Характеристика гидрометеорологических условий шельфа и нагрузок на морские нефтегазовые сооружения

F = I K 1 K 2 у c D h

где I -- коэффициент внедрения; К 1 -- коэффициент контакта; К 2 -- коэффициент формы.

Это выражение основано на формуле Коржавина, который предположил, что коэффициент внедрения Охарактеризует поле деформаций и напряжений вокруг сооружения и учитывает влияние сложного напряженного состояния перед сооружением на прочность, которая в результате отличается от одноосной. Коэффициент К 1 учитывает неполноту контакта между кромкой льда и сооружения, а коэффициент К 2 -- форму поперечного сечения сооружения.

Указанная методология использовалась на начальных стадиях проектирования сооружений, но позднее измерения ледовой нагрузки в натурных условиях показали, что формула Коржавина завышает значения действующей нагрузки. На сегодняшний день не существует конечного ответа на вопрос, объясняющий причины различия, которые, на наш взгляд, следующие:

-- масштабный эффект;

неоднородность ледовых образований;

неодновременность разрушения льда.

Формула Коржавина основана на лабораторных опытах и данных измерений ледовой нагрузки на опоры мостов. Диаметр опор в не- сколько раз меньше характерных диаметров шельфовых сооружений. Поэтому масштаб наблюдений недостаточен. Как было указано, прочность льда существенно уменьшается с увеличением масштаба. Коржавин один из первых наблюдал

Сценарий ограниченного количества движения.

Если кинетическая энергия ледового образования недостаточна для внедрения на глубину радиуса сооружения, взаимодействие льда с сооружением описывается согласно сценарию ограниченного количества движения. Нагрузки в этом случае определяются из условия равенства начальной кинетической энергии, затраченной на разрушение при внедрении сооружения в лед. Поскольку это внедрение меньше радиуса, нагрузка, соответствующая сценарию ограниченного количества движения, меньше, чем энергия, соответствующая сценарию ограниченного напряжения, но учет этого сценария необходим при вероятностном подходе к оценке ледовых нагрузок, поскольку на сооружение может действовать большое количество не очень крупных льдин. Обычно масса и скорость, а следовательно, и кинетическая энергия трактуются как случайные величины. Исследованию данного сценария посвящено много трудов, особенно для случая взаимодействия прочного ледового покрова с сооружением, когда может произойти остановка первого. Анализ воздействия торосов на сооружения показывает, что иногда торосы могут останавливаться перед сооружением после небольшого прорезания.

Сценарий ограниченной силы.

Сценарий ограниченной силы может реализовываться при навале мощного ледяного поля на сооружение, когда оно останавливается и на него передается нагрузка от разрушающегося следующего позади более тонкого дрейфующего льда. В этом случае нагрузка на сооружение определяется давлением ветра и течением на ледовое образование, подходящее к сооружению, и движущей силой дрейфующего льда, подпирающего его сзади. Средняя сила торосообразования, умноженная на ширину ледового образования может служить оценкой этой нагрузки.

В случае сценария ограниченной силы могут быть выделены следующие ситуации:

-- ледовое образование может собирать нагрузки от окружающего

льда и передавать на сооружение. Если эта нагрузка достаточно велика, произойдет прорезание, и сценарий ограниченного напряжения будет доминирующим;

-- если нагрузка недостаточно велика и окружающий лед слабее льда, остановившегося перед сооружением, позади последнего будет развиваться формирование торосов.

Анализ показывает, что при использовании детерминистического подхода к оценке максимальной нагрузки, сценарий ограниченного напряжения является доминирующим среди рассмотренных и достаточным для определения нагрузки.

Раскалывание.

Если размеры ледового образования достаточно малы, то после небольшого внедрения может произойти раскалывание ледового покрова на несколько частей. Это приводит к появлению нагрузок, меньших, чем в случае сценария ограниченного напряжения. Раскалывание вызывает низкие нагрузки. Поэтому они могут представлять интерес только в случае использования вероятностных методов расчета.

3.5 Скорость внедрения

Скорость движения ледовых образований оказывает существенное влияние на нагрузку, так же как и на весь процесс взаимодействия. При малых скоростях внедрения разрушение происходит приблизительно одновременно вдоль всей площади контакта. Неодновременное разрушение льда наблюдается при больших скоростях движения. В связи с этим нагрузки при больших скоростях движения меньше нагрузок, соответствующих малым скоростям.

Аналитические разработки подтверждают наблюдаемое экспериментально явление зависимости нагрузки от скорости, и показывают, что поле напряжений перед сооружением, а также его изменение во времени, характер разрушения различны при малых и больших скоростях. В частности, при высоких скоростях происходит экструзия, а длительность действия напряжений в каждой точке площади контакта настолько мала, что, учитывая неоднородность разрушения льда, суммирование их максимумов с целью определения глобальной нагрузки не имеет смысла.

3.6 Форма сооружения

Наклонные элементы.

Сооружения в районе действия льда могут содержать ориентированные либо наклонные элементы. Считается, что использование наклонных элементов приводит к снижению нагрузок, т.к. лед при этом работает не на сжатие, а на изгиб, а изгибная прочность льда заметно меньше прочности при сжатии. Большое количество теоретических и экспериментальных работ подтверждает эффективность использования наклонных элементов.

Другим преимуществом сооружений с наклонными элементами является изменение частотного состава нагрузки. При воздействии на сооружения с вертикальными гранями лед часто ломается дроблением. При этом нагрузка имеет довольно высокую частоту, часто близкую к высоким тонам собственных колебаний сооружений. Возникающая вибрация создает затруднения в нормальной эксплуатации сооружения. Использование наклонных элементов приводит к заметному снижению частоты нагрузки и удалению ее от резонанса.

Вместе с тем существует ряд причин, снижающих эффективность наклонных элементов:

использование таких элементов обычно приводит к увеличению поперечных размеров сооружения в районе ватерлинии. Это сказывается на ледовой нагрузке и особенно на волновой. Поэтому вол- новая нагрузка может резко возрасти и превзойти ледовую;

на наклонной поверхности могут собираться обломки льда, которые затрудняют работу льда на изгиб и вызывают его сжатие. Наличие продольных сжимающих напряжений повышает несущую способность льда при изгибе и, тем самым, действующую нагрузку;

обычно на определенной высоте над поверхностью воды наклонные элементы переходят в вертикальные «воротники». В процессе взаимодействия ледяные блоки, при определенных углах наклона элементов, могут упереться в «воротник». Это приводит к возрастанию продольного сжатия льда, взаимодействующего с сооружением, и нагрузок;

наклонные элементы эффективны, пока скорость движения льда невелика, и он может скользить по поверхности сооружения, работая на изгиб. При большой скорости движения кромка льда вследствие инерционности ледяного блока не успевает спокойно скользить по поверхности, что приводит к сжатию ледяного поля и повышению нагрузки. Целый ряд экспериментов подтверждает возрастание нагрузки при больших скоростях движения льда.

Многоопорные сооружения.

В случае использования многоопорных сооружений существуют две проблемы:

-- как учесть взаимное влияние опор;

-- как влияет на нагрузки лед, скопившийся между опорами. Первая из проблем рассмотрена в многих работах, где приведены графики, позволяющие определить нагрузку на четырехопорное сооружение в целом, в зависимости от диаметра опор, расстояния между ними и направления движения льда.

Вторая пока что не имеет решения, поэтому часто предполагается, что все пространство между опорами забито льдом и нагрузка определяется на непроницаемую преграду с размерами, соответствующими наружному контуру сооружения.

4. Сочетания внешних нагрузок для проектирования шельфовых сооружений

4.1 Введение

В данной главе рассматриваются некоторые подходы к оценке прочности и устойчивости шельфовых сооружений, при проектировании которых определение прочности и устойчивости конструкции является очень важным этапом. Эта проблема может быть решена, если известны нагрузки и воздействия на сооружение, а также способность сооружения противостоять этим нагрузкам. Могут быть использованы два различных метода:

-- вероятностный;

-- детерминистический.

В действительности, методы, трактуемые как детерминистические, больше являются полувероятностными, поскольку некоторые параметры (нагрузки как таковые или исходные данные для их определения) вводятся в рассмотрение с некоторой обеспеченностью. Эти методы действенны, однако имеют некоторые недостатки:

1. При определении расчетных нагрузок, а также несущей способности сооружения, для более консервативной оценки используются коэффициенты надежности, однако значения этих коэффициентов определяются более или менее произвольно. Они не учитывают нашего знания нагрузок, грунтов и материалов сооружения для условий конкретного района установки сооружения.

2. Мы оцениваем несущую способность сооружения, предполагая различные параметры независимыми, но иногда какие-либо из параметров могут оказывать существенное влияние на другие.

3. Обычно детерминистические подходы весьма консервативны в противовес вероятностным методам, позволяющим экономить материалы и затраты.

Использование вероятностного подхода требует знания функции плотности распределения вероятности как нагрузки, так и несущей способности сооружения. Применение таких функций часто указывает на слабейшее звено в цепочке исходных данных, необходимых для определения нагрузки или несущей способности. Оно позволяет определить параметры, которые следует задавать особенно точно, и случаи, когда вполне достаточно грубой оценки.

Нормативные документы трех государств:США, Канады и России: -- Нормы США API-RP-2N [4];

-- Нормы Канады CAN/CSA ;

-- Нормы России СНиП 2.01.07-85, СНиП 2.06.01-86 и ВСН 41-88

рассматривают методы расчета ледовых нагрузок и проектирования сооружений. Рекомендации, содержащиеся в данных Нормах, могут различаться. Цель данной главы продемонстрировать общие принципы формирования нагрузок и их расчетных сочетаний.

4.2 Нагрузки

Все нагрузки, действующие на сооружение или его отдельные конструктивные элементы во время строительства, транспортировки, установки, эксплуатации и демонтажа, должны быть учтены при проектировании. Согласно Нормам Канады, следует учитывать все статические и динамические компоненты воздействий и деформационных нагрузок, оказывающих существенное влияние на прочность, усталостное поведение, устойчивость и плавучесть сооружений при строительстве и установке, а также работопригодность.

В дальнейшем мы сосредоточим внимание на нагрузках, отвечающих эксплуатационной фазе, как наиболее опасной (о нагрузках, действующих на других этапах существования сооружения, например, CAN/CSA-S471-92 [6]). В этом случае основные исходные данные включают:

-- назначение сооружения и его тип;

-- расчетный период эксплуатации;

-- географическое положение;

-- метеорологические условия;

геологию и сейсмику.

Классификация нагрузок.

Нагрузки, действующие на сооружение, имеют различную длительность и вероятность возникновения. Поэтому все нормативные документы по проектированию сооружений выделяют несколько типов нагрузки (рис. 6.55). Согласно Нормам России СНиП 2.01.07-85, все нагрузки подразделяются на 4 группы:

-- постоянные;

-- длительные;

-- кратковременные;

-- особые.

Нормы Канады CAN/CSA-S471-92 учитывают следующие виды нагрузок:

-- постоянные;

-- операционные;

-- нагрузки окружающей среды;

-- особые.

Нормы США АР1 RP-2А-WSD-1993 используют следующую

классификацию нагрузок:

-- постоянные;

-- операционные;

-- нагрузки окружающей среды;

-- нагрузки, возникающие при строительстве сооружения;

-- нагрузки, связанные с транспортировкой и переустановкой сооружения.

Постоянные нагрузки действуют на сооружение в течение всего срока эксплуатации, например: вес конструкции или ее элементов, гидростатическое давление, вес балласта, преднапряжение в случае использования преднапряженного бетона и т.д. Нормы Канады подразделяют постоянные нагрузки на связанные с весовыми характеристиками и деформационные. В этом случае преднапряжение должно рассматриваться как деформационная нагрузка.

Длительные нагрузки в Нормах России приблизительно соответствуют операционным нагрузкам в Нормах Канады и США. Это переменные нагрузки, связанные с нормальным функционированием и эксплуатацией сооружения. Например, вес складируемых грузов, оборудования, воды или нефти в хранилище и т.д. следует рас- сматривать как длительные или операционные нагрузки.

Кратковременные нагрузки (нагрузки окружающей среды) являются нагрузками, действующими в течение нескольких секунд, минут или часов. В частности, все нагрузки, связанные с воздействием окружающей среды, могут трактоваться как кратковременные. Согласно CAN/CSA, возможно выделить две группы нагрузок окружающей среды:

частые воздействия внешней среды;

редкие воздействия внешней среды.

Первая группа включает нагрузки, вызванные действием ветра, волнения, течений, морского льда, айсбергов, приливов, нагромождений снега и льда, штормового нагона, сейш. Редкими воздействиями окружающей среды являются землетрясения, действие морского льда, цунами. Нагрузки могут быть отнесены к тому или иному классу в зависимости от среднегодовой обеспеченности. Нагрузки, связанные с частыми процессами окружающей среды, согласно CAN/CSA, имеют обеспеченность не выше 10 -2. Для редких воздействий окружающей среды величина обеспеченности изменяется в диапазоне 10 -3 -- 10 -4. Российские Нормы СНиП 2.06.01-86, а также ВСН 41-88 рассматривают волновые и ледовые нагрузки, соответствующие максимальной расчетной скорости ветра или максимальной толщине льда (определяемым для периода в 100 лет) как особые. В противном случае эти нагрузки трактуются как кратковременные. Обеспеченность нагрузок при этом не специфицируется.

Особые нагрузки, согласно CAN/CSA, могут быть вызваны столкновениями, взрывами, утечкой балласта и др. Российские Нормы в качестве особой дополнительно рассматривают ситуацию, описанную выше (нагрузки окружающей среды, соответствующие максимальной толщине льда или скорости ветра).

Все типы нагрузок должны быть вычислены с определенной обеспеченностью. Этот параметр зависит от частоты повторяемости нагрузки и класса надежности сооружения. Согласно российским нормативным документам, шельфовые сооружения следует проектировать по требованиям, предъявляемым к сооружениям 1 класса надежности, поскольку выход их из строя может привести к потери жизни людей и серьезным загрязнением окружающей среды. Нормы Канады позволяют относить некоторые шельфовые сооружения ко второму классу надежности. Согласно Нормам CAN/CSA, нагрузки должны иметь следующую обеспеченность:

-- нагрузки, связанные с частыми процессами окружающей среды: 10-2 1/год;

-- нагрузки, связанные с редкими процессами окружающей среды: 10-4 -- 10-3 1/год;

-- особые нагрузки: 10-4 -- 10-3 1/год.

В Российских Нормах обеспеченность нагрузок не специфицируется. Лишь для ряда параметров указывается величина периода повторяемости. Так, при расчете максимальной ледовой нагрузки следует учитывать значение толщины льда с обеспеченностью 10-2 1/год, а при расчете волновой нагрузки должно быть учтено значение высоты волны обеспеченностью (1 --2)х10-2 1/год. В результате обеспеченность нагрузки остается неопределенной.

Расчетные нагрузки.

Для повышения надежности определения нагрузок при проектировании сооружения в Российских Нормах вводится понятие расчетной нагрузки. Подход к определению расчетной нагрузки более консервативен по сравнению с определением нормативной нагрузки (т.е. нагрузки, регламентируемой методами расчета, заложенными непосредственно в нормах). Для определения расчетных на- грузок нормативные нагрузки следует умножить на коэффициент надежности (более или менее единицы). Например, вес сооружения следует умножать на коэффициент, больший единицы при расчете несущей способности основания сооружения, и меньший единицы при расчете сдвига сооружения вдоль поверхности дна. Нормы Канады CAN/CSA не разделяют нормативные и расчетные нагрузки, но практически коэффициент надежности учитывается при определении сочетаний нагрузок.

Сочетания нагрузок

Различные нагрузки могут действовать на сооружение одновремен- но в некоторой комбинации или независимо. Сочетание нагрузок учитывает вероятность совместного действия нескольких воздействий. Российские Нормы СНиП 2.01.07-85 и СНиП 2.06.01-86 рекомендуют два типа сочетаний:

-- основные;

-- особые.

Основные сочетания включают постоянные, длительные нагрузки, а также любое возможное совместное действие кратковременных нагрузок. Особые сочетания нагрузок включают постоянные нагрузки, все типы временных нагрузок, совместное действие которых возможно, и только одну особую нагрузку (статистический анализ показывает, что вероятность одновременного действия двух особых нагрузок, например землетрясения и волнения с периодом повторяемости 1 раз в 100 лет, чрезвычайно мала и может не учитываться). Поскольку вероятность одновременного действия всех временных нагрузок мала, каждая из этих нагрузок должна быть умножена на некоторый коэффициент, меньший единицы. Также необходимо отметить, что следует учитывать только нагрузки, дей- ствие которых возможно совместно. Например, действие льда боль- шой толщины и волн не следует учитывать в одном сочетании, но сочетание воздействия волн и битого льда может иметь место.

Российские Нормы не содержат понятия стохастически зависимых и независимых процессов. Нормы Канады CAN/CSA, напротив, используют подобное разделение. Согласно этому нормативному документу, следует выделять две группы частых процессов окружающей среды:

-- основные и частые процессы;

-- основные и редкие процессы.

Все процессы считаются статистически зависимыми или взаимно исключающимися с основным процессом. Например, если основным процессом является действие ветра, то волнение и ветровое течение являются стохастически зависимыми; стохастически независимы при действии ветра приливное и отливное течения и морской лед. Также могут рассматриваться и другие сочетания. Группы процессов окружающей среды должны быть включены в сочетания с некоторыми коэффициентами, меньшими или равными 1.

Для последующего проектирования сооружения учитывают сочетания нагрузок. Эти сочетания состоят из постоянных нагрузок, операционных нагрузок и внешних частых или внешних редких, или особых нагрузок. Следует также отметить, что Нормы Канады используют не только коэффициенты сочетаний, но и коэффициенты надежности. Более подробное описание сочетаний нагрузок приведено в рекомендациях API.

Вероятностный подход является другим возможным методом определения сочетаний нагрузок. Должны быть приняты во внимание функции распределения вероятности различных параметров. Учитывая возможные сочетания стохастически зависимых и независимых функций за некоторый период продолжительности существования сооружения, можно определить функцию распределения вероятности суммарной нагрузки.

4.3 Сооружения

Как отмечается ранее, сооружения могут быть разделены по классу надежности. Согласно Нормам Канады CAN/CSA, существует два класса надежности (Нормы России выделяют четыре класса). Эти классы используются для гарантии надежности сооружения или его конструктивных элементов. Сооружения следует отнести к какому-либо классу согласно их значимости. Согласно CAN/CSA, сооружению присваивается:

-- 1 класс надежности, если при рассматриваемых условиях повреждение приведет к большому риску для жизни и загрязнению окружающей среды;

-- II класс надежности, если при рассматриваемых условиях повреждение приведет к малому риску для жизни и загрязнению окружающей среды.

Подразумевая, что в случае непредвиденной опасности вовремя будут реализованы планы по предотвращению потери жизни или ущерба окружающей среды, возможно понижение уровня надежности сооружения.

Согласно Российским Нормам, все шельфовые сооружения следует относить к 1 классу надежности.

Следующая ступень в проектировании сооружения состоит в определении расчетной несущей способности. И Российские и Западные Нормы рассматривают потерю прочности или устойчивости сооружения как расчетную предельную несущую способность. В данных Нормах различают две группы предельных состояний:

1-я группа предельных состояний -- полная непригодность сооружения к дальнейшей эксплуатации;

2-я группа предельных состояний -- предельное состояние эксплуатационной пригодности (непригодность к нормальной эксплуатации).

Эти понятия используются для характеристики различных типов несущей способности: устойчивости сооружения, прочности элементов конструкции и несущей способности основания. Таким образом, по первой группе предельных состояний учитываются:

-- потеря равновесия сооружения (или его части), рассматриваемого как жесткое тело;

-- невозможность восприятия нагрузки сооружением или его элементами. или основанием из-за превышения прочности материала;

-- потеря устойчивости сооружения;

-- переход сооружения в механизм (пластическое разрушение). Предельные состояния эксплуатационной пригодности ограничивают режим нормальной эксплуатации сооружения или его нормального положения и оказывают влияние на его долговечность. Они включают смещение или поворот элементов конструкции, которые пагубно влияют на состояние части сооружения или работу оборудования:

-- движения, включая вибрации, негативно влияющие на размещение или работу оборудования:

-- местные повреждения, не приводящие к выходу из строя всего сооружения, но ограничивающие его использование или долговечность;

-- смещения или деформации сооружения или основания, негативно влияющие на использование сооружения или работу оборудования.

Приведенная выше классификация соответствует рассматриваемой в Нормах CAN/CSA. Основные принципы данной классификации соответствуют заложенным и в Нормах России. Согласно Нормам Канады, класс сооружения и группа предельного состояния определяют коэффициенты при формировании сочетаний нагрузок, а также уровень обеспеченности нагрузки.

4.4 Сопоставление нагрузки и расчетной предельной несущей способности

Последним этапом проектирования является сопоставление нагрузки и расчетной предельной несущей способности. При этом возможно применение как детерминистического, так и вероятностного методов. Первый подход используется в Российских Нормах и подразумевает выполнение условия

n -- коэффициент, учитывающий класс надежности сооружения (для сооружений 1-го класса надежности равный 1.25 при расчете по 1-й группе предельных состояний и 1.0 -- по 2-й группе).

Другим методом определения несущей способности сооружения является вероятностный. Этот метод рассматривает сочетание нагрузки pdf(F) и расчетной несущей способности сооружения pdf(R). Основным критерием устойчивости или прочности сооружения является условие F<R (рис. 6.56). Графики функций плотности распределения вероятности нагрузки pdf(F) и несущей способности pdf(R) изображены на этом рисунке. Участок пересечения данных кривых характеризует надежность сооружения.

При необходимости повышения надежности сооружения и невозможности изменения нагрузки следует увеличить несущую способность сооружения или снизить среднее квадратичное отклонение функции pdf(R) (см. рис. 6.56). Оба способа приведут к увеличению стоимости сооружения из-за введения требуемых изменений к конструкции. Поэтому необходимо определить уровень требуемой надежности. Некоторые качественные ответы могут быть получены исходя из рис. 6.57, показывающего зависимость стоимости от надежности.

Для увеличения несущей способности сооружения нам следует применить дополнительные конструктивные элементы или усилить существующие. Это, безусловно, приведет к увеличению стоимости сооружения (кривая 5). Поэтому, с экономической точки зрения, не имеет смысла создавать слишком надежные сооружения. С другой стороны, чем меньше надежность сооружения, тем выше вероятность повреждения, потери жизни или загрязнения окружающей среды (кривая L). Поэтому следует увеличить надежность сооружения. Для определения целесообразного уровня надежности следует учитывать суммарные затраты (кривая S+L).

Минимум суммарных затрат соответствует оптимальной надежности. Определение зависимости стоимости Лот уровня надежности не вызывает сложности, в то время как вычисление ущерба L затруднено. Однако оно возможно, и Нормы Канады рекомендуют проводить оценку для новых систем и материалов. Согласно Нормам CAN/CSA, на основании анализа работы существующих сооружений, следует использовать уровень надежности сооружения 10-4 -- 10-6 1/год (что в среднем составляет 10-5 1/год) при вероятности превышения нагрузки 1 раз в год. Коэффициенты сочетаний нагрузки, рекомендуемые этими Нормами, определены на основе данного уровня надежности. Поэтому предполагается, что не следует проводить дополнительных оценок для сооружений, подобных существующим. Согласно Нормам API RP-2А-LRFD, следует учитывать вероятность отказа 10 -3 за 20-летний период.

Литература

1. А. Б. Золотухин, О. Т. Гудместад, А. И. Ермаков, Р. А. Якобсен, И. Т. Мищенко, В. С. Вовк, С. Лосет, К. Н. Шхинек, “Основы разработки шельфовых нефтегазовых месторождений и строительство морских сооружений в арктике”, М, 2000 г

Размещено на Allbest.ru