В работе исследуются основные динамические нагрузки на элементы систем морских нефтегазовых построек и на основе полученных данных выявляются условия, характеризующие волновые нагрузки. Приведены основные итоги теоретических, а также опытных исследований волнового влияния на компоненты систем морских нефтегазовых построек. Предложен метод расчета волновых нагрузок для основной оценки состояния вертикальных свай морских оснований.
Ключевые слова: морские нефтегазовые постройки, неподвижные платформы, волновой фактор, волновое давление, трубчатая свая, постройка, волновое влияние, глубина моря, нагрузка.
Существенная часть углеводородных ресурсов (нефти, газа, газового конденсата) добывается из морских месторождений. Бурение разведочных, а также эксплуатационных скважин при этом производится, в основном, на морских платформах. Компоненты системы данных построек находятся под влиянием разных нагрузок, например морского волнения. На Каспийском море волновые нагрузки обретают особенную роль. Опыт эксплуатации морских месторождений Каспия показывает, что подобные волновые нагрузки могут вызывать сильные повреждения эстакадных построек, морских стационарных платформ, а также иных построек.
Верная оценка различных динамических нагрузок, в том числе волновых нагрузок на разнообразные компоненты систем морских нефтегазовых построек на стадии их проектирования, обретает особенную важность.
Постановка задачи. С целью определения влияния волновых нагрузок на разнообразные постройки в международной практике чаще всего применяются две методики: расчет по формуле Морисона и методика, основанная на гидродинамической теории. Первая методика позволяет более детально учитывать нелинейный характер волн, а также рассчитывать нагрузки волн конечной высоты. Однако, ее использование допустимо исключительно для построек, состоящих из элементов с величинами много меньше длины волны. Кроме того, данная методика исключает вероятность учета взаимного гидродинамического воздействия компонентов системы либо рядом находящихся корпусов других строений.
Вторая методика учитывает дифракционные эффекты и взаимное гидродинамическое воздействие. Однако, методика гидродинамической теории предлагает меньше возможностей для вычисления нагрузок для волн конечной высоты. Для многих построек материкового шельфа, обладающих крупными размерами и представляющих собой непростые конструкции, эта методика предлагает наиболее точные результаты, так как принимает во внимание сложные процессы обтекания тел жидкостью. При рассмотрении поведения построек, как правило, выполняется вычисление волновых нагрузок от регулярных либо нерегулярных волн. В общем случае морское волнение может быть показано одной из популярных моделей спектра волнения, что нетрудно представить как совокупность простых гармоний с рассчитываемой амплитудой, частотой, а также случайной фазой.
Методика и результаты исследований. Форма и размеры волн зависят от длины разгона волны, водоема (участка моря) и скорости ветра, поэтому при рассмотрении волнового процесса необходимо учитывать именно эти параметры. Остановимся на составляющих процесса формирования волн. Участки моря подразделяются на глубокие, если глубина воды Н более половины длины волны А, и мелкие, если глубина воды Н < 0,5А. В морской практике различают четыре зоны водоема по глубине воды.
Первая зона — глубоководная, в пределах которой влияние дна на волновой процесс отсутствует; в первой зоне — Н > 0,5А. Вторая зона — мелководная, влияющая на волновой процесс; во второй зоне — 0,5А > Н > Нкр — глубина, на которой начинается разрушение волн. Третья зона — прибойная, в пределах которой начинается и завершается разрушение волн. Четвертая зона — прирезная, в которой полностью разрушенные волны набегают (накатывают) на берег или откос сооружения.
Имеющаяся теоретическая основа относительно возникновения волн, их ключевых характеристик и распределения в пространстве, а также многолетний опыт эксплуатации морских нефтегазовых построек предоставили возможность научно обосновать активные нормы и принципы по проведению волновых расчетов данных построек.
Последующее изучение волнового влияния на морские постройки и, в особенности, возможность компьютерного моделирования привели к созданию новейших программных комплексов по выполнению волнового расчета. В лаборатории «Нефтгазелмтедгигат» (SOCAR, Азербайджан) на протяжении многих лет исследования волновых нагрузок на морские нефтегазовые постройки был накоплен широкий общенаучный материал. Моделирование волнового влияния, а также развитие значения волнового давления как выходного параметра представлялось следующим способом. Волновой профиль образуется наложением переносного перемещения частиц воды под воздействием ветра и орбитального движения элементов. Волновое давление создается с высокоскоростной и инерциальной составляющей. Важнейшими начальными условиями воздействия считаются длина волны (L), высота волны (h), глубина моря (H), диаметр трубчатой сваи (D), плотность морской воды (γ). Волновое давление, учитывая глубину моря, постепенно будет сокращаться и, начиная с определенной глубины, его волновое влияние на трубчатую сваю можно считать незначительным и не принимать во внимание.
Алгоритм волнового расчета можно показать следующими последовательными этапами.
Этап 1. Ввод исходных данных (глубина моря, длина волны, высота волны, диаметр трубчатой сваи, плотность морской воды).
Этап 2. Расчет орбитального движения частиц (рассчитываются радиусы эллиптических орбит для частиц воды). Расчет производится на этом и на всех последующих шагах по 6 точкам, которые последовательно откладываются от спокойного уровня моря с шагом 0,2H.
Этап 3. Расчет переносного движения частиц под действием ветра (вычисляются скорости движения частиц, которые дальше учитываются при расчете скоростной составляющей волнового давления).
Этап 4. Расчет ускорения частиц жидкости (полученные значения используются при расчете инерционной составляющей волнового давления).
Этап 5. Расчет скоростной и инерционной составляющей волнового давления и конечного значения волнового давления как суммы этих составляющих.
Этап 6. Построение эпюры волнового давления и расчет изгибающего момента от волнового воздействия на трубчатую сваю.
Предложенный алгоритм волнового расчета представлен в виде блок-схемы (рис. 1).
Рис. 1. Блок-схема алгоритма волнового расчета
Выводы. Таким образом, проведено исследование главных параметров волнового воздействия на морские нефтегазовые постройки. В качестве основных факторов воздействия установлены глубина моря, длина и высота волны, диаметр трубчатой сваи, а также плотность морской воды. Главным итоговым показателем является величина волнового давления. Предложен метод расчета волнового давления на трубчатую сваю в виде суммы высокоскоростной и переносной составляющей. Представленный метод дает возможность создать эпюру волнового давления и обнаружить более негативные точки приложения волновой нагрузки на строительство.
Литература:
- Ибрагимов А. М. Нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения. — М.: Недра, 1996. — 528 с.
- Халфин И. Ш. Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. — М.: Недра, 1990. — 185 с.
- Мамедов Ф. А. Обустройство морских нефтяных и газовых месторождений. — Баку: Элм, 1997. — 140 с.
- Отраслевой стандарт ОСТ 51.01–11–87. Паспорт гидрометеорологический морского нефтегазового месторождения. Состав, сооружение и порядок разработки Гипроморнефтегаз. — Баку, 1988.
- Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов): Строительные нормы и правила — СНИП 06.04.82. — М.: ЦИТС Госстроя СССР, 1986.
- Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования: Строительные нормы и правила — СНИП 06.01–86. — М.: ЦИТС Госстроя СССР, 1987.
- Нагрузки и воздействия: Строительные нормы и правила — СНИП2 01.07–85. — М.: ЦИТС Госстроя СССР, 1982.
