CC BY
44'Тяжелое машиностроение
DOI: 10.24412/CL-35807-2021-1-52-56
УДК 67.05
К ВОПРОСУ КРЕПЛЕНИЯ ТРУБНЫХ СТАЛЬНЫХ СВАЙ В ОПОРНОМ ОСНОВАНИИ
МОРСКИХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
ON THE ISSUE OF FIXING TUBULAR STEEL PILES IN THE SUPPORTING BASE OF MARINE HYDRAULIC STRUCTURES
Чмаль И. С., старший инженер-конструктор 1 категории АО «ТЯЖМАШ», г. Сызрань
Chmal I. S., Senior design engineer of the 1st category JSC "TYAZHMASH", Syzran
В данной статье представлены результаты анализа имеющихся конструктивных решений для реализации процесса крепления трубных стальных свай в опорном основании морских гидротехнических сооружений посредством пластической деформации материала свай, подробно описана разработанная авторами оригинальная конструкция устройства для реализации установленного технологического процесса и определена актуальность разработки в рамках реализуемой Правительством РФ политики по освоению шельфовых месторождений углеводородов.
This article presents the results of the analysis of the existing constructive solutions for the attachment tubular steel piles in the supporting base of the marine hydraulic structures by means of plastic deformation of the piles materials. This article describes the original design of the device, made by the authors, for the implementation of that technological process and defines the urgency of this research within the framework of the Russian Federation Government policy on exploration of the offshore hydrocarbon fields.
Ключевые слова: шельфовые месторождения, ледостойкая стационарная платформа, крепление трубных стальных свай, направляющая гильза, пластическая деформация, патентная чистота, импортоза-мещение, конкурентные преимущества.
Keywords: offshore fields, ice-resistant stationary platform, fixing of tubular steel piles, guide sleeve, plastic deformation, patent purity, import substitution, competitive advantages.
Современная экономическая конъюнктура говорит о высоком уровне зависимости отечественной экономики от добычи полезных ископаемых, основная доля которых приходится на углеводороды. Анализ статистических данных подтверждает данную гипотезу — углеводороды, которые формируют 20 % внутреннего ВВП Российской Федерации, в тоже время являются фундаментальным компонентном экспорта, обеспечивая более 50 % доходов.
Экспертная оценка отечественных запасов говорит о том, что значительная их доля приходится на шельфовые месторождения: касательно запасов нефти — 25 %, газа — 50 %. Отдельно стоит отметить особенность географического расположения основных шельфовых месторождений — 25 % разведанных мировых запасов углеводородов относятся к бассейну Северного Ледовитого океана, что несомненно накладывает свой отпечаток, затрудняя процесс освоения. Ситуация с географическим расположением шельфовых месторождений нашей страны аналогична — около 84 % шельфовых месторождений относятся к Баренцевому, Карскому и другим морям бассейна Северного Ледовитого океана и лишь 15 % — к Охотскому морю, менее 1 % — к Каспийскому и Балтийскому морям [5].
Отдельно необходимо отметить стоимость освоения шельфовых месторождений, которая в последние годы заметно снизилась, причем интенсивность снижения издержек на разработку данного типа месторождений выше, чем, например, для месторождений на суше. В настоящий момент цена безубыточности для шельфовых месторождений варьируется в диапазоне 35—40 долл./барр. при прогнозной стоимости нефти на 2021 г. от 40 до 50 долл./барр., что обеспечивает опреде-
ленный «запас прочности» для отраслевых компаний в условиях прогнозируемых кризисных периодов. В интересах мирового сообщества обеспечить стабилизацию сырьевого рынка и планомерность капиталовложений. В создавшихся условиях освоение шельфовых месторождений является актуальным вектором развития технологий отрасли и направлением большого потока инвестиций [4].
Реализация данной стратегии на территории РФ обусловлена необходимостью использования специальных морских гидротехнических сооружений, необходимых для работы в суровых условиях севера. Типовым конструкторским решением данных задач является ледостойкая стационарная платформа (ЛСП). Процесс фиксации ЛСП осуществляется посредством забивки трубных стальных свай через направляющие гильзы опорного основания ледостойкой стационарной платформы с последующей реализацией процесса крепления (раздачи) свай в соответствующие проточки гильз посредством деформации материала свай.
Анализ конкурентных решений позволил выявить существующие аналоги, разработанные для реализации установленного технологического процесса. Долгое время актуальной на рынке была продукция американской корпорации Oil States International (рис. 1).
Устройство иностранной разработки представляет собой компактный агрегат, размещаемый во внутренней полости сваи и обеспечивающий подачу морской воды под давлением во внутреннюю полость сваи в зону, соответствующую месту пластической деформации. При этом герметичность рабочей зоны обеспечивается посредством профильных выдвижных резиновых уплотнений с гидроподпором [3].
Важно отметить, что конструкция устройства обеспечивает равномерную пластическую деформацию трубной стальной сваи по всей длине окружности круговой проточки направляющей гильзы. Кроме того, объективным преимуществом разработки американской компании является использование морской воды в виде рабочей жидкости, что является значимым фактором при оценке экологичности конструкции. Однако данный фактор обуславливает высокие требования к коррозионной стойкости элементов гидросистемы и уплотнительных элементов. Дополнительно важно отметить высокие требования, предъявляемые к уплотнительным элементам при учете агрессивной среды и суровых климатических условий и, как следствие, низкую износостойкость, которая зависит от шероховатости поверхности внутренней стенки гильзы, а также от изо ли-
,3
Рис. 1. Схема процесса крепления трубных стальных свай в гильзах направляющих опорного основания морских стационарных сооружений с помощью устройства, выполненного по патенту 1184501514: 1 — трубная стальная свая; 2 — гильза направляющая; 3 — кольцевая проточка гильзы направляющей; 4 — корпус устройства; 5 — уплотняющие элементы; 6, 7 — верхняя/ нижняя проточка для фиксации уплотняющих элементов в корпусе устройства; 8 — каналы подачи морской воды в зоны под уплотнениями; 9 — каналы подачи морской воды в рабочую полость
рованности уплотнительных элементов от инородных тел, которые могут стать причиной механических повреждений резинотехнических элементов. Ключевым «недостатком» данного технического решения для освоения отечественных шельфовых месторождений являются санкции по отношению к РФ, которые стали причиной отказа компанией Oil States International от поставки данного оборудования отечественным компаниям.
Вышеописанные недостатки побудили отечественных исследователей заняться изучением данной проблемы. Результатом стало техническое решение, предложенное специалистами ООО «Красноярскгазпромнефтегазпроект», которое представляет собой комплекс гидродомкратов, штоки которых оснащены профильными накладками, а сами исполнительные устройства размещаются в специальной оправке, что и позволяет реализовать установленный технологический процесс (рис. 2) [2].
Подробный анализ данной конструкции позволил охарактеризовать ее как нетехнологичную и малоэффективную, что обуславливается выявленными недостатками.
4
ц
/ /
/ /
Рис. 2. Последовательность процессов, протекающих при разжиме сваи устройством, выполненным по патенту
Яи 2689471 в направляющей гильзе: 1 — свая; 2 — направляющая гильза; 3 — корпус устройства для разжима сваи; 4 — накладки штоков гидравлических домкратов; 5 — внутренняя проточка направляющей гильзы; 6 — гидросистема домкратов; 7 — гидравлический домкрат; 8 — шток гидравлического домкрата
Устройство не позволяет реализовать равно -мерную пластическую деформацию материала сваи по длине окружности кольцевой проточки гильзы. Это негативно сказывается на надежность закрепления. Предварительная эскизная компоновка показала, что в случае применения серийно производимых гидродомкратов их количество в одном устройстве не более 6, что определяет угловой сектор в 60°, приходящийся на один исполнительный элемент. Это обуславливает не только высокие консольные нагрузки на шток и высокие требования к жесткости профильной накладки или необходимость многократной переустановки устройства.
Низкий уровень унификации устройства по отношению к различным типоразмерам свай и гильз.
Отсутствие проработанных технических решений для решения задачи фиксации устройства в рабочем положении для реализации установленного технологического процесса.
В рамках научно-исследовательской работы специалистами АО «Тяжмаш» была разработана оригинальная и отвечающая требованиям патентной чистоты конструкция устройства, позволяющего реализовать установленный технологический процесс крепления (рис. 3).
Конструкция устройством предполагает использование раскатных роликов в виде исполнительных элементов, которые совершают сложное движение, что позволяет обеспечить равномерную пластическую деформацию материала сваи по всей длине окружности кольцевой проточки в направляющей гильзе геометрией, соответствующей профилю раскатных роликов. Дополнитель-
ным достоинством является место наличие цилиндрического участка контакта наружной поверхности стенки сваи с внутренней поверхностью круговой проточки направляющей гильзы, что увеличивает прочность соединения в осевом направлении.
Стоит отметить, что предлагаются два типовых решения для обеспечения фиксации устройства во время работы. Первый подразумевает собой базирования устройства на торце сваи с фиксацией от поворота механизма относительно оси сваи посредством шпоночных соединений (вариант А). Данный способ отличается простотой, но требует предварительного выполнения пазов на торце сваи. Второй способ (вариант Б) предполагает использование нескольких гидроцилиндров, которые оснащены накладками в виде цилиндрического сектора, соответствующего геометрии внутренней стенки сваи. Данный способ рекомендуется к использованию в тех случаях, когда отсутствует возможность изготовления шпоночных пазов, например, когда торец сваи находится на большом расстоянии от поверхности ледо-стойкой стационарной платформы.
Важным достоинством данной разработки является полная унификация относительно применяемых типоразмеров свай и гильз. При использовании последних с иной геометрией проточек имеет место необходимость в переустановке быст-росъемных блоков роликов, что не представляет большой сложности и не является длительной операции с точки зрения оценки временных затрат. При этом важно отметить тот факт, что механизм должен быть спроектирован исходя из максимального необходимого усилия для обеспечения качественной реализации процесса и получения равнозначных результатов на всех типоразмерах элементов [1].
Объективно необходимо отметить высокую материалоемкость разработанной конструкции, однако стоит принять во внимание тот факт, что это лишь концептуальное решение, которое на стадии проектирования может быть доработано и улучшено посредством использования:
• современных приводных элементов и силовых агрегатов (например, продемонстрированное в примере использование компактного и эффективного гидромотора-редуктора);
• высокоэффективных методов обработки и улучшения механических свойств материалов. Вышеуказанные мероприятия несомненно
позволят значительно сократить массовые характеристики конструкции.
Общие сравнительные характеристики трех рассмотренных устройств сведены в таблицу 1 для упрощения сравнительной оценки и форми-
рования понимания о рациональности применения того или иного технического решения.
Процесс крепления трубных стальных свай с помощью устройства, разработанного специалистами АО «Тяжмаш», реализуется посредством последовательного выполнения следующих операций.
Во время реализации пластической деформации материала контроль за процессом осуществляется посредством измерения величины крутящего момента. После завершения крепления в одной кольцевой проточке устройство при необ-
ходимости перемещается в последующее рабочее положение, соответствующее второй кольцевой проточке в гильзе.
Результаты проведенной исследовательской работы не только отвечают требуемым техническим характеристикам, но имеют ряд конкурентных преимуществ перед конкурентными аналогами, что в совокупности со складывающейся политической и экономической обстановкой обуславливает высокую актуальность проведенного исследования. Дополнительно стоит отметить высокую заинтересованность отечественных
Вариант А
Вариант Б
2 11
Рис. 3. Схема устройства, оборудованного раскатными роликами, приводным механизмом и механизмом подачи, обеспечивающего крепление сваи во внутренних круговых проточках направляющих гильз: 1 — трубная стальная свая; 2 — направляющая гильза; 3 — вал шлицевый; 4 — шпонка; 5 — раскатной ролик; 6 — приводной механизм; 7 — гидроцилиндр; 8 — шток гидроцилиндра; 9 — вилка; 10 — ось; 11 — подшипник; 12 — разъемное стопорное кольцо; 13 — гидроцилиндр механизма фиксации; 14 — накладка штока
А
Таблица 1
Сводные данные по анализу рассмотренных технических решений
Техническое решение Достоинства Недостатки
Разработка компании Oil States Industries 1) Наличие расходных материалов в любом месте расположения ЛСП; 2) Равномерная раздача трубы по всей длине окружности; 3) Экологичность конструкции. 1) Высокие требования к качеству изготовления манжет; 2) Низкий уровень унификации; 3) Иностранные санкции в отношении РФ
Разработка ООО «Красноярскгазпром- нефтегазпроект» 1) Унифицированные исполнительные механизмы; 2) Техническая разработка проектной организации; 1) Местное воздействие на внутреннюю стенку сваи в процессе крепления; 2) Пониженная прочность соединения; 3) Непроработанные м еханизмы фиксации и базирования устройства
Разработка АО «Тяжмаш» Равномерная пластическая деформация материала сваи по всей длине окружности круговой проточки в направляющей гильзе; 2) Наличие цилиндрического участка соприкосновения наружной поверхности стенки сваи с внутренней поверхностью круговой проточки направляющей гильзы; 3) Высокая ремонтопригодность конструкции 1) Высокая металлоемкость конструкции (в сравнении с аналогами)
потребителей в реализации стратегии импортоза-мещения, что минимизирует экономические барьеры вступления на рынок. Разработанное решение не только определяет важную задачу при монтаже ЛСП, но и позволяет повысить надеж-
ность закрепления. Разработка является решением узкой проблемы, которая представляет собой необходимый этап на пути реализации программы по освоению шельфовых месторождений углеводородов в РФ.
Список литературы
1. RU199890U1 от 31.12.2019. — URL: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPM&DocNumber= 199890&TypeFile=html (дата обращения 20.12.2020).
2. RU 2689471 C1 от 01.08.2018. — URL: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber= 2689471&TypeFile=html (дата обращения 28.12.2020).
3. United States Patent 4501514 от 26.02.1985. — URL: https://pdfpiw.uspto.gov/.piw?PageNum=0&docid=04501514& IDKey=D06965979847 %0D%0A&HomeUrl=http%3A%2F%2Fpatft.uspto.gov%2Fnetacgi%2Fnph-Parser%3FSect1% 3DPT02%2526Sect2%3DHIT0FF%2526p%3D1%2526u%3D%25252Fnetahtml%25252FPT0%25252Fsearch-bool.html%2526r%3D1 %2526f%3DG%2526l%3D50 %2526co1 %3DAND%2526d%3DPTXT%2526s1 %3D4501514.PN. %25260S%3DPN%2F4501514 %2526RS%3DPN%2F4501514 (дата обращения 05.01.2021).
4. Курдин А. Освоение шельфа в условиях шоков мировых нефтегазовых рынков // Neftegaz.RU. — 2020. — № 11. — URL: https://magazine.neftegaz.ru/articles/rynok/639029-osvoenie-shelfa-v-usloviyakh-shokov-mirovykh-neftegazovykh-rynkov/ (дата обращения 29.12.2020).
5. Осадчий А. Нефть и газ российского шельфа: оценки и прогнозы // Наука и жизнь. — 2020. — № 4. — URL: https:// www.nkj.ru/archive/articles/6334/ (дата обращения 29.12.2020).
6. Постановление Правительства Российской Федерации от 28.03.2019 № 345 «О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. № 304». — URL: http://www.consultant.ru/document/ cons_doc_LAW_321504/ (дата обращения 10.01.2010).
