Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Контрольная работа

по курсу: «Эксплуатация шельфовых месторождений»

Тема: Характеристика гидрометеорологических условий шельфа и нагрузки на морские нефтегазовые сооружения

2002 г

Содержание

1. Метеорологические и гидрологические условия

1.1 Метеорологические и гидрологические данные

1.2 Влияние глубины воды на возможность ведения работ в Арктике

2. Нагрузки от волн и течений

2.1 Линейная волновая теория

2.2 Волновые нагрузки

2.3 Теория потенциалов

2.3.1 Общие замечания

2.3.2 Обтекание цилиндра установившимся потоком

2.3.3 Обтекание цилиндра колеблющимся потоком (л/D >5)

2.3.4 Колебание цилиндра в спокойной воде

2.4 Определение волновых нагрузок

2.5 Осевое растяжение

3. Ледовые нагрузки на шельфовые сооружения

3.1 Введение

3.2 Типы ледовых образований

3.3 Свойства льда

3.4 Сценарии взаимодействия

3.5 Скорость внедрения

3.6 Форма сооружения

4. Сочетания внешних нагрузок для проектирования шельфовых сооружений

4.1 Введение

4.2 Нагрузки

4.3 Сооружения

4.4 Сопоставление нагрузки и расчетной предельной несущей способности

Литература

1. Метеорологические и гидрологические условия

1.1 Метеорологические и гидрологические данные

Метеорологические и гидрологические данные необходимы для того, чтобы при расчете шельфовые сооружения могли быть рассчитаны на выносливость к комбинированным нагрузкам. Кроме того, статистические метеорологические и гидрологические данные требуются для планирования хода изготовления, установки и функционирования шельфовых сооружений.

Проектируемые шельфовые сооружения должны удовлетворять определенным требованиям безопасности, например, по сопротивляемости воздействиям метеорологических и гидрологических условий:

-- имеющих обеспеченность 10 - 2 без каких-либо повреждений сооружения (1-я группа предельных состояний);

-- имеющих обеспеченность 10 - 4 без разрушения сооружения (2-я группа предельных состояний).

Волны обычно определяют проектные нагрузки на сооружения шельфа. Поэтому в интересующем регионе должны быть собраны и проанализированы статистические данные относительно волн. Новые численные географические модели и в особенности длина открытой воды (длина разгона), на которой ветер может генерировать волны в сочетании с численным моделированием систем низкого давления дают возможность оценить имеющие место волновые условия. Сравнение численных результатов с данными имевшихся штормовых ситуаций, должно обеспечить основу для оценки наиболее суровых волновых условий для целей проектирования.

Кроме того, что информация о волнах необходима для проектирования конструкции, она нужна и для планирования особых видов работ, таких как буксировка и установка шельфовых сооружений.

Помимо волновых, ледовые нагрузки могут являться проектными нагрузками на сооружения в Арктике. Главная проблема -- нагрузки от плавающих айсбергов (млн. т) в тех областях, где они могут присутствовать. В других регионах, ледовые нагрузки, в особенности от торосов, представляют наиболее серьезную угрозу для проектируемого сооружения. Оптимальная форма шельфового сооружения должна быть по возможности такой, чтобы проектные ледовые и волновые нагрузки имели значения одного порядка.

Для определения максимальных ледовых нагрузок должны быть собраны и проанализированы статистические данные о толщине льда, размерах торосов и их движении. В некоторых областях многолетний лед вызывает особое беспокойство ввиду своей высокой прочности. Кроме того, необходимо отметить, что плавающие торосы во время раннего летнего сезона оказывают очень большие местные воздействия на сооружения при сильном волнении. Они также представляют угрозу для морских операций (например, судам снабжения) в течение этого сезона.

В дополнение к данным о волнах и льде для проектирования элементов сооружения и для оценки отклонения под действием волн необходима информация о ветровом воздействии, что особенно важно для расчета плавучих сооружений, оценки их отклонения от местоположения и проектирования их анкерных систем.

Для определения нагрузок, вызванных движением льда, требуются данные о морских приливно-отливных и вызванных ветром течениях. Течения также важны при оценках нагрузок, связанных со скоростью воды и должны быть определены особым образом в случае плавучих производственных модулей. Нагрузка от течения, например, на связи, является для них проектной нагрузкой.

Кроме этого, требуется множество дополнительных метеорологических и гидрологических данных. Например:

-- информация о температурах (для организации производства работ, выбора материалов в случае ведения работ в Арктике, проектирования систем охлаждения и т. д.);

-- информация о снеге (в особенности при проектировании береговых сооружений);

-- информация о изменении уровня моря вследствие приливов - отливов и ветрового нагона (для определения высоты надводной части стационарных платформ и планирования морских операций. Особая осторожность должна быть проявлена во время буксировки морских сооружений в узких каналах, мелких водах);

-- данные о биогенных наростах на подводной части сооружения, в случае, когда этот процесс вызывает значительные нагрузки на его элементы.

Существуют регионы, где ни один из вышеупомянутых метеорологических или гидрологических параметров не обеспечит проектную нагрузку на шельфовое сооружение, поскольку нагрузка от землетрясения может оказаться выше нагрузок, вызванных любым из метеорологических или гидрологических условий. Для таких областей необходимо установить уровень сейсмической опасности путем изучения местных условий. Необходимо отметить, что для внутренних областей тектонических плит различие между землетрясением, имеющим обеспеченность 10 - 2, и землетрясением, имеющим вероятность 10 - 4, может быть очень большим. Это требует дальнейшего изучения сейсмической активности района для достижения необходимого уровня безопасности сооружения.

1.2 Влияние глубины воды на возможность ведения работ в Арктике

Глубина воды -- определяющий фактор при рассмотрении возможности разработки шельфовых нефтегазовых месторождений.

С точки зрения добычи нефти и газа на Арктическом шельфе наибольший интерес представляют воды к северу от штата Аляска, Баренцево и Карское моря в Российской Арктике, воды около южной части о-ва Гренландия и шельф Сахалина.

Работы на мелководье (меньше 10 -- 15 м) допускали сооружение из песчаных или гравийных островов (штат Аляска), которые служили основой для разработки месторождений. Однако такие сооружения подвержены значительной эрозии и повреждениям в результате воздействий волн и льда. Для более глубоких вод были использованы стальные (или бетонные) кессоны. Они гораздо предпочтительнее, поскольку могут использоваться многократно, не нанося ущерба окружающей среде. В мелких водах Российской Арктики использовались исключительно самоподъемные буровые установки, работающие в течение короткого летнего сезона. В более глубоких водах (40 -- 50 м) полупогружные буровые установки могут работать в течение короткого свободного ото льда летнего периода.

Для разработки шельфовых нефтегазовых месторождений в Арктике предполагается использовать большие ледостойкие кессоны. Такие кессоны уже созданы для разработки двух месторождений к востоку от Сахалина на глубине 20 -- 25 м. Операторы: Еххоn (проект нового кессонного сооружении) и Sakhalin Energy (усовершенствование буровой установки кессона Molikpaq). Огромный ледостойкий бетонный кессон, спроектированный, чтобы противостоять нагрузкам от айсбергов был также установлен на шельфе Ньюфаундленда на глубине 80 м летом 1997 г. Российская компания «Росшельф» в настоящее время завершает проектирование и строительство большого (126 х 126 м) кессона для разработки месторождения Приразломное на глубине 20 м в Печорском море. Планируемая добыча должна составлять 120 тыс. баррелей в день. Кессон и верхнее строение будут изготовлены на российских верфях, расположенных в Северодвинске. Предположения о разработке нефтяного месторождения Варандей (глубина 13 -- 15 м) показывают необходимость использования платформы кессонного типа. Это будет либо новая стальная конструкция, либо восстановленная, наподобие стального бурового кессона Canmar.

Таким образом, в большинстве мелководных районов Арктики, где планируется разработка нефтегазовых месторождений, используются ледостойкие кессонные сооружения, стальные или бетонные. Главное правильно определить значение ледовых нагрузок, так как знания о льде ведут к постепенному сокращению оцененной ледовой нагрузки. В настоящее время к реализации готовится международный проект (LOLEIF), включающий заинтересованные компании, который призван дать базу для точного определения ледовых нагрузок.

Лед в арктических морях налагает ограничения также и на гравитационные сооружения. Использование любого подводного оборудования будет затруднено недоступностью для бурения или обслуживания в течение ледового сезона. Кроме того, оборудование должно быть заглублено настолько, чтобы лед не мог его повредить. Заглубление требуется при 15 -- 20 м и наличии ледовых торосов или до определенной глубины (до 100 м) в районах, где возможно присутствие айсбергов. Необходимо отметить, что заглубление в грунт требуется также для большинства шельфовых трубопроводов. Основная проблема связана с прибрежным участком трубопровода, где заглубление на 6 -- 8 м ниже морского дна представляет особенно сложную задачу, так же как и из-за условий вечной мерзлоты в Арктике.

Для глубоководных арктических областей предполагается подводная разработка с добычей непосредственно на берег или на ледостойкую платформу, расположенную в более мелких водах (например, к западу от о-ва Гренландия). Для более глубокой части Баренцева моря, где айсберги не наблюдались, и где дрейф льдов ограничен, могут быть рассмотрены решения, использованные в Северном море. Известно, что большая платформа с натяжными связями рассматривается для разработки Штокмановского газового месторождения расположенного к западу от Новой Земли на глубине около 330 м.

Для производства работ в Арктике малая глубина на больших территориях также ограничивает использование судов с глубокой осадкой в период волнения в открытой воде. Для большинства судов зазор под килем при волнении определяется в нескольких метров. Эти требования также относятся к судам, участвующим в возведении шельфовых сооружений: буксиров, плавучих кранов, трубо - укладывающих судов и т.д.

2. Нагрузки от волн и течений

2.1 Линейная волновая теория

Данные о профиле, гидродинамическом давлении, а также о скорости и ускорении частиц жидкости в установившейся гармонической волне приведены в табл. 6.27. Отметим, что волны распространяются в направлении, совпадающим с положительным направлением оси х. Поскольку фаза волны выбрана произвольно, угол сдвига фаз ио должен быть учтен во всех выражениях типа ио = щt-- kx. Например, при ио = р/2 функция sin (и +р/2)= cos и. Тогда, во всех выражениях для потенциала, вертикальной скорости и т.д. следует учитывать параметр -- sin(щt-- kx), а в выражении волнового профиля, горизонтальной скорости и т.д. -- параметр cos(щt-- kx). Комплексная форма, в которой гармонические функции выражены через действительные или мнимые части exp(щt-- kx), также могут быть использованы.

2.2 Волновые нагрузки

Шельфовые сооружения Арктики могут быть подвержены влиянию различных видов нагрузок, таких как гравитационное и гидростатическое давление, внешние нагрузки от волнения, течения, ветра, льда, снега и, наконец, случайных нагрузок, таких как землетрясения, столкновения (с судами и воздушными транспортными средствами) или пожары. Рассмотрим нагрузки, вызванные действием волнения и течений. Для большинства шельфовых сооружений они представляют наиболее существенную часть общих нагрузок.

При движении воды относительно погруженного тела, создаются силы, воздействующие на него. Эти нагрузки могут быть нескольких типов. Некоторые из них легко описываются аналитически, другие могут быть определены только на основе экспериментальных исследований.

Одним из первых, внесшим вклад в изучение гидродинамических явлений, был Леонардо Да Винчи. Он писал: «Помните, при рассуждениях о воде, сначала нужно побуждать опыт, а затем разум». Следуя этому совету рассмотрим рис. 6.26, демонстрирующий явления, развивающиеся при воздействии установившегося потока со скоростью и, на находящийся в воде цилиндр.

На рис. 6.26,а показан поток, примерно симметричный с фронтальной и тыловой сторон. Затем с тыловой стороны можно заметить небольшие вихри, постепенно начинающие возрастать (рис. 6.26,б,в,г.) На рис. 6.26,д вихри в тыловой части цилиндра настолько велики, что могут начать срываться.

На рис. 6.26,е показан установившийся поток, действующий в течение длительного времени с образованием большого числа вихрей.

Эксперимент наглядно демонстрирует, что явления, сопровождающие обтекание, зависят не только от скорости потока одинаковой для всех примеров. Очевидно, что процесс развивается во времени. На рис. 6.26,a явление обтекания схоже с происходящим в идеальной жидкости (теория потенциалов). С течением времени начинают развиваться другие процессы с образованием вихрей, развивающихся и срывающихся с фронтальной и тыловой частей цилиндра.



При срыве вихрей возникает поперечная сила и происходят пульсации продольной силы. Таким образом, доказано, что нагрузка на тело зависит не только от мгновенного значения скорости потока, но также и от «истории воздействия потока».

«Формирование вихрей» является общим термином для обозначения явлений, изображенных на рис. 6.26,а -- 6.26,д. На рис. 6.26,е демонстрируется срыв вихрей.

В фундаментальных теориях чаще рассматривается идеальная жидкость, когда силами, возникающими за счет вязкости (касательными напряжениями), можно пренебречь по сравнению с нормальными напряжениями, которые, будучи равными во всех направлениях, известны как давление жидкости.

Если движение безвихревое, то явления могут рассматриваться на основании уравнения для потенциала скорости. Это так называемое уравнение Лапласа. Безвихревым является движение, при котором в каждой частице отсутствует вращательная часть движения, например вокруг своего центра тяжести. В идеальной жидкости не возникает касательных напряжений, приводящих к вращению частиц жидкости.

Довольно часто использование теории потенциалов дает хорошие результаты при оценке нагрузок на тела, но иногда этот метод полностью непригоден. Одной из проблем потенциальной теории является то, что она завышает скорости частиц жидкости на поверхности тела. Скорость на поверхности должна быть равна нулю как результат адгезии между молекулами воды и неподвижными телами. В большинстве случаев возможно получить верное решение, используя более точную модель, рассматривающую тонкий пограничный слой, обладающий вязкостью. Теория потенциалов используется за пределами такого слоя. В пределах пограничного слоя, скорость деформаций на срез столь велика, что перерезывающие силы существенны, даже при малой вязкости (модуле сдвига). Этот подход дает хорошее решение для обтекаемых преград, таких как суда и самолеты.

Если поперечное сечение имеет не обтекаемую форму, возникает дополнительное явление, называемое срывом вихрей. Это означает, что движущийся вдоль поверхности тела поток срывается в некоторых точках. Позади тела возникает зона движения водных масс, называемая застойной (рис. 6.27). Аналогичное явление показано на рис. 6.26,е. Из рис. 6.26 также следует, что до срыва потока должно пройти какое-то время. Если течение изменит на- правление до того, как произойдет срыв, решение, основанное на теории потенциалов с учетом граничного слоя, будет приблизительно точным.

Среда, которая не может быть описана на основании теории идеальной жидкости, называется вязкой. Например, в случаях, когда внутренним трением жидкости нельзя пренебречь. Для тел плохообтекаемого поперечного сечения, силы трения по поверхности в направлении движения потока, обычно вносят меньший вклад в силу вязкости, Такие силы трения характерны для всех ситуаций движения потоков, указанных на рис. 6.26,а -- д, в то время как для случая на рис. 6.26,е наибольшее влияние на продольную нагрузку оказывают силы нормального давления. Это относится ко всем примерам, представляющим интерес в инженерной практике, но только если цилиндр не очень мал.

Используя уравнение Бернулли для описания движения потока вдоль поверхности тела от точки А до точки Р, легко заметить, что наибольшее давление будет там, где скорость равна нулю, а наименьшее в точке Р; где скорость максимальная. С тыловой стороны цилиндра, давление будет приблизительно равным действующему в точке Р'. Это следует из баланса давлений на отдельных слоях. В итоге на цилиндр действует результирующая сила, вызванная разницей давлений на поверхности цилиндра. Эта сила обычно называется силой лобового сопротивления. Силы, действующие по нормали к направлению потока, называются подъемными, поскольку они аналогичны силам, действующим на крыло самолета. Заметим, что обычно подъемные силы на крыло самолета направлены в одну сторону, в то время как поперечная сила, действующая на цилиндр, изменяется по направлению в зависимости от того, где происходит срыв вихрей -- на верхней или нижней сторонах цилиндра.

При проектировании обтекаемых элементов морских сооружений важно знать происходит срыв потока или нет. Как указывалось ранее, это зависит от того, как быстро изменяется поток, и в дальнейшем будет показано, что для волн заданной скорости, амплитуды и периода срыв происходит для тел, имеющих наименьшее поперечное сечение. Поэтому преграды, для которых волновые нагрузки могут быть определены исходя из теории потенциалов, обычно называются преградами больших поперечных размеров. Следует подчеркнуть, что, кроме размеров преграды, существуют другие решающие факторы. Но термин «преграды больших поперечных размеров» достаточно распространен и будет использоваться в тексте для обозначения ситуаций, когда волновые на- грузки могут быть определены согласно теории потенциалов.

2.3 Теория потенциалов

2.3.1 Общие замечания

Идеальная жидкость является несжимаемой и безвихревой. Несжимаемость жидкости означает, что

Это уравнение легко может быть получено при рассмотрении потока жидкости через выделенный в ней призматический элемент. В направлении оси х входной поток в единицу времени в рассматриваемый объем будет составлять u?y?z, а выходной поток [u + (?u/?x)dx] dydz. Поток внутри элемента в направлении оси х составит (?u/?x)dxdydz. Далее, рассматривая все три направления и разделив на величину ?x?y?z, получим уравнение (1). Этот вывод приведен в большинстве книг по основам гидромеханики.

Это уравнение называется уравнением Лапласа. Поскольку уравнение (4) основано на уравнениях (4), вводящих в рассмотрение потенциал скорости ф, мы говорим, что использование уравнения (4) является решением на основе теории потенциалов. Отметим, что скорость в произвольном направлении n определяется как ?ф/?n. Зная потенциал скоростей, можно определить скорость частиц жидкости в любой точке пространства. При выборе новой системы координат (n, t, s), потенциал не изменится. Согласно определению потенциала (уравнение (3), скорости по трем новым направлениям выражаются как ?ф/?n, ?ф/?t, ?ф/?s.

Согласно рис. 6.28 среднее значение поворота сторон элемента жидкости вокруг оси z в точке с координатами (х, у, z) составит 1/2(?н/?x - ?u/?y). Отсутствие вращательной части движения вокруг любой оси означает

(?u/?y - ?v/?x) = 0

(?н/?z - ?w/?y) = 0

(?w/?x - ?u/?z) = 0

Определяем потенциал ф как:

?ф/?x = u

?ф/?y = н

?ф/?z = w

Тогда уравнение (2) будет автоматически удовлетворено. Подставляя уравнение (3) в уравнение (1), получим:

? 2ф/?x 2 + ? 2ф/?y 2 + ? 2ф/?z 2 = 2 ф

Разработано много эффективных математических приемов решения уравнения Лапласа. Мы рассмотрим только наиболее распространенные. Часто мы просто будем приводить готовые решения и показывать их справедливость.

Постановка задачи

Решение теории потенциалов для стационарного тела и несжимаемой, безвихревой, невязкой жидкости должно удовлетворять трем требованиям:

-- уравнение Лапласа 2 ф = 0 должно быть справедливо для всей жидкости.

-- нормальная составляющая скорости частицы на поверхности неподвижного тела (S в) должна быть равна нулю, ?ф/?n = 0.

потенциал скоростей вдали от тела должен быть близок к исходному потенциалу ф о.

2.3.2 Обтекание цилиндра установившимся потоком

Начальный потенциал установившегося потока, распространяющегося в положительном направлении оси х со скоростью U, будет (рис. 6.29):

Рис. 6.29. Система координат, картина обтекания и скорость на поверхности цилиндра

Для удовлетворения приведенным выше условиям должен учитываться дифракционный потенциал. Для стационарного цилиндра с продольной осью, перпендикулярной направлению течения, этот потенциал будет

Ф = Ф 0 + Ф 1

Этот потенциал отвечает приводимым выше требованиям. Воспользовавшись представлением уравнения Лапласа в полярных координатах легко убедиться, что потенциал удовлетворяет ему:

Составляющая скорости, перпендикулярная к поверхности:

Можно легко показать, что если ф ф0, то r ?.

Составляющая скорости, направленная по касательной к поверхности, будет

Рис.6.29 показывает, что составляющая параметра u и, вдоль оси х всегда ориентирована в положительном направлении данной оси, как и следовало ожидать. Нагрузки на цилиндрическую преграду на поверхности при r = R могут быть легко определены при интегрировании составляющей давления вдоль оси х.

Мы видим, что течение симметрично, поскольку скорости при и и р -- и равны. Давления при и и р -- и также равны и равнодействующая давления на преграду будет равна нулю. Этот результат известен как парадокс д'Аламбера.

Согласно изложенному в 6.6.2, предположение, на котором базируется данный результат заключается в том, что вязкостью и явлением срыва потока можно пренебречь. Когда происходит срыв, то, как указывается в 6.6.2.1, распределение давлений вдоль тыловой стороны цилиндра полностью отлично. С другой стороны, если скорость потока столь мала, что срыва не происходит, вяз- кость приобретет первостепенное значение. В этом случае решение, не принимающее во внимание наличие трения, будет абсолютно бессмысленным. С другой стороны, очень простое решение для случая колеблющегося движения (волнения) может оказаться очень полезным.

2.3.3 Обтекание цилиндра колеблющимся потоком (л/D >5)

Рассмотрим вертикальный цилиндр, на который действует волнение (рис. 6.30). Определим нагрузку, приходящуюся на единицу длины цилиндра. Предполагается, что диаметр опоры мал по сравнению с длиной волны л. Вначале рассмотрим нагрузку невозмущенного волнения, так называемую нагрузку Фруда -- Крылова. В действительности, наличие преграды изменит набегающий поток, и нагрузка Фруда -- Крылова может быть рассмотрена только в качестве первичной оценки.

Эта нагрузка может быть определена путем интегрирования компоненты давления по поверхности цилиндра и спроектированной вдоль оси х, но можно обойтись и без формального интегрирования. Рассмотрим элемент жидкости, ограниченный той же самой цилиндрической поверхностью. Тогда можно заметить, что горизонтальная нагрузка на поверхность элемента жидкости может придать этому элементу горизонтальное ускорение u (z). Масса элемента равна срD2 /4. Тогда, согласно второму закону Ньютона, полная нагрузка на элемент жидкости составит:

В действительности f FK и щ являются функциями координаты z, значение параметра х без потери общности может быть принято равным нулю. Предполагая, что явление обтекания рассматривается для исходной волны вокруг цилиндрической опоры, можно считать, что нагрузка будет такой же, как и для элемента жидкости идентичной формы.

2.3.4 Колебание цилиндра в спокойной воде

Длинный, горизонтально расположенный цилиндр совершает колебания с частотой в щ амплитудой скоростей U0. Скорость в направлении движения определяется величиной U0 cos щt. Данный случай подобен случаю колеблющегося движения жидкости вокруг неподвижного цилиндра, рассмотренному ранее. Потенциал скоростей для цилиндра при использовании системы цилиндрических координат описывается выражением

По аналогии с формулой (2) для неподвижного цилиндра ц1, удовлетворяет уравнению Лапласа, а компонента скорости, направленная по нормали к поверхности цилиндра, будет

Легко заметить, что при и = 0 и и имеем желаемую скорость. Кроме того, в любой точке на границе контакта жидкости и цилиндрической поверхности скорость жидкости должна быть равна нормальной составляющей скорости цилиндра. Эта величина составляет (U0 cos щt) cos(x,n), и поскольку угол между осью х и нормалью n равен и, можно убедиться, что формула (12) верна.

Из теории потенциалов, касательная составляющая скорости частицы жидкости вблизи поверхности цилиндра

Это скорость на внешней кромке пограничного слоя. Скорость, направленная по касательной к поверхности тела, определяется как

поскольку угол между осью х и касательной равен (р/2+и), Теперь можно найти динамическое давление на поверхности цилиндра

Компонент нагрузки на единицу длины цилиндра вдоль оси х определяется путем интегрирования (цилиндр совершающий колебания вдоль оси х)

Величина представляет собой силу сопротивления жидкости движению цилиндра, пропорциональную произведению присоединенной массы жидкости и ускорения. Если тело имеет массу М и подвержено действию механической силы F, приводящей его в колебание (в дополнение к силе жидкости Fn), то второй закон Ньютона приобретает вид:

MU = Fm - f h L

или, используя формулу (17) и предполагая, что полная гидродинамическая сила Fm = f n L, где L -- длина цилиндра, имеем

(M + с р R2 L)U = F m

Таким образом, согласно теории потенциалов, при рассмотрении гидродинамических реакций для безграничной жидкости, вводится понятие присоединенной массы, которая для кругового цилиндра равна массе воды, смещаемой телом.

2.4 Определение волновых нагрузок

Рис. 6.40 показывает, как определить, разделен ли поток, а также возможность применения теории потенциалов. Для последнего случая коэффициент массы С m = 2, если диаметр меньше, чем 0.2 длины волны. Иначе Сm может быть определен по графику на рис. 6.41.

2.5 Осевое растяжение

В данном разделе акцент делался на гидродинамические силы, то есть силы, связанные с движущимся потоком. Однако нагрузка от покоящейся воды часто будет определять внешние воздействия на сооружение в океане, чем нельзя пренебрегать. В данном разделе внимание уделяется эффекту гидростатического давления на линейное тело, которое подвергается деформациям при погружении в неподвижную воду. Этот раздел не охватывается в вводных курсах по гидромеханике, но может быть весьма полезен при проектировании морских инженерных сооружений. Результирующая давления воды, действующего на поверхность трубы постоянного сечения, зависит от изменения формы тела, что влияет на поведение сооружения. Например, изменятся собственная частота сооружений и изгибающая нагрузка.

Гидростатическое давление на стенки водоотделяющей колонны может быть заменено эквивалентными составляющими осевой силы и веса трубы следующим образом.

Внешнее давление жидкости на отрезок трубы длиной ds может быть найдено с учетом сил, действующих на элементарный объем жидкости такой же формы (рис. 6.42). Результирующая сила на внешней поверхности элементарного объема жидкости (Pw ds). Эта сила, гидростатические силы на границах элементарного объема жидкости и вес жидкости в элементарном объеме находятся в равновесии, то есть (Pw ds) может быть заменена на (- с? А? ds) плюс (- Р?1 А ?1 - Р?2 А?2 ).

3. Ледовые нагрузки на шельфовые сооружения

3.1 Введение

Величина ледовой нагрузки зависит от многих факторов, часть из которых характеризует лед, а часть -- сооружение.

Ледовая нагрузка определяется или видом деформации, типом раз- рушения и очищения льда перед сооружением, или внешними движущими силами. В обеих ситуациях значение нагрузки не является постоянной во времени. Это особенно справедливо в случаях, когда скорость льда достаточно велика, чтобы вызвать его хрупкое разрушение. Тогда ледовая нагрузка достигает пика, а затем быстро уменьшается и начинает увеличиваться вновь. Традиционным в настоящее время является определение максимальной пиковой нагрузки и ее трактовка как квазистатического расчетного значения.

Наиболее важными параметрами, оказывающими влияние на ледовую нагрузку, являются (рис. 6.43):

-- тип ледового образования;

-- свойства льда;

-- сценарий взаимодействия;

-- геометрия сооружения;

-- масштабный эффект.

Из-за использования различных сценариев при выводе, применяемых для расчета нагрузок эмпирических формул (например типа ледовых образований, вида взаимодействия, прочности льда и т. д.) возникает большой разброс в оценке ледовой нагрузки экспертами из различных стран и компаний.

Можно сделать 2 важных вывода:

-- ледовая нагрузка носит стохастический характер и только применение вероятностных методов может дать более или менее надежные результаты;

для развития вероятностных методов, необходимо лучше знать корреляцию между различными параметрами, влияющими на нагрузку. Существующие знания неполны.

3.2 Типы ледовых образований

При определении ледовой нагрузки обычно выделяют следующие типы ледовых образований (см. рис. 6.43):

-- ровный лед;

-- наслоенный лед;

-- торосы;

-- стамухи;

-- айсберги.

Ровный лед

Ровный лед часто используется в качестве прототипа как в теоретических, так и лабораторных исследованиях. Многие нормативные документы рассматривают ровный лед как основу оценки нагрузки для большинства ледовых образований. Разделяют однолетний и многолетний льды. Многолетний лед прочнее однолетнего и поэтому создает большие нагрузки при взаимодействии с сооружением. В районах наиболее перспективных месторождений углеводородов в европейских морях доминирует однолетний лед.

Толщина однолетнего ровного льда изменяется в течение зимы и весны, а также от года к году. Она зависит от температурного режима, волнения, течения и т.д. Для Баренцева моря наиболее характерным является однолетний лед. Его толщина обычно составляет 1 -- 1.2 м, максимальное значение 1.7 м было зарегистрировано в районе о-ва Надежды. Толщина многолетнего льда в Баренцевом море равна 3 -- 5 м. В восточной части Баренцева моря (Печорское море) толщина льда может достигать 1.6 -- 1.7 м (май- июнь), в Карском море -- 2 м, а в Охотском 1.6 -- 1.8 м.

Наслоенный лед

В начале процесса замерзания поверхности воды происходит образование тонкого льда. Под действием ветра и течения отдельные льдины начинают взаимодействовать -- наползать одна на другую без значительного формирования битого льда. Позднее слои льда смерзаются и образуют наслоенный лед. В результате такого формирования наслоенный лед может быть существенно толще ровного льда. Обычно наслоенный лед формируется из слоев ограниченной длины, а его толщина может составлять 1 -- 1.2 м. Однако иногда встречаются образования наслоенного льда толщиной 3 -- 4 м. Часто условно предполагается, что толщина наслоенного льда в 2 раза больше толщины окружающего ровного, что вызывает определенные сомнения. Размеры в плане этих образований ограничены и при проектировании сооружений они могут рассматриваться как отдельные включения.

Торосы

Взаимодействие ледовых образований большой толщины не может сопровождаться их наползанием без разрушения. Поэтому при столкновении кромок ледовых образований могут возникать поля битого льда.

Различают однолетние и многолетние торосы. Последние более консолидированы и прочны. К счастью в районах перспективных месторождений существуют в основном однолетние торосы.

Существуют различные механизмы образования торосов и соответственно выделяются торосы сжатия и сдвига. Последние образуются при сдвиге толстых ледовых полей относительно друг друга. Торосы сжатия могут возникать как в результате сжатия толстых ледовых полей, так и встречного движения толстых полей между которыми расположен молодой тонкий лед. В любом случае изначально торос состоит из блоков битого льда, воды, шуги и воздуха, а также снега в надводной части. Размеры и толщина блоков зависят от возраста льда, из которого они образованы. Так толщина блоков может изменяться в пределах 0.14 -- 0.9 м, а длина 1 -- 4 м.

Вертикальный размер подобного ледового образования может достигать 20 -- 22 м. Подверженная влиянию низких температур, верхняя подводная часть смерзается и образует так называемый консолидированный слой. В вертикальной плоскости торос состоит из трех частей:

-- паруса из отдельных блоков с воздухом и снегом в промежутках; -- консолидированного слоя из смерзшихся блоков (консолидированный слой может включать поры, особенно в нижней части);

-- киля из несмерсшихся блоков.

На рис. 6.44 показано типичное строение тороса.

Обычно торос представляется в виде треугольного паруса, консолидированного слоя и треугольного или трапециевидного киля. Однако такое представление условно. Киль и парус могут быть смещены относительно друг друга, иногда встречается ледовое поле, в котором кили накладываются друг на друга и это образование имеет несколько парусов и т.д.

Степень торосистости определяется балльностью. Один балл соответствует ситуации, когда 20% поверхности льда составляют торосистые образования. Довольно часто можно встретить торосистость в 3 -- 4 балла.

Ширина торосов изменяется в пределах 25 -- 100 м, а длина вдоль гребня зависит от балльности. Так, в Охотском море средняя длина тороса составляет 500 м при торосистости в 1 балл и 144 м при 4 баллах. Количество торосов на 1 км там может меняться от 9 (1 балл) до 31 (4 балла).

Высота паруса может изменяться от 0.5 до 5 м. Наиболее часто встречается высота в 1 м, хотя в море Бофорта могут встречаться даже семиметровые паруса.

Данные о толщине и свойствах консолидированной части весьма ограничены и не точны. Обычно предполагается, что она в два раза превосходит толщину окружающего ровного льда.

Киль тороса -- среда, состоящая из блоков шуги и воды. Пористость киля зависит от времени, прошедшего с момента его образования и может достигать 29%. Осадка киля в среднем в 4 -- 5 раз больше высоты паруса.

Плавучие торосы могут касаться поверхности дна и останавливаться. Движущийся ровный или наслоенный лед продолжает взаимодействовать с таким ледовым образованием, и какая-то часть льда может наползать и спрессовывать его. В результате, торос может вдавиться в дно и привести к формированию стамухи.

Стамухи

Стамухи -- это торосистые образования, сидящие на мели. Встречаются отдельные стамухи и барьеры (цепочки) стамух. Обычно они располагаются по границам припая, как бы пришпиливая его ко дну и защищая от действия дрейфующих льдов. Высота надводной части стамухи может составлять 5 -- 7 м. Данные о подводной части противоречивы. Она обладает меньшей пористостью, чем киль то- роса. Одни источники утверждают, что подводная часть слабо консолидирована, в то время как другие, показывают, что степень консолидации значительна. По-видимому, это несогласование объясняется различием в возрасте наблюдаемых образований.

Стамухи разрушаются весной и отдельные их части (несяки) могут дрейфовать в море как консолидированные образования. Мы не рас- полагаем информацией о параметрах плавучих стамух в российских морях, но в море Бофорта они могут иметь размеры в горизонталь- ной плоскости порядка 10 -- 40 м и толщину до 5 -- 10 м.

Айсберги

В принципе возможно проследить происхождение айсбергов посредством температурных измерений. Как показывают исследования, проведенные Лосетом, температура образовывающего ледника сохраняется внутри айсберга. Из этих исследований становится очевидным, что основным источником ледников в Баренцевом море является архипелаг Земли Франца-Иосифа. Этот архипелаг состоит примерно из 40 островов (большей частью покрытых льдом), включающих ледовые сбросы протяженностью примерно 2600 км. Большинство островов расположены на глубокой воде, поэтому здесь возможно наличие больших площадей плавучих ледовых образований и, соответственно, формирование столообразных айсбергов.

Карстенс оценил объем айсбергов, образующихся в архипелаге Земли Франца-Иосифа, равным 3.0 км3 в год. Направление течений и циркуляция водных масс позволяют предположить, что половина айсбергов попадает в Баренцево море (1.5 км3 в год). В противоположность этому, мощные ледники вокруг хребта Новой Земли имеют океанический фронт шириной всего несколько километров. Эти фронты в основном расположены на неглубоких водах и не могут способствовать образованию больших айсбергов.

Сандфорд обобщил данные наблюдений за айсбергами в Баренцевом море и прилегающих водах, выполненных различными исследователями и учеными начиная с 1861 г. Основываясь на записях исследований, он заключил, что ледники Земли Франца - Иосифа периодически способствовали образованию потоков айсбергов, распространяющихся по направлению арктического течения. Он также считает, что Северная Земля является возможным источником поступления столообразных образований.

Айсберги в Баренцевом море могут также возникать за счет откола ледовых масс от ледовых островов, дрейфующих в антициклоническом круговороте. Отколотые куски способствуют формированию айсбергов, которые могут дрейфовать в Баренцево море между Северной Землей и Землей Франца-Иосифа. вода ледовый шельфовый сооружение

Дрейф айсберга определяется распределением давления на его поверхности. Как отмечает Лосет высокие скорости ветра могут оказывать существенное влияние на дрейф айсберга. В западной части Баренцева моря они проследили движение айсберга со средней скоростью 1.13 м/с (среднее квадратичное отклонение 0.12 м/с) в течение 31 ч. Максимальная скорость достигла 1.38 м/с в конце этого интервала времени при действии сильного порыва ветра.

Движение льда

Движение льда может являться следствием действия ветра, течения, волнения и температурных изменений. Продолжительные, крупномасштабные движения льда вызываются постоянными течениями, приливными течениями или ветрами. Действие штормовых ветров, волнения и течения является основной причиной локальных кратковременных подвижек ледового покрова.

В течение ледового сезона образуются зоны прибрежного и дрейфующего льда. Границы зон непостоянны и изменяются с течением сезона вследствие движения льда. Вблизи берега образуется прибрежный лед. Время формирования льда зависит от климатических условий конкретного района и может меняться от декабря до января в восточной части Баренцева моря до ноября -- декабря в Карском море. Обычно зона припая распространяется до глубин 10 -- 12 м. За этой зоной припая расположены переходная зона и дрейфующий лед. Дрейфующий лед состоит из отдельных полей площадью 0.2 -- 4.0 км2. Время от времени могут встречаться поля площадью свыше 1000 км2. Эти поля образуются за счет отрыва от припая при действии сильных ветров с материка. Сплоченность дрейфующего льда зимой и весной может существенно меняться и достигать 10/10 (т.е. морская поверхность полностью покрыта дрейфующим льдом).

Переходная зона расположена между зоной прибрежного и зоной дрейфующего льда. В этой зоне могут происходить основные взаимодействия льда, вызванные действием ветра и течения. При действии ветра с берега на внешней границе зоны припая могут образовываться большие площади открытой воды (полыньи). Последующее похолодание может привести к образованию тонкого льда в этой зоне. Действие ветра по направлению к берегу вызовет движение льда в сторону зоны прибрежного льда. Намерзший молодой лед при этом деформируется, приводя к образованию торосов и стамух . Наибольшая численность торосов и стамух наблюдается в переходной зоне. Численность торосов уменьшается по мере удаления в сторону береговой линии и открытого моря.

3.3 Свойства льда

Свойства льда оказывают существенное влияние на ледовую нагрузку. Наиболее важным параметром является прочность льда, поскольку ледовое давление не может превзойти прочность льда.

Прочность льда зависит от целого ряда параметров: структуры льда, вида напряженного состояния, солености и пористости льда, температуры, скорости деформирования, направления деформирования, масштабного эффекта.

Структура льда

Лед -- кристаллическое образование, в котором кристаллы состоят из атомов, расположенных гексагонально в параллельных плоскостях. Эти плоскости называются базальными, а нормаль к ним - оптической осью или с - осью. Связей между базальными плоскостями относительно немного. Поэтому лед между этими плоскостями ослаблен.

Обычно ледяной покров состоит из нескольких слоев: верхнего-- смеси ледяных игл и снега, и нижнего конжеляционного, образующегося при кристаллизации морской воды при ее замерзании. Верхняя часть последнего имеет мелкокристаллическое строение, а нижняя состоит из длинных кристаллов, имеющих вид вертикальных волокон.

Течения на морской поверхности способствуют преимущественному расположению с-оси в горизонтальной плоскости. На поверхности лед имеет случайную ориентацию с-осей (рис.6.45). Однако нижние слои могут быть четко ориентированы, способствуя анизотропии свойств льда.

Вид напряженного состояния

Прочность льда существенно зависит от вида напряженного состояния, в котором он находится. Во-первых, само значение прочности и характер разрушения льда различны при растяжении и сжатии. При растяжении материал в основном ведет себя хрупко, для расчетов могут использоваться методы теории разрушения, и, в частности, характеристикой прочности является значение коэффициента интенсивности напряжений. Имеется целый ряд примеров эффективного использования теории разрушения для определения нагрузок на сооружения.

При сжатии лед ведет себя как пластическая или упругопластическая среда, и его поведение и прочность могут описываться законами, применяемыми для подобных сред (Треска, Мазеса и т.д.). В частности, определенное применение получил закон Кулона -- Мора, характеризующийся пределами прочности при одноосном сжатии, растяжении и углом внутреннего трения.

Прочность при сжатии значительно больше, чем при растяжении, что вызывает существенную разницу в нагрузках при дроблении льда или его изгибе.

При определении нагрузок на сооружение при сжатии льда часто используется такая характеристика, как прочность льда при одноосном сжатии (R c). Она сравнительно легко определяется, однако следует учесть:

-- что наличие бокового поджатия (сложное напряженное состояние) приводит к повышению прочности;

-- что это повышение у льда не может происходить «до бесконечности». В случае двухосного сжатия прочность повышается до тех пор, пока меньшее главное напряжение (сжимающие напряжения. положительны) не превосходит определенной доли от большего главного напряжения. При больших отношениях этих вели- чин лед ведет себя как пластическая среда.

Соленость и пористость

Пористость, вызванная наличием как рассола, так и воздушных пузырьков, приводит к снижению прочности. Два фактора влияют на этот процесс:

-- наличие пор приводит к уменьшению материала, воспринимающего нагрузку в соответствующем сечении образца;

-- вокруг пор возникает концентрация напряжений, приводящая к разрушению образца при меньшей нагрузке.

Исследования влияния небольших воздушных пор на одноосную прочность теплого морского льда были проведены Франссоном и Стейном. Образцы отбирались в Ботническом заливе, где со- леность настолько низка, что влиянием объема рассола при оценке пористости возможно пренебречь. Пористость ледовых образцов варьировалась между 2 и 20% из-за наличия воздушных пузырьков сферической формы с характерным диаметром 1 -- 3 мм. Опыты на сжатие были проведены в натурных условиях с использованием образцов льда смешанной кристаллической структуры с различной степенью повреждения. Поэтому данные о прочности имели существенный разброс.

Большинство опытов проводилось при диапазоне температур -2 -- -5о С. Согласно данным этих исследований при увеличении пористости от 2 до 16% происходит приблизительно 50%-ное снижение прочности.

Температура

Снижение температуры приводит к переходу рассола в твердое состояние, т.е. уменьшению объема жидкой фазы и, следовательно, к повышению прочности. Существуют две критические температуры -8.2о С и -22.9о С, связанные с переходом в твердое состояние рассолов Na,SO4 и NaC1, соответственно.

Скорость деформирования

Скорость деформирования является одной из важнейших характеристик, определяющих как характер деформирования льда, так и его прочность. При малых скоростях деформирования лед ведет себя как пластическая среда с низким пределом текучести. По мере увеличения этой скорости предел текучести повышается, наконец, при относительно большой скорости деформирования он начинает вести себя как упругохрупкая среда. Считается, что граница между областями пластичного и хрупкого разрушения находится в районе Э =10-3 с -1. Этой границе соответствует и максимальная прочность. Следует отметить, что влияние скорости деформирования на изменение прочности на сжатие больше, чем на растяжение.

Направление деформирования (анизотропия)

Как отмечалось ранее, во льду имеется слой со случайно ориентированными с-осями и слой со строго ориентированными. При случайной ориентации с-осей лед может рассматриваться как изотропная среда, т.е. прочностные характеристики льда не зависят от направления деформирования. Однако при упорядоченном расположении с-осей лед анизотропен. Он имеет наименьшую прочность, когда с-ось направлена под углом 45о к направлению максимальных сжимающих напряжений. Это происходит потому, что при данных условиях максимальное касательное напряжение действует вдоль базальной плоскости ледового кристалла. При таком направлении реализация сдвига требует наименьших усилий. Максимальная прочность соответствует направлению приложения на- грузки, совпадающему с нормалью к плоскости намерзания.

Масштабный эффект

Масштабный эффект является одной из причин расхождения результатов измерения нагрузок на сооружения разных размеров. Различные причины приводят к его возникновению, в частности -- иерархическое распределение трещин во льду и изменение пористости в соответствии с масштабом.

Во льду, как и в других твердых материалах, можно встретить системы самых различных трещин, от глобальных, измеряемых десятками метров, до микротрещин. Известно, что наличие систем трещин, размеры которых стохастически распределены, вызывает зависимость прочности от размера образца.

Два фактора влияют на определение прочности на образцах -- I отбор образца и распределение трещин в нем. Очевидно, во-первых, что образцы, пересекаемые крупными трещинами, находящимися в массиве, отбраковываются и не участвуют в оценке общей прочности. Таким образом, крупные трещины, влияющие на прочность массива, не учитываются при испытании образцов. Во-вторых, чем больше размер образца, тем больше трещин разного масштаба содержит он, и, соответственно, тем меньше его прочность.

Адгезия

Адгезия определяет прочность контакта между сооружением и льдом. Значение адгезии необходимо знать при оценке нагрузок на сооружения, вмерзшие в лед. Этот параметр зависит от строения материала, температуры и шероховатости поверхности сооружения.

3.4 Сценарии взаимодействия

При определении ледовых нагрузок обычно рассматриваются следующие ситуации взаимодействия льда с сооружением:

а) изменение уровня воды (например, за счет действия приливов) при условии смерзания льда с сооружением;

б) подвижка ледового покрова при смерзании льда с сооружением;

в) движение ледового покрова при отсутствии смерзания льда с сооружением.

Первая ситуация не является характерной для шельфовых сооружений, поскольку обычно они расположены в открытом море, где изменения уровня морской поверхности часты и продолжительность контакта лед/сооружение недостаточна для развития адгезии. Кроме того, данные сооружения обладают достаточным весом, чтобы нагрузки, вызванные примерзшим льдом при колебании морской поверхности, не оказывали заметного влияния на устойчивость конструкций. Однако этот режим следует учитывать для закрытых водоемов. Ситуации (б) и (в) могут трактоваться как одна, поскольку отличаются только по значению предсказываемой нагрузки.

При проектировании сооружений различают глобальные и местные ледовые нагрузки. Глобальная нагрузка представляет суммарную нагрузку на сооружение и определяет общую устойчивость и общую прочность конструкции. Местная нагрузка действует на отдельные элементы конструкции и принимается во внимание при расчете на прочность данного конкретного элемента. Могут быть рассмотрены следующие сценарии взаимодействия:

- ограниченного напряжения;

ограниченного количества движения;

ограниченной силы;

-- раскалывания.

Термин «ограниченный» используется для обозначения определяющих параметров при расчете пиковых нагрузок на сооружения. Эти определяющие параметры, там где возможно, могут трактоваться на основании вероятностного подхода -- например, значение кинетической энергии айсберга. Модель разрушения, соответствующая ограниченному напряжению, наиболее вероятна для реализации. Обычно лед разрушается от сжатия при взаимодействии с сооружениями с вертикальной передней гранью и от изгиба или среза при взаимодействии с сооружениями с наклонными гранями.

Сценарий ограниченного напряжения обычно подразумевает сжатие ледового покрова перед поверхностью сооружения. Согласно этому сценарию, максимальная нагрузка действует на сооружение в момент, когда нормальное напряжение на поверхности сооружения достигает некоторого предела одновременно по всей площади контакта. Ранее отмечалось, что прочность льда зависит от многих параметров и, в частности, от бокового поджатия. Простейшая зависимость, которая может быть получена, если принять в качестве характерной прочность льда на одноосное сжатие (ус) используется для характеристики этого сценария. В этом случае ледовая нагрузка определяется как