Арктический шельф имеет огромный ресурс для развития нефтегазовой отрасли. Акватория морей, покрываемых сезонным ледовым покровом, является очень перспективным местом для развития ресурсного потенциала страны. В обзорной статье рассматривается недостаточная изученность особенностей разрушения морского льда при воздействии на морские сооружения, а также насколько важна надежность сооружений арктического шельфа и его типы.
Ключевые слова: морской лед, ледовая обстановка, проектирование, надежность конструкции, ледяной покров, арктический шельф.
Введение
Из-за ограниченного запаса ресурсов на суше началось обширное изучение залежей нефти и газа в морях, в результате которых было найдено большое количество нефти, залегающей на глубине. Острая необходимость в строительстве уникальных технических сооружений для бурения, добычи и транспортировки углеводородов возникла после их обнаружения. Интерес к решению проблем обеспечения высокого уровня качества и надежности конструкций в суровых ледовых условиях значительно возрос, поскольку морское бурение подразумевает агрессивные условия, в которых сооружение работает совсем по-другому, нежели на суше.
Сложные условия строительства и эксплуатации сооружений различного типа и назначения способствуют ускоренной эволюции в области определения динамических характеристик ледяного покрова. Чтобы обеспечить высокий уровень надежности конструкций, необходимо решить задачи надежного определения параметров, которые необходимы для внесения их в динамический расчёт.
Физико-механические свойства льда
Для оценки влияния физико-механических характеристик льда на напряженно-деформированное состояние ледяного покрова вначале рассмотрим реально возможные диапазоны изменения интересующих параметров.
В зависимости от возраста льды имеют различную соленость, а, следовательно, и плотность. Наиболее велика изменчивость солености и плотности у молодых льдов (табл. 1).
Таблица 1
Характеристики льдов различных возрастных категорий
|
Вид льда |
Толщина, см |
Соленость, ‰ |
Плотность, кг/м 3 |
|
Нилас |
3–10 |
13–18 |
830–916 |
|
Серый лед |
10–15 |
7–10 |
810–890 |
|
Серо-белый лед |
15–30 |
2–7 |
780–890 |
|
Белый лед |
30–70 |
2–7 |
700–900 |
Плотность морского льда незначительно отличается от пресноводного. По данным исследований В. В. Богородского [1], В. В. Лаврова [2], М. И. Серикова [3], В. Н. Смирнова [4] плотность морского льда колеблется в пределах ρ л =840÷930 кг/м 3 .
Пористость льда определяется условиями его образования и роста. В общем можно отметить тенденцию к образованию максимумов пористости верхних и нижних слоях ледяного покрова.
Энергия деформирования, отнесенная к единице массы льда, даже при его разрушении на порядок меньше внутренней энергии кристаллической решетки [5]. Это свидетельствует о том, что упругие деформации льда невелики.
Механические свойства льда, определяемые его упругими константами, сравнительно слабо зависят от его солености и температуры, в то время как влияние этих факторов на остальные механические характеристики велико.
Механические свойства льда как материала демонстрирует сходство с механическими свойствами керамических материалов, среди них прочность на разрыв, упругие свойства и прочность на разрыв. Все эти показатели свойств значительно ниже аналогичных свойств керамических материалов.
Эти отличия можно объяснить различиями на уровне атомных связей данных материалов. Фундаментальные исследования в этом направлении представляют особое значение, так как изученные свойства льда, анализ их зависимостей и способность прогнозирования изменения показателей различных свойств могут найти широкое применение в изучении регионов, в которых особой проблемой являются особые ледовые условия, такие как Арктика.
Примечательно, что прочность на растяжение льда относительно чувствительна к температуре и скорости деформации, а прочность на сжатие зависит от этих переменных. Необходимо проводить большее количество исследований для более подробного описания механизма механической деформации.
Мало иметь представление о физико-механических свойствах льда , нужно ещё и тщательно наблюдать за ледовой обстановкой, которая происходит в морях с различной ледовитостью, дабы понять процесс разрушения и воздействия льда на сооружения в различных условиях.
Методы исследования структуры льда
К наиболее распространенным методам исследований строения льда относятся визуальный, кристаллооптический и контактный. Предметом исследования при использовании каждого из них являются пластины льда различных размеров и толщины, выпиленных из керна и соответствующим образом обработанных. При этом для определения пространственной ориентации кристаллов выбуриваемый керн льда должен быть предварительно азимутально ориентирован. Такая ориентировка обычно производится с помощью надпила его верхней поверхности в выбранном направлении до его извлечения из ледяного поля.
Основные методы наблюдения за ледовой обстановкой , используемые при изучении структуры ледовых образований , включают в себя следующие способы:
— Спутниковые наблюдения
— Авиаразведка
— Аэровидео, фотосъемка
— Исследования подводными сонарами
— Стереоаэрофотосъемка
— Лазерное профилирование
— Исследования РЛС бокового обзора
— Ледокольные экспедиции
Специфические условия возведения и выбор типа сооружений для арктического шельфа
К техническим средствам разведки и разработки морских месторождений в условиях низких температур предъявляются повышенные требования по надежности и устойчивости к климатическим условиям. В целом, работы на шельфе содержат следующие потенциальные риски — природные, технические, инфраструктурные, экологические (таблица 2).
Таблица 2
Потенциальные риски освоения арктического шельфа
|
Группа рисков |
Проблемы |
|
Естественные |
— чрезвычайно низкие температуры; — сильный ветер; — плавающие айсберги; — круглогодичное замерзание воды; — сейсмическая активность; — неглубокие придонные залежи свободного газа; — аномально высокое пластовое давление. |
|
Технические |
— наличие специализированного оборудования; — наличие технологий ликвидации последствий разлива нефти. |
|
Инфраструктурные |
— отсутствие прибрежной транспортной инфраструктуры; — отсутствие инфраструктуры логистики; — короткая продолжительность навигационного периода. |
|
Экологические |
— последствия возможного разлива нефти; — наличие многочисленных захоронений ядерных отходов на морском дне |
Характерными усугубляющими факторами при проектировании и строительстве в данном регионе являются большие по величине значения отрицательных температур, которые отмечаются на протяжении долгого периода времени. Данное обстоятельство необходимо учитывать при выборе строительных материалов. Температурный режим региона, в свою очередь, влияет на физико-механические свойства льда, что приводит к значительным по величине нагрузкам на сооружения от ледовых полей и торосистых образований.
Также, с точки зрения инженерно-геологических условий, Арктический регион характеризуется наличием вечномерзлых грунтов, которые обладают специфичными физико-механическими свойствами. Учет данных свойств важен, как с точки зрения выбора технологии возведения сооружения, так и с точки зрения выбора типа конструкции и ее несущих элементов.
Немаловажной, с точки зрения строительства сооружения, является оторванность мест строительства от строительно-индустриальных баз и трудность освоения строительных площадок, что также влияет на выбор конструктивных решений.
Опираясь на информацию, изложенную в нормативных документах: [1], [2], [6], можно составить перечень основных (ключевых) требований или направлений, по которым следует вести повышение надежности конструкции на стадии проектирования. Общая нацеленность требований заключается в противодействии высоким по величине ледовым нагрузкам и истирающему воздействию льда. Требования охватывают технологии возведения, а также дают общие установки по надежности сооружений, возводимых в условиях Крайнего Севера. Но документы разрабатывались в 90-ых годах Государственным проектно-изыскательским и научно-исследовательским институтом морского транспорта «Союзморниипроект» и на настоящий момент имеется необходимость в обновлении и обобщении вышеприведенной нормативной базы. Проводя расчетные обоснования и конструированием сооружений, чаще всего невозможно руководствоваться одним из нормативных документов в связи наличия в них опечаток и недоработок.
К наиболее важным требованиям, с точки зрения работы конструкции, можно отнести следующее:
— максимально простота и надежность конструкции;
— применение материалов, надежно работающих при низких температурах (стали: ударная вязкость 3 кДж/м 2 при температуре минус 40 град. с гарантией свариваемости; железобетон: высокие марка по прочности, морозостойкость и водонепроницаемость);
— необходимость создания противоледового пояса для тонкостенных конструкций (так как конструкции подвержены истирающему воздействию льда, а также высоким ледовым нагрузкам);
— необходимость учета свойств мерзлого грунта и нацеленность на их использование (смерзшийся грунт обладает в сотни раз более высоким сцеплением по сравнению с обыкновенным грунтом; учет свойств ледогрунта приводит к существенной экономии строительных материалов и как следствие уменьшает стоимость объекта);
— тепло- и гидроизоляция ледогрунтового массива (в случае использования его свойств в работе конструкции);
— отсутствие выступающих частей для уменьшения воздействия льда на сооружение;
— необходимость учета термического расширения льда в полости сооружения, а также в полых конструктивных элементах (полости конструктивных элементов необходимо заполнять бетоном либо пескоцементом);
— в случае возможности гидростатического давления воды применять дренажные устройства, которые должны сохранять свою работоспособность в суровых ледовых условиях.
Сравнение действующих российских и зарубежных норм расчёта ледовых нагрузок на отдельно стоящие сооружения
Вопрос о сравнении адекватности и «работоудобности» норм расчета ледовых нагрузок на шельфовые сооружения всегда был актуальным для проектировщиков, если учесть, что ошибка в сторону занижения нагрузки может привести к катастрофе из-за разрушения несущих элементов основания платформы, имеющей колоссальную стоимость, а чрезмерное завышение — к соответствующему неоправданному удорожанию проекта.
Анализ «адекватности» отечественных нормативных документов по расчетам ледовой нагрузки на шельфовые сооружения для добычи газа [7] в сравнении с рекомендациями международного стандарта ISO 19906:2010(E) [8], выполненный в 2013 году Громовой [9] показал значительные расхождения результатов, полученных из расчетов по различным российским нормативным документам (Табл. 3) — до 3-х раз.
Таблица. 3
Результаты расчетов нагрузки от ровных ледяных полей на цилиндрический опорный блок различных нормативных документов при одинаковых исходных условиях — по [9]
|
Наименование нормативного документа |
Формула |
Расчетная ледовая нагрузка, МН |
Превышение |
|
|
Средняя |
Максимальная |
|||
|
Методические указания по определению ледовых нагрузок на опоры мостов. |
|
50,37 |
84,72 |
1,8 |
|
СНиП 2.06.04–82*, 1995 г. «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)». |
|
73,64 |
121,35 |
2,6 |
|
ВСН 41.88 «Проектирование морских ледостойких стационарных платформ». |
|
71,15 |
143,82 |
3,1 |
|
СТО Газпром 2–3.7–29–2005 «Методика расчета ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу» |
|
43,37 (58,13) |
72,58 (88,13) |
1,9 |
|
ISO 19906:2010 «Нефтяная и газовая промышленность — арктические морские сооружения». |
|
32,62 |
46,65 |
1,0 |
Следует отметить, что с целью снижения различий результатов сравнительных расчетов значений ледовой нагрузки для одних и тех же сооружений, и параметров льда, в СССР были изданы специальные «Рекомендации» по методике испытаний физико-механических свойств льда. Позднее международное сообщество исследователей и инженеров-ледотехников создало рабочую группу для разработки единого метода испытаний образцов льда, которая в 1984 году представила на международном симпозиуме по механике льда согласованные «Рекомендации по методу тестирования образцов льда», которые были приняты в качестве международного стандарта [10].
Надежность конструкций МНГС
На сегодняшний день основополагающим фактором при постройке МНГС является надёжность. Объясняется это тем, что нефтегазовая станция является чрезвычайно сложным и ответственным объектом строительства. Поскольку, при обрушение несущей конструкции, компания потеряет огромную доходность со станции, будет потрачено огромное количество средств на ремонт платформы, если она будет оставаться ремонтопригодной, также, при значительном обрушении платформы, возможно большое количество жертв среди обслуживающего персонала платформы.
Повышенные требования к безопасности шельфового сооружения обусловливают исключительную важность комплекса расчётов сооружения — как этапа проектирования, на котором именно и решается вопрос выбора эффективной конструкции, и где в качестве основного критерия ее эффективности рассматривается надёжность или долговечность сооружения.
Прогнозирование надежности, как частный случай расчета надежности такого технически сложного и весьма дорогостоящего объекта как МНГС, должен осуществляться в полном соответствии с положениями и требованиями, регламентированными системой Межгосударственных и российских стандартов серий «Надежность в технике» и «Надежность строительных конструкций и оснований» [11, 12, 13, 14], устанавливающих состав и общие правила задания требований по надежности; общие правила расчета надежности технических объектов; требования к методикам и порядок представления результатов расчета надежности.
Согласно определению Межгосударственного стандарта «Надежность строительных конструкций и оснований» [14], надежность строительного объекта есть: «Способность выполнять требуемые функции в течение расчетного срока эксплуатации». Следовательно, надежность МНГС надо рассматривать как совокупность трех групп требований: по безопасности, эксплуатационной пригодности и долговечности. Поэтому, морское ледостойкое сооружение должно иметь такие начальные расчетные характеристики, чтобы с надлежащей степенью надёжности при различных расчётных воздействиях удовлетворять требованиям:
— безопасности: исключению возможности разрушения или нарушения устойчивости сооружения;
— эксплуатационной пригодности: не возникновению повреждений, затрудняющих нормальную эксплуатацию сооружения и его оборудования;
— долговечности: удовлетворению требованиям по безопасности и эксплуатационной пригодности в течение установленного длительного времени.
Эти характеристики надёжности относятся к качественным определениям, но для оперирования в проектной практике этого недостаточно, потому что расчет надежности МНГС на этапе его проектирования имеет свои цели:
— обоснование количественных требований по надежности к объекту или его составным частям [11];
— проверка соответствия ожидаемого (достигнутого) уровня надежности объекта установленным требованиям (контроль надежности), если прямое экспериментальное подтверждение их уровня надежности невозможно технически или нецелесообразно экономически.
На самом деле, срок службы любого сооружения, как критерий надежности, определяется большим числом факторов и может иметь различную «природу». Для многих из них он может определяться расчетом по предельным состояниям с учетом сложной совокупности ресурсов прочности и долговечности конструкционных материалов с одной стороны и интенсивностью внешних воздействий на конструкцию — с другой стороны.
Заключение
Были рассмотрены вопросы, касающиеся основных характеристик ледового покрова, основных характеристик надёжности ледостойких конструкций в целом.
Проанализированы потенциальные риски освоения арктического шельфа и выделены четыре группы рисков.
Также, рассматривая «адекватность» отечественных нормативных документов по расчетам ледовой нагрузки на шельфовые сооружения для добычи газа в сравнении с рекомендациями международного стандарта ISO 19906:2010(E), который показал значительные расхождения результатов, полученных из расчетов по различным российским и зарубежным нормативным документам, можно сделать вывод, что единой “идеальной” методики расчёта динамических характеристик ледовой нагрузки не существует, поэтому каждый берёт для себя наиболее подходящую методику.
Литература:
- Богородский В. В. Физические методы исследования ледников / Богородский В. В. — Л.: Гидрометеоиэдат, 1968. — 214 с.
- Лавров В. В. Деформация и прочность льда /Лавров В. В. и др.-Л.: Гидрометеоизд,1969. — 206 с.
- Сериков М. И. Определение модуля упругости льда резонансным методом//Проблемы Арктики, 1959 — вып. 6
- Смирнов В. Н. Некоторые вопросы натурального исследования деформаций и напряжений в ледяном покрове: Труды ААНИИ.-Л.: Гидрометеоизт,1976.
- Хейсин Д. Е., Лихоманов В. А. Экспериментальное определение удельной энергии механического дробления льда при ударе. — «Проблемы Арктики и Антарктики», 1973.
- Богородский В. В., Гаврило В. П. Лед: Физические свойства: Современные методы гляциологии, Гидрометеоиздат, 1980. — 384 с.
- Muhonen, A. Evaluation of three ice-structure interaction models / A. Muhonen // A thesis for the degree of Licentiate of Technology. Helsinki University of Technology, 1995. 90 p.
- Сазонов, К. Е. Развитие морской ледотехники в России: история и современность / К. Е. Сазонов // Арктика: экология и экономика. 2013. № 2(10). — С. 92–103.
- Reddy, D. V. Stochastic Response of a Three-dimensional Tower to Ice Forces / D. V. Reddy, P. S. Cheema, A. S. J. Swamidas, A. K. Haidar // Proc. 3rd Int. Symposium on Ice Problems, Hanover, USA. — P. 499–514.
- Ромбах, В. П. Введение в физику разрушения. Ч. 1. Эдмондс, США. — С. 320. — URL: www.docplayer.ru/28100302-V-p-rombah-vvedenie-v-fizikurazrusheniya.html#show_full_text (Дата обращения 11.03.2022).
- Palmer, A. C. Fractal Crushing of Ice and Brittle Solids / A. C. Palmer, T. J. O. Sanderson // Proc. Mathematical and Physical Sciences. 1991. V. 433, No. 1889. — P. 469–477.
