Strekkstagplattform

En strekkstagplattform (engelsk: Tension-leg platform, TLP) er en flytende og vertikalt forankret plattform eller lastebøye som normalt brukes til offshoreproduksjon av olje eller naturgass, og er spesielt egnet for vanndybder på over 300 meter. På norsk sokkel er det to strekkstagplattformer, Snorre A og Heidrun. Snorre A er av stål og Heidrun av betong.

Ved bruk av strekkstagplattformer kan en bruke stigerør av stål, som har en mye bedre skadestatistikk enn fleksible stigerør. En kan også plassere brønnrammene rett under plattformen og en kan ha utblåsningsventilen på dekk.

Strekkstagplattformer er permanent festet til havbunnen og brukes oftest til produksjon. Disse plattformene kan bygges både i stål og betong, men stål er i praksis helt dominerende.

Utforming

Stagene 
Som regel brukes stag for å holde plattformen på plass. Stagene er sylindriske rør som er skrudd eller sveist sammen. Kjetting eller wire kan også i teorien brukes. 

Stagene dimensjoneres i fire grensetilstander: bruksgrensetilstanden, bruddgrensetilstanden, utmattingsgrensetilstanden og ulykkesgrensetilstanden med nødvendige sikkerhetsmarginer.

For belastningene på stagene er de hydrodynamiske bølgelastene som betegnes som ringing og springing viktige. Ringing og springing er forårsaket av høyere ordens komponenter av bølgelasten på skroget. Springing ser ut til å være begrenset til andre ordens bølgeeffekter, mens ringing også omfatter høyere enn andre ordens effekter. Ringing og springing virker på konstruksjoner med egensvingeperioder som er lavere enn bølgeperiodene. Det vil for strekkstagplattformer være i hiv, pitch og rulling. Siden hiv, pitch og rulling i strekkstagplattformer har liten demping vil små laster kunne gi betydelige lastvirkninger. Springing gir en varierende last med en lav amplitude på konstruksjonene. Virkningen vil derfor ofte komme mest markert til utslag i utmattingsberegningene, selv om de også vil bidra til maksimallastene. Ringing er beskrevet å være "transient", og har mer form av impulslaster – plutselig(e) slag på konstruksjonen som dempes ut over noen sykler. Det er likevel ikke noen impulslast siden den bygges opp over noen få sykler. Lasten virker som en slamminglast, men det er ikke noen sjokkbølger forårsaket av luft som i sjokkbølger. Virkningene vil komme mest på ekstremverdiene, selv om de også bidrar til utmatting. Ringing vil også bidra til bruksgrensetilstandene da det kan gi vibrasjoner som er uønskede. Ringing beregnes vanligvis etter metoder utviklet av Faltinsen, Newman og Vinje og av Malenica og Molin, men det er likevel vanlig å gjøre modellforsøk når ringing er viktig.

Et viktig dimensjoneringskriterie for strekkstagene er også at en ikke ønsker at stagene skal komme i slakk, for eksempel i en hundreårsstorm kombinert med lavvann og høy variabel last på dekket eller som følge av vannfylling av skroget. Valget av en sikkerhetsfaktorer mot tap av strekk avhenger av hvor alvorlig konsekvensene kan være. Det er hevdet at dersom stagene går i slakk, kan resultatet være betydelige plattformbevegelser, knekking, eller "snappe"-laster i stagene. En strekkstagplattform med fire bein vil ikke være utsatt for større bevegelser før to tilstøtende ben mister strekket samtidig. Selv da, viser analyser at en kort periode med slakk (ved passering av en stor bølgedal) ikke fører til betydelige plattformbevegelser. Likeledes betyr kortvarig slakk ikke store bøyespenning i stagene. Under slakk, er dynamikken drevet av at når spenningen og hastigheten den nedre delen av strekkstaget er null, har den øvre delen av strekkstaget og strekkstagplattformen en bevegelse nedover.

Den høye forspenningen er en hindring for økning av nyttelasten på strekkstagplattformer. Når strekket blir redusert, blir bølge-induserte aksiallaster viktige. Denne får stagene til å gjennomgå svingninger beskrevet av Mathieu-ligningen. Selv om det er en ustabil tilstand, begrenser dempningen sideveis bevegelser. Men det er nødvendig å kontrollere at Mathieu ustabilitet ikke opptrer.

Det er vanlig å kreve at tap av ett strekkstag ikke skal få alvorlige konsekvenser.

Under installeringen av stagene blir skroget senket slik at den kommer ned på en lav dypgang, som er lavere enn det den normalt opererer i. Stagene festes i fundamentet og i skroget. En tømmer så vann ut av skroget (ballasterer) til en får ønsket dypgang. Stagene blir da strukket ut, og en har et permanent strekk i stagene – strekkstag. Ved fjerning må en senke skroget ned, løsne strekkstagene og flytte skroget.

Skroget
Dekket holdes normalt oppe over havet med søyler med stor avstand mellom og med store tverrsnitt, og som er knyttet sammen av neddykkede pongtonger. Søylene er da forbundet sammen i dekket og i bunnen av søylene. Hovedårsaken til at de bygges slik er å redusere vertikallastene på stagene. Bølgebidraget til vertikallastene er avhengig av arealet av søylene ved vannlinjen. Ved å gjøre arealet så lite som mulig blir også lastene mindre. Ved små vertikalbevegelser er det enklere å gjøre en rekke operasjoner som boring og løfteoperasjoner. Det er også laget mindre plattformer med bare en søyle, som på Chevrons Typhoonplatform i Mexicogulfen.

Volumet på søylene og pongtongene bestemmes ut fra behovet for oppdrift. Fordelingen av volumet mellom søyler og pongtonger bestemmes ut fra behovet for plass til utstyr, lager og gangveier i søylene.

Søylene er vertikale skallkonstruksjoner. Ytterhuden av stålplater er avstivet på innsiden. Søylene er videre delt opp i skott eller tanker. Formålet er å redusere skadevirkningene dersom det skulle gå hull og vann strømme inn, for eksempel etter en kollisjon. De bærende konstruksjonene dimensjoneres ut fra kontroller i grensetilstander. 

Inne i søylene er det ballasttanker, ballastpumper, store mengder mekanisk utstyr og mange rør til ulike formål. Mellom tankene er det rør, som blir brukt til å pumpe væsker som vann, mellom de ulike tankene, og til fylling eller tømming av tankene. Rørene er koblet til ballastpumper. For å hindre fri strømning av væsker er det ventiler på rørene. Både ventiler og pumper testes regelmessig.

De viktigste lastene på søylene er strekket i strekkstagene, fra vektene fra skroget og dekket, samt hydrostatisk vanntrykk og laster fra bølger. Laster fra strøm og vind bidrar også en god del, men bidrar mest på strekkstagene og for dimensjoneringen av dekkskonstruksjoner og -utstyr. Langsomt variende bølgelaster bidrar til å gjøre horisontalbegelsene av skroget og lastene i strekklastene i stagene større.

Strekkstagene gjør at skroget vil bevege seg som en slags pendel om fundamentet, med små vertikalbevegelser. Observasjoner tilsier at de beveger seg horisontalt i noe som likner åtte-tall. Den vil være dypest i sjøen når den er lengst unna midtpunktet. Når den er der vil den også ha størst oppdrift, strekklastene blir store og lastene på innfestingen i skroget vil være store. Horisontalkomponenten av strekklasten i stagene vil bidra til å trekke skroget inn mot midtpunktet igjen.

Det er vanlig å gjøre modellforsøk.

Pongtongene er hule skallkonstruksjoner som forbinder søylene under havflaten. De er avstivet på innsiden, og er som søylene delt opp i skott for å redusere skadevirkningene ved vannlekkasjer. Mellom skottene er det vanntett luker (mannhull), som normalt holdes avstengt.

Dekket
Skroget er delt opp i lukkede områder med ulike formål. Oppdelingen er delvis laget for at en skal ha god skadestabilitet. Dersom plattformen får slagside, skal det ikke sette sikkerheten for hele plattformen i fare. På dekket vil det være vanntette dører og luker inn til skroget. Dess mer utstyr det er plassert inne i skroget og søylene dess mer behov er det for gjennomføring av kanaler og liknende opp til dekksnivå. Disse må sikres slik at en i en ulykkessituasjon ikke får innstrømning av vann inn i skroget.  

For å unngå ulykker er det god vektoppfølging, både på hvor store vektene, plasseringen på plattformen og at dekkslaster er skikkelig festet. 

En har normalt dekk i flere høyder. Dekket har typisk boligkvarter, lagerområder, bore- eller produksjonsutstyr. De blir benyttet til å plassere store mengder mekanisk utstyr eller prosessutstyr. Det kan være elektriske rom, rom for separatorer og kompressorer, lagerrom, ventilasjons- og kommunikasjonsrom. De har ofte stor vekt og en plassering i midten av plattformen gjør stabilitetsegenskapene og lastfordelingen til stagene bedre for plattformen.

En vil videre ha dekkskraner for å løfte utstyr og forbruksvarer til og fra forsyningsbåter. Egne dekksområder er satt av for å ta i mot varer. 

Dekket blir delt opp i områder som skilles med brann- og eksplosjonsskiller. Kravene til disse framgår av forskrifter og standarder. Utformingene er knyttet til risikoen for brann og eksplosjoner, og bestemmes i hovedsak ut fra risikoanalyser.

Dekket forsøkes normalt plassert så høyt opp at hundreårsbølger ikke slår opp i dekket. Når det ikke er mulig, lages det lokale forsterkninger av dekket rundt søylene. En ulempe er at de ikke beveger seg som en dupp i sjøen, men står nesten stille vertikalt. Det medfører at bølgene kan klatrer langt opp på søylen, treffe dekket og gjøre alvorlig skade.

Fundamentet 
På grunn av strekkstagene må fundamentene ta opp betydelige vertikale laster. Det er både det faste strekket i strekkstagene og strekket som kommer av bevegelsene av strekkstagplattformen.

Det er brukt både løsninger med sugeanker og pæler. En har ofte ett fundament for hver hjørne, som alle strekkstagene i ett hjørne går ned til.

Med sugeanker lager en gjerne disse slik at det faste strekket tas av egenvekten av fundamentene, og den variable lasten av skjørtene i ankeret. Sugeankrene kan være både av stål og betong.

På Snorre A er hver gruppe på fire stag forankret til et betongfundament på havbunnen. Hvert betongfundament består av flere sylinderformede celler, med skjørt som trenger 12 meter ned i havbunnen. På toppen er skjørtene avstengt av en kuppel. En forspente betongkonstruksjon gir støtte for strekkstagene som er støpt og armert inn i betongen, for overføring av strekklastene. De ytre skjørteveggene er utvidet over kuplene og danner støttemurer for fast ballast i rommene på toppen av kuplene.

Regelverk og kontrollordninger 
Plattformene dimensjoneres ofte etter regelverkene til et klasseselskap, som Det Norske Veritas (DNV-OS-C105), American Bureau of shipping og Lloyd's Register. American Petroleum Institute har også laget regelverk for strekkstagplattformer (API RP 2T). Flaggstaten og klasseselskapet gir sertifikater til reder for samsvar med regelverket. Sertifikatene gir begrensninger for hvor og hvordan plattformen kan brukes. 

Dimensjoneringen kan også utføres etter mer generelle regelverk basert på kontroller i de ulike grensetilstandene, som med bruk av NORSOK-standardene. 

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

Ulykker 
Det er kjent noen få alvorlige ulykker med strekkstagplattformer: 
 Chevrons strekkstagplattform Typhoon gikk rundt i orkanen Rita i Mexicogulfen i 2005. Årsaken var svikt i innfestingen til et av strekkstagene. 
 Under orkanen Katrina i 2005 fikk Shells strekkstagplattform Mars alvorlige skader på dekket, blant annet som følge av at boretårnet veltet. Det ble også gjort betydelig skade på produksjonsutstyret. Årsaken var strekkbrudd av boltene i boretårnet.

Referanser