Bølge i dekk belastninger og responsanalyser

Bølge i dekk belastninger og responsanalyser Erfaringer fra Ptil s oppfølging av Valhall QP - Terje L. Andersen Konstruksjonsdagen 27.08.2015 Reklame på enerwe: http://www.enerwe.no/hms/hvorfor-ryker-staltau/

Case fra petroleumstilsynet Ptils primær-oppgave er tilsyn med petroleumsvirksomhet Ptil skal også innsamle og formidle relevant viten Ptil utfører (vanligvis) ikke egne konstruksjons-analyser Lineær analyse er takknemlig tilsynsoppgave Ikke-lineær analyse er kompliserte av natur Ptils behandling av levetidsforlengelse for Valhall QP (Quarters Platform) er eksempel på (ny og) vanskelig problemstilling innenfor last- og konstruksjonsanalyse Grundig verifikasjon og analyser utført av konsulenter fra Sintef, Marintek, NTNU med støtte fra ekspert workshop

Litt historie Valhall designet ihht. 1977 OD-forskrift - Design levetid: 20 år (Alder 2014: 34 år) - 100 års bølge i ULS - Designbølge (16,6 m crest + 1,8 m surge & tide = 18,4 m) - Last koeffisient 1,3 på miljølast i ULS-B - Materialkoeffisient 1,15 for elastisk analyse (1,3 for plastisk!) - "beholde tilfredsstillende sikkerhet mot progressivt brudd i tilfelle av ulykkeslaster som forårsaker lokalt brudd" - Anbefaling på 5 = 1,5m air-gap mellom bølge og dekk (Amoco) - Innstilling fra OD med DNV som konsulenter om økning til 2,5 m air-gap Installert 1980 med ca. 22 m fribord dvs. omtrent en ekstra meter air-gap (DFI resumé: 3.3 m air-gap) Noen usikkerhet og uenighet om diverse mål

Valhall feltsenter ~1982 (Amoco) QP DP PCP 22m (21,7m-22,4m)

Lineær analyse (1977) Nær lineær last (g = 1,3) - I den forstand at liten økning av bølgetopp utover design bølgen gir et lite bidrag til lasten på konstruksjonen og fundament Nær lineær materiale (g m = 1,15) - Som hovedsakelig utnyttes i proporsjonalitets-intervallet inntil begynnende flyt, ca. <1% tøyning Veldefinert sikkerhet (~lineær) Robust overfor last-økning (air-gap) «Konservativt design»

Et døgn med storm Nov. 1981 Foto fra filmen «Arbeidsplass Valhall», gjengitt i LF6A, Valhall 25 år og det er bare begynnelsen, B. Rasen El-master kollapset ved Karmøy aluminiumsverk Tre-felling i Danmark tilsvarende 3 års hogst (3 10 6 m 3 ) Thisted 43 m/s, Esbjerg +4,33 m flo (fremdeles rekord)

Reservoar tømming Innsynkning Design air-gap WiD: Wave in deck BiD: Bølge i dekk Total innsynkning 2014 ca. 6,5 meter

Kompenserende tiltak Avmannings-kriterium (N-006:2015, avsnitt 6.4): - Ned-stenge og avmanne innretninger som ikke møter ULS og/eller ALS - annual probability of 10-4 of the main safety functions being impaired Konstruksjonssikkerheten reduseres (N-001:2015, 6.2.2): - Bemannet i storm: 1,3 * 1,15 = 1,5 - Ubemannet i storm: 1,15 * 1,15 = 1,3 Kritisk bølge-kam nivå (N-006, A.3 A.5) - Sannsynlighets analyse for konstruksjon, sikkerhetsfunksjoner og miljø - Ex. jacket, peler, rømningsveier/broer, brønn-lekkasje ved kollaps Meteorologiske varsler i forkant - VXWW: Valhall extreme Wave (Weather) Warning

«Borgny» storm 2006

«Borgny» bølger i dekk 2006 Svakere lavtrykk enn 1981-850 mbar og 10 mbar/100 km vs. 990 mbar Ca. 50 års storm: - H S > 12 m, H max > 20 m - H max /H S 1,67 (steile bølger!) - Bølge-kam: ~16 m (LAT) - tidevann pluss stormflo var ca. 1.4 meter over LAT (Design: 1,1 m) Bemannet i storm på trass av VXWW prosedyre - beredskaps tiltak kan svikte! Skader - Valhall - Ekofisk - Tor

Forenklet regnestykke Valhall bygget for en design bølge-kam på 18,4 meter Virkelig plassering ca. 3,3 meter air-gap Innsynkning i løpet av 34 år: 6,5 meter Redusert design bølge-kam: 16,8 meter Bølge i dekk 2014: 18,4+3,3-6,5-16,8 = (-) 1,6 meter WiD størrelsesorden 2014: Forventet innsynkning: 1,0 1,5 m 0,1 m/år

«Et skråplan» - hvor går grensen? Nullmargin Design Bølge H(tid) Air-gap Ptil Bølge i dekk (WID)

Unntak fra design og regelverk Siden vinteren 2004 2005 har Ptil behandlet årlige unntak for det opprinnelige krav om 2,5 meter air-gap Flere levetidssøknader etter planlagt plattform stengning Forsterkning med grout inni jacket-topsite portal-ramme Valhall QP kan ikke motstå dagens 10-4 bølge (ALS) - C 10000 C 100 + 5.5m = 22,3 m (6,5 7,0 meter bølge i dekk) Valhall QP analysert for dagens 10-2 bølge (ULS) - H S = 13.8 m - Crest 100 15,7 + 1,1 m = 16,8m (1977: 18,4 m) Nye oppdaterte ikke-lineære analyser som grunnlag

Ikke lineær analyse Beredskaps krav: Avmannet før storm - redusert lastfaktor i ULS: 1,15 Ikke lineær last - Bølge i dekk øker last «kjapt» Ikke lineær konstruksjon - Utnyttelse av plastisk materiale Meteocean Spec. fra sørlige del av Nordsjøen - Forristall punkt-estimat for bølgehøyde, analysert som stokes bølge - H S = 13.8 m - Crest 100 16.8 m (redusert fra 1977: 18,4 m) - Probabilistisk samtidighet for tidevann og stormflo (1,1 m < 1,4 m i «Borgny») Resulterer i permanente plastiske deformasjoner i ULS!

Nytt regime Bølge i dekk er «nytt regime» Analysene er meget følsomme for effekten av bølger i dekk Usikkerheter ble opprinnelig ivaretatt av krav til 2,5 meter air-gap Belastninger og effekt av bølge-i-dekk er fremdeles et forskningsområde

Et spørsmål om bevisbyrde Siste års konstruksjonsdag (RNNP prosjekt E. Lootz) Nå må de bevise at en løsning ikke holder i stedet for at en skal bevise at den faktisk holder Litt forskjellige roller i trepartssamarbeidet: - Industri har fokus på økonomi i sikker drift - Ptil har fokus på sikkerhet i økonomisk drift Vi må finne den riktige balanse!

Valhall feltsenter ~2014 Gammelt feltsenter 1980 tallet Nytt feltsenter 2000 tallet QP (177 senger) DP PCP WP/IP PH (180 senger) 15 m 10-4 & 40 år: 24 + m

Regelverk og standarder Valhall QP (m.fl.) møter ikke opprinnelige krav Valhall QP (m.fl.) møter ikke dagens krav (bemannet) Ptil møter seg selv i døren mellom preskriptivt og funksjonelt Regelverk i 1977 var preskriptivt med få og tydelige krav Dagens regelverk er funksjonelt med ord som: - Forsvarlig rf 10 - Barrierer sf 5 - Robust if 5 - ALARP veiledning if 3 - Forsiktighetsprinsipp Robust? Forsvarlig? «GoM style»?

Normal Sikkerhet Ulykke If 11: 10-4 N-001, N-003 ALS (1,0) Bruddgrense If 56: 10-2 N-001, N-003 ULS (1,3 1,15) If 56 Robust Fulltids bruk uten restriksjoner Redusert Sikkerhet Avmanning N-006 unntak + vilkår 10-4? Bruddgrense If 56: 10-2 N-001, N-003 ULS (1,15 2 )? If 56 Robust? Begrenset bruk kompenserende avmanning og nedstenging Utilstrekkelig Sikkerhet Konstruksjon ikke i samsvar med regelverk eller NORSOK Ikke tillat bruk i norsk oljevirksomhet (?) Usikkerhet?? Veil. if 11: Dersom laster, lastvirkninger eller motstand er usikre, bør det utføres målinger eller modellforsøk for å øke kvaliteten på analysene

? Ptil oppgave, 2014 «Vurdering av konstruksjonens egnethet for videre bruk, Valhall QP» QP som case med betydning for hele gamle feltsenter Ønske om generelle vurderinger for bølge i dekk Rammeavtale, mini-konkurranse, 02.10.2013 Prosjekt med Sintef-Marintek (+NTNU) Kick-off 28.04.2014 Workshop med erfarne fagfolk 23.05.2014 Oppgaven oppfattet som viktig (hvor går grensen?)

Vesentlige aspekter Bølgemodeller - høyere orden bølgekam geometri - Brytning/bølgesteilhet - Kinematikk - Arealeffekt Fluid modellering - Rundt rør (jacket), Morison ligning, (klassisk karakteristisk last) - Slamming og strømning rundt kompliserte geometri (topside) - Computational Fluid Dynamics (CFD) - Laboratorie forsøk Materiale modellering - Lineær elastisk (returnere til samme plass når last fjernes) - Ikke-lineær plastisk (permanente deformasjoner etter last fjernes) - Kompositt virkning av betong inni stål-rør - Grense for plastisk tøyning i ULS

Generell Forsvarlighet Fase 1a rapport (14.07-20.10.2014) Generell for alle plattformer med bølge-i-dekk Forsvarlig design og drift av innretninger Kan anvendes generelt

Tredjeparts verifikasjon Fase 1b rapport (16.07-20.10.2014) Forsvarlighets vurdering av Valhall QP og operatørens analyser Kommentarer og verifikasjonsfunn

Uavhengig analyser Fase 2 rapport (29.09-10.12.2014) Uavhengig analyse av Valhall QP Beregning av hele Plattform Følsomhets analyser Styrkning av funn fra fase 1b rapport

«Global mekanisme» ULS ~2,4 m WiD

Faglig resultat, ultra-kort Usikkerheter på analyse-parametere Bias i forhold til nyeste forskningsresultater Sensitiv analyse: laster, brud-former, stab-in detalj osv. Anbefaling fra Sintef-Marintek: Øke design bølge-kam med 1,5 m for å ta hensyn til Bla. økt kinematikk og arealeffekt Operatør argumenterte for at 1,1 meter var rimelig sikkerhet å legge til tidligere analyser med 0,9 m WiD 0,9 m + 1,5 m = 2,4 m nær «global mekanisme» i 2014? Konstruksjonen ikke fullt dokumentert i ULS

Unntakssøknad 12.08.2014 Plan om å avmanne i januar måned (50 dager) for å oppnå middel risiko tilsvarende 10-4 årlig sannsynlighet for tap av hovedsikkerhetsfunksjon (rømningsvei) «Gjennomsnitts» regning av risiko!?

MetOcean bølge statistikk 9,0 m Også risiko for store bølger i andre måneder!

Ptil «sær krav» vinter 2014/2015 Etter denne «risiko-betraktning» om avmanning i januar måned ga Ptil unntak for vinteren med skjerpet vilkår: (23.10.2014, 2012/986) Dvs. forlate plattformen tidligere innen «storm» Dette «sær-krav» er i realiteten resultatet av en avmanningsanalyse ihht. prinsippene i NORSOK N-006 inkludert de av operatøren foreslåtte 1,1 m bias på bølge-høyde analysene.

Avslag QP levetidsforlengelse 19.12.2014 Utdypet i vedlegg Vedlegget legger grunnlaget for analyse-vilkår DP & PCP

Operatøren analyser Problemer med å gjennomføre analysene for vinter-tid! - Ptil tolker at bekymring for ikke-lineære analyse var reel Korter inn på effektiv bruksperiode (mars-oktober) Analyserer periode hvor bølger statistisk er lavere enn WiD 0 m Vintersituasjon er delvis ukjent risiko pga. manglende analyse Risikohåndtering vinter for øvrige installasjoner med avmanning DP, PCP og Maersk Reacher.

Bølgeform og kinematikk Stor effekt på kinematikk resulterer i mindre effekt på last: Fra BP presentasjon 17. oktober 2014

Lastøkning og tidsforløp Jacket-belastning: ca. Bølge-i-dekk tillegg: ca. Steil bølgefront impuls: ca. 18MN (design) 10MN (ekstra) 22MN (ekstra) Base shear MN Tid [s] Fra BP presentasjon 17. oktober 2014

Store global deformasjoner 1 m 0,6m Forskyvning av topside Plastisk materiale Last ved sjøbunn: 30 MN ULS (ved slutt på levetidsforlengelse innen fjerning) Fra BP presentasjon 17. oktober 2014

Plastisk utnyttelse av materiale Plastisk = permanent forskyvning etter last er fjernet 1977 2014+ http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-iii/solids-and-fluids/elasticity-modulus.php

Samtykke, begrenset bruk QP 25.03.2015 (2015/352):

Normal Sikkerhet Ulykke If 11: 10-4 N-001, N-003 ALS (1,0) Bruddgrense If 56: 10-2 N-001, N-003 ULS (1,3 1,15) If 56 Robust Fulltids bruk uten restriksjoner Redusert Sikkerhet Avmanning N-006 unntak + vilkår 10-4! Bruddgrense If 56: 10-2 N-001, N-003 ULS (1,15 2 )! If 56 Robust! Begrenset bruk kompenserende avmanning og nedstenging Utilstrekkelig Sikkerhet (hele år ) sesong? Konstruksjon ikke i samsvar med regelverk eller NORSOK Håndtere risiko! Ikke tillat bruk i norsk oljevirksomhet (?) Tillat sesong-bruk! Usikkerhet?? Veil. if 11: Dersom laster, lastvirkninger eller motstand er usikre, bør det utføres målinger eller modellforsøk for å øke kvaliteten på analysene

Risikohåndtering, Valhall QP Sikkerheten for folk er ivaretatt ved at det ikke er (full) bemanning i høy-risiko perioden nov-feb. Bemannet 2/3 av året med avmannings-kriterum Sikkerhet for hydrokarbon lekkasje er ivaretatt ved at DP olje-brønner stenges basert på vær-varsel (rød) Sikkerhet for Maersk Reacher @ DP er ivarettatt med avmanning på vær-varsel (sort) Innretningene ellers (DP, PCP, M.R.) er betraktet som som «lav-konsekvens» og nytt feltsenter er betraktet som trygt for eventuell følge-skade fra (delvis) ødelagt QP Inspeksjoner etter avmanning/storm

«Sikkerhet i alle faser» [Ptil] Redusert konstruksjonssikkerhet! Økt krav til operasjonell- og beredskapsmessig sikkerhet! Passiv sikkerhet Aktiv sikkerhet som ikke krever handling som krever handling Aktiv sikkerhet avhenger av risikoforståelse! Krav til risiko- og beredskaps-analyser (styringsforskriften 17) Nytt risiko begrep i veiledning til rammeforskriften 11 Konstruksjonsanalyser blir i større grad grunnlag for videre analyse (ikke alene ALS, ULS, SLS, FLS)

Konstruksjonsanalyser Endret dokumentasjonskrav for ny anvendelse - Men, Ptil dokumentasjonsprosjekt ønsker å få redusert volum! - Kort, klart og presist om det vesentlige Bølge-i-dekk - Høyereordens-effekter og kinematikk fra steile bølger (forskning) (Sintef-Marintek rapport fra Ptil prosjekt, CrestJIP) Ikke lineære analyser - JIP med anbefalinger: Ny DNV-RP-C208 (DNVGL-RP-#) - Kalibrere analyseverktøyer til kjente grunn-tilfeller/lab/full-scale Akseptgrenser for ikke-lineære ULS (10-2 ) analyser - «essentially elastic local yield and nonlinear behaviour»? (ISO19900) - RP-C208 inneholde veiledninger, merk spesielt stabilitet av trykkede deler! Akseptgrenser for ikke-lineære ALS (10-4 ) analyser - Ingen global mekanismer eller progresiv kollaps («loss of integrity»,iso19900) Robust med redusert konstruksjonssikkerhet: - Avmanning og nedstengning etter Norsok N-006 - Norsok N-006:2015 anbefaler 1000 års tilstand sjekket «som ALS» IKKE GLEM FYSIKKEN!

Takk for oppmerksomheten!