CC BY
14Влияние условий эксплуатации на прочность и долговечность элементов опорного блока морской...
УДК 624.014: 624.047.2
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ОПОРНОГО БЛОКА МОРСКОЙ СТАЛЬНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ
ПЛАТФОРМЫ
Синцов В.П., Митрофанов А.В., Синцов А.В.
ФГОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры. Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181
Аннотация. Для обустройства данных морских месторождений используют морские стальные платформы. Морская стальная стационарная платформа (МССП) - инженерное сооружение в течение всего периода эксплуатации, который длится 25 - 35 лет, испытывает значительные внешние нагрузки и воздействия. Наиболее значительное влияние на несущие элементы морских стальных стационарных платформ оказывает: коррозия, ледовые, ветровые, механические и сейсмические воздействия. Обследования МССП позволяют сделать отдельные выводы по отношению характера и направленности коррозионного износа несущих конструкций. Специфика условий эксплуатации сооружений МССП такова, что можно условно выделить три основные зоны коррозии конструкции (подводная зона, зона переменного смачивания, надводная зона). Для изучения степени влияния отдельных факторов внешних воздействий на МССП была принята в качестве базовой конструкции - существующее конструктивное решение морской стальной стационарной платформы для Архангельского месторождения в акватории Черного моря.
Ключевые слова: морская стальная стационарная платформа, конечно - элементная модель.
ВВЕДЕНИЕ
Постановка задачи. В акваториях Черного и Азовского моря начиная с середины семидесятых годов прошлого столетия было открыто восемь газовых и газоконденсатных месторождений. На сегодняшний день шельфе Черного и Азовского морей функционирует два газоконденсатных (Голицынское и Штормовое), семь газовых (Архангельское, Стрелковое, Джанкойское, Задорненское, Восточно - Казантипское, Северо -Булганакское и Одесское) и одно нефтяное (Семеновское) месторождения. Запасы северозападной части Черноморского шельфа оцениваются в 494,6 миллиардов кубометров природного газа и 50,4 миллионов тонн нефти и конденсата, Прикерченской зоны — 321,2 млрд. кубометров и 126,8 млн тонн нефти и конденсата, континентального склона — 766,6 млрд природного газа и 232,6 млн тонн нефти и конденсата.
Для обустройства данных морских месторождений используют морские стальные платформы. Морская стальная стационарная платформа (МССП) - инженерное сооружение в течение всего периода эксплуатации, который длится 25 - 35 лет, испытывает значительные внешние нагрузки и воздействия [1,7].
Наиболее значительное влияние на несущие элементы морских стальных стационарных платформ оказывает: коррозия, ледовые, ветровые, механические и сейсмические воздействия [2...5].
Обследования МССП позволяют сделать отдельные выводы по отношению характера и
направленности коррозионного износа несущих конструкций. Специфика условий эксплуатации сооружений МССП такова, что можно условно выделить три основные зоны коррозии конструкции (подводная зона, зона переменного смачивания, надводная зона) [7, 8]. При эксплуатации конструкций в период от 20-27 лет наблюдается резкое ухудшение состояния конструкций даже при наличии протекторной антикоррозионной защиты (появление зон интенсивной язвенной коррозии, частичного разрушения элементов). При дальнейшей эксплуатации (свыше30 лет) металлоконструкции приходят в аварийное состояние, наблюдается повсеместная коррозия, разрушение элементов и узлов соединения.
Ледовые воздействия на конструкцию принимаются по критическим нагрузкам для льда. В общем случае ледовые воздействия определяются как произведение прочностной характеристики льда при сжатии, ширины сооружения по бровке, толщины льда и коэффициентов, учитывающих условия контакта между сооружением и льдом, форму сооружения, напряженное состояние льда, скорость дрейфа льда [3].
Ветровые волны являются основным источником природных нагрузок, действующих на морские платформы, при отсутствии ледового воздействия. Такие волны являются, нерегулярными по форме, могут меняться по высоте и длине и могут подходить к платформе с одного или более направлений одновременно и учет их при расчетах опорных конструкций МССП очень важен [3, 4].
Рис. 1. Общий вид МССП для Архангельского месторождения
Механические воздействия (навал судов) на конструкции МССП оцениваются в зависимости от водоизмещения судов, так водоизмещение судов, швартуемых к МССП, не должно превышать 3 тыс. тонн [1, 3].
Для изучения степени влияния отдельных факторов внешних воздействий на МССП была принята в качестве базовой конструкции - существующее конструктивное решение морской стальной стационарной платформы для Архангельского месторождения в акватории Черного моря (рис. 1). При этом был сформирован блок адекватных нагрузок, учитывающих условия эксплуатации сооружения на Архангельском месторождении. Глубина моря в точке установки составляет 51.5м [9.. .11].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Цель расчета. Выявить степень влияния вышеприведенных факторов прочность и долговечность несущих конструкций МССП в ходе ее эксплуатации.
Для этого была разработана базовая конечно-элементная модель МССП на основе конструктивного решения для Архангельского месторождения (рис. 2). На ее основе разработаны модели, на которых исследовались вопросы влияния условий эксплуатации:
- модель с уменьшенными сечениями - вследствие коррозии (на основе анализа результатов обследования для времени эксплуатации 25 лет приняты следующие: в надводной зоне на 25%, в зоне переменного смачивания на 40%, и в подводной зоне на 15%) [6, 12, 14.17];
- модель с «выключенными» либо искривлёнными элементами - последствия столкновения судов с опорным блоком [6, 12, 14.17].
Базовая модель МССП представляет собой пространственную стержневую систему, которая включает опорный блок, придонный блок со свайным основанием, трёхъярусное верхнее строение и систему обсадных труб для бурения эксплуатационных скважин.
Рис. 2. Базовая конечно-элементная модель. а) 3-Д вид; б) вид сбоку с конструкцией под газовый факел
При создании расчетной базовой модели использованы конечные элементы следующих типов: для стержней - КЭ 10, для элементов настила палубы и узлов крепления направляющих к придонному блоку - КЭ 41 (элемент оболочка), для моделирования грунтового основания - КЭ 56
(узловой элемент с характеристиками соответствующими определенным грунтам основания). В качестве нагружений принимались внешние воздействия приведенные в таблице РСУ на рис. 3 [12...15, 17].
Сводная таблица для вычисления РСУ;
N-. I И мя за г рц жени я
Параметры РСУ
вес оборудования вес обрастания выталкивающая сила присоединенная масса воды сейсмика по X сейсмика по У волнение 90 - по У волнение юго запад сейсмика ХУ
G 0 0 0 0 0 0 1.10 1.00
1 0 0 0 С 0 0 1.20 1.00
0 0 0 0 0 0 0 1.101.00
0 0 0 0 0 0 0 1.10 1.00
0 0 0 0 0 0 0 1.10 1.00
0 1 1 0 0 0 1.00 0.00
0 1 1 0 0 0 1.00 £1.00
0 0 2 0 0 0 .20 0.35
0 0 2 0 0 0 1.20 0.35
0 1 1 0 0 0 1.00 0.00
5]__
Коз ФФицнеты РШ
1 00 1 00 0.30
1 00 0.
1.00 1.
1.00 1.
1.00 1.
0.00 0.
0.00 0.
1.00 0.
1.00 0.
0.00 0.
95 0.80 00 0.30 00 0.30 00 0.30 00 1.00 00 1.00 30 0.00 30 0.00 00 1.00
Коэффициенты для РСУ
# 1 ochoe. /2 OCHOIj. Особ.(С) Особ. (S.C) 5 сочег.
1 1 00 1 00 0 эо 0 00 0 0
2 1 00 0 95 0 80 0 00 0 0
3 1 00 1 00 0 90 0 00 0 0
4 1 00 1 00 0 90 0.00 0.0
5 1 00 1 00 0 90 0 00 0 0
6 0 00 0 00 1 00 0.00 0 0
7 0.00 0 00 1 00 0 00 0 0
8 1 00 о.эо 0.00 0.00 0.0
Э 1 00 о.эо 0 00 0 00 0 0
10 0 00 0 00 1 00 0 00 0 0
<! I h
Рис. 3. Расчетные сочетания и перечень действующих нагрузок на МССП
Опорный блок МССП для данного типа платформ запроектирован пирамидального типа, поэтому для принятия расчетного сечения пояса анализируем сечение пояса по высоте как минимум в трех сечениях: - стык придонного блока с опорным блоком, - зона переменного смачивания, - нижнее сечение надводной части опорного блока (переход пирамидального блока в призматический). Сечение поясов опорного блока принято по расчету из трубы
бесшовной 720х15 по ГОСТ 8732-88* из стали С255 по ГОСТ 27777-88.
Результатами расчета базовой и последующих моделей являются мозаики перемещений узлов модели, мозаики внутренних усилий (для элементов опорного и придонного блоков - в первую очередь мозаики продольных сил), для остальных - комплекс мозаик N М и О (рис.4.), и в завершении таблицы проверки предельных состояний, которые
приведены на рис. 5.10.
ле м -I» -ш л л -1 л 1» 1! и ш ."».Я! лм ял .и» -1л ш 1М »1 ш т ш
Рис. 4. Мозаики внутренних продольных усилий в несущих элементах МССП. а) от собственного веса конструкций; б) от волнения моря в направлении юго-запад; в) сейсмика по направлению У; г) сейсмика по направлению Х.
Результаты проверки
Сечение 1. Труба 720 х 15
П рофил ь 720 х 15; ГО СТ 8732 - 78*
Сталь С255; ГОСТ 27772-88
Сортамент Труба бесшовная горячекатаная. Сокращенный сортамент
проценты использования по 1ПС
по норм. уст.отн.У1 ycr.OTH.Z1 П МИН. уст.стен ки
85.5 75.7 75.7 0.88 70.9
проценты и сп оль за в. па 2ПС св одн ы е%%и сп ол ь зо в.
гибк. отн.У1 гибк. отн.И1 1ПС 2ПС м естн.устой ч.
34.1 34.1 85.8 34.1 70. Э
КО
1И0К ет
Рис. 7. Проверка сечения в зоне переменного смачивания опорного блока (базовая модель)
Результаты проверки
Сечение 1. Труба 720 х Э
Профиль 720 х 9; ГОСТ 8732 - 78*
Сталь 20; ГОСТ 3731-74*
Сортамент Труба бесшовная горячекатаная
проценты использования по 1ПС
по норм. уст.отн.У1 yCT.OTH.Z1 П мин. уст.стенки уст.п олок
109.4 Э2.Э Э2.Э 0.89 89.5 0 0
проценты использов.по 2ПС сводн ы е%%и сп ол ьзов. шаг ребер/
гибк отн.У1 гибк. оти.21 1 ПС 2ПС местн.устоич. планок
37.2 37.2 109.4 37.2 39.5 нет
Рис. 5. Проверка наиболее напряженного сечения придонного блока
^я^гтяет л/гп ттр тттЛ
Результаты проверки
1. Труба 720 х 1 £
720 х 15; ГОСТ 3732 - 73*
Сталь Сортамент
С255; ГОСТ 27772-88_
Труба бесшовная горячекатаная. Сокращенный сортамент
проценты использования по 1ПС
проценты испопьзов.по 2ПС
гибк. отн.У1
св о дн ы е% % и сп оп ьзо в.
местн.устоич.
шаг ребер/ планок
Рис. 6. Проверка надводного сечения опорного блока (базовая модель)
Рис. 8. Проверка сечения опорного блока в зоне переменного смачивания (коррозионный износ 40 %)
Результаты проверки
Сечение 1. Труба 720 х 11
Профиль 720 х 11; ГОСТ 8732 - 78*
Сталь С255; ГОСТ27772-88
Сортамент Труба бесшовная горячекатаная. Сокращенный сортамент
проценты использования по 1ПС
гто норм. уст.отн.У1 yCT.0TH.Z1 Н мин. уст.стенки уст. попок
77.3 65.4 65.4 0.90 63.8 0.{
проценты использов.по 2ПС сводн ы е%%» сп ол ьзов. шаг ребер/ планок
гибк. отн.У1 гибк. 0ТН.г1 1ПС 2ПС м естн .устой ч.
27.9 27.9 77.3 27.9 63.8 нет
Рис. 9. Проверка надводного сечения опорного блока (коррозионный износ 25 %)
Результаты проверки
Сечение 1. Труба 720x13
Профиль 720 х 13; ГОСТ 6732 - 78*
Сталь С255; ГОСТ 27772-ВВ
Сортамент Труба бесшовная горячекатаная. Сокращенный сортамент
проценты нспол зования по 1ПС
по норм. ycr.oTH.Y1 ycr.OTH.Z1 П мин. уст.стенки уст полок
98.8 87.0 87.0 0.88 82.0 0.0
проценты и сп ользов.по2ПС сводн ы е%%и сп ал ьзов. шаг ребер/
гибк. отн.У1 гибк. отн.г1 1ПС 2ПС
36.2 36.2 98.8 36.2 82.0 нет
Рис. 10. Проверка подводного сечения придонного блока (коррозионный износ 15 %)
Для второго исследования использована модель с «выключенными» элементами - последствия столкновения судов с опорным блоком. Для данного исследования были удалены элементы решетки опорного блока в зоне переменного смачивания так
как она подвергается наибольшим внешним воздействиям. Для модели с «выключенными» элементами используем модель с уменьшенными толщинами несущих элементов.
б
а
______тис
Рис. 11. Мозаики проверки напряжений в элементах опорного блока по 1-му предельному состоянию.
а) при удалении одного раскоса в зоне переменного смачивания;
б) при удалении трех раскосов в зоне переменного смачивания.
Проведенные исследования показали рост напряжений в отдельных элементах опорного блока вплоть до предела текучести стали, что является недопустимым для сооружений такого класса ответственности, каким является МССП для добычи углеводородов. Поэтому для дальнейшей эксплуатации таких МССП при положительном дебете скважин необходимо произвести усиление «опасных» элементов.
ВЫВОД
Созданные пространственные конечно-элементные модели морских стальных платформ позволили проанализировать работу несущих элементов сооружений такого типа при различных внешних воздействиях.
Смоделированы ситуации, возникшие при эксплуатации и приведшие к уменьшению несущей способности элементов с учетом появления дефектов определенного свойства, что связано с особенностями их эксплуатации. Кроме того предложено конструктивное решение по усилению дефектных элементов (рис. 12).
Одним из вариантов усиления, на основании анализа результатов приведенных в источнике [16], предлагается следующее конструктивное решение -применение композитной конструкции типа «трубобетон», что позволяет восстановить и повысить несущую способность элементов опорного блока МССП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. НД N 2-020201-012 РМРС «Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок (ПБУ) и морских стационарных платформ (МСП), РМРС, Санкт-Петербург, 2010».
2. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения. ФГУП ЦПП, 2004.
3. СП 38.13330.2012 Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*.
Рис.12. Конструктивное решение усиления элементов получивших значительные дефекты при эксплуатации МССП
4. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная версия СНиП 2.01.07-85*. Минрегион России, 2010.
5. СП 14.13330.2014. "Строительство в сейсмических районах". Актуализированная редакция СНиП II-7-81*. Минстрой России, ФЦС, 2014.
6. СП 16.13330.2011. «Стальные конструкции». Актуализированная редакция. СНиП II-23-81*. Минрегион развития РФ. Москва 2011.
7. Симаков Г.А., Шхинек К.Н., Смелов В.А. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе. - Л.: Судостроение, 1989. - 328 с.
8. Отчет об оценке технического состояния металлоконструкций МСП-17. - ООО «Институт «ШЕЛЬФ»», 2010.
9. 1410РП - 1 КМ1 «Обустройство Архангельского ГМ на период промышленной разработки. Блок-кондуктор». Разработчик: ООО «Институт ШЕЛЬФ».
10. 1410РП - 1 КМ2 «Обустройство Архангельского ГМ на период промышленной разработки. Блок-кондуктор». Разработчик: ООО «Институт ШЕЛЬФ».
11. 1512АН-БК-КМ. Том 4. Книга 1.2. Стадия: Авторский надзор. «Обустройство Архангельского ГМ на период промышленной разработки. Блок-кондуктор БК-1. Конструкции металлические». Разработчик: ООО «ТРИО».
12. ЛИРА-САПР 2015 НИИАСС (Сертификаты соответствия РОСС Яи.0001.11СП15).
13. Дворецкий А.Т. «Влияние солнечной радиации на продолжительность отопительного периода зданий в Крыму»/ Дворецкий А.Т. журнал «Биосферная совместимость: человек, регион, технологии». ЮЗГУ. № 3 (7). - Курск, 2014, стр. 7481. ISSN: 2311-1518
14. Синцов В.П. «Работа элементов транспортно-монтажной рамы для транспортировки палубы стальной платформы»/ Синцов В.П., Митрофанов В.А. Научно-технический журнал "Строительство и реконструкция". № 5 (55). Орел. 2014. с.47-54. ISSN 2073-7416
15. Лютов Л.В. «Анализ работы нагельного соединения деревянных брусков с тонкой стальной пластиной» ФГБОУ ВПО «Госуинерситент - УНПК» №5 (61) (сентябрь-октябрь). 2015.
16. Митрофанов В.А. «К вопросу о работе узлов закрепления свай морских стальных платформ»/ Синцов В.П., Синцов А.В., Митрофанов В.А. Журнал НАУ № 11 (16) (ноябрь) 2015 часть 1.
17. Пакеты прикладных программ для автоматизированного проектирования конструкций 2006. / М. С. Барабаш, Ю. Д. Гераймович, А. Н. Кекух [и др.]; Под ред. Академика РААСНА. С. Городецкого. - К. : Факт.-210 с.
REFERENCES
1. ND N 2-020201-012 Russian Maritime register of shipping "Rules for classification, construction and
equipment of mobile offshore drilling units (MODU) and fixed offshore platforms (SMEs), Russian Maritime register of shipping Saint-Petersburg, 2010".
2. SNiP 33-01-2003. Waterworks. The main provisions. THE FEDERAL STATE UNITARY ENTERPRISE TSPP, 2004.
3. SP 38.13330.2012 Loads and impacts on hydraulic structures (wave, ice and from vessels). The updated edition of SNiP 2.06.04-82*.
4. SP 20.13330.2011. Loads and impacts. Actualized version of SNiP 2.01.07-85*. The Ministry Of Regional Development, 2010.
5. SP 14.13330.2014. "Construction in seismic regions". The updated edition of SNiP II-7-81*. The Ministry of construction of Russia, DSF, 2014.
6. SP 16.13330.2011. "Steel construction". Revised edition. SNiP II-23-81*. The Ministry for regional development of the Russian Federation. Moscow 2011.
7. Simakov, G. A., SHKHINEK K. N., Smelov V. A. Maritime hydraulic structures on the continental shelf. -Leningrad: Sudostroenie, 1989. - 328 p.
8. The evaluation report of technical state of metal structures of MSP-17. - LLC "Institute "SHELF"", 2010.
9. 1410РП - 1 KM1 "Development of the Arkhangelsk GM for the period of industrial development. The block-the conductor". Developer: LLC "Institute SHELF".
10. 1410РП - 1 KM2 "Development of the Arkhangelsk GM for the period of industrial development. The block-the conductor". Developer: LLC "Institute SHELF".
11. 1512АН-BK-KM. Volume 4. Book 1.2. Stage: supervision. "Development of the Arkhangelsk GM for the period of industrial development. Block conductor BK-1. The construction of metal". Developer: LLC "TRIO".
12. LIRA-SAPR 2015 NYIAS (Certificates of conformity ROSS RU.0001.11СП15).
13. Butler, A. T. "Impact of solar radiation on the duration of the heating period of buildings in the Crimea"/ Butler, A. T. the journal "Biosphere compatibility: people, region, technology". SWSU. No. 3 (7). - Kursk, 2014, p. 74-81. ISSN: 2311-1518
14. Sintsov, V. P., "elements of transport and installation frame for transportation deck steel platform"/ Sintsov, V. P. Mitrofanov, V. A. Scientific-technical journal "Building and reconstruction". No. 5 (55). Eagle. 2014. p. 47-54. ISSN 2073-7416
15. Lyutov, L. V., "Analysis of the operation pin connections wooden bars with a thin steel plate" FGBOU VPO "Govenerment - unpk" №5 (61) (September-October). 2015.
16. Mitrofanov V. A. "on the nodes of fastening the steel piles of the marine platforms"/ Sintsov V. P., Sintsov A.V., Mitrofanov V. A. Journal of NAU № 11 (16) (November) 2015 part 1.
17. Software packages for computer-aided design 2006. / M. S. Barabash, Y. D., Geraimovich, A. N. Kecoh [et al.]; Under the editorship of Academician RAASN. S. Gorodetsky. - K. : A Fact.-210 C.
THE INFLUENCE OF OPERATING CONDITIONS ON THE STRENGTH AND DURABILITY OF THE ELEMENTS OF THE SUPPORT BLOCK OF OFFSHORE STEEL PLATFORM
Sintsov V. P., Mitrofanov A. V., Sintsov A.V.
Summary. For the arrangement of these offshore fields, marine steel platforms are used. Offshore steel platform (OSP) - an engineering structure for the entire period of operation, which lasts 25 to 35 years, experiences significant external loads and impacts. The most significant effect on the bearing elements of offshore steel stationary platforms is provided by: corrosion, ice, wind, mechanical and seismic influences. Surveys of the OSP make it possible to draw separate conclusions with respect to the nature and direction of the corrosion wear of load-bearing structures. Specific conditions of operation of OSP facilities are such that it is possible to distinguish conditionally three main zones of construction corrosion (underwater zone, variable wetting zone, above-water zone). To study the degree of influence of certain external factors on the OSP, the existing design of the offshore steel stationary platform for the Arkhangelsk field in the Black Sea was adopted as the basic design. At the same time, a block of adequate loads was created, taking into account the operating conditions of the facility at the Arkhangelsk deposit. Key words: offshore steel platform, finite element model.
