آشنایی با انواع سکوهای دریایی و انواع نیروهای وارد بر سکو

آشنایی با انواع سکوهای دریایی و انواع نیروهای وارد بر سکو

سکوهای دریایی به سه دسته سکوهای ثابت و سکوهای شناور و سکوهای تطبیقی تقسیم ­بندی می­شوند که هرکدام بر حسب شرایط آب وهوایی و عمق آب دارای انواع گوناگونی می­باشند. به علت جلوگیری از تکرار، در اینجا فقط به توضیح انواع خاصی از سکوهای دریایی می پردازیم که نقش مستقیم در بروز ایده سکوی نیمه شناور خرپایی داشته اند.

انواع سکوهای دریایی :

1-  سکوهای دریایی ستونی (اسپار):

سکوی ستونی نوعی از سکوهای تطبیقی است که مشخصه آنها بدین گونه است که رفتاری شبیه سکوهای ثابت در برابر نیروهای عمودی دارند و در برابر نیروهای جانبی رفتاری شبیه سکوهای شناور دارند.

این سکو از یک سازه بلند و باریک با مقطع یکنواخت تشکیل شده است و برای مهار جانبی آن از کابل های مهاری استفاده می شود که در کف دریا توسط وزنه هایی مهار شده اند.

سپس وزنه های نگهدارنده با لنگرهای متداول در کارهای دریایی به کف دریا محکم شده اند.

در هنگام طوفان شدید این وزنه ها از کف دریا بلند شده و در نتیجه سکو می تواند بارهای محیطی را با حرکت جانبی خود تحمل کند بدون این که به کابل ها صدمه ای وارد شود.

شکل (1-2) نشان دهنده یک نوع از این سکو است که در کاربردهای استخراج نفت مورد استفاده قرار می گیرد.

2-  سکوهای دریایی ستونی خرپایی (تراس اسپار)

این سکو شامل یک برج عمودی به شکل شبکه خرپایی یا ستون لوله ای است که با اتصال مفصلی به کف دریامتصل می­باشد.

همچنین به منظور حفظ تعادل چندین مخزن شناوری در نزدیکی سطح دریا به سازه متصل می­شود.

سکوی اسپار دارای قابلیت تحمل بار زیاد عرشه می‏باشد اما دارای یک سری مشکلات در طراحی می‏باشد.

ساخت, حمل و نصب این نوع سکو در آب های عمیق بسیار هزینه بر است و کنترل و مدیریت هزینه‏ ها با افزایش عمق مشکل تر به نظر می‏رسد.

همچنین اعضا با ابعاد بسیار بزرگ مورد نیاز این نوع سکو‏ها, فقط در نقاط معدودی از جهان ساخته می‏شوند.

همچنین حمل این اعضا بزرگ در فواصل زیاد برای رسیدن به محل نصب ریسک پذیری زیادی را به این نوع سازه تحمیل می‏کند.

عملکرد این سازه در برابر نیروهای جانبی شبیه یک جسم صلب با یک یا دو درجه آزادی است.

در انواع تکامل یافته این سکو ها از یک قسمت خرپایی در پایین سکو برای تعبیه صفحات افقی استفاده می شود که نقش به سزایی در کنترل حرکت سازه در جهت heave و pitch دارد.

شکل(2-2) نشان دهنده هر دو نوع این سکوها و تفاوت آنهاست.

عمده تفاوت این سکو با سکوی ستونی ساده در تعبیه قسمت خرپایی در پایین سکو است که باعث می شود بتوان با استفاده از صفحات افقی از جریان جدا شونده در جهت heave استفاده کرد .

شکل های (2-3) و (2-4) نشان دهنده دو نوع خاص از تراس اسپار و نحوه عملکرد صفحات افقی هستند.

 

-3 نیمه مغروق ها

در مناطقی که عمق آب زیاد باشد به دلایل اجرایی و اقتصادی کاربرد سکوهای ثابت مقرون به صرفه نیست و انواع دیگری از سکوها مطرح می شوند. یک دسته از این سکوها ، سکوهای شناور می باشند. از انواع متداول سکوهای شناور و متحرک می توان سکوهای خودبالابر (جک دآپها) و نیمه مغروقها( semi submersible) را نام برد.

متداول ترین نوع سکوهای شناور نیمه مغروق­ها می باشند که این سازه شامل یک بخش شناور است که از دو پانتون و قسمتی از پایه های قطوری که پانتون­ها را به روسازه متصل می کنند تشکیل شده است. این سکو توسط یک سیستم مهاری زنجیری به کف دریا متصل می شود و حفاری از طریق یک لوله عمودی بنام رایزر که از یک طرف به روسازه و از طرف دیگر به دهانه چاه متصل است انجام می گیرد. اتصال سکو به دهانه چاه به دو صورت صلب و انعطاف­پذیر قابل اجرا می باشد.

به دلیل حساسیت این سکو نسبت به نیروی جانبی و برای جلوگیری از صدمه دیدگی، رایزرها در عمقهای خیلی زیاد (بالاتر از 500 متر) از انواع دیگر سکوهای شناور استفاده می شود.

در شکل یک سکوی نیمه مغروق دیده می شود.

سکوی نیمه شناور پانتونی یکی از سکوهای نیمه مغروق می باشد که دارای  واحد ‏های سازه ای با سه یا چهار ستون پایدار می‏باشند که به چند پانتون در قسمت مغروق و پایین خود متصل می‏شوند.

سکو نیز در بالای ستون‏ها قرار می‏گیرد.

این سکو برای اهداف حفاری و استخراج استفاده می‏شود.

مزایای آن شامل عرشه بزرگ و بار قابل تحمل زیاد است.

در اغلب حالات ستون‏ها عمیق و پانتون‏ها دارای حجم زیاد می‏باشند.

ستون‏ها پایداری هیدرو استاتیکی را تامین می‏کنند و پانتون‏ها نیز نیروی شناوری کافی برای پشتیبانی از بار‏های وارده زیاد را تامین می‏کنند.

مرکز جرم اعضا پایین تر از مرکز بویانسی آنها قرار می‏گیرد(حدود 14 تا 12 فوت).

این مساله فرکانس حرکات rool  و  pitch اعضا را کنترل می‏کند.

در سکوی پانتونی, جرم کل که شامل بالاست و جرم اضافه است بسیار زیاد است و به همین علت فرکانس طبیعی این سازه را نمی‏توان به صورت مطمئنی از فرکانس موج هر روزه متمایز ساخت.

به عبارت دیگر میرایی کوچک می‏باشد و حرکت ارتعاشی قوی خواهیم داشت.

بنابراین در سکوهای پانتونی حرکت ارتعاشی در جهت heave بزرگ می باشد و توسط میراگرها نیز کنترل نمی‏شود.

به عبارت دیگر میرایی جریان جدا شونده در طراحی سکوی نیمه شناور پانتونی استفاده نشده است.

نکته مهم در طراحی این سکوها عدم استفاده از جریان جدا شونده در جهت heave است که باعث می شود در پاره ای از اوقات فرکانس طبیعی سازه به فرکانس موج غالب دریا نزدیک شود و منجر به نوسان های شدید در سازه گردد. لذا ایده ی اصلی طراحی این نوع سکو که دارای قابلیت های سکوی نیمه مغروق باشد و از مشکل بزرگ آن اجتناب کند از این مساله نشات گرفته است.

در ادامه به توضیح سکوی نیمه شناور خرپایی می پردازیم که نتیجه این ایده است .

4- سکوهای دریایی نیمه شناور خرپایی (TPS)

 

سکوی نیمه شناور خرپایی یک تکنولوژی جدید در ساخت سکو‏های دریایی است که از مزایای سکوی نیمه شناور پانتونی و سکوی برجی مفصلی (اسپار)  استفاده می کند و از یک سری مشکلات این سکو‏ها نیز اجتناب می‏کند. سکوی نیمه شناور خرپایی (srinivasan2004), استفاده از جرم اضافه القایی به علت استفاده از صفحات افقی در قسمت خرپایی مانند سکوی برجی مفصلی (اسپار) که در پایین ستون‏ها قرار می‏گیرد را در دستور کار دارد و همچنین از میراگری جریان جدا شونده در اطراف صفحات افقی نیز استفاده می‏کند.

جرم اضافی و میرایی حاصل از صفحات افقی باعث می‏شود سازه از نظر فولاد مورد استفاده بسیار اقتصادی‏ تر شود.

 

طراحی سکوهای دریایی نیمه شناور خرپایی اغلب بر پایه پایداری ستون‏ها انجام می‏شود و تمام مزایای سکوی نیمه شناور پانتونی را نیز دارا می باشد.(مانند عرشه بزرگ و بار قابل تحمل زیاد) در واقع این نوع سکو نوع تکامل یافته هر دو نوع نیمه شناور پانتونی و برجی مفصلی خرپایی می باشد که هم از ظرفیت بالای سکوهای نیمه شناور پانتونی بهره می برد و هم از قابلیت استفاده از صفحات افقی برای کنترل ارتعاشات سازه.

شکل (2-6) نوع خاصی از این سکو را نشان می دهد که قسمت خرپایی آن به صورت واحد در زیر پانتون ها قرار دارد. سکوی مورد نظر در این پایان نامه نوع دیگری از سکوی نیمه شناور خرپایی است که در شکل (2-7) دیده می شود و صفحات افقی در قسمت های خرپایی که در زیر هر یک از پانتون ها قرار دارند جای گرفته است.

نیروهای وارد بر سکوهای دریایی

نیروهای وارد بر سکوهای دریایی را میتوان اینگونه دسته بندی کرد:

   Dead Loads ( بارهای مرده) :

بارهای مرده وارده بر سازه سکوهای دریایی به صورت زیر تعریف می شوند:

الف) وزن سازه سکو در خشکی [هوا] به همراه وزن شمع ها،Ballast, Grout .

ب) وزن تجهیزات و سازه ها ی ثانویه [Appurtenant Structure] که بصورت دائمی به سکو متصل شده اند.

ج) نیروهای هیدرواستاتیک که به قسمت زیر آب سازه وارد خواهند شد که شامل نیروهای شناوی و فشارهای خارجی می باشد.

  Live Loads  (بارهای زنده) :

بارهای زنده به آن دسته از بارها گفته می شود که در طول عمر سازه تغییرخواهند کرد. بارهای زنده به موارد زیر تقسیم می گردند:

الف) وزن تجهیزات مانند:Production, Drilling  که قابل نصب و یا تغییر مکان از روی سکو باشد.

ب) وزن سکنه،Living Quarters ، Heliportو سایر وسایل تجهیزاتی مربوط به نگهداری سکنه، وسایل نجات و غواصی و سایر وسایل مربوطه به سکنه که قابل اضافه وکم شدن و یا جابجا کردن باشند .

ج) وزن محتویات مخازن مصرفی و یا مایعات داخل مخازن سوخت.

د) نیروهای وارده از طرف تجهیزات در زمان کار کردن مانند نیروهای ناشی از حفاری و یا جابجایی وسایل و نیروهای ناشی از هلیکوپتر.

ه ) نیروی وارده از طرف جرثقیل های روی عرشه بر سازه.

  Environmental Loads (بارهای محیطی):

نیروهای محیطی در اثر پدیده های طبیعی بر سازه وارد می شوند که شامل باد، جریان، موج، زلزله، برف، یخ و حرکات زمین می باشد. تغییرات در نیروهای هیدرواستاتیک  و شناوری وارده بر اعضا در اثر تغییرات سطح آب رانیز می توان جزء این دسته از بارها دانست.

Construction Loads ( بارهای در حین ساخت) :

بارهای وارد شده به سازه در زمان  Fabrication، Load out ،Transportation ،Installation   جزء این دسته از بارها می باشند که در قسمت مربوط به خودشان توضیح داده خواهد شد.

Dynamic Loads  (نیروهای دینامیکی):

این نیروها همان نیروها ی گفته شده هستند که یا ماهیت لرزه- ای و یا تناوبی دارند و یا به صورت ضربه بر سازه وارد می شوند. نیروهایی که ماهیت لرزه ای و تناوبی دارند شامل موج، باد، زمین لرزه و یا لرزه ایجاد شده توسط ماشین آلات می باشند. نیروهایی که ماهیت ضربه ای دارند مانند ضربه کشتی، ضربات ناشی از کار کردن ماشین آلات خصوصا دستگاههای حفاری هستند که نقطه اثر آنها باید تعیین گردد.

Accidental Load ( بارهای ناشی از تصادف):

بارهای ناشی از تصادف شامل بارهای ناشی از انفجار، آتش سوزی(Blast and Fire ) و یا ضربه کشتی می باشد که همگی ماهیت دینامیکی داشته که در برخی موارد به صورت استاتیکی معادل سازی می شوند.

مدلها ی مربوط به این بارها اغلب حالت پیچیده ای دارند

 

در طراحی سکوهای دریایی قبل از آنالیز و یافتن پاسخ، لازم است که از کمیت نیروهایی که سکو در طول عمر خود با آنها مواجه می شوند، تخمینی داشته باشیم. عمدۀ نیروهای محیطی ناشی از امواج سطحی هستند و نیروهای حاصل از باد و جریان­های دریایی نیز نیروهای قابل توجهی بر سازه اعمال می نمایند. دیگر نیروهای ذکر شده در ابتدای فصل در شرایط خاص مورد بررسی قرار می گیرند.

نیروی باد که هنگام وقوع طوفان­ها اهمیت بیشتری پیدا می کند، عامل مهمی در طرح یک سازۀ فراساحل می باشد. این نیرو بر اجزائی از سازه مثل تجهیزات وعرشه که بیرون سطح آب هستند، وارد می شود. امواج سطحی نیز هنگام وقوع طوفان­ها اهمیت بیشتری دارند، زیرا نیرویی که بر قسمت­های زیر آب سازه وارد می­کنند، قابل توجه است. جریان­های دریایی نیز بسته به محل استقرار سکو می­توانند نقش عمده­ای در مجموع نیروهایی که به قسمتهای زیر آب سازه وارد می شود، ایفا نمایند.

عوامل ایجاد کنندۀ جریان­های دریایی عموماً غیر از آن چیزی است که باعث ایجاد امواج سطحی می­­شوند. برای مثال، جریان­های جزر و مدی ناشی از نیروهای وارده از طرف ماه و خورشید به آب دریا و یا جریان­های ناشی از درگ که بادهای محلی بر سطح آب وارد می نمایند، همین­طور جریان رودخانه­ ها در جاهایی که به دریا می­ریزند و جریان­های اقیانوسی ناشی از نیروی درگ بادهای شدید در خلال طوفان­ها، نمونه ­هایی از عوامل ایجاد کنندۀ جریان­ها هستند.

اطلاعات تکمیلی را از پروژه زیر دریافت فرمایید :

 

منبع : مهندسی دانلود