SUPPORTING COLUMN FOR AN OFFSHORE PLATFORM, AND METHOD FOR ITS CONSTRUCTION

Abstract: 1. Supporting column (4) for an above-water platform (1), in particular for an oil or natural gas drilling rig, comprising a tubular casing (8) welded together in watertight fashion from sheet steel parts and, disposed inside the casing, an annular reinforcement (9), characterized in that the reinforcement consists of a concrete column (9) extending over the length of the supporting column and absorbing the thrust forces in an axial direction, the concrete column (9) not being formlockingly connected to the casing in an axial direction.

Description: Tragsäule für eine Überwasserplattform und Verfahren zu ihrer Herstellung Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Tragsäule für eine Uber- wasserplattform, insbesondere für die Erdöl- oder Erdgasgewinnung in tiefem Wasser, bestehend aus einem rohrförmigen, aus Stahlblechteilen wasserdicht zusammengeschweissten Mantel und einer im Inneren des Mantels angeordneten ringförmigen Aussteifung. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Errichtung einer derartigen Tragsäule von einer schwimmenden Plattform aus. Eine Tragsäule dieser Art ist z. B. aus DE-GM 76 29 303 bekannt. Sie dient dazu, eine berwasssr- plattform unmittelbar biegesteif mit einem auf dem Meeresboden verankerten Fundament zu verbinden und das Gewicht der Plattform auf dem Fundament abzustUtzen. Derartige Tragsäulen sind extrem hohen Beanspruchungen durch Windkräfte, Meeresströmung und insbesondere Wellenkräfte ausgesetzt. Ausserdem muss die Tragsäule den in der Tiefe wachsenden Ruhewasserdruck aufnehmen. Zur Erzielung der notwendigen Verformungssteifig keit fUhrt man die Tragsäule in der Regel mit kreiszylindrischem Querschnitt und einer im Inneren angeordneten ringförmigen Versteifung aus. DarUberhinaus muss die Tragsäule aber auch (e nach Wellengang und Wassertiefe - wobei an Wassertiefen bis mehr als 250 m gedacht werden kann - extrem hohe axiale Biegemomente aushalten konnen. Obwohl man diese Biegemomente teilweise dadurch herabsetzen kann, dass man die Tragsäule mit dem Fundament gelenkig verbindet, bleiben trotzdem, insbesondere bei höherer Wassertiefe, beachtlich hohe Biegemomente übrig, die bei der konstruktiven Gestaltung und Bemessung der Tragsäule berücksichtigt werden müssen. Bekannt sind z. B. aus DE-PS 25 49 859 und DE-PS 25 50 621 Tragsäulen aus Stahlbeton. Diese müssen in axialer Richtung vorgespannt werden, um die auftretenden grossen Biegemomente aufnehmen zu können. Trotz dieser Vorspannung müssen solche Säulen sehr dickwandig ausgeführt sein. Die Entstehung von Haarrissen in Beton als Folge der wechselnden Beanspruchung und die Bildung von Arbeitsfugen bei der Herstellung langer Tragsäulen sind nicht mit Sicherheit auszuschliessen. Die Wasserdichtigkeit von Tragsäulen aus Stahlbeton kann daher auf lange Sicht nicht gewährleistet werden. Tragsäulen aus Stahlblech der eingangs genannten Art mit einem wasserdicht geschweissten Stahlblechmantel haben diese Nachteile nicht. Um aber im Rahmen verarbeitbarer Blechdicken zu bleiben, muss der Mantel durch ausreichend bemessene Stahl steifen ausgesteift werden, die ihm die notwendige Beul- und Knickstabilität gegen den Aussenwasserdruck und axiale Druckspannungen verleihen. Die Herstellung und das Anschweissen der Stahl steifen erfordert einen hohen Arbeits- und Kostenaufwand. Ausserdem verursachen die Aussteifungen unerwünschte Spannungskonzentrationen im Stahlblechzylinder als Folge der wechselnden Wandsteifigkeit. Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen und kosten gUnstigen liitteln eine ausreichend verformungssteife Tragsäule der eingangs genannten Art zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einer Tragsäule der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Aussteifung aus einer sich über die Länge der Tragsäule erstreckenden, die Druckkräfte in Axialrichtung aufnehmenden Betonsäule besteht, die mit dem Mantel nicht in Axialrichtung form scblUssig verbunden ist. Bei der erfindungsgemässen Konstruktion hat der Stahlblechmantel im wesentlichen nur Zugspannungen in Axialrichtung und Umfangsrichtung aufzunehmen, während die ringförmige, gleichförmig über die Höhe der Tragsäule sich erstreckende Aussteifu xg aus Beton sowohl die radiale Aussteifung des Ringquerschnitts als auch die Ubertragung und Aufnahme der axial gerichteten Druckkräfte, wie sie insbesondere auch im Fall von axialen Biegemomenten auf der Biegungsinnensei- te auftreten, übernimmt. Um grössere axiale Zugspannungen im Beton bei einer Biegung der Tragsäule zu verhindern, wird auf eine Verbundsicherung zwischen Stahl und Beton durch Anker, Dubel od. dgl. bewusst verzichtet. Vorzugsweise ist sogar zwischen der Betonsäule und der Innenfläche des Mantels eine reibungsmindernde und/oder elastisch nachgiebige Schicht angeordnet, z. B. eine Schmierschicht aus einem fliessfähigen, vorzugsweise viskosen Material, wie z. B. Bitumen. Auch ist es vorteilhaft, wenn durch Abschleifen der Schweissnähte für eine möglichst glatte von Unregelmässigkeiten freie Innenfläche des Mantels gesorgt wird. Die Betonsäule ist vorteilhafterweise aus einzelnen, übereinander angeordneten Ringelementen zusammengesetzt, wobei es vorteilhaft ist, wenn diese Ringelemente stumpf und ohne zugaufnehmende Verbindung übereinandergesetzt sind. Zwischen den Ringelementen können vorzugsweise elastische Zwischenschichten angeordnet sein. Die Ringelemente können als vorgefertigte Teile oder als Ortbeton mit Hilfe einer Innenschalung eingebracht werden. Jedes Ringelement kann in Umfangsrichtung aus einzelnen Seg2en- ten zusammengesetzt sein. Bei einer Krümmung der-Tragsaulenachse werden be der erfindungsgemässen Konstruktion die Biegezugspannungen praktisch allein vom Stahlblechmantel aufgenommen. Die Fugen zwischen den einzelnen Betonringen öffnen sich auf der Zugseite. Die auf der Druckseite auftretenden Spannungen werden vom Beton in Axialrichtung übertragen, wo bei örtliche Spannungskonzentrationen an den Stossfugen zwischen den Betonringen durch die elastischen Zwischen- schichten verringert werden. Als Folge dieser Massnahmen nehmen die Betonringe in der Hauptsache nur einen Teil des äusseren Wasserdrucks auf. Sie wirken ferner als homogene Aussteifung des Stahlblechmantels und verhindern in dieser Eigenschaft sein Einbeulen. Infolgedessen kann der Stahlblechmantel relativ dünnwandig hergestellt werden. Wegen des Wegfalls von Stahlaussteifungen sind die Kosten fUr die Herstellung der er findungsgemässen Tragsäule geringer als die einer in reiner Stahlbauweise hergestellten Tragsäule. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die aus Betonringen bestehende Betonsäule abschnittsweise unterschiedliche Wandstärken aufweisen, wodurch sich Gewicht und Schwerpunktlage der Tragsäule auf einfache Weise beeinflussen lassen. Die Wellenkräfte auf die Tragsäule verringern sich mit abnehmendem Säulendurchmesser und mit zunehmendem Abstand von der Wasseroberfläche. Ein möglichst kleiner Säulendurchmesser im oberen Wasserbereich ist daher zweckmässig. In grösserer Wassertiefe ist meistens zur Aufnahme des Biegemoments ein grösserer Säulendurchmesser erforderlich. Nach einem Merkmal der Erfindung sind in einem oder mehreren Höhenabschnitten der Tragsäule der Stahlblechmantel und die innere Betonsäule konisch gestaltet. Damit werden Tragsäulenabschnitte unterschiedlicher Durchmesser über- brückt. Die Stabilität der gelenkig gelagerten Tragsäule erfordert einen möglichst tiefliegenden Gewichtsschwerpunkt. Dies kann erfindungsgemäss besonders kostengünstig dadurch erreicht werden, wenn die unten geschlossene Tragsäule ballastiert ist, z. B. mit einer Flüssigkeit, die mindestens das spezifische Gewicht des Wassers aufweist. Hinsichtlich einer Flüssigkeit mit höherem spezifischen Gewicht als Wasser ist beispielsweise an eine Tonsuspension zu denken. Die Herstellung der erfindungsgemässen Tragsäule für eine Uberwasserplattform kann entweder in ausreichnd tiefem Wasser senkrecht oder an Land bzw. in einem Schwimmdock in horizontaler Lage erfolgen. Die senkrechte Errichtung der Tragsäule erscheint besonders vorteilhaft. Sie geschieht von einer schwimmenden Plattform aus und durch diese hindurch durch Zusammensetzen einzelner Schüsse zu einer Tragsäule im Absenk verfahren. Erfindungsgemäss wird die Tragsäule durch Erhdhung des Fltlssigkeitsballasts im unten geschlos ionen Tragsäulenabichnitt im Takt mit der fortschrei- tenden Verlängerung der Tragsäule abgesenkt. Der Anbau der einzelnen SchUsse vollzieht sich also stets im gleichen Abstand von der Plattformoberfläche. Dabei wird zunächst ein Stahlblechmantelabschluss mit dem bereits fertiggestellten Säulenteil wasserdicht verschweisst. Dann werden Betonringe bzw. Betonringsegmente als Fertigteile in den Stahlblechmantel eingelassen bzw. als Ortbeton eingebracht. Die Tragsäule lässt sich auch, wie an sich bei derartigen Säulen bekannt, durch Zusammenbau an Land oder in einem Dock liegend aus einzelnen Schüssen errichten. Vorteilhaft ist es, wenn die Zusammenbaufolge von einem mittleren Stahlblechmantelschuss aus nach beiden Seiten gleichzeitig erfolgt. Dies verringert den Zeitaufwand. Die einzelnen Stahlblechmantelschüsse werden mit Betonringen ausgesteift. Ist die Tragsäule fertiggestellt, so wird sie aufs Meer gefahren und in an sich bekannter Weise durch Ballastierung aufgerichtet und an dem am Meeresgrund verankerten Fundament über ein Gelenk befestigt. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisiert dargestellt, das nachstehend erläutert wird. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Erdölübergabeturm, Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt A gemäss Fig. 1, Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt gemäss Fig. 2 mit einer Schmierschicht zwischen Mantel- und Betonsäule, Fig. 4 einen vergrösserten Ausschnitt gemäss Fig. 3 mit Betonringen unterschiedlicher Wandstärke, Fig. 5 einen vergrösserten Ausschnitt gemäss Fig. 3 mit elastischen Zwischenlagen zwischen den Betonringen, Fig. 6 einen vergrösserten Ausschnitt gemäss Fig. 2 mit konisch gestaltetem Tragsäulenabschnitt, Fig. 7 einen Längsschnitt des unteren Tragsäulenabschnitts mit Ballastierung und Fig. 8 Einzelheiten des Herstellungsverfahrens der Tragsäule von einer schwimmenden Plattform aus. Die in Fig. 1 dargestellte Erdölübergabestation weist eine Uberwasserplattform 1 auf, die z. B. als Hubschrauberplatz 2 ausgebildet ist und einen Ausleger 3 für die Ölubergabe an einen (nicht dargestellten) Tanker besitzt. Die Uberwasserplattform 1 ist über die Tragsäule 4 mit einem Fundament 6, das sich auf dem Meeresboden befindet. verbunden. Die Verbindung von Tragsäule 4 und Lein Gelenk, z. B., Fundament 6 geschieht über bekanntes Kugelgelenk 7. Innerhalb der Tragsäule 4 führt eine Erdölsteiglei tung 5 über eine (nicht dargestellte) Pumpstation zum Ausleger 3. Ferner befindet sich innerhalb der Tragsäule 4 eine (nicht dargestellte) Steigleiter oder ein Aufzug für Inspektions- und Wartungsarbeiten. Die Tragsäule 4 besteht, wie aus den Fig. 2 bis 7 ersichtlich ist, aus einem aus wasserdicht geschweissten Schüssen zusammengesetzten Stahlblechmantel 8, der einen kreiszylindrischen Querschnitt und beispielsweise für eine 150 m hohe Tragsäule eine Blechdicke von 3 bis 4 cm hat. Innerhalb des Stahlblechnantels 8 befindet sich eine aus Betonringen 9 gebildete Betonsäule. Die Dicke der einzelnen Betonringe kann bei der oben angegebenen Höhe der Tragsäule zwischen 40 und 60 cm liegen. Entsprechend den Fig. 3 bis 5 ist zwischen der Innenwandung des Stahlblechmantels 8 und der Aussenwand der Betonsäule 9 eine Schmierschicht 10 vorhanden, die zweck mässigerweise z. B. in Form von Bitumen auf die Innenwandung des Stahlblechmaniels aufgetragen ist. Diese Schicht lässt eine freie Längsdehnung von Mantel 8 und Betonsäule 9, die aus unterschiedlichem Material bestehen, zu. Die Betonringe der Betonsäule 9 können zusätzlich armiert sein. Sie können in Form von Fertigteilen als geschlossene Ringe oder als Ringsegmente verwendet werden. Auch ist es möglich, die Betonringe unter Verwendung -entsprechender Schalungen mit Ortbeton herzustellen. Fig. 4 zeigt einen Tragsäulenabschnitt mit Betonringen 9 unterschiedlicher Wanddicke. Damit lassen sich Gewicht und Schwerpunktlage der Tragsäule auf einfache Weise beeinflussen. Wird die Tragsäulenachse durch Strömungskräfte gekrümmt, so nimmt der Stahlblechmantel 8 praktisch allein die Biegezugspannungen auf. Dabei öffnen sich auf der Zugseite die Fugen zwischen den stumpf aufeinandergesetzten Betonringen 9. Die auf der Druckseite in den Beton übertragenen axialen Spannungen lassen sich durch zwischen die Betonringe gelegte elastische Einlagen 11 verringern. Im oberen Wasserbereich wird man für die Tragsäule 4 einen relativ kleinen Säulendurchmesser wählen, um den Wellenkräften eine möglichst geringe Angriffsfläche zu bieten, während in grösserer Wassertiefe zur Aufnahme des Biegemoment3 ein grösserer Sä.ulendurchmesser notwendig ist. Fig. 6 zeigt den Ubergangsbereich zwischen dem TragsAulen- abschnitt kleineren Säulendurchmessers zum Abschnitt grösse- ren Durchmessers, der durch einen Abschnitt 12 mit konischer Mantelfläche überbrückt ist. Fig. 7 zeigt den Abschnitt der Tragsäule, der den Gewichtsschwerpunkt mit einem festen Ballastkörper 13 und innerhalb des Hohlraums der Tragsäule mit einer Ballastflüssigkeit 14 auf eine möglichst tiefe Lage bringt. Die Errichtung der Tragsäule 4 in senkrechter Herstellungsweise auf dem Meer oder besser in einer tiefen geschützten Bucht geht aus Fig. 8 hervor. Von einer mit Schwimnkörpern 15 ausgerüsteten schwimmenden Plattform 16 Zugseite die Fugen zwischen den stumpf aufeinandergesetzten Betonringen 9. Die auf der Druckseite in den Beton übertragenen axialen Spannungen lassen sich durch zwischen die Betonringe gelegte elastische Einlagen 11 verringern. Im oberen Wasserbereich wird man für die Tragsäule 4 einen relativ kleinen Säulendurchmesser wählen, um den Wellenkräften eine möglichst geringe Angriffsfläche zu bieten, während in grösserer Wassertiefe zur Aufnahme des Biegemoments ein grösserer Säulendurchmesser notwendig ist. Fig. 6 zeigt den Übergangsbereich zwischen dem Tragsaulen- abschnitt kleineren Säulendurchmessers zum Abschnitt grösseren Durchmessers, der durch einen Abschnitt 12 mit konischer Mantelfläche überbrückt ist. Fig. 7 zeigt den Abschnitt der Tragsäule, der den Gewichtsschwerpunkt mit einem festen Ballastkörper 13 und innerhalb des Hohlraums der Tragsäule mit einer Ballastflüssigkeit 14 auf eine möglichst tiefe Lage bringt. Die Errichtung der Tragsäule 4 in senkrechter Herstellungsweise auf dem Meer oder besser in einer tiefen geschützten Bucht geht aus Fig. 8 hervor. Von einer mit Schwimmkörpern 15 ausgerüsteten schwimmenden Plattform 16

Claims: Tragsäule für eine Überwasserplattform und Verfahren zu ihrer Herstellung Patentansprüche 1. Tragsäule für eine Uberwasserplattform, insbesondere für Erdöl- oder Erdgasgewinnung, bestehend aus einem rohrförmigen, aus Stahlblechteilen wasserdicht zusammengeschweissten Mantel und einer im Inneren des Mantels angeordneten ringfdrmigen Aussteifung, dadurch g e e e n n z e i c h n e t , dass die Aussteifung aus einer sich über die Länge der Tragsäule erstreckenden, die Druckkräfte in Axialrichtung aufnehmenden Betonsäule (9) be steht, die mit dem Mantel nicht in Axialrichtung formschlüssig verbunden ist. 2. Tragsäule nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Betonsäule (9) aus einzelnen, übereinander angeordneten Ringelementen zusammengesetzt ist. 3. Tragsäule nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ringelemente der Betonsäule (9) stumpf und ohne zugübertragende Verbindung übereinander gesetzt sind. 4. Tragsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen der Betonsäule (9) und der Innenfläche des Mantels (8) eine reibungsmindernde und/oder elastisch nachgiebige Schicht (10) angeordnet ist. 5. Tragsäule nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schicht (10) als Schmierschicht aus einem fliessfähigen, insbesondere viskosen Material ausgebildet ist. 6. Tragsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Innenfläche des Mantels (8) insbesondere an den Schweissnähten geglättet ist. 7. Tragsäule nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen den Ringelementen der Betonsäule (9) elastische Zwischenschichten (ii) angeordnet sind. 8. Tragsäule nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e 1 c h n e t , dass jedes Ringelement der Betonsäule (9) in Umfangsrichtung aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt ist. 9. Tragsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Betonsäule (9) eine über die Höhe-der Tragsäule (4) ungleiche Wanddicke hatte 10. Tragsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Mantel (8) und die Betonsäule (9) in einem oder mehreren Höhenabschnitten der Tragsäule (4) einen konischen Verlauf haben. 11. Tragsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Tragsäule im unteren Bereich eine Ballastfüllung (13, 14) aufweist. 12. Tragsäule nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ballastfüllung mindestens teilweise aus einer Flüssigkeit mit höherem spezifischem Gewicht als Wasser besteht. 13. Verfahren zur Erstellung einer Tragsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g e k e n n z e i s h n e t , dass von einer schwimmenden Plattform aus der Mar- tel durch Aufeinandersetzen und Zusammenschweissen von e zelnen vorgefertigten Abschnitten zusammengesetzt und nach jedem Aufsetzen eines Abschnitts durch teilweises Fn Fluten derart schrittweise abgesenkt wird, dass der Abstand der Arbeitshöhe über dem Wasserspiegel im wesentlichen gleich bleibt, und dass nach Jedem Aufsetzen eines Abschnitts des, Mantels und vor dem Absenken das oder die den Abschnitt aussteifenden Ringelemente der Betonsäule eingebracht werden. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass jedes Ringelement der Betonsäule in Ortbeton mittels einer Schalung in den Mantel eingegossen wird.

Inventors: LAUSBERG, HELMUT, DR.-ING., LINK, HEINZ, SANDER, GUNTER, DIPL.-ING., Sander, Günter, Dipl.-Ing.
Applicants: M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NURNBERG AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1983
Main classification: E02B17
IPC codes: E21B43, E02B17, B63B35