МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 627.8

Нагрузки и воздействия на ледостойкие стационарные платформы

 

В.А. Зимнюков   к.т.н., доцент;  М.И. Зборовская к.т.н.

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Ледостойкие платформы континентального шельфа эксплуатируются в условиях одновременного воздействия на них целого спектра случайных нагрузок, почти не зависящих одна от другой.

Одной из принципиальных важнейших особенностей морских платформ является их особое взаимодействие с внешней средой, так как их работа протекает сразу в четырёх средах: атмо, гидро, лито, криосферах. Практически невозможно назвать инженерное сооружение, находящееся под влиянием такого большого числа внешних факторов, включая ветер, волнение, лёд, грунт, температуру, сейсмику и пр. [1, 2, 3].

Согласно действующим нормативным документам можно дать следующую градацию нагрузок:

1.  Постоянные:

масса самого сооружения Рсв;

гидростатическое давление;

масса и давление грунта на сборный понтон;

2.  Временные:

длительные:

масса складируемого оборудования, буровой вышки;

температурные воздействия (для года со средней амплитудой среднемесячных температур);

масса жидкостей, сыпучих материалов, балласта и запасных буровых и эксплуатационных труб;

масса складируемого оборудования и инструмента;

отходы от процесса бурения (шламы и др.);

кратковременные:

нагрузки, возникающие при работе подвижного, подъёмно-транспортного, сваебойного и бурового оборудования (например, при спуско-подъёме буровой колонны на буровую вышку и постамент);

нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировании и возведении сооружения;

снеговые (для расчета консольной конструкции вертолетной площадки);

от обледенения конструкций;

ветровые Рвтр;

от волн Рвлн и течений Ртеч;

ото льда ровного и торосистого Рлед;

от вертолёта и швартовки судов.

3. Особые:

связанные с резким нарушением технологического процесса (падением груза, обрывом бурильной колонны, взрывом и т.д.);

сейсмические Рс-инициированные природными явлениями (землетрясениями, цунами, осадка и размыв грунтов в основании сооружения, дополнительные динамические нагрузки при воздействии ледового поля и сооружения, вмерзшегося в лёд);

ледовые от торосистых полей с максимальной толщиной (столкновение сооружения с айсбергом);

внешние воздействия с максимальными параметрами (волновые воздействия при максимальной скорости ветра или температурные воздействия, определяемые для года с максимальной амплитудой среднемесячных температур, или максимальной низкой амплитудой среднемесячных температур; декадные колебания температур наружного воздуха с максимальной средней температурой за декаду).

Условная схема приложения внешних нагрузок, воздействующих на стационарные платформы, приведена на рис. 1.

При расчете теплового режима таких конструкций, практически не учитывают тот факт, что большинство современных конструкций стационарных буровых платформ подвергаются не только воздействию температуры окружающей среды (воздуха и воды), но тепловым напряжениям вследствие перепада температур нефти и окружающей температуры морской воды и наружного воздуха. температура нефти, выходящей из скважины, может доходить до 100оС, морской воды может понижаться до 0оС, окружающего воздуха до -50оС [4].

В обычной конструкции платформы нефтепередающие трубы могут проходить через кессон или внутри опорных колонн и затем через толщу воды к палубной надстройке. На уровне палубного настила нефть обычно охлаждается до 50oС, прежде чем её перекачают насосами в резервуары у основания, где она вытесняет холодную морскую воду. Такие температурные перепады воздействуют на элементы железобетонных конструкций платформы и могут вызвать появление трещин [6].

 

Рис.1 Условная схема приложения внешних нагрузок, воздействующих на ледостойкие стационарные платформы

Нагрузки: Рвтр – ветровая, Рлед – ледовая,

Рвлн – волновая, Ртеч – от подводных

течений; Рсв – сила тяжести;

Px, Py – горизонтальная м вертикальная

реакции;  Аt – температурное воздействие;

1 – вышка; 2 – палуба; 3 – опорный блок;

4 – фундаментальный модуль

 

 

В конструкциях морских сооружений считаются возможными следующие виды предельных состояний:

расчетные, которые соответствуют максимальной несущей способности (РПС);

усталостные при воздействии многократно повторяемой нагрузки (УПС);

предельные состояния при местном повреждении, при котором должна обеспечиваться способность сооружения противостоять прогрессирующему разрушению  в случае повреждения отдельных элементов, вызванного авариями или неправильной эксплуатацией (ППС);

эксплуатационное предельное состояние отражает критерий, определяющий нормальное использование и долговечность (ЭПС).

Для стационарных ледостойких платформ принимают в качестве расчетных следующие режимы (состояния):

эксплуатационный  (функциональное состояние), то есть такой, при котором действие определенного сочетания нагрузок обеспечивает возможность эксплуатации сооружения  (статистическая повторяемость для этого вида нагрузок принята раз в месяц);

экстремальный, то есть такой, при котором эксплуатация сооружения должна быть прекращена (повторяемость такого сочетания наибольших внешних нагрузок один раз в 50-100 лет).

Дополнительно рассматривается режим буксирования (транспортное состояние). Транспортирование сооружения занимает немного времени и его можно приурочить к наиболее благоприятному времени года, поэтому этой стадии задают нагрузки, встречающиеся один раз в три месяца.

Постоянные и временные нагрузки, поддающиеся контролю и управлению (вес конструкции, гидростатическое давление, запасы) задают детерминистически, а временные нагрузки, управлять которыми невозможно (волновые, ветровые, ото льда, температуры и пр.), вероятностно. Обеспеченность нагрузок при вероятностном их задании определяется ущербом от аварий и стадией функционирования сооружения.

Нагрузки могут задаваться максимальной величиной амплитуды или в виде спектра, то есть набора амплитуд, соответствующих разным периодам воздействия.

Нагрузки и воздействия необходимо принимать в наиболее неблагоприятных, но реальных для расчетного случая сочетаниях, отдельно для строительной,  транспортировочной, монтажной и эксплутационной стадий.

Основные сочетания включают постоянные, длительные и кратковременные нагрузки. Особые сочетания включают постоянные, длительные и одну из особых нагрузок. Гарантия прочности и устойчивости этих сооружений зависит от правильного определения как отдельных нагрузок (ветровой, волновой, течений, ледовой, температурной, сейсмической, постоянной и др.), так и их сочетания.

При расчетах шельфовых сооружений по предельным состояниям проверяют следующие условия

                                          

где      – коэффициент сочетания нагрузок (для основных сочетаний он равен 1, для особых – 0,9);   Рр – расчетное значение обобщенного силового воздействия деформации или другого параметра, по которому оценивается предельное состояние;   Fp – расчетное значение обобщенной несущей способности, деформации или другого параметра, устанавливаемого нормами проектирования;  – коэффициенты условий работы и надежности соответственно.

Сооружения континентального шельфа делят на два класса капитальности. К первому относят стационарные платформы, подвижные установки, эстакады и прочие сооружения высотой более 25 м, либо сооружения, расположенные на акваториях, где существуют волны высотой более 3 м или ледяные поля толщиной не менее 0,5 м. Остальные сооружения относят ко второму классу. При расчетах по предельным состояниям  первой группы  = 1,25 для сооружений первого класса и  = 1,2 для сооружений второго класса. При расчетах по предельным состояниям второй группы  = 1.

В настоящее время разработаны различные методики расчета нагрузок, возникающих при воздействии на сооружение окружающей среды [1, 3, 4]. Однако их достоверность зависит от правильности исходных данных, характеризующих гидрометеорологические режимы района строительства. Расчеты внешних нагрузок и воздействий на ледостойкие платформы проводят согласно ВСН 41.88 «Проектирование ледостойких стационарных платформ» или по другим нормативным документам [3].

Учитывая необходимость сохранения прочности ледостойких платформ, как правило, используют существующие нормативные документы, в которых приведены коэффициенты сочетания нагрузок, которые не имеют какого-либо статистического обоснования. В дальнейшем, по мере накопления фактического материала, по натурным наблюдениям, расчетам и проектированию уточняют значение этих коэффициентов.

Поэтому одним из важнейших направлений при развитии нормативно-методической базы, обеспечивающей проектирование ледостойких платформ, является адекватное описание входных процессов и выходных реакций  [5]. Необходимость такого описания отчетливо иллюстрируется на рис. 2, где в осях вероятностной бумаги изображены интегральные распределения основных нагрузок на ледостойкие сооружения.

Для изображенных на рис. 2 распределений можно сделать следующие выводы:

соотношение между расчетными нагрузками зависит от уровня выбранной обеспеченности, так, например, для ледовой, сейсмической и температурной нагрузок оно меняет знак в пределах Р1 и Р2 уровней обеспеченности;

относительный коэффициент запаса по нагрузке может менять ориентацию в зависимости от уровня выбранной обеспеченности, так как для уровня Р1 коэффициенты запаса по нагрузке одинаковы, а для уровня Р2 сильно отличаются;

для пересекающихся распределений нагрузок, например ледовых, волновых и температурных, в предельном смысле худшими могут оказаться одни (на рис. 2 волновые), а в усталостном другие (в данном случае ледовые).

 

 

Рис. 2. Интегральные распределения

долговременных внешнихнагрузок (качественная картина) как единая методологическая основа нормирования прочности конструкций ледостойких платформ:

I – область многоцикловой усталости; II – экстремальная область; k – параметр форм распределения нагрузок

Конкретно соотношения между нагрузками и их роль в реализации критериев предельной и усталостной прочности могут быть определены на базе статистических моделей ледовых, волновых, температурных, сейсмических и других нагрузок. На сегодняшний день вряд ли возможно однозначно определить законы распределения нагрузок, действующих на платформы необычайных по архитектуре форм.

Этому способствует не только относительно малая изученность этих нагрузок [4, 5] на такие платформы, но и неоднозначные до сих пор их статистические модели.

Однако существуют распределения достаточно широкого класса, которым, можно утверждать, не противоречат многие из упомянутых нагрузок. ПО мнению Литонова О.Е. [5] одним из таких распределений является распределение Вейбула.

Композиция Z двух распределений X и Y, отвечающая двум различным нагрузкам, определяемая как

                                                           Z%  = X + Y,                                                               (2)

даёт описание для оценки роли каждой составляющей. Нормативные документы в таких случаях дают неоднозначные рекомендации по учету сочетаемости внешних нагрузок. В одних документах предлагается выделить основную нагрузку, а дополнительную складывать с редукционным коэффициентом 0,8; в других – дополнительную нагрузку складывают, определяя её при средних значениях параметров. Условность таких рекомендаций, сделанных безотносительно к конкретной ситуации, очевидна. Можно утверждать, что степень сочетания нагрузок обусловлена видом закона распределения компонентов, соотношением их параметров и уровнем расчетной обеспеченности.

Принципиальное решение вопроса сочетания нагрузок различной природы основывается на выражении

                                                                                                            (3)

где   – соответственно доминантная, меньшая и суммарная нагрузки одной и той же обеспеченности;  – редукционный коэффициент меньшей нагрузки.

Строгое решение вероятностной задачи (3) даёт основу для корректного введения коэффициента . Таким образом, первый этап общего решения состоит в законе нахождения распределения Z на основе знания законов распределения составляющих нагрузок X и Y.

Знание параметров формы распределения Вейбула подтверждает зависимость от него коэффициента запаса, получаемого на основе вероятно-экономического анализа. Для этого задаются уровнем расчетной обеспеченности, параметром чувствительности рассматриваемой конструкции к определённой нагрузке; стоимостью конструкций и математическим ожиданием убытка в случае отказа [5].

 

Выводы

 

1. Точное решение вероятностной задачи (1) создает предпосылки для достоверного введения редукционного коэффициента , то есть вопрос сочетания нагрузок должен решаться с особенностями их статистической природы;

2. Наряду со степенью сочетания нагрузок следует учитывать влияние параметра формы внешних нагрузок на коэффициент запаса рассматриваемой конструкции.

 

Библиотичекий список

 

1.         Вяхирев Р.И., Никитин Б.А., Мирзоев Д.А. Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. – М.: Изд-во академии горных наук, 1999.

2.         Каганов Г.М., Румянцев И.С. Гидротехнические сооружения. – М.: Энергоатомиздат, 1994. Кн. 1 и 2.

3.         Дубровский М.П. и др. Морские шельфовые и речные гидротехнические сооружения. – М.: Недра, 1995.

4.         Волков Ю.С., Рыбалов И.И. Сооружения из железобетона для континентального шельфа. – М.: Стройиздат, 1985.

5.         Litonov O.E. Fatigue Endurance of Offshore Structure under ice load. Proc. Polartech 96. St Petersburg. 1996.

6.         Clarke J.L., Symnons R.M. Effect of temperature gradients of walls of oil storage structures. Technical report №1 «Concrete in the oceans». Cement and Concrete Association. London.1979.