การวิบัติของโครงสร้างนอกชายฝั่งแบบคอนกรีตถ่วงน้ำหนัก Sleipner Alpha


The Sinking of Offshore Concrete Gravity Base – Sleipner Alpha
การวิบัติของโครงสร้างนอกชายฝั่งแบบคอนกรีตถ่วงน้ำหนัก Sleipner Alpha
K. KUROJJANAWONG

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

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

 โดย CGBS ตัวแรกเป็นของ บริษัท Phillips ชื่อ Ekofisk หรือบ้างครั้งจะเรียกว่า Ekofisk Tank ติดตั้งในทะเลเหนือในน้ำลึก 73ม ปี 1973 ออกแบบโดย บริษัท Doris Engineering จากประเทศนอร์เวย์

2

รูปที่ 2 Phillip’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

3รูปที่ 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

4รูปที่ 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

5รูปที่ 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

6

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

4

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

Sleipner

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

8

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 90000 ตร.ม. ช่วงที่ล้มกระแทกพื้น เครื่องวัดความสั่นสะเทือนบริเวณใกล้เคียงจับความรุนแรงของการกระแทกได้เท่าแผ่นดินไหวขนาด 3 ริกเตอร์ ไม่พบผู้บาดเจ็บและเสียชีวิตจากเหตุการณ์นี้

9รูปที่ 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.

Investigation

หลังเหตุการณ์วิบัติ Sleipner A-1 บริษัท Statoil ได้ติดต่อทีมนักวิจัยจาก SINTEF (สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาตินอร์เวย์ ถือเป็นสถาบันวิจัยที่ใหญ่ที่สุดในแถบแสกนดิเนเวียด้วย) ให้เข้าร่วมวิเคราะห์สาเหตุทันที โดยได้ทำงานคู่ขนาน กับ ทีมวิศวกรจากบริษัทผู้ออกแบบ ซึ่งทีมนักวิจัยทั้งสองทีมเริ่มสืบหาสาเหตุตั้งแต่ลักษณะการจม เหตุการณ์สำคัญที่มีการจดบันทึกไว้ช่วงเกิดเหตุการณ์ สัมภาษณ์ผู้รอดชีวิต มาตรฐานที่ใช้ในการออกแบบ รายการคำนวณ การควบคุมคุณภาพของผลงาน (Quality Assurance) การก่อสร้าง รวมถึงเข้าไปดูแบบรายละเอียด เพื่อวิเคราะห์หาจุดด้อยของโครงสร้าง โดยเฉพาะตามจุดต่อที่สำคัญ อย่างเช่น Tri-cell ที่เป็นจุดต่อระหว่างแต่ละ Concrete cell จากนั้นมีการวิเคราะห์ความน่าจะเป็นในการวิบัติของโครงสร้างในแต่ละจุดรวมกับบันทึกไทม์ไลน์ช่วงเกิดเหตุการณ์ เพื่อนำมาซึ่งการจำกัดขนาดของปัญหา ก่อนที่จะทำการ Re-analysis ในจุดที่คิดว่าน่าจะเป็นสาเหตุให้เกิดการวิบัติ รวมทั้งมีจำลองจุดที่คิดว่าน่าจะเป็นสาเหตุให้เกิดการวิบัติขึ้นมาใหม่ในขนาดเท่าจริงแล้วทำการทดสอบแบบ Full Scale Test

หลังจากใช้เวลา Screening ปัญหาอยู่พอสมควร นักวิจัยทั้งสองทีมลงความเห็นตรงกันว่าจุดอ่อนที่สุดของ Condeep CGBS Type อยู่ที่ Tri-cell Joints (ดูรูปที่ 10) ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างแต่ละ Concrete Cells รวมถึงเป็นส่วนหนึ่งของผนังของ Storage Tank ด้วย

ทีมนักวิจัยได้ทำการ Re-analysis Tri-cell Joints โดยใช้ข้อมูลจากแบบรายละเอียด พบว่า Ultimate Strength ของ Tri-cell Joints มีประมาณ 1.2 ถึง 0.8 เท่าของแรงดันน้ำที่เกิดขึ้นที่ความต่าง head 67 ม ดังแสดงในรูปที่ 11 ซึ่งค่อนข้างใกล้เคียงกับแรงที่กระทำต่อจุดต่อนี้ในขณะนั้น

ดังนั้นทีมนักวิจัยจึงได้ลงความเห็นว่าการวิบัติน่าจะเกิดที่ Tri-cell Joint ของ Tank D3 ตามบันทึกเหตุการณ์ที่ได้ยินเสียงระเบิดที่จุดนี้ก่อน ก่อนที่จะเกิด Progressive collapse ไปยังจุดอื่นอย่าง Tricell Joints ข้างเขียง เนื่องจากบันทึกเหตุการณ์ได้ยินเสียงระเบิดที่ Tank D3 แล้วตามด้วยเสียงน้ำไหล ก่อนจะได้ยินเสียงระเบิดอีกครั้ง

ซึ่งเป็นไปได้ว่าการที่ค่อย ballast GBS ลงไป ทำให้มีความต่างของแรงดันน้ำภายในและภายนอกอยู่ 67 ม (บางข้อมูลก็บอก 65ม) ซึ่งกลายเป็น Hydrostatic pressure ที่กระทำอยู่หลัง Tri-cell Joints ประกอบกับมีการใส่ T-head Bar ที่สั้นเกินไป และมีการหยุดเหล็กปลอกเร็วเกินไป ทำให้จุดที่รับ Hydrostatic pressure เป็น weak point แล้วเกิดการ crack ขึ้นหลัง T-head reinforcement (ดูรูปที่ 12) อันเป็นสาเหตุให้ได้ยินเสียง Deep Bang

11

รูปที่ 11 Detailed of Drill Shaft D3 at Time of Failure and its Reinforcement Detail [4]

หลังจากนั้นการ Crack จะค่อยๆ กระจายออกไปทั้งบนและล่าง ซึ่งทำให้เริ่มมีการน้ำไหลเนื่องจากน้ำจะเริ่มไหลจากภายนอกเข้าสู่ Ballast Tank ระหว่างในบันทึกเหตุการณ์ระบุว่า ตัววัดความดันในแท้งค์วัดได้ระดับความดันลงอย่างรวดเร็ว อันเป็นข้อยืนยันอีกอย่างหนึ่งว่าเกิดรอยรั่วระหว่างข้างนอกและข้างในทำให้แรงดันลดลงอย่างรวดเร็ว มีการคาดการณ์ว่า รอยร้าวน่าจะมีความยาวถึง 7-8 ม ด้วยรอยร้าวกว้าง 30-40 มม

ทีมวิจัยคาดการณ์ว่า มีการ Crack ขยายขึ้นรอบ Tri-cell Joints D3 แล้วเกิดการลามไปยัง Tri-cell Joints ข้างเคียง อันเป็นสาเหตุให้ได้ยินเสียง Deep Bang ขึ้นเป็นครั้งที่ 2 และมีการสังเกตเห็นน้ำไหลแรงขึ้นหลังจากเสียงระเบิดครั้งที่ 2 เนื่องจากมีรูเปิดมากขึ้น

12

รูปที่ 12 Detailed of Drill Shaft D3 at Time of Failure and its Reinforcement Detail [8]

Engineering Process Overview

Tri-cell Joints ถูกวิเคราะห์ด้วยวิธี FEM โดยโปรแกรม MSC\NASTRAN v.65C ซึ่ง Core Solver พัฒนาโดย NASA ทีมวิจัยพบจุดบกพร่องที่สำคัญของ FEM software ตัวนี้ในกรณีที่ element face ไม่เป็น plane คือมีการบิด (skew) ตัวโค๊ดที่ใช้ในการคำนวณจะให้ค่าผิดพลาดค่อนข้างมาก รวมไปถึงการคำนวณอันนำไปซึ่งความผิดพลาดในการออกแบบเหล็กเสริม

NC เป็น Main Contractor สำหรับงานนี้ (ดูรูปที่ 13) แล้วก็เป็น บริษัทที่ทำ Global Analysis เอง โดยใช้ FE software package คือ MSC\NASTRAN v.65C ซึ่งถือเป็นงานแรกของ NC ด้วยที่ทำ Global Analysis เอง เนื่องจากปกติจะ outsource ไปยังบริษัท OO แต่งานนี้ NC เลือกที่จะทำเองอาจเป็นเพราะ เป็น Condeep ที่ตัวไม่ใหญ่มาก แล้วต้องการสร้างทีม Engineering ของตัวเองขึ้นมา โดยซับงาน local design ไปให้ OO โดย NC จะส่งผลจาก NASTRAN ไปให้ OO เพื่อทำการวิเคราะห์ออกแบบเหล็กเสริม

NC ทำการจำลองโครงสร้างเพียง 1 ใน 4 โดยใช้ประโยชน์จากความสมมาตรของโครงสร้าง แล้วทำการวิเคราะห์เป็นไฟล์ดิจิตอลเพื่อส่งไปให้ OO ทำการออกแบบเหล็กเสริม (ดูรูปที่ 14)

OO เมื่อรับ Stress จาก Global analysis จะใช้ in-house software ชื่อ POST ในการดึงข้อมูลออกมาจากผลของ NASTRAN ซึ่งจะเป็นหน่วยแรงที่ node โดย POST จะทำการหา Mid-section stress โดยการจับเฉลี่ยจาก node ทั้งสองฝั่ง จากนั้นทำการ Extrapolate ไปยังตำแหน่งอื่นด้วย การใช้ 2nd degree Polynomial จาก stress 3 จุด จากนั้นทำ stress ในแต่ละจุดไปออกแบบเหล็กเสริม (ดูรูปที่ 15)

ซึ่งทีมวิจัยพบว่าความผิดพลาดเกิดขึ้นทั้งใน NC และ OO design phase ดังแสดงในรูปที่ 16 รวมไปถึงความไม่พร้อมของ 3rd Party Independent Check (Veritec) ที่ไม่สามารถครวจพบความผิดพลาดในขั้นตอนการทำ Engineering ได้

13

รูปที่ 13 Division of Work during Engineering [9]

14

รูปที่ 14 The Global Analysis at Norwegian Contractors A.S. [9]

15

 รูปที่ 15 Design Work and Drawings from Dr.Tech. Olav Olsen A.S., Ref. [9]

16

รูปที่ 16 Major Weakness in Engineering, Ref. [9]

Flawed FEM Analysis

Tricell-Joints ถูกนำมาวิเคราะห์ใหม่โดยพยายามเลียนแบบต้นฉบับที่ทำไว้ตอน Engineering ดังแสดงในรูปที่ 17 โดยจำลองอาศัย Symmetrical Benefit เพียง 1/6 ของ Tri-cell Joints ถูกจำลองขึ้นโดยใส่ Boundary Condition ตามรูปที่ 18

17

รูปที่ 17 Original FE model of Tri-cell Joint [1]

18

รูปที่ 18 FE model of Tri-cell Joints Reanalysis [22]

ทีมวิจัยพบว่า FE model ที่ใช้ในการวิเคราะห์ Global analysis ที่ทำโดย NC มีความผิดพลาดเนื่องจากมี Uncommon Element อย่าง Skew Element (Element ที่ไม่ใช่รูปร่างเรขาคณิตปกติ แต่มีการบิดเบี้ยว ซึ่งเป็นที่รู้กันว่าการ distort element จะทำให้ผลที่ได้มีความคลาดเคลื่อนจากที่ควรจะเป็นขึ้นกับ degree of distortion ซึ่งเป็นสิ่งที่วิศวกรต้องมีพื้นฐานในความเข้าใจก่อนที่จะใช้ซอฟ์ทแวร์) ปะปนอยู่โดยเฉพาะบริเวณจุดสำคัญอย่าง Tri-cell Joints โดยจากการตรวจสอบขั้นตอนควบคุมคุณภาพ (Quality Assurance) ทั้งใน บริษัท NC และ OO พบว่ามีขอบกพร่องอยู่ในหลายๆจุด อย่างไรก็ดีทั้งสองบริษัทได้มีการ Cross Check ซึ่งพบว่าได้มีการ Highlight เรื่อง Skew element จากบริษัท OO ไปยัง NC ว่าพบ Skew Element ในหลายๆจุดของ Global model แต่ไม่ได้มีการเน้นย้ำจุดที่ต้องพิจารณาเป็นพิเศษ ซึ่งพบว่า NC ทำการแก้ไขโมเดลในหลายจุด แต่ละเลยจุดสำคัญอย่าง Tri-cell Joints

ด้วยการจำลองโครงสร้างตามต้นฉบับ (รูปที่ 18) จะพบว่าเมื่อมีแรงกระทำตามหลักการเบื้องต้นควรจะได้ Shear Force Diagram (SFD) ที่เป็นเส้นตรง โดยมีค่าเป็นศูนย์ที่ปลายคือจุดกลางของ Tri-cell Joints และมีค่าสูงที่สุดที่จุดต่อของ Tri-cell Joints ซึ่งตามหลักการพื้นฐาน ค่า Maximum Shear Stress จะเท่ากับ 3.98GPa แต่ด้วยผลของ Skew element รวมไปถึงการ Extrapolate (2nd order polynomial) ดังหลักการที่แสดงในรูปที่ 15 จะให้ค่า Shear stress เพียง 2.33GPa ซึ่งคิดเป็น 59% ของที่ควรจะเป็น และต่ำกว่าที่ควรจะเป็นไปถึง 41%

เมื่อทำการเพิ่มจำนวน Element แต่ยังคงมี Skew Element อยู่ พบว่าค่า Shear Stress เพิ่มขึ้นเป็น 3.25GPa คิดเป็น 82% ของที่ควรจะเป็น และเมื่อทำการแก้ไข Skew Element ให้หายไปพบว่าได้ค่าเท่ากับที่ควรจะเป็น คือ 3.98GPa

ซึ่งผลจากความผิดพลาดในการคำนวณครั้งนี้ทำให้ได้จำนวนเหล็กเสริมที่น้อยเกินไป และรวมไปถึงการให้แบบรายละเอียดที่มีความยาวของ T-head bar ที่ไม่เพียงพอ (ดูรูปที่ 20) นำมาซึ่งความวิบัติของโครงสร้างที่มีความเสียหายถึง 700ล้านยูเอส โดยเป็นความเสียหายเนื่องจากโครงสร้าง 180ล้านยูเอส และเป็นค่าความเสียหายเนื่องจากความล่าช้า 520ล้านยูเอส ซึ่งราคานี้เป็นราคาเมื่อปี 1991

 19

รูปที่ 19 Effect of Skew Element and Extrapolation Concept [22]

20

รูปที่ 20 Sleipner A Strut-and-Tie Model [22]

Model Test

ฤดูหนาว ปี 1992 หลังจากการวิบัติ 1 ปี การทดสอบแบบ Full Scale ด้วยอัตราส่วน 1:1 เทียบกับของจริง รวมทั้งเหล็กเสริมภายใน โดยทำการทดสอบทั้งหมด 14 ตัวอย่าง โดยทำการทดสอบในทุกรูปแบบเพื่อที่จะหาจุดอ่อนและความน่าจะเป็นของการวิบัติ ซึ่งผลการทดสอบได้ยืนยันถึงสมมติฐานที่ทีมวิจัยได้ตั้งไว้ โดยโหมดของการวิบัติ (ดูรูปที่ 21) ตรงกับผลที่ได้จากการ Re-analysis ดังที่ได้กล่าวมา

หลังจากการยืนยันโหมดของการวิบัติ ทีมวิจัยได้ตัดสินในทำการทดสอบในอีก 10 ตัวอย่าง โดยมีการปรับปรุงจุดอ่อนในทุกๆจุดตามผลที่ได้จากการ Re-analysis ทั้งการเพิ่ม Shear Reinforcement (Stirrup) การเพิ่มจำนวน T-head bar รวมไปถึงความยาวของมัน ซึ่งพบว่าความยาวของ T-head bar เพิ่มขึ้นอีกเพียงเล็กน้อยสามารถเพิ่มกำลังรับแรงเฉือนที่จุดวิกฤตของ Tri-cell Joints ได้อย่างมีประสิทธิภาพ สุดท้ายรูปแบบเหล็กเสริมดังแสดงในรูปที่ 22 เป็นรูปแบบที่คิดว่าดีที่สุด รวมถึงได้นำรูปแบบนี้ไปใช้ใน Sleipner A-2 ที่สร้างขึ้นมาแทนตัวที่พังไปด้วย

21

รูปที่ 21 Experiment Test of Tri-cell Joints [Courtesy by SINTEF]

22

รูปที่ 22 Reinforcement in Y-shape Test Specimen [12]

Conclusion

โดยทีมวิจัยและตรวจหาสาเหตุ ได้สรุปบทเรียนจากการวิบัติครั้งนี้ไว้โดยคร่าวๆ ดังนี้

  • วิศวกรโครงสร้างที่เป็นคนวิเคราะห์โครงสร้างไม่มีความเข้าใจในพื้นฐานของ FEM อย่างเพียงพอ โดยเฉพาะผลของ Skew Element ที่จะตามมา
  • วิศวกรโครงสร้างขาดความเข้าใจใน Fundamental Mechanic ที่ต้องรู้ว่า Shear Stress จะมีการกระจายเป็นเส้นตรงไม่ใช่รูปแบบ Parabola
  • ขาดระบบควบคุมคุณภาพที่ดีในการตรวจสอบและติดตามปัญหาภายในบริษัท Engineering
  • 3rd Party independent บกพร่องในการที่จะหาข้อบกพร่องในช่วงออกแบบและก่อสร้าง

โดยหลักๆ เลยก็คือวิศวกรขาดความรู้และเข้าใจในโปรแกรมและงานที่ได้รับมอบหมายอย่างเพียงพอ รวมไปถึงขาดวิศวกรอาวุโสที่มีความสามารถในการตรวจเช็คงานก่อนที่จะส่งแบบรายละเอียด (ขณะนั้นมีอีกสองงานที่ใหญ่ติด Top 2 ในโลก ที่ออกแบบและก่อสร้างที่บริษัทเดียวกัน)

การวิบัติของ Sleipner A-1 เกิดขึ้นในเดือน สิงหาคม ปี 1991 โหมดการวิบัติถูกค้นพบในอีก 2 เดือนถัดมา (ตุลาคมปี 1991) โดยได้รับการยืนยันโดยการทดสอบแบบ Full Scale ในอีก 1 ปี ถัดมา หลังจากนั้น Statoil มีความมั่นใจว่าสามารถที่จะขจัดปัญหาเดิมออกไปได้ โดยตัดสินใจที่จะสร้างขึ้นมาอีก 1 ตัวโดยใช้ชื่อเดิม Sleipner A-2 โดยตัวใหม่นี้ได้ทำการออกแบบและวิเคราะห์โดยใช้ FEM บวกกับการคำนวณด้วยมือ เพื่อเป็นการตรวจสอบผลในทุกขั้นตอน โดยตัวใหม่สร้างเสร็จและติดตั้งได้ในวันที่ 29 เมษายน ปี 1993 ล่าช้าจากหมายกำหนดเดิมไป 20 เดือน

บทเรียนจากการวิบัติครั้งนี้คือวิศวกรควรจะมีความรู้และความเข้าใจพื้นฐานที่ดีในงานที่ได้รับหมอบหมาย โดยเฉพาะการใช้ Computer เข้ามาช่วยในการวิเคราะห์และออกแบบซึ่งนิยมมากในปัจจุบัน วิศวกรหลายๆ คนลืม Fundamental Basic ไป โดยเชื่อผลที่ได้จาก Computer มากเกินไป หรือบางครั้งขาดความเข้าใจใน Limitation ของโปรแกรม ขาดการตรวจสอบ หรือขาด Engineering Sense ที่จะสามารถสุ่มตรวจในบางจุดที่สำคัญได้ ผลจากการละเลยเพียงเล็กน้อยอาจจะนำมาซึ่งการเสียหายทั้งชีวิตและทรัพย์สิน ยังอาจจะรวมไปถึงอนาคตของตัววิศวกรเองด้วย

23

รูปที่ 23 Sleipner A-2 installed in 29 April 1993 (20 months delay)

 References

[1] Jakobsen, B. and Rosendahl, F. (1994), “The Sleipner Platform Accident”, Structural Engineering International, IABSE, Vol. 3, pp. 190-193.

[2] Jakobsen, B. (1992), “The Loss of the Sleipner A Platform”, Proceedings of the 2nd International Offshore and Polar Engineering Conference, San Francisco 1992.

[3] Holand, I. (1994), “The Loss of the Sleipner Condeep Platform”, First Diana Conference on Computational Mechanics, Delft, The Netherlands, October.

[4] Collins, M.P. and Selby, R.G. (1997), “Failure of An Offshore Platform”, Concrete International 19(8), August 1997, pp. 28-35.

[5] Wackers, G. (2004), “Engineering Opimization in the Design and (1991) Loss of the Sleipner A GBS”, Center of Technology, Innovation and Culture, University of Oslo, May 2004.

[6] Arnold, D. (2009), “The sinking of the Sleipner A offshore platform,” Institute for Mathematics and its Applications (IMA) at University of Minnesota, 7 September 2009

[7] Mellgren, D. (2009), “North Sea oil platforms: Hard work, strict safety and inventive fun”. The Associated Press (Alexander’s Gas & Oil Connections). Retrieved 2009-12-26.

[8] Tretiakova, K. (2012), “Sleipner A – North Sea Oil Platform Collapse”, Available: http://failures.wikispaces.com/Sleipner+A+-+North+Sea+Oil+Platform+Collapse

[9] Jersin, E., Soreide, T.H., Reinertsen, A.R. (1997), “Sleipner A GBS Loss Report 16 Quality Assurance”, STF38-A97428, SINTEF, November 1997.

[10] Schlaich, J. and Reineck, K.H. (1993), “Die Ursache fur den Totalverlust de Betonplattform Sleipner A”, Beton- u. Stahlbetonbau 88 (1993), H.1, 1-4

[11] Barry, J. (2013), “The Loss of the Sleipner A Platform”, Journal of Undergraduate Engineering Research and Scholarship, Faculty of engineering and Applied Science, Memorial University of Newfoundland, March 2013.

[12] Holand, I., Gumestad, O.T. and Jersin, E. (2003), “Design of Offshore Concrete Structure”, SPON Press, Taylor and Fransis Group.

[13] Holand, I. (1996), “Structural Analysis of Offshore Concrete Structure”, IABSE congress report, 15/1996.

[14] OGP (2003), “Disposal of Disused Offshore Concrete Gravity Platform in OSPAR Maritime Area”, Report No.338, International Associate of Oil & Gas Producers, February 2003.

[15] Oyvind, S. (2006), “Eminent Structural Engineer: Dr techn. Olav Olsen (1913-1998)”, Structural Engineering International, 4/2006.

[16] Vos, C.J., “25 Years Gravity Base Structures Design, Construction and Installation”

[17] Unocal, “Concrete Offshore Structures – General Introduction”, Presentation provided by Unocal.

[18] Clauss, G., Lehmann, E. and Östergaard, C., “Offshore Structures Volume 1: Conceptual Design and Hydromechanics,” Springer-Verlag, 342 pp, 1992

[19] http://en.wikipedia.org/wiki/Sleipner_gas_field

[20] http://en.wikipedia.org/wiki/Sleipner_A

[21] http://home.versatel.nl/the_sims/rig/sleipnera.htm

[22] NSDL, “Other Failure Cases/Sleipner A” MatDL, 15 July 2011. [Online], Available: http://matdl.org/failurecases/Other_Failure_Cases/Sleipner_A.html

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s