CC BY
51
В результате исследования планируется разработать рекомендации по внедрению стены из пустотелых блоков на Дальнем Востоке, с учетом характерных нагрузок и воздействий, природных особенностей, ранее не применяемой конструкции в отечественной практике строительства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пышкин Б. А. Лекции для студентов ДВГТУ по дисциплине «Региональные особенности строительства».
2. Цимбельман Н. Я. Надежда и опора. Журнал «Наука и жизнь», № 8. - М.: 2009.
3. Walls and retaining structures. North America - Japan Workshop on the Geotechnical Aspects of the Kobe, Loma Prieta, and Northridge Earthquakes. - Japan, Osaka: Report to National Science Foundation Air Force Office of Scientific Research Japanese Geotechnical Society, 1997, pp. 45-47.
Ким Л.В.
РАЗРАБОТКА ЗАЩИТЫ ОТ АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ДРЕЙФУЮЩИМИ ЛЕДЯНЫМИ ОСНОВАНИЕ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ ПЛАТВОРМ НА ШЕЛЬФЕ САХАЛИНА
Начало интенсивного освоения ресурсов шельфа Баренцева и Охотского моря требует доведения до промышленного уровня и внедрение в практику конкурентоспособных технологий диагностики, которые в несколько раз должны повысить информативность, оперативность и доступность анализов, обеспечить объективный выбор способов поддержания эксплуатационной надежности и безопасности ледостойких оснований нефтегазопромысловых платформ для условий шельфа о.Сахалин и северных морей России.
Северо-восточная часть шельфа, где эксплуатируются ЖОГТ (железобетонное основание гравитационного типа) «Лун-А» и «ПА-Б» (Луньское и Пильтун-Астохское месторождения, проект «Сахалин-2») имеет суровые природно-климатические условия. Скорость ветра при прохождении циклонов достигает 38 м/с. Изменения уровня моря определяются приливами, которые достигают 2,2 м. Скорость дрейфа льда до 2 м/с, толщина до 3 м. Динамические ледовые нагрузки ведут к образованию и накапливанию дефектов в виде трещин, точек деградации характеристик материала, ослабления связей и т.п.. а усталостные процессы приводят к внезапному отказу. Высокочастотные колебания приводят к ослаблению соединительных узлов, уменьшению усталостной прочности сварных соединений, виброразжижению основания и соответственно осадкам и крену.
Необходим учет возможных реализаций запредельных нагрузок и природных воздействий, скачкообразных изменений напряженно-деформированного состояния конструкций объекта в процессе его жизненного цикла, что позволит уточнить модели угроз, рассмотреть значимые сценарии наиболее вероятных и опасных развитии ситуации на объекте. Анализ таких сценариев позволяет выбрать конструкции, их элементы, соединения и узлы объекта, которые должны подлежать контролю в процессе эксплуатации объекта.
Конструкции сооружений должны быть ремонтопригодными и надежно выполнять свои функции при действии ледовых и сейсмических нагрузок и обеспечивать нефтедобычу в тяжелых ледовых условиях. ЖОГТ для Пильтун-Астохского и Луньского месторождений изготовлены из предварительно напряженного железобетона нового поколения, имеющего физико-механические и прочие характеристики, соответствующие условиям эксплуатации в особо суровых природно-климатических условиях. Особенностью конструкций является ледозащитный стальной ПОЯС с эпоксидной прослойкой в зоне переменного уровня.
Следует учитывать, что разрушение бетона от морозного воздействия и циклов замораживания-оттаивания не происходит целиком во всей конструкции, а проявляется локально на отдельных участках и в различное время. Отсюда вытекает необходимость проведения мониторинга качества бетона ЖОГТ. Такой мониторинг на двух платформах «Сахалин Энерджи» проводится, что позволяет накопить материал для оценки качества строительства и долговечности платформ с учетом морозостойкости и абразивного износа бегона ЖОГТ.
Диагностика ЖОГТ включает мониторинг и освидетельствование. В 2008 г. на ЖОГТ «ПА-Б» вследствие истирающего ледового воздействия произошел срыв ледового стального тонколистового пояса. Согласно п. 3.12 [1] «В период чистой воды должно производиться обследование опорной части ледостойких ЖОГТ в целях определения воздействия на нее ледовых полей в зимний период с составлением акта». Также требуется выполнять ежегодное освидетельствование ЖОГТ «ПА-Б» и «Лун-А» и прилегающей зоны дна. Освидетельствование сооружения производятся методами визуального и инструментального контроля, отбор проб и образцов бетона для лабораторных исследований не допускается для предотвращения нарушения целостности конструкции.
Выполнение работ по диагностики сооружения требует тщательного подхода с использованием современного оборудования, квалифицированного персонала, апробированных методик. Так как сооружения относятся к первому классу ответственности, выполнение работ по освидетельствованию проводится с привлечением контролирующих органов, специализированными организациями имеющими опыт проведения таких работ и соответствующие лицензии. Требования к полученным материалам и отчетам прописаны в программе освидетельствования и мониторинга. Конкретный состав системы мониторинга технического состояния объекта, выбор методов, средств и элементов мониторинга определяется на этапе проектных изысканий после тщательного инструментального обследования объекта [2].
Цель мониторинга - наблюдение за состоянием системы «ЖОГТ — грунтовое основание» для обеспечения структурной целостности, функциональной работоспособности и безопасности сооружения.
Задачи:
- выбор объектов контроля (вид и число контролируемых конструкций);
- выбор наиболее ответственных элементов конструкций, определение в них опасных сечений и контрольных точек для установки измерительных приборов;
- разработка методов определения контролируемых параметров, выбор серийных или создание индивидуальных технических средств контроля, изготовление и установка их на объекте;
- проведение инструментальных и визуальных наблюдений, измерение нагрузок, температурно-влажностного режима эксплуатации, определение фактических перемещений, напряжений, усилий в контролируемых конструктивных элементах;
- определение (оценка) технического состояния конструкций по данным сопоставления (анализа) натурных наблюдений с результатами расчетов или с критериальными характеристиками;
- выработка рекомендаций по эксплуатации.
Разработан проект стационарной станции мониторинга, включающий:
- пояснительную записку;
- схемы расположения измерительных пунктов станции на несущих конструкциях с чертежами устройств установки приборов;
- электрическую схему кабельных соединений станции;
- спецификацию аппаратуры, оборудования и материалов комплектации станции;
- смету на оборудование, приборы, работы по монтажу и пуско-наладочные работы.
Проект содержит следующие разделы:
- стационарная станция мониторинга (приводится состав станции для ЖОГТ);
- установка приборов (информация по установке различных приборов на конструкциях объекта);
- требования к кабельной сети (информация по проводке кабелей между измерительными пунктами станции и местом централизованного сбора информации);
- требования к компьютерно-информационному центру (информация об оборудовании помещения, где устанавливается компьютер, на который поступает информация от измерительных пунктов станции);
~ требования к применяемым компьютерам и математическому обеспечению (информация о составе вычислительного комплекса, его характеристиках и основная информация о выполняемых математическим обеспечением функциях);
- методология проведения мониторинга (основные сведения о методологических основах проведения мониторинга с помощью стационарной станции мониторинга);
- технология проведения мониторинга (понятие передаточной функции и технология получения таких функций для частей объекта, выделенных данным проектом, а также технология измерения и анализа параметров объекта);
- регламент проведения мониторинга (информация о сроках и объемах работ при проведении мониторинга несущих конструкций объекта с помощью стационарной станции мониторинга);
- дополнительные требования (информация о дополнительных измерениях, проводящихся на объекте, целях таких дополнительных измерений, составе оборудования и приборов для этих дополнительных измерений).
Система мониторинга включает:
Уровень I - первичные датчики и измерительные системы (сейсмографы датчики, давления, акселерометры, тензодатчики и т.др.) предназначенные для получения первичных технологических параметров состояния ЖОГТ.
Уровень II - оборудование для сбора, преобразования информации полученной от первичных датчиков и приборов в цифровой вид, сохранение полученной информации на твердотельном диске с присвоенной меткой реального времени и передачу информации на уровень Ш.
Уровень III - оборудование для обеспечения приема информации от уровня II, визуализации получаемой информации, накопления архивов усредненных данных и результатов расчетов математических моделей за последние 10 лет.
В процессе эксплуатации на основе разработанной программы мониторинга состояния платформы и ее основания произведена установка датчиков давления, пьезометров, экстензометров, акселерометров и другого оборудования, предназначенного для непрерывного слежения за реакцией платформы и ее основания на ледовые, волновые и сейсмические нагрузки с технологическими целями и с позиций техники безопасности.
Для оптимизации проведения работ по времени и затратам ресурсов освидетельствование проводится в 2 этапа.
1) Зонирование на основе визуального осмотра и выборочных измерений с целью идентификации бездефектных участков (в пределах поля допусков).
2) Детальное обследование дефектных участков со сниженной прочностью бетона или наличием других дефектов, где проводится дефектоскопия с целью установления границ дефектной зоны и идентификации причин возникновения дефектов.
Технология работ для надводной и подводной зон ЖОГТ различна вследствие использования различных технических средств. В надводной зон для доступа к поверхностям ЖОГТ используются лестницы (где они имеются), смотровые люки и проходы внутри шахт, плавсредства (водолазный катер, резиновая лодка). Разработан специальный раздел для измерения ледовой абразии в зоне переменного уровня ЖОГТ.
В подводной зон используются водолазы (водолазный катер) и ПА (подводный аппарат). Подводное освидетельствование зонировано по высоте по способу проведения работ: а) зона переменного уровня (ноль - минус 10 м), где скорость деградации наибольшая и выше вероятность обнаружения дефектов; б) глубинная зона (ниже минус 10 м). Процедура подводной маркировки (обозначения) приняты согласно указаниям эксплуатанта, рекомендовано использование нейлоновых канатов с креплением по сетки на поверхности подводной части опор и кессона.
Для визуального осмотра шахт используются специальные каналы доступа для ПА, ведущие внутрь шахт ЖОГТ, через люки доступа в верхних строениях, связывающие нижний настил и верхние настилы ЖОГТ, а также зона выброски, идущая до верхней плиты, а также специальные каналы доступа для ПА к нижней шахте стояков и к области фундаментного кессона для осмотра стояков [2], В качестве примера в таблице 1 приведена сводка объемов работ по ЖОГТ «ПА-Б».
Длительность освидетельствования определяется объемом работ и по оценочным данным составит для одной ЖОГТ 15 суток без учета подготовительных работ, мобилизации и демобилизации, длительность которых в сумме составит около 30 суток. Результаты работы, выводы и рекомендации оформляются в виде отчетов по освидетельствованию ЖОГТ ПА-Б и ЛУН-А. Компания обеспечивает сопровождение процессов их согласования в Сахалинском управлении Ростехнадзора.
Результаты позволят выработать и уточнить проектные критерии, допущения и решения. Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2010 годы)" Рособразования.
Сотрудники кафедры гидротехники ДВГТУ выполнили в 2009 г. контракт с норвежской корпорацией «Aker Engineering and Technology AS» по определению максимальной ежегодной абразии для четырехопорного основания платформы для Аркутун-Дагинского месторождения на северо-востоке Сахалина (заказчик ExxonMobil). Исследования носили комплексный характер и предусматривали выполнение экспериментальных и расчетно-теоретических работ.
Эксплуатации бетонных оснований гравитационного типа (БОГТ) на шельфе Сахалина с высокой динамикой дрейфа ледяного покрова (до 2 м/с) сопряжена с рядом проблем. Поверхность, контактирующая со льдом, постоянно истирается («сглаживается») с образованием усталостных трещин, что ускоряет многократно коррозию бетона. Плотность бетона при этом снижается и увеличивается пористость, что, соответственно, уменьшает сопротивляемость циклам замораживания-оттаивания Абразивный износ вызывает опасность оголения арматуры и ускоренную коррозию, потерю толщины и прочности опор
Предметом исследований является абразивный износ поверхностного слоя бетона опор диаметром 24 м дрейфующим ледяным покровом на глубине 30 м.
Сотрудники кафедры гидротехники в период с 1980 по 2009 гг. совершенствовали вероятностную имитационную модель формирования различных ледовых нагрузок т воздействий на морские инженерные сооружения. Беккер А.Т., Ким С.Д., Уварова Т.Э. (2003-2009) на основе общей имитационной модели разработали методику определения истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова на сооружение с учетом воздействия на опору со всех сторон, что дает возможность получить общую картину глубины истирания по всей поверхности в плане в контактной зоне.
Таблица 1 - Объемы работ по ЖОГТ «ПА-Б», Н=30 м, кессон 94 х 90 х 11,5 м
Наименование объекта Вид контроля Площадь, м2
Надводная наружная бетонная поверхность опор Визуальный, инструментальный 1200
Подводная наружная бетонная поверхность опор Визуальный с помощью водолазов и ПАр, инструментальный 2100
Надводная внутренняя бетонная поверхность опор Визуальный, инструментальный 1000
Подводная внутренняя бетонная поверхность опор Визуальный с помощью ПАр, инструментальный 1000
Подводная наружная бетонная поверхность фундаментного кессона - верх - боковая поверхность Визуальный с помощью ПАр, инструментальный 8400 4200
Всего 17900
Входные отверстия забора морской воды с рыбозащитными устройствами, забора воды для пожарных нужд с сетчатыми фильтрами, выходные отверстия Визуальный
Катодная защита опор Визуальный с помощью ПАр
Катодная защита фундаментного кессона Визуальный с помощью ПАр
Защитный слой дна от размыва Визуальный с помощью ПАр 18400
Теоретические исследования включали следующие пункты:
- адаптация алгоритма расчета и программы для условий месторождения Аркутун-Даги;
- обработка исходных данных для месторождения Аркутун-Даги,
- расчет ледовых воздействий на опоры, влияющих на истирание;
- расчета глубины истирания в зоне переменного уровня опор от действия ледовой нагрузки;
- обработка исходных данных для условий в Ботнического залива Балтийского моря;
- расчет величины ежегодной абразии бетона для маяков Oulul, Oulu2 и Raahe, установленных в Ботническом заливе Балтийского моря;
- проверка модели на основе натурных исследований: сравнение результатов расчета с измеренными фактическими величинами абразии бетона на маяках Oulul, Oulu2 и Raahe.
На основе принципов имитационного моделирования была разработана общая вероятностная модель формирования ледовой нагрузки. Модель основана на численном формировании функции распределения параметров ледового режима и имитации всех возможных ситуаций, характеризуемых случайным сочетанием значений входных параметров. Для каждой ситуации выполняется расчет ледовой нагрузки, для чего используются имитационная модель процесса механического взаимодействия ледяных полей с опорами. В результате численного моделирования и имитации всех расчетных ситуаций за весь период эксплуатации сооружения определяются вероятностные характеристики ледовой нагрузки, контактного напряжения в ледяной плите, длины пути истирания (взаимодействия) и глубины истирания материала опор.
Для математического описания механического взаимодействия дрейфующих ледяных полей с сооружениями приняты следующие допущения.
На процесс формирования величины абразии оказывают влияние следующие формы ледяных полей: мелкобитый лед <2 м; крупнобитый лед 20-100; обломки ледяных полей 100-500; большие ледяные поля 200-2000; обширные ледяные поля 2-10 км.
Нагрузку от дрейфующих ледяных формирований в зависимости от их размеров можно разделить на две основные составляющие:
- нагрузка от битого льда размером менее критического 500 м;
- нагрузка от полей с размером более 500 м.
Для описания процесса механического взаимодействия между льдинами и процесса разрушения полей на контакте с сооружением, использовался дискретный подход. При взаимодействии сооружения с ледяной плитой могут наблюдаться следующие характерные случаи:
А Взаимодействие сооружения с битым льдом.
В. Внедрение ледяного поля опорами сооружения:
В.1 Внедрение блока льда и торможение его перед сооружением;
В.2 Внедрение блока льда и увеличение скорости за счет добавления импульса прибывшей льдины;
B.З Внедрение блока льда и скол ледяной плиты взаимодействующей с сооружением;
C. Остановка ледяного поля перед сооружением:
С.1 Остановка блока льда,
C.2 Остановка блока льда и увеличение его скорости за счет добавления импульса прибывшей льдины;
D. Потеря устойчивости блока льда;
E. Наличие чистой воды перед сооружением.
Для расчета абразии материала конструкции использована методика расчета величины истирания с учетом вероятностных характеристик входных параметров.
Гистограмма колебания уровня моря вводится в программу по истиранию бетона ледяным покровом наряду с другими данными, влияющими на степень истирания конструкции.
Вся кинетическая энергия льдины приравнивается к работе контактной силы на пути внедрения опоры в лед. Контактная сила определяется согласно СНиП, как произведение значения предела прочности льда на сжатие R на площадь зоны контакта, а геометрия зоны контакта определяется формой опоры сооружения.
Компьютерная программа реализована с помощью программной технологии Microsoft.NET Framework 3.5 на языке С#. В качестве входных параметров использовались гистограммы сплоченности льда, размеров льдин, толщины, прочности и скорости льда по восьми румбам с учетом колебаний уровня моря. На выходе получены эпюры глубины абразии по высоте ледовой зоны от полей, битого льда, определена суммарная глубина ледовой абразии для срока службы плах форм 40 лет порядка 6 см
Тестовые расчеты с фактически измеренными абразиями на трех маяках в Ботническом заливе показали удовлетворительное соответствие. Это позволяет проектировщикам использовать утолщение опор на данную величину, а не использовать стальные антиледовые пояса стоимостью 10 млн. долларов, которые использовались для аналогичных конструкций для месторождений Пилыун-
Астохское и Луньское (2005). В зимний сезон 2006 г. один из поясов был разрушен. С сентября по май будет реконструирован сухой док в п.Восточный, и к июню 2012 г. в сухом доке будет построено ж.б. основание гравитационного типа для ExxonMobil.
Совместное участие в нефтегазовых проектах ППС ДВГТУ (научно-образовательного центра «Строительство, новые материалы и качество объектов инфраструктуры и континентального шельфа»), компании ООО «НПО «Гидротекс» с использованием приобретенного по инновационной образовательной программе оборудования, приборов, программного обеспечения, с участием магистрантов и аспирантов кафедры гидротехники позволило создать задел для развития инновационных технологий и внедрения их в практику.
ЛИТЕРАТУРА
1. ПБ 08-623-00. Правила безопасности при разведке и разработке нефтяных газовых месторождений на континентальном шельфе. М., 2000.
2. Руководство по осмотру и техническому обслуживанию ЖОГТ платформы «ПА-Б». Документ № 3000-J-90-02-M-8102-00-01. Трондхейм, Акер Квернер Технолоджи АС, 2005.
Легаев В.А., Легаева И.В. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДЕЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОДИНАКОВОГО УКЛОНА
В инженерной практике при определении объемов работ, потребностей в расходных материалах, возникает необходимость в определении площадей конструкций, покрытий, земельных откосов.
По предлагаемому методу поверхность сложной конструкции разбивается на участки, состоящие из частей конической поверхности или плоскостей, образующие которых наклонены к горизонтальной плоскости под одним углом.
Тогда площадь поверхности с одинаковым уклоном определится как:
cos от
где F’- горизонтальная проекция плоскости участка, а - угол наклона образующей к горизонтальной плоскости.
Поверхность одинакового уклона можно рассматривать как суммарную поверхность, состоящую из большого числа малых: треугольников, если это коническая поверхность, либо площадь сложной конфигурации, которая определяется графическим интергрированием.
В графическом материале, выполненном в числовых отметках, угол уклона поверхности определится интервалом заложения, a F' проекцией плоскости.
На рисунке показан фрагмент торсовой поверхности, величина F’ определится площадью контура acdba, а угол а — преобразованием образующей торса в прямую уровня.
