ライザー張力保持システム

ライザーテンショナーの役割

ライザー上端には伸縮継手があります。内筒はドリルフロアの下でリグから吊り下げられ、ライザー上端となる外筒の内側を滑ります。テンショナーは外筒のテンションリングに接続し、そこからライザーを支えます（図1）。リグがヒーブすると内筒が滑り、テンショナーがストロークしますが、その下のライザーは位置を保ちます。

各テンショナーは高圧ガスをばねとして用いる油圧シリンダです。リグが上昇するとテンショナーが伸び、油がガスボトルに押し込まれてガスが圧縮されるため、張力は少し上がります。リグが下降するとガスが油を押し戻し、張力は少し下がります。ガスがばねであり、その容量が張力変化の小ささを決めます。

ライザーに必要な張力

ライザーは全長にわたり引張状態を保たなければ座屈するおそれがあります。上端の張力は、潮流やリグの坑井からの位置ずれによって生じるフレックスジョイントの角度も小さく保ちます。API RP 16Qは、スリップリングと呼ぶテンションリングでの力の釣り合いから最小値を定めます:

ここで W_s はライザーの水中重量、 B_n は浮力モジュールによる正味揚力です。係数 f_{wt} \ge 1.05 と f_{bt} \le 0.96 は重量の許容差と、圧縮および吸水による浮力低下を考慮します。 A_i はチョークライン、キルライン、補助ラインを含むライザー内部の断面積で、 d_m H_m と d_w H_w はライザー下端における内側の泥水柱と外側の海水柱の圧力です。

テンショナーの一部が同時に故障する可能性があり、リングまでの経路でも力が少し失われるため、テンショナーはそれ以上の張力を出す必要があります:

ここで N はテンショナーのワイヤー本数またはシリンダ本数、 n は突然故障し得る本数または基数、 R_f, は通常0.90～0.95で、フリート角（ワイヤーの鉛直からの傾き）と摩擦を考慮します。

計算例: 1,500 mのライザー

1. 入力値。 説明用の概数として、長さ1,500 m、水中重量900 t、浮力による揚力800 tのライザーを用い、 A_i = 0.22\ \text{m}^2 内径部と各ラインの断面積とします。泥水は1.50 SG、海水は1.025で、どちらの液柱も1,500 mとします。テンショナーワイヤーは12本で、デュアルユニット1基（ワイヤー2本）が突然故障し得るとし、 R_f = 0.95.
2. テンションリングでの値。 密度をt/m³で表し、単位をtとすると、重量項は 900 \cdot 1.05 = 945, 、浮力項は 800 \cdot 0.96 = 768 、泥水項は 0.22 \cdot 1{,}500 \cdot (1.50 – 1.025) \approx 157, となるため、
   T_{\text{SR,min}} = 945 – 768 + 157 \approx 334\ \text{t}
3. テンショナーの設定張力。
   T_{\min} = 334 \cdot \frac{12}{0.95 \cdot 10} \approx 422\ \text{t}
   これは約4.1 MN、または930 kipsです。

浮力が鋼材重量の大半を支え、許容差係数だけで約80 tが加わります。900 tに対する5 %と、800 tから差し引く4 %です。残りは水深と泥水比重に左右されます。同じライザーを水深3,000 mで1.8 SGの泥水とともに使用する場合、約1,100 tが必要です。大水深掘削リグは約1,400～1,800 tのテンショナー容量を備え、最小張力に加えて、ストローク中の張力増加と潮流・位置ずれに必要な追加張力をまかないます。

実際の構成評価では、ライザージョイントのデータシートから重量を取り、上端だけでなくライザー全長にわたる有効張力を確認します。張力範囲の上限も、ライザー、伸縮継手、テンションリング、坑口装置、コンダクターによって制限されます。

ストロークとガス容量

ストロークには、ライザー位置でのリグのヒーブ、リグが坑井からずれたときの沈下量、潮汐、ライザー自体の伸びを収め、テンショナーが端まで達しないよう両端に余裕を持たせる必要があります。大水深リグの移動量は約15 m（50 ft）です。

そのストロークで張力がどれだけ変化するかはガスによります。ストローク中間位置でのガス容量を V_0 、ピストン面積を A, 、中間位置からのストロークを x とすると、ガスが圧縮される場合は次の式になります。

ここで \kappa は、理想気体の低速な等温圧縮では1.0、高速な断熱圧縮では約1.4です。テンショナーの作動圧力である100～200 barでは、実際の窒素はさらに硬くなるため、高速ストロークではガスがより多く必要です。ストロークによる掃引容積に対してガス容量が大きいほど、曲線は平坦になります（図2）。例えば全ストロークで張力を±5 %以内に保つには、掃引容積の約14倍のガス容量が必要です。そのためテンショナーシステムには大型ガスボトル群が備えられています。

同じガススプリングによって、ライザーとテンショナーには鉛直方向の固有周期が生じます。これを作業時の波周期と照合します。ライザーを切り離してテンショナーから吊り下げ、下端に保持するものがない場合に特に重要です。

ワイヤー式と直動式のテンショナー

テンショナーロープ

ワイヤー式ではロープが摩耗部品です。現行ユニットでは各ワイヤーの容量は最大約250 kipsです。波の周期ごとに同じ数メートルのロープがシーブ上で曲がり、塩分を含む空気で腐食も進みます。そのためリグでは、摩耗を分散するため予定に沿ってロープの位置をずらし、切り詰める作業を行い、点検し、寿命に達したら交換します。ロープの仕様はAPI Spec 9A、保守と使用はAPI RP 9Bに従います。ガイドシーブはフリート角を小さく保つよう配置し、ロープ張力をより多くライザーの揚力に使えるようにするとともに、ロープ寿命を延ばします。

生産用ライザー

テンションレグプラットフォームやスパーの上部張力式生産用ライザーも、油圧・空気圧式テンショナー、または一部のスパーでは浮力缶で同様に保持されます。この場合、張力は掘削期間ではなく油ガス田の供用期間に合わせて設定します。

テンショナーが対応すべき設計条件

1. テンショナーの故障。 係数 N/(N – n) により、システム構成に応じてテンショナー1基またはデュアルユニット1基が故障しても、残りで最小張力を維持できます。直動式では故障したシリンダがテンションリングを下方に引く場合もあり、その荷重を最小値に加えます。
2. 緊急切り離し後のリコイル。 緊急時に下部海洋ライザーパッケージ（LMRP）をBOPから切り離しても、下端の接続を失ったライザーをテンショナーは数百トンの力で引き続け、泥水はライザーから流出し始めます。LMRPがBOP上の装置に再落下しないよう十分に持ち上げる一方、ライザーがリグ内へ急上昇したり、テンショナーワイヤーが緩んだり、伸縮継手が押し潰されたりしないようにする必要があります。リコイル防止システムはガスボトルとシリンダの間の流量を絞り、リコイル解析によって泥水比重ごとの張力と防止設定を決めます。
3. ストロークの余裕。 リグが接続を維持するすべての海象条件で、ヒーブ、沈下量、潮汐、伸びを、両端の余裕を含めてストローク内に収める必要があります。リグが位置を失った場合、残りのストロークは切り離し開始のタイミングを決める制約の1つです。
4. 張力の上限。 重い泥水は必要な最小張力を、ライザー、テンションリング、坑口装置、テンショナー自体の許容値に近づけます。ストローク中の張力上昇もその上限を超えてはなりません。

バックアップ張力保持とSIRIUS

シールの故障、ロープ交換、保守によってテンショナーが運転停止することがあります。1基が停止すると他のユニットがその負担を引き受け、次の故障に備える余裕が減ります。復旧まで泥水比重を下げたり、運用制限を厳しくしたりする必要が生じます。バックアップテンショナーは主系統の復旧中、停止ユニットの負担を担います。

規模の目安として、デュアルワイヤー式ユニット1基の代わりとなるバックアップには、250-kipのワイヤー2本分に相当する約230 tの負荷がかかります。

SIRIUSは、開発中の汎用テンショナーファミリーで、そのバックアップにも使用できます。手動で減衰を設定するトップサイドユニットで、計画仕様は5～5,000 t、ストローク1～12 mです。バックアップ用ライザー張力保持、改修作業、その他の定張力用途を想定しています。SIRIUSの基盤技術は新しいものではありません。当社チームは以前にも長ストロークテンショナーを納入しており、その中には ストローク8 mの500 t掘削用テンショナー.

ライザーテンショナーと吊り上げ用ヒーブ補償装置は、いずれもガススプリングに抗して作動するシリンダという同種の機械ですが、評価する点が異なります。テンショナーでは数週間の運転中、ストロークを通じて張力がどれほど一定に保たれるかを評価します。吊り上げ用補償装置では、1回の吊り上げ中に船体動揺が荷にどれほど伝わらないかを評価します。クレーンによる改修用ストリングやコイルドチュービングの作業における補償については、 コイルドチュービングのヒーブ補償.