NO332131B1

NO332131B1 - Method and system for protecting a structure in a marine environment from wear and tear

Info

Publication number: NO332131B1
Application number: NO20083123A
Authority: NO
Inventors: Rolf Valum; Odd Inge Lunde
Original assignee: Polkonsult As
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2012-07-02
Also published as: WO2010008300A1; NO20083123L

Abstract

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og et system for beskyttelse av en struktur i et marint/akvatisk miljø mot slitasje. Fremgangsmåten omfatter nedkjøling av minst en del av overflateområdet til strukturen og eksponering av overflateområdet mot et fluid med en frysetemperatur høyere enn overflatetemperaturen til strukturen. Følgelig fryser fluidet på overflateområdet og danner en beskyttende iskappe.The invention relates to a method and system for protecting a structure in a marine / aquatic environment against wear. The method comprises cooling at least part of the surface area of the structure and exposing the surface area to a fluid with a freezing temperature higher than the surface temperature of the structure. Accordingly, the fluid freezes on the surface area to form a protective ice cap.

Description

Oppfinnelsens område Field of the invention

Den foreliggende oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og et system for beskyttelse av en struktur i et marint/akvatisk miljø mot slitasje. The present invention relates to a method and a system for protecting a structure in a marine/aquatic environment against wear.

Bakgrunn Background

Betong- og stål strukturer anbrakt i maritime og akvatiske miljøer er utsatt for slitasje, ettersom vann som inneholder slitasjepartikler av sand, is, etc. strømmer forbi strukturen. Det er flere miljøer hvor slik slitasje er et problem, f.eks. i overløp, kai- og brosøyler, og også på isbrytere, offshore fyrtårn og andre installasjoner i områder med drivis. Dette vil være relevant for drivis både i ferskvann og i sjøvann. Concrete and steel structures placed in maritime and aquatic environments are subject to wear and tear, as water containing wear particles of sand, ice, etc. flows past the structure. There are several environments where such wear and tear is a problem, e.g. in weirs, quay and bridge piers, and also on icebreakers, offshore lighthouses and other installations in areas with drift ice. This will be relevant for drift ice in both freshwater and seawater.

Den tradisjonelle måten å redusere slitasje og dermed å øke levetiden på slike strukturer på, har vært å øke kvaliteten (hardheten) til konstruksjonsmaterialet eller å beskytte konstruksjonen i seg selv. I tillegg til de praktiske problemene som økt kompleksitet og kostnader ved å innlemme ulike materialer i konstruksjonen, har vedlikehold vist seg å være både upraktisk og kostbart, spesielt dersom ettersom det er snakk om permanente konstruksjoner. The traditional way of reducing wear and thus increasing the lifetime of such structures has been to increase the quality (hardness) of the construction material or to protect the construction itself. In addition to the practical problems such as increased complexity and cost of incorporating different materials into the construction, maintenance has proven to be both impractical and expensive, especially if permanent structures are involved.

En annen effekt som øker slitasjen på betongstrukturer er fryse/tinesyklusen, dvs. antallet ganger betongen fryses og så tines igjen pr. tidsenhet. Noe forenklet formulert vil betong i et miljø med et høyere antall fryse/tinesykler indikere at betongen er mer utsatt for slitasje enn betong i et miljø med et lavere antall fryse/tinesykler. Another effect that increases the wear and tear on concrete structures is the freeze/thaw cycle, i.e. the number of times the concrete is frozen and then thawed again per unit of time. Put somewhat simply, concrete in an environment with a higher number of freeze/thaw cycles will indicate that the concrete is more exposed to wear than concrete in an environment with a lower number of freeze/thaw cycles.

WO 02/16700 viser bruk av fryserør for dannelse av en strukturvegg av is under vann. WO 86/06771 viser bruk av fryserør for frysing av en struktur fast til havbunnen. EP 0009986 viser bruk av fryserør for forsegling av hull etc. WO 02/16700 shows the use of freezing pipes for forming a structural wall of ice under water. WO 86/06771 shows the use of freezing pipes for freezing a structure fixed to the seabed. EP 0009986 shows the use of freezer pipes for sealing holes etc.

JP 62017212 viser bruk av dyser for å sprøyte vann på en nedkjølt struktur for å få vannet til å fryse fast til strukturen. JP 62017212 shows the use of nozzles to spray water onto a chilled structure to cause the water to freeze to the structure.

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og et system for beskyttelse av en konstruksjon mot slitasje, hvor ulempene ovenfor unngås. Den bør være enkel å vedlikeholde, installere og betjene. The purpose of the present invention is to provide a method and a system for protecting a construction against wear, where the above disadvantages are avoided. It should be easy to maintain, install and operate.

Sammendrag av oppfinnelsen Summary of the invention

En fremgangsmåte for beskyttelse av en struktur i et marint/akvatisk miljø mot slitasje i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er definert i det selvstendige krav 1. Et system for beskyttelse av en struktur i et marint/akvatisk miljø mot slitasje i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er definert i det selvstendige krav 4. Andre aspekter ved oppfinnelsen fremkommer av de uselvstendige kravene. A method for protecting a structure in a marine/aquatic environment against wear and tear in accordance with the present invention is defined in independent claim 1. A system for protecting a structure in a marine/aquatic environment against wear and tear in accordance with the present invention is defined in the independent claim 4. Other aspects of the invention emerge from the non-independent claims.

Detaljert beskrivelse Detailed description

Utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj med henvisning til de vedlagte tegninger, hvor: Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the attached drawings, where:

Fig. 1 illustrerer en første utførelsesform hvor systemet er innlemmet i strukturen; Fig. 2 illustrerer et forstørret detaljriss av strukturen med rør; Fig. 3 illustrerer et forstørret detaljriss av en andre utførelsesform av strukturen og rørsystemet; og Fig. 4 illustrerer et forstørret detaljert riss av en tredje utførelsesform av strukturen og rørsystemet. Fig. 1 illustrates a first embodiment where the system is incorporated into the structure; Fig. 2 illustrates an enlarged detail view of the structure with pipes; Fig. 3 illustrates an enlarged detail view of a second embodiment of the structure and pipe system; and Fig. 4 illustrates an enlarged detailed view of a third embodiment of the structure and piping system.

Det henvises nå til fig. 1. Et system 10 er tilveiebrakt på en struktur 1 for beskyttelse av strukturen 1 mot slitasje. I denne utførelsesformen er strukturen 1 en halvt nedsenkbar struktur, f.eks. et ben hos en oljeplattform. Strukturen 1 kan også være en brokolonne eller andre typer halvnedsenkbare strukturer som nevnt i introduksjonen ovenfor. Strukturen er hul, dvs. det er et rom 2 på innsiden av strukturen 1. Rommet 2 vil normalt inneholde luft eller vann. Reference is now made to fig. 1. A system 10 is provided on a structure 1 for protecting the structure 1 against wear. In this embodiment, the structure 1 is a semi-submersible structure, e.g. a leg of an oil platform. The structure 1 can also be a bridge column or other types of semi-submersible structures as mentioned in the introduction above. The structure is hollow, i.e. there is a space 2 on the inside of the structure 1. The space 2 will normally contain air or water.

Den halvt nedsenkbare strukturen 1 er tilveiebrakt i skvalpesonen i sjøen, med et (gjennomsnittlig) havnivå som indikert i fig. 1. Skvalpesonen er her anvendt for å beskrive sonen mellom et nedre nivå og et øvre nivå, hvor vannivået varierer på grunn av bølger, tidevann, reguleringer (f.eks. reguleringer mellom nedre og øvre vannivå i daminstallasjoner hos hydroelektriske kraftstasjoner) etc. The semi-submersible structure 1 is provided in the splash zone in the sea, with an (average) sea level as indicated in fig. 1. The surge zone is used here to describe the zone between a lower level and an upper level, where the water level varies due to waves, tides, regulations (e.g. regulations between lower and upper water levels in dam installations at hydroelectric power stations) etc.

Noen av de miljømessige parameterne bør nevnes: Some of the environmental parameters should be mentioned:

- lufttemperaturen Tl er -20°C - the air temperature Tl is -20°C

- havtemperaturen T2 er 2°C - the sea temperature T2 is 2°C

- temperaturen i luft/vannrommet T3 er 2°C - the temperature in the air/water space T3 is 2°C

Systemet 10 omfatter kjølemidler 11 for kjøling av overflateområdet til strukturen. 1 fig. I er kjølemidlene 11 (indikert ved stiplede linjer i fig. 1) omfattende rørmidler 12 for sirkulering av kjølefluid i eller nær et overflateområde 3 til strukturen 1. The system 10 comprises cooling means 11 for cooling the surface area of the structure. 1 fig. In, the cooling means 11 (indicated by dashed lines in Fig. 1) comprise pipe means 12 for circulating cooling fluid in or near a surface area 3 of the structure 1.

Kjølemidlene 11 tilveiebringer en kjøling av overflateområdet til strukturen 11 til en temperatur under frysetemperaturen til sjøvannet. Dermed, siden sjøvann vaskes på overflateområdet 3 til strukturen 1, vil noe av vannet fryses på overflateområdet 3 til strukturen som en beskyttende iskappe 13 (indikert ved et prikket område). The cooling means 11 provide a cooling of the surface area of the structure 11 to a temperature below the freezing temperature of the sea water. Thus, as seawater washes onto the surface area 3 of the structure 1, some of the water will freeze on the surface area 3 of the structure as a protective ice cap 13 (indicated by a dotted area).

Kjølemidlet 11 omfatter videre et kjøleanlegg 14 for nedkjøling av kjølefluidet. Kjølemidlet 11 omfatter videre pumper, ventiler, tilpasninger, støtter, termostater, etc. (ikke vist) for sirkulering av kjølefluid gjennom rørmidlet 12. Kjølefluidet kan være ethvert passende kjølefluid. Det skal bemerkes at fryseanlegget 14 vil normalt være et passende kommersielt tilgjengelig fryseanlegg. Fryseanlegget 14 anses kjent for en fagperson på området og vil dermed ikke bli beskrevet her i detalj. The coolant 11 further comprises a cooling system 14 for cooling the cooling fluid. The cooling medium 11 further comprises pumps, valves, adaptations, supports, thermostats, etc. (not shown) for circulating cooling fluid through the pipe means 12. The cooling fluid can be any suitable cooling fluid. It should be noted that the freezer 14 will normally be a suitable commercially available freezer. The freezing plant 14 is considered known to a specialist in the area and will therefore not be described here in detail.

I den foreliggende oppfinnelsen kjøles kun deler av overflateområdet av strukturen, dette vil være delen fra det laveste vannivå til det høyeste vannivået (normalt tilsvarende skvalpesonen). In the present invention, only parts of the surface area of the structure are cooled, this will be the part from the lowest water level to the highest water level (normally corresponding to the splash zone).

I enkelte utførelsesformer, spesielt i områder hvor det er variasjoner i bølgehøyde eller hvor det er variasjoner i hvor dypt strukturen i seg selv vil senkes, kan kjølemidlet også omfatte styringsmidler (ikke vist). Styringsmidlet styrer strømmen av kjølefluid kun til enkelte deler av rørmidlene 12, slik at kun nødvendige deler av overflateområdet nedkjøles. Dette vil redusere energiforbruket til kjølemidlet. In some embodiments, especially in areas where there are variations in wave height or where there are variations in how deep the structure itself will be lowered, the coolant can also include control means (not shown). The control means controls the flow of cooling fluid only to certain parts of the pipe means 12, so that only necessary parts of the surface area are cooled. This will reduce the energy consumption of the refrigerant.

Temperaturen T4 til den beskyttende iskappen 13 kan f.eks. være tilnærmet -25°C nær overflaten til strukturen. Følgelig vil iskappen 13 være kaldere enn det meste av drivisen som flyter i sjøen. I fig. 1 driver en havblokk av havis 16 mot den isdekkede strukturen. Denne havisen vil ha en temperatur i området -1 til -5°C. Grenseflaten mellom sjøvannet og isen vil ha en temperatur på -2°C. The temperature T4 of the protective ice cap 13 can e.g. be approximately -25°C near the surface of the structure. Consequently, the ice cap 13 will be colder than most of the drift ice floating in the sea. In fig. 1 drives a sea block of sea ice 16 towards the ice-covered structure. This sea ice will have a temperature in the range -1 to -5°C. The interface between the seawater and the ice will have a temperature of -2°C.

Siden is med lav temperatur oppviser høyere mekanisk styrke enn varmere is, vil den beskyttende kappen 13 også beskytte strukturen når isen som flyter i sjøen kolliderer med den beskyttende iskappen 13. Since low temperature ice exhibits higher mechanical strength than warmer ice, the protective cap 13 will also protect the structure when the ice floating in the sea collides with the protective ice cap 13.

Normalt oppviser sjøis og ferskvannsis en økning i både trykkmessig og strekkmessig styrke med minkende temperatur, og vil, når den settes under press, normalt gi etter i området med lavest styrke. Iskappen 13 som vist i fig. 1 vil ha den laveste temperaturen nær overflaten til strukturen og en progressivt økende temperatur med økende avstand fra overflaten. 1 fig. 1 er det tilveiebrakt en isfraktursone eller ytre del 15 av iskappen 13, som illustrerer en sone hvor isen vil bygges opp og dele seg når flytende is 16 ankommer mot strukturen. Dermed vil den ytre delen 15 av iskappen gi etter før den indre delen av iskappen, og drivisen vil gi etter før den indre delen av iskappen. Sea ice and freshwater ice normally show an increase in both compressive and tensile strength with decreasing temperature, and when put under pressure, will normally yield in the area of lowest strength. The ice cap 13 as shown in fig. 1 will have the lowest temperature near the surface of the structure and a progressively increasing temperature with increasing distance from the surface. 1 fig. 1, an ice fracture zone or outer part 15 of the ice cap 13 is provided, which illustrates a zone where the ice will build up and split when liquid ice 16 arrives towards the structure. Thus, the outer part 15 of the ice cap will give way before the inner part of the ice cap, and the drift ice will give way before the inner part of the ice cap.

Under normale forhold vil iskappen 13 være relativt homogen, med lavere salinitet og porøsitet enn naturlig is 16, siden naturlig is 16 ofte inneholder saltvannslommer, knust is og snø og er relativt inhomogen sammenlignet med iskappen 13. Under normal conditions, the ice cap 13 will be relatively homogeneous, with lower salinity and porosity than natural ice 16, since natural ice 16 often contains pockets of salt water, broken ice and snow and is relatively inhomogeneous compared to the ice cap 13.

I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebrakt en ofrende, selvreparerende iskappe, hvor iskappen fornyer seg selv ettersom den slites vekk. For offshorestrukturer i arktiske miljøer, vil drivisen bli avledet og brutt opp før den kommer i fysisk kontakt med strukturene. In accordance with the invention, there is provided a sacrificial, self-repairing ice cap, where the ice cap renews itself as it wears away. For offshore structures in arctic environments, the drift ice will be diverted and broken up before it comes into physical contact with the structures.

I tillegg til slitasjebeskyttelsesvirkningen, kan systemet 10 begrense antallet fryse/tinesykler til kun én pr. sesong (dvs. frysing av strukturen ned i løpet av vinteren og tining av strukturen i løpet av sommeren), for med dette å vesentlig øke slitasjemotstanden til betongen utsatt for den kombinerte virkningen av sjøvann og frysing/tining. In addition to the wear protection effect, the system 10 can limit the number of freeze/thaw cycles to only one per season (i.e. freezing of the structure during the winter and thawing of the structure during the summer), thereby significantly increasing the wear resistance of the concrete exposed to the combined effects of seawater and freezing/thawing.

Det henvises nå til fig. 2 som viser detaljer av strukturen 1. Strukturen 1 er bygget opp av vertikale forsterkningsbjeiker 20, horisontale forsterkningsbjeiker 21, horisontale tversgående forsterkningsbj eiker 22 og betong 23. Reference is now made to fig. 2 which shows details of structure 1. Structure 1 is built up of vertical reinforcement beams 20, horizontal reinforcement beams 21, horizontal transverse reinforcement beams 22 and concrete 23.

Som vist i fig. 2 kan rørene til rørmidlet 12 være tilveiebrakt som en del av konstruksjonen av strukturen 1, f.eks. støttet av forsterkningsbjelker 20, 21 nær overflatestrukturen 3 til strukturen 1. As shown in fig. 2, the pipes of the pipe means 12 can be provided as part of the construction of the structure 1, e.g. supported by reinforcement beams 20, 21 near the surface structure 3 of the structure 1.

I den andre utførelsesformen vist i fig. 3 er rørene til rørmidlet 12 anbrakt på innsiden av luft/vannrommet 2. Dette kan være tilfelle dersom systemet 10 skal monteres inn i strukturen 1 i en separat operasjon, f.eks. etter produksjon av strukturen 1. I fig. 3 er rørmidlet 12 anbrakt nær den indre overflaten av strukturen 1. På utsiden av rørmidlet 12 kan en kappe 24 være tilveiebrakt for å beskytte og isolere rørmidlet 12. Isolasjon 25 kan også være tilveiebrakt rundt rørmidlet 12. I denne utførelsesformen vil en større del av strukturen 1 bli nedkjølt enn i utførelsesformen ovenfor. In the second embodiment shown in fig. 3, the pipes of the pipe means 12 are placed on the inside of the air/water space 2. This may be the case if the system 10 is to be fitted into the structure 1 in a separate operation, e.g. after production of the structure 1. In fig. 3, the pipe means 12 is placed close to the inner surface of the structure 1. On the outside of the pipe means 12, a jacket 24 can be provided to protect and insulate the pipe means 12. Insulation 25 can also be provided around the pipe means 12. In this embodiment, a larger part of the structure 1 be cooled than in the embodiment above.

I en tredje utførelsesform vist i fig. 4 er røret til rørmidlet tilveiebrakt på utsiden av overflateområdet 3 av strukturen 2. Rørmidlet 12 er anbrakt på innsiden av en beskyttende kappe 30 av et rørledende materiale, f.eks. av rustfritt stål eller en annen type metall eller lignende materiale. Følgelig er den beskyttende kappen 30 tilveiebrakt som et ekstra overflateområde 3a hos strukturen 1. Et isolasjonslag 31 kan være tilveiebrakt mellom rørmidlet 12 og strukturen 1.1 denne utførelsesformen vil betongdelen 23 av strukturen ikke kjøles like mye som i utførelsesformens ovenfor. In a third embodiment shown in fig. 4, the pipe for the pipe means is provided on the outside of the surface area 3 of the structure 2. The pipe means 12 is placed on the inside of a protective jacket 30 of a pipe-conducting material, e.g. of stainless steel or another type of metal or similar material. Consequently, the protective cover 30 is provided as an additional surface area 3a of the structure 1. An insulation layer 31 can be provided between the pipe means 12 and the structure 1. In this embodiment, the concrete part 23 of the structure will not be cooled as much as in the embodiment above.

I det følgende vil trinnene hos fremgangsmåten for beskyttelse av en struktur i et marint/akvatisk miljø mot slitasje i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen bli beskrevet: I et første trinn omfatter fremgangsmåten kjøling av minst en del av overflateområdet 3, 3a av strukturen. Så eksponeres overflateområdene for et fluid, med en frysetemperatur høyere enn overflatetemperaturen til strukturen, for med dette å forårsake at fluid fryser på overflateområdet og danner en beskyttende iskappe. In the following, the steps of the method for protecting a structure in a marine/aquatic environment against wear in accordance with an embodiment of the invention will be described: In a first step, the method comprises cooling of at least part of the surface area 3, 3a of the structure. The surface areas are then exposed to a fluid, with a freezing temperature higher than the surface temperature of the structure, thereby causing the fluid to freeze on the surface area and form a protective ice cap.

Kjølingen utføres ved sirkulering av et kjølefluid i eller nær strukturen, eller mer spesifikt i eller nær overflateområdet av strukturen. The cooling is carried out by circulating a cooling fluid in or near the structure, or more specifically in or near the surface area of the structure.

I de fleste anvendelser er fluidet en fritt tilgjengelig fluid som omgir strukturen, slik som sjøvann, ferskvann eller brakkvann. In most applications, the fluid is a freely available fluid that surrounds the structure, such as seawater, fresh water or brackish water.

Kjøling kan utføres ved sirkulering av fluid i hele strukturen. Imidlertid vil kjøling i de fleste anvendelser bli utført kun i en del av overflateområdet som er i skvalpesonen til fluidet. Cooling can be carried out by circulating fluid throughout the structure. However, in most applications cooling will be carried out only in a part of the surface area which is in the sloshing zone of the fluid.

I enkelte anvendelser styres sirkulasjonen av kjølefluid til å strømme kun til deler av strukturen nær skvalpesonen. In some applications, the circulation of cooling fluid is controlled to flow only to parts of the structure near the splash zone.

Alternative utførelsesformer Alternative embodiments

I utførelsesformene beskrevet ovenfor er fluidet som brukes til å danne den beskyttende iskappen 13 en fritt tilgjengelig fluid som omgir strukturen; normalt vil dette være sjøvann eller ferskvann. Imidlertid vil det også være mulig å anvende andre passende fluid. In the embodiments described above, the fluid used to form the protective ice cap 13 is a freely available fluid surrounding the structure; normally this will be seawater or fresh water. However, it will also be possible to use other suitable fluids.

Videre vil det også være mulig at systemet 10 omfatter et fluidpåføringsmiddel, for å påføre fluid på overflateområdet manuelt. Furthermore, it will also be possible for the system 10 to comprise a fluid application means, in order to apply fluid to the surface area manually.

I enkelte utførelsesformer kan fluidet som påføres av fluidpåføringsmidlet være superkjølt eller forhåndskjølt til en temperatur under frysetemperatur før den påføres overflateområdet til strukturen. På denne måten vil iskappen bygges opp fortere. In some embodiments, the fluid applied by the fluid application means may be supercooled or pre-cooled to a temperature below freezing before it is applied to the surface area of the structure. In this way, the ice cap will build up faster.

Den detaljerte beskrivelsen ovenfor er spesielt tilveiebrakt for å illustrere og å beskrive foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen. Imidlertid er ikke beskrivelsen begrenset til de spesifikke utførelsesformer. The above detailed description is specifically provided to illustrate and describe preferred embodiments of the invention. However, the description is not limited to the specific embodiments.

Claims

1. Method for protecting a structure in a marine/aquatic environment against wear, comprising the following steps: - cooling of at least part of a surface area of the structure; - exposing the surface area to a fluid with a freezing temperature higher than the surface temperature of the structure, thereby causing the fluid to freeze on the surface area and form a protective ice cap; characterized in that: execution of the cooling takes place in a part of the surface area which is in the splash zone of the fluid; and carrying out the cooling takes place by circulating a cooling fluid in or near the surface area.

2. Method in accordance with patent claim 1, where the fluid is an available fluid that surrounds the structure, such as seawater, fresh water, etc.

3. Method in accordance with patent claim 1 or 2, where the cooling is carried out by directing cooling fluid to only those parts of the structure which are close to the splash zone.

4. System for protecting a structure in a marine/aquatic environment against wear, comprising: - cooling means for cooling at least part of the surface area of the structure; - a protective ice cap formed on the surface area of the structure, where the ice cap comprises a fluid with a freezing temperature higher than the surface temperature of the structure; characterized by the cooling means comprises pipe means for circulating cooling fluid in or near the surface area of the structure; and the coolant is provided for cooling a part of the surface area which is in the splash zone of the fluid.

5. System in accordance with patent claim 4, where the fluid is a freely available fluid that surrounds the structure, such as seawater, fresh water, etc.

6. System in accordance with patent claim 4, where the cooling means comprises a control means for controlling the supply of cooling fluid to the part of the surface area which is in the splash zone of the fluid.

7. System in accordance with patent claim 4, where the coolant comprises a freezing system connected to the piping, where the freezing system cools down the cooling fluid.

8. System in accordance with patent claim 4, where the system comprises fluid application means for applying fluid to the surface area.

9. System in accordance with patent claim 8, where the fluid applied by the fluid application agent is supercooled/precooled to a temperature below its freezing temperature.