Центр Компьютерного Инжиниринга "Нумерика"

ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ЛЕДОВОЙ НАГРУЗКИ НА ОПОРЫ САМОПОДЪЁМНОЙ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Инженеры-гидротехники ЦКИ «Нумерика» выполнили расчет ледовых нагрузок на многоопорную самоподъемную буровую установку с предоставленной заказчиком конфигурацией опор. Расчеты выполнены по нормативным документам РФ (СП и НД), международным нормам ISO, нормативам Канады (CAN), Швеции (Elforsk) и Германии (GL).
Дата: ноябрь 2022 г.
Введение
Самоподъёмная буровая установка (СПБУ) – плавучее техническое средство, предназначенное для бурения, способное подниматься над поверхностью моря на опорах, опирающихся на грунт. Колонны способны двигаться вертикально относительно основного корпуса (понтона) СПБУ является сооружением с системой опор. Соответственно расчет ледовой нагрузки необходимо производить для нескольких направлений дрейфа как для многоопорного сооружения.
Изображение

Самоподъемная плавучая буровая установка СПБУ 6500/100

Большинство нормативных документов требуют учитывать несколько сценариев воздействия ледяных полей. Анализируя методики расчёта ледовой нагрузки по различным российским нормативным методикам, можно сказать, что результирующая величина ледовой нагрузки может сильно разниться в зависимости от применяемых стандартов и назначаемых параметров ледового режима, величины которых требуют отдельного обоснования. Также несоответствие нормативных документов объясняется различной степенью давности их разработки и отличающихся подходах к учету процессов, происходящих при взаимодействии ледяного поля с цилиндрической опорой.

Целью работы является оценка и сравнение величины ледовой нагрузки, определенной по различным нормативным документам.

Исходные данные для расчета
В соответствии с техническим заданием расчет ледовой нагрузки предполагается на опоры СПБУ с конфигурацией, представленной на рисунке. Необходимые для расчета нагрузки геометрические параметры: просветы между колоннами S1 и S2 составляют 31,87 и 41,93 м. Ширина одной опоры b = 4,2 м.
  • Изображение
    Расчетные направления дрейфа льда и характерные расстояния между опорами СПБУ
Ледовый режим арктических регионов является малоизученным и характеризуется недостатком данных многолетних наблюдений. Также сезонная изменчивость физико-механических свойств льда и климатических условий повышают сложность задачи определения расчетных параметров в инженерной практике. Основными параметрами ледового режима арктических акваторий являются следующие: толщина льда и температура воздуха заданной обеспеченности, площадь и сплоченность дрейфующих ледяных полей, прочность льда на сжатие, растяжение и изгиб. Несмотря на комплексность задачи определения данных величин для конкретных регионов, на сегодняшний день нормативные документы предлагают различные методы их определения. Как правило, имеющиеся методики основаны на эмпирических выражениях, полученных в результате выполнения экспериментальных исследований. Так, российские нормы СП 38.13330.2018 [1] предлагают справочные значения прочности льда на сжатие и изгиб при различных температурах, солености и необходимой статистической обеспеченности. Закон распределения температур в ледяном покрове допускается принимать линейным.

В данном отчете прочность льда для расчета ледовых нагрузок на опоры СПБУ принимается в соответствии с исследованиями Chai и др. [2] Rc ≈ 5 МПа. Скорость дрейфа ледяного покрова принимается переменной в диапазоне от 0,01 до 0,5 м/с. Площадь расчетного ледяного поля также принята в диапазоне от 1000 до 2 400 000 м2. Толщину льда для буровых установок (I класс гидротехнического сооружения) необходимо назначать равной толщине с ежегодной вероятностью превышения равной 0,1%. В арктическом регионе толщина льда данной обеспеченности может достигать 2,5 м [3].

Таким образом, характеристики ледового режима, принятые для расчета ледовых нагрузок на СПБУ приведены в таблице.

  • Изображение
    Расчетные характеристики ледового режима
Методика расчета
Основными нормативными документами РФ в части определения расчетного значения глобальных ледовых нагрузок на морские гидротехнические сооружения являются следующие.
СП 38.13330.2018 [1]. Настоящий нормативный документ является стандартом Российской Федерации и содержит требования к расчету, проектированию, обоснованию надежности и безопасности гидротехнических сооружений. В соответствии с этим стандартом, глобальная горизонтальная нагрузка Fn, МН, при взаимодействии ровного льда с многоопорной платформой, содержащей в районе действия льда многорядную систему из вертикальных опор количеством n, определяется по формуле:
где 𝐹1 – сила от воздействия ледяных полей на один элемент шириной 𝑏 рассматриваемого сооружения, определяемая по формулам ледовой нагрузки для отдельно стоящих опор;
𝑘bn – коэффициент смятия, учитывающий влияние сложного напряженно-деформированного состояния ледяного поля на предел прочности льда и определяемый по таблице 18 [1] для суммарной ширины 𝑛 элементов, входящих в сооружение.
𝑘b – коэффициент смятия, определяемый по таблице 18 [1] для одного элемента сооружения;
𝑆 – величина просвета между опорами в направлении перпендикулярном направлению дрейфа, м;
𝑏 – ширина одной опоры, м; 𝑏 = 4,2 м.
ℎ – расчетная толщина льда, м; ℎ = 2,5 м.

При этом, согласно п. 7.10 [1], если в ряду из 𝑛 элементов у сооружения есть 𝑗 просветов 𝑆 > 2ℎ, то ряд следует разбить на 𝑗 + 1 сооружений, между которыми просветы 𝑆 ≤ 2ℎ. Кроме того, воздействия льда от движущегося ледяного поля на опоры второго и последующих рядов, расположенных поперек направления нагрузки (движения ледяного поля), не учитывается, поскольку опоры первого ряда работают как аванпостные сооружения, у которых происходит разрушение ледяных полей.

Нагрузка от воздействия движущегося ледяного поля на одиночную опору с вертикальной передней гранью в виде цилиндрического очертания 𝐹𝑐,𝑝, МН, в случае его остановки определяется по формуле
где 𝑉 – скорость движения ледяного поля, м/с;
ℎ – толщина ровного льда, м;
𝑚 – коэффициент формы опоры в плане, принимаемый по таблице 17 [1];
𝐴 – максимальная площадь ледяного поля (или суммарная площадь нескольких ледяных полей, оказывающих давление друг на друга), которая может воздействовать на рассчитываемый элемент сооружения, м2;
𝑘b – коэффициент смятия, определяемый в зависимости от отношения ширины опоры 𝑏 к толщине льда ℎ по таблице 18 [1];
𝑘V – коэффициент, принимаемый по таблице 19 [1] в зависимости от эффективной скорости деформации льда в зоне его взаимодействия с опорой 𝜀𝑒;
𝛾 – половина угла заострения передней грани опоры в плане на уровне действия льда, принимаемый для опоры в виде полуциркульного очертания равным 70°;
𝑅 – предел прочности льда при сжатии, МПа; 𝑅 = 5 МПа
𝜌 – плотность воды, кг/м3; 𝜌 = 1020 кг/м3.

При этом, нагрузка 𝐹𝑐,𝑝 не может быть больше нагрузки в случае прорезания ледяным полем опоры 𝐹𝑏,𝑝 МН, определяемой по модифицированной формуле Коржавина, предложенной Гладковым М.Г. [4]:
Для определения величин ледовой нагрузки необходимо рассмотреть два сценария воздействия ледяных полей в процессе эксплуатации СПБУ: сценарий остановки ледяного покрова и сценарий прорезания льда опорами.
МРС НД 2-020201-018 [5]. Настоящие правила Российского морского регистра судоходства устанавливают требования, специфичные для плавучих буровых установок и морских стационарных платформ, учитывают рекомендации Кодекса ИМО по проектированию и оборудованию плавучих буровых установок, принятые Ассамблеей ИМО 2 декабря 2009 года. В этом случае ледовая нагрузка определяется по формулам
где n – количество опор; n = 3;
F1 – нагрузка на одну опору;
K2 – коэффициент; учитывающий взаимное влияние фронтальных колонн;
K3 – коэффициент, учитывающий взаимное влияние колонн и принимаемый равным 0,7 если отношение расстояния между опорами l к диаметру опоры b больше 5;
K1 – коэффициент; учитывающий неоднородность свойств льда:
αi – угол между направлением движения льда и нормалью к фронту сооружения.

Для определения величин ледовой нагрузки здесь также рассматривается два сценария воздействия ледяных полей в процессе эксплуатации СПБУ: сценарий остановки ледяного покрова и сценарий прорезания льда опорами.

Глобальная нагрузка от полей ровного льда на опору, соответствующая режиму остановки поля, F(с,p), Н, определяется по формуле
где 𝜌𝑖 – плотность льда, кг/м3; 𝜌𝑖 = 920 кг/м3.
𝑑1 – эквивалентный диаметр поля, м:
Ледовая нагрузка от полей ровного льда на опору, соответствующая режиму прорезания, 𝐹𝑏,𝑝, МН, определяется по формуле
kL – коэффициент, который учитывает влияние на нагрузку соотношения между площадью поля A и диаметром сооружения b.

Остальные параметры в формулах соответствуют параметрам в методике СП 38.13330.2018.

Как видно из формул методики СП и НД (МРС) учитывают скорость дрейфа, площадь ледяного поля и взаимовлияние опор сооружения на результирующую величину ледовой нагрузки. При этом обе методики предполагают расчет в два этапа – расчет ледовой нагрузки на одну опору шириной b и последующий расчет нагрузки на сооружение как многоопорную систему. Однако в связи с особенностями методики СП 38.13330.2018 [1] в части учета величины просветов и взаимного расположения колонн в рассматриваемой конструкции буровой установки глобальная нагрузка будет определяться из предположения, что каждая опора работает отдельно по следующим причинам:

- просветы между колоннами S1 и S2 составляют 31,87 и 41,93 м соответственно, что при толщине льда hd равной 2,5 м приводит к необходимости разбивать ряд на j+1 сооружений. Так как установка является трёхопорной, то в одном из рядов цилиндрическая опора будет рассчитываться как отдельно стоящее сооружение;

- максимальное расстояние между элементами ряда lmax, при котором происходит срез льда между этими элементами, превышает фактическое расстояние между осями опор l1 и l2. Поэтому в соответствии с п. 7.11 [1] каждый элемент в ряду, расположенный вдоль направления движения ледяных полей, работает независимо друг от друга.
  • Изображение
    Расчетные направления дрейфа льда и характерные расстояния между опорами СПБУ
Таким образом по методике СП 38.13330.2018 [1] данную конструкцию СБПУ необходимо рассчитывать в соответствии с двумя расчетными случаями:

- ледяное поле движется таким образом, что одна из опор оказывается «в тени» другой. В данном случае соблюдается условие S≥2h и сооружение разбивается на два условных сооружения. Ледовая нагрузка на сооружение будет определяться суммой ледовых нагрузок на опоры первого ряда, так как нагрузка на опору «в тени» не учитывается;

- ледяное поле движется под углом к ряду так, что воздействие оказывается на все три опоры сооружения. В данном случае соблюдаются условия S ≥ 2h и l >lmax, что в соответствии с п. 7.11 и 7.15 приводит к расчету ледовой нагрузки отдельно на каждую из опор.

Для принятых параметров ледового режима был произведен расчет величины ледовой нагрузки в зависимости от скорости дрейфа и площади ледяного поля по методикам СП 38.13330.2018 и НД 2-020201-018. Результаты расчета ледовой нагрузки представлены на рисунках, а также таблице.
  • Изображение
    Ледовая нагрузка на каждую опору СПБУ по методике СП независимо от направления
  • Изображение
    Ледовая нагрузка по методике МРС при воздействии льда на одну опору (направления 1, 3 и 5)
  • Изображение
    Ледовая нагрузка по методике МРС при воздействии льда на две опоры (направления 2, 4 и 6)
  • Изображение
    Ледовая нагрузка по методике МРС при воздействии льда на три опоры во всех направлениях (режим прорезания)
    • Изображение
      Величина ледовой нагрузки, МН, на СПБУ как на многоопорное сооружение:
    В результате расчетов установлено, что нагрузка по методике СП значительно превышает нагрузку по МРС, как в случае расчета для отдельной опоры, так и для всего сооружения в целом.

    Зарубежные нормативные методики не предлагают зависимостей для расчета нагрузок на многоопорные системы, но содержат положения для расчета нагрузки на одну опору по сценарию прорезания

    ISO/FDIS 19906:2019(E) [6]. Этот документ был разработан Международной организацией по стандартизации (ISO) и устанавливает требования, содержит рекомендации по проектированию, строительству, транспортировке, монтажу и выводу из эксплуатации морских сооружений, связанных с деятельностью нефтегазовой отрасли в Арктических и холодных регионах. На основании этого документа глобальная ледовая нагрузка определяется следующим образом:
    где 𝐶R – коэффициент прочности льда, МПа;
    𝑛 и 𝑚 – эмпирические коэффициенты;
    𝑓AR – эмпирическая величина:
    CAN/CSA-S471-04 [7]. Данный документ является национальным стандартом Канады. В этом стандарте используются степенные зависимости давления льда от номинальной площади контакта, которые были получены в результате обработки большого объема данных о давлении льда на корпусах ледоколов Kigoriak, Polar Sea, MV Arctic, Manhattan и Oden в канадских водах. Кодекс рекомендует две различные формулы для расчета ледовой нагрузки в зависимости от отношения ширины конструкции к толщине ледяного поля. Глобальная ледовая нагрузка 𝐹𝑏,𝑝 определяется следующим образом:
    где AN – номинальная площадь контакта, м2;

    𝐶𝑝, 𝐷𝑝 и 𝐸𝑝 – эмпирические параметры.

    Elforsk rapport 09:55 [8]. Этот отчет шведской исследовательской энергетической компании содержит рекомендации, описание механизмов ледовой нагрузки и статистические данные по Балтийскому морю. В соответствии с рекомендациями настоящего отчета ледовая нагрузка от ледяных полей, действующих на сооружения, может быть оценена по формуле Коржавина:
    где 𝑘𝑐 – коэффициент контакта, учитывающий неполноту контакта льда с сооружением.
    GL 2005. IV-Part 6 [9]. Этот нормативный документ является национальным стандартом Германии и предназначен для оценки свойств морского льда и ледовых нагрузок на морские сооружения. Нагрузка на лед определяется по формуле, полученной несколькими авторами в Университете Айовы на основе маломасштабных испытаний:
    где 𝑘 – эмпирический коэффициент.

    Результаты расчета ледовых нагрузок для принятых параметров ледового режима представлены на рисунке. Из рисунка видно, что международные нормы ISO/FDIS 19906:2019(E) [6] чрезмерно завышают значение ледовой нагрузки. В то же время результаты расчета по нормам [7-9] значительно ниже значений, полученных по российским нормативным документам, что связано с несоответствием методик определения коэффициентов смятия и отсутствием коэффициента скорости деформаций.

    Учитывая вышесказанное, расчетное значение ледовой нагрузки рекомендуется принимать равным рассчитанному в соответствии с требованиями российского нормативного документа СП 38.13330.2018.
    • Изображение
      Расчетные значения ледовой нагрузки при сценарии прорезания льда одной опорой, рассчитанные в соответствии с отечественными и зарубежными методиками
    Заключение
    В данной работе был выполнен расчет ледовой нагрузки на опоры самоподъемной плавучей буровой установки по положениям российских и зарубежных нормативных документов. Результаты показали, что расчеты по российским нормативным документам позволяют получить близкие результаты для одиночной опоры. Зарубежные нормативы либо значительно завышают, либо недооценивают величину нагрузки от дрейфующих ледяных полей для представленных исходных данных.
    Инженеры ЦКИ «Нумерика» также обладают компетенциями для детального определения иных нагрузок и воздействий на сооружения континентального шельфа и конструкций промышленного и гражданского назначения.

    Список источников
    1. СП 38.13330.2018 Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). СНиП 2.06.04-82*. – Введ. 2019-02-17. - М : Минстрой России, 2018 г.. - 127 с.
    2. Chai, W., Leira, B.J., Høyland, K.V. et al. Statistics of thickness and strength of first-year ice along the Northern Sea Route. J Mar Sci Technol 26, 331–343 (2021). https://doi.org/10.1007/s00773-020-00742-5
    3. Положительное заключение государственной экспертизы №581-14/ГГЭ-8066/04 (№ в Реестре 00-1-4-1785-14); Утв. 30.04.2014 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rosmorport.ru/media/File/arf/eco/Zakl_30-04-2014_581.pdf;
    4. Гладков М. Г. Нагрузки и воздействия льда на морские гидротехнические сооружения: дис. … докт. тех. наук: 05.23.07 / Гладков Михаил Григорьевич. - Санкт-Петербург : [б.н.], 1997 г.. - 181 с.
    5. НД 2-020201-015 Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. - Введ. 2018-04-01. - Санкт-Петербург : Российский морской регистр судоходства, 2018 г. - 454 с.
    6. ISO/FDIS 19906:2019(E). Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures. Final Draft. International Organisation for Standartization. ISO/TC 67/SC 7. - Vernier : ISO copyright office, 2019. - 583 p.
    7. CAN/CSA S471-04. General requirements, design criteria, the environment and loads. - Ontario : Canadion standards association, 2004. - 116 p.
    8. Fransson L. Bergdahl L Elforsk rapport 09:55 // Recommendations for design of offshore foundations exposed to ice loads. - 2009. - 43 p.
    9. GL 2005 IV. Part 6 - Offshore Installations. Chapter 7 - Guideline for the Construction of Fixed Offshore Installations. - Hamburg : Germanischer Lloyd, 2005. - 29 p.

    Оставьте заявку

    Заполните ваши контактные данные и мы свяжемся с вами как можно скорее
    Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с условиями обработки персональных данных и политикой конфиденциальности