วิศวกรรมโครงสร้างนอกชายฝั่งเบื้องต้น (Introduction to Offshore Structural Engineering)

วิศวกรรมโครงสร้างนอกชายฝั่งเบื้องต้น

(Introduction to Offshore Structural Engineering)

K. Kurojjanawong

9-Feb-2014

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 โดยนำคอมพิวเตอร์เข้ามาช่วยในการออกแบบและสร้างสรรค์ โดยความท้าทายของงานวิศวกรรมนอกชายฝั่งมีหลักๆ 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 Construction, Loading Out, Sea Transportation and Offshore Installation

Notation

• FPSO Floating Production Storage and Offloading
• GBS Gravity Base Structure
• LMU Leg Mating Unit
• MT Metric Tones
• MODU Mobile Offshore Drilling Units
• SSCV Semi Submersible Crane Vessel
• 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

วัตถุประสงค์หลักของโครงสร้าง 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 Structure

2.1 แท่นแบบยึดติดพื้นทะเล (Fixed Offshore Platform)

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

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

รูปที่ 2 Jacket

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

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 ปัจจุบัน 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)

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 6 Semi-Submersible

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

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

  รูปที่ 8 Tension Leg    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 temporary phase (construction, load-out, sea transportation และ installation) และช่วง in-service ตลอดจนไปถึงช่วงรื้อถอนหลังจากเลิกใช้งาน โดย Design Basis จะใช้เป็นเอกสารอ้างอิงในการออกแบบโครงสร้างในงานนั้นๆ ทั้งหมด เรียกได้ว่าเป็นเอกสารที่มีความสำคัญที่สุดในการออกแบบโครงสร้าง

สำหรับโครงสร้างแท่นอย่าง Jacket Type โดยส่วนใหญ่มาตรฐานมีการพัฒนามาจากงานที่อยู่ในอ่าวเม็กซิโกในอเมริกาเป็นหลัก มาตรฐานที่ใช้กันเป็นหลักอย่าง American Petroleum Institute (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

4. แรงกระทำที่ต้องพิจารณา (Design Load)

สำหรับโครงสร้างในทะเลอย่างพวก offshore platform ความแม่นยำในการคำนวณน้ำหนักของโครงสร้างเป็นสิ่งที่สำคัญอย่างมาก ต้องมีการคำนวณที่มีความแม่นยำ แล้วก็มีที่มาที่ไป บางอย่างอาจจะต้องอาศัยการประมาณ ซึ่งต้องมาจาก วิศวกรผู้เชี่ยวชาญเรื่องน้ำหนักโดยเฉพาะ หรือที่เรียกว่า Weight Control Engineer (ให้เป็นความรู้ ถ้าใครทำมาเยอะๆ นี่ค่าตัวสูงลิบเลย เพราะกะแม่นมากจากประสบการณ์) ที่ต้องอาศัยประสบการณ์ในการทำงานมานานๆ ในการคาดเดาน้ำหนัก รวมไปถึงโอกาศที่น้ำหนักมันจะเพิ่มขึ้น (Weight Growth) ซึ่งต้องประมาณน้ำหนักในทุกช่วงการก่อนสร้าง การเคลื่อนย้าย การติดตั้ง รวมไปถึงช่วงใช้งาน

โดยปกติก่อนที่จะมีการเคลื่อนย้ายบนฝั่ง หรือที่เรียกว่า Loadout ต้องมีการชั่งน้ำหนักโครงสร้างก่อน (Weighing) เค้าก็จะใช้ การ Jacking บวกกับ Load Cell ถ้าโครงสร้างเล็กๆ เค้าก็สามารถที่จะยกขึ้นด้วยเครนทั้งตัวเพื่อชั่งได้เลย แต่ถ้าโครงสร้างใหญ่ๆ เค้าอาจจะเลือกชั่งเป็นส่วนๆ ก่อนที่จะเอามาประกอบกันเนื่องจาก น้ำหนักอาจจะสูงมาก จนไม่มีอุปกรณ์ที่จะชั่งมันได้ หรือต้องลงทุนเช่าอุปกรณ์ที่สูงเกินไปจนไม่คุ้ม โดยมากน้ำหนักที่ได้จากการ Weighing ก็มักจะผิดพลาดไม่เกิน 1% เปรียบเทียบการ Weight Control Report ที่มักจะผิดพลาดไม่เกิน 3%

รูปที่ 10 Jacking and Weighing of Arkutun Dagi Topsides 42,780MT – World Record of Heaviest Jacking Structure

 4.1 แรงกระทำจากน้ำหนักแนวดิ่ง (Gravity Load)

สำหรับการออกแบบโครงสร้าง จำเป็นต้องมีการประมาณน้ำหนักแนวดิ่ง ซึ่งก็จะมีทั้งน้ำหนักตายตัว (Permanent Load) และ น้ำหนักไม่คงที่ (Variable Load) น้ำหนักตายตัวคือน้ำหนักที่จะมีค่าคงที่ มีตำแหน่งและทิศทางแน่นอน ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาเปลี่ยนไป ตัวอย่างเช่น

• น้ำหนักของโครงสร้างส่วนบน (Topside Dead Weight) ซึ่งก็จะมี น้ำหนักของตัวโครงสร้างเอง น้ำหนักของอุปกรณ์ น้ำหนักของท่อส่งน้ำมันและแก๊ส น้ำหนักของตัวอาคารและห้องที่อยู่บนโครงสร้าง
• น้ำหนักของโครงสร้างส่วนล่าง (Substructure Dead Weight) ซึ่งก็จะมี น้ำหนักของตัวโครงสร้างเอง น้ำหนักของตัวเสียประจุ (Anode) น้ำหนักของฐานรากชั่วคราว (Mudmat) เป็นต้น
• แรงดันน้ำสถิตศาสตร์ (Hydrostatic Pressure) เป็นแรงดันน้ำที่เกิดขึ้นเสมอต่อโครงสร้างใต้น้ำ
• น้ำหนักน้ำแบบคงที่ ที่ใช่ถ่วงโครงสร้าง (Permanent Ballast) เพื่อสร้างความเสถียรให้โครงสร้าง

น้ำหนักไม่คงที่ (Variable Loads) ส่วนใหญ่เกิดในช่วงใช้งาน จะมีค่าแล้วก็ทิศทางเปลี่ยนแปลงได้เมื่อเวลาเปลี่ยนไป อย่างเช่น

• น้ำหนักของเหลวที่อยู่ในอุปกรณ์ หรือ ท่อ
• น้ำหนักหัวเจาะ หรือ น้ำหนักของที่เกิดช่วงใช้งานเครน
• น้ำหนักหัน และ น้ำหนัก helicopter
• น้ำหนักน้ำแบบไม่คงที่ ที่ใช้ถ่วงโครงสร้าง (Variable Ballast)

4.2 แรงกระทำจากสิ่งแวดล้อม (Environmental Load)

แรงกระทำที่ถือเป็นเรื่องที่ท้าทายวิศวกรโครงสร้างมากที่สุดก็คือแรงกระทำจากสิ่งแวดล้อม ซึ่งมักจะเป็นแรงที่ควบคุมระบบโครงสร้างทั้งหมด ซึ่งก็ได้แก่ แรงจาก คลื่น กระแสน้ำ ลม แล้วก็แรงแผ่นดินไหว ในบางพื้นที่ อาจจะมีแรงจาก หิมะ น้ำแข็งที่เกาะบนโครงสร้าง หรือ แม้กระทั่งแรงจาก ธารน้ำแข็งที่ คอยกระแทกโครงสร้าง

นอกจากนั้นผลจากคลื่นและกระแสน้ำยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในแรงดันน้ำสถิตศาสตร์ (Hydrostatic Pressure) เนื่องจากระดับน้ำจะเปลี่ยนแปลงไปตลอดเวลา ซึ่งจำเป็นต้องคำนึงถึงในการออกแบบอีกด้วย

Marine Growth หรือ เพรียงทะเล (ไม่รู้ผมใช้คำถูกมั้ยนะ) รวมไปถึงผลของการยุบตัวของพื้นทะเล ยังทำให้เกิดแรงกระทำที่เพิ่มมากขึ้นบนโครงสร้าง เนื่องจาก Marine growth จะเข้าไปเกาะที่โครงสร้างทำให้ พื้นที่รับแรงสูงขึ้น ในขณะที่ การยุบตัวของพื้นทะเลทำให้ระดับความลึกของน้ำสูงขึ้น ซึ่งจำเป็นต้องพิจารณาในการออกแบบอีกด้วย

สำหรับการออกแบบโครงสร้างในทะเล ในที่นี้ของกล่าวถึงโครงสร้างที่อยู่บริเวณ น่านน้ำ แถวๆ เอเชียตะวันออกเฉียงใต้เป็นหลัก แรงกระทำจากสิ่งแวดล้อมจะคำนวณโดยใช้หลักสถิติ ซึ่งโดยมากจะใช้ที่ Annual Probability of Exceedance เท่ากับ 10^-2 หรือ ก็เทียบได้กับอัตราการเกิดซ้ำ (Return Period) ที่ 100ปี คือ เป็นคลื่นที่มีโอกาส 1 ครั้งในรอบ 100ปี ในกรณีที่แรงกระทำจากโครงสร้างมีความซับซ้อน หรือยากในการประมาณด้วยทฤษฏี อาจจะมีความจำเป็นต้องมีการจำลองโครงสร้างแล้วทำการทดสอบ อย่างเช่น Hydrodynamic Model Test หรือ Wind Model Test หรือ มีการติดตั้งอุปกรณ์วัดจากโครงสร้างที่อยู่ใกล้เคียง แล้วทำการแปลข้อมูลออกมาเทียบกับทฤษฏี

รูปที่ 11 Draupner S and Draupner E Platfrom ที่มีการติดตั้งเซนเซอร์วัดความสูงคลื่น ทำให้สามารถวัด Rouge Wave สูงถึง 28ม ได้เป็นครั้งแรก เมื่อวันที่ 1 มค 1995 เรียกคลื่นนี้ว่า New Year Wave

ในช่วงการติดตั้งโครงสร้าง โดยปกติมักมีการกำหนดค่าสูงสุดของสภาพแวดล้อมที่จะสามารถติดตั้งได้ อย่างเช่น Maximum Wave Height อย่างไรก็ดี การที่กำหนดค่า Operational Requirement ต่ำเกินไป อาจจะเป็นผลดีต่อการออกแบบโครงสร้างเนื่องจากโครงสร้างรับแรงกระทำที่น้อยลง แต่จะเป็นการเพิ่มค่าใช้จ่ายในการติดตั้งเนื่องจาก Installation Team จำเป็นต้องรอให้อากาศเปิด หรือ ทะเลสงบ ลง จึงถึงทำการติดตั้งแต่ จำเป็นต้องมีการจอดเรือรอกลางทะเลนานกว่าที่ควรจะเป็น ทำให้เพิ่มค่าใช้จ่ายในส่วนนี้ ดังนั้นวิศวกรจำควรต้องหาจุดสมดุลระหว่าง Fabrication, Engineering and Installation Cost เพื่อให้เป็นการออกแบบที่ประหยัด ติดตั้งง่าย และราคาไม่สูงจนเกินไป

4.3 แรงกระทำจากการเคลื่อนตัว (Deformation)

แรงที่เกิดจากการเคลื่อนตัวเนื่องจากฐานรากทรุดตัว (Settlement) หรืออาจจะความขรุขระของฐานราก (Unevenness) ซึ่งอาจจะเกิดได้ทั้งในช่วงการก่อสร้าง การใช้งาน การติดตั้ง หรือ การเคลื่อนย้าย ซึ่งรวมไปถึงผลจาก อุหภูมิที่เปลี่ยนแปลงทำให้เกิดการยืดหดตัวของโครงสร้าง ในบริเวณอุณหภูมิในตอนกลางวันและกลางคืน อาจะแตกต่างกันหลายสิบองศาในแต่ละวัน ทำให้เกิดการยืดหดตัวของโครงสร้างซึ่งอาจจะนำมาซึ่งความเสียหายได้ทั้งในแง่กำลังและความล้าของโครงสร้าง ในบางครั้งที่มีการเคลื่อนตัวสูงๆ อย่างเช่นช่วงขนย้าย หรือช่วงที่อยู่บนเรือ อาจจะมีความจำเป็นที่จะต้องถอดจุดต่อบางจุดออก เพื่อลดแรงกระทำ อย่างเช่นในพวก Flange connection ของท่อส่งที่อยู่บนโครงสร้าง

4.4 แรงกระทำจากอุบัติเหตุ (Accidental Load)

แรงกระทำจากอุบัติเหตุ (Accidental Load) เป็นแรงลักษณะพิเศษ ซึ่งมักไม่พบในโครงสร้างที่อยู่บนฝั่งทั่วๆ ไป อาจจะเกิดจาก การระเบิดของอุปกรณ์บนแท่น เกิดประกายไฟ จนนำไปซึ่งการเกิด Jet Fire, Pool Fire หรือ Blasting หรืออาจจะเกิดจากเครนยกของแล้วหล่นใส่โครงสร้าง (Drop Object) อุบัติเหตุของเฮลิคอปเตอร์จนตกกระแทก (Helicopter Crash) โครงสร้าง เรือพุ่งเข้าชน (Vessel Impact) หรืออาจจะเกิดจากแท้งค์ควบคุมระบบน้ำเพื่อสร้างเสถียรภาพเสียหาย (Accidental Flooding of Compartment) โดยส่วนใหญ่โครงสร้างจะต้องออกแบบให้รับแรงประเภทนี้ให้ได้ด้วย Annual Probability of Occurrence อย่างต่ำ 10^-4 หรือ Return Period ที่ 10000ปี

5. การจำลองโครงสร้างและการวิเคราะห์ (Computer Modeling and Analyses)

การจำลองโครงสร้างและวิเคราะห์โครงสร้างในทะเล โดยปกติวิธี Linear Elastic Finite Element Analysis (FEA) แบบ 2-Nodes Beam Elements ก็เพียงพอที่จะสามารถประมาณพฤติกรรมโครงสร้างในภาพรวมได้แล้ว สามารถที่จะนำแรงภายในโครงสร้างมาออกแบบตามข้อกำหนดต่างๆ ให้มีความปลอดภัยอย่างเพียงพอ

Commercial Program ในปัจจุบัน สามารถจะออกแบบให้โดยอัตโนมัติ ไม่ว่าจะเป็นการเช็ค Stress Level, Global or Local Buckling, Punching Shear โดยสามารถเลือกออกแบบตามข้อกำหนดต่างๆ ตามความเหมาะสม หรือ ตามความต้องการของลูกค้า อย่างไรก็ดี ในบ้างจุดที่ต้องพิจารณาเป็นพิเศษอย่างเช่น Lift Point, Pile Cluster, Hull บางครั้งจำเป็น ต้องใช้ FEA method โดยใช้ Shell Element

การเคลื่อนตัวและการสั่นของโครงสร้างจำเป็นต้องกำหนดให้อยู่ในช่วงความปลอดภัยตามมาคราฐาน แรงที่กระทำที่ฐานรากจำเป็นต้องนำเช็คกับกำลังรับแรงแบกทานในช่วงติดตั้ง หรือ กำลังรับแรงของเสาเข็มในช่วงใช้งาน

ในการออกแบบช่วงติดตั้ง (Temporary Phase) Support reaction หรือ แรงกระทำที่จุดรองรับมีความสำคัญมาก เนื่องจากจะถูกควบคุมโดยกำลังของฐานรองรับ (Temporary Support), พื้นของสถานที่ก่อสร้าง (Yard Ground Capacity), กำลังของรางเลื่อน (Skid Way) กำลังรับแรงของเรือ Sea-fastening

ในการออกแบบโครงสร้างแบบลอยน้ำ (TLP, Semi-submersible) ในช่วงต้นๆ เช่น conceptual design สามารถใช้ Beam element ในการออกแบบเบื้องต้นในการ Sizing ขนาดได้ อย่างไรก็ดี Plate\Shell element มักจะนิยมเมื่อทำการออกแบบรายละเอียด โครงสร้างแบบนี้จำเป็นต้องมีวิศวกรด้านเรือ (Naval Architect) เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย โดยแรงที่กระทำ (Hydrodynamic Loading) พวก Interfaces Structure (Mooring, Riser, Tethers) หรือแม้กระทั่งรูปร่างหน้าตาโดยรวมของโครงสร้าง มักจะออกแบบหรือกำหนดโดย Naval Architect และใช้ Software ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับงานประเภทนี้ ส่วนโครงสร้างย่อยๆ จะทำการออกแบบโดย Structural Engineer โดยนำแรงที่คำนวณโดย Naval Architect มาใช้เป็นข้อมูลกับโปรแกรมวิเคราะห์โครงสร้างทั่วๆ ไป เนื่องจากโครงสร้างเป็นแบบลอยน้ำ จำเป็นต้องมีการใส่ Soft Spring Boundary ให้โครงสร้างเพื่อสร้างเสถียรภาพในการคำนวณ ซึ่งถ้ามีการใส่ในปริมาณที่เหมาะสมก็จะไม่มีผลต่อค่าที่ได้จากการคำนวณเนื่องจากโครงสร้างจะสมดุลในทุกๆ ช่วงเวลา

ในจุดที่เป็นจุดสำคัญ หรือมีความซับซ้อนมากกว่า Global Model จะสามารถทำนายพฤติกรรมได้ จำเป็นต้องมีความเลือกออกมาวิเคราะห์แยกเป็นจุดๆ ไป อย่างเช่น จุดต่อระหว่าง Pile Sleeve กับ Jacket Leg หรือ ระหว่าง Pontoon กับ Column ของ TLP, Semi-submersible หรือ Spar

โดยปกติ Static Analysis จะเหมาะสมสำหรับโครงสร้างที่ Dynamic Insensitive หรือ ผลของ Dynamic มีไม่มากเมื่อเทียบกับ Static โครงสร้างลักษณะนี้การวิเคราะห์ แบบ Static Analysis ที่มีการปรับเพิ่มตัวคูณเพื่อรวมผลของ Dynamic Part ก็เพียงพอแล้ว

โดยปกติ Dynamic Behavior ของโครงสร้างจะเริ่มมีความสำคัญเมื่อ Structural Natural Period ใกล้กับ Period ของแรงที่กระทำ ซึ่งในโครงสร้างแบบยึดแน่น (Fixed Jacket) ที่มี Natural Period มากกว่า 2.5-3.0 วินาที Dynamic Part จากคลื่นจะมีความสำคัญและมองข้ามไม่ได้ และจะมีความสำคัญสูงขึ้นเมื่อคาบสูงขึ้น โดยปกติโครงสร้างแบบนี้คาบมากที่สุดที่เป็นไปได้คือประมาณ 5 วินาที ถ้ามากกว่านี้จะเริ่มเข้าสู่ Resonance Zone ซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้ในการออกแบบ หรือ อาจจะได้โครงสร้างที่ใหญ่มากจนไม่คุ้มค่าที่จะลงทุน

ในการคำนวณหาคาบของโครงสร้าง จะคำนวณจาก Linear Elastic Model โดยการแปลงน้ำหนักที่กระทำบนโครงสร้างให้กลายเป็น Mass และทำการ Linearized Foundation ก่อนที่จะเข้าสู่การคำนวณแบบ Eigen Value Analysis เพื่อหาคาบของโครงสร้าง ในกรณีที่โครงสร้างที่พิจารณ์มีความ sensitive ต่อ Dynamic loading การวิเคราะห์แบบ Dynamic analysis ควรจะนำมาใช้ทั้งในการวิเคราะห์ช่วง Inplace และ Fatigue ในบางโครงสร้างที่มีการติดตั้งอุปกรณ์ที่มีการสั่นสะเทือน (Rotating Equipment) การวิเคราะห์แบบ Dynamic Analysis ก็มีความจำเป็นเช่นกัน

รูปที่ 12 Wave Energy Spectrum vs Platform Period รูปที่ 13 Mode Shape ของ Hess’s Baldpate Offshore Compliant Tower Structure

รูปที่ 14 Mode Shape ของ Chevron’s Benguela-Belize Offshore Compliant Tower Structure

รูปที่ 12 แสดงช่วง Typical Wave Energy Spectrum ในอ่าวเม็กซิโก จะเห็นว่าส่วนใหญ่คลื่นจะมีพลังงานอยู่ในช่วง ประมาณ 6-25 วินาที ทำให้การออกแบบโครงสร้างในทะเลควรที่จะต้องหลีกเลี่ยงช่วงอันตรายนี้เป็นพิเศษ โดยโครงสร้างแบบ Fixed Jacket จะเป็นการออกแบบให้โครงสร้างมีความแข็งเป็นพิเศษจนคาบต่ำกว่า 5 วินาที ในขณะที่ Compliant Tower จะเป็นการทำให้โครงสร้างอ่อนๆ จนคาบสูงเกิน 30 วินาที ซึ่งเป็นการออกแบบเพื่อหลบช่วง Wave Dynamic Dominate ที่ชาญฉลาดของวิศวกรโครงสร้าง

รูปที่ 13 แสดง Mode Shape ของ Baldpate Offshore Compliant Tower Structure Baldpate ของ บ Hess อยู่ใน Gulf of Mexico ที่สูงเป็นอันดับ 2 ของโลกรองจาก Petronius ของ Chevron ถ้านับความสูงจากฐานถึงยอดก็ 580 ม สูงติดอันดับ 4 เทียบกับอาคารทั่วไป สูงกว่า เปโตรนาส ร้อยกว่าเมตร สูงกว่า Taipei 101 ถึง 80 ม

รูปที่ 14 แสดง Mode Shape ของ Chevron’s Benguela-Belize Offshore Compliant Tower Structure อยู่ใน Angola ที่สูงเป็นอันดับ 3 ของโลกรองจาก Petronius และ Baldpate สูงประมาณ 410-420ม ใกล้ๆ เคียงกับ Petronas Tower ในกัวลาลัมเปอร์ อยู่ในน้ำลึก 390ม ออกแบบด้วย steel frame ขนาด 37ม x 37ม ซึ่งเล็กมาก เทียบกับความสูง โดยออกแบบให้ 1st mode กับ 2nd mode คร่อม ช่วง sea spectrum พอดี แต่จะเห็นว่าถ้ามันไม่มี Topside มันจะตกอยู่ในช่วง Dynamic Wave Dominate ทันที งั้นเค้าต้องพยากรณ์สภาพอากาศให้แม่นยำ ก่อนที่จะติดตั้ง แล้วก็ต้องติดตั้งให้เร็วก่อนที่พายุจะมา คนคิดคอนเซ็ป CPT ขึ้นมานี้ฉลาดแล้วกล้ามากด้วย ถือเป็นความพยายามที่จะเอาชนะธรรมชาติที่สุดยอดจริงๆ

บางครั้งการวิเคราะห์แบบ Nonlinear Analysis มีความจำเป็นในการพิจารณา ทั้งผลของ Nonlinear Loading, Geometrical, Material อย่างเช่น Global response ของ Jackup หรือ พฤติกรรมของโครงสร้างช่วงเกิดไฟไหม้ (Fire behavior) หรือ พฤติกรรมของโครงสร้างช่วงเรือชน (Vessel Impact)

โดยปกติพฤติกรรมของฐากรากจะมีการจำลองโดยคำนึงถึงผลของ Non-linearity และ Interaction ระหว่างโครงสร้างและดินทั้งในแนวดิ่งและด้านข้าง ข้อมูลดินในบริเวณนั้นๆ มีความจำเป็นที่จะต้องมีการเจาะสำรวจและวิเคราะห์อย่างเป็นระบบ โดยเฉพาะข้อมูลดินในช่วงใกล้กับพื้นทะเล เนื่องจากจะมีการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างเร็ว โดยเฉพาะ Bending Moment บริเวณใกล้ๆ พื้นทะเล

รูปที่ 15 Pile-Soil Structure Interaction in Single Computer Model System

โดยปกติโครงสร้างในทะเลจะมีปัญหาในเรื่องความล้า (Fatigue) ของโครงสร้าง ทั้งจาก Wave และ Wind โดย Wind Fatigue จะมีความสำคัญในโครงสร้างที่อยู่เหนือน้ำและมีความชะลูดสูง อย่างเช่น Flare หรือ Vent Boom ในขณะที่ Wave Fatigue จะมีความสำคัญในโครงสร้างที่อยู่ใต้น้ำทั้งในโครงสร้างแบบ Fixed หรือ Floating Structure

  รูปที่ 16 Plastic Utilization Plot during Fire Scenario

6. การออกแบบฐานราก (Foundation Design)

ข้อมูลฐานรากที่แน่นอนมีความจำเป็นในการออกแบบโครงสร้างไม่ว่าจะเป็นช่วงการใช้งาน (In-service Condition) และ ช่วงติดตั้ง (Temporary Condition) พฤติกรรมของฐานรากทั้งในแบบ Static แล้วก็ Cyclic จำเป็นต้องมีการนำมาพิจารณา ในการทำนายพฤติกรรมที่แม่นยำขึ้น การวิเคราะห์ในแบบ Integrate Soil Structure Interaction มีความจำเป็น

ในโครงสร้างที่ใช้กันทั่วๆ ไปอย่าง Fixed Type Offshore Structure ส่วนใหญ่จะใช้ฐานรากแบบ ท่อเปิด ที่มีการตอกโดยใช้ Hammer โดยอาจจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางสูงได้ถึงเกิน 2 เมตร และลึกกว่า 100 เมตรจากพื้นทะเล เข็มที่ใช้อาจจะทำการสอดผ่านโครงสร้างลงไปหรือที่เรียกว่า Through Leg Pile โดยหัวเข็มยาวจนเลยระดับน้ำ แล้วทำการตอกโดยใช้ค้อนที่อยู่ในอากาศ หรืออาจจะใช้เข็มสอดผ่าน Pile sleeve ที่อยู่ใต้น้ำ แล้วใช้ Underwater Hammer ตอกใต้น้ำ โดยมีหุ่นยนต์ (ROV) ที่ส่งลงไปเพื่อคอยสังเกตการณ์ โดย Pile sleeves จะเป็นโครงสร้างที่ติดกับโครงสร้างหลักอย่าง Jacket อาจจะยึดโยงกับเป็นกลุ่ม (Cluster) วางตัวในแนวดิ่ง หรือ แนวเอียงก็ได้ ซึ่งในแบบหลังจะช่วยเพิ่มเสถียรภาพในภาพรวมของโครงสร้าง แต่ก็จะทำให้ขนาดฐานใหญ่ขึ้นและสิ้นเปลืองมากขึ้นตามไปด้วย

แรงเฉือนที่ฐาน (Base Shear) และแรงผลักล้มที่ฐาน (Overturning Moment) ถือเป็นค่าที่สำคัญในการออกแบบเข็ม และเป็นตัวกำหนดขนาดและความยาวของเข็ม ในบางครั้ง ถ้า Overturning Moment สูงๆ เข็มอาจจะเกิดกรณีที่ต้องออกแบบรับแรงถอนก็เป็นได้

โดยปกติกำลังรับแรงของเสาเข็มคำนวณจาก Skin Friction ที่ผิวเข็มกับ ดิน รวมกับ กำลังรับแรงแบกทาน (End Bearing) ที่ปลายเข็ม ดินที่บริเวณใกล้ๆ พื้นทะเลมักจะมีกำลังค่อนข้างต่ำทำให้เป็นตัวกำหนดว่าแรงดัดในเสาเข็มจะมีค่าสูงหรือไม่ ซึ่งโดยมากแรงดัดในเข็มจะมีค่าสูงที่สุดในช่วงประมาณ 5 ถึง 10 เท่า ของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเสาเข็ม นับจากพื้นทะเล และก็จะเป็นตัวควบคุมด้วยว่าเสาเข็มจะมีความหนาเท่าไร อย่างไรก็ดีในการออกแบบเสาเข็มจะต้องพิจารณาแรงทั้งในด้านกำลังและความล้าที่เกิดขึ้นในช่วงใช้งาน (In-service) และช่วงติดตั้ง (Driving)

7. การก่อสร้าง (Fabrication)

หลักการสำคัญในการก่อสร้างโครงสร้างในทะเล คือ พยายามทำทุกอย่างให้เสร็จตั้งแต่บนฝั่งให้มากที่สุด เนื่องจากมีความสะดวกในการก่อสร้าง แล้วก็สามารถควบคุมคุณภาพได้ง่ายกว่า หลักการที่สำคัญอีกอย่างคือ ถ้าไม่สามารถจะสร้างให้มันเป็นชิ้นเดียวได้ เนื่องจากติดปัญหาเรื่องการติดตั้ง ก็ต้องพยายามก่อสร้างให้เป็นชิ้นใหญ่ให้มากที่สุด ลดจำนวนโครงสร้างที่จะต้องเอามาประกอบกันในทะเล เนื่องจากต้องมีการไปเชื่อมต่อกันกลางทะเล ซึ่งจะเป็นเรื่องยากลำบากแล้วก็สิ้นเปลืองมากเทียบกับงานบนฝั่ง

ในการออกแบบโครงสร้างในทะเลจึงมีความจำเป็นที่จะต้องคิดให้รอบด้านและครบถ้วน พยายามทำโครงสร้างแต่ละชิ้นส่วนให้มีความคล้ายคลึงกันมากที่สุด ลดจำนวนจุดต่อและรอยเชื่อม รวมไปถึงชนิดของวัสดุ (Material Grade) และขนาด เพื่อลดความสับสนและผิดพลาดจากการก่อสร้าง

โดยปกติไซท์งานก่อสร้างหรือที่เรียกว่า Fabrication yard ของงาน offshore จะอยู่ใกล้หรือติดกับทะเลหรือแม่น้ำที่มีทางออกสู่ทะเล ที่สามารถจะเคลื่อนย้าย (Loadout) ลงเรือได้ง่าย ๆ ระบบขนส่ง (Transportation Logistic) จำเป็นต้องมีการศึกษาและคำนึงถึงอย่างครบถ้วน โดยเฉพาะกรณีที่สถานที่ก่อสร้างอยู่ในบริเวณเมือง ในบางครั้งขนาดสิ่งก่อสร้างในเมืองอาจจะเป็นตัวกำหนดขนาดของ Offshore Structure หรือ ชิ้นส่วนบางชิ้นส่วนของโครงสร้างอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในบางกรณี บริษัท อาจจะสูญเสียความได้เปรียบในการประมูลงานใหญ่ๆ ถ้าเส้นทางการขนย้ายไม่เอื้ออำนวย ทำให้อาจจะไม่คุ้มที่จะต้องแบ่งออกไปเป็นชิ้นเล็กแล้วไปประกอบที่อื่น เมื่อเทียบกับ บริษัทอื่นที่สามารถก่อสร้างได้ในชิ้นใหญ่ๆ ชิ้นเดียว ซึ่งเป็นการลดต้นทุนในการติดตั้งในทะเลได้อย่างมหาศาล

รูปที่ 17 Tennet’s Dolwin 1 Topside during Transportation in the Netherland

โครงสร้างอย่าง Fixed Jacket สามารถที่จะก่อสร้างได้ทั้งในแนวตั้ง ในกรณีที่ไม่ใหญ่มาก หรือ จะก่อสร้างในแนวนอน แล้วค่อยไปยกขึ้นตั้งกลางทะเลก็ได้

อู่แห้ง (Dry Dock) อาจจะมีความจำเป็นในการก่อสร้างทั้งสำหรับ โครงสร้างส่วนบน (Topsides) และ ส่วนล่าง (Substructure) ตัว Topside สามารถที่จะก่อสร้างได้ทั้งบนพื้นราบ ที่ละชั้น แล้วค่อยๆ ยกขึ้นประกอบกัน ก่อนที่จะขนลงเรือ หรือ จะทำการก่อสร้างใน Dry Dock โดยใช้ Temporary Support ก่อนที่จะนำเรือเข้าแล้วถ่ายน้ำหนักจาก Temporary Support ลงเรือ ก็เป็นไปได้ เช่นเดียวกันกับ Gravity Base Structure ที่สามารถที่จะก่อสร้างส่วนฐานใน Dry Dock ก่อนที่จะลากออกไปข้างนอก แล้วทำการก่อสร้างส่วนที่เหลือ ในกรณีที่ Dry Dock อาจจะเล็กเกินไปสำหรับขนาดโครงสร้าง

  รูปที่ 18 Topsides Fabrication

ในการออกแบบโครงสร้างจำเป็นต้องคำนึงถึงผลของการก่อสร้าง ทั้งผลของจุดรองรับชั่วคราวซึ่งอาจจะไม่ใช่ตำแหน่งเดียวกับช่วงใช้งาน แรงการยก หรือ การติดตั้ง ซึ่งจะเกิดขึ้นในช่วงก่อสร้างเท่านั้น ซึ่งจำเป็นจะต้องออกแบบโครงสร้างให้มีความเหมาะสมจะมองข้ามไปไม่ได้ ในบางชิ้นส่วนของโครงสร้างอาจจะจำเป็นต้องเพิ่มขนาดขึ้นเพื่อรับแรงในช่วงก่อสร้างโดยเฉพาะทั้งที่ในช่วงใช้งานชิ้นส่วนนั้นๆ อาจจะแทบไม่ได้รับแรงกระทำอะไรเลย การทรุดตัวของฐานรากในช่วงก่อสร้างจำเป็นต้องมีการสังเกตการณ์ตลอดเวลา เนื่องจากอาจจะทำให้โครงสร้างได้รับความเสียหายได้โดยคาดไม่ถึง

รูปที่ 19 BP’s Pompano Jacket Roll-up during Fabrication

รูปที่ 20 Exxon Mobil’s Ringhorne LQ Lifting by Asian Hercules II

รูปที่ 18 ทางซ้ายแสดงการก่อสร้างชั้น Cellar Deck รูปทางขวาแสดงการยกชั้น Mezzanine Deck บางส่วนขึ้นมาประกอบก่อนที่จะทำการเชื่อมต่อ

รูปที่ 19 เป็นการ Roll-up ของ BP’s Pompano Jacket ส่วนก่อสร้าง สำหรับตัวนี้เป็น Fixed Jacket ที่อยู่ในน้ำลึกเป็นอันดับสองในโลก ที่น้ำลึก 395ม ติดตั้งปี 1994 ในอ่าวเม็กซิโก เป็นรองแค่ Bullwinkle (411ม, 1988) ของ Shell หลังจากตัวนี้ ก็ไม่มีใครทำโครงสร้างแบบยึดพื้นที่ลึกขนาดนี้อีกแล้ว เพราะไม่คุ้มเปลืองเหล็กมาก หนีไปเป็น แบบลอยน้ำหมด

รูปที่ 20 แสดงการยก Living Quarter (LQ) ซึ่งเป็นโครงสร้างสำหรับพักอาศัยหลังจากก่อสร้างเสร็จขึ้นติดตั้งบน Topsides

8. การเคลื่อนย้ายและการขนส่ง (Load out and Transportation)

หลังจากทำการก่อสร้างเสร็จเรียบร้อยแล้วจะต้องมีการเคลื่อนย้าย (Loadout) จากสถานที่ก่อสร้างลงเรือ แล้วก็มีการขนส่ง (Transportation)ไปยัง Offshore Field เพื่อทำการติดตั้ง (Installation) ต่อไป

8.1 การเคลื่อนย้าย (Loadout)

วิธีการเคลื่อนย้ายที่นิยมก็คือการค่อยๆลาก (Skidding) โดยการ Skid ไปตามราง (Skid Way) ซึ่งโดยมากจะมี 2 รางคู่กัน หรือ อาจจะมากกว่านั้นก็ได้ กรณีที่ฐานรากมีกำลังไม่พอ โดยรางบนฝั่ง (Yard Skid Way) ก็จะต้องมีความต่อเนื่องกับ รางของเรือ (Barge Skid Way) ซึ่งต้องมีการสำรวจแล้วก็ปรับระดับให้อยู่ในค่าที่ยอมรับได้ (Tolerance) โดยโครงสร้างอาจจะวางบนโครงสร้างที่ออกแบบมาไว้ลากโดยเฉพาะ อย่าง Skid Shoe หรือ จะออกแบบเป็นระบบที่ติดกับโครงสร้างหลัก อย่าง Launch Runner ไปเลยก็ได้ จะโดนลากไปตามรางด้วย Hydraulic Strand Jack ซึ่งโดยมากจะยึดติดกับ โครงหลักของลำเรือ แรงเสียดทานระหว่างการลากจำเป็นต้องมีการทำให้น้อยลงอาจจะด้วยการใช้ไม้ หรือ Teflon แทนที่จะเป็น ผิวเหล็กสัมผัสกัน หรืออาจจะมีการทาจารบีช่วยด้วยก็ได้ โดยปกติค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะอยู่ประมาณ 0.05-0.08 ซึ่งโครงสร้างจำเป็นต้องมีออกแบบให้สามารถรองรับแรงที่จะเกิดรวมไปถึง Tolerance และแรงจากอุบัติเหตุอย่างเช่น Jack พัง หรือ สลิงขาด ซึ่งอาจจะนำมาซึ่งการหยุดโดยกะทันหันในระหว่าง Loadout แล้วทำให้เกิดแรง Inertia บนโครงสร้างจนอาจจะทำให้โครงสร้างหรืออุปกรณ์ที่ติดตั้งบนโครงสร้างเสียหายได้

ช่วงที่อันตรายทีสุดสำหรับการ Loadout คือ ตอนที่โครงสร้างเริ่มผ่านพ้นฝั่งเพื่อขึ้นเรือ เนื่องจากช่วงนี้ ถ้าเรือไม่ได้ระดับพอดีกับฝั่ง โครงสร้างอาจจะอยู่ในลักษณะคานยื่น (Cantilever Beam) จึงจำเป็นที่จะต้องมีวิศวกรผู้เชี่ยวชาญคอยกำกับ รวมไปถึงคอยสังเกตระดับ และคอย ปั้มน้ำในเรือออก (De-ballasting) ในปริมาณที่เท่าๆกับ น้ำหนักของโครงสร้างที่ค่อยๆ ถ่ายลงมาบนเรือ เพื่อให้เรือสามารถรักษาระดับเดิมไว้ได้ ซึ่งขั้นตอนและแรงที่เกิดขึ้นจากช่วงนี้ เป็นสิ่งที่วิศวกรผู้ออกแบบมองข้ามไปไม่ได้ ควรที่จะมีการคำนวณและออกแบบ รวมถึงเผื่อสัดส่วนความปลอดภัยในปริมาณที่เหมาะสม

รูปที่ 21 Skidded Loadout of PTTEP’s Arthit Jacket

รูปที่ 22 Skidded Loadout PETRONAS’s MCR-A Steel Gravity Base รูปที่ 23 Skidded Load Out of 17,000MT Topside for Malaysian Water

ในปัจจุบัน Skid Shoe ได้ พัฒนาอย่างก้าวกระโดด ทำให้สามารถรับน้ำหนักได้มากขึ้นและเป็นที่นิยมมากขึ้นเนื่องจากไม่จำเป็นต้องติดกับโครงสร้างอย่างถาวรและนำมาใช้ซ้ำใหม่ได้ และยังสามารถควบคุมน้ำหนักที่จะลงในแต่ละจุดได้ด้วย โดยการควบคุมที่ระบบ Hydraulic Cylinder ทำให้ไม่จำเป็นต้องกังวลเมื่อจะเป็นต้องเคลื่อนโครงสร้างไปยังบริเวณที่ไม่ราบเรียบ เพราะมันสามารถจะปรับตัวเองเพื่อคงระดับ Reaction ที่จะลงในแต่ละจุดได้อย่างค่อนข้างแม่นยำ จึงไม่เกิดแรงกระทำบนโครงสร้างเนื่องจาก Support Settlement

ในขณะที่การ Skid สามารถทำความเร็วได้เพียง 5-10 เมตร ต่อ ชม การใช้ Skid Shoe อย่าง Self-Propel Trailer สามารถจะทำความเร็วได้สูงกว่าค่อนข้างมาก โดยส่วนมากจะไปโดนจำกัดโดยระยะเวลาในการ De-ballast น้ำออกจากเรือซะเป็นส่วนใหญ่ โดย Trailer ในตลาดสามารถจะรับน้ำหนักโครงสร้างได้ถึงประมาณ 11000 ตัน (ในขณะนั้น ตอนนี้คงมากกว่านั้นไปเยอะแล้ว)

รูปที่ 24 Trailer Load Out of 3,500MT topside

การ Loadout โดยการยก (Lift) ก็เป็นวิธีหนึ่งที่นิยมกันมาก ใช้กับโครงสร้างที่ไม่ใหญ่มาก แล้ว Crane ที่อยู่บนฝั่งมีกำลังพอ ในบางครั้งอาจจะใช้เรือเครนที่มีกำลังสูงเข้ามาจอดเทียบเพื่อใช้ยกโครงสร้างที่อยู่บนฝั่งก็ได้ รูปแบบและลักษณะของการยกไม่มีข้อกำหนดตายตัว บางครั้งอาจจะจำเป็นต้องมี Spreader Frame เข้ามาช่วยเพื่อลดแรงด้านข้างจากสลิงที่จะเข้าโครงสร้าง

สำหรับโครงสร้างที่ใหญ่มากๆ หรือ พวก Floating Structure โครงสร้างส่วนล่าง (Hull) และ ส่วนบน (Topside) จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อกัน แล้วขนไปยังที่หมายในชิ้นเดียว โดยมากตัว Topside และ Hull มักจะก่อสร้างกันคนละที่ บางครั้งคนละประเทศ ตัวส่วน Hull จะก่อสร้างเสร็จก่อน แล้วขนขึ้นมายังสถานที่ก่อสร้างโดยเรือ (Heavy Lift Vessel) หรือจะปล่อยลอยน้ำ (Free-Float) แล้วลากมากก็ได้ Topside จากนั้นทำการ Ballast ตัว Hull ลงโดยนำน้ำเข้าไปเพื่อให้โครงสร้างจมน้ำจนอาจจะเหลือเพียงส่วนเสาเพียงไม่กี่เมตร จากนั้นนำ Topside ขึ้นเรือ แล้วลากไปเข้าตำแหน่ง ก่อนที่จะทำการติดตั้งบน Hull แล้วเชื่อมให้เป็นชิ้นเดียวกัน ก่อนจะลากหรือนำขึ้นเรือไปยังที่หมาย

หลังจาก Loadout โครงสร้างลงบนเรือเสร็จเรียบร้อยแล้ว จำเป็นต้องมีการติดตั้งตัวยึดรั้งบนเรือ (Sea-fastening) เพื่อยึดโครงสร้างให้อยู่กับที่ ให้สามารถรับแรงที่จะเกิดขึ้นเนื่องจาก Motion ของเรือ ในระหว่าง ขนย้ายจากฝั่งไปยังที่หมาย แรงที่เกิดใน Sea-fastening จะเกิดเนื่องจาก Barge Motion เท่านั้นเนื่องจากมันถูกติดตั้งหลังจากน้ำหนักโครงสร้างถ่ายลงเรือไปแล้วเรียบร้อย

8.2 การขนส่ง (Transportation)

โดยปกติ เรือที่ส่วนบนเรียบ (Flat Top Barge) จะเป็นที่นิยมในการใช้ขนย้าย Offshore Structure โดยมากมักจะไม่มีเครื่องยนต์ในตัวเองจำเป็นต้องมีเรือลาก (Tug Boat) คอยช่วย ทำให้มีความเร็วในการเคลื่อนที่แค่ประมาณ 5-6 knot สำหรับ Flat Top Barge จำเป็นในกรณีที่ต้องมีการ Loadout แบบแนวยาว (Longitudinal) เนื่องจาก ต้องไม่มีอะไรสูงจากพื้นเรือขึ้นมาขวาง (ดูรูปที่ 21) แต่ในกรณีที่ต้องขนย้ายในระยะทางไกลๆ เรือที่มีเคลื่อนยนต์ (Self-Propelled Vessels หรือ Ship) จะประหยัดกว่าเนื่องจากสามารถวิ่งได้เร็วถึง 12-14 น๊อต และสามารถที่จะปรับ Ballast Water ในแท๊งค์ได้ดีกว่าเพื่อลดแรงในตัวเรือ ทำให้สามารถทึ่จะวิ่งในช่วงที่สภาพอากาศแย่ๆ ได้ดีกว่าเรือในแบบแรก

รูปที่ 25 Shell’s Bullwinkle Transportation

รูปที่ 25 เป็นการ Transport Shell’s Bullwinkle Jacket ในปี 1988 ตัวนี้เป็น fixed jacket type platform ที่อยู่ในน้ำลึกที่สุดในโลกที่ 1350 ft (411ม) สูงรวม topsides ที่ 520ม (สูงเท่าๆ ตึก ไทเป 101 ที่เคยสูงที่สุดในโลกอยู่ช่วงหนึ่งแต่อยู่ในทะเล) ตัว jacket หนัก 49,375ตัน รวม topsides หนัก 55,000 ตัน ณ วันนี้ก็ยังเป็นสถิติโลกอยู่

ในช่วง Transportation แรงจากคลื่นและลมสามารถจะทำให้เรือเอียงด้านข้าง (Roll) ได้ถึงมากกว่า 15 องศา แรงเอียงด้านยาว (Pitch) ได้มากถึงกว่า 5 องศา ซึ่งสามารถทำให้เกิดแรงด้านข้างจากการโคลงตัวของเรือ (Dynamic Lateral Inertia Load) ถึงกว่า 0.5g แรงแนวดิ่ง (Dynamic Vertical Inertia Load) ถึงกว่า 0.3g ซึ่งทำเป็นต้องคำนึงถึงในการออกแบบโครงสร้าง และ Sea-fastening อย่างเหมาะสม

รูปที่ 26 Statoil’s Troll A during Wet Tow

รูปที่ 26 เป็นการ Transport แบบทำให้ลอยน้ำ แล้วเอาเรือลาก ของ Statoil’s Troll A Gas Platform ในปี 1996 ซึ่งไปทั้ง Topside แล้วก็ Gravity Base ส่วนล่างพร้อมๆ กนเลย ตัวนี้เป็น Fixed Type Platform แบบ Concrete Gravity Base ที่สูงที่สุดในโลก แล้วยังได้รับจนใน Guiness Book ว่าเป็นโครงสร้างสูงที่สุดที่สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วย (The World Tallest Movable Structure) นับส่วนสูงถึงยอดแล้วสูงกว่าตึกเปโตรนาสหลายสิบเมตรเลย แต่สามารถลอยน้ำและเคลื่อนที่ได้ แถมมีเสถียรภาพในทะเลเหนือที่ว่าดุๆ (คลื่นสูงเท่าตึก 10 ชั้น) โดยที่ไม่ต้องตอกเข็ม น่าทึ่งจริงๆ น้ำหนัก รวม ของ Troll A คือ 7 แสนตันโดยประมาณ

รูปที่ 27 BP’s Atlantis Semisubmersible Transportation by Self-Propels Vessel

รูปที่ 28 Genesis’s Spar hull travels through the Corpus Christi shipping channel, passing Cline’s Landing condominium complex in Port Aransas, Texas.

 รูปที่ 29 23,500MT Woodside’s North Rankin B Topsides Transportation

9. การติดตั้งในทะเล (Offshore Installation)

การติดตั้งในทะเลเป็นเรื่องที่ยากลำบากแล้วก็ท้าทายที่สุดในบรรดาวงจรวิศวกรรมด้านนี้ เนื่องด้วยจากข้อจำกัดในด้านวิศวกรรม อุปกรณ์ หรือ ตัวเลือกที่มีอยู่ในขณะนั้นๆ ในการปฏิบัติงานในทะเล (Marine Operational) แล้วก็ความเสี่ยงซึ่งจะสูงกว่าการติดตั้งบนฝั่งหลายเท่าตัว

การติดตั้งโดยการยก (Lift) ก็ยังเป็นการติดตั้งที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในโครงสร้างที่มีขนาดเล็กจนถึงปานกลางทั้งสำหรับ Topsides และ Substructure โดยเรือเครน (Crane Vessel) ที่ใช้อาจจะเป็นแบบ Mono Hull ที่มีเครนตัวเดียว (Single Crane) หรืออาจจะเป็น Semi-submersible Crane Vessel (SSCV) ที่มีเครนบูมสองตัว (Double Crane) ก็ได้ ณ ปัจจุบัน (ปี 2004) มี SSCV ที่มี Lift Capacity สูงที่สุดอยู่ที่ประมาณ 11000 ตัน (Heerema’s Thialf กับ Saipem’s S7000) โดยส่วนใหญ่ทำงานอยู่ในทะเลเหนือ (ให้เป็นความรู้ ตอนนี้ ปี 2015 ‘Pioneering Spirit’ ของ Allsea มี Lift Capacity สูงถึง 48000 ตัน และกำลังสร้างอีกลำซึ่งยังไม่มีชื่อจะมี Lift Capacity ประมาณ 70000 ตัน เตรียมออกมาในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า)

รูปที่ 30 10,200 MT Tennet’s Helwin 2 Topside Lift by Heerema’s Thialf SSCV

สำหรับการยกในระดับน้ำหนักข้างนี้อาจจะต้องใช้ Sling Diameter ใหญ่ถึง 350-400 มม มี Minimum Breaking Load ถึงประมาณ 2500 ตัน แบบ Double-double Sling คล้องเข้าไปกับ Padear โดย Pin และ Sheaves โดย Padear อาจจะต้องออกแบบให้รับแรงให้ได้สูงถึง 7000 ตัน เพื่อให้มีสัดส่วนความปลอดภัยที่เพียงพอ โครงสร้างแบบ Jacket ในทะเลเหนือขนาดระดับ 7000-9000 ตัน ติดตั้งด้วยการยก จะเห็นได้เป็นเรื่องปกติโดยทั่วไป ในขณะที่ในเอเชียสามารถจะติดตั้งโดยการยกได้เพียงน้ำหนักไม่เกิน 3000 ตัน เนื่องจากจำกัดด้วยกำลังของเรือที่อยู่ในละแวกนี้ การที่จะเช่าเรือยกลำใหญ่มาจากยุโรปอาจจะต้องเสียค่าเช่าเป็นราคาที่สูงมากจนอาจจะไม่คุ้มกับการลงทุน

รูปที่ 31 9,000 MT Statoil’s Valemon Jacket Lift and Upend by Heerema’s Thialf SSCV

 ในโครงสร้างที่หนักจนเกินกำลังของเรือที่จะยกได้ หรือการเช่นเรือเครนลำใหญ่มาเสียค่าใช้จ่ายสูงจนไม่คุ้มที่จะลงทุน การ Launch ลงจะเรือก็เป็นอีกทางเลือกที่นิยมกันมาก โดยมากจะทำการ Launch จากส่วนท้ายของเรือ (Stern) ที่จะมีส่วนที่เรียกว่า Tilt Beam หรือบางครั้งเรียกว่า Rocker Arm ที่สามารถจะหมุนได้ เพื่อลด Reaction ที่จะเกิดขึ้นกับโครงสร้างโดยเฉพาะในช่วงที่ โครงสร้างส่วนท้ายเริ่มลอยขึ้นจากลำเรือ โครงสร้างส่วนบนเริ่มจมลงในน้ำ หรือที่เรียกว่า โครงสร้างกำลัง Tipping ณ ช่วงเวลานี้ จุดรองรับของโครงสร้างจะมากองรวมกันอยู่ที่ท้ายเรือ ทำให้เหมือนโครงสร้างทั้งหมดนั่งอยู่บนปลายมีด จึงเกิดแรงกระทำ หรือ Reaction ที่จุดนั้นสูงมาก จนโครงสร้างเสียหายได้ ถ้าไม่ได้ออกแบบไว้อย่างเหมาะสม ในโครงสร้างที่ยาวมากๆ อย่าง Compliant Tower การทำ Side Launch หรือปล่อยลงจากด้านข้างเรือ ก็เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่จะช่วยลด Bending Moment ในตัวโครงสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในการ Launch แต่ละครั้งจำเป็นต้องมีการ Ballast เรือให้มีมุมเอียงเพียงพอที่จะชนะทั้ง Static และ Dynamic Friction โดยส่วนมาก Static Friction มักจะมีค่าสูงมาก การที่จะทำให้เรือมีมุมเอียงจนโครงสร้างสามารถที่จะไหลเองได้ บางครั้งแทบเป็นไปไม่ได้ จึงมักใช้ Hydraulic Jack ที่เรียกว่า Push and Pull System ในการช่วยผลักให้โครงสร้างขยับให้ได้ก่อน โดยก่อนหน้านั้นต้องมีการ Pre-launch เรือโดย ballast ให้ได้อย่างน้อยเอียง 5 องศา ซึ่งมักจะเพียงพอในการเอาชนะ Dynamic Friction แล้ว ทำให้โครงสร้างไหลได้หลังจากโดนถีบด้วย Jack แล้ว แต่ควรต้องมีการทำ Anti-launch system ไว้เพื่อป้องกันกรณีที่โครงสร้างไหลโดยที่เรายังไม่ได้ตั้งใจด้วย

Jacket โดยปกติมักจะ Launch โดยการเอาส่วนหัวลงก่อน (Forward Launch) เนื่องจากมีน้ำหนักเบากว่า ทำให้ Launch Trajectory ไม่ปักหัวลงมาก ซึ่งจะเสี่ยงต่อการที่จะกระแทกพื้นได้ ถ้าน้ำไม่ลึกพอ หรืออาจจะต้องไป Launch บริเวณอื่นที่น้ำลึกกว่า แล้วลากมา การทำ Reverse Launch ก็อาจจะเป็นทางเลือกหนึ่งในกรณีที่น้ำลึกมากพอ เนื่องจากประหยัดเวลาที่ไม่ต้องทำการ Upend โครงสร้าง เพราะโครงสร้างเอาท้ายลง แล้วตั้งเลย (Self-upend) แต่ต้องมีการวิเคราะห์อย่างแม่นยำ เนื่องจาก มุมในการลงน้ำจะสูง ทำให้จะลงไปลึกกว่าการทำ Forward Launch จึงเสี่ยงต่อการกระแทกพื้นทะเล

รูปที่ 32 Jacket Forward Launching  รูปที่ 33 Su Tu Vang Jacket Reverse Launching – Reality vs Simulation

หลังจาก Launch โครงสร้างลงไปในน้ำแล้ว โครงสร้างจะลอยอยู่ในน้ำแบบ Free-float ซึ่งต้องมีการคำนวณอย่างแม่นยำว่า Buoyancy โครงสร้างเพียงพอที่จะทำให้มันลอยน้ำหรือไม่ โดยมีสัดส่วนความปลอดภัยที่เหมาะสม โดยปกติโครงสร้างต้องมีการทำห้องย่อยสำหรับปั๊มน้ำ หรือเรียกว่า Compartment ซึ่งจะมีการปั้มน้ำเข้าไปทีละห้องเพื่อทำให้โครงสร้างค่อยๆ เอียงจนกระทั่งอยู่ในแนวดิ่ง โดยต้องมีการใช้เรือเครนในการยกช่วย (Crane Hook Assists Upend) หรือ ถ้ามีการออกแบบอย่างแม่นยำ เราสามารถที่จะออกแบบให้โครงสร้างค่อยๆ หมุนขึ้นตั้งได้เองโดยอัตโนมัติ (Self Upend) แต่มักไม่ค่อยนิยม เนื่องจากค่อนข้างเสี่ยงที่โครงสร้างจะพลิกแล้วเสียเสถียรภาพไป ซึ่งยากต่อการกู้ขึ้นมาคืน

ในบางครั้งโครงสร้างมี Buoyancy ไม่เพียงพอในการที่จะลอยน้ำ การเพิ่ม Buoyancy โดยการติด Buoyancy Tank ก็มีความจำเป็น ซึ่งก็อาจจะมีทั้งแบบ Permanent Buoyancy Tank ซึ่งจะมีการ Flood น้ำเข้าไปหลังจากไม่ต้องการ Buoyancy แล้ว ซึ่งจะประหยัดเวลาในการถอดออก แต่จะกลายเป็นน้ำหนักเพิ่มขึ้นสำหรับโครงสร้างไป หรือ จะเป็นแบบ Temporary Buoyancy Tank ซึ่งต้องมีการถอดออกหลังจากใช้งาน ข้อดีคือ สามารถนำมาใช้ซ้ำได้ แต่ต้องเสียเวลาในการถอดออก และยังต้องออกแบบให้ถอดได้ง่ายๆ และรวดเร็วในน้ำด้วย

ก่อนที่จะทำการตอกเสาเข็ม Jacket จะต้องวางลงไปในน้ำโดยนั่งอยู่บนฐานรากตื้นที่ใช้ชั่ววางอยู่ที่พื้นทะเลเรียกว่า Mudmat ซึ่งก็อาจจะเป็นแบบแผ่นเหล็กหรือจะเป็นไม้ก็ได้ โดยมีการวางระบบคานเพื่อรองรับน้ำหนักด้วย โดยฐานรากชั่วคราวนี้จะต้องออกแบบให้สามารถต้านทานแรงจาก คลื่น กระแสน้ำ ลม หรือแม้กระทั่งน้ำหนักของเสาเข็มและค้อนในช่วงการตอก ทั้งในด้าน Bearing, Overturning และ Sliding ซึ่งจะเป็นช่วงที่โครงสร้างยังไม่ยึดกับพื้นทะเล

รูปที่ 34 Offshore Piling

ช่วงการตอกเสาเข็มถือเป็นช่วงที่ใช้เวลานานที่สุดในการติดตั้ง ทั้งนี้ทั้งนั้นยังขึ้นกับข้อมูลดินที่ได้จากการสำรวจอีกด้วยว่ามีความแม่นยำเพียงใด ช่วงนี้ยังถือเป็นช่วงที่อันตรายสำหรับโครงสร้างเป็นอย่างมาก เนื่องจากโครงสร้างมีเสถียรภาพได้จากฐานรากตื้นที่ใช้ชั่วคราว อีกทั้งในบางรูปแบบโครงสร้าง เสาเข็มและค้อน อาจจะเป็นตัวที่เข้ามาเพิ่มน้ำหนักให้โครงสร้าง และทำให้โครงสร้างล้มได้ ถ้าไม่มีการออกแบบอย่างปลอดภัยเพียงพอ

การวิเคราะห์ Pile Driveability ก็เป็นการลดความเสี่ยงในการติดตั้งอย่างหนึง เนื่องจากช่วยให้มีความมั่นใจในระดับหนึ่งว่าเสาเข็มที่ออกแบบ สามารถจะติดตั้งได้ถึงความลึกที่กำหนด เพื่อให้มีกำลังเพียงพอตามที่ออกแบบ เนื่องจากอาจจะมีความเสี่ยงที่จะตอกไม่ลง จากหลายๆ สาเหตุทำให้ไม่ได้กำลังรับแรงเท่าที่ต้องการ

รูปที่ 35 Foundation Failure of $40 million Iranian platform which was being installed in the Persian Gulf

รูปที่ 35 แสดงช่วงการ Failure ของ On-bottom Stability ของฐานรากตื้น ของแท่นราคาพันกว่าล้านบาทในอ่าวเปอร์เซีย ประเทศ อิหร่าน ที่ไม่มีเสถียรภาพเพียงพอในการรับแรงช่วงติดตั้ง ทำให้นำมาซึ่งความเสี่ยงของผู้ปฏิบัติงาน (สังเกตว่ายังมีคนไต่อยู่บนโครงสร้างเพื่อที่จะหาทางหนีในช่วงที่กำลังล้ม) และสูญเสียค่าใช้จ่ายในการกู้และซ่อมโครงสร้าง ในหลายๆ กรณี จำเป็นต้องก่อสร้างใหม่ทั้งตัว

การติดตั้ง Topside แบบชิ้นเดียว (Integrated Deck) หรือที่เรียกกันว่า Floatover Installation ได้รับความนิยมอย่างมากในปัจจุบันเนื่องจากสามารถที่จะทำการก่อสร้างและติดตั้งชิ้นส่วนอุปกรณ์ทั้งหลายให้เสร็จตั้งแต่บนฝั่ง ทำให้ลดงาน offshore hook-up ในทะเลลงอย่างมาก ทำให้ประหยัดและสามารถควบคุมคุณภาพได้ดีขึ้น ณ ปัจจุบัน สามารถติดตั้งได้หนักถึง 30000 ตัน (Daewoo’ Shwe Gas Platform) และมีที่กำลังก่อสร้างอยู่เตรียมที่จะติดตั้งอีกหนักถึงเกือบๆ 40000 ตันอีกหลายโครงการ โดย Topsides จะถูกขนไปบนเรือที่ดาดฟ้าเรียบ (Flat Top Barge) เมื่อถึงที่หมาย เรือจะโดนลากเข้าไปใน Substructure ซึ่งอาจจะเป็น Jacket, Gravity Base หรือแม้กระทั่งพวก Floating Structure

โดยโครงสร้างจะต้องมีการออกแบบช่องหรือ Floatover Slot ไว้ให้กว้างเพียงพอให้เรือเข้า หรือคร่อม รวมทั้งมีการติด Marine Equipment อย่าง Fender LMU (Leg Mating Unit) อย่างเหมาะสม เพื่อรับแรงกระแทกช่วงติดตั้ง โดยเมื่อถึงที่หมาย เรือจูงจะลากเรือที่ขนโครงสร้างเข้าไปยัง Floatover Slot ที่เตรียมไว้ ก่อนที่จะทำการ Ballast เรือลง เพื่อค่อยๆ ถ่ายแรงจากเรือ ลงไปยัง Substructure หรือที่เรียกว่า การ Mating

ในบางพื้นที่ที่ คลื่นสูง ต้องการให้ Topside อยู่สูงเพื่อหลบคลื่น ทำให้โครงสร้างต้องติดตั้งที่ความสูง ที่สูงมาก การที่จะยกโครงสร้างให้ได้ระดับตั้งแต่บนเรือนับเป็นเรื่องยาก เนื่องจากจะทำให้เสถียรภาพช่วง Transportation มันต่ำลงไปด้วย เค้าจึงอาจจะขนมาในระดับต่ำๆ ก่อน เมื่อถึงที่หมาย ก็ใช้ Hydraulic Jack ยกโครงสร้างขึ้น บวกกับการ Ballast และ Deballast เพื่อติดตั้งโครงสร้างก็เป็นได้ เมื่อ Topside สามารถจะถ่ายแรงไปยัง Substructue ได้หมดแล้ว เรือ ก็จะถูกถอนออกมา ก่อนที่จะส่งคนเข้าไปทำการเชื่อมต่อโครงสร้างให้เป็นชิ้นเดียวกัน

ทั้งนี้ทั้งนั้นในทุกขั้นตอนการติดตั้ง ต้องมีวิศวกรที่มีความเชียวชาญในการวิเคราะห์โครงสร้างและออกแบบให้มีค่าความปลอดภัยที่เหมาะสม และไม่สิ้นเปลืองจนเกินไป

รูปที่ 36 28,300MT Piltun-Astokhskoye-B Floatover Installation, Sakhalin Field, Russia รูปที่ 37 Murphy’s Kikeh Topsides Floatover – Catamarn Floatover (Twin hulls barges)

รูปที่ 36 Piltun-Astokhskoye-B Topsides Floatover Installation ปี 2007 หนัก 28,300 ตัน ถือเป็นสถิติโลกสำหรับการติดตั้งแบบนี้อยู่สักพักเลยทีเดียว

รูปที่ 37 Murphy’s Kikeh Topsides Floatover อาจจะแปลกกว่าทั่วๆ ไปหน่อย เพราะว่า มันเป็นการติดตั้ง Integrated Deck บน Spar ที่เป็นวงกลม ทำให้ ต้องออกแบบให้ เรือ นั่งคร่อมโครงสร้างเลย นั้นงาน Naval Architect จะค่อนข้างท้าทายมากเพราะต้องออกแบบให้l Transports topsides ด้วย เรือ 2 ลำ ตั้งแต่จาก ยาร์ด มาจนถึงตำแหน่งติดตัั้ง ตัว Topsides ต้องออกแบบรับ Racking Load ที่ support เกิดจาก relative movement ของเรือทั้งสองลำด้วยตอนติดตัั้งยิ่งยากเข้าอีกเพราะต้อง ballast เรือ 2 ลำ ลงพร้อมๆ กัน เพื่อจะวาง topsides ลงบน spar พร้อมกันทุกๆ จุด ไม่งั้นแรง กระแทก จะไม่สม่ำเสมอ ทำให้ออกแบบโครงสร้างยากไปเลย

รูปที่ 38 PTTEP’s Arthit Topsides during Floatover Installation

รูปที่ 39 Statoil’s Troll A Concrete Gravity Base Structure compare to Various Onshore Structure

รูปที่ 40 Chevron’s Benguela-Belize Compliant Tower compare to Various Onshore Structure

รูปที่ 41 PTTEP’s Zawtika Platform compare to Various Building in Bangkok

รูปที่ 38  แสดงการติดตั้งแบบ Floatover ของโครงการ อาทิตย์ ของ ปตท สผ ที่หนักที่สุด (17,500ตัน โดยประมาณ) ในแถบอาเซียนแถมติดท๊อป 5 ในโลก อยู่ช่วงหนึ่ง ประมาณ ปี 2007-2008 ตอนนี้น่าจะโดนทำลายสถิติไปหมดแล้ว

รูปที่ 39 เปรียบเทียบ ความสูงของ Troll A Concrete Gravity Base Structure ของ บริษัท Statoil ติดตั้งในทะเลเหนือ กับความสูงของโครงสร้างต่างบนฝั่ง จะเห็นว่า ถ้านับส่วนสูงทีสุดของโครงสร้าง จะมีความสูงกว่า ตึก เปรโตรนาส ถึงหลายสิบเมตเลยที่เดียว แทบสามารถลอยน้ำ และเคลื่อนย้ายตำแหน่งได้  แต่ตั้งอยู่ในทะเลที่มีคลื่นสูงถึงกว่า 30 เมตร เทียบเท่ากับตึกสูง 10 ชั้น

รูปที่ 40 เปรียบเทียบ ความสูงของ Benguela-Belize Compliant Tower Structure ของ บริษัท Chevron ติดตั้งในอ่าวเม็กซิโก กับความสูงของโครงสร้างต่างบนฝั่ง จะเห็นว่า ถ้านับส่วนสูงทีสุดของโครงสร้าง จะมีความสูงพอๆ กับ ตึก ไทเป 101 ที่เคยเป็นตึกสูงที่สุดในโลกอยู่ช่วงหนึ่งเลยที่เดียว แต่ Compliant ตัวนี้มีความสูงเป็นอันดับ 3 รองจาก Petronius และ Baldpate ที่สูงกว่า ไทเป 101 อีก แต่ต้องออกแบบให้เคลื่อนย้ายไปบนเรือได้ เหมือนกับเอาตึกสูงทั้งหลัง มาว่านอนบนเรือ แล้วก็ปล่อยให้มันลอยน้ำในทะเล

รูปที่ 41 แสดงความสูงของโครงการ Zawtika ของ ปตท สผ วัดจากส่วนสูงถึงยอด สูงถึงเกือบประมาณ 250ม ออกแบบให้รับแรงแผ่นดินไหวด้วยคาบการเกิดถึง 2500 ปี (Ductility Level Earthquake) เนื่องจากตั้งอยู่ห่างรอยเลื่อนเพียงไม่กี่ร้อยกิโลเมตร ในอ่าวเมาะตะมะ ประเทศพม่า ติดตั้งเสร็จในปี 2014 โครงการนี้ถือเป็นโครงการแรกของ ปตท สผ ที่ดำเนินโครงการนอกประเทศเองทั้งหมด

เอกสารอ้างอิง

[1] American Petroleum Institute – Recommended Practice (2A-WSD) for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms – Working Stress Design.

[2] ISO 19 902 – Petroleum and Natural gas Industries – Fixed Steel Offshore Structures.

[3] NORSOK Standard N-001 – Structural Design.

[4] NORSOK Standard N-003 – Actions and Action Effects.

[5] NORSOK Standard N-004 – Design of Steel Structures.

[6] Edited by A. Almar-Naess, Tapir, Fatigue Handbook, Offshore Steel Structures, 1985.

[7] N. P. D. Barltrop and A. J.Adams, Dynamics of fixed marine structures, Butterworth-

Heinemann Ltd, The Marine Technology Directorate Ltd 1991.

[8] Det Norske Veritas – Rules for Planning and Execution of Marine Operations.