteit kan worden

verzekerd door de trimhoek van de bak niet te veel te laten toenemen.

Nu blijkt dat de eisen te stellen aan de bak

voor bet reduceren van de kracht in de kantel-armen én voor het verzekeren van voldoende stabiliteit met elkaar in tegenspraak zijn. Mo-delproeven kunnen helpen bij bet vinden van een optimum. Een voorbeeld van een

techni-sche oplossing is aangegeven in Fig. 4: extra drijftanks gemonteerd aan de zijkant van de

jacket verbogen zowel de opwaartse kracht als

de dwarsscheepse stabiliteit (zodra ze de

water-lijn doorsnijden).

Fig.4.TijdenS het tewaterlaten van een jacket werken

een aantal krachten op de bak en de jacket. De teke

ning geeft de situatie weer voor Stil water.

Additionele drijftankS bakk,

Y

Lengte waterl j n

1'w*a

Gewicht van de jacket Opwaartse kracht op de jacket 313

____

i-.--INTERMEZZO Il

j:

Een zestai momentopnamen van een

tewatoria-tirig uitgevoerd met een model. Het model (schaai 1:40) representeert in werkelijkheid sen transport. bak van ruim 150 meter iengte en sen jacket voor

82 meter waterdiepte. Het tewaterlaten van het model bootst men na onder diverse omstandig-heden weike op zee kunnen voorkomen, zodat

roen ai naar gelang de situatie op zee aan de band van de resultaten van deze modeiproeven een

be-paalde tewaterlati ngsprocedure kan toepassen.

I

gesimuleerd 0m een vergelijkbaar dynamisch

ge-dat hei totaal gewicht en de ligging van bet

zwaartepunt correct zijn, terwijl bovendien de

schaal worden gebouwd. De interne

ballast-compartimenten moeten bovendien de juiste

bin-nenafmetingen hebben. De gewichtsverdeling

van het jacket-model moet zO worden ingesteld massatraagheidsmomenten goed moeten worden

Modellen

Een jacket-model moet geometrisch geheel op

drag van model en prototype te verkrijgen. Al deze eisen, waaraan moet worden voldaan door het jacket-model inclusief de instrumenta-tie, vragen 0m zeer dunwandige pijpen voor de

modelfabricage. Bij de gebruikelijke model-schalen voor jacket-installatieproeven, ca. i op 40, is het nog steeds mogelijk staten buizen te verwerken. Voor aanzienlijk kleinere modellen (schaal I op 60) moeten andere materialen

wor-0-

den gekozen, zoals aluminium of PVC. Dit leidt tot duurdere modellen en door de grotere wand-dikte van dit materiaal tot te kleine volumes van

de interne ballastianks.

Voor bet bakmodel is PVC een geschikt con-structiematerìaal gebleken. Alle interne ballast-tanks dienen de juiste binnenafmetingen te heb-ben omdat het vrije vloeistofopperviak van het

ballastwater in de tanks de

stabiliteitseigen-schappen van de bak beïnvloedt. De bak is

uitge-rust met 2 afloopbanen, waarop de jacket uitge-rust.

Speciale aandacht moet worden geschonken aan

de modellering van de kantelarmen aan de uit-emden van beide afloopbanen, omdat de

maxi-male belastingen tu dens het te water laten

optre-den op het moment dai de jacket begint te

Natuur erj Techniek. 47. 5 1979)

Een modelproevenprogramma orn de tewa-terlating te onderzoeken omvat gewoonlijk:

- Proeven in

stil water voor verschillende

ballasicondities van de bak;

- Proeven in onregelmatige zeetoestanden

orn het effect van golven op de gemeten maxi-rna te onderzoeken;

- Proeven

met gewijzigd jacket-gewicht en/of ligging van het zwaartepunt;

- Hellingproeven orn de stabiliteit van de

bak-jacket combinatie te meten voor een aan-tal posities van de jacket op de bak.

De volgende grootheden worden meestal

ge-registreerd:

- Grootheden die de positie van de bak in de

ruirnte (diepgang, slinger- en stamphoek)

be-palen;

- Grootheden die de positie van de jacket in

de ruirnte

(afgelegde afstand op de bak,

slinger- en stamphoek en indompen) bepalen;

- Krachten in de kantelarmen (krachten in het stuurboord- en

bakboordkantelarmschar-nier in 3 richtingen);

- Lierkracht nodig orn de jacket van de bak te trekken (waarmee de wrijvingscofficint van de afloopbanen kan worden

gecontro-leerd).

De analyse van de gemeten signalen gebeurt niet op statistische wijze, zoals bij de zeetrans-portproeven, maar het verloop in de tijd wordt

bepaald. Vaak wordt de meeste aandacht

ge-schonken aan maxima.

Gebaseerd op de ervaringen die door het NSP zijn opgedaan met hei tewaterlaten van

diverse.jackets, kunnen de volgende opmerkin-gen worden gemaakt:

De sorn van de vertikale krachten in de kantelarmen aan stuurboord- en

bakboord-zijde ligt tussen de 50 en 70% van het

jacket-gewicht;

- De invloed van milde onregelmatige

zee-toestanden (met golfhoogten kleiner dan 2 à 3

m) op de gemeten vertikale krachten in de

kantelarmen is niet meer dan enkele

procen-ten;

- De weerstand die de jacket ondervindt

wanneer hij hei water inschuift, is zo groot dat gedureride de laatste fase van de tewaterlating de bak wordt weggeduwd door de jacket.

Up-endingsproeven

Nadat het jacket-platform te water is

gela-ten, drijft het horizontaal. Door speciale com-partimenten te laten vollopen met ballastwater

worth de jacket in vertikale positie gebracht

(het up-enden). De ballastcompartimenten be-vinden zich gewoonlijk in de hoofdpoten.

Deze procedure is vaak één van de meest kri-tieke gedeelten bij het installeren van de jacket, omdat voldoende afstand (vrijslag of

clearance) tussen de jacket en de bodem moet

blijven bestaan tij dens de rotatie. Deze vrijslag

kan worden verhoogd door de jacket zo te

ont-werpen dat de rotatie wordt bewerkstelligd

door een minimale hoeveelheid ballast. Omdat bet ballastwater echter meestal onder in de

po-ten wordt aangebracht, zal het verminderen

van de hoeveelheid ballastwater de stabiliteit van de jacket ongunstig beïnvloeden. Opnieuw moet worden gezocht naar een compromis

tus-sen het verkrijgen van voldoende vrijslag en

het behouden van statische stabiliteit.

In het proefbassin worden meestal enkele

ballastprocedures onderzocht. ledere procedu-re wordt stap voor stap uitgevoerd. Na iedeprocedu-re

stap wordt de positie van de jacket

opgeno-men. Deze positie wordt bepaald door de rota-tiehoek, een eventueel optredende slagzij en de

diepgang van het laagste punt van de jacket.

De meetgegevens worden weergegeven in

figu-ren waarin de rotatiehoek en de vrijslag bu een

bepaalde ballastsituatie meteen kunnen

wor-den afgelezen (zie Fig. 5).

0m de minimum-clearance te vergroten en in sommige gevallen ook het up-endingsgedrag te verbeteren worden meestal additionele

drijf-o

70

Natwir en Techniek 47, 5(1979)

tanks gebruikt. Uit de praktijk is bekend dat het niet denkbeeldig is dat êén van die tanks lekt of beschadigd is. In het model kan vrij

eenvoudig het effect van een niet waterdichte tank worden onderzocht. De informatie die uit

zo'n proef wordt verkregen, kan tijdens de

werkelijke operatie de beslissing: wel of niet

doorgaan, vergernakkelij ken.

Wanneer de optimale up-endingsprocedure

is bepaald, wordt de stabiliteit van de jacket

voor verscheidene stadia van de up-ending ge-controleerd. Hiertoe wordt een zuiver moment op de jacket uitgeoefend. De hoekverdraaiing die hieruit resulteert is een maat voor de

stabi-liteit.

De up-endings- en stabiliteitsproeven, zoals

ze hiervoor zijn beschreven, worden uitge-voerd in stil water. De bewegingen van de

jacket in onregelmatige golven zijn in het alge-meen niet groot, orndat de golfkrachten op de open vakwerkconstructie relatief klein zijn en bovendien orndat de resonantieperioden voor

de jacket-bewegingen ver buiten het gebied van de golfperioden vallen. Toch is het aan te

beve-len de jacket-bewegingen in golven te

onder-zoeken voor die jacket-positie waarbij de

vrijslag minirnaal is, orn te controleren of de jacket de bodern niet raakt.

Indien men er niet in slaagt een ballastpro-cedure te ontwerpen waarbij de clearance

vol-doende is, kan een kraanschip worden

ge-bruikt. De liftcapaciteit van zo'n schip kan de benodigde vertikale kracht leyeren orn de fase te passeren, waarbij de verwachte vrijslag niet

acceptabel is. Deze procedure voor het

up-enden van de jacket moet echter terdege wor-den voorbereid.

Linksboven: Eon vierta) stadia van eon up-endings-procedure uitgevoerd in hei proefbassin. De jacket wordt in vertikale positie gebracht door hot vuHen van ballasttanks in de vier hoofdpoten.

Links: Fig. 5. De opeenvolgende posities van de jacket tijdens hot up-enden vanaf horizontale tot verti-kale drijftoestand.

Nat uur en Techniek, 47, 5 1979)

Meting van stroomkrachten

Tijdens het up-enden en afzinken naar de

bodern dient de jacket in positie gehouden te worden door sleepboten. Bijzondere aandacht moet besteed worden aan het positioneren, in-dien vertikale pijpen die van het platforrndek door de jacket naar beneden lopen,

aangeslo-ten worden op een eerder geïnstalleerde

bo-demplaat ter plaatse van de boorput.

De belangrijkste krachten die het

positione-ren bernoeilijken, zijn de stroornkrachten op

de jacket. De sleepboten dienen voldoende

ver-mogen te bezitten orn deze krachten te over-winnen. In het proefbassin worden de

stroorn-krachten gerneten door de jacket met de

ge-wenste sneiheid te slepen. De sleeplijn wordt aan de sleepwagen verbonden. In deze sleeplijn

wordt een slappe veer aangebracht orn niet

realistische schokkrachien in de lijn als gevoig

van het versnellen of vertragen van de wagen te

verrnijden. Indien de sleeplijn op de juiste

plaats

vastgernaakt wordt aan het

jacket-model, wordt de vertrirnrning van het platform eveneens goed gesimuleerd.

Na het oprichten en afzinken naar de zeebodem, wordt de jacket door middel van stalen heipalen aan de bodem verankerd (foto onder. Daarna wordt door een kraanschip het dek op de jacket geplaatst (foto links). Op dit deR worden later weer kant en klare produktie-eenheden en bemanningsverblijven

ge-pl aatst.

Bij hydrodynamisch onderzoek wordt ge-woonlijk de schaalwet van Froude gebruikt

(zie Intermezzo I). Dit is alleen juist wanneer de traagheidskrachten overheersen, zoals bijv. het geval is bij scheepsbewegingen in golven. Voor stroomkrachten, waarbij visceuze effec-ten belangrijk zijn, dient echter de schaalwet van Reynolds te worden toegepast. 0m prakti-sche redenen kan niet tegelijkertijd aan beide schaalwetten worden voldaan. Stroomkrach-ten gevonden uit een modelproef die is

uitge-voerd in overeenstemming met de wet van

Froude zullen dus moeten worden gecorrigeerd

voor visceuze invloeden.

Figuur 6 toont de invloed van het getal van Reynolds (Re) op de weerstandscoefficint van een enkelvoudig gladde cirkelvormige cilinder in een stroming. De weerstandscoefficiënt C0 wordt gedefinieerd als

CD = W/(½Qv2A)

waarin W, , y en A respectievelijk de

weer-stand, de soortelijke dichtheid van het

me-dium, de stroomsnelheid en het geprojecteerde opperviak voorstellen. Wanneer in het model

de stroming zich in

het laminaire of

sub-kritische gebied (Re kleiner dan ca. l0) be-vindt en in het prototype in het turbulente of

super-kritische

gebied (Re groter dan

ca.

4x105), zal de correctie op de gemeten stroom-kracht aanzienlijk zijn.

Voor cilinders met een ruw opperviak is het

verband tussen CD en Re anders dan voor

glad-de cilinglad-ders. Turbulentie zal optreglad-den bij een lager Reynoldsgetal terwiji ook het verschil in CD minder groot is voor de sub-kritische en de

super-kritische stroming. Voor cilinders met

een andere dan cirkelvormige doorsnede is ook

vaak de invloed van Re op de

weerstands-coefficient minder geprononceerd.

Jackets kunnen zeker niet worden vergele-ken met een enkelvoudige cirkelvormige cilin-der. Ze zijn op ingewikkelde wijze

samenge-steld uit een groot aantal staven en pijpen.

Door onderlinge interacties van deze elemen-ten zal reeds bij lage Reynoldsgetallen

turbu-lentie ontstaan, waardoor ook in het model de stroming overgaat van het sub-kritische

gebied naar het super-kritische gebied. Hier-door mag worden verwacht dat de CD voor de

model- en de prototype-jacket niet veel ver-schilt. De correctie op de gemeten

stroom-kracht zal dus klein zijn.

s)_o o o 1.0 0,8 0,6 a 0,4 w CDYQ2A

Boyen: Fig. 6. De weerstandscoefticient is legen hei getal van Reynolds Re uitgezet vooreen cirkelvormige cilinder met een glad oppervlak. Wanneer hei model een Reynoldsgetal heeft kleiner dan iO en het proto-type eon groter dan 4 X iO zal men een correctie op de gemeten stroomkrachten moeten toepassen.

Rechts: Op de platforms zijn grote dekconstructies geplaatst, waarin nessi woonaccommodatie voor 40 tot 60 man, ook omvangrijke boor- en produktie-eenheden zijn ondergebracht. Op de foto hei produktie-p)atform op hei Auk-A veld (zie kaart op pag.

304).

Stand-on-bottom proeven

De laatste fase in de installatie van de jacket, vóór het heien en het installeren van dekmodu-les, is de situatie waarbij de jacket op de

zee-bodem rust met alleen zijn eigen gewicht en hei

gewicht aan ballastwater dat is gebruikt voor het up-enden en het afzinken.

In deze stand-on-bottom situatie kan door

middel van modeiproeven worden nagegaan in welke regelmatige of onregelmatige golven de jacket gaat bewegen of zelfs omvergeworpen wordt. Indien nodig kan extra stabiliteit wor-den verkregen door het verwijderen van enige additionele drijftanks (reductie van

golf-krachten en momenten), door het vullen hier-van (extra gewicht) of door een combinatie hier-van beide maatregelen.

0,1

01

0,2

2 4 _{6 8ios}

ir

2 4 _{6 8106}

i L-'

Besluit

We hebben gezien dat modelonderzoek een beiangrijke bijdrage kan leyeren aan de voor-bereiding van een jacket-installatie. De blijven-de vraag naar energie zal blijven-de offshore-industrie in de toekomst dwingen de olie- en gasproduk-tie ook in dieper water ter hand te nernen. Het

plaatsen van platforms in dieper water en in

gebieden met extreem siechte

weersomstandig-heden zai een steeds riskanter zaak worden.

Bovendien kan worden verwacht dat de huidi-ge installatiemethoden niet meer huidi-gebruikt kun-nen worden voor de groler wordende jackets.

Modeionderzoek zal daarorn in toenernende

mate nodig zijn orn de problemen op te iossen

waarvoor de offshore-industrie zieh gesteid

ziet.

Literatuur

Delany, N. K. and Sorensen, N. E., (1953).Low-speed Drag

of Cylinders of Various Shapes.National Advisory Com-mittee, Technical Note 3038, Washington.

Hoerner, S. F., (1965).Fluid-Dynamic Drag.(gepubliceerd

door de auteur).

Lath, D.. (1973).New Concept of Pile-Less Ftred Platform for Deep Water Drilling and Production Operations.

Off-shore Technology Conference, Houston, April - May. Lee, G. C.. (1978).Design and Construction of Deep Water

Plat for,ns.Offshore South East Asia Conference, Society of Petroleum Engineers Session, 21-24 February 1978.

Remery, G. F. M. en van Sluijs. M. F., (1976). Ocean

Engineering - Hydrodvnwnische gronds/agen en labora-toriu,nonderzoek.Natuur en Techniek, 44 (12), 844-863.

Bronvermelding illusiraties:

Netherlands Offshore Company, Delft: pag. 302-303, 307,

310, 311, 318. 319.

Pierre Gory. Bolbec/Union Industrielle et d'Entreprise. Pa-ros: pag. 304-305.

International Transport Contractors Holland By.,

Haar-em: pag. 309.

Shell Nederland By.. Rotterdam: pag. 321. Alle overige foto's zijn afkomstig van de auteurs.