TECHNICAL: Bodemgesteldheid en 'Spudcan' penetratie bij jack-ups
Stel je voor: een zware windturbine-fundatie, wel 800 ton, die rustig op de zeebodem staat. De golven beuken erop, de wind giert, maar de boorinstallatie blijft rotsvast.
Dat gevoel van stabiliteit komt van die drie poten met grote voeten: de spudcans.
Zonder goed begrip van de bodem en hoe die spudcans erin prikt, is een jack-up operatie gewoonweg te gevaarlijk. Je wilt niet dat je platform wegzakt of kantelt. Dit is de basis van elke veilige offshore windpark installatie.
Wat is een Spudcan en waarom is de bodem zo cruciaal?
Een spudcan is het grote, conisch gevormde voetstuk onder elke poot van een jack-up. Stel je een enorme, brede voet voor die op de zeebodem drukt.
Zijn taak is simpel maar vitaal: verdeel het enorme gewicht van de installatie over een zo groot mogelijk oppervlakte.
Dit voorkomt dat de poot diep in de zachte modder zinkt. De bodemgesteldheid bepaalt alles: zand, klei, slib of keileem? Elk type gedraagt zich compleet anders onder druk.
De bodem is nooit uniform. Op één locatie kan de bovenlaag zacht slib zijn, terwijl er op 20 meter diepte harde klei ligt. De spudcan moet door die eerste laag heen om een stabiele basis te vinden. Dit proces heet penetratie.
Het gaat niet alleen om diepte, maar om de weerstand die de bodem biedt.
Een verkeerde inschatting kan leiden tot een ongelijke belasting, wat de poten kan beschadigen of zelfs het hele platform kan laten kantelen. Veiligheid staat hier op één.
Waarom is dit zo belangrijk voor heavy-lift schepen? Omdat deze schepen, zoals de Seajacks Scylla of Jan De Nul’s Taillevent, tonnen tot duizenden tonnen hijsvermogen hebben. Die kracht wordt rechtstreeks op de poten en dus op de bodem overgebracht.
Een stabiele bodem is het verschil tussen een succesvolle installatie en een catastrofale failure.
De kosten van een dag stilstand voor zo’n schip lopen al snel op tot €150.000, dus precisie is geld waard.
Hoe werkt de penetratie van een spudcan in de praktijk?
Het proces begint met een grondige bodemonderzoek. Voordat het jack-up-schip arriveert, zijn er al sonderingen gedaan.
Deze geven een gedetailleerd beeld van de bodemlagen. Denk aan de CPT (Cone Penetration Test) die tot 50 meter diepte gaat.
Hiermee bepaalt de geotechnisch ingenieur de verwachte spudcan-diepte en de benodigde belasting. Dit rapport is de basis voor de hele operatie. Als het schip aankomt, worden de poten uitgezet en zakt de spudcan langzaam naar de zeebodem.
De penetratie gebeurt in fasen. Eerst drukt de spudcan de zachte bovenlaag in. Dit gaat vaak snel. Daarna komt de weerstand van de diepere lagen.
De operator op het schip houdt de druk op elke poot nauwlettend in de gaten via de jacking systemen.
De druk mag niet te hoog worden, want dan kan de spudcan doorbreken in een zachte laag eronder. Stel je een typische situatie voor: een jack-up van BOA Offshore installeert een monopile.
De spudcan moet 15 meter diep. De bovenste 5 meter is slib, de volgende 10 meter is zand. De penetratie verloopt soepel tot 12 meter, maar dan stuit de spudcan op een harde kleilaag.
De druk op de poot stijgt naar 2.500 kN. De operator stopt, controleert de stabiliteit en past de belasting aan.
Dit is een typisch scenario op de Noordzee. Een kritiek moment is het ‘plugging’ effect. Dit gebeurt als de spudcan volledig wordt afgesloten door de bodem, waardoor er geen water meer onder kan stromen.
De druk in de bodem stijgt plotseling, wat tot een plotselinge ‘punch-through’ kan leiden. Dit is een groot risico bij zachte kleilagen.
De operatie wordt dan direct stilgelegd tot de druk stabiliseert. Veiligheidsmarges zijn hier minimaal 10% van de maximale belasting.
Verschillende bodemtypes en hun impact op spudcan-penetratie
Elke bodem heeft zijn eigen uitdagingen. Op de Noordzee kom je vaak drie typen tegen: zand, klei en slib.
Zand is over het algemeen stabiel. De spudcan drukt het korrelig zand samen en vindt snel weerstand. Maar als het zand heel fijn is en waterrijk, kan het zich gedragen als een vloeistof. Dit heet ‘liquefaction’.
De spudcan zakt dan dieper dan verwacht. Een voorbeeld: bij Windpark Hollandse Kust Zuid moesten sommige jack-ups tot 20 meter diep penetreren in zand.
Klei is een ander verhaal. Het is sterk maar kan zeer zacht zijn aan het oppervlak. De spudcan drukt de klei in, maar de weerstand neemt toe naarmate de diepte toeneemt.
Het risico hier is ‘punch-through’, waarbij de spudcan plots door een zachte kleilaag breekt. Dit gebeurde in 2018 bij een project in de Duitse Bocht.
De spudcan drukte door een 2 meter dikke zachte kleilaag, met een daling van 3 meter in seconden.
De operatie werd afgebroken en het schip moest verplaatst. Slib is de meest voorkomende laag op de Noordzee. Het is extreem zacht en waterig. De spudcan zinkt hier snel in, maar de weerstand is laag.
Dit vereist een grotere spudcan-voet om het gewicht te verspreiden. Een typische spudcan heeft een diameter van 10 tot 15 meter.
Bij zacht slib kan deze tot 20 meter worden vergroot met extra platen. De penetratie kan hier oplopen tot 25 meter, afhankelijk van de dikte van de sliblaag. Keileem is een mix van klei, zand en stenen.
Dit is een harde, stabiele laag, ideaal voor spudcans. De penetratie is hier beperkt, vaak minder dan 10 meter.
Het risico op punch-through is nihil. Echter, stenen kunnen de spudcan beschadigen. Bij Vattenfall’s Hornsea Project werden speciale versterkte spudcans gebruikt om steenschade te voorkomen. De kosten voor zo’n versterkte spudcan liggen rond de €50.000 extra per stuk.
Modellen, prijzen en praktische overwegingen
Jack-up schepen komen in verschillende maten en gewichten. De Seajacks Kraken heeft een hijsvermogen van 2.500 ton en drie poten met spudcans van 12 meter diameter.
De huurprijs ligt rond de €200.000 per dag. Dit type is geschikt voor zwaardere installaties zoals jacket-fundaties. Voor lichtere taken, zoals kabelleggen, wordt een kleiner jack-up gebruikt, zoals de BOA barge met een hijsvermogen van 500 ton.
De huurprijs is hier lager, rond de €80.000 per dag. De spudcan zelf is een investering.
Een standaard model van 12 meter diameter kost ongeveer €150.000 per stuk.
Voor zachte bodems worden er vaak ‘penetrators’ of ‘shoes’ toegevoegd. Dit zijn extra platen die de penetratie verbeteren. De prijs voor een penetrator ligt tussen de €20.000 en €40.000, afhankelijk van de grootte. Sommige operators, zoals Van Oord, gebruiken eigen ontworpen spudcans die zijn afgestemd op specifieke projecten.
Er zijn verschillende jack-up modellen op de markt. Bij het vergelijken van jack-up en floating installation vessels voor windparken, is de GustoMSC NG-14000 een populair ontwerp voor installatiewerkzaamheden.
Het heeft vier poten en een spudcan-diameter van 14 meter. De bouwkosten voor een nieuw schip van dit type lopen op tot €150 miljoen. Huurprijzen voor deze klasse liggen tussen de €150.000 en €250.000 per dag, afhankelijk van de markt.
Voor kleinschalige projecten worden vaak tweedehands jack-ups ingezet, zoals de Seafox 1, met een huurprijs van €50.000 per dag.
Een praktische overweging is de mobilisatiekosten. Een jack-up moet van haven naar locatie varen, wat 1 tot 3 dagen duurt. De kosten hiervoor bedragen €10.000 tot €20.000 per dag.
Daarnaast is er de bodemonderzoekskosten: een CPT-survey kost ongeveer €5.000 per locatie.
Voor een heel windpark met 50 turbines loopt dit op tot €250.000. Deze kosten worden vaak meegenomen in de totale projectbegroting.
Praktische tips voor een soepele spudcan-penetratie
Voer altijd een gedetailleerd bodemonderzoek uit voordat het schip arriveert. Gebruik CPT’s en sonderingen tot op de diepte waar de spudcan moet rusten. Dit voorkomt verrassingen. Bij Windpark Borssele werden extra sonderingen gedaan na een eerdere punch-through, wat de veiligheid aanzienlijk verbeterde.
De kosten hiervan zijn minimaal vergeleken met de risico’s. Kies de juiste spudcan voor de bodem.
Voor zacht slib: een grotere diameter, minimaal 15 meter. Voor zand: 12 meter is vaak voldoende.
Voor klei: overweeg een penetrator om punch-through te voorkomen. Test de spudcan eerst op een proeflocatie, als dat mogelijk is. Dit geeft vertrouwen in de werking.
Monitor de penetratie continu. Gebruik sensoren op elke poot om druk en diepte te meten.
Stel een alarm in bij een plotselinge daling van meer dan 1 meter per minuut. Dit kan het verschil zijn tussen een veilige operatie en een incident. De Leosphere Windcube sensor is een populaire keuze voor deze metingen, met een kostenplaatje van €5.000 per sensor. Plan altijd een back-up.
Als de bodem onverwacht zacht is, moet het schip kunnen verplaatsen. Zorg dat er een tweede locatie beschikbaar is binnen 5 zeemijl. Dit voorkomt vertragingen.
Bij Eneco’s Luchterduinen project werden drie extra locaties voorbereid, wat de totale doorlooptijd met 10% verkortte.
Ten slotte, werk samen met een ervaren geotechnisch team om fouten bij het aansluiten van de J-tube op de fundering te voorkomen. Hun expertise is onbetaalbaar voor een succesvolle installatie.