การวิบัติของโครงสร้างนอกชายฝั่งแบบคอนกรีตถ่วงน้ำหนัก Sleipner Alpha ตอนที่่ 1/3

The Sinking of Offshore Concrete Gravity Base - Sleipner Alpha 1/3

 

การวิบัติของโครงสร้างนอกชายฝั่งแบบคอนกรีตถ่วงน้ำหนัก Sleipner Alpha 1/3

 

K.KUROJJANAWONG

 

Link ตอนที่ 1/3 - http://blog.gooshared.com/view/166

 

Link ตอนที่ 2/3 - http://blog.gooshared.com/view/167

 

Link ตอนที่ 3/3 - http://blog.gooshared.com/view/168

 

Link รวมทุกตอน - https://kkurojjanawong.wordpress.com/2015/02/22/sleipnera/

 

Link ตอนที่ 1/3 - http://blog.gooshared.com/view/166 - See more at: http://blog.gooshared.com/view/167#sthash.FbAyfs7L.dpuf
Link ตอนที่ 1/3 - http://blog.gooshared.com/view/166 - See more at: http://blog.gooshared.com/view/167#sthash.FbAyfs7L.dpuf

Abstract

 

การวิบัติของโครงสร้างนอกชายฝั่งแบบคอนกรีตถ่วงน้ำหนัก (Concrete Gravity Base Structure, GBS) Sleipner Alpha ถือเป็นบทเรียนที่สำคัญในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ ความผิดพลาดในการคำนวณและออกแบบของวิศวกรโครงสร้างจากมองข้ามความสำคัญของชิ้นส่วนเล็กๆ และใช้โปรแกรมสำเร็จรูปมากไป จนลืมพื้นฐานของ Structural Mechanic กลายเป็นความวิบัติของโครงสร้างทั้งหมดที่มีราคาสูงถึง 700 ล้านยูเอสดอลล่าร์ (ราคาเมื่อ 20 กว่าปีที่แล้ว ถ้ามาพังตอนนี้คงราคาสูงกว่านี้เยอะเลย) เมื่อวันที่ 23 สิงหาคม 1991 โครงสร้างแตกละเอียด จมอยู่ใต้พื้นทะเล จับแรงสั่นสะเทือนจากการกระแทกพื้นทะเลของโครงสร้างโดยเครื่องตรวจวัดบนฝั่งบริเวณใกล้เคียงเทียบเป็นแรงแผ่นดินไหว 3 ริกเตอร์

 

Introduction

 

ช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาอุตสาหกรรมน้ำมันและพลังงานมีการเจริญเติบโตอย่างสูงมาก ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการพัฒนาทางเศรษฐกิจและอุตสาหกรรม ทำให้มีความต้องการในการใช้พลังงานสูงขึ้น เมื่อมีดีมานท์ ทำให้ก็ต้องมีซับพลายท์ จึงรวมมาถึงการพัฒนารูปแบบโครงสร้างในแบบต่างๆ ให้สามารถทนกับสภาวะแวดล้อมที่ค่อนข้างรุนแรงในทะเล โดยเฉพาะในทะเลเหนือ (North Sea) ซึ่งถือเป็นทะเลที่ดุที่สุดในโลกในช่วงทศวรรษ 70-90 (หลังเฮอริเคนหลายลูกเกิดในอ่าวเม็กซิโก ช่วงสิบกว่าปีที่ผ่านมา ตอนนี้ อ่าวเม็กซิโกกลายเป็นบริเวณที่คลื่นลมแรงแซงทะเลเหนือ ไปนิดๆ เรียบร้อยแล้ว)

 

โครงสร้างเหล็กถือเป็นรูปแบบโครงสร้างที่ได้รับความนิยมเป็นอย่างมากก่อนทศวรรษที่ 70 แต่เนื่องจากเทคโนโลยีเกี่ยวกับโครงสร้างเหล็กในขณะนั้น ทำให้ได้โครงสร้างที่ราคาที่สูงแล้วก็ยังต้องการการบำรุงรักษาค่อนข้างมาก จึงทำให้โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก กลายมาเป็นตัวคู่แข่งกับเหล็ก อย่างที่เลี่ยงไม่ได้

 

ข้อดีของ Concrete Material

 

  • Strength: คอนกรีตเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติในการรับแรงกดที่สูงมากเมื่อเทียบกับเหล็ก ในขณะที่ความสามารถในการรับแรงดึง สามารถที่จะใช้เหล็กเสริมกับการช่วยปรับปรุงคุณสมบัติส่วนนี้ได้
  • Durability: คอนกรีตเป็นมีคุณสมบัติที่ค่อนข้างทนทานในทะเล แล้วยังมีคุณสมบัติพื้นฐานของคอนกรีตที่เป็นด่าง (Alkaline Nature) จึงทำให้ช่วยที่จะป้องกันการกัดกร่อนที่จะเกิดขึ้นในเหล็กเสริมที่อยู่ในคอนกรีตได้อย่างดี
  • Maintenance: คอนกรีตต้องการ การบำรุงรักษาที่ต่ำมากเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็ก
  • Fatigue: ความล้าหรือ Fatigue ในคอนกรีต ถือว่าค่อนข้างต่ำเมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างเหล็ก
  • Safety: มีความสามารถในการทนไฟสูงกว่าเหล็กอย่างเห็นได้ชัด
  • Track Record: ประสบการณ์ในการนำคอนกรีตมาใช้ในงานโครงสร้าง มีมาอย่างยาวนาน รองรับด้วยงานวิจัยจำนวนมาก
  • Quality Control: สามารถ inspection และ ทดสอบ ได้ง่าย

 

ข้อดีของ Concrete Gravity Base

 

  • Topsides Weight: สามารถที่จะออกแบบให้รับน้ำหนัก Topsides ได้หนักมาก เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัวของคอนกรีต
  • Storage: สามารถออกแบบให้มีถังกักเก็บน้ำมันได้ในตัว
  • Transportation and installation:  ประหยัดค่าขนส่งและติดตั้ง เนื่องจากสามารถที่จะติดตั้ง Topsides ไปพร้อมกับ Substructure แล้วลากไปยังที่หมาย ทำให้ไม่ต้องการ Crane Barge ในการติดตั้ง แล้วยังไม่ต้องทำการ hook-up commissioning อีกด้วย
  • Durability and maintenance: มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน แต่ต้องการการบำรุงรักษาที่ต่ำ
  • Seabed condition: ถ้าฐานรากดีๆ CBS สามารถที่จะนั่งลงไปได้ทันที โดยไม่ต้องทำอะไรเพิ่ม แต่ถ้าฐานรากกำลังไม่เพียงพอ อาจจะต้องมีการทำ Skirt ช่วยเพื่อเพิ่มกำลังรับแรง
  • Collision strength: คอนกรีตมีความทนทานต่อ local damage ค่อนข้างสูงมาก
  • Ice infested area: คอนกรีตมีความเหมาะสมในการที่จะออกแบบให้รับแรงกระแทกจากธารน้ำแข็ง (ice berg) โดยเฉพาะในแถบ Arctic
  • Local content: ในโซนที่ไม่สำคัญมาก สามารถใช้แรงงานที่ไม่ต้องมี skill มากๆ ก็ได้ ถ้ามีการควบคุมงานที่ดี
  • Decommissioning: สามารถที่ออกแบบให้ถอนด้วย ระบบ reverse installation ได้ คือ ติดตั้งมายังไงก็ถอนออกไปแบบนั้น

 

Concrete Gravity Base Structure (CGBS)

 

โครงสร้างนอกชายฝั่งแบบคอนกรีตถ่วงน้ำหนัก หรือ Concrete Gravity Base Structure (CGBS) เป็น Fixed Type Offshore Structure รูปแบบหนึ่ง พัฒนาโดยวิศวกรชาวนอร์เวย์ช่วง ทศวรรษที่ 70 น้ำหนักของ Concrete Substructure มีตั้งแต่ 3,000จนไปถึง 1,200,000 ตัน สามารถจะออกแบบให้รับน้ำหนัก Topsides ได้สูงถึง 5,000 ถึง 52,000 ตัน กักเก็บน้ำมันได้ถึง 400,000 ถึง 2,000,000 บาร์เรล (คิดเป็นน้ำหนักประมาณ 50,000 ถึง 270,000 ตัน)

 

คอนเซ็ปโดยคร่าวๆ คือ อาศัยน้ำหนักของโครงสร้างในการต้านทานแรงด้านข้างจากคลื่น กระแสน้ำ ลม และ แผ่นดินไหว ถ้าฐานรากมีความแข็งแรง โครงสร้างจะสามารถนั่งอยู่บนพื้นทะเลได้โดยไม่จำเป็นต้องมีอะไรยึดติดกับพื้นทะเล แต่ถ้าฐานรากมีความแข็งแรงไม่เพียงพอ อาจจะมีการทำ Skirt Structure เพื่อจะปักลงไปในดินระยะหนึ่ง เพื่อที่จะ Confined Soil Displacement และก็เพิ่มกำลังของฐานราก รวมไปถึงกำลังในการรับแรงด้านข้างด้วย

 

CGBS โดยทั่วไป จะเป็นแบบ base caisson หรือแบบที่มีถังกักเก็บน้ำมัน (Storage Tank) ที่ฐาน แล้วมีเสาคอนกรีตสูง (Concrete Shaft) โผล่พ้นน้ำ สำหรับรองรับโครงสร้างส่วนบน (Topsides) โดยในส่วน Concrete Shaft อาจจะมีส่วนควบคุมระบบกักเก็บ หรือ ระบบท่อส่งน้ำมัน จาก Storage Tank ขึ้นสู่ Topsides เพื่อทำ Production หรืออาจจะมีส่วน Drilling ฝังอยู่ในนั้นด้วยก็ได้

 

อย่างไรก็ดี CGBS ที่มีหลักๆ ในโลกอาจจะแบ่งได้เป็น 5 แบบหลักๆ ดังต่อไปนี้ (ดูรูปที่ 1)

 

  • Condeep (with one, two, three or four columns)
  • ANDOC (with four columns)
  • McAlpineSea Tank (with two or four columns)
  • C G Doris
  • Ove Arup

 

 

รูปที่ 1 Various Type of Concrete Gravity Base Structure [14]

 

โดย CGBS ตัวแรกเป็นของ บริษัท Phillips Petroleum ชื่อ Ekofisk Platform หรือบ้างครั้งจะเรียกว่า Ekofisk Tank ติดตั้งในทะเลเหนือในน้ำลึก 73ม ปี 1973 ออกแบบโดย บริษัท C.G. Doris จากประเทศนอร์เวย์

 

 

รูปที่ 2 Phillip Petroleum’s Ekofisk Concrete Gravity Base Structure – 1st CGBS in the World (1973)

[courtesy of Norsk Oljemuseum]

 

ในปัจจุบัน Offshore Concrete Base Structure ทั้งหมด 41 ตัวทั่วโลก ดังแสดงในรูปที่ 3 แต่เนื่องจากในรูปที่ 3 เป็นข้อมูลถึงปี 2000 โดยหลังปี 2000 มี CGBS ติดตั้งอีกทั้งหมดคือ 4 ตัวคือ Sakhalin’s Lunskoye A, Sakhalin’s PA-B, Sakhalin’s Arkutun Dagi, Exxon’s Hebron โดยเกือบทั้งหมดติดตั้งในทะเลเหนือ และ มีเพียง 1 ตัวที่อยู่ในทวีปเอเชีย คือ Shell’s Malampaya โดยอยู่ในทะเลฟิลิปปินส์

 

 

รูปที่ 3 Number of Concrete Platforms in the World up to Year 2000 [17]

 

The “Condeep” Type CGBS

 

Condeep CGBS เป็นรูปแบบที่พัฒนาในช่วงทศวรรษที่ 70 จากมันสมองของโคตรวิศวกรโครงสร้างชาวนอร์เวย์ ชื่อ Dr.tech Olav Olsen โดย Dr.Olsen ถือเป็นวิศวกรที่มีชื่อเสียงมากในนอร์เวย์ในยุค 60-90 โดยถือเป็นเทพเจ้าด้าน Shell Structure ของนอร์เวย์ มีผลงานเด่นๆ ทั้งในตึก อาคาร และสะพาน อย่างเช่น Norcem Shell Roof, Oslo Police Building, Elgesaeter Bridge’ (1951) และ Tromso Bridge (1960)

 

ในปี 1964 Dr.Olsen ตัดสินใจเปิดบริษัทเล็กๆ โดยใช้ชื่อตัวเองเป็นเครื่องหมายการค้าจากชื่อเสียงที่สะสมมา โดย บริษัท ชื่อ Dr.tech Olav Olsen AS ในปี 1972 ภาพร่างแรกของ Condeep CGBS ถูกร่างขึ้นที่บริษัทเล็กๆ ที่มีอายุเพียง 8 ปี มีพนักงานเพียง 13 คน กลายเป็นจุดเปลี่ยนให้กลับ Dr.Olsen เนื่องจาก Condeep กลายเป็นคอนเซ็ปที่ทุกคนคิดว่าดีที่สุดสำหรับ CGBS Condeep ถูกสร้างขึ้นถึง 5 ตัว ภายใน 4 ปี (1975-1977)  คือ Brent A, B and D, Frigg TCP2 และ Statfjord A และอีก 9 ตัวในเวลาอีก 18ปีให้หลัง รวมถึง Troll A ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ได้ชื่อว่าเป็น World largest movable structure และเป็น CGBS ที่สูงที่สุดในโลกอีกด้วย

 

โดยในจำนวน CGBS ทั่วโลกทั้งหมด 41 ตัว เป็น Condeep Type รวม 14 ตัว คิดเป็น 34% หรือประมาณ 1 ใน 3 ของ CGBS ทั้งหมด อย่างไรก็ดี หลังจาก Troll A ติดตั้งในปี 1995 ยังไม่มีโครงสร้าง CGBS แบบ Condeep อีกเลย รวมแล้วถึง ปี 2015 Condeep หายไปจากตลาดแล้วถึง 20 ปี ซึ่งการ Collapse ของ Sleipner A ในปี 1991 ก็อาจจะเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ความนิยมใน Condeep type มันลดลงอย่างรวดเร็ว เนื่องจากพบจุดอ่อนที่สำคัญมากของโครงสร้างแบบนี้ ประกอบกับโครงสร้างแบบอื่นได้พัฒนาขึ้นจนกลายเป็นคู่แข่งที่สำคัญของ Condeep Type CGBS

 

 

รูปที่ 4 Dr.tech Olav Olsen on broad during Condeep tow-out [15]

 

Condeep GBS ประกอบไปด้วย Concrete Cell รูปร่างทรงกระบอกจำนวนหนึ่งมาต่อกัน เพื่อที่จะ form mat foundation ขนาดใหญ่ โดยมีส่วนยื่นสูงพ้นน้ำเรียกว่า Shaft อาจจะมีจำนวน 1 ถึง 4 เสา แล้วแต่ขนาด Topsides โดยจะมีการลดขนาดลงในบริเวณที่ใกล้ผิวน้ำ หรือ Splash zone เพื่อจะลดแรงที่กระทำต่อโครงสร้าง ในส่วนที่เป็น Cells อาจจะใช้เป็น Storage Tank เพื่อกักเก็บน้ำมัน หรือจะใส่ Solid Ballast หรือ น้ำทะเล เพื่อช่วยในการควบคุมเสถียรภาพของโครงสร้างก็ได้

 

 

รูปที่ 5 Gullfaks C Condeep Type Concrete Gravity Base [18]

 

Condeep type CGBS ถูกพัฒนาในประเทศนอร์เวย์ โดยความร่วมมือของ บริษัท Dr.tech Olav Olsen AS (OO) และ บริษัท Norwegian Contractor AS (NC ตอนนี้เป็นส่วนหนึ่งของ บริษัท Aker Solutions AS) ในช่วงต้นของ ทศวรรษ 70 โดยทั้งหมด 14 ตัว ถูกสร้างขึ้นระหว่างปี 1975-1995 Sleipner A ที่เกิดการ Collapse ถือเป็นตัวที่ 12 ถือเป็น Condeep CGBS ตัวที่อยู่ในน้ำตื้นที่สุด คือ 82 ม สำหรับ CGBS รูปแบบนี้ด้วย นอกนั้นจะอยู่ในน้ำลึกมากว่า 100 ม ทั้งหมด

 

เรื่องที่น่าสังเกตอย่างหนึ่งคือ Sleipner A (1st lowest in WD of 82m-1991 and 1993), Draugen (2nd Tallest in WD of 251m-1993) และ Troll A (1st Tallest CGBS in 303m-1995) เป็น Condeep CGBS ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่ค่อนข้างคาบเกี่ยวกัน โดย Sleipner A เป็น ตัวที่เล็กที่สุด โดยออกแบบและก่อสร้างโดย บริษัทเดียวกันทั้งสามตัว คือ บริษัท partner ระหว่าง OO และ NC จึงทำให้ Sleipner A อาจจะถูกมองข้ามไปรึป่าว เนื่องจากโดนขนาบด้วยอภิมหาโปรเจ็ค ถึงอีกสองงานในบริษัทเดียวกัน เป็นไปได้ว่ามือหนึ่งของ บริษัท อาจจะไม่ได้รวมใน Sleipner A เนื่องจากมีอีกสองงานที่ค่อนข้างสำคัญกว่า

 

 

รูปที่ 6 Various Condeep CGBS Type during 1988 to 1995 [courtesy of Holand, I.]

 

 

รูปที่ 7 Concrete platform construction and installation [courtesy of MSL Engineering]

 

รูปที่ 7 แสดงภาพรวมขั้นตอนการก่อสร้างและการขนย้าย CGBS จะเห็นว่า ส่วนฐานที่เป็น Storage Tank จะถูกก่อสร้างในอู่แห้ง (Dry Dock) ในช่วงแรก ก่อนที่จะค่อนลอยมันออกมาแล้วก่อสร้างเพิ่มเติมข้างนอก เมื่อส่วนฐานเสร็จแล้วจะต้องมีการทดสอบระบบเสถียรภาพของโครงสร้างในระดับน้ำที่อาจจะลึกกว่าใช้งานจริง เนื่องจากต้องจมส่วนฐานให้ต่ำลง เพื่อให้สามารถจะวาง Topsides ลงได้ ก่อนที่จะลากแบบที่ลอยน้ำไปยังสถานที่ที่ต้องการ

 

The Accident

 

Sleipner A-1 ขอเรียกว่า A-1 เนื่องจากตัวนี้พังไป แล้วมีการสร้างขึ้นมาใหม่โดยยังใช้ชื่อ Sleipner A งั้นตัวที่อยู่ในทะเลเหนือในปัจจุบันจะคือตัวที่สร้างขึ้นมาแทน ต่อไปจะเรียกว่า Sleipner A-2

 

 

รูปที่ 8 Artist Impression of Sleipner A Platform [courtesy of Norsk Oljemuseum]

 

Sleipner A-1 เกิดอุบัติเหตุขึ้นในช่วงรุ่งเช้าของวันที่ 23 สิงหาคม 1991 ซึ่งอยู่ในช่วงการทดสอบระบบเสถียรภาพของโครงสร้าง (Control Ballast Test) ก่อนที่จะทำการ mating กับ Topsides โดยโครงสร้างศูนย์เสียการควบคุมแล้วจมลงใต้ทะเลที่บริเวณ Gandfjord ใกล้ๆกับ Stavanger

 

 

รูปที่ 9 Location of the Sleipner Oil Field and Site of Sleipner A Loss [22]

 

ช่วงที่เกิดเหตุ Sleipner A-1 ถูกหย่อนลงไปที่ความลึกน้ำประมาณ 99ม และมีการปั๊มน้ำเข้าไปใน Storage Tank สูงประมาณ 30.5ม ทำให้โครงสร้างส่วนที่เป็น Cell ที่เป็นผนังของ Storage Tank ต้องรับแรงที่เกิดจากส่วนต่างของความดัน (Hydrostatic Pressure) ที่เฮดสูงประมาณ 67ม ซึ่งจริงๆ แล้วก็ยังอยู่ในระดับที่ออกแบบไว้ เพราะโครงสร้างต้องทนแรงดันน้ำที่ความลึก 82ม ที่จะเอาไปตั้งจริงได้ อย่างไรก็ดี ก่อนหน้านั้นไม่กี่วัน ก็มีการทดสอบแบบเดียวกันแต่ที่ความลึกน้อยกว่า แล้วก็มีการรั่วเกิดขึ้นบ้างแล้ว

 

ในวันเกิดเหตุ หลังจากโครงสร้างถูกหย่อนลงไปที่ระดับความลึก 99ม ได้เกิดเสียงดังคล้ายระเบิด (Deep Bang) ขึ้น 1 ครั้งที่ Shaft ของ Cell D3 แล้วก็ตามมาด้วยเสียงน้ำไหล 30 วินาทีต่อมา มีเสียงดังคล้ายระเบิด เกิดขึ้นอีกครั้ง แต่ไม่ดังเท่าครั้งแรก หลังจากนั้น อีกไม่กี่นาที คนที่ทำงานอยู่บน Sleipner ทั้งหมด 14 คนถูกเรียกให้สละแท่นทั้งหมด หลังจากเสียงดังครั้งแรก ใช้เวลาประมาณ 18-20 นาที Sleipner จมหายลงไปในทะเลทั้งหมด โดยโครงสร้างล้มลงไปกระแทกพื้นทะเลแตกออกเป็นชิ้นส่วนเล็กๆ ทั้งหมด 192 ชิ้นกระจายในบริเวณ 90,000 ตร.ม. ช่วงที่ล้มกระแทกพื้น เครื่องวัดความสั่นสะเทือนบริเวณใกล้เคียงจับความรุนแรงของการกระแทกได้เท่าแผ่นดินไหวขนาด 3 ริกเตอร์ ไม่พบผู้บาดเจ็บและเสียชีวิตจากเหตุการณ์นี้

 

 

รูปที่ 10 Sleipner A: Water Levels at the Time of Failure and Location of Failure [22]

 

ไทมไลน์แสดงเหตุการณ์สำคัญระหว่างการจมของ Sleipner A-1 แสดงดังข้างล่าง [8]

 

Morning of 23 August 1991

 

  • 05:48:30 - Platform is at a depth of 97.5 meters; a "deep bang-like sound" is heard, followed by strong vibrations and the sound of rushing water.
  • 05:49:00 (30 seconds later) - another, slightly weaker, bang is heard. Preliminary investigations follow; Drill shaft D3 is identified as the location of the failure, and emergency deballasting is initiated.
  • 05:56:30 (8 minutes after the first bang) - The call is given for the 14 personnel on board to abandon the platform.
  • 05:59:30 (13 minutes after the first bang) - The platform is fully evacuated.
  • 06:07:00 (20 minutes and 30 seconds after the first bang) - The platform completely disappears underwater.
  • 06:07:45 (21 minutes and 15 seconds after the first bang) - A magnitude 3 (Richter) event is registered at several local seismological stations.

 

It was observed that D3 sank first, corroborating the assumption that D3 was the only shaft to experience rapid intake of water.

↑ Back to top

ผู้โหวตบทความนี้

Praewpan Kathanyacharone,Chana Flook Sinsabvarodom

«« กดโหวตตรงนี้

บทความที่เกี่ยวข้อง

ความคิดเห็น