CC BY
12УДК 624.014
К РАСЧЕТУ ЛЕДОРАЗРУШАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПОРНЫХ СТОЕК БЛОКОВ
МОРСКИХ СТАЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ
Чемодуров В. Т., Синцов В.П., Фурсов А.Ю.
Академия Строительства и Архитектуры, ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181, е-шаП: sin59@bk.ru
Аннотация. Актуальными остаются вопросы разработки месторождений углеводородов в акваториях северных и арктических морей, таких как Северное, Баренцево, Чукотское и Азовское моря и другие.
Для разработки данных месторождений применяют морские сооружения, которые позволяют обеспечить эффективное бурение и эксплуатацию морских скважин с учетом особенностей условий эксплуатации и в первую очередь наличие значительных ледовых нагрузок. В частности на Азовском море при разработке Восточно - Казантипского месторождения ледовые нагрузки являются определяющими при создании морской стационарной платформы (МСП). Для снижения ледового воздействия на МСП предложено устанавливать в зоне воздействия конусное ледоразрушающее устройство. Для повышения несущей способности опорной стойки МСП в в месте размещения ледоразрушающего устройства его внутренний объем заполняется бетоном.(патент на полезную модель РФ № 151969). Результаты других исследователей показывают, что при контакте льда с такой конической защитной конструкцией опорной стойки разрушение ледового поля происходит от изгиба, а не от сжатия. Что в первую очередь ведет к разрушению льда при более низких значениях напряжений, и во вторых, как следствие такое ледовое воздействие приводит к снижению контактного давления на опору.
Для изучения распределения напряжений в стальной обойме ледоразрушающего устройства разработана математическая модель ледоразрушающего устройства. Проведенные исследования позволили получить математические выражения нормальных напряжений в конусной обечайке ледоразрушающего устройства от ледовых воздействий при расчете прочности и устойчивости.
Предмет исследования: конусное ледоразрушающее устройство для повышения несущей способности опорной стойки МСП в зоне контакта со льдом.
Материалы и методы: в качестве исходного материала принято существующее конструктивное решение восточно -казантипской морской стационарной платформы. Для проведения исследований применена математическая модель ледоразрушающего устройства.
Результаты: Проведенные исследования позволили получить математические выражения нормальных напряжений в конусной обечайке ледоразрушающего устройства от ледовых воздействий при расчете прочности и устойчивости.
Выводы: наиболее эффективной, по результатам анализа, является конструктивная схема с использованием композитной конструкции металлического кожуха, хаполненного бетоном.
Ключевые слова: Морская стальная стационарная платформа, опорная стойка, ледоразрушающее устройство, металлическая оболочка усиленная бетоном.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальными остаются вопросы разработки месторождений углеводородов в акваториях северных и арктических морей, таких как Северное, Баренцево, Чукотское и Азовское моря и другие.
Для разработки данных месторождений применяют морские сооружения, которые позволяют обеспечить эффективное бурение и эксплуатацию морских скважин с учетом особенностей условий эксплуатации и в первую очередь наличие значительных ледовых нагрузок. В частности на Азовском море при разработке Восточно - Казантипского месторождения ледовые нагрузки (рис. 1) являются определяющими при создании морской стационарной платформы (МСП) [2...5].
Ледовые воздействия на конструкцию принимаются по критическим нагрузкам для льда. В общем случае ледовые воздействия определяются как произведение прочностной характеристики льда при сжатии, ширины сооружения по бровке, толщины льда и коэффициентов, учитывающих условия контакта между сооружением и льдом, форму сооружения, напряженное состояние льда, скорость дрейфа льда [3]. Для снижения ледового воздействия на МСП предложено устанавливать в зоне воздействия конусное ледоразрушающее устройство. Для повышения несущей способности опорной стойки МСП в в месте размещения ледоразрушающегоустройства его внутренний объем заполняется бетоном. (Рис. 2) (патент на полезную модель РФ № 151969). Результаты других исследователей показывают, что при контакте льда с такой конической защитной
конструкцией опорной стойки разрушение ледового поля происходит от изгиба, а не от сжатия. Что в первую очередь ведет к разрушению льда при более низких значениях напряжений, и во вторых, как следствие такое ледовое воздействие приводит к снижению контактного давления на опору.
Для изучения распределения напряжений в стальной обойме ледоразрушающего устройства разработана математическая модель
ледоразрушающего устройства (рис. 3) [9...11,16,17].
Рис. 1. Ледовые условия Азовского моря. Fig. 1. Ice-conditions on Azov sea.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При разработке математической модели ледоразрушающего устройства в основу положено следующее конструктивное решение - опорная стойка представлена пространственной конструкцией, состоящей из труб и листового металлического конуса. Конус установлен в зоне
переменного смачивания, которая совпадает с зоной ледового воздействия. На первом этапе проводим изучение напряженного состояния элементов конуса, далее внутреннее пространство конусной конструкции заполняется бетоном (патент на полезную модель РФ № 151969), что позволяет подкрепить металлический листовой конический кожух ледоразрушающего устройства.
а)
б)
Рис. 2. Модель ледоразрушающего устройства МСП. а - базовая с конусом; б- усовершенствованная с бетонным заполнением.
Fig. 2. IcebreakingdeviceMSP. a- Basicmodel b- Improvedmodel
Рассмотрим прочность конусообразной обечайки. Решение осуществим в полярной системе координат. На рис. 3 представлена расчетная модель конусной обечайки , к которой приложена горизонтальная сила имитирующая ледовое воздействие.
= Fsina
Рис.3 Расчетная модель конусной обечайки. Fig. 3. Calculationmodelofconeshell.
Примем допущение: радиальные напряжения на много больше тангенциальных, т.е. <тг » <7д. Объемные силы так же не учитываются. Такое напряженное состояние называется простым радиальным. В этом случае уравнение равновесия имеет вид
А уравнение неразрывности деформаций представим в виде
1Аг_ 1 а2^
+
дт2 г дг
+
дб<
= 0(2)
Интегрируем уравнения (1) и (2) методом Фурье, для чего представим функцию <тг в виде произведения двух функций
Подставим функцию (3) в уравнение (1) и (2).
Получим (4)
Сократим первое уравнение (4) на ы . Тогда — — = С. Откуда после разделения
переменных
и интегрированием будем
иметь
Ln <р = — 1п г 1п с, или 1п <р = 1п -
Освободим от логарифмов
Теперь найденную функцию <р подставим во второе уравнение (4).
Или после сокращения получим
Решение этого уравнения имеет вид со = A eos в + В sin в (7) Решения (5) и (7) подставим в (3). с (A eos в 4- В sin 9)
Введем произвольные постоянные К и 9а В этом случае
от= - (соя в cos 9а 4- sin 9 4- -sin
или
oT=-cos(9-eíj) (8)
9 -принятый угол давления льда. К найдем из граничного условия: при 9 = 9а F, F sin а
г"г10оД1 r± 90А1
Здесь Al- толщина льдины. F Ein £Е ít
Тогда
—--—--, или к —
г,
этом случае общее решение имеет вид
F Е1П £Е
В
(9)
Полученное выражение 9 является выражением прочности материала конусной обечайки.
Проверка устойчивости конусной оболочки. Под воздействием внешних нагрузок оболочки тел вращения теряют основную форму устойчивости не разрушаясь.
Для реальных оболочек, исходя из многочисленных испытаний получены
эмпирические зависимости для критического напряжения потери устойчивости. (10)
3
к*.Е-
(10)
Потеря устойчивости оболочки вращения происходит именно в виде хлопка.
Для реальных оболочек К^ < 0,605 и зависит от ряда факторов. (11)
рг * К * К ■
1 .... .-V .-V.. .-ч. (11)
к - коэффициент влияния начальных
5
несовершенств оболочки. Чем меньше — , тем
г
сильнее влияние начальных несовершенств на потерю устойчивости оболочки
К„. - влияние внутреннего давления
1 4- 0,21i(^ 1 + 3 а
Здесь et — В данной конструкции под
внутренним давлением понимается реакция наполнителя оболочки в виде произведения коэффициента постели на деформацию оболочки. Если оболочка пустая, то я = 0 и Кр = 1,
Деформацию ег легко определить, решая уравнение (9), то есть
Коэффициент постели выбирается в зависимости от материала наполнителя
Kjjj -коэффициент неравномерности сжимающих напряжений. В данном случае Кщ — 1
К j -коэффициент влияния пластических деформаций. Его так же можно принять К( = 1, так как потеря устойчивости гладких оболочек происходит в упругой области деформацией при низком уровне сжимающих напряжений. Если
■■'■ -у, - то оболочка устойчива.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
При наличии внутреннего заполнителя в оболочке значительно повышается её прочность.
или
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования позволили получить математические выражения нормальных напряжений в конусной обечайке
ледоразрушающего устройства от ледовых воздействий при расчете прочности и устойчивости. Показать, что при наличии внутреннего заполнителя в ледоразрушающем устройстве прочность внешней металлической оболочки значительно повышается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. - Министерство строительства Российской федерации. М. 2016. -105 с.
2. СП 16.13330.2017 Стальные конструкции. -- Министерство строительства Российской федерации. М. 2017. -145 с.
3. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок (ПБУ) и морских стационарных платформ (МСП): по
состоянию на 30.06.2008/ Российский Морской Регистр Судоходства (РМРС).- НД№2-020201-008. Санкт-Петербург, 2008.-502 с. (библиотека официальных изданий).- ISBN5-89331-116-7.
4. Барабанов Н. В. Конструкция корпуса морских судов. Л.: Судостроение, 1981. - 551 с.
5. Бородавкин П.П. Морские нефтегазовые сооружения. Часть 1. Конструирование: Недра-Бизнесцентр; 2006 г. - 560 с.
6. Ефремкин И.М., Холмянский М. А. , Геоэкологическое сопровождение освоения нефтегазовых месторождений Арктического шельфа. М.: Недра, 2008 г. - 250 с.
7. Мирзоев Д.А., Нефтегазопромысловые ледостойкие сооружения мелководного шельфа. М.: Недра, 1992 г. - 225 с.
8. Зонин М. С. , Дзюбло А. Д. , Коллекторы морского нефтегазоносного комплекса Севера Западной Сибири",М.: Издательство Академии горных наук, 1990 г., - 175 с.
9. Никитин Б.А., Мирзоев Д.А., Богатырева Е.В., "Методика Выбора основного варианта конструкции морских ледостойких платформ", М.: Издательство Академии горных наук 2005 г.
10. Суворова И. А. , "Основы безопасности при проектировании объектов обустройства месторождений углеводородов шельфа арктических морей" М.: Недра, 2001 г. - 215 с.
11. Сукач М. 2009. Проблемы добычи твердых полезных ископаемых со дна мирового дна. «MOTROL» сб. научных трудов. Вып. 11 A. Simferopol-Lublin. с. 116-123.
12. Г. Г. Матишов, Б. А. Никитин, О. Я. Сочнев. Экологическая безопасность и мониторинг при освоении месторождений углеводородов на арктическом шельфе. 2001 г. - 205 с.
13. Д. А. Мирзоев. "Основы морского нефтегазового дела", Том 1 "Обустройство морских нефтегазовых месторождений", 2009 г., - 350 с.
14. Типы морских стационарных платформ, используемых ГАО "Черноморнефтегаз" на шельфе черного и азовского морей /Владимир Синцов, Александр Фурсов// MOTROL. Commission of motorization and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. — Lublin, 2012. — Vol. 14, № 6. — P. 39—44.
15. Б. А. Никитин, Д. А. Мирзоев, Е. В. Богатырева. "Морские нефтегазовые промыслы", 2005 г.
16. В.Т. Чемодуров - Проблема обеспечения прочности и надежности ракет и пусковых установок. Ленинград, ВМА, 1985 г., - 198 с.
17. Рекач В.Г. - Руководство к решению задач прикладной теории упругости, Москва, «Высшая школа», 1973 г., - 378 с.
REFERENCES
1. SP 20.13330.2011. Loads and impacts. Design standards. - no . Ministry of regional development of the Russian Federation 2011.
2. SP 16.13330.2011 Steel structures.- Ministry of regional development of the Russian Federation 2011.
3. Rules of classification, construction and equipment of floating drilling rigs (PBU) and offshore fixed platforms (ICP): as of 30.06.2008/ Russian Maritime Register of Shipping (RMRS).- ND№2-020201-008. St. Petersburg, 2008.-502 p. (library of official publications).- ISBN 5-89331-116-7.
4. Drums N. B. construction of the hull of ships. L.: Shipbuilding, 1981. 551 p.
5. Borodavkin PP Marine oil and gas facilities. Part 1. Design: Nedra-Biznestsentr; 2006 - 560 pages
6. Efremkin I. M., Kholmyansky M., Geoecological development of oil and gas fields of the Arctic shelf. M.: Nedra, 2008. - 250 p.
7. Mirzoyev D. A., oil and Gas offshore ice-resistant structure of the shallow shelf. M.: Nedra, 1992, 225 p.
8. Zonin M. S., Dzyublo, Collectors of the sea oil and gas complex of the North of Western Siberia", M.: Publishing house of Academy of mountain Sciences, 1990
9. Nikitin, B. A., Mirzoev, D. A., Bogatyrev, E. V., "Method Of choosing the basic version of the construction of ice-resistant platforms", M.: Publishing House of the Academy of mining Sciences 2005
10. Suvorov I. A., "Fundamentals of safety in the design of facilities for the construction of hydrocarbon deposits in the Arctic shelf' M.: Subsoil, 2001
11. Sukach M. 2009. Problems of extraction of solid minerals from the bottom of the world bottom. "MOTROL": collection of scientific works. Vol. 11 A. Simferopol-Lublin. 116-123.
12. G. G. MatishovAnd B. A. Nikitin, O. J. Sochnev. Environmental safety and monitoring in the development of hydrocarbon deposits on the Arctic shelf. 2001.
13. D. A. Mirzoev. "Fundamentals of offshore oil and gas business", Volume 1 "Development of offshore oil and gas fields", 2009
14. Types of offshore fixed platforms used by GAO "Chernomorneftegaz" on the shelf of the black and Azov seas /Vladimir Sintsov, Alexander Fursov// MOTROL. Commission of motorization and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. - Lublin, 2012. - Vol. 14, № 6. - P. 39-44.
15. B. A. Nikitin, D. A. Mirzoyev, And E. V. Bogatyreva. "Marine oil and gas fields", 2005
16. V. T. Chemodurov-the Problem of ensuring the strength and reliability of missiles and launchers. Leningrad, WMA, 1985, 198 p.
17. Rekach V. G.-Guide to solving problems of applied theory of elasticity, Moscow, Higher school, 1973, 378 p.
SUPPORT STANDS UNITS BEHAVIOR OF MARINE STEEL STATIONARY PLATFORMS FOR
LOCAL LOADS
Chemodurov V. T., Sintsov V.P., Fursov A.Yu.
Abstract. The development of hydrocarbon deposits in the waters of the Northern and Arctic seas, such as the Northern, Barents, Chukotka and Azov seas, and others remain topical.
For the development of these fields, marine structures are used, which allow for efficient drilling and operation of offshore wells, taking into account the peculiarities of operating conditions and, first of all, the presence of significant ice loads. In particular, in the Azov sea during the development of the East Kazantip field, ice loads are crucial for the creation of a marine stationary platform (ICP). To reduce the ice impact on SMEs, it is proposed to install a cone-shaped ice-breaking device in the impact zone. To increase the bearing capacity of the support pillar of SME b in the location of the ice-breaking device, its internal volume is filled with concrete. (patent for utility model of the Russian Federation № 151969). The results of other researchers show that when ice comes into contact with such a conical protective structure of the support pillar, the destruction of the ice field occurs from bending, not from compression. That first of all leads to the destruction of ice at lower stress values, and secondly, as a consequence of such ice exposure leads to a decrease in contact pressure on the support.
To study the stress distribution in the steel cage of the ice-breaking device, a mathematical model of the ice-breaking device is developed. The carried out researches have allowed to receive mathematical expressions of normal stresses in a cone shell of the ice-breaking device from ice influences at calculation of durability and stability.
Subject: cone-shaped ice-breaking device to increase the bearing capacity of the SME support pillar in the ice contact area. Materials and methods: the existing design solution of the East Kazantip marine stationary platform was adopted as a starting material. The mathematical model of the ice-breaking device is applied for carrying out researches.
Results: the conducted research allowed to obtain mathematical expressions of normal stresses in the cone shell of the ice-breaking device from the ice effects in the calculation of strength and stability.
Conclusions: the most effective, according to the results of the analysis, is a structural scheme using a composite structure of a metal casing filled with concrete.
Key words: sea steel stationary platform, support stand, ice-breaking device, metal shell reinforced with concrete.
