Jacket

Jacketer er fagverksplattformer bygget i stål. Det er den mest brukt plattformtypen i 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.
Jacketer er øverst tilpasset dekksformen. 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.
Fagverket er bæresystemet som består av et romlig rammeverk med staver som tar strekk eller trykk. Fagverket er av stål og består av følgende deler som er sveist sammen:
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.
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.
Det brukes vanligvis sveiste knutepunkt, men det brukes også støpte knutepunkter dersom en har en komplisert geometri. Det kan også brukes smidde knutepunkt.
De klassifiseres ofte som enten T-, Y-, X- eller K-knutepunkt. De har sine fordeler og ulemper:
Som grunnlag for prosjekteringen av pælene må det gjøres geotekniske undersøkelser. En vil bruke et egnet fartøy, og så bore hull og ta opp prøver. Boredybden vil være noe mer enn forventet lengde på pælene. Det gjøres forenklede tester av jordprøvene om bord, mens resten av testene sendes til et laboratorium på land for mer detaljerte undersøkelser. Det tas også penetrasjonstester (engelsk cone penetration tests - CPT) til havs. Formålet med denne testen er å sjekke jordas motstandsevne mot pæling.
For bruk under installeringen er det ofte store platefundamenter (engelsk mudmats) under plattformene, som kan bære plattformens vekt før en får gjort pælingen. Selv om de bare har en funksjon under installeringen, blir de ikke fjernet etterpå.
Både jorda og platene må kontrolleres i bruddgrensetilstand at de tåler de laster som kan opptre. Det er i hovedsak vektene fra jacketen, men også bølgelaster og strømlaster. I jorda kan en få brudd med den følge at en får uønskede setninger (nedsynkning) eller skjevsetninger. En må kontrollere at platene ikke knekker eller ryker på overlast.
Pælene er sylindriske stålrør som 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 færre og lengre. Det skyldes i hovedsak økt pæledrivingskapasitet i hammerne. Pælene er typisk omkring 2-2,5m i diameter.
Pæler som føres innvendig i leggene kalles leggpæler. Tilleggspæler kan settes gjennom føringer på bunnplatene. Disse kalles skjørtepæler.
Når pælen settes på vertikalt i pæleguiden mot havbunnen vil pælen bli presset et stykke ned i havbunnen av egenvekten. Ved bløte grunnforhold kan den synke ned flere meter. Dersom det er bølger kan pælen begynne å svaie. Det settes derfor begrensninger på bølgehøyden når pælehammeren kan settes på, og pælingen starte.
Erfaringer viser at det ikke er helt uvanlig at pælene ikke når ønsket dybde:
Når pælingen er gjennomført, blir det injisert betongmørtel (engelsk grout) mellom pælene og pæleguidene. Etter at mørtelen er størknet, kan pælene overføre både horisontale og vertikale laster ned i havbunnen. Det har for bruk på vindmøller vist seg at mørtelen ikke har klart å motstå alle lastene. Etter omfattende testing har en laget nye dimensjoneringsregler for mørtelanalyser. Et viktig bidrag til å bedre styrken er å bruke såkalte shearkeys, som gjør at mørtelen får bedre heft. Etteranalyser av mange plattformer som har stått i mange år, viser at mange ikke tilfredsstiller de nye regnereglene. Pælene og mørtelen er i utgangspunktet utilgjengelig for inspeksjon, så en kjenner dårlig til tilstanden. Det har ført til arbeid med metodeutvikling for å kunne overvåke pælene på annen måte.
Pælene fungerer som en komposittkonstruksjon, i et samvirke mellom stål og betong.
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.
Som alternativ til pæler kan en bruke bøttefundamenter, og er brukt en rekke ganger i Norge.
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.
Det brukes oftest fritt-fall-livbåter.
Nyere plattformer planlegges ofte med fri høyde fra sjø til undersiden av nederste dekk på ca. 25 meter. Flere at de eldre har langt mindre klaring. Innsynking av havbunnen har også medført mindre klaring enn tiltenkt. Det gjelder spesielt på Valhallfeltet og Ekofiskfeltet. I slike tilfeller vil store bølger kunne slå inn på dekket og være til fare for skade for folk og for utstyr. Ved varsel om orkan, velger en da ofte å avmanne plattformene.
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.
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 (”launch”- metoden). 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 installeringen 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.
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.
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.
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.
I tillegg dimensjoneres jacketene også for laster fra båtkollisjoner, fallende gjenstander og brann på sjø.
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. 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. 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". 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.
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:
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. Økende eksentrisiteter i knutepunktene øker slankheten, og reduserer knekklasten. 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.
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. 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:
Inge Lotsberg anbefalte å bruke deterministisk analyser ut fra:
I kollisjoner tas kollisjonsenergien dels opp av fartøyet og dels av jacketen. For å få en riktig analyse må en kjenne styrken og stivheten til fartøyet. I praksis regner en på typiske fartøyer, som skal representere en viss type fartøy med en gitt størrelse. Egenskapene til fartøyet en bør bruke er beskrevet i standarder fra blant annet DNV GL.
Energien i en jacket tas først opp av lokal inntrykking av staget eller knutepunktet. Så av bøying og forlengelse av konstruksjonsdelen, og til slutt av globale deformasjoner. Hvor stor skaden blir kan en bestemme ved bruk av ikke-lineære konstruksjonsprogrammer. I Norge er programmet USFOS mest brukt.
Etter at skaden er beregnet, vil en sette på en bølgelast for å sjekke tilstanden i skadet tilstanden. Størrelsen på bølgene variere mellom standardene.
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. 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. 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. Det er ikke anerkjente og standardiserte metoder for å bestemme hvilke løsninger som har størst redundans eller robusthet. Noen tester er
I Norge har en hatt to totalhavarier:
Ellers er det andre steder i verden rapportert om en rekke totalhavarier, og også om store skader i storm, kollisjoner og som bølge av branner eller utblåsninger. Se for øvrig artikkelen om katastrofer i petroleumsvirksomheten.
Selve jacketene har sviktet i en rekke tilfeller spesielt i orkaner (engelsk: hurricans) i Mexicogulfen. Noen hendelser fra år 2000 og framover:
I driftsfasene er det oppfølging av jacketene på flere måter. En skiller ofte mellom over og under havflaten, der det er vesentlige forskjeller i muligheten til å følge med på endringer.
En inspiserer ofte i intervaller på fire år. Noen inspiseres ett hjørne i året, slik at hele jacketen blir dekket på fire år. Inspeksjonshyppigheten baseres ofte på vurderinger av spekkveksthastigheter – tid fra indikasjon til gjennomgående sprekker, samt tilstrekkelig tid til å gjøre tiltak. Under vann brukes som regel undervannsfartøyer (engelsk: remotely operated vehicles - ROV), men dykking er også mulig. Metodene omfatter blant annet:
Det er områder som er vanskelig å følge utviklingen på, som innvendige stivere og i fundamentet. Særlig har betongmørtelen (engelsk grout) mellom pæleguider og pælene fått stor oppmerksomhet siden mange plattformer ikke tilfredsstiller de nyeste designreglene i standarden NORSOK N-004.
Det fins et stort antall metoder, og et enda større utvalg i utstyr som kan knyttes mot hver metode. Utstyr som er nesten likt markedsføres gjerne under forskjellige navn.
Reparasjon av skader under vann er kostbart. Sveising krever at en lager en vanntett sone rundt skaden, med bruk av habitat. Ellers settes det noen ganger inn støtter, som boltes fast eller at stagene fylles med betong.
En kan også følge med på utviklingen ved hjelp av instrumenter som blant annet:
På 1980-tallet sto Oljedirektoratet for et omfattende måleprogram der målt konstruksjonsoppførsel ble sammenliknet med designanalysene. Målingene ble utført av operatørene og omfattet Ekofisk 2/4-H, Valhall QP og Frigg DP2. Analysene ble gjort av Sintef på vegne av Oljedirektoratet. Målingene er gjort på relativt grunt vann på jacketer med lite dynamikk og elastisk oppførsel. Det er siden også gjort målinger på mer dynamiske plattformer som Kvitebjørn. Oppførselen ligger i stor grad nær opp til metodikken beskrevet i standarden NORSOK N-003.
Jacketene i Norge har i hovedsak fungert etter hensikten, og omfanget av alvorlige skader og sprekker er relativt lite.
Noen erfaringer er: