Offshore vložené kotvy - Offshore embedded anchors

Typy řešení kotvení pro offshore struktury
Různé vložené kotvy, které se v současnosti v průmyslu používají k zakotvení pobřežních zařízení na těžbu ropy a zemního plynu nebo obnovitelné energie[1]

Offshore vložené kotvy jsou kotvy které odvozují jejich zadržovací schopnost od třecího nebo nosného odporu okolní půdy, na rozdíl od gravitačních kotev, které odvozují jejich zadržovací schopnost do značné míry od jejich hmotnosti. Jak se vývoj na moři pohybuje do hlubších vod, gravitační struktury se stanou méně ekonomickými kvůli potřebným velkým rozměrům a následným nákladům na dopravu.

Každý z několika typů vložených kotev představuje své vlastní výhody pro ukotvení offshore struktur. Volba řešení kotvení závisí na mnoha faktorech, jako je typ pobřežního zařízení, které vyžaduje kotvení, jeho umístění, ekonomická životaschopnost, životnost jeho použití, půdní podmínky a dostupné zdroje.

Příklady zařízení, která mohou potřebovat uvázání, jsou plovoucí výrobní skladování a vykládka (FPSO) jednotky, mobilní vrtné jednotky na moři offshore platformy pro těžbu ropy, vlnová síla a další obnovitelná energie převaděče a plovoucí zkapalněný zemní plyn zařízení.

Přetažení kotev

Kotvy s vlečným kotvením (DEA) odvozují svoji zadržovací kapacitu od zakopání nebo zalití hluboko do mořského dna, přičemž jejich kotevní kapacita přímo souvisí s hloubkou kotvení. DEA se instalují tažením pomocí kotevního řetězu nebo drátu, což je relativně jednoduchý způsob instalace, díky kterému je DEA nákladově efektivní možností kotvení offshore konstrukcí. DEA se běžně používají pro dočasné kotvení na moři ropa a plyn struktury, např. mobilní vrtné jednotky na moři. Jejich použití pouze v dočasných kotvících situacích lze přičíst z velké části nejistotě zahrnující trajektorii zakotvení kotvy a umístění v půdě, což vede k nejistotě, pokud jde o kapacitu kotvy.[2]

Za ideálních podmínek jsou DEA jedním z nejúčinnějších typů kotev s nosností od 33 do více než 50násobku jejich hmotnosti;[3] a taková účinnost dává DEA inherentní výhodu oproti jiným kotvícím řešením, jako je kesony a hromady, protože hmota DEA je soustředěna hluboko v mořském dně, kde je největší odolnost půdy, a tedy i schopnost zadržovat.[2] Účinnost kotvy je definována jako poměr mezi maximální únosností a suchou hmotností kotvy, přičemž DEA mají často výrazně vyšší poměry účinnosti ve srovnání s jinými řešeními pro kotvení.

Řešení kotvení (vlevo) a napnuté (vpravo).[1]

Konfigurace trolejového vedení se skládá z „uvolněných“ kotevních šňůr, které tvoří a tvar trolejového vedení pod svou vlastní tíhou. Vzhledem k tomu, že řetězové kotevní linie leží naplocho podél mořského dna, vyvíjejí na své kotvy pouze vodorovné síly. Napnuté kotevní šňůry přicházející pod úhlem k mořskému dnu vyvíjejí na své kotvy horizontální i vertikální síly.[1] Vzhledem k tomu, že DEA jsou navrženy tak, aby odolávaly pouze horizontálním silám, lze tyto kotvy použít pouze v konfiguraci s kotvením v troskách. Působení významného svislého zatížení na DEA bude mít za následek jeho selhání, protože na padeye bude vyvíjen tlak a výsledkem bude získání kotvy. To však usnadňuje načítání kotev, což přispívá k nákladové efektivnosti tohoto řešení kotvení.

Design

Přetáhněte komponenty ukotvení kotvy (náhodně, stopka a padeye)[2]

Tři hlavní složky DEA jsou náhoda, stopka a padeye. U DEA je úhel mezi fluke a stopkou fixován přibližně na 30 stupňů pro tvrdé jíly a písek a 50 stupňů pro měkké jíly.[1]

Fluke

Náhodou kotvy desky je nosná deska, která poskytuje velkou většinu únosnosti kotev ve své konečné hloubce kotvení. Kromě toho, že přispívá ke kapacitě kotvy, může náhoda přispívat ke stabilitě kotvy během kotvení. Přijetí širšího motolice může pomoci při zajišťování stability válcování, což umožňuje hlubší zakotvení a lepší kapacitu držení.[4] Existují průmyslové směrnice týkající se vhodné šířky, délky a tloušťky hmoždinek kotvy, kde šířka odkazuje na rozměr kolmý ke směru vložení. Komerční kotvy mají obvykle poměr šířky a délky fluke 2: 1 a poměr délky a tloušťky fluke mezi 5 a 30.[4]

Stopka

Během kotvení by se návrh kotvy měl zaměřit na minimalizaci odporu půdy kolmo na trajektorii kotvení kotvy, což umožňuje hlubší kotvení.

Vzhledem k tomu, že DEA odvozují svou sílu od hloubky zakotvení, měla by být stopka navržena tak, aby byl minimalizován odpor půdy kolmý k trajektorii kotevní kotvy.

Třecí odpor půdy proti paralelní složce dříku je však méně významný. Plocha dříku v souladu se směrem trajektorie uložení je tedy často relativně velká, aby poskytovala stabilitu kotvy proti odvalování během ukládání.

Padeye

Padeye je spojení mezi kotvou a kotevní šňůrou. Excentricita padeye, často měřená jako poměr offsetu padeye, je vztah mezi vodorovnou a svislou vzdáleností polohy padeye ve vztahu ke spojení kotvy s fluke-stopkou. Vyhodnocení optimální excentricity padeye pro DEA a vertikálně zatížené kotvy (VLA) je omezeno na vhodnou volbu délky dříku vzhledem k pevnému úhlu fluke-dříku během kotvení. Studie provedená za účelem prozkoumání vhodných délek stopky zvažovala rozsah poměrů délky stopky k fluke-délce mezi 1 a 2.[5] Bylo zjištěno, že kratší délky dříku (blíže k poměrům 1) vytvářejí hlubší kotevní zanoření.[5]

Kotvící linka

Ačkoli kotevní šňůra není kotevní komponentou jedinečnou pro DEA, její konstrukce významně ovlivňuje chování kotvy. Silnější kotevní šňůra zvyšuje odolnost proti zakotvení kotvy. Byly zkoumány vlastnosti řetězových kotevních šňůr ve srovnání s drátem, přičemž kotevní šňůry řetězů způsobily snížení kotevní kapacity až o 70%.[6] Tam, kde je to vhodné a nákladově efektivní, by tedy měly být použity kotevní lana. Zapuštěná část kotevní šňůry přispívá k zadržovací schopnosti kotvy proti vodorovnému pohybu. Je proto vhodné analyzovat příspěvek kotevní kotevní šňůry jak z hlediska procesu kotvení kotvy, tak z hlediska jejího podílu na konečné únosnosti kotvy.

Vertikálně zatížené kotvy

Přechod kotvy z režimu DEA do režimu VLA.[2]

Vertikálně zatížené kotvy (VLA) jsou v zásadě DEA, které se mohou volně otáčet kolem spojení fluke-stopka, což umožňuje kotvě odolat jak svislému, tak vodorovnému zatížení, a tak na rozdíl od DEA mohou být kotevní šňůry buď v řetězci, nebo kotvící konfigurace. VLA jsou vloženy jako DEA, přes zadanou délku tažení. Výsledkem je, že mnoho návrhových aspektů požadovaných pro DEA je použitelné pro VLA. Po vložení délky tahu se fluke „uvolní“ a nechá se volně otáčet kolem svého spojení se stopkou. Tato nová konfigurace kotvy má za následek, že zatížení kotevní šňůry je v podstatě normální vzhledem k náhodě VLA.[2]

Sací kesony

Sací kesonové řešení

Sací kesony (známé také jako sací lopaty, sací piloty nebo sací kotvy) jsou novou třídou vložených kotev, které mají oproti jiným metodám řadu ekonomických výhod. Jsou to v podstatě obrácené lopaty, které jsou zapuštěny do půdy a pomocí sání čerpáním vody vytvářejí vakuum, aby zakotvily plovoucí zařízení na moři. Představují řadu ekonomických výhod, včetně rychlé instalace a demontáže během vyřazování z provozu, jakož i snížení materiálových nákladů.[7] Keson se skládá z válce o velkém průměru (typicky v rozmezí 3 až 8 metrů (10 až 26 stop)), otevřeného dole a uzavřeného nahoře, s poměrem délky k průměru v rozsahu od 3 do 6.[8] Toto řešení kotvení se hojně používá ve velkých pobřežních strukturách, vrtných plošinách a ubytovacích plošinách. Od zvýšení poptávky po obnovitelné energii se tyto kotvy nyní používají pro pobřežní větrné turbíny, obvykle v konfiguraci stativu.

Kotvy do desek zalité do sání

Instalace SEPLA: (1) Sací zařízení, (2) Vyvolání kesonu, (3) Klíčenka s kotvou, (4) Mobilizovaná kotva[9]

V roce 1997 byla pro zvýšení efektivity a snížení nákladů zavedena sací kotevní deska (SEPLA) jako kombinace dvou osvědčených konceptů kotvení - sacích pilířů a kotevních desek.[10]

Dnes se kotvy SEPLA používají v Mexický záliv, u pobřeží západní Afrika a na mnoha dalších místech. SEPLA používá a sací "sledovač", původně vodou naplněný keson s otevřeným dnem, pro vložení kotvy desky do půdy. Sledovač sání je spuštěn na mořské dno, kde začíná pronikat svou vlastní hmotností. Voda je poté čerpána z vnitřku kesonu a vytváří vakuum, které tlačí kotvu desky pod požadovanou hloubku (krok 1). Kotevní šňůra kotvy desky je poté odpojena od kesonu, který je získán tlakem vody do kesonu, což způsobí, že se pohybuje nahoru, zatímco ponechá kotvu desky zakotvenou (krok 2). Poté se na kotevní šňůru aplikuje napětí (krok 3), což způsobí, že se kotva desky otáčí (proces známý také jako „klíčování“), aby byla kolmá ke směru zatížení (krok 4).[9] To se provádí tak, že maximální povrchová plocha směřuje ke směru zatížení, čímž se maximalizuje odpor kotvy.

Protože se používá sací kesonový sledovač, lze kotvy SEPLA klasifikovat jako kotvy s přímým vložením; a tak je známo umístění a hloubka kotvy. Deskové kotvy SEPLA jsou díky své geotechnické účinnosti podstatně menší a lehčí než ekvivalentní sací kotvy, což snižuje náklady.

Dynamicky instalované kotvy

Různé typy dynamicky instalovaných kotev

Zvýšené náklady na instalaci kotev v hluboké vodě vedly ke vzniku dynamicky pronikajících kotev, které se vrhají do mořského dna volný pád. Tyto kotvy se obvykle skládají ze silnostěnné ocelové trubkové hřídele vyplněné kovovým šrotem nebo betonem a opatřené kuželovou špičkou. K hřídeli jsou často připojeny ocelové vločky, které zlepšují jeho hydrodynamickou stabilitu a zajišťují dodatečný třecí odpor proti zvedání po instalaci.[1]

Hlavní výhodou dynamicky instalovaných kotev je, že jejich použití není omezeno hloubkou vody. Náklady se snižují, protože během instalace není zapotřebí žádné další mechanické interakce. Jednoduchý design kotvy udržuje výrobní a manipulační náklady na minimu. Navíc je konečná přídržná kapacita dynamických kotev méně závislá na geotechnické posouzení místa, protože nižší pevnosti ve smyku umožňují větší penetraci, což zvyšuje zadržovací kapacitu.[11] Navzdory těmto výhodám je hlavní nevýhodou tohoto typu kotvy míra nejistoty při předpovídání hloubky a orientace kotvení a výsledná nejistá zadržovací kapacita.

Design

Od jejich prvního komerčního vývoje v 90. letech bylo navrženo několik různých forem dynamicky instalovaných kotev. Hluboce pronikající kotva (DPA) a torpédová kotva zaznamenaly široké přijetí v moři jihoamerický a Norština vody.[11] Jejich návrhy jsou na obrázku znázorněny dvěma dalšími formami dynamicky instalovaných kotev, konkrétně Omni-Max a dynamicky zabudovanou deskovou kotvou (DEPLA).

Hluboce pronikající a torpédové kotvy jsou navrženy tak, aby dosáhly maximální rychlosti 25–35 metrů za sekundu (82–115 ft / s) na mořském dně, což umožňuje průnik špičky dvojnásobnou až trojnásobnou délkou kotvy a zadržovací kapacity v rozsahu třikrát až šestkrát větší než hmotnost kotvy konsolidace půdy.[1]

Komponenty DEPLA
Kotva Omni-Max[12]

Dynamicky vložená kotva desky (DEPLA) je kotva s vertikálním zatížením s přímým vložením, která se skládá z desky vložené do mořského dna Kinetická energie získaný volným pádem ve vodě. Tento nový koncept kotvy byl vyvinut teprve nedávno, ale byl testován v laboratoři i v terénu. Různé komponenty DEPLA lze vidět na schématu označeném na obrázku.

Vyobrazená kotva Omni-Max je gravitačně instalovaná kotva, kterou je možné naložit v libovolném směru díky funkci otočení o 360 stupňů.[12] Kotva je vyrobena z vysoce pevné oceli a má nastavitelná křídla fluke, která lze přizpůsobit konkrétním půdním podmínkám.[12]

Torpédové kotvy

Torpédová kotva je opatřena trubkovou ocelovou hřídelí, se svislými ocelovými žebry nebo bez nich, která je opatřena kuželovou špičkou a vyplněna kovovým šrotem nebo betonem.[13] Kotva o délce až 150 metrů (490 stop) je volným pádem zcela pohřbena na mořském dně.

Polní testy v plném rozsahu byly provedeny ve vodě v hloubkách až 1 000 metrů (3 300 ft) za použití torpédové kotvy o délce 12 metrů (39 ft) o průměru 762 milimetrů (30,0 palce) se suchou hmotností 400 kilonewtonů ( 90 000 lbF). Torpédová kotva spadlá z výšky 30 metrů (98 ft) nad mořským dnem dosáhla průniku 29 metrů (95 ft) v normálně zpevněné hlíně.[13]

Následné testy s torpédovou kotvou se suchou hmotností 240 kilonewtonů (54 000 liber)F) a průměrné zapuštění hrotu 20 metrů (66 ft) vedlo bezprostředně po instalaci k zadržovací kapacitě přibližně čtyřnásobku suché hmotnosti kotvy, která se po 10 dnech zpevnění půdy přibližně zdvojnásobila.[13]

I když je účinnost nižší, než jaké by se dosáhlo u jiných druhů kotev, jako je kotva s kotvením, je to kompenzováno nízkými náklady na výrobu a snadnou instalací. Proto lze nasadit řadu torpédových kotev pro vedení stanice stoupaček a jiných plovoucích konstrukcí.[1]

Hluboko pronikající kotvy

Hluboce pronikající kotva (DPA) je koncepčně podobná torpédové kotvě: má a šipka - ocelový válec ve tvaru tlustého stěn s flukes připevněnými k horní části kotvy. Full-scale DPA je přibližně 15 metrů (49 ft) na délku, 1,2 m (4 ft) v průměru a váží řádově 50–100 tun (49–98 tun dlouhé; 55–110 malých tun). Způsob jeho instalace se nijak neliší od způsobu torpédové kotvy: je spuštěn do předem stanovené výšky nad mořským dnem a poté uvolněn volným pádem, aby se vnořil do mořského dna.[1]

Hromady kotev

Vložená kotva hromady (poháněné nebo vrtané) jsou vyžadovány pro situace, kdy je vyžadována velká zadržovací kapacita. Konstrukce kotevních pilířů umožňuje tři typy konfigurací kotvení - svislé řetězy, řetězovka kotviště a napjatá / napnutá kotviště - která se používají pro kotvení offshore struktur, jako jsou pobřežní větrné turbíny, plovoucí výrobní skladování a vykládka (FPSO) plavidla, plovoucí zkapalněný zemní plyn (FLNG) atd. Průmyslovým příkladem je Ursa napínací noha platforma (TLP), který byl na stanici držen 16 kotevními piloty, z nichž každý je dlouhý 147 metrů (482 stop), průměr 2,4 metru (7 ft 10 v) a váží 380 tun (370 tun dlouhé; 420 malých tun) ).[1]

Design

Metody instalace kotevní hromady[1]

Hromady kotev jsou duté ocelové trubky které jsou buď poháněny, nebo zasunuty do díry vyvrtané do mořského dna a poté injektovány, podobně jako hromádkové základy běžně používané v pobřežní pevné struktury. Obrázek ukazuje různé způsoby instalace, kdy u „poháněné“ metody je ocelová trubka poháněna mechanicky kladivem, zatímco u „vrtané“ metody je odlitá hromada in-situ vložena do nadměrné velikosti vrt konstruováno pomocí rotačního vrtáku a poté injektováno cementem. Použití konkrétní metody závisí na geofyzikálních a geotechnických vlastnostech mořského dna.

Kotevní piloty jsou obvykle navrženy tak, aby odolávaly vodorovnému i svislému zatížení. Axiální únosnost piloty kotvy je způsobena třením podél rozhraní hromada-zemina, zatímco laterální kapacita hromady je generována bočním odporem půdy, kde je orientace kotvy rozhodující pro optimalizaci tohoto odporu. Ve výsledku je umístění padeye umístěno tak, že síla z trolejového nebo napnutého kotviště bude mít za následek momentovou rovnováhu kolem bodu otáčení, aby se dosáhlo optimálního bočního odporu půdy.[1]

Instalace

V důsledku štíhlý vzhledem k povaze kotevních hromád existují tři problémy s instalací týkající se poháněných hromádek,[14] první z nich je ovladatelnost pilot v daném místě nebo tam, kde může nadměrný odpor půdy bránit průniku do požadované hloubky. Druhým problémem je deformace pilot, kde dochází ke kolapsu nebo boulení hrotu v důsledku nadměrného odporu a odchylky trajektorie piloty. Třetím problémem jsou geotechnické vlastnosti půdy. Nedostatečný boční odpor půdy může vést k převrácení kotvy a kameny a balvany podél trajektorie penetrace mohou vést k odmítnutí a zhroucení hrotu.

Problémy s instalací týkající se vrtaných a injektovaných pilot zahrnují stabilitu vrtu, nežádoucí měkké řezy ve spodní části otvoru, hydrofraktura - půdy vedoucí ke ztrátě spárovací hmoty a - teplotní roztažnost účinky.[14]

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i j k Gourvenec, Mark; Randolph, Susan (2017). Offshore geotechnické inženýrství. [S.l.]: CRC Press. ISBN  978-113807472-9. OCLC  991684040.
  2. ^ A b C d E Charles, Aubeny (2017-09-18). Geomechanika námořních kotev. Boca Raton [Florida]. ISBN  9781351237352. OCLC  1013852232.
  3. ^ Diaz, Brian D .; Rasulo, Marcus; Aubeny, Charles P .; Fontana, Casey M .; Arwade, Sanjay R .; DeGroot, Don J .; Landon, Melissa (2016). Víceřádkové kotvy pro plovoucí větrné věže na moři. OCEANS 2016 MTS / IEEE Monterey. IEEE. doi:10.1109 / oceány.2016.7761374. ISBN  9781509015375.
  4. ^ A b Aubeny, C., Gilbert, R., Randall, R., Zimmerman, E., McCarthy, K., Chen, C., Drake, A., Yeh, P., Chi, C. a Beemer, R. (2011). Výkon kotev přetažení (DEA). Texas A & M University, Spojené státy.
  5. ^ A b Aubeny, Charles; Beemer, Ryan; Zimmerman, Evan (2009). Dopad půdy na výkon nestacionární kotvy. Sborník z konference o offshore technologiích. Konference o offshore technologiích. doi:10,4043 / otc-20081-ms. ISBN  9781555632441.
  6. ^ Beemer, Ryan & Aubeny, Charles & Randall, R & Drake, A. (2012). Prediktivní model výkonu ukotvení tažení v hliněném mořském dně. Sborník 17. offshore sympozia: Posouvání hranic v globálním průmyslu. A27-A34.
  7. ^ Reese, Lymon C .; José Manuel Roesset Vinuesa (1999). Analýza, design, konstrukce a testování hlubokých základů: sborník konference OTRC'99: ctít Lymona C. Reese: 29. - 30. dubna 1999. Reston, VA: Geo Institute, American Society of Civil Engineers. ISBN  978-0784404225. OCLC  40830075.
  8. ^ Gourvenec, Susan; Clukey, Ed (25.01.2018), „Suction Caisson Anchors“, Encyclopedia of Maritime and Offshore Engineering„John Wiley & Sons, Ltd, s. 1–14, doi:10.1002 / 9781118476406.emoe581, ISBN  9781118476352
  9. ^ A b Blake, A.P .; O'Loughlin, C. & Gaudin, C. (2011). "Nastavení po klíčování kotev desek hodnoceno pomocí testů centrifugy v kaolinovém jílu". In Gourvenec & White (eds.). Hranice v offshore geotechnice II. London: Taylor & Francis Group. 705–710. ISBN  978-0-415-58480-7. Citováno 22. listopadu 2018.
  10. ^ „Offshore kotvy SEPLA“. InterMoor. Citováno 15. října 2018.
  11. ^ A b O’Loughlin, Conleth D .; Richardson, Mark D .; Randolph, Mark F. (2009). "Testy centrifugy na dynamicky instalovaných kotvách". Svazek 7: Offshore geotechnika; Ropná technologie. JAKO JÁ. 391–399. doi:10.1115 / omae2009-80238. ISBN  9780791843475.
  12. ^ A b C „OMNI-Max Anchor®“. Delmar Systems. Citováno 2018-11-17.
  13. ^ A b C Medeiros, C.J. (2002). „Nízko nákladový kotevní systém pro flexibilní stoupačky v hlubokých vodách“. Konference o offshore technologiích. doi:10,4043 / 14151-ms.
  14. ^ A b Schneider, James; Randolph, Mark; Stevens, Bob; Erbrich, Carl (2017-04-20), „Pile Foundations: Installation“, Encyclopedia of Maritime and Offshore Engineering, John Wiley & Sons, Ltd, s. 1–19, doi:10.1002 / 9781118476406.emoe532, ISBN  9781118476352