CC BY
894
УДК 624.145.72
С.Д. Ким, О.М. Финагенов, Т.Э. Уварова
Определение ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа по нормам различных стран
Г идротехнические сооружения, предназначенные для эксплуатации в акваториях замерзающих морей Арктического шельфа, подвергаются воздействию двух основных видов нагрузок: в летнее время - волновых, в зимнее - ледовых. Кроме того, должны учитываться и возможные размывы грунта основания волнами и течениями, воздействия которых должны быть учтены и при производстве строительных работ.
Величина ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа зависит от многих факторов:
• характеристик действующих на сооружение ледовых форм - их геометрических параметров (размеров полей, толщин льда, торосистости), кинематических показателей (скорости и формы движения), особенностей ледового режима и др.;
• физико-механических свойств и состояния льда (прочностных показателей, солености, структуры и др.);
• условий контакта и взаимодействия ледяного покрова с сооружением (этим обусловливается физический процесс разрушения льда);
• конструкции, геометрических форм и размеров опорных конструкций сооружений в зоне воздействия льда.
Сложность характера взаимодействия льда с сооружением, а также особенности физико-механических свойств льда явились причиной отсутствия в настоящее время строгих теоретических решений, позволяющих достаточно точно определять ледовые нагрузки, практически для всех случаев.
На данный момент существует большое количество нормативной документации [1-6] и рекомендаций [7, 8], где определяется расчетное значение ледовой нагрузки с использованием различного рода допущений.
На основе проведенного анализа нормативных источников можно заключить, что зарубежные нормы значительно отличаются от российских, а российские государственные нормы - от ведомственных. Отличие этих методик демонстрирует отсутствие в настоящее время обобщающего решения задачи по расчету нагрузок от морского льда на вертикальные сооружения.
Исходные данные
Краткая характеристика ледового режима Северо-Каменномысского газового месторождения (СКГМ)
Большую часть года Обская губа покрыта льдом. Ледообразование в средней части Обской губы начинается в конце первой декады октября. Наличие в воде некоторого запаса тепла и воздействие течений определяют замерзание акватории примерно на одну декаду позже перехода температуры воздуха через ноль градусов.
Окончательное замерзание наблюдается во второй половине октября - начале ноября. В зимний период Обская губа покрыта неподвижным ледяным покровом (припаем), который достигает своего максимального развития в апреле-мае. Продолжительность ледового периода в году может достигать 300 дней.
Разрушение ледяного покрова под влиянием таяния за счет радиационного тепла и увеличения объема паводковых вод начинается в рассматриваемом районе в мае. В июне начинается вскрытие акватории Обской губы под действием ветров и волнения. После взлома припая на поверхности образуются плавучие льды сплоченностью
9-10 баллов. Среди этих льдов преобладают поля размером около 2 км и обломки
Ключевые слова:
морские нефтегазовые сооружения, ледовая нагрузка, нормы различных стран,
дрейфующие ледяные поля.
Keywords:
offshore oil-and-gas
structures,
ice load,
other countries’
regulations,
drifting ice-floes.
№ 3 (14) / 2013
98
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
полей размером менее 0,5 км. Очищение ото льда центральной части Обской губы происходит в среднем в середине июля. Размах сроков очищения ото льда, по многолетним данным, составляет около полутора-двух месяцев.
В табл. 1 приведены исходные данные по ледовому режиму СКГМ для оценки ледовой нагрузки на цилиндрическую опору платформы.
Таблица 1
Основные расчетные параметры ледового режима СКГМ
Характеристика ледового покрова Значение параметра
Средняя толщина ровного льда (май), м 1,4
Прочностные и деформационные свойства льда: • максимальный модуль деформации образцов льда при одноосном сжатии и приложении усилия перпендикулярно поверхности намерзания, МПа; 669
• средняя/максимальная прочность на одноосное сжатие образцов льда при приложении усилия: - перпендикулярно поверхности намерзания, МПа; 2,06/4,66
- параллельно поверхности намерзания, МПа 0,60/0,91
Средняя скорость дрейфа, м/с 0,4
Физические свойства льда (минимум/максимум): • температура ровного льда, °С; -30,0/0,0
• соленость ровного льда, %о; 0,00/0,20
• плотность ровного льда, кг/см3 0,82/0,97
Краткая характеристика ледового режима Киринского газового месторождения (КГМ)
Ледообразование на акватории северо-восточного шельфа о. Сахалин начинается в ноябре. Ледовый покров образуется в узкой прибрежной зоне преимущественно в виде сала, снежу-ры и блинчатого льда. В январе в массиве дрейфующего льда появляются однолетние льды, смещающиеся под воздействием ветра и течений из северо-западной части Охотского моря в район северо-восточного шельфа.
В марте-апреле кромка дрейфующего льда достигает своего максимального восточного положения. С середины апреля начинают преобладать весенние процессы разрушения ледяного покрова. В мае наблюдаются интенсивное таяние и разрушение льда. Кромка льда смещается к берегу. В июне происходит окончательное раздробление ледяных полей до би-
тых форм, исчезают молодые льды, в ледяном массиве отмечаются только однолетние льды. К концу июня происходит очищение акватории северо-восточного шельфа о. Сахалин ото льда. Продолжительность ледового периода на акваториях, прилегающих к нефтегазоносным месторождениям «Сахалин-3», составляет от 160 до 210 дней, при этом около 160 дней в году суда должны ходить в этом районе под проводкой ледокола. В течение зимы в массиве преобладает сплоченный однолетний лед.
В табл. 2 приведены исходные данные по ледовому режиму КГМ для оценки ледовой нагрузки на цилиндрическую опору платформы.
В качестве примера рассмотрены платформы в ледостойком исполнении для расчета ледовой нагрузки от дрейфующих ледяных полей.
Таблица 2
Основные расчетные параметры ледового режима КГМ
Характеристика ледового покрова Значение параметра
Средняя толщина ровного льда (май), м 1,8
Прочностные и деформационные свойства льда: • средняя/максимальная прочность на одноосное сжатие образцов льда при приложении усилия: - перпендикулярно поверхности намерзания, МПа 2,63/6,5
Средняя скорость дрейфа, м/с 0,5
Физические свойства льда (минимум/максимум): • температура ровного льда, °С; • соленость ровного льда, %о; • плотность ровного льда, кг/см3 -13,6/0,0 2,13/7,68 0,91/0,96
№ 3 (14) / 2013
Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа
99
Платформа «Моликпак» представляет собой стальную конструкцию гравитационного типа, состоящую из переоборудованной под эксплуатационное бурение мобильной ледостойкой буровой установки, установленной на подводную стальную секцию высотой 15 м.
Для образования грунтового ядра c целью обеспечения устойчивости платформы потребовалось 278 тыс. м3 песка.
На переоборудованной платформе «Моликпак» (рис. 1) установлено буровое и технологическое оборудование для подготовки нефти, закачки газа и перекачки нефти на плавучее нефтехранилище.
Ледостойкий блок-кондуктор (ЛБК) является малогабаритной платформой, работающей в автоматическом безлюдном режиме (рис. 2), и служит опорной конструкцией для бурения
через него эксплуатационных скважин и размещения на нем устьев пробуренных скважин.
Опорная часть ЛБК представляет собой стальную пространственную конструкцию, выполненную в форме усеченной многогранной пирамиды с наклонными боковыми гранями.
Внутренний объем корпуса ЛБК имеет сотовую конструкцию, обеспечивая необходимую жесткость и прочность корпуса, которая также служит балластовой системой.
Корпус ЛБК имеет двойные стены, обладает собственной плавучестью и может буксироваться на плаву.
Расчет ледовой нагрузки выполняется по [1-6], Elforsk rapport 09:55 и GL 2005.
В расчетных формулах используются следующие условные обозначения: d - ширина опоры сооружения по фронту действия льда, м;
Рис. 1. Ледостойкая стационарная платформа «Моликпак»
№ 3 (14) / 2013
100
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
h - толщина ровного ледяного поля, м; v - скорость движения ледяного поля, м/с; R - предел прочности льда на сжатии, МПа.
Расчет ледовых нагрузок от ровного льда по нормам РФ
ВСН 41.88 [1]. Ледовые нагрузки рассчитываются при скорости дрейфа ледяных полей менее 0,5 м/с. Сила F, МН, от воздействия движущихся ледяных полей на сооружение в зависимости от фактора d/h рассчитывается по формуле
F = Rdh при d/h > 30;
F = 6,106Rd 0>43h1’57 при d/h < 30.
Расчет ледовых нагрузок от ровного льда по зарубежным нормам
API RP*2N-95 [4]. Ледовая нагрузка в зависимости от фактора dh рассчитывается по формуле, МН:
F = 8,hfdh при 0,1 м2 < dh < 29,0 м2;
F = 1,5dh при dh > 29,0 м2.
CAN/CSA-S471-04 [5]. Ледовая нагрузка от действия ледяных полей в зависимости от фактора d/h рассчитывается по формуле, МН:
F = 1,5(dh)0-6 при d/h < 10;
СНиП 2.06.04-82* [2]. Сила от воздействия ледяного поля на отдельно стоящую опору с передней гранью в виде полуциркульного очертания F, МН, определяется по формуле
F = 0,04vh^Jm ■ A ■ kb ■ kv ■ R ■ tgy,
где m - коэффициент формы опоры в плане; А - площадь ледяного покрова, м2; кь и kv - коэффициенты, принимаемые по [2]; у - половина угла заострения передней грани опоры в плане на уровне действия льда, град. (для опоры с передней гранью в виде многогранника или полуциркульного очертания необходимо принимать у = 70°).
При этом сила F не может быть больше силы Fbp, определяемой по формуле
Fb,p = m • kb • kv • R • d • h.
СТО Газпром 2-3.7-29-2005 [3]. Нагрузка от движущегося ледяного поля на стационарные вертикальные сооружения F при отсутствии нагромождения обломков рассчитывается по формуле
F = m • к • R • d • h.
Значение нагрузки F не должно превышать предельно возможного значения нагрузки Fw, вычисляемого по формуле
F = 1,5dh0’826 при 10 < d/h < 80;
F = 24,8d0-36h1-466 при 80 < d/h < 1000;
F = 0,3dh0-826 при d/h > 1000.
ISO 19906:2010(E) [6]. Глобальная ледовая нагрузка на сооружение в зависимости от толщины ледяного поля определяется по формуле, МН:
F = ст • h • d,
где ст - давление льда, МПа.
о = R
hv
h
d_
h
m
где hj - базовая толщина 1,0 м; m - эмпирический коэффициент, принимается равным -0,16; n - эмпирический коэффициент, определяемый
как n =
-0,5 + — при h < 1,0 м; -0,3 при h > 1,0 м.
Предел прочности льда на сжатие R для арктических областей (море Бофорта, Карское море) принимается равным 2,8 МПа, а для субарктических регионов (Охотское море) -
2,4 МПа [6].
Elforsk rapport 09:55 [7]. Ледовая нагрузка от действия ледяных полей в зависимости от фактора h/d рассчитывается по формуле, МН:
Fw = CTeff • d • ^
F = 0,45dhRj5h / d +1 при h/d < 1;
где CTf-эффективное давление (усредненное по F = 1,125dhR при h/d > 1.
фронту преграды) разрушающего льда, МПа.
№ 3 (14) / 2013
Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа
101
GL 2005, IV-Part 6 [8]. Сила от воздействия дрейфующего ледяного поля рассчитывается по формуле, МН:
F = 0,36 d 0’5hl’lR.
В зависимости от типа разрушения льда ледовую нагрузку рассчитывают по формуле, МН:
• при хрупком разрушении ё > 10-3 • c-1:
F = 0,564d °>5huR;
• при пластическом разрушении ё < 10-3 • c-1:
F = 0,793d °-5huR;
R = 2700ё ^ ф"1,
где ё - скорость деформации льда, принимаемая равной ё = 10-3 • c-1; ф - пористость льда, %<>:
ф = 19,37 + 36,185” 0=91|/|-0=69,
S - соленость льда, %о; t - средняя температура льда по толщине, °С.
Сопоставление результатов расчета зарубежных и российских норм
На рис. 3-6 представлены результаты расчетов ледовой нагрузки по разным методикам нормативных норм применительно для условий Киринского и Северо-Каменномысского газовых месторождений.
GL 2005
52,96
0 50 100 150 200 250
F, МН
Рис. 3. Результаты расчета ледовой нагрузки от воздействия ровного ледяного поля на одиночную цилиндрическую опору диаметром d = 82,3 м для условий КГМ.
Для СНиП 2.06.04-82* значение R принято по данным наблюдений. Для значения R, рассчитанного согласно СНиП, величина ледовой нагрузки F равняется 133,99 МН
F, МН
Рис. 4. Результаты расчета ледовой нагрузки от воздействия ровного ледяного поля на одиночную цилиндрическую опору диаметром d = 82,3 м для условий СКГМ. Для СНиП 2.06.04-82* значение R принято по данным наблюдений. Для значения R, рассчитанного согласно СНиП, величина ледовой нагрузки F равняется 219,16 МН
№ 3 (14) / 2013
102
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
F, МН
Рис. 5. Результаты расчета ледовой нагрузки от воздействия ровного ледяного поля на одиночную цилиндрическую опору диаметром d = 21,3 м для условий КГМ. Для СНиП 2.06.04-82* значение R принято по данным наблюдений. Для значения R, рассчитанного согласно СНиП, величина ледовой нагрузки F равняется 36,32 МН
ВСН 41.88
СНИП 2.06.04-82* 46,36
СТО Газпром 44,73
API RP*2N-95 44,73
CAN/CSA-S471-04 42,19
ISO 19906:2010(Е) 49,53
Elforsk rapport 09:55 31,86
GL 2005 48,84
0 10 20 30 40 50 60
F, МН
Рис. 6. Результаты расчета ледовой нагрузки от воздействия ровного ледяного поля на одиночную цилиндрическую опору диаметром d = 21,3 м для условий СКГМ.
Для СНиП 2.06.04-82* значение R принято по данным наблюдений. Для значения R, рассчитанного согласно СНиП, величина ледовой нагрузки F равняется 57,75 МН
Анализ результатов расчетов ледовых нагрузок по нормам различных стран
Нормы по расчету ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу России и зарубежных стран основаны на различных подходах к оценке их надежности. В результате сравнения нельзя сделать вывод о принципиальном превосходстве одного из методов над другим. Можно говорить о том, что нормы РФ недостаточно гармонизированы и интегрированы с нормами США, Канады и европейских стран. Хотя получаемые при расчетах по сравниваемым нормам результаты могут отличаться несущественно, отсутствие гармонизации норм в определенной степени затрудняет работу зарубежных проектных и строительных фирм на территории России и в такой же
мере - работу отечественных организаций за рубежом.
Незначительно отличаются значения ледовых нагрузок, вычисленных по нормам CSA и API. CSA и API сильно расходятся по расчету давления льда на контакте. Однако CSA указывает, что расчет ледовой нагрузки заключается в том, чтобы определить давление льда по площади его контакта с сооружением. В нормах CSA расчет ледовой нагрузки (так же, как и в нормах API) включает в себя определение давления льда и площади взаимодействия ровного ледяного поля с сооружением, но определение давления льда зависит от отношения d/h.
№ 3 (14) / 2013
Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа
103
Расчеты ледовых нагрузок по нормам CSA и ISO идентичны, различие в значениях связано с определением давления льда.
Есть существенное отличие в значениях нагрузок между СНиП 2.06.04-82* и GL 2005. Это вызвано тем, что при расчете ледовой нагрузки по СНиП 2.06.04-82* значение предела прочности на сжатие R было принято по данным наблюдений как среднее за месяцы определенного периода наблюдения для условий СКГМ и КГМ.
Также есть значительные различия в нагрузках (особенно для морского льда), если значение предела прочности на сжатие R было принято по СНиП. Это объясняется тем,
Список литературы
1. ВСН 41-88. Ведомственные строительные нормы (экспериментальные). Проектирование ледостойких стационарных платформ. -
М., 1988.
2. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). - М., 1995.
3. СТО Газпром 2-3.7-29-2005. Расчет ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу. - М., 2005.
4. API RP 2N. Recommended practice for planning, designing and constructing structures and pipelines for Arctic conditions / Amer: Petroleum Inst. Bulletin. - Dallas, 1995.
что нормы учитывают особенности вертикальной структуры ледяного покрова, определяемой по данным кристаллографического исследования.
По нормам GL расчет ледовой нагрузки производят с учетом эффективного давления, которое зависит от режима разрушения льда, а по нормам Elforsk rapport - с учетом воздействия раздробленного льда.
Нормы ВСН применимы при скорости дрейфа льда не более 0,5 м/с, в противном случае расчет производят по СНиП. Расчет по методике СТО Г азпром выполняется при значениях параметра относительной ширины преграды d/h > 10.
5. CAN/CSA-S471-92. General Requirements, Design Criteria, Environment, Loads. - National Standard of Canada, 2004.
6. ISO 19906:2010(E). Petroleum and Natural Gas Industries - Arctic Offshore Structures.
7. Fransson L. Recommendations for design of offshore foundations exposed to ice loads: Elforsk rapport 09:55 / L. Fransson, L. Bergdahl. - April, 2009. - 43 p.
8. Oil and Gas GmbH: General Terms and Conditions / Germanischer Lloyd. - Hamburg, 2005.
№ 3 (14) / 2013
