CC BY
28
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 год № 1 (6)
05.00.00 Технические науки
УДК 622.276.04/.38.504.4; 519.718.2; 721.012:001.8
В.Г. Цуприк
Цуприк Владимир Григорьевич - канд. техн. наук, профессор кафедры экономики и управления производством ДВГТУ. E-mail: vg_tsuprik@mail.ru
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБОСНОВАНИЯ РИСКОВ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ ТИПА МОРСКИХ ЛЕДОСТОЙКИХ ОСНОВАНИЙ
Реализован вариант системного подхода к методологии разработки системы проектирования морских платформ для добычи углеводородов на шельфах замерзающих морей. Показана необходимость учета всей совокупности рисков при определении надежности сложных технических систем типа морских ледостойких оснований (МЛО) с учетом их конструктивных параметров и феноменологических особенностей ледовых нагрузок в течение всего цикла проектирования. В результате системного анализа работы сооружения при воздействии ледовой нагрузки выявлено, что при проектировании первостепенными факторами в расчетах надежности МЛО являются вид (механизм) разрушения льда в месте его контакта с поверхностью МЛО и надежность соответствия метода расчета ледовой нагрузки реальному виду разрушения льда на его контакте с сооружением.
Ключевые слова: морские ледостойкие основания, системный подход, циклический характер процесса взаимодействия сооружения с ледовым полем, механизм разрушения льда, методология системы проектирования.
Vladimir G. Tsuprik
METHODOLOGICAL ASPECTS OF RISKS WHEN DEFINING RELIABILITY OF SEA ICE-RESISTANT PLATFORMS AS COMPLICATED TECHNICAL SYSTEMS
The author suggests a systematic approach to designing offshore oil drilling platforms located in freezing sea areas. The necessity of inspection of system reliability of such complicated ice-resistant platforms at all stages of full design cycle is proved. All structural parameters of platforms and nature of ice load should be taken into account. The primary attention must be paid to determining the mechanism of ice destruction when contacting platforms and correlation of calculated load to actual situation.
Key words: ice-resistant platforms; systematic approach; cyclic character of process of interaction of a platform with ice fields; mechanism of ice destruction; methodology of designing system.
Введение. Обоснование системного подхода к исследованию проблем проектирования и строительства морских ледостойких оснований
Морское ледостойкое основание (далее - МЛО или сооружение, платформа), как правило, проектируется для возведения на шельфах замерзающих морей с целью расположения на его платформе бурового оборудования для добычи из недр углеводородного сырья. К настоящему времени накоплены некоторые результаты в определении нагрузок на МЛО и уже есть несколько проектов, в ходе реализации которых была достигнута намеченная цель: построены и установлены на шельфе платформы, с которых успешно ведется добыча нефти на Сахалине. Но, несмотря на достаточно высокие риски разрушения МЛО или его компонентов от ледовых нагрузок, растущая экономическая потребность «массового» создания ледостойких буровых платформ порождает необходимость вывода этого типа сооружений из класса уникальных не только по их технической сложности, но и по стоимости в класс сложных, но «типовых» сооружений, имеющих гарантированные сроки службы, на порядки превышающие сроки их окупаемости. Разработка надежных методов проектирования таких сложных природно-технических систем, включающих взаимосвязанные и взаимодействующие подсистемы и элементы различного характера, является относительно новой методологической задачей, решение которой в комплексном подходе пока отсутствует. Поэтому в этой статье делается попытка рассмотрения постановочной части такой задачи с использованием системного подхода, как методологии проектирования МЛО, не только воспринимающего ледовые нагрузки, имеющие вероятностную природу, но и учитывающего вероятностный характер многих других параметров, на которых основано проектирование, включая и сам процесс проектирования. Здесь термин «оценка риска», в отличие от работы [5], рассматривается как синоним термина «оценка надежности», который связан с неясностями в условиях определения ледовой нагрузки и реакции конструкции буровой платформы, обусловленной этим воздействием.
Методологическая деятельность, как известно, «устанавливает отношение к прежней деятельности и содержит минимум исследование, описание динамики изменения норм, методическую деятельность. Последняя осуществляется либо на основе фиксированных норм, либо предполагает проектирование но-
вых средств, либо включает проектирование деятельности, не имеющей ни нормативных, ни научных оснований» (курсив наш. - В.Ц.) [1, с. 15].
Применение системного подхода в исследовании данной проблемы обосновывается тем, что системный подход - это «определенный этап в развитии методов познания, методов исследовательской и конструкторской деятельности, способов описания и объяснения природы анализируемых или искусственно создаваемых... вероятностного характера поведения исследуемых объектов» [9, с. 1, 2], это «методологическое направление в науке, основная задача которого состоит в разработке методов исследования и конструирования сложноор-ганизованных объектов - систем разных типов и классов» [5, с. 2].
Методологическим средством реализации системного подхода при исследовании и решении практических задач в различных отраслях деятельности человека, как известно, является системный анализ. «Он позволяет, с одной стороны, разбить сложную проблему на составляющие ее простые задачи, имеющие отработанные методы решения, а с другой - удержать их вместе в качестве единого целого......Системный анализ - совокупность методов и средств, используемых при исследовании и конструировании сложных и сверхсложных объектов, прежде всего методов выработки, принятия и обоснования решений при проектировании, создании и управлении социальными, экономическими, человеко-машинными и техническими системами» (курсив наш. - В.Ц.) [9, с. 4]. Практика использования системного анализа в последние десятилетия показала, что его целесообразно применять, прежде всего, для исследования крупных комплексных проблем, имеющих прикладной характер.
Все исследователи в сфере применения системного анализа отмечают, что важным его этапом является построение обобщенной модели исследуемой системы, в которой необходимо учесть все существенные переменные величины, входящие в такую модель в виде ее элементов либо оказывающие влияние на ее функционирование. В отличие от других методов исследования, в том числе использующих серьезный научный аппарат, системный анализ оперирует главным образом упорядоченным, логически обоснованным подходом к разрешению проблем. В первую очередь он предназначен для решения слабоструктурированных проблем, т.е. таких, в которых элементы и связи между ними определены только частично.
Изложенное здесь можно считать множественным подтверждением правильности выбранного нами метода исследования - системного анализа действительно «искусственных, сложноорганизованных» объектов, имеющих «вероятностный характер поведения», а также «слабоструктурированных» проблем.
Сущность данного подхода к нашему исследованию возможно раскрыть только через понятие системы, которое является фундаментальным понятием современной науки, научной категорией высокого уровня абстракции, средством решения сложных проблем. Из множества вариантов определения системы, в разные годы предложенных разными авторами, для рассматриваемой нами проблемы наиболее органичным, как нам представляется, является определение академика П.К. Анохина из его работы [2, с. 31]: «Системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие и взаимоотношение приобретают характер взаимоСодействия компонентов на получение фокусированного полезного результата».
1. Феноменологическое описание совокупности объектов «Ледовое поле - МЛО» как системы
Нас интересует проблема обеспечения стабильного состояния конкретной совокупности объектов «ледовое поле - МЛО» (рис. 1). Внешней средой, непосредственно воздействующей на данную совокупность объектов, являются водная и воздушная среда, а также грунт основания. Эти же среды будут воспринимать реактивные воздействия совокупности объектов «ледовое поле - МЛО».
Структурный и функциональный анализ этой сложной совокупности элементов показывает, что она состоит из нескольких элементов (подсистем), взаимодействующих между собой. Одним из таких элементов является ледовое поле, имеющее плавучесть и перемещающееся в горизонтальном направлении под действием другого элемента - внешней среды (таких ее составляющих, как ветер и течения). Другими элементами являются: рассматриваемое сооружение -МЛО; водная среда, в которой сооружение расположено; грунтовое основание, составляющее базу для установки сооружения на дно.
Функционирование рассматриваемой сложной совокупности элементов обеспечивается реализацией связей между ними: между ледовым полем и опо-
рами сооружения; между опорами сооружения или его опорной плитой и грунтом основания, между сооружением и водной средой. При этом каждый из элементов в рассматриваемой совокупности обладает присущими только ему и только в каждый конкретный отрезок времени феноменологическими свойствами, обусловливающими уникальность протекающих в них процессов в период их взаимодействия.
Как было показано выше, для того чтобы считать рассматриваемую упорядоченную совокупность элементов «ледовое поле - МЛО» самостоятельной системой, необходимо, чтобы при взаимодействии элементов этой упорядоченной совокупности элементов у нее возникало такое свойство, которым ни один из ее элементов не обладает вне этого взаимодействия.
Доказательством того, что рассматриваемая совокупность «воздушное пространство - ледовое поле - МЛО - грунт основания - водная среда», в отличие от просто совокупности, объединения или множества, будет иметь основания рассматриваться как самостоятельная система, может стать факт обнаружения у «такого комплекса избирательно вовлеченных компонентов» «интегрального - эмерджентного свойства» [3, с. 24], необходимого для удовлетворения исходной потребности. В данном случае речь идет о свойстве «ледостойкости» сооружения, обусловленном наличием природных ледовых образований и их силовыми воздействиями на буровую платформу, установленную на дно моря в данном районе. Такое свойство отсутствует у каждого из составляющих эту систему и взаимоСОдействующих в достижении определенного результата элементов: ледового поля и платформы.
Здесь следует сделать существенное замечание об этом свойстве, точнее, о времени его проявления. Очевидно, что «ледостойким» морское основание можно назвать только после свершившегося последнего события в ряду последовательных событий: проектирование платформы - ее строительство - транспортировка - установка «на точке» - восприятие нагрузки от «расчетного» ледового поля - устойчивое состояние сооружения и его бесперебойное функционирование при разрушении ледового поля на его опорах. До этого момента рассматриваемое свойство просто не проявляется, т.к. нет льда или ледовое поле не движется, или параметры его воздействия значительно ниже расчетных для
данного сооружения, или никаких сооружений на шельфе не установлено. Все это случаи, когда нет совокупности «взаимоСодействующих» объектов (объекты есть, а взаимодействия - нет!), значит, нет и такой системы «ледовое поле -МЛО». Следовательно, на стадии проектирования такого сооружения его название «морское ледостойкое основание» носит как бы предварительный, условный или проектный характер. Выполнение условия реализации проектного свойства с гарантией (нормированной надежностью) и есть реальная цель проектирования. Поэтому уже здесь и сейчас мы методологически должны обосновать все параметры всех элементов системы «ледовое поле - МЛО» (и затем заложить их характеристики в проект МЛО), которые в своем «взаимоСодействии» гарантированно породят это «целевое свойство ледостойкости» при расчетных нагрузках. Отсюда возникает задача обозначения границ вероятности появления таких нагрузок (воздействий), с одной стороны, и гарантии соответствия проектной жесткости сооружения по противодействию этим воздействиям реальной жесткости построенного в натуре сооружения - с другой.
Итак, в целях использования системного подхода как методологии проектирования, считаем, что в совокупности с окружающей средой, в которой МЛО должно функционировать по своему предназначению - противодействовать воздействию ледовых полей, оно может быть рассмотрено как сложная искусственная природно-техническая система взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем и элементов, рассмотренных выше, и она удовлетворяет всем основным свойствам системы, включая наличие ее целевого свойства - ледо-стойкости: функционирования в непрерывном режиме в течение всего периода возможного воздействия ледового поля на сооружение при изменении воздействий на входе системы в определенных пределах. Это интегративное, или эмерджентное свойство данной системы делает ее системой, обладающей не только «полезным», но и «направленным эффектом» [6, с. 92-97].
2. Функциональное описание системы «МЛО - ледовое поле»
МЛО - установленное на дно моря сооружение, обладающее колоссальной потенциальной энергией ЭМЛО для обеспечения его устойчивости против
воздействия движущихся ледовых образований за счет массы этого сооружения и возможных конструктивных креплений его к основанию - грунту дна моря.
Дрейфующее ледовое поле также может обладать колоссальной кинетической энергией ЭЛП, воспринимая своими нижней и верхней поверхностями воздействие сил морских течений, приливов и отливов и ветра.
Чисто технически положительный результат решения задачи обеспечения ледостойкости платформы может появиться только в том случае, если из двух элементов, находящихся в силовом взаимодействии, уровень силового воздействия одного (ледового поля) не будет превышать допустимый (критический) уровень, обеспечивающий стабильное состояние другого. Значит, элемент системы (платформа) будет оставаться устойчивым при выполнении условия:
Эмло > ЭЛП . (1)
Но всегда, несмотря на стремление проектировщиков и строителей создать максимально мощную в экономически целесообразных пределах платформу, существует вероятностный риск (ЯЭлп*) появления ледового поля, имеющего кинетическую энергию ЭЛП*, превышающую допустимую (расчетную) для выполнения указанного выше условия (1). Не рассматривая здесь все варианты формирования в суровых природно-климатических условиях энергии ледового поля, отметим особо, что частота появления ледовых полей с кинетической энергией ЭЛП*, с учетом широкой вариабельности их параметров1, может быть настолько высокой, что уровень экономической целесообразности строительства таких сооружений на шельфах замерзающих морей в ледостойком варианте может приблизиться к нулю. Следовательно, для достижения цели расчетно-надежной эксплуатации МЛО в рассматриваемой совокупности элементов «ледовое поле - платформа» для обеспечения ее стабильного ледоустойчивого состояния с гарантированной надежностью, т.е. конкретным численным показателем нереализации максимальных рисков ЯЭлп*, должен иметь место механизм «нейтрализации», или «сбрасывания», части кинетической энергии ледового
1 Кинетическая энергия ледового поля является половиной произведения значения плотности льда и значений еще трех параметров, имеющих вероятностную природу: толщины льда Нл; площади ледового поля SЛП и квадрата скорости его движения УЛП.
поля, превышающей энергию устойчивости МЛО - ЭМЛО. Таким механизмом могут стать мероприятия искусственного разрушения ледового поля, имеющего энергию, превышающую ЭЛП*. Стоимость этих мер также следует учитывать при определении экономической целесообразности проектирования и строительства МЛО.
Рассмотрением всех аспектов данной проблемы ученые и практики-предприниматели занимаются уже многие десятилетия. В том числе достаточно подробно это сложное явление изучено, теоретически описано, а также подтверждено данными полунатурных исследований автора в ряде опубликованных работ [10; 11; 12; 13], выводы которых хорошо согласуются с результатами экспериментальных работ ряда зарубежных и отечественных исследователей [7; 16-24].
Рассмотрение феноменологических особенностей поведения ледового поля (и льда, из которого оно состоит), а также поведения конструкции сооружения, как при проведении натурных и лабораторных исследований процессов разрушения льда на контакте с опорой сооружения, так и с помощью теоретических изысканий, позволяет достоверно утверждать, что в природе существует «механизм сбрасывания» какой-то части кинетической энергии ледового поля ЭЛП*, превышающей некоторую допустимую (расчетную) для льда энергию разрушения его кромки Ецрл, - это механизм разрушения льда на контакте ледового поля с поверхностью опоры сооружения. Функционально этот процесс описывается таким образом. Опора под натиском ледового поля упруго отклоняется до момента достижения критического напряженного состояния льда на грани льдины. Напряженное состояние части ледового поля «разгружается» -реализуется либо в виде разрушения кромки этого поля, либо в виде местного разрушения массива льда. Упруго запасенная энергия отклонившейся от штатного положения опоры сооружения ЕМЛО возвращает ее в исходное состояние, а надвигающееся ледовое поле вновь ее отклоняет, и часть его энергии в размере Ецрл снова затрачивается на местное разрушение льда, и опора вновь возвращается в исходное положение после очередного цикла разрушения льда.
Такой циклический и существенно нестационарный процесс получил название «механизм взаимодействия опоры со льдом» [13; 14; 15], и он имеет место только при воздействии ледовых полей на сооружения с податливыми опорами. Можно ли считать этот механизм еще одним элементом системы либо он является ее искомым интегративным свойством, проявляющим себя только в процессе взаимодействия ледового поля и опор МЛО? Очевидно, что это явление - не материализованное понятие, это явление высвобождения энергии напряжений в массиве льда, накапливаемой им на контакте с поверхностью опоры в виде продуктов разрушения льда. Значит, это - не элемент системы, это ее функция, которая в то же время не является функцией ни одного из ее элементов. Но что важно! В результате такого процесса существует возможность разрушения опор сооружения и его самого в случае недостаточности энергии упругого противодействия реального сооружения. Следовательно, для достижения цели проектирования ледостойкого сооружения необходимо установить предельную проектную величину упругого отклонения сооружения арасч.
Из этого следует, что взаимодействие элементов данной упорядоченной совокупности предметов «ледовое поле - сооружение» порождает у этой совокупности свойства, которыми каждый из ее элементов в отдельности не обладает вне этого взаимодействия. Это, во-первых, свойство разрушения льда при контакте кромки движущегося ледового поля с боковой поверхностью опоры сооружения; во-вторых, циклические колебания сооружения, вызываемые разрушением льда при движении ледового поля.
Таким образом, рассматриваемая упорядоченная совокупность элементов «ледовое поле - МЛО» может и должна рассматриваться как самостоятельная система, так как исследуемое нами двойное явление - разрушение льда и колебания ледостойкого сооружения (а далее - и связанные с этим проблемы его прочности и устойчивости) - проявляются только как интегративные свойства совокупности «ледовое поле - МЛО», не выявляемые при поэлементном исследовании объекта. Это соответствует определению системы, приведенному в начале данного раздела с учетом принципа интегративности.
Далее, исходя из целей данного исследования, следует перейти от анализа функций элементов совокупности «ледовое поле - МЛО» к рассмотрению этой совокупности как самостоятельной сложной природно-технической системы и разработать ее конструктивное определение [8] с помощью содержательных и пространственно-временных координат.
3. Конструктивное описание системы «ледовое поле - МЛО»
Любая техническая система, как известно [3], может быть конструктивно определена как единство входа, выхода и процессора, предназначенных для упорядоченной реализации определенной функции по достижению цели системы - сохранения или изменения ее основного свойства.
Условие ледостойкости МЛО предусматривает, прежде всего, обеспечение надежности его штатного функционирования при воздействии на сооружение движущихся ледовых полей, имеющих, как было сказано выше, огромную энергию (инерцию). Выполнение требования ледостойкости МЛО следует рассматривать как задачу обеспечения устойчивости сооружения в целом или задачу обеспечения целостности (жесткости) отдельных элементов конструкции сооружения, например одной из его опор. Обязательным условием выполнения данного требования при проектировании платформы является принятие к расчету реального риска появления критической для платформы нагрузки (энергии поля - ЯЭлп*), вероятность реализации которого должна быть нормирована. При этом показатель надежности конструкции МЛО не может быть определен количественно и качественно в отрыве от реальных природно-климатических условий образования ледового поля и его прочностных и динамических характеристик.
Цель данной системы, таким образом, можно сформулировать как обеспечение устойчивого состояния ее основного свойства - ледостойкости: функционирования в непрерывном режиме в течение всего времени воздействия ледового поля на сооружение при изменении воздействий на входе системы в определенных пределах. Риски превышения этих пределов должны нормироваться, и вероятность их совокупной реализации должна определять срок службы сооружения. В сфере прикладного использования системы целью является бес-
перебойная эксплуатация технологического оборудования буровой платформы, обеспечивающая добычу нефти и газа на шельфе в условиях воздействия дрейфующих ледовых полей.
Основными свойствами данной системы, как это было показано выше с использованием системного анализа, являются ее интегративные свойства -разрушение льда на контакте кромки ледового поля с поверхностью одной из опор МЛО и вынужденные колебания сооружения (упругое знакопеременное деформирование его конструкции) при передаче ему части энергии движущегося ледового поля в виде периодически повторяющихся пиков ледовой нагрузки в промежутках времени между моментами разрушения льда.
Функция системы - преобразование энергии движущегося ледового поля в энергию разрушения льда и энергию вынужденных упругих колебаний сооружения путем циклического разрушения льда на контакте кромки ледового поля с поверхностью опоры сооружения.
Условием для обеспечения состояния устойчивого динамического равновесия системы во времени является непревышение значения энергии одного цикла разрушения льда (Ецрл ) при движении ледового поля над значением энергии упругого отклонения сооружения (ЕМЛО ) от статического состояния до значения расчетной амплитуды (арасч ), при которой сооружение не теряет устойчивость и ни один из его несущих конструктивных элементов не разрушается. То есть должно выполняться неравенство:
Емло > Ецрл . (2)
Входом в систему является ее элемент «ледовое поле», его функция -воспринимать воздействие внешней среды (рис. 1). К конструктивным особенностям ледового поля следует отнести его плоскую форму, скорость Улп , размеры в плане &ЛП, толщину Нл и обобщенную прочность льда ол.
Под входным воздействием среды в данном случае следует обозначить: вещественные компоненты: скорость ветра Уе и течения Ут, сообщающие движение ледовому полю со скоростью УЛП; гидростатическое воздействие воды, обеспечивающей плавучесть и оказывающей гашение скорости ледового поля ЕГВ; температуру воздуха Т оС, под воздействием которой охлаждается вода,
образуется ледяной покров той или иной толщины Нл и набирает определенную прочность ол лед.
Выход системы - те элементы морского ледостойкого основания или их части, которые передают выходные воздействия системы в окружающую среду. Выходными воздействиями системы на среду в рассматриваемом случае будут обломки ледовых полей на поверхности моря; колебания всей конструкции МЛО; упругие волны, возникающие в воздушной и водной среде при колебаниях МЛО; изменения в распределении давления опорной плиты МЛО на грунтовое основание дна; шум, создаваемый разрушающимся льдом (рис. 1). Основными выходными параметрами процесса преобразования энергии в данном случае являются значение пикового контактного усилия на поверхности опоры МЛО - РК и период цикла разрушения льда Тц (он же - период колебания сооружения).
Известно, что каждый из системных параметров исследуемого объекта, в соответствии с принципами системного анализа, должен быть представлен в четырех измерениях: статическом, динамическом, прогнозном и контрольном. В рассматриваемой здесь системе контрольное измерение - это разработанные и утвержденные критерии результата проектирования: описание точно установленных значений (нормативных, эталонных) системных характеристик, сравнение с которыми дает оценку результату моделирования (проектирования) состояния рассматриваемой системы. Произвести контрольное измерение можно на реальном сооружении, построенном согласно проекту с учетом прогнозных (проектных) характеристик. Контрольные измерения (записи статических и динамических параметров процесса преобразования энергии движущегося ледового поля в энергию разрушения льда и колебаний ледостойкого основания), произведенные на аналогичном типе сооружения или его модели и в подобных гидрометеорологических условиях, могут использоваться для расчетов ледовой нагрузки при проектировании ледостойкого сооружения.
Большая часть таких записей производится «для измерения предельных разрушающих напряжений для морского льда в зоне контакта ледяного покрова
с поверхностью опоры сооружения» [7, с. 148]. В этом случае кривая является также и реакцией сооружения на внешнее воздействие. Основная цель осуществления записей реальных значений контактных напряжений в реальном масштабе времени - получение базы данных для корректировки методов расчета надежности морских ледостойких оснований.
В процессе функционирования системы входные воздействия подлежат преобразованию в выходные посредством процессора - средства, обеспечивающего такое преобразование.
В исследуемой проблеме обеспечения надежности устойчивого циклического процесса прорезания ледового поля опорой сооружения, используя эти феноменологические определения системы «ледовое поле - МЛО», следует определить: какой из элементов данной системы является процессором?
Такая системная характеристика, как процессор, согласно положениям общей теории систем, может иметь несколько основных составляющих: оснащение, упорядоченность, катализатор; кроме того на работу процессора оказывает влияние субъективный фактор. Будем искать ответ на поставленный вопрос в результатах феноменологического анализа процесса преобразования энергии одного из элементов системы - движущегося ледового поля - в энергию разрушения льда с помощью другого элемента системы - морского ледостойкого основания. Процессор должен и пространственно, и функционально находиться между ними.
Таким образом, оснащение процессора - совокупность основных компонентов системы: ледового поля и опор сооружения, взаимодействие которых, по назначению системы и исходя из цели ее существования, должно обеспечивать функционирование данной системы, то есть - разрушение льда. Сама конструкция МЛО, его неизменные параметры, такие как высота опор, их форма, размеры и материал, из которого они изготовлены, масса сооружения, жесткость каркаса сооружения и ряд других параметров, для конкретного сооружения остаются постоянными на весь период его службы. Но размеры ледовых полей, их скорость и толщина, прочность льда являются случайными величинами. Поэтому постоянство вида разрушения льда, форм и спектра частот коле-
баний МЛО, т.е. упорядоченность преобразования входных воздействий в выходные, будет иметь место только в пределах каждой конкретной комбинации указанных случайных величин. Но порядок разрушения льда по одному из видов (типов) разрушения - это механизм разрушения льда. Следовательно, процессором в системе «ледовое поле - МЛО» является «механизм разрушения льда» - свойство структуры льда разрушаться в строго определенном порядке в результате разрыва ее внутренних связей под действием напряжений, создаваемых в них внешним силовым воздействием. Внешними «материализованными» проявлениями механизма разрушения льда являются трещины нормального отрыва или трещины сдвига. Это можно считать основным выводом из методологического и системного анализа проблемы расчета надежности морских ледо-стойких оснований.
Упорядоченность процесса преобразования, таким образом, является основным свойством процессора. В данном случае правила и последовательность процесса преобразования энергии движущегося ледового поля в энергию разрушения льда и в энергию вынужденных колебаний сооружения полностью зависят от механизма разрушения льда на контакте кромки ледового поля и поверхности опоры. При этом разрушения ледового поля могут быть в виде потери его устойчивости и раскалывания. Но, как уже было показано ранее, значение нагрузки на ледостойкое сооружение определяется как значение этой величины, равное силе, необходимой и достаточной для разрушения ледового поля. Поэтому процессор системы «ледовое поле - МЛО» - механизм разрушения льда - играет определяющую роль в расчетах ледовой нагрузки на МЛО. Это еще один вывод из методологического и системного анализа проблемы расчета надежности морских ледостойких оснований, так как надежность сооружения и срок его службы определяются исходя из параметров ледовой нагрузки и, таким образом, также связаны и с характеристиками ледового поля, и с характеристиками морского льда.
4. Учет рисков вероятностного типа в процессе проектирования МЛО и пути их снижения
Надежность расчетов устойчивости МЛО должна гарантироваться конкретными числами - комплексными (суммарными) показателями надежности
«нереализации» максимальных рисков ^ различной природы. С учетом имеющего место феноменологического свойства системы - периодического разрушения льда на контакте с сооружением, условием обеспечения состояния ее устойчивого равновесия во времени, как показано выше, является непревышение значения энергии одного цикла разрушения льда Ецрл при движении ледового поля над значением энергии упругого отклонения сооружения ЕМЛО от статического состояния до значения расчетной амплитуды арасч , при которой сооружение не теряет устойчивость и ни один из его несущих конструктивных элементов не разрушается (формула 2).
Учитывая, что для входного элемента системы «ледовое поле» расчетными параметрами являются его кинетическая энергия, определяемая согласно физическим законам сочетанием значений вероятностных величин QЛП, Нл, УЛП, и значение также вероятностной величины - прочности льда ол являющейся функцией его структуры, солености и, в основном, температуры воздуха Т оС, при которой он сформировался, то значение силы реакции опоры сооружения, необходимой и достаточной для реализации одного цикла разрушения льда Мцрл, сформируется как вероятностное значение сочетания расчетных значений величин, входящих в формулу определения силы:
М™ = Ф (О 2, V2, НЛ%, аР% ) (3)
Для элемента системы «сооружение» величинами, значения которых в конечном итоге определят его максимально допустимое отклонение арасч , являются детерминированные параметры: глубина установки сооружения Не, его масса с надстройкой и опорной плитой - МС, размеры опорной плиты в плане SОП, форма поперечного сечения опоры Фо и размер ее поперечного сечения Во, количество опор-колонн пО. Также расчетными параметрами являются значения жесткости каждой колонны Е1О и характеристики грунта Огр, которые носят вероятностный характер. Принимая это во внимание, отклонение сооружения от статического положения под воздействием ледового поля также будет носить вероятностный характер, и в общем виде его можно записать таким образом:
а ™ = У(Мс, Ьс, Зоп, Фо, Во, По, ИоАр). (4)
С учетом равенства значения энергии одного цикла разрушения льда Ецрл и значения работы ледового поля на проектном упругом перемещении сооружения А *мло за тот же цикл, тождественность этих значений можно записать в виде:
т? —А* — \ТР% ■ —
ЕЦРЛ = АМЛО = ^ ЦРЛ а расч. =
= Ф (О , V , Н Л%, аР%) ■ у (Мс, Ьс, Боп, Фо, Во, По, Е1о,0гр). (5) Здесь следует заметить, что порядок работы процессора системы «ледовое поле - МЛО», то есть порядок разрушения льда на контакте его с опорой сооружения, как уже было показано, определяется феноменологически случайным образом сочетанием параметров, не только входящих в правую часть формулы (3), но и под влиянием таких факторов, как форма опоры и ее размер. В конечном итоге и искомая расчетная жесткость опор сооружения, их количество и расположение в плане также имеют существенное влияние на характер разрушения ледового поля и льда в массиве. Поэтому для изменения скорости, интенсивности и качества преобразований энергии движущегося ледового поля в энергию разрушения льда отдельные параметры элементов системы - катализаторы процессора - могут изменяться (при вариантном проектировании) или задаваться конкретно. Как один из катализаторов можно рассматривать форму опоры, а как другие - количество опор и размер одной опоры. Например, разрушение льда у опоры конического типа будет происходить при достижении предельной стрелки прогиба ледового поля, наползающего на поверхность опоры. При опорах с острой режущей гранью возможно раскалывание льдины. Ледовое поле из тонкого льда, движущееся под напором ветрового потока, может потерять устойчивость при изгибе, «упершись» в широкую опору сооружения. Разрушение ледового поля также может происходить в виде разрушений местного характера («смятия») на контакте его кромки с опорной конструкцией сооружения. При проектировании важно рассмотреть все возможные модели взаимодействия, а следовательно, и механизмы разрушения льда, и выбрать ту модель механизма разрушения, которая, адекватно отображая процесс разрушения льда в натуре, покажет наибольшее значение ледовой нагрузки, которую следует принять за расчетную, но при этом ее значение будет включать нормированные показатели надежности принятого решения.
Не факт, что именно эта, выбранная в качестве расчетной, модель механизма разрушения льда является наиболее приемлемой с точки зрения снижения значений нагрузки на сооружение. Следовательно, и с этой точки зрения необходимо учесть риск такой ошибки - Ямехр..
На рис. 2 предлагается схематичное изображение системы проектирования МЛО. В целях анализа ее функционирования следует рассмотреть понятие «надежность» с учетом конструктивных (строение, состав, устройство) и феноменологических особенностей каждого элемента предложенной системы проектирования (цель существования, функции, происхождение, физические и механические свойства).
Рис. 2. Система проектирования МЛО и ее подсистемы. Место процессора - механизма разрушения льда - в системе проектирования МЛО, его роль в определении ледовой нагрузки на ледостойкое сооружение и, соответственно, в расчетах надежности сооружения
Выполнение требования ледостойкости МЛО следует рассматривать как задачу обеспечения устойчивости сооружения в целом или задачу обеспечения целостности (жесткости) отдельных элементов конструкции сооружения, например одной из его опор. Обязательным условием выполнения данного требования при проектировании платформы является принятие к расчету реального риска появления критической для платформы нагрузки, вероятность реализации которого должна быть нормирована. При этом показатель надежности конструкции МЛО не может быть определен количественно и качественно в отры-
ве от реальных природно-климатических условий образования, прочностных и динамических характеристик ледового поля.
В процессе проектирования, возведения и эксплуатации сооружения на выбор расчетных параметров нагрузки для условий эксплуатации будущего МЛО; типа конструкции сооружения; всех ее конструктивных элементов и т.д., безусловно, возможно влияние субъективного фактора (например, мнение генерального конструктора), определяемого уровнем квалификации и опытом специалиста. Здесь всегда будет иметь место субъективный риск - Ясуб.к, который также следует учесть при определении надежности проекта.
Учитывая изложенное в данной статье, можно констатировать, что результат расчета срока службы ледостойкого сооружения с определенной вероятностью обеспечения его надежности будет обусловлен, в основном, адекватностью математического описания процесса разрушения льда на его контакте с опорой сооружения, так же как и адекватностью применяемых средств и методов определения прочностных параметров льда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анисимов О.С. Методология: функция, сущность, становление (динамика и связь времен). М. : ЛМА, 1996. 380 с.
2. Анохин П.К. Теория функциональной системы // Успехи физиологических наук. 1970. Т. 1. № 1. С. 19-54.
3. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере : учебное пособие. М. : Академия, 2003. 512 с.
4. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. СПб. : СПбГПУ, 2003. 428 с.
5. Гудместад О.Т., Лосет С. Об учете оценки риска при проектировании и эксплуатации судов и шельфовых сооружений в ледовых условиях [Электронный ресурс]. URL: http://flot.com/editions/nh/6-3.htm (дата обращения: 21.03.2011).
6. Карташев В.А. Система систем. Очерки общей теории и методологии. М. : Прогресс-Академия, 1995. 325 с.
7. Кореньков В.А. Натурные измерения динамического давления льда на бычок низконапорной плотины // Труды координационных совещаний по гидротехнике. Вып. 111. Л. : Энергия, 1976. С. 148-152.
8. Спицнадель В.Н. Основы системного анализа : учебное пособие. СПб. : Бизнес-пресса, 2000. 326 с.
9. Тихомирова В.А. Становление концепции системного подхода в научных исследованиях [Электронный ресурс]. URL: http://www.npo-rit.ru/rfa-systems-approach.html (дата обращения: 21.03.2011).
10. Храпатый Н.Г., Цуприк В.Г. Полунатурные исследования динамического воздействия льда на опоры гидротехнических сооружений // Ледотермические явления и их учет при возведении и эксплуатации гидроузлов и гидротехнических сооружений : материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Л. : Энергия, 1979. С. 101-104.
11. Цуприк В.Г. Модель динамического взаимодействия льдины с отдельной опорой // Гидротехнические сооружения : сборник статей. Владивосток : ДВГУ, 1978. С. 82-89.
12. Цуприк В.Г. Об учете характера контактных разрушений льда при нормировании нагрузки на вертикальные опоры шельфовых сооружений // Борьба с ледовыми затруднениями на реках и водохранилищах при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений : материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Л. : Энерго-атомиздат, 1984. С. 176-180.
13. Цуприк В.Г. Модель разрушения морского льда при динамическом сжатии // Гидротехнические сооружения : сборник статей. Владивосток : ДВГУ, 1986. С. 76-84.
14. Цуприк В.Г. Об учете влияния диаметра опор и толщины льда при определении ледовой нагрузки на гидротехнические сооружения шельфа // Исследования морских гидротехнических сооружений для освоения шельфа. Л. : ЛПИ, 1980. С. 84-94.
15. Цуприк В.Г. К определению нагрузок на цилиндрические опоры гидротехнических сооружений шельфа при динамическом воздействии ледяных полей // Исследования морских гидротехнических сооружений для освоения шельфа. Л. : ЛПИ, 1980. С. 104-111.
16. Assur A. Ice forces of vertical indentation structures // Proc. IAHR Ice Symp. Leningrad, 1972. Р.119-127.
17. Blenkarn K.A. Measurement and analysis of ice forces on Cook inlet structures // Proc. Annu offshore Tecnol. Conf. Houston, 1970. Р. 365-378.
18. Croasdale K.P. Ice forces on marine structures // Proc. IAHR Ice Symp. Hanover, 1975. Р. 315-337.
19. Hyrayama K., Schwarz J., Wu H.C. Ice forces on vertical piles // Proc. IAHR Ice Symp. Hanover, 1975. Р. 429-441.
20. Maattanen M. Laboratory tests for dynamic ice structure interaction // Proc. POAC-79. Trondheim, 1979. Р. 1139-1153.
21. Nevel D.E., Perham R.E., Hogue G.B. Ice forces on vertical piles // CRREL report 7710. Hanover : U.S. Cjrps of Engineers, 1977. 10 p.
22. Peyton HR. Sea ice strength // Rept. NNR 307-247. Fairbanks : Geophys Inst. Univ. Alaska, 1966. 273 p.
23. Schwarz J. The of floadig ice-fields on piles // Proc. IAHR Ice Symp. Hanover, 1975. P. 373-386.
24. Tsuprik V.G. Consideration of the Method of Contact Ice Failure in Determining Ice Forces Acting on Offshore Structures // Proc. of the second Int. Offshore and Polar Eng. Conf. San-Francisco, 1992. P. 790-793.
