วิศวกรรมโครงสร้างนอกชายฝั่งเบื้องต้น ตอนที่ 1/3

 

(Introduction to Offshore Structural Engineering)

 

K.Kurojjanawong

 

ลิ้งค์ไปตอนที่ 1/3 - http://blog.gooshared.com/view/140

 

ลิ้งค์ไปตอนที่ 2/3 - http://blog.gooshared.com/view/162

 

ลิ้งค์ไปตอนที่ 3/3 - http://blog.gooshared.com/view/163

 

ลิ้งค์ไปตอนรวม - https://kkurojjanawong.wordpress.com/2015/02/08/intro-offshore-structure/

 

ผมแปลจากเปเปอร์ข้างล่าง เป็นของอดีตหัวหน้าเก่าผมเมื่อสักประมาณ 10 ที่แล้ว เค้าเขียนไว้ในงานสัมมนาอะไรสักอย่างนี่หล่ะ ตอนนี้ก็แยกย้ายไปคนละทิศละทางหมดแล้ว เปเปอร์นี้เค้าเขียนค่อนข้างกว้างๆ น่าจะเหมาะสำหรับคนที่ไม่รู้เลยว่างาน Offshore Structure นี่มันมี Scope ขนาดไหน หลายคนอาจจะคิดว่ามันมีแต่รูปร่างหน้าตาเหมือนในทีวีที่ ปตท ชอบเอามาโชว์บ่อยๆ จริงๆ แล้วมันยังมีอีกเยอะ พออ่านจบแล้วคงพอจะได้ไอเดียกันบ้าง จะเขียนเองก็ขี้เกียจ เลยเอาของคนอื่นมาแปลดีกว่า บวกกับแก้ไขบ้าง เขียนเติมบ้างอย่าง แล้วก็เอารูปน่าสนใจๆ มาแปะแทน

 

แปลจาก

 

“Introduction to Offshore Structural Engineering”

1) PerIvar Lokstad, Senior Structural Engineer, Ph.D (Marine Technology, Norwegian Institute of Technology, Norway), Technip Geoproduction (M) Sdn Bhd, Malaysia

2) Khairudin Ahmad, Senior Structural Engineer, M.Eng. (Structural Engineering, Cornell University, USA), Technip Geoproduction (M) Sdn Bhd, Malaysia

 

บทคัดย่อ

 

วัตถุประสงค์หลักของแท่นขุดเจาะคือการสร้างขึ้นมาเพื่อรองรับอุปกรณ์ต่างๆ ที่มีความจำเป็นในงาน Oil and Gas ทั้งการขุดเจาะ การผลิต และการส่งขึ้นบนฝั่ง

 

บทความนี้จะเน้นไปที่การแนะนำโครงสร้างนอกชายฝั่ง หรือที่เรียกว่า Offshore Structure ทั้งในแบบ ยึดติดพื้นทะเล (Fixed Offshore Platform) หรือแบบ ลอยน้ำ (Floating Offshore Platform) โดยจะทำการแนะนำวัตถุประสงค์หลักของแท่นในแต่ละรูปแบบ ขั้นตอนการเคลื่อนย้ายและติดตั้ง  สภาวะแวดล้อมในทะเล รวมไปถึงผลของสภาพชั้นดินที่มีต่อโครงสร้างในทะเล

 

วิศวกรรมโครงสร้างนอกชายฝั่งในยุคใหม่จะออกแบบตามมาตรฐานสากลที่ร่างมาจากผลการวิจัยและประสบการณ์ของวิศวกรรุ่นเก่าๆ เอามาประยุกต์กับทฤษฏีวิศวกรรมดั้งเดิม โดยนับคอมพิวเตอร์เข้ามาช่วยในการออกแบบและสร้างสรรค์ โดยความท้าทายของงานวิศวกรรมนอกชายฝั่งมีหลัก ดังต่อไปนี้

 

• การออกแบบรับแรงที่สร้างสรรค์จากธรรมชาติ เช่น คลื่น กระแสน้ำ แรงดันน้ำ ลม และ แผ่นดินไหว รวมไปถึงการกัดกร่อนจากสภาพแวดล้อมในทะเล ซึ่งจะสูงกว่าสภาพบนฝั่ง
• การออกแบบรับความล้า (Fatigue) จากแรงกระทำซ้ำๆ จากลมและคลื่นในช่วงอายุใช้งานของโครงสร้าง 25 ถึง 50 ปี
• ออกแบบโครงสร้าง Topside (เทียบได้เหมือน Plant ที่อยู่ในทะเล) ในพื้นที่ที่ค่อนข้างจำกัด ในข้อกำหนดหรือความต้องการของเจ้าของงาน
• ออกแบบโครงสร้างรับช่วงติดตั้งและขนย้าย เช่น Contruction, Loading Out, Sea Transportation and Offshore Installation

 

Notation

 

1. FPSO                     Floating Production Storage and Offloading
2. GBS                       Gravity Base Structure
3. LMU                       Leg Mating Unit
4. MT                          Metric Tones
5. MODU                   Mobile Offshore Drilling Units
6. SSCV                    Semi Submersible Crane Vessel
7. TLP                       Tension Leg Platform

 

1. บทนำ

 

งานวิศวกรรมโครงสร้างถือเป็นงานหลักที่สำคัญในการวางแผนและออกแบบโครงสร้างแท่นขุดเจาะและผลิตน้ำมันในงาน Oil and Gas ทำให้มีการลงทุนในการพัฒนาและวิจัยอย่างต่อเนื่อง จนทำให้เทคโนโลยีมีการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดในช่วง 50 ปี ที่ผ่านมา ตั้งแต่ แท่นแบบยึดพื้นทะเล (Fixed Offshore Platform) แท่นแรกได้ทำการติดตั้งใน อ่าวเม็กซิโก

 

จนถึงทุกวันนี้มีแท่นแบบ ยึดพื้นทะเล (Fixed Offshore Platform) มากกว่า 9000 แท่น ได้ทำการติดตั้งไปแล้วทั่วโลกในระดับน้ำต่างๆ กัน ไปจนถึงน้ำลึกกว่า 400 ม (Bullwinkle Jacket ในอ่าวเม็กซิโก) รวมไปถึงมีการติดตั้งแท่นที่หนักถึง 650000 ตัน (Troll A GBS ในทะเลเหนือ)

 

แท่นแบบลอยน้ำ (Floating Production Platform) จะใช้ในบริเวณที่น้ำลึกมากๆ โดยสามารถใช้ในน้ำลึกได้ถึงกว่า 2000ม โดยแท่นแบบลอยน้ำแบบ Tension Leg Platform (TLP) ตัวแรกในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ติดตั้งที่ระดับความลึกน้ำประมาณ 1000ม ที่ West Seno Field ใน อินโดนีเซีย ในขณะที่แท่นแบบลอยน้ำแบ Spar ตัวแรกในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ติดตั้งที่ระดับน้ำประมาณ 1330ม ในปี 2007 ในน่านน้ำมาเลเซีย (Kikeh Spar)

 

การพัฒนาแหล่งทรัพยากรในทะเลต้องทำการศึกษาทั้งในเรื่อง Seismic และ Exploration Drilling โดยต้องทำการศึกษาทั้งความเป็นไปได้ในการทำงานของ Jack-up Rig สำหรับบริเวณที่น้ำลึกไม่เกิน 100ม หรือความเป็นไปได้ในการทำงานของ MODU (Mobile Offshore Drilling Units) ซึ่งจะใช้ขุดเจาะในบริเวณที่น้ำลึกมากๆ

 

ในการศึกษาความเป็นไปได้ต้องทำการศึกษาทั้งเรื่องความคุ้มค่าในการลงทุน รวมไปถึงด้านเทคนิคทางด้านวิศวกรรมโครงสร้าง

 

• การวางคอนเซ็ปโครงสร้างของแท่น (Fixed หรือ Floating Platform)
• การวางแผนในการผลิตในทะเล (มีการผลิดบางส่วน หรือ ร้อยเปอร์เซ็นต์ ในทะเล)
• ชนิดของ Drilling Facilities (MODU, Tender assisted or Jack-up Rig)
• เป็นแท่นที่มีคนอยู่ทำงานหรือไม่

 

การขนส่งทรัพยากรกลับไปยังฝั่ง (Riser, Shutter-tanker, Power-plant, Re-injection)

 

โครงสร้างแบบ Jacket โดยปกติจะเป็นแบบหอคอยสูงก่อสร้างด้วยท่อขนาดใหญ่ทีมีการค้ำยันอย่างเหมาะสม โดยมีวัตถุประสงค์สองอย่าง อย่างแรกคือรับน้ำหนักที่กดลงมาของโครงสร้างที่อยู่ข้างบนหรือทีเรียกว่า Topside เพื่อให้มีความเสถียรภาพทางดิ่ง และช่วยยกโครงสร้างข้างบนให้พ้นจากระดับที่จะได้รับผลกระทบจากคลื่น อย่างที่สองคือช่วยรับแรงกระทำด้านข้างและช่วยปกป้องกันการเสียหายของท่อขุดเจาะ และท่อขนส่งที่อยู่ในบริเวณแท่น

 

วัตถประสงค์หลักของโครงสร้าง Topsides หรือส่วนที่อยู่ข้างบน คือ ใช้เป็นบริเวณในการขุดเจาะ ใช้เป็นส่วนในการผลิตและแยกก๊าซหรือน้ำมัน ใช้ในการวางวัสดุหรืออุปกรณ์ที่จำเป็น เช่น Pump, Compressor, Power Generation หรือแม้กระทั่งส่วนที่เป็นที่พักสำหรับพนักงานที่ออกไปปฏิบัติงานกลางทะเล

 

2. ชนิดของแท่น (Platform Type)

 

แท่นแบบยึดติดพื้นทะเล หรือที่เรียกว่า Fixed Offshore Platform เป็นแท่นที่พบมากที่สุดในโลก ใช้ในระดับน้ำตื้นๆ ถึง ลึกปานกลาง ไม่เกิน 400ม สำหรับโครงสร้างแบบ Jacket ไม่เกิน 300ม สำหรับโครงสร้างแบบ Gravity Base Structure (GBS) ไม่เกิน 600ม สำหรับโครงสร้างแบบ Compliant Tower (GBS และ Compliant Tower คืออะไร จะพูดต่อไปในหัวข้อถัดไป)

 

แท่นแบบลอยน้ำ หรือที่เรียกว่า Floating Offshore Platform ใช้เมื่อโครงสร้างแบบ Fixed Offshore Platform เริ่มมีความไม่คุ้มค่าในการลงทุน เช่นต้องเปลืองเหล็กในการก่อสร้างและติดตั้งจำนวนมาก ซึ่งเป็นการสิ้นเปลืองโดยใช่เหตุ โดยแท่นแบบลอยน้ำสามารถใช้กับระดับน้ำลึกได้จนถึงประมาณ 3000ม (บทความนี้เขียนนานแล้วนะครับ ตอนนี้น่าจะเกินไปแล้ว)

 

นอกเหนือจากความลึกของน้ำที่ถือเป็นข้อจำกัดหลักในการเลือกชนิดของโครงสร้างแท่นแล้ว ตัวน้ำหนักของส่วนโครงสร้างที่อยู่ด้านบน หรือที่เรียกว่า Topsides ลักษณะของชั้นดิน สภาพภูมิอากาศบริเวณแหล่งทรัพยากร และวิธีในการขนส่งทรัพยากรขึ้นฝั่ง (เก็บใส่ถังบนเรือแล้วขนไปทีเดียว หรือ ส่งผ่านท่อใต้ทะเล ) การเลือกรูปแบบการขุดเจาะ (Dry หรือ Wet Tree) ความสามารถในการก่อสร้างของยาร์ดต่างๆ ในโลก รวมไปถึง เรือยก เรือขน เรือ launch และการติดตั้งในทะเล ล้วนเป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาในการเลือกรุปแบบของแท่นในแต่ละแหล่งผลิต

 

 

รูปที่ 1 Various Type of Offshore Platform

 

2.1 แท่นแบบยึดติดพื้นทะเล (Fixed Offshore Platform)

 

เกินกว่า 90% ของแท่นที่อยู่ในทะเลทั่วโลกจะเป็นแบบที่เรียกว่า Steel Frame Structure หรือ Jacket ซึ่งจะยึดติดกับพื้นทะเลโดยการตอกด้วยเข็มเหล็กกลวงเพื่อช่วยรับแรงทั้งในด้านข้างและแนวดิ่ง โดยปกติจะก่อสร้างด้วยท่อขนาดใหญ่มีขนาดเล็กๆ ไปจนถึง เส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 3ม  ดูรูปที่ 2

 

 

รูปที่ 2 Jacket

 

Concrete Gravity Base Structure (CGBS) ซึ่งถือเป็น GBS แบบหนึ่งซึ่งก่อสร้างด้วยคอนกรีตมีการนิยมใช้กันมากในแถบทะเลเหนือ โดยใช้หลักการแบบพื้นฐานด้วยการใช้น้ำหนักมาต้านแรงกระทำด้านข้างจากคลื่น กระแสน้ำและลม และมีประโยชน์ในการใช้บางส่วนของโครงสร้างเป็น Storage Tank ได้ด้วย และยังมีค่าบำรุงรักษาที่ค่อนข้างต่ำ ดูรูปที่ 3

 

 

รูปที่ 3 Gravity Base Structures

 

Compliant Tower เป็นโครงสร้างแท่นแบบที่มีความชะลูดสูงมาก อาจจะเรียกอีกอย่างได้ว่าเป็น Jacket แบบที่ไม่มี Batter (ขาไม่เอียง) ยึดติดกับพื้นทะเลโดยการตอกเสาเข็ม หรือบางครั้งอาจจะใช้สลิงดึง ซึ่งในแบบหลัง บางครั้งจะเรียกว่า Guy Tower (เกร็ดความรู้ ทั่วทั้งโลกมีอยู่แค่ตัวเดียว ชื่อว่า Lena Guy Tower เข้าใจว่าอยู่ในอ่าวเม็กซิโกนะ) โดยปกติโครงสร้างแบบนี้ที่มีความชะลูดสูงมากจะมีคาบในการสั่นหรือ Natural Period ประมาณ 25-30 วินาที ซึ่งจะสูงกว่าคาบของคลื่นทั่วไปอยู่เกินสองเท่าตัว ทำให้สามารถหลบช่วง Dynamic Amplification Zone ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะตรงกันข้ามกับโครงสร้างแบบ Jacket ที่จะมีคาบการสั่นอยู่มากที่สุดไม่เกิน 5-6 วินาที ซึ่งก็หลบอยู่ในโซนล่างของ Dynamic Amplification Zone ดูรูปที่ 4

 

 

รูปที่ 4 Compliant Tower

 

Jack-ups หรือเรียกอีกอย่างว่า Self-Elevated Platform เป็นโครงสร้างที่สามารถยกตัวขึ้นลงเอง ลอยน้ำ และเคลื่อนที่ไปที่อื่นได้ได้ เริ่มใช้มาตั้งแต่ประมาณปี 1955 ส่วนใหญ่ใช้เป็นแท่นเจาะ โดยจะมีหัวเจาะ และอุปกรณ์ต่าง จะทำการเคลื่อนตัวไปขุดเจาะยังแท่น wellhead ต่างๆ ที่ได้รับหมอบหมาย ส่วนใหญ่จะได้ในน้ำลึกไม่เกิน 100ม (จริงๆ ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน ใช้ได้ถึง 150ม แล้ว) ใน ปัจจุปัน ได้มีการประยุกต์นำมาใช้เป็นแท่นผลิตบางแล้ว โดยมาจากจะมี 3-4 ขาแนวดิ่ง รอบรับด้วยฐานรากแบบพิเศษซึ่งจะมีทั้งแบบ Spud Can, Single Mat Foundation หรือ Suction Caisson  ดูรูปที่ 5

 

 

รูปที่ 5 Jack-up

 

2.2 แท่นแบบลอยน้ำ (Floating Offshore Platform)

 

แท่นแบบลอยน้ำก็จะมีลักษณะเป็นตามชื่อ คือลอยอยู่ในน้ำ แต่จริงๆ แล้วหลายๆ รูปแบบจะไม่ได้ลอยอยู่ในน้ำเดี่ยว แต่จะมีการยึดรั้งด้วยเคเบิลซึ่งจะไปยึดติดกับ anchor pile ที่ตอกกับพื้นทะเล เพื่อเพิ่มเสถียรภาพให้กับโครงสร้าง แท่นแบบลอยน้ำรูปแบบหลักๆ ก็จะมีดังต่อไปนี้

 

Semi-submersible production platform (รูปที่ 6) เป็นแท่นที่ลอยน้ำอยู่โดยอาศัย inertia ของโครงสร้างบวกกับ catenary mooring line (หรือบางครั้งเรียกว่า slack mooring) ในการช่วยต้านแรงจากคลื่นและลม ตัว Hull (ส่วนที่เป็นกล่อง) อาศัยหลัก traditional drilling semi มี pontoon (กล่องที่อยู่ในแนวนอน) ช่วยให้สามารถสร้างความสมดุลให้โครงสร้างทำให้รับน้ำหนักได้มากขึ้น ส่วนใหญ่จะมี 4 ถึง 6 เสา โดยมากมักจะมีปัญหาเรื่องการเคลื่อนตัวทางดิ่ง (Heave Motion) ทำให้ต้องพิจารณาเกี่ยวกับเรื่องหัวเจาะที่อยู่ใต้ทะเล (Wet Tree) เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายในกรณีที่มีการเคลือนตัวสูงๆ ซึ่งจะทำให้ราคาสูงกว่าการใช้หัวเจาะที่อยู่เหนือระดับน้ำทะเล (Dry Tree)

 

 

รูปที่ 6 Semi-Submersible

 

Floating Production Storage and Offloading (FPSO) (รูปที่ 7) เป็นเรือแบบ Mono-Hull คล้ายๆ Tanker ทั่วๆ ไป จุดเด่นคือสามารถใช้เป็นที่เก็บกักหรือ Storage ได้ด้วยในจุดที่ไม่มีปัญหาในการเชื่อมต่อกับท่อส่ง บางครั้งจำเป็นต้องมี mooring line ในการยึดให้ FPSO มีเสถียรภาพมากขึ้น แล้วก็คล้ายกับ Semi-submersible คือมีปัญหาเรื่อง Heave Motion สูง ทำให้จำเป็นต้องใช้หัวเจาะที่อยู่ใต้ทะเลเท่านั้น (Wet Tree)

 

 

รูปที่ 7 FPSO

 

Tension Leg Platform (TLP) มีลักษณะเป็น Hull Shape Structure เหมือนกับ Semi-Submersible แต่มีการยึดรั้งด้วยด้วยท่อที่เรียกว่า Tendons ที่ใต้ column โดยจะยึดติดที่พื้นทะเล โดยมากจะมี 3-4 column ต่อกับ pontoon ในบางครั้งที่ส่วน topside มีน้ำหนักไม่มากอาจจะมีแค่ 1 column เหมือนอย่างในรูปที่ 8 ซึ่งในกรณ๊นี้จะมีชื่อเรียกเฉพาะว่า Mini TLP ตัว Tendon จะมีการออกแบบให้เกิดแรงดึงอยู่ตลอด ทำให้เกิดเสถียรภาพในโครงสร้างช่วงที่มีพายุ โดยมีการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งไม่มาก ทำให้อาจจะใช้เป็นแท่นขุดเจาะเหมือนแท่นแบบยึดติดพื้นได้ด้วย ส่วนแรงด้านข้างอาศัยตัว inertia ของโครงสร้างในการช่วยต้านเหมือนกับ semi-submersible และ FPSO

 

 

รูปที่ 8 Tension Leg

 

Spar (ดูรูปที่ 9) ใช้หลักการ Deep Draft Cylinder หรือท่อขนาดใหญ่ โดยมี ตัว riser ซ่อนอยู่ข้างในตัว Cylinder ทำให้ได้รับการป้องกันจากแรงกระทำจากคลื่นและลม Spar มีข้อได้เปรียบตรงที่มี water plane area ต่ำ แล้วก็มีน้ำหนักมาก ทำให้การเคลื่อนตัวต่ำโดยเฉพาะในแนวดิ่ง

 

 

รูปที่ 9 Spar

 

3. ข้อกำหนดในการออกแบบ (Design Criteria)

 

โดยปกติในการออกแบบโครงสร้างแท่นหนึ่งๆ จำเป็นที่จะต้องออกแบบให้เป็นไปตามมาตราฐานสากล (International Standard Code) มาตรฐานท้องถิ่น (Local Governmental Regulation) รวมไปถึง ข้อกำหนดของเจ้าของงานนั้น ๆ (Developer Specification)

 

ดังนั้นจึงต้องมีการจัดทำ Design Procedure หรือ Design Basis จะใช้ในการออกแบบงานนั้นๆ โดยจะต้องครอบคลุมข้อกำหนดมาตรฐานที่กล่าวมาข้างต้น ทั้งในช่วง pre-service (construction, load-out, sea transportation และ installation) และช่วง in-service ตลอดจนไปถึงช่วงรื้อถอนหลังจากเลิกใช้งาน โดย Design Basis จะใช้เป็นเอกสารอ้างอิงในการออกแบบโครงสร้างในงานนั้นๆ ทั้งหมด เรียกได้ว่าเป็นเอกสารที่มีความสำคัญที่สุดในการออกแบบโครงสร้าง

 

สำหรับโครงสร้างแท่นอย่าง Jacket Type โดยส่วนใหญ่มาตรฐานมีการพัฒนามาจากงานที่อยู่ในอ่าวเม็กซิโกในอเมริกาเป็นหลัก มาตรฐานที่ใช้กันเป็นหลักอย่าง American Petroleum Institue (API) Recommended Practice 2A มีการตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1960 แล้วก็มีการพัฒนาเรื่อยมาจากประสบการณ์ที่สั่งสมในการวิจัยและภัยธรรมชาติที่เกิดขึ้นหลายๆ ครั้ง อย่างไรก็ดีหลังการจากสัมมนากันของหลายประเทศ ทำให้มีการ มาตรฐาน ISO ซึ่งจะกลายเป็นมาตรฐานสากลที่สำหรับอุตสาหกรรมนี้ทั่วโลก

 

อย่างไรก็ดีในหลายๆ งาน มีข้อกำหนดจากเจ้าของงานด้วยว่าโครงสร้างต้องผ่านการรับรองจากบริษัทที่เรียกว่า Certifying Authority (CA) เช่น Det Norske Veritas (DNV), American Bureau of Shipping (ABS), Lloyds Register of Shipping, Bureau Veritas (BV), Germanisher Lloyds ซึ่งในแต่ละ CA ก็ยังจะมีมาตรฐานของตัวเองอีก โดยบริษัทเหล่านี้จำทำหน้าทีแทนเจ้าของงานในการตรวจสอบการออกแบบ และรับรองโครงสร้าง รวมไปถึงประกันภัยให้กับตัวโครงสร้างตลอดช่วงอายุการใช้งาน

 

นอกเหนือจากนั้นยังมีอีกปาร์ตี้ที่เรียกว่า Marine Warranty Surveyors (MWS) ที่จะเป็นบริษัทที่จะเข้ามารับรองโครงสร้างในช่วงการติดตั้ง ซึ่งก็จะมีข้อกำหนดข้อแต่ละบริษัทแยกต่างหาก

 

ดังนั้นการออกแบบโครงสร้างแท่นหนึ่งๆ จำเป็นต้องรู้ว่าจะต้องใช้มาตรฐานใดในการออกแบบบ้าง โดย Design Basis ต้องร่างให้ครอบคลุมทุกข้อกำหนดที่จะต้องใช้เพื่อเป็นมาตรฐานในการออกแบบงานนั้น รวมไปถึงใช้อ้างอิงในอนาคตในกรณีที่ต้องมีการต่อเติมโครงสร้างเพื่อเพิ่มการผลิต