CC BY
15
Увеличение сдвиговой и несущей способности ледостойкой гравитационной платформы
В.В. Ярошик, А.М. Буров, М.А. Савин Волгоградский государственный технический университет Аннотация: Представлены результаты теоретических исследований и анализ методов, которые позволят существенно снизить вес гравитационной нефтедобывающей платформы. При этом сохранится ее статическая, динамическая, а также сдвиговая устойчивость под воздействием ветровой, волновой, ледовой нагрузки и нагрузки от течения. С целью снижения веса и габаритных размеров, предложено нижнюю часть основания платформы оконтуривать металлической шпунтовой стенкой. В результате теоретических исследований, найдена зависимость сдвигающего усилия под воздействием внешних сил, действующих на платформу при эксплуатации, от физико-механических свойств грунта и размеров шпунтовой стенки, что позволит существенно снизить вес платформы и стоимость ее строительства.
Ключевые слова: гравитационная нефтедобывающая платформа, сдвиговая устойчивость, шпунтованная стенка, действующие на платформу внешние силы, устойчивость от опрокидывания.
Для освоения морских месторождений возникла необходимость проектирования и строительства морских ледостойких платформ, которые могли бы эксплуатироваться в глубоководных районах, подверженных сильному волновому, ветровому и ледовому воздействию. Существуют несколько разновидностей таких платформ. Это стационарная ледостойкая платформа на свайном основании и гравитационного типа, полупогружная буровая платформа, самоподъемная буровая платформа [1-3]. Заслуживает внимания гравитационная платформа. Гравитационная платформа с буровым комплексом предназначена для бурения, добычи, подготовки продукции для транспортирования. Сооружение состоит из опорного блока кессонного типа и верхнего строения. В состав верхнего строения входят добывающий блок, технологический и энергетический комплекс.
Под термином «гравитационные» понимаются все платформы, удерживаемые на дне за счет собственного веса и связей нижней части платформы с грунтом основания. Районы применения МСП-ГТ (морская стационарная платформа гравитационного типа) обусловливаются, главным образом, мощными силовыми воздействиями на платформу, стремящимися сдвинуть или опрокинуть ее. Такими силовыми воздействиями являются: сейсмические воздействия, течение, волны, ветер и особенно подвижки льда в зимний период.
В данной работе сделан анализ методов, которые позволят существенно снизить вес платформы при сохранении статической и динамической определенности положения платформы, находящегося под воздействием любых внешних и внутренних сил, а также сдвиговой устойчивости [4,5].
В качестве примера рассмотрим гравитационную платформу, эксплуатируемую в районе нефтяного месторождения, расположенного на юго-восточном мелководном шельфе Баренцева моря.
Устойчивость платформы на сдвиг в безледовой период будет обеспечена, если:
f * (О -у Ув) > Qв+ Qвол + Qт , (1)
где f - коэффициент трения опорного основания (кессона) о грунт (принимаем f = 0,5 ;
Ув - объем вытесненной воды, м3 D - вес платформы с твердым и жидким балластом, тс Qв - ветровая нагрузка, кН; Qвол - волновая нагрузка, кН; Qт- нагрузка от течения. кН. Устойчивость платформы от опрокидывания будет обеспечена, если:
□ Ь * (О -у Ув) в = Mw - M вол^ т , (2)
М Инженерный вестник Дона, №5 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2021/6994
где □ Ь * (О -у Ув) = 0,5 * 126 = 63м - плечо силы (О -у Ув); Mw - ветровой момент, кН>м; M вол.- волновой момент, кН>м; M т - момент нагрузки от течения, кН>м .
В ледовый период устойчивость платформы на сдвиг будет обеспечена,
если:
f * (О -у Ув) > Qв+ Fh + дт, (3)
где Fh - горизонтальная составляющая ледовой нагрузки. Расчет нагрузок от действия волн и течений выполняется в соответствии с методикой, изложенной в СП 38.13330.2012 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения».
Ветровые нагрузки определяются по формуле 4, кН: Qw = 10 -3 р w ( ZSi • к li• к 2i (4)
где - равнодействующая сила ветра, кН;
р ^ w10, Si, k1i ,k2i - коэффициенты, принимаемые по таблицам, изложенным в СП.20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия».
Схема площади парусности приведена на рис. 1. Ветровые моменты относительно плоскости опирания определены по формуле 5, кН • м: Mwz = Qw • (Нс + к Д (5)
Ледовая нагрузка
Проблемы при выборе типа морской стационарной платформы для работы в ледовых условиях приведены [6,7]. Нагрузку от воздействия движущегося ледяного поля (рис.2) следует определять по формулам:
М Инженерный вестник Дона, №5 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2021/6994
Рис.1. Схема площади парусности
а) горизонтальную составляющую нагрузки ^ И , МН,
^ И = кЪ Я/Ък й 1ё(Ъ+ аг^) + т к [1+А1 (/ - 0,1) + А2 (/ - 0,1)2 ]Ъ , (6)
б) вертикальную составляющую нагрузки МН,
^ = кЪЮ Я/Ъкй + ту [1+А3 ^ - 0, 1)] Ъ, (7)
где к Ъ, к0, тк ,А], А2, А3, ту - коэффициенты, принимаемые по таблицам изложенных в СП 38.13330.2012 ;
/- коэффициент трения.
Момент от воздействия ледяного поля относительно нижнего ребра (отметка 0,00 м) тыльной грани кессона Млп., МН*м, вычислим по формуле:
Мпп = * И г - Fv * И
v,
(8)
1
9 ш
Рис.2. Схема приложения нагрузок от движущегося ледяного поля на сооружение откосного профиля
Расчет нагрузок от течения на опорное основание платформы, поставленной на дно.
Нагрузка Н на преграду (подводную часть кессона) и расстояние от точки ее приложения до расчетного уровня водоема ^ м, определяются по формуле Н:
где Сх , р , Ь , V — коэффициенты, принимаемые по таблицам, изложенным в
При действии всех внешних сил на платформу, устойчивость на грунте при эксплуатации обеспечивается за счет собственного веса и коэффициента трения. С целью снижения веса и габаритных размеров, нижнюю часть основания платформы оконтуриваем металлической шпунтовой стенкой. Конструкция состоит из направляющего кондуктора, в который устанавливаются поочередно шпунты [8]. Забивка шпунта на необходимую глубину осуществляется с помощью свайных молотов. Одним из наиболее экономически выгодных шпунтов является шпунт Ларсена. Сопротивление грунта сдвигу определяется [9,10]:
2 2 2 Qт = 0,5 * Сх * р * Ь * v /6 * (V 0 +v0 * Vg + V ё),
(9)
СП 38.13330.2012.
Устойчивость платформы на грунте
М Инженерный вестник Дона, №5 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2021/6994
Т =0 ^ ф +С, (10)
где ф - угол внутреннего трения, с - сцепление грунта.
Используя шпунтовую стенку по всему периметру основания платформы разной высоты и соответственно площади, определим величину сдвигающего усилия, в зависимости от категории грунта по формуле 11:
Ф * (Б - уУв) = Бсдв.; (11)
*
где (О - уУв) величина выигрыша веса платформы в воде, кН; Бсдв - величина сдвигающего усилия, кН.
Результаты вычислений сведены в таблицу 1. На рисунке 3 приведена зависимость сдвигающего усилия от свойств грунта и высоты шпунтовой стенки.
Таблица 1
Зависимость сдвигающего усилия, от свойств грунта и высоты шпунтовой стенки
м К к К Предел прочности на сдвиг, суглинок, 1=0,2 Мпа Предел прочности на сдвиг, глина, 1=0,3 Мпа
и т с Вес Площад Сдвигаю Уменьше Вес Площад Сдвигаю Уменьше
й о в о шпунто ь щее ние веса шпунто ь щее ние веса
т н у С ш а т о с ы т вой стенки, шпунто вой усилие, кН опорного блока, вой стенки, шпунто вой усилие, кН опорного блока,
кН стенки м2 кН кН стенки м2 кН
3 2156 750 150000 297844 2156 750 225000 447844
4 2695 1000 200000 397305 2695 1000 300000 597305
5 3234 1250 250000 496766 3234 1250 375000 746766
6 3773 1500 300000 596145 3773 1500 450000 896227
Рис 3. Зависимость сдвигающего усилия от свойств грунта и высоты шпунтовой стенки.
В результате теоретических исследований, найдена зависимость сдвигающего усилия под воздействием внешних сил, действующих на платформу при эксплуатации, от физико-механических свойств грунта и размеров шпунтовой стенки, что позволит существенно снизить вес платформы и стоимость ее строительства. Результаты исследования могут быть использованы для проектирования морских нефтегазовых сооружений.
Литература
1. Бородавкин П.П. Морские нефтегазовые сооружения, часть I. Конструирование: учеб. для вузов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2006. 422 с.
2. Ярошик В.В., Краснов М.С. Разработка ледостойкой конструкции райзерного блока кессонного типа // Ежегодная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и студентов Волгоградского государственного архитектурно-строительного
университета: материалы конф, Волгоград, 29-30 апр. 2014 г: в 2 ч. -Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2014. - Ч. 1. - С. 178-180.
3. Перфилов В. А., и др. Проектирование и строительство морских нефтегазовых сооружений: в 2 ч. Рек. УМО РАЕ по клас. унив. и техн. образованию. Учебник. Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2018. - с. 296-300.
4. Бреббиа К., Уокер С. Динамика морских сооружений. - Пер. с англ. -Л.: Судостроение, 1983. -232 с.
5. Картамышев П.И., Благовидов Л.Б., Морозов Е.П, Перец Н.Я. Перспективные направления проектирования и строительства морских стационарных платформ. // Технология судостроения, 1990, № 9, с. 24-26.
6. Ильина, С. В. Проблемы при выборе типа морской стационарной платформы для работы в ледовых условиях // Технические науки в России и за рубежом: материалы I Междунар. науч. конф. (г. Москва, май 2011 г.). — Москва: Ваш полиграфический партнер, 2011. — С. 86-91.
7. Тухарели В.Д., Тухарели А.В., Очиров Н.Д. Особенности организации строительства объектов нефтегазовой отрасли // Инженерный вестник Дона, 2018, №3. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5088.
8. Ярошик В.В., Малышев Г.А. Технология возведения опорной стенки искусственного острова под кустовое бурение // Ежегодная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и студентов Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета: материалы конф., Волгоград, 29-30 апр. 2014 г.: в 2 ч. - Изд-во ВолгГАСУ, 2014. - Ч. 1. - С. 184-187.
9. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии). СПб.: Изд-во Лань, 2012. - 415 с.
10. Заручевных И.Ю., Невзоров А.Л. Механика грунтов в схемах и таблицах. - М.: Изд-во АСВ, 2007. - 134 с.
References
1. Borodavkin P.P. Morskie neftegazovy'e sooruzheniya, chast' I. Konstruirovanie: ucheb. dlya vuzov [Offshore oil and gas facilities, part I. Construction: studies. for universities]. M. OOO «Nedra-Biznescentr», 2006. 422 p.
2. Yaroshik V.V., Krasnov M.S. Razrabotka ledostojkoj konstrukcii rajzernogo bloka kessonnogo tipa. Ezhegodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya professorsko-prepodavatel'skogo sostava i studentov Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta: materialy konf. Volgograd, 29-30 apr. 2014 g. v 2 ch. Izd-vo VolgGASU, 2014. Ch. 1. pp. 178-180.
3. Perfilov V. A., i dr. Proektirovanie i stroitel'stvo morskix neftegazovy'x sooruzhenij [Design and construction of offshore oil and gas facilities]. V 2 ch. Rek. UMO RAE po klas. univ. i texn. Obrazovaniyu. Uchebnik. Volgograd, izd-vo VolgGTU, 2018. pp. 296-300.
4. Brebbia K., Uoker S. Dinamika morskix sooruzhenij [Dynamics of offshore structures]. Per. s angl. L. Sudostroenie, 1983. 232 p.
5. Kartamy'shev P.I., Blagovidov L.B., Morozov E.P, Perecz N.Ya. Tekhnologiya sudostroeniya, 1990, № 9, pp. 24-26.
6. Il'ina, S. V. Tekhnicheskie nauki v Rossii i za rubezhom: materialy I Mezhdunar. nauch. konf. (g. Moskva, maj 2011 g.). Moskva: Vash poligraficheskij partner, 2011. pp. 86-917.
7. Tuxareli V.D., Tuxareli A.V., Ochirov N.D. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №3. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5088.
8. Yaroshik V.V., Maly'shev G.A. Texnologiya vozvedeniya opornoj stenki iskusstvennogo ostrova pod kustovoe burenie. Ezhegodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya professorsko-prepodavatel'skogo sostava i studentov Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta: materialy konf., Volgograd, 29-30 apr. 2014 g.: v 2 ch. Izd-vo VolgGASU, 2014.
CH. 1. - S. 184-187.9. Dalmatov B.I. Mexanika gruntov, osnovaniya i fundamenty' (vklyuchaya special'ny'j kurs inzhenernoj geologii) [Soil mechanics, foundations and foundations (including a special course in engineering geology)]. SPb. Izd-vo Lan, 2012. 415 p.
10. Zaruchevnyx I.Yu., Nevzorov A.L. Mexanika gruntov v sxemax i tabliczax [Soil mechanics in diagrams and tables]. M. Izd-vo ASV, 2007. 134 p.
