CC BY-NC
109
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-24-40 УДК 624.042.43.001.57
А.А. Добродеев, К.Е. Сазонов
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЛЕДОВОЙ НАГРУЗКИ НА МОРСКИЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Объект и цель научной работы. Объектом исследования являются модельные испытания в ледовых бассейнах по определению ледовой нагрузки на морские инженерные сооружения. Цель состоит в выявлении особенностей и проблем такого рода испытаний.
Материалы и методы исследования. Материалом для проведения исследований являются методики, технологии и результаты модельных экспериментов в ледовых бассейнах мира по изучению ледовой нагрузки на морские инженерные сооружения. Метод исследования заключается в сравнительном анализе полученных результатов с целью выявления проблемных вопросов.
Основные результаты. Рассмотрены особенности проведения модельного эксперимента в ледовых бассейнах по изучению воздействия льда на морские инженерные сооружения. Сформулирован ряд проблемных вопросов, которые необходимо решить для повышения качества эксперимента, предложены возможные пути решения этих вопросов. Выполнен обзор наиболее интересных экспериментов в ледовых бассейнах по изучению воздействия льда на стационарные и заякоренные морские платформы.
Заключение. В ближайшем будущем удельный вес работ, направленных на изучение фундаментальных аспектов взаимодействия льда с инженерными сооружениями, должен возрастать, т.к. только такие исследования могут обеспечить разработку адекватных математических моделей сложных процессов взаимодействия со льдом. Прогресс в техническом освоении Арктики возможен лишь при равноправном и взаимодополняющем использовании возможностей всех подходов к выполнению исследований: модельного, натурного и численного.
Ключевые слова: модельный эксперимент, ледовый бассейн, глобальная ледовая нагрузка, ледостойкие морские инженерные сооружения, стационарное сооружение, заякоренное сооружение. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-24-40 UDC 624.042.43.001.57
A. Dobrodeev, K. Sazonov
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
MODEL TESTS TO DETERMINE ICE LOADS ON MARINE ENGINEERING STRUCTURES
Object and purpose of research. This paper discusses ice model tests intended to determine ice load on marine engineering structures. The purpose of the study is to identify peculiarities and challenges of these tests. Materials and methods. The study is based on procedures, techniques and results of model tests performed by various ice basins around the world to study ice load on marine engineering structures. This paper compares the results obtained by different ice basins to identify difficult matters.
Main results. This paper discusses the specifics of model tests performed in ice basins to study ice effect upon marine engineering structures. It formulates a number of challenges that have to be solved to improve the quality of experiment, as well as suggests possible ways to do so. It also gives a review of the most interesting model tests dealing with determination of ice loads on fixed and moored marine platforms.
Для цитирования: Добродеев А.А., Сазонов К.Е. Модельный эксперимент по определению ледовой нагрузки на морские инженерные сооружения. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 2(388): 24-40. For citations: Dobrodeev A., Sazonov K. Model tests to determine ice loads on marine engineering structures. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 2(388): 24-40 (in Russian).
Conclusion. In the nearest future, fundamental studies on ice interaction with engineering structures should become much more important because this is the only way to ensure development of adequate mathematical models for the complex process of structure-ice interaction. The progress in Arctic developments will only become possible if all the approaches to these studies (model tests, full-scale trials and numerical simulations) are used to the full and in a synergistic and complementary manner.
Keywords: model test, ice basin, global ice load, ice-resistant marine structures, fixed structure, moored structure. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Изучение взаимодействия морских инженерных сооружений, в первую очередь разведочных и добычных ледостойких платформ, с различными ледовыми образованиями в настоящее время представляет собой одно из магистральных направлений в развитии морской ледотехники [34]. Эта проблема является относительно новой по сравнению с изучением ледовых качеств судов, ее возникновение и развитие связано с всевозрастающим в мире интересом к добыче углеводородов на шельфе замерзающих морей. Он появился в последней четверти ХХ века и не снижается до сих пор.
Проблема взаимодействия инженерных сооружений со льдом имеет целый ряд аспектов [49]. Так, определение глобальной ледовой нагрузки необходимо для обеспечения устойчивости сооружения на грунте [26, 61]. Знание локальной ледовой нагрузки требуется для расчетов локальной прочности сооружений [26, 61]. Прогноз размеров ледяных образований, включающих навалы льда на пологие сооружения [24, 26], важен при выборе конструктивных особенностей сооружения, а также при оценке снабжения установки в процессе ее эксплуатации и разработке планов и средств эвакуации при возникновении чрезвычайных ситуаций. Обобщение и классификацию получаемых данных существенно затрудняет большое разнообразие конструкций ледостойких сооружений. В дальнейшем мы будем пользоваться самым простым разделением ледостойких инженерных сооружений на стационарные и оснащенные якорной системой удержания.
В данной работе основное внимание уделяется вопросу об определении глобальной ледовой нагрузки как одному из самых важных при проектировании ледостойких сооружений. Особую важность ему придает то обстоятельство, что глобальную ледовую нагрузку принципиально невозможно измерить в натурных условиях. Все используемые методы натурных измерений базируются на применении различных локальных измерительных устройств, которые могут измерить локальную ледовую нагрузку лишь в пределах площади своей
измерительной поверхности. Дальнейшее обобщение этих результатов для определения глобальной ледовой нагрузки является некорректной задачей. Ее решение может быть получено только в случае привлечения достаточно сильных, часто необоснованных допущений. В работе [61] приведен список платформ, на которых осуществлялись натурные измерения ледовой нагрузки. Принципиальная возможность восстановления глобальной ледовой нагрузки в натурных условиях имеется только для подвижных платформ с якорной системой удержания при условии измерения натяжения в якорных цепях, а также ряда других измерений [54]. Еще одной возможностью является проведение измерений с помощью натурного ледокола, носовая оконечность которого близка к конической форме [35].
Ранее авторами была опубликована работа [14], где указывалось, что в настоящее время существуют различные подходы к определению глобальной ледовой нагрузки: нормативный [27, 29], расчетный [30, 45], проведение модельного эксперимента в ледовом бассейне [32], вероятностное моделирование [5]. В ней же рассматривались достоинства и недостатки каждого подхода. Настоящая работа посвящена более детальному анализу модельных экспериментов, проводимых в ледовых бассейнах с целью определения глобальной ледовой нагрузки.
Общие особенности проведения модельных исследований по определению глобальной ледовой нагрузки
Specifics of model tests to determine global ice load: general description
Испытания моделей морских инженерных сооружений в бассейнах имеют ряд существенных отличий от экспериментов с моделями ледоколов и судов ледового плавания. Наиболее часто эти отличия связаны с:
■ масштабом модели;
■ скоростью буксировки;
■ использованием обращенного движения;
■ наличием имитатора дна водоема либо имитатора якорной системы удержания.
Рис. 1. Фальшдно ледового бассейна Крыловского центра
Fig. 1. Fake bottom of Krylov State Research Centre Ice Basin
Для моделей ледоколов и судов ледового плавания наиболее предпочтительным является использование масштаба в диапазоне от 1:20 до 1:40. Для большинства моделей инженерных сооружений эти масштабы не подходят из-за их большой протяженности. При испытаниях моделей морских инженерных сооружений часто приходится иметь дело с величинами масштабного коэффициента вплоть до 1:100 и более. Это затрудняет моделирование ледяного покрова, особенно в тех случаях, когда его толщина не очень велика.
В отличие от моделей ледоколов и судов скорость буксировки модели инженерного сооружения определяется скоростью дрейфа льда в месте установки платформы. В естественных условиях эта скорость составляет 0,1-0,2 м/с, а в качестве максимального значения часто принимают скорость дрейфа 1 м/с и более [37]. При моделировании в ледовом бассейне с использованием критерия Фруда в эксперименте скорость движения должна быть уменьшена в раз, где X - масштаб модели. Учитывая сказанное выше о характерных масштабах моделей, в эксперименте необходимо реализо-вывать достаточно малые скорости их движения.
Практически всегда испытания моделей ледо-стойких морских сооружений проводятся по схеме обращенного движения. При этом, в отличие от натурных условий, модель буксируется через неподвижное ледяное поле. Иногда испытания выполняются и по схеме прямого движения. Использование этой схемы предполагает закрепление модели в некоторой точке ледового бассейна и надвигание на нее с заданной скоростью ледяного поля с помощью буксировочной тележки. Основными недо-
статками прямой схемы являются большая длительность подготовки эксперимента и повышенная вероятность разрушения надвигаемого ледяного покрова при образовании магистральных трещин. Специальные эксперименты, проведенные в ледовом бассейне Крыловского государственного научного центра (КГНЦ), показали эквивалентность результатов измерения глобальной ледовой нагрузки при использовании обеих схем движения [17].
Подавляющее большинство морских инженерных сооружений устанавливается на относительно мелководных участках шельфа. Это обстоятельство необходимо учитывать при экспериментальных исследованиях. Поэтому практически все испытания моделей морских сооружений проводятся с использованием имитатора дна водоема. В новом ледовом бассейне КГНЦ фальшдно выполнено в виде двигающейся по специальным направляющим подводной тележки, на которой установлена прозрачная пластина (рис. 1). Фальшдно передвигается синхронно с буксировочной тележкой благодаря специальному сцепному устройству. Оно снабжено подъемным механизмом, позволяющим устанавливать с точностью до 1 мм любую глубину акватории при проведении испытаний.
С точки зрения ледового модельного эксперимента, испытания по определению глобальной ледовой нагрузки представляют собой обычные буксировочные испытания. Однако, в отличие от аналогичных испытаний моделей ледоколов и судов [52], в ходе этих испытаний должны измеряться 6 величин: 3 компоненты главного вектора внешней нагрузки и 3 компоненты момента. Еще одним отличием от буксировок моделей ледоколов и судов является рассмотрение при анализе результатов экспериментов временных зависимостей измеренных величин, а не их средних значений.
При изучении глобальной ледовой нагрузки эксперименты в ледовом бассейне наиболее часто проводятся в сплошных ровных полях и торосистых образованиях. Такие типичные ледовые условия испытаний моделей ледоколов и судов, как битый лед или набитый тертым льдом канал, в данном случае не используются.
Общие проблемные вопросы модельных испытаний по определению глобальной ледовой нагрузки
Typical challenges in model tests to determine global ice load
Исследования с моделями ледостойких сооружений в ледовых бассейнах проводятся начиная
с конца прошлого века [62]. Тем не менее эти испытания до сих пор относятся к нестандартным. Так, Ледовый комитет Международной конференции опытовых бассейнов (МКОБ) даже не предпринимал попыток разработать рекомендации по проведению таких испытаний, несмотря на то, что, по утверждениям членов этого комитета, в загрузке ледовых бассейнов мира до 50 % составляют работы по изучению воздействия льда на различные морские инженерные сооружения. Такое положение дел можно объяснить наличием ряда до сих пор не решенных проблем, которые препятствуют разработке общих рекомендаций.
Данные о характеристиках льда
Для выполнения исследований необходимо иметь информацию о физико-механических свойствах льда в районе предполагаемой установки морского инженерного сооружения с целью воспроизводства их в экспериментах. Этот вопрос является важным, но, к сожалению, не до конца выясненным.
В соответствии с требованиями руководящих документов в месте предполагаемого расположения сооружения необходимо выполнить пятилетний цикл наблюдений за окружающей средой, который обязательно включает в себя изучение ледяного покрова [37]. Как правило, в арктических морях ледяной покров изучают в весенний (март - май) период, когда он наиболее развит. Исследуют прочностные свойства льда, а также измеряют морфометрические характеристики различных ледяных образований, в первую очередь торосов. Совместная обработка данных нескольких экспедиций дает возможность приблизительно оценить средние и максимальные показатели физических свойств льда и ледяных образований, что и является основой для формирования данных об окружающей среде для технического задания на проведение модельных экспериментов. Именно на этой стадии возникает ряд затруднений, которые могут создавать трудности в проведении и интерпретации результатов модельных испытаний.
В качестве примера приведем натурные определения прочности льда на изгиб. В настоящее время, по крайней мере в российской практике, применяется три прямых и один косвенный метод определения этой величины в натурных условиях [31]. Результаты прямых измерений, выполненные на консольных балках, малых балках при трехточечном изгибе и при разрушении дисков, существенно отличаются друг от друга из-за
наличия масштабного эффекта. В работе [22] показано, что предел прочности льда на изгиб, полученный по консольным балкам, составляет примерно 20 % от предела прочности, полученного по дискам. Аналогичная ситуация складывается и с другими прочностными свойствами льда. Заказчик, не разбирающийся в тонкостях определения прочностных свойств льда в натурных условиях, может указывать в техническом задании на проведение эксперимента нереальные величины.
Еще хуже обстоит ситуация с определением геометрических и прочностных характеристик торосистых образований. Как известно, в строении тороса выделяют три характерные части: парус, консолидированный слой и киль [4, 7, 10, 26 и др.]. При определении глобальной ледовой нагрузки обычно пренебрегают влиянием паруса [10], рассматривая воздействие на сооружение консолидированного слоя и киля тороса. При определении киля тороса возникают те же вопросы, что и при определении прочностных свойств ровного льда, тем более что обычно прочностные свойства консолидированного слоя определяют по малым балкам или дискам, т.к. очень часто провести разрушение консольной балки не представляется возможным. Наибольшие трудности связаны с определением механических свойств киля тороса, который традиционно описывается математической моделью сыпучей среды [2, 10]. Эта среда характеризуется двумя константами: углом внутреннего трения и коэффициентом сцепления. Величины этих коэффициентов можно найти только в результате проведения крупномасштабных натурных испытаний торосистых образований, к которым относятся испытания на продавливание и на прямой сдвиг. К настоящему времени выполнено лишь небольшое количество подобных экспериментов [50, 65], результаты которых, по нашему мнению, не позволяют делать обобщения о любых торосистых образованиях. Этот вывод основывается как на небольшом объеме имеющихся экспериментальных данных, так и на неоднозначности их трактовки [6].
Также неоднозначны данные о пустотелости торосистых образований. При морфометрических исследованиях киля торосистых образований получают надежные данные о линейной пустотелости, от которой невозможно перейти к объемной. В работе [4] приводятся результаты специально поставленного модельного эксперимента, целью которого было найти связь между этими величинами. Раз-
брос полученных в ходе эксперимента данных очень велик, что не позволяет их использовать. Возможная причина неудачи эксперимента описана в работе [33].
Несмотря на указанные выше трудности, практически в любом техническом задании на эксперимент присутствуют данные об угле внутреннего трения тороса, его коэффициенте сцепления, а также пустотелости. Можно сделать вывод о том, что эти данные ничем не обоснованы и не отражают реальную ситуацию. Возможным выходом из сложившегося положения представляется принятие для проведения испытаний в ледовых бассейнах некоторого эталонного тороса с однозначно определенными свойствами. Это позволило бы сравнивать результаты испытаний в различных бассейнах мира. Решение об использовании эталонного тороса могло бы быть принято, например, Ледовым комитетом МКОБ.
До недавнего времени получение данных о скорости дрейфа льда для нужд определения ледовой нагрузки на инженерные сооружения представляло достаточно новую задачу для исследователей морского льда. Это было связано с тем, что традиционно в полярной океанологии для определения дрейфа льда использовались суточные, декадные и месячные периоды осреднения данных наблюдений [12], которые не дают информации, нужной для определения глобальной ледовой нагрузки. Сейчас с этой целью применяется технология радиобуев, позволяющая определять практически мгновенные значения скорости дрейфа того или иного ледяного образования [8], что обеспечивает модельный эксперимент необходимыми данными.
Методика модельных испытаний
Методика проведения модельных испытаний, применяемая в ледовых бассейнах, также содержит нерешенные проблемы.
Первая проблема состоит в неопределенности дистанции буксировки модели в сплошных льдах при постоянной скорости. В рекомендациях МКОБ [52] относительно испытаний моделей ледоколов и судов даются четкие указания о том, что до начала регистрации экспериментальных данных модель должна пройти не менее 1-2 длин корпуса. После этого взаимодействие модели с ледяным покровом считается установившимся, и примерно на той же дистанции производится измерение силы сопротивления. При испытании же моделей инженерных сооружений регистра-
цию измеряемых параметров обычно начинают с момента первого контакта модели со льдом или за несколько секунд до него. Это делается для того, чтобы иметь информацию об изменениях силового воздействия льда на модель в процессе формирования ледяных нагромождений около нее. Проблема заключается в правильном определении момента окончания эксперимента. При испытаниях моделей платформ, особенно при наличии влияния дна водоема, практически невозможно установить момент выхода процесса на стационарный режим. При этом выполнять с моделью достаточно большие пробеги на постоянной скорости невозможно из-за ограниченности размеров ледового бассейна и высокой стоимости экспериментов. В настоящее время каждый экспериментатор останавливает эксперимент, руководствуясь личным опытом и интуицией. По нашему мнению, возможным решением этой проблемы может стать исследование вероятностных и статистических характеристик регистрируемого сигнала для установления критериев перехода процесса в стационарную фазу. Работы в данном направлении уже ведутся [46, 68, 69].
Вторая проблема заключается в интерпретации данных модельных испытаний морских инженерных сооружений. Очевидно, что выбор средних значений полученных нагрузок, как это делается при анализе ледовой ходкости судов, и выбор в качестве результата испытаний максимальных значений измеренных величин не может быть признан правомерным. Запись, полученная с помощью динамометров, является лишь отдельной реализацией случайного процесса взаимодействия модели с ледяным покровом. Поэтому полученные в эксперименте максимальные значения могут представлять собой случайные выбросы. Ситуация усложняется тем, что в распоряжении экспериментатора имеется относительно небольшая по объему выборка. Представляется, что в этой ситуации необходимо в качестве результата использовать некоторое среднемаксимальное значение измеренной величины, т.е. среднее, вычисленное по полученным в эксперименте локальным максимумам. При использовании такого подхода нужно определить, от какого уровня ледовой нагрузки отсчитываются максимальные значения. Кроме этого, использование среднемак-симальных значений подразумевает обязательное применение «коэффициентов запаса» при назначении расчетной глобальной ледовой нагрузки в ходе проектирования.
Краткий обзор современных исследований взаимодействия стационарных инженерных сооружений со льдом
Brief review of recent studies
on ice interaction of fixed engineering
structures
В последнее время при проведении модельных испытаний стационарных ледостойких сооружений в ледовых бассейнах помимо определения глобальной ледовой нагрузки на них перед экспериментаторами встают и другие вопросы. Наиболее частый - это сравнительный анализ нескольких конкурирующих вариантов платформ для обустройства того или иного морского месторождения. Типичным примером подобного исследования является работа, выполненная в ледовом бассейне КГНЦ [13] по заказу казахских специалистов: сравнение нескольких платформ, совершенно различных по своей конструкции. Результаты работы убедительно показывают, что только анализ уровня глобальной ледовой нагрузки не дает возможности однозначно судить о преимуществах той или иной конструкции. Данные, полученные в модельном эксперименте, должны рассматриваться во всей совокупности, включая анализ размеров нагромождений, которые могут оказывать большое влияние на эксплуатационные характеристики платформ.
Другим важным направлением являются исследования по оценке влияния ледового менеджмента на величину глобальной ледовой нагрузки на морские инженерные сооружения, процессы образования рядом с ними ледяных нагромождений и возможность отгрузки добытых углеводородов. В ледовом бассейне КГНЦ подобные исследования проводились как с целью эффективного использования ледоколов для управления ледовой обстановкой [21], так и для решения практических задач.
Практическая необходимость исследования влияния ледового менеджмента на процессы формирования ледяных нагромождений перед морскими стационарными платформами кессонного типа возникла в связи с эксплуатацией платформы «Приразломная» в Печорском море. У борта платформы периодически происходит формирование ледяного нагромождения (рис. 2), которое ограничивает возможность выполнения технологических операций по отгрузке добытой продукции и снабжению платформы. Для изучения этого явления и разработки эффективных методов борьбы с ним специалистами КГНЦ были проведены обширные
i Л
Рис. 2. Ледяное нагромождение у борта платформы «Приразломная»
Fig. 2. Ice buildup near the side of Prirazlomnaya platform
исследования, включающие как модельные испытания в ледовом бассейне, так и натурные наблюдения [18, 40]. В ходе этих работ в ледовом бассейне исследовалось влияние различных маневров ледоколов перед платформой на процесс формирования ледяных нагромождений, кроме этого, изучался сам процесс. Результаты исследований позволили разработать довольно простую и эффективную методику борьбы с такого рода ледяными образованиями, которая успешно прошла проверку в натурных условиях [15].
Проблема формирования ледяных нагромождений перед ледостойкими платформами активно изучается и в других ледовых бассейнах мира. Наибольший интерес представляет цикл экспериментальных работ, выполненных в ледовом бассейне HSVA в Гамбурге по исследовательской программе RITAS (Rubble Ice Transport on Arctic Offshore Structures) [57, 59, 63, 64]. При этих исследованиях было признано, что формирование ледяных образований оказывает существенное влияние на уровень глобальной ледовой нагрузки, действующей на сооружение. В большой экспериментальной программе было выполнено 5 серий тестов, которые отличались друг от друга толщиной используемого льда, скоростью движения льда и его физико-механическими характеристиками. В каждой серии экспериментов варьировался угол между фронтальным положением взаимодействующей со льдом рабочей панели модели и направлением дрейфа льда. Измерение ледовой нагрузки осуществлялось сенсорными панелями, которыми была
оборудована модель. В ходе выполнения программы были получены важные выводы о влиянии различных параметров на величину ледовой нагрузки и характер формирования нагромождения. Наибольшее влияние на ледовую нагрузку оказывало уменьшение плотности льда.
Дальнейшие исследования механизма образования ледяного нагромождения выполнялись с помощью специального устройства, имитирующего двухмерный процесс. Созданный бокс имел прозрачные боковые стенки, что позволило авторам визуализировать весь процесс образования нагромождения. Благодаря детальному изучению физических процессов удалось выявить ряд особенностей, которые не учитываются в нормативных документах, например в ИСО 19906 [51]. К ним относятся наличие фазы разрушения обломков льда при их повороте на вертикальном участке конструкции и наличие непрерывного вращения обломков. Было также установлено, что уменьшение плотности льда (повышенная сила плавучести обломков) приводит к снижению пористости ледяного образования.
В завершение рассмотрения современного состояния модельных исследований взаимодействия стационарных морских сооружений со льдом необходимо указать на ряд проблем, требующих дальнейшего изучения. Одна из них связана со всевозрастающими размерами инженерных сооружений, которые необходимо испытывать в ледовых бассейнах. К таким сооружениям все чаще относятся различные объекты портовой инфраструктуры, имеющие протяженность порядка километра и более. Совершенно очевидно, что полномасштабное моделирование таких объектов в ледовых бассейнах невозможно. Одним из возможных подходов к решению данной проблемы является использование аффинного моделирования, при котором вводятся различные геометрические масштабы в различных направлениях [25, 38]. Такой метод моделирования с успехом применяется во многих задачах гидротехники [33]. Если удастся разработать теорию аффинного моделирования применительно к испытаниям в ледовом бассейне, то это откроет возможность проведения корректных исследований с протяженными объектами.
Другая проблема также связана с теорией моделирования. Натурные наблюдения и наблюдения в ледовых бассейнах показывают, что при исследовании моделей инженерных сооружений с вертикальной стенкой процесс разрушения льда заключается в основном в его дроблении. Причем в модельных испытаниях процесс дробления часто со-
провождается изгибными деформациями и изгиб-ным разрушением льда, в натурных же условиях проявление изгибных процессов минимально [66]. По мнению автора указанной работы, возникновение отличий между характером разрушения льда в модельных условиях и на натуре заключается в различии прочностных свойств льда на дробление. Хорошо известно, что в ледовых бассейнах обычно моделируется лишь прочность льда на изгиб. Прочность же на сдвиг и дробление может быть только зафиксирована. У экспериментатора пока нет средств для эффективного воздействия на указанные физические свойства льда. Поэтому в рассматриваемой работе автор, следуя мнению, изложенному в [61], в соответствии с которым лучше всего моделируется разрушение льда в натурных условиях, попробовал максимально полно воссоздать натурные условия в ледовом бассейне. В работе подробно описываются методы создания «новой» модели льда в ледовом бассейне HSVA, где были проведены испытания цилиндрических опор. При испытаниях наблюдалась более реалистическая картина разрушения льда. Тем не менее вопрос о возможности использования описанного подхода для прогнозирования глобальной ледовой нагрузки на такие опоры остается открытым.
Краткий обзор современных исследований заякоренных инженерных сооружений со льдом
Brief review of recent studies on ice interaction of moored engineering structures
Еще в конце ХХ века в ледовых бассейнах были выполнены первые исследования по определению воздействия льда на заякоренные инженерные сооружения [62]. Однако модельные испытания таких объектов тогда не получили распространения. Возобновление интереса к определению ледовой нагрузки и анализу поведения платформ с якорной системой удержания во льдах произошло в связи с планами освоения Штокмановского газоконден-сатного месторождения (ШГКМ) в Баренцевом море. В обеспечение этого проекта в ледовом бассейне КГНЦ выполнен большой объем экспериментальных исследований, который делится на два больших этапа: исследование различных типов заякоренных платформ и изучение платформы судового типа, снабженной турельным устройством.
На первом этапе исследований, до выявления существования айсберговой опасности в районе
расположения ШГКМ, основным типом рассматриваемых ледостойких платформ были SPAR и BUOY. Именно с ними были проведены модельные испытания [19, 43], разделенные на две части. Сначала испытания выполнялись в режиме «обращенного движения» с моделями платформ без якорной системы удержания. В результате были изучены основные закономерности взаимодействия исследуемых вариантов платформ с ледяными образованиями, получены оценки глобальных ледовых нагрузок, действующих на них, а также выполнена оценка размеров и глубин подводных скоплений обломков льда перед платформами.
Затем был реализован режим «прямого движения», когда модели посредством смоделированной якорной системы удержания крепились к неподвижной жесткой раме, установленной на дне чаши ледового бассейна, а лед надвигался на них с помощью буксировочной тележки. Нужно отметить, что опыты в режиме «прямого движения» требуют очень больших временных затрат на подготовку, связанных с монтажом и наладкой системы удержания. Необходимость выполнения экспериментов в этом режиме определялась, в первую очередь, большими вертикальными размерами модели платформы типа SPAR. Для ее размещения было использовано специальное углубление, расположенное в конце ледового бассейна. В дальнейшем во всех ледовых бассейнах мира испытания моделей с меньшей осадкой проходили в режиме «обращенного движения». При этом имитирующее якорную систему удержания устройство устанавливалось на специальную подводную подвижную платформу, которая буксируется основной тележкой (рис. 1).
Отдельную трудность в выполнении экспериментов с моделями, оснащенными якорной системой удержания, представляет разработка имитирующей ее модели. В подавляющем большинстве случаев непосредственное моделирование якорных цепей невозможно, т.к. размеры любого ледового бассейна не позволяют соблюсти геометрическое подобие. Обычный подход заключается в выполнении расчетов якорной системы удержания [20, 23] для определения характеристик системы в горизонтальной плоскости. После этого с использованием различных средств (пружины, грузы) подбирается эквивалентная система для модели, максимально приближенная к заданной зависимости «горизонтальное смещение - горизонтальное усилие» [16]. Как правило, вертикальные усилия от якорной системы не моделируются.
Эксперименты в режиме «прямого» движения позволили получить уникальную информацию о процессах взаимодействия со льдом платформ на упругих связях, измерить значения усилий, возникающих в связях, и кинематические параметры движения платформы как твердого тела. Данные измерений усилий в системе удержания в совокупности с информацией о кинематике движения дали возможность с помощью разработанной математической модели восстановить временные зависимо -сти глобальной ледовой нагрузки, действующей на модели [54]. Сопоставление результатов испытаний моделей при их жестком закреплении под буксировочной тележкой с данными, полученными на заякоренных моделях, показали, что динамические эффекты играют важную роль при взаимодействии платформ с ледяными образованиями. Пространственное движение платформы вносит изменения как в картину взаимодействия, так и в количественные оценки уровней глобальных ледовых нагрузок по сравнению с жестко закрепленными моделями. Этот важный вывод способствовал развитию математических моделей, учитывающих динамические эффекты [39, 41].
В дальнейшем концепция обустройства ШГКМ поменялась, основной была признана платформа судового типа с турелью, обладающая большей степенью защиты от айсберговой опасности. Тем не менее исследования заякоренных платформ в различных ледовых бассейнах мира продолжались [44, 58], так же как и попытки создания математических моделей взаимодействия рассматриваемых платформ со льдом [53]. Продолжались такие исследования и в КГНЦ [1], где был разработан концептуальный проект морской плавучей платформы для нефтяных месторождений применительно к условиям Российской Арктики. В ходе разработки этого проекта использовались данные модельных испытаний в ледовом бассейне.
Модельные испытания платформы с судовыми обводами, по-видимому, впервые были выполнены в КГНЦ. На чистой воде такие технические объекты используются достаточно часто [9] благодаря их способности самопроизвольно разворачиваться носом на направление действия главного вектора внешних сил, за счет чего снижается общая глобальная нагрузка на систему удержания. Однако возможность использовать эти платформы в ледовых условиях для многих специалистов была неочевидной. Поэтому первые опыты были направлены на доказательство выполнимости пассивного позиционирования (самопроизвольного разворота
платформы под действием ледовых сил) платформы с турелью в ледовых условиях. После этого прошел большой цикл работ по исследованию пассивного позиционирования турельной платформы в различных ледовых условиях, включая исследование влияния на разворот технологий управле-
ния ледовой обстановкой [3]. Испытания проводились как с моделями, у которых была жестко закреплена вертикальная ось поворота, так и со свободно плавающими моделями. На рис. 3 представлены последовательные стадии пассивного разворота модели на 170°.
Рис. 3. Последовательные стадии пассивного разворота модели на 170° Fig. 3. Consecutive stages of passive model turning by 170°
Анализ полученных экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы. Наибольшие глобальные нагрузки возникают при пассивном развороте судна на 170°, причем максимальный уровень достигается при величине курсового угла, примерно равном 90° (рис. 4). При этом наблюдаются и наибольшие углы крена. При повороте на 90° максимальная нагрузка возникает в начале поворота, но оказывается ниже, чем при повороте на 170°.
Более высокий уровень глобальной ледовой нагрузки наблюдался на моделях, которые имели 6 степеней свободы за счет установки на них имитации якорной системы удержания. Возрастание ледовой нагрузки обуславливалось наличием угла крена, из-за которого изменялся угол наклона борта в районе его взаимодействия со льдом, что приводило к возрастанию ледовой нагрузки.
Модельные эксперименты также показали, что за счет использования судовой формы обводов на турельной платформе удается существенно снизить глобальные ледовые нагрузки от взаимодействия с торосистым образованием. Нагрузки от торосов на платформу с турелью оказались по-прежнему наибольшими по величине, однако ниже, чем у других конструктивных типов платформ [36].
Аналогичные исследования проводились несколько позже и в других ледовых бассейнах мира. В проекте обустройства ШГКМ приняли участие ледовый бассейн в Гамбурге [48] и финский ледовый бассейн Aker Arctic [11]. В дальнейшем эти работы были продолжены в связи с проектом европейского бурового судна [47].
В ледовом бассейне КГНЦ также продолжаются работы по изучению взаимодействия заякоренных платформ с ледовыми образованиями. Одной из них является исследование поведения во льдах заякоренной разведочной платформы, разработанной ЦКБ «Коралл» [56].
Большой объем экспериментальных исследований поведения заякоренных объектов в ледовых условиях позволил приступить к разработке теоретических и расчетных методов определения ледовой нагрузки, действующей на такие сооружения [28, 39, 42, 60].
Заключение
Conclusion
Приведенный в работе анализ современных тенденций в развитии модельного эксперимента в области изучения взаимодействия шельфовых инже-
Ледовая нагрузка, Н
200 150
100
50
7
А
г
ТА
4N
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Угол поворота модели при пассивном позиционировании
Угол крена, град. 20
15 10 5
л, л
/ V п
/ ч / 1 \
\
/
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Угол поворота модели при пассивном позиционировании
Рис. 4. Зависимость ледовой нагрузки и угла крена от угла поворота модели при пассивном позиционировании. Третья фаза испытаний
Fig. 4. Ice load and heel angle versus model turning angle during passive positioning. Stage 3 of the tests
нерных сооружении со льдом позволяет сделать ряд выводов.
По-видимому, модельный эксперимент в ледовых опытовых бассейнах по исследованию воздействия льда на морские инженерные сооружения еще долго будет оставаться практически единственным источником получения информации о физике и механике протекающих при этом процессов. Наблюдение за такими процессами в натурных условиях, как правило, трудновыполнимо и не может носить систематического характера. Специально же поставленные эксперименты, в принципе, позволяют выявить особенности процессов, которые невозможно предсказать теоретически или наблюдать в натурных условиях. Из этого следует, что в ближайшем будущем удельный вес работ, направленных на изучение фундаментальных аспектов взаимодействия льда с инженерными сооружениями, должен возрастать, т.к. только такие исследования могут обеспечить разработку адекватных математических моделей сложных процессов взаимодействия со льдом.
Проведение систематических фундаментальных исследований в ледовых бассейнах, а также
сравнение получаемых результатов с отдельными натурными наблюдениями могут привести к выводам о необходимости корректировки методики приготовления моделированного льда в бассейнах, критериев моделирования и способов пересчета полученных данных на натурные условия. Совершенно очевидно, что традиционная методология модельного эксперимента, разработанная применительно к ледоколам и судам ледового плавания и базирующаяся на определяющем влиянии практически на все процессы изгибной прочности льда, частично может быть применена только к сооружениям с наклонным бортом. В случае с сооружениями с вертикальном бортом, а с также любыми сооружениями, у борта которых сформировалось значительное ледяное нагромождение, правомерность использования традиционного подхода далеко не очевидна. Работы в этом направлении еще только начинаются в ведущих ледовых бассейнах мира. Поэтому на начальном этапе представляется достаточно большое поле возможностей для разрешения указанных противоречий: разработка новых способов моделирования льда, использование аффинного моделирования, проведение специальных экспериментов, позволяющих условно разделить различные физико-механические процессы по аналогии с тем, как это иногда делается при изучении ледового сопротивления судов в экспериментах с «предпиленным» льдом [55]. Возможны и другие варианты.
По убеждению авторов, роль ледового модельного эксперимента на современном этапе освоения Арктики и в дальнейшем будет только возрастать, несмотря на часто высказываемое мнение о возможности его замены численными расчетами. Вероятно, содержание модельного эксперимента изменится. Вместо стандартных рутинных процедур все большую роль будут играть исследовательские проекты, направленные на детальное изучение физики и механики процессов. Прогресс в техническом освоении Арктики возможен лишь при равноправном и взаимодополняющем использовании возможностей всех подходов к выполнению исследований: модельного, натурного и численного.
Библиографический список
1. Агафонов А.А., Бережной К.Г., Вербицкий С.В., Зимин А.Д., Шинкаренко О.В. Морская плавучая платформа для нефтяных месторождений Российской Арктики // Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 86(370). С. 61-74.
2. Алексеев Ю.Н., Афанасьев В.П., Литонов О.Е., Мансуров М.Н., Трусков П.А. Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений нефти и газа. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001.
3. Апполонов Е.М., Сазонов К.Е. Ледовый менеджмент: задачи и возможности // Газовая промышленность. 2013. № 2(686). С. 70-72.
4. Астафьев В.Н., Сурков Г.А., Трусков П.А. Торосы и стамухи Охотского моря. СПб.: Прогресс-Погода, 1997.
5. БеккерА.Т. Вероятностные характеристики ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа. Владивосток: Дальнаука, 2004.
6. Бицуля А.В., Карулин Е.Б., Карулина М.М. Вариативность трактовки результатов определения физико-механических свойств киля тороса в модельном эксперименте // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2005. Вып. 24(308). С. 4-18.
7. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.
8. БузинИ.В., НестеровА.В., ГудошниковЮ.П. Исследование дрейфа ледяных образований с помощью радиомаяков в Европейской Арктике - опыт и перспективы // Труды XIII Межд. конф. и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа СНГ (RAO/CIS Offshore 2017). Санкт-Петербург, 12-15 сентября 2017. СПб.: Химиздат, 2017. С. 212-218.
9. Вербицкий С.В., Зимин А.Д., КовальМ.Г., Малыгин В.Е., Шинкаренко О.В. Мировой флот FSPO. Современное состояние и перспективы развития // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2012. Вып. 66(350). С. 125-134.
10. Вершинин С.А., Трусков П.А., Кузмичев К.В. Воздействие льда на сооружения Сахалинского шельфа. М.: Институт Гипростроймост, 2005.
11. Вилкман Г. 40 лет ледовых модельных испытаний. Helsinki, Finland: Aker Arctic Technology Inc, 2009.
12. Гудкович З.М., Доронин Ю.П. Дрейф морских льдов. СПб: Гидрометеоиздат, 2011.
13. Добродеев А.А., Сазонов К.Е., Бойцун И.И. Сравнительный анализ различных типов опорных оснований объектов обустройства месторождений в Каспийском море // Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 88(372). С. 203-210.
14. Добродеев А.А., Сазонов К.Е., Тимофеев О.Я. Глобальная нагрузка на морские инженерные сооружения. Методы определения // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2015. № 38/39. С. 61-65.
15. ЗайкинД.А., Карулин Е.Б., ПроняшкинА.А. Практическое применение на Приразломном нефтяном месторождении методики разрушения нагромождения обломков льда вблизи ледостойких морских стационарных платформ // Полярная механика. 2016. № 3. С. 278-293.
16. Иванов А.В., Кайтанов Ю.С., Карулин Е.Б., Куликова А.Н., Орлов О.П., Пашин В.М., Рахманин Н.Н., Сазонов К.Е., Тумашик А.П., Чернецов А.В. Развитие методологии экспериментальных исследований волновых и ледовых нагрузок на морские платформы применительно к условиям Штокмановского ГКМ с моделированием усилий в натяжных связях // Труды VI Межд. конф. «Освоение шельфа арктических морей России» (RAO-2003). СПб., 2003.
17. Карулин Е.Б., Карулина М.М., Благовидов Л.Б. Модельные исследования взаимодействия со льдом платформы кессонного типа на мелководье // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2007. Вып. 34(318). С. 5-21.
18. Карулин Е.Б., Проняшкин А.А., Ямщиков Д.В. Исследование процесса формирования ледяных нагромождений перед платформой «Приразломная» // Труды Крыловского государственного научного центра. 2016. Вып. 91(375). С. 25-40.
19. Карулин Е.Б., КарулинаМ.М., Клементьева Н.Ю., Сазонов К.Е., Купреев В.В., Чернецов В. А. Модельные исследования взаимодействия со льдом платформ, предназначенных для Штокмановского ГКМ // Газовая промышленность. 2007. № 10. С. 70-73.
20. Клементьева Н.Ю. Исследование усилий в элементах двухъярусных гибких упругих связей при взаимодействии со льдом удерживаемого ими сооружения // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2005. Вып. 24(308). С. 50-72.
21. Костылев А.И. Сравнительный анализ теоретической оценки эффективности ледового менеджмента с исследованиями в ледовом опытовом бассейне // Труды Крыловского государственного научного центра. 2016. Вып. 93(377). С. 57-74.
22. Крупина Н.А., Кубышкин Н.В. Прочность при изгибе дрейфующего ровного однолетнего морского льда в Баренцевом море // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2007. Вып. 34(318). С. 139-159.
23. Кульмач П.П. Якорные системы удержания плавучих объектов. Л.: Судостроение, 1980.
24. Ледяные образования морей Западной Арктики / Под ред. д.г.н. Г.К. Зубакина. СПб.: ААНИИ, 2006.
25. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978.
26. Лосет С., Шхинек К.Н., Гудместад О., Хойланд К. Воздействие льда на морские и береговые сооружения. СПб.: Лань, 2010.
2l. Нефтяная и газовая промышленность. Сооружения арктического шельфа. ISO 1990б. М.: Стандарт-информ, 2011.
2S. Онищенко Д.А., Марченко А.В. Моделирование разворота на месте плавучего сооружения судового типа с внутренней турелью в условиях сплошного ледяного нокрова // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2015. № 2(22). С. 124-132.
29. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. НД № 2-020201-013. СПб.: РМРС, 2014.
30. Ралстон Т. Aнализ ледовых нагрузок на конические конструкции в рамках теории предельного равновесия / Физика и механика льда / Под ред. П. Трюде. М.: Мир, 19S3. С. 2S2-29l.
31. Сазонов К.Е. Материаловедение. Свойства материалов. Методы испытаний. Лед и снег. СПб.: Изд. РГГМУ, 2OOl.
32. Борусевич В.О., Русецкий А.А., Сазонов К.Е., Соловьев И.А. Современные гидродинамические лаборатории. СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2019. С. 15б-210.
33. Сазонов К.Е. Модельный эксперимент в океанологии. СПб.: Изд. РГГМУ, 2011.
34. Сазонов К.Е. Развитие морской ледотехники в России: история и современность // Aрктика: экология и экономика. 2013. № 2(10). С. 92-103.
35. Сазонов К.Е., Чернов А.В. Экспериментальные методы определения глобальной ледовой нагрузки на морские инженерные сооружения // Aрктика: экология и экономика. 201б. № 2(22). С. 90-9l.
36. Сазонов К.Е., Кайтанов Ю.С., Клементьева Н.Ю. Сравнительный анализ характеристик различных вариантов морской технологической платформы для ШГКМ на основе результатов модельных экспериментов // Труды IX Межд. конф. и выставки но освоению ресурсов нефти и газа Российской Aркгики и континентального шельфа стран СНГ (RAO / CIS Offshore 2009). СПб., 2009. Т. 1. С. 1б0-1б4.
3l. Симаков Г.В., Шхинек К.Н., Смелов В.А. и др. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе. Л.: Судостроение, 19S9.
3S. Шаповалов Л.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций. М.: Машиностроение, 1990.
39. Шхинек К.Н., Балагура С.В., Большев А.С., Фролов С. А. Математическое моделирование воздействия ровного льда и торосов с заякоренными плавучими сооружениями типа FPU и платформами типа SPAR // Научно-технический сборник РМРС. 2009. № 32. С. 93-10S.
40. Ямщиков Д.В., Проняшкин А.А., Карулина М.М. Оценка эффективности операций управления ледовой обстановкой на основе модельных исследований в ледовом бассейне // Труды Крыловского государственного научного центра. 2016. Вып. 93(377). С. 43-56.
41. Aksnes V.0. Experimental and numerical studies of moored ships in level ice. PhD Thesis. Norwegian University of Science and Technology. Trondheim, Norway, 2011. 120 р.
42. Berg М., Loset S. A concept design for a meso-scale floater to measure downward bending failure ice loads // Proceedings of the 23rd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Trondheim, Norway, June 14-18, 2015.
43. Bezzubik O.N., Bitsulya A.V., Karulin E.B., Karuli-na M.M., Klementyeva N.Y., Sazonov K.E, Cher-netsov V.A., Kulakov A.V., Kupreev V.V.Experimental investigation of interaction of moored platforms with drifting ice features // 17th International Symposium on Ice. St. Petersburg, Russia, June 21-25, 2004.
44. Bruun P.K., Husvik J., Le Guennec S., Hellmann J.H. Ice model test of an Arctic SPAR // Proc. of the 20th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Lulea, Sweden, 2009. http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/P0AC09_7-152.pdf. (дата обращения: 31.01.2019).
45. Croasdale K., Cammaert A., Metge M. A method for the calculation of sheet ice loads on sloping structures // Proc. IAHR Ice Symposium. Trondheim, Norway, 1994. P. 874-881.
46. Dobrodeev A., Sazonov K., Zvyagin P. Study on distribution law and stationarity of global ice loads registered in experiments in ice tank // Proc. of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering - OMAE 35. Сер. ASME 2016 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE 2016. 2016, V008T07A005.
47. Evers K.-U. Model tests with ships and offshore structures in HSVA's ice tanks // Proc. of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC'17). Busan, Korea, June 11-16, 2017.
48. Evers K.-U., Jochmann P. Experiences at HSVA with model testing of moored structures in ice-covered waters // Proc. of the 21st International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC). Montreal, Canada, July 10-14, 2011. POAC11-126.
49. Gudmestad O.T., Loset S., Alhimenko A.I., Shkhi-nek K.N., Torum A., Jensen A. Engineering aspects related to arctic offshore developments. St. Petersburg: Published LAN, 2007.
50. Heinonen J. Constitutive modeling of ice rubble in first-year ridge keel. VTT Publication 536, 2004.
51. ISO/FDIS 19906, 2010. Petroleum and natural gas industries - Arctic offshore structures, ISO TC 67/SC 7. Final Draft International Standard, International Standardization organization, Geneva, Switzerland.
52. ITTC - Recommended Procedures and Guidelines, Resistance Test in Ice. 7.5-02-04-02.1, 2017. P. 8.
53. Jang H.K., Kang H.Y., Kim M.H. Numerical simulation of dynamic interactions of an arctic SPAR with drifting level ice // Ocean Systems Engineering. 2016. Vol. 6. No. 4. P. 345-362.
54. Karulin E.B., Karulina M.M., Sazonov R.E., Cher-netsov V.A. Mathematical model for motion of moored platform interacting with ice // Proc. of the 17th Int. Symp. on Ice. St. Petersburg, Russia, June 21-25, 2004. Vol. 1. P. 85-93.
55. Konno A. еt al. The Specialist Committee on Ice // Proc. of the 28th ITTC Conference. Wusi, 2017. Vol. 2. P. 639-660.
56. Kovalyov M.V., Dobrodeev A.A., Blagovidova I.L., Bla-govidov L.B., Sazonov K.E., Kolchenko L.V., Klemen-tieva N.Y. Model testing of turret-based drill ship in ice conditions // Proc. of the Int. Conf. on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, OMAE Сер. ASME 2013, 32nd Int. Conf. Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE 2013. 2013, V006T07A014.
57. Kulyakhtin S., HoylandK., Astrup O, Evers K-U. Rubble ice transport on arctic offshore structures (RITAS), part III: analysis of model scale rubble ice stability // Proceedings of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Espoo, Finland, 2013. URL: http://www.poac.com/ Papers/2013/pdf/POAC13_084.pdf. (дата обращения: 31.01.2019).
58. Loset S., Aksnes V.0. Icebreaking buoy in Arctic waters // Труды IX Межд. конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO / CIS Offshore 2009). СПб., 2009. Т. 1. С. 138-143.
59. Lu W., Serré N., Evers K-U. Rubble Ice transport on Arctic offshore structures (RITAS). Part IV: tactile sensor measurement of the level ice load on inclined plate // Proceedings of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Espoo, Finland, 2013. URL: http://www.poac.com/ Papers/2013/pdf/POAC13_087.pdf. (дата обращения: 31.01.2019).
60. Onishchenko D.A., Marchenko A. Analytical estimation of maneuverability of moored FPU with internal turret in close ice // Proc. of the 23rd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions.
Trondheim, Norway, June 14-18, 2015. URL: http://www.poac.com/Papers/2015/pdf/poac15Final0008 2.pdf (дата обращения: 31.01.2019).
61. Palmer A., Croasdale K. Arctic Offshore Engineering. World Scientific Publ., 2013.
62. SchwarzJ. Physical modelling techniques for offshore structures in ice // Proc. of 8th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, POAC-1985. 1985. Vol. 3. P. 1113-1132.
63. Serré N., HoylandK., Lundamo T., Bonnemaire B., Evers K-U., Gurtner A. Rubble ice transport on Arctic offshore structures (RITAS). Part I: Scale-model investigations of level ice action mechanisms // Proc. of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Espoo, Finland, 2013. URL: http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/ POAC13_138.pdf. (дата обращения: 31.01.2019).
64. Serré N., Lu W., HoylandK., Bonnemaire B., Borge J., Evers K-U. Rubble ice transport on Arctic offshore structures (RITAS). Part II: 2D model scale study of the level ice action // Proc. of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Espoo, Finland, 2013. URL: http://www.poac.com/ Papers/2013/pdf/POAC 13_136.pdf. (дата обращения: 31.01.2019).
65. Smirnov V., Sheikin L.B., Shushlebin A. et al. Large scale strength measurements of ice ridge: Sakhalin 1998 // RAO Conference, St. Petersburg, 1999.
66. Ziemer G. Towards a novel type of ice for model tests with vertically sided structures // Proc. of the ASME 2018 37th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE-2018. Madrid, Spain, June 17-22, 2018. OMAE2018-77850.
67. Zvyagin P., Sazonov K. Statistically based method of representing ice load signal as a sum of several uncor-related and stationary processes // Proc. of 22th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. POAC 2013. 2013. URL: http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/POAC13_220.pdf. (дата обращения: 31.01.2019).
68. Zvyagin P., Sazonov K. Analysis and probabilistic modeling of the unstationary ice loads stochastic process, based on experiments with models of offshore structures // Proc. of the 34th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering -OMAE 34. 2015.
References
1. A. Agafonov, K. Berezhnoy, S. Verbitskiy, A. Zimin, O. Shinkarenko. Offshore floating platform for Russian Arctic oil fields // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2015. Issue 86(370). P. 61-74 (in Russian).
2. Yu. Alekseev, V. Afanasyev, O. Litonov, M. Mansurov, P. Truskov. Ice engineering aspects of offshore oil & gas developments. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 2001 (in Russian).
3. Ye. Appolonov, K. Sazonov. Ice management: tasks and opportunities // Gas Industry. 2013. No. 2(686). P. 70-72 (in Russian).
4. V. Astafyev, G. Surkov, P. Truskov. Ridges and sta-mouchs of the Sea of Okhotsk. St. Petersburg: Progress-Pogoda, 1997 (in Russian).
5. A. Bekker. Probabilistic characteristics of ice loads on offshore structures. Vladivostok: Dalnauka, 2004 (in Russian).
6. A. Bitsulya, Ye. Karulin, M. Karulina. Variability in interpretation of measurement results for physical and mechanical properties of ridge keel in model test conditions // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2005. Issue 24(308). P. 4-18 (in Russian).
7. V. Bogorodsky, V. Gavrilo. Ice. Physical properties. Modern methods of glaciology. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1980 (in Russian).
8. I. Buzin, A. Nesterov, Yu. Gudoshnikov. Study of ice dynamics in the Eurasian Arctic using radio beacons -experience and outlooks // Materials of the 13th International conference and exhibition for oil and gas resources development of the Russian Arctic and CIS continental shelf (RAO/CIS Offshore 2017) held in St. Petersburg on September 12-15, 2017. St. Petersburg: Khimizdat, 2017. P. 212-218 (in Russian).
9. S. Verbitsky, A. Zimin, M. Koval, V. Malygin, O. Shinkarenko. Global FPSO fleet. State of the art and prospects // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2012. Issue 66(350). P. 125-134 (in Russian).
10. S. Vershinin, P. Truskov, K. Kuzmichev. Ice effects upon Sakhalin offshore structure. Moscow: Giprostroymost Institute, 2005 (in Russian).
11. G. Wilkman. 40 years of ice model testing. Helsinki, Finland: Aker Arctic Technology Inc, 2009.
12. Z. Gudkovich, Yu. Doronin. Sea ice drift. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 2011 (in Russian).
13. A. Dobrodeev, K. Sazonov, I. Boitsun. Comparative analysis of various substructure types for oil & gas development platforms in the Caspian // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2015. Issue 88(372). P. 203-210 (in Russian).
14. A. Dobrodeev, K. Sazonov, O. Timofeev. Global load on marine engineering structures. Determination methods // RS Research Bulletin. 2015. No. 38/39. .P. 61-65 (in Russian).
15. D. Zaikin, Ye. Karulin, A. Pronyashkin. Practical application of ice buildup breaking procedure near fixed ice resistant marine platforms at Prirazlomnoye oil field //
Polyamaya Mekhanika (Polar Mechanics). 2016. No. 3. P. 278-293 (in Russian).
16. A. Ivanov, Yu. Kaitanov, Ye. Karulin, A. Kulikova, O. Or-lov, V. Pashin, N. Rakhmanin, K. Sazonov, A. Tumashik, A. Chernetsov. Development of wave and ice load test techniques for marine platforms at Shtokman field with simulation of loads in tension lines. Proceedings of RAO/CIS. 2003. (in Russian).
17. Ye. Karulin, M. Karulina, L. Blagovidov. Model ice interaction studies of shallow-water caisson-type platform // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2007. Issue 34(318). P. 5-21 (in Russian).
18. Ye. Karulin, A. Pronyashkin, D. Yamshikov. Formation of ice buildups in front of Prirazlomnaya platform // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2016, Issue 91(375), pp. 25-40 (in Russian).
19. Ye. Karulin, M. Karulina, N. Klementyeva, K. Sazonov, V. Kupreev, V. Chernetsov. Model ice interaction studies of Shtokman field platform // Gas Industry. 2007. No. 10. P. 70-73 (in Russian).
20. N. Klementyeva. Ice interaction loads on the elements of two-level elastic mooring lines // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2005. Issue 24(308). P. 50-72 (in Russian).
21. A. Kostylev. Comparative analysis of ice management efficiency predictions with the experimental results from Ice Basin. 2016. Issue 92(376). P. 57-74 (in Russian).
22. N. Krupina, N. Kubyshkin. Bending strength of drifting level first-year ice in the Barents Sea // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2007. Issue 34(318). P. 139-159 (in Russian).
23. P. Kulmach. Anchoring systems of floating objects. Leningrad: Sudostroyeniye, 1980 (in Russian).
24. Ice features of Western Arctic seas / Ed. G. Zubakin, D.Sc. St. Petersburg: AARI, 2006 (in Russian).
25. L. Loitsyansky. Mechanics of fluids and gases. Moscow: Nauka, 1978 (in Russian).
26. S. Loset, Karl N. Shkhinek, O. Gudmestad, K. Hoyland. Actions from Ice on Arctic Offshore and Coastal Structures. St. Petersburg: Lan', 2006.
27. ISO 19906 Petroleum and natural gas industries. Arctic offshore structures Moscow: Standartinform, 2011(Russian translation).
28. D. Onishenko, A. Marchenko. Pivot turn simulation of floating ship-type unit with inner turret in continuous ice // Vesti Gazovoy Nauki, collection of papers. 2015. No. 2(22). P. 124-132 (in Russian).
29. Rules for Classification, Construction and Equipment of Drilling Floating Units and Fixed Marine Platforms. ND 2-020201-013. St. Petersburg: Russian Maritime Register of Shipping, 2014 (in Russian).
30. T. Ralston. Plastic limit analysis of sheet ice loads on conical structures. In: Materials of IUTAM Symposium Physics and Mechanics of Ice 1979, ed. P. Tryde. Moscow: Mir, 1983 (Russian translation).
31. K. Sazonov. Material science. Properties of materials. Test methods. Ice and snow. St. Petersburg: Publishing House of Russian State Hydrometeorological University (RSHU), 2007 (in Russian).
32. V. Borusevich, A. Rusetsky, K. Sazonov, I. Solovyev. Modern hydrodynamic laboratories. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2019 (in Russian).
33. K. Sazonov. Model tests in oceanology. St. Petersburg: Publishing House of RSHU, 2011 (in Russian).
34. K. Sazonov. Ice engineering in Russia: history and state of the art // Arctic: Ecology and Economy. 2013. No. 2(10). P. 92-103 (in Russian).
35. K. Sazonov, A. Chernov. Ice load measurement methods for marine engineering structures // Arctic: Ecology and Economy. 2016. No. 2(22). P. 90-97 (in Russian).
36. K. Sazonov, Yu. Kaitanov, N. Klementyeva. Comparative analysis of different design options for offshore technological platform for Shtokman gas condensate field (SGCF) based on model test data // Proceedings of RAO/CIS 2009. St. Petersburg, 2009. Vol. 1. P. 160-164 (in Russian).
37. G. Simakov, K. Shkhinek, V. Smelov et al. Offshore hydraulic structures. Leningrad: Sudostroyeniye, 1989 (in Russian).
38. L. Shapovalov. Simulation in the mechanics of structural elements. Moscow: Mashinostroyeniye, 1990 (in Russian).
39. K. Shkhinek, S. Balagura, A. Bolshev, S. Frolov. Mathematical modeling of level ice and ridge interaction with moored FPUs and SPAR platforms // RS Research Bulletin. 2009. No. 32. P. 93-108 (in Russian).
40. D. Yamshikov, A. Pronyashkin, M. Karulina. Ice management efficiency assessment based on model tests in Ice Basin // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2016. Issue 93(377). P. 43-56 (in Russian).
41. Aksnes V.0. Experimental and numerical studies of moored ships in level ice. PhD Thesis. Norwegian University of Science and Technology. Trondheim, Norway, 2011. 120 p.
42. BergМ., LosetS. A concept design for a meso-scale floater to measure downward bending failure ice loads // Proceedings of the 23rd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Trond-heim, Norway, June 14-18, 2015.
43. Bezzubik O.N., Bitsulya A.V., Karulin E.B., Karulina M.M., Klementyeva N.Y., Sazonov K.E., Chernetsov V.A., Kulakov A. V., Kupreev V. V. Experimental investigation of interaction of moored platforms with drift-
ing ice features // 17th International Symposium on Ice. St. Petersburg, Russia, June 21-25, 2004.
44. Bruun P.K., Husvik J., Le Guennec S., Hellmann J.H. Ice model test of an Arctic SPAR // Proc. of the 20th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Lulea, Sweden, 2009. http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/POAC09_ 7-152.pdf. (Accessed 31.01.2019).
45. Croasdale K., Cammaert A., Metge M. A method for the calculation of sheet ice loads on sloping structures // Proc. IAHR Ice Symposium. Trondheim, Norway, 1994. P. 874-881.
46. Dobrodeev A., Sazonov K., Zvyagin P. Study on distribution law and stationarity of global ice loads registered in experiments in ice tank // Proc. of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering -OMAE 35. Сер. ASME 2016 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE 2016. V008T07A005.
47. Evers K.-U. Model tests with ships and offshore structures in HSVA's ice tanks // Proc. of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC'17). Busan, Korea, June 11-16, 2017.
48. Evers K.-U., Jochmann P. Experiences at HSVA with model testing of moored structures in ice-covered waters // Proc. of the 21st International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC). Montreal, Canada, July 10-14, 2011. POAC11-126.
49. Gudmestad O.T., Loset S., Alhimenko A.I., Shkhi-nek K.N., Torum A., Jensen A. Engineering aspects related to arctic offshore developments. St. Petersburg: Published LAN, 2007.
50. Heinonen J. Constitutive modeling of ice rubble in first-year ridge keel. VTT Publication 536, 2004.
51. ISO/FDIS 19906, 2010. Petroleum and natural gas industries - Arctic offshore structures, ISO TC 67/SC 7. Final Draft International Standard, International Standardization organization, Geneva, Switzerland.
52. ITTC - Recommended Procedures and Guidelines, Resistance Test in Ice. 7.5-02-04-02.1, 2017. P. 8.
53. Jang H.K., Kang H.Y., Kim M.H. Numerical simulation of dynamic interactions of an arctic SPAR with drifting level ice // Ocean Systems Engineering. 2016. Vol. 6. No. 4. P. 345-362.
54. Karulin E.B., KarulinaM.M., Sazonov R.E., Cher-netsov V.A. Mathematical model for motion of moored platform interacting with ice // Proc. of the 17th Int. Symp. on Ice. St. Petersburg, Russia, June 21-25, 2004. Vol. 1. P. 85-93.
55. KonnoA et al. The Specialist Committee on Ice // Proc. of the 28th ITTC Conference. Wusi, 2017. Vol. 2. P. 639-660.
56. Kovalyov M.V., Dobrodeev A.A., Blagovidova I.L., Bla-govidov L.B., Sazonov K.E., Kolchenko L.V., Klemen-tieva N.Y. Model testing of turret-based drill ship in ice conditions // Proc. of the Int. Conf. on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, OMAE Сер. ASME 2013, 32nd Int. Conf. Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE 2013. 2013, V006T07A014.
57. Kulyakhtin S., HoylandK., Astrup O., Evers K-U. Rubble ice transport on arctic offshore structures (RITAS), part III: analysis of model scale rubble ice stability // Proceedings of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Espoo, Finland, 2013. URL: http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/ POAC13_084.pdf. (Accessed: 31.01.2019).
58. L0setS., Aksnes V.0. Icebreaking buoy in Arctic waters // Proceedings of RAO / CIS Offshore 2009. St. Petersburg, 2009. Vol. 1. P. 138-143.
59. Lu W., Serré N., Evers K-U. Rubble Ice transport on Arctic offshore structures (RITAS). Part IV: tactile sensor measurement of the level ice load on inclined plate // Proceedings of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Espoo, Finland, 2013. URL: http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/POAC13_087.pdf. (Accessed 31.01.2019).
60. Onishchenko D.A., Marchenko A. Analytical estimation of maneuverability of moored FPU with internal turret in close ice // Proc. of the 23rd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Trondheim, Norway, June 14-18, 2015. URL: http://www.poac.com/Papers/2015/pdf/poac15Final0008 2.pdf (Accessed 31.01.2019).
61. Palmer A., Croasdale K. Arctic Offshore Engineering. World Scientific Publ., 2013.
62. Schwarz J. Physical modelling techniques for offshore structures in ice // Proc. of 8th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, POAC-1985. 1985. Vol. 3. P. 1113-1132.
63. Serré N., HoylandK., Lundamo T., Bonnemaire B., Evers K-U., Gurtner A. Rubble ice transport on Arctic offshore structures (RITAS). Part I: Scale-model investigations of level ice action mechanisms // Proc. of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Espoo, Finland, 2013. URL: http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/ POAC13_138.pdf. (Accessed 31.01.2019).
64. Serré N., Lu W., Hoyland K., Bonnemaire B., Borge J., Evers K-U. Rubble ice transport on Arctic offshore structures (RITAS). Part II: 2D model scale study of the level ice action // Proceedings of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. Espoo, Finland, 2013. URL:
http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/POAC 13_136.pdf. (Accessed 31.01.2019).
65. Smirnov V., Sheikin L.B., Shushlebin A. et al. Large scale strength measurements of ice ridge: Sakhalin 1998 // RAO Conference, St. Petersburg, 1999.
66. Ziemer G. Towards a novel type of ice for model tests with vertically sided structures // Proc. of the ASME 2018 37th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE-2018. Madrid, Spain, June 17-22, 2018. OMAE2018-77850.
67. Zvyagin P., Sazonov K. Statistically based method of representing ice load signal as a sum of several uncor-related and stationary processes // Proc. of 22th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. POAC 2013. 2013. URL: http://www.poac.com/Papers/2013/pdf/POAC 13_220.pdf. (Accessed 31.01.2019).
68. Zvyagin P., Sazonov K. Analysis and probabilistic modeling of the unstationary ice loads stochastic process, based on experiments with models of offshore structures // Proc. of the 34th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE 34. 2015.
Сведения об авторах
Добродеев Алексей Алексеевич, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (812) 386-69-78. E-mail: A_Dobrodeev@ksrc.ru.
Сазонов Кирилл Евгеньевич, д.т.н., начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (812) 415-45-23. E-mail: kirsaz@rambler.ru.
About the authors
Aleksey A. Dobrodeev, Cand. Sci. (Eng.), Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 386-69-78. E-mail: A_Dobrodeev@ksrc.ru. Kirill Ye. Sazonov, Dr. Sci. (Eng.), Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-45-23. E-mail: kirsaz@rambler.ru.
Поступила / Received: 11.01.19 Принята в печать / Accepted: 20.05.19 © Добродеев А.А., Сазонов К.Е., 2019
