Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Ледовые нагрузки и воздействия на сооружения континентального шельфа 18
1.1. Морские ледостойкие нефтегазопромысловые сооружения 20
1.2. Надежность морских ледостойких платформ 30
1.2.1. Нормативные показатели надежности 31
1.2.2. Классификация отказов 35
1.2.3. Особенности применения теории надежности к расчету технических средств освоения шельфа 45
1.3. Факторы, влияющие на формирование ледовых нагрузок .49
1.3.1. Ледовые воздействия на морские гидротехнические сооружения 49
1.3.2. Ледовый режим 54
1.3.3. Свойства морского льда и их изменчивость 56
1.3.4. Параметры инженерного сооружения 77
1.4. Методы определения ледовых нагрузок 79
1.5. Выводы 92
ГЛАВА 2. Имитационная модель взаимодействия ледяного покрова с МЛП 94
2.1. Методы описания ледового режима .94
2.1.1. Изменчивость ледяного покрова 95
2.1.2. Исследовательское моделирование 98
2.1.3. Прикладное моделирование 103
2.2. Моделирование ледового режима для целей гидротехнического строительства на шельфе 110
2.2.1. Эмпирические модели 110
2.2.2. Перспективы развития моделирования ледового режима для целей гидротехнического строительства 117
2.3. Математическое моделирование воздействия ледяного покрова на МЛП 122
2.3.1. Моделирование сложных систем 122
2.3.2. Моделирование воздействия ледяного покрова на МЛП .128
2.4. Имитационная модель взаимодействия дрейфующих полей с МЛП 133
2.4.1. Алгоритм реализации модели 136
2.4.2. Модель механического взаимодействия дрейфующих полей с МЛП 139
2.5. Выводы 151
ГЛАВА 3. Феноменологическая модель процесса разрушения ледяной плиты на контакте с сооружением 153
3.1. Результаты исследований процесса контактного взаимодействия дрейфующих ледяных полей с сооружением 154
3.2. Феноменологическая модель разрушения ледяной плиты перед вертикальной опорой 181
3.3. Выводы 187
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования взаимодействия цилиндрических инденторов с ровными ледяными плитами 191
4.1. Моделирование процесса взаимодействия ледяного покрова и сооружения 191
4.1.1. Законы моделирования 193
4.1.2. Моделирование льда 196
4.2. Методика экспериментальных исследований 200
4.2.1. Приборы и оборудование 206
4.2.2. Методика проведения исследований 210
4.2.3. Методика исследований физико-механических свойств
льда 216
4.3. Результаты экспериментальных исследований
4.3.1. Результаты исследований физико-механических свойств морского льда 224
4.3.2. Механизм разрушения льда 245
4.3.3. Ледовая сила 254
4.4. Выводы 261
ГЛАВА 5. Численное моделирование взаимодействия ледяных полей с МЛП 262
5.1. Исследование детерминированной модели механического взаимодействия ледяных полей с МЛП 263
5.2. Исследование общей имитационной модели взаимодействия ледяных полей с МЛП 265
5.3. Численное моделирование режима нагружения сооружения дрейфующими ледяными полями 280
5.4. Выводы 282
ГЛАВА 6. Нагрузки и воздействия от торосов 285
6.1. Параметры торосов 287
6.1.1. Морфологические характеристики торосов 287
6.1.2. Интегральные прочностные характеристики торосов 296
6.2. Исследование нагрузок от торосов 312
6.2.1. Экспериментальные данные 312
6.2.2. Методы определения нагрузок на узкие вертикальные сооружения 317
6.2.3. Методы определения нагрузок на широкие вертикальные сооружения 318
6.2.4. Методы определения нагрузок на конические сооружения 321
6.2.5. Оценка экстремальных нагрузок 323
6.3. Модель взаимодействия торосистых образований с вертикальными опорами 332
6.4. Имитационная модель воздействия торосов на сооружения шельфа 336
6.4.1. Постановка задачи 337
6.4.2. Алгоритм и программа расчета вероятностных характеристик экстремальных ледовых нагрузок 350
6.5. Результаты численного моделирования воздействия торосов на МЛП 355
6.6. Выводы 366
ГЛАВА 7. Ледовые нагрузки на сооружения при обледенении и колебании уровня моря 369
7.1. Обледенение гидротехнических сооружений в приливных морях 369
7.2. Нагрузки и воздействия от обледенения 374
7.3. Ледовые нагрузки на морские ГТС при колебании уровня моря 378
7.4. Выводы 384
Заключение 385
Литература 390
- Нормативные показатели надежности
- Моделирование ледового режима для целей гидротехнического строительства на шельфе
- Феноменологическая модель разрушения ледяной плиты перед вертикальной опорой
- Методика экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность проблемы. Определяющей тенденцией развития топливно-энергетического комплекса в мире является освоение месторождений углеводородов на континентальном шельфе. По зарубежным данным до 88% доказанных к началу 80-х годов извлекаемых запасов нефти и газа приходится на Мировой океан и прилегающие к нему участки суши. Ожидается, что к 2000 г. в море будет добываться до 60% всей нефти.
Россия обладает самой протяженной в мире морской границей, которая составляет 38,8 тыс.км, площадь шельфа 4,2 млн.км2, из которых 3,9 млн. км2 перспективны на углеводородные ресурсы. При этом более 80 процентов запасов нефти и газа России сосредоточено на шельфе ее северных морей.
Освоение этих месторождений сдерживается тяжелым ледовым режимом и суровым климатом, которые осложняют разведку и особенно эксплуатацию морских месторождений нефти и газа. Однако зарубежный опыт и исследования последних 20 лет в нашей стране и за рубежом показывают, что добыча нефти и газа в ледовитых морях уже на современном уровне развития знаний и техники может быть технически возможной и экономически целесообразной.
Анализ показывает, что в тяжелых ледовых условиях наиболее перспективным способом освоения месторождений является надводный, предусматривающий строительство ледостойких гидротехнических сооружений (ГТС), а именно: уникальных инженерных сооружений - морских ледостойких платформ (МЛП). Для них характерны высокая стоимость, материалоемкость и ответственность. Учитывая, что их аварии могут привести к человеческим жертвам и экологическим катастрофам, к ним предъявляются высокие требования по надежности.
Основным фактором, влияющим на условия эксплуатации и надежность МЛП, является ледовый режим морской акватории в районе строительства н, как следствие, ледовые нагрузки и воздействия на сооружения.
Проблема оценки ледовых воздействий на технические средства освоения морских месторождений нефти и газа является в последние десятилетия одной из актуальнейших в мире. Ее разработкой в настоящее время занимаются многие зарубежные научные центры и ряд научных коллективов в нашей стране. Накоплено огромное количество отдельных публикаций и обобщений.
Однако многие вопросы проектирования, строительства и эксплуатации МЛП на шельфе северных морей требуют решения. Сюда в первую очередь следует отнести проблемы оценки ледовых нагрузок с позиций теории вероятностей и надежности МЛП.
В специальной литературе и нормах по ледовым нагрузкам традиционно основное внимание уделяется методикам определения их значений без достаточного вероятностного обоснования. Это ведет к неоднозначной трактовке расчетных значений ледовых нагрузок, сложности учета совместного их действия с другими видами нагрузок и воздействий и получения обоснованных оценок надежности проектируемых МЛП.
Ледовые нагрузки носят случайный характер, и погрешности, связанные с неправильной оценкой их вероятностных характеристик, во многих случаях могут значительно превышать погрешности физических и механических моделей морского льда и его воздействий на сооружения. Проектирование таких ответственных сооружений, как МЛП, должно базироваться на методах теории надежности, обеспечивающей наиболее полный учет случай-ных факторов.
Однако отечественные нормы составлены на основе концепции предельных состояний, которая не позволяет полностью учесть случайную природу ледового режима и воздействий на МЛП. В них практически отсутствуют рекомендации по определению функций распределений параметров ледового режима морских акваторий для оценки надежности МЛП.
Основные результаты исследований ледовых нагрузок получены в области прогнозирования максимальных их значений, которые предназначены для расчетов по первой группе предельных состояний и могут быть использованы для оценки надежности сооружений на возникновение, так называемого, внезапного отказа (аварии от превышения общей нагрузки над несущей способностью сооружения).
Практически отсутствуют рекомендации по прогнозу режима нагру-жения сооружений дрейфующим ледяным покровом для оценки надежности сооружений с позиций возникновения постепенного отказа (аварии от усталостного разрушения). Недостаточно изучены многие виды воздействий ледяного покрова на морские ГТС, свойства льда и ледовых образований, как объектов воздействия на сооружения и, соответственно, недостаточно обоснованы методы определения их расчетных значений.
Таким образом, несмотря на прогресс в развитии знаний о ледяном покрове морей и его воздействий на морские ГТС проблема оценки ледовых нагрузок и воздействий с учетом их вероятностной природы, является актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы - повышение надежности морских ледостойких ГТС путем совершенствования методов расчета вероятностных характеристик ледовых нагрузок и воздействий.
Исходя из анализа современного состояния исследований в данной области, были поставлены следующие основные задачи для достижения этой цели:
разработка концепции описания изменчивости ледовых нагрузок с применением методов теории вероятности;
разработка моделей формирования ледовой нагрузки за весь период эксплуатации сооружения в вероятностной постановке;
разработка модели взаимодействия ровного ледяного поля с цилиндрической опорой;
разработка метода расчета обледенения и нагрузок от обледенения на сооружение при колебании уровня моря.
Методы исследований. В работе, наряду с обобщением и анализом литературных источников, использованы результаты натурных исследований ледового режима северо-восточного побережья о.Сахалин. Для проверки теоретических гипотез использован метод физического моделирования в натурных условиях. При этом использовались методы теории планирования экспериментов.
Для построения моделей и гипотез широко использовался метод математического моделирования. Учитывая сложность рассматриваемых систем, применялись методы имитационного моделирования и Монте-Карло. Использованы также методы теории упругости.
При обработке экспериментальных данных использовались методы теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
разработана концепция описания ледовых нагрузок на МЛП с учетом изменчивости основных факторов; предложена методика математического описания ледового режима, основанная на результатах натурных наблюдений;
на основе анализа результатов исследований процесса разрушения ледяной плиты перед сооружением разработана феноменологическая модель этого процесса при хрупком и квазихрупком характере разрушения льда, которая позволяет рассчитывать период циклического изменения ледовой нагрузки; результаты полунатурных исследований механизма разрушения ледяной плиты перед опорой сооружения подтвердили реальность предложенной феноменологической модели;
- разработана методика физического моделирования, разработано и
изготовлено запатентованное оборудование и выполнены полунатурные
исследования процесса прорезания ледяного покрова инденторами, результа
ты которых позволили изучить механизм разрушения ледяной плиты и по
лучить количественные результаты;
выполнена общая вероятностная постановка проблемы моделирования воздействия ледяного покрова на морские ГТС и обосновано применение для этих целей метода имитационного моделирования;
на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана и реализована в форме компьютерной программы имитационная модель процесса взаимодействия дрейфующих ледяных полей с МЛП, которая является основой методики определения количества циклов и режима нагружения сооружений ледяным покровом за весь период эксплуатации для усталостного расчета и оценки надежности по постепен-ному отказу; разработана математическая модель механического взаимо-действия дрейфующих ледяных полей с МЛП;
на основе результатов натурных исследований предложен и запатентован метод определения интегральных прочностных характеристик ледяных образований (торосов, стамух); усовершенствован способ определения нагрузок воздействия торосов на вертикальные опоры МЛП;
разработана и реализована в форме компьютерной программы математическая модель процесса воздействия дрейфующих торосов на МЛП, позволяющая определять функцию распределения максимальных ледовых нагрузок для оценки надежности сооружения по внезапному отказу;
разработана методика определения ледовых нагрузок на морские ГТС при колебании уровня моря, обусловленных наличием обледенения (нароста); на основе анализа результатов натурных исследований разработана методика определения мощности обледенения ГТС при колебании уровня моря;
Практическая ценность. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании морских ГТС на акваториях ледовитых морей: для определения режима нагружения ледяным покровом и оценки усталостной прочности МЛП, для определения вероятностных характеристик ледовой нагрузки и оценки надежности сооружений, для расчета ледовых нагрузок при колебании уровня моря, для обоснованного определения расчетных сочетаний нагрузок и воздействий с учетом ледовых и т.д.
Результаты исследований целесообразно использовать для дополнения действующих нормативных документов.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
феноменологическая модель разрушения ледяной плиты перед сооружением и способ определения частоты изменения ледовой нагрузки;
математическая модель механического взаимодействия дрейфующих ледяных полей с сооружением;
имитационная вероятностная модель формирования ледовой нагрузки от ровных ледяных полей за весь период эксплуатации сооружения для усталостных расчетов;
математическая модель определения максимальных значений ледовых нагрузок от торосов для расчетов на внезапный отказ;
методика определения параметров обледенения (нароста) ГТС при колебании уровня моря;
методика определения ледовых нагрузок при наличии ледяного нароста при колебании уровня моря;
метод определения интегральной прочности больших ледяных образований (торосов, стамух).
Достоверность научпых положений и рекомендаций обоснована:
в теоретических исследованиях - общепринятыми апробированными исходными положениями;
в экспериментальных исследованиях - проведением спланированных полнофакторных экспериментов; применением современной измерительной аппаратуры и полнотой экспериментальных исследований структурных и физико-механических свойств морского льда;
соответствием результатов полученных теоретических решений и натурных экспериментальных данных автора и других исследователей.
Результаты исследований использованы:
в ряде отечественных и зарубежных проектов ледостойких ГТС для обустройства месторождений нефти и газа северо-восточного шельфа о.Сахалин (Ледостойкая стационарная платформа № 1 на нефтегазоконден-сатном месторождении Чайво, институт «СахалинНИПИморнефть», ПО «Сахалинморнефтегаз», 1991г.; «Технико-экономические расчеты целесообразности освоения Чаивинского, Аркутун-Дагинского и Одоптинского месторождений на шельфе о.Сахалин», EXXON, SODECO, 1994г.; «Технико-экономическое обоснование разработки шельфа о.Сахалин», институт «СахалинНИПИморнефть», 1994г.);
в нормативном документе «Основные положения по проектированию морских портов с замерзающей акваторией» РД 31.31.21-81, СоюзморНИИ-проект;
в проектной документации ДНИИМФ (концептуальный проект терминала по отгрузке сахалинской нефти в пос.Пригородном);
в учебных пособиях: «Гидротехнические сооружения континентального шельфа», Владивосток: изд-во ДВГУ, 1983 г. 250 с, «Оградительные сооружения морских портов», Владивосток: изд-во ДВГУ, 1995 г. 400 с.
Результаты работы использованы в учебном процессе Строительного института ДВГТУ по дисциплинам «Порты и портовые сооружения», «Сооружения континентального шельфа», «Проблемы портового строительства на Дальнем Востоке», а также в курсовых и дипломных работах, кандидатских диссертациях.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и представлялись на Всесоюзных координационных совещаниях по гидротехнике: «Борьба с ледовыми затруднениями на реках и водохранилищах при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений» (Мурманск, 1983 г.); «Ледотермические проблемы в северном гидротехническом строительстве и вопросы продления навигации» (Архангельск, 1987 г.); «Исследование влияния сооружений гидроузлов на ледовый режим рек и окружающую среду» (Дивногорск, 1989 г.); на IV Всесоюзной конференции «Проблемы научных исследований в области освоения Мирового океана» (Владивосток, 1983 г.); на Всесоюзної! конференции «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР» (Москва, 1986 г.); на Советско-американском семинаре «Механика льда и ее приложения» (Москва, 1991 г.); на конференциях Международного общества шельфовои и полярной технологий, ISOPE: (Сеул, 1990 г.; Сан-Франциско, 1992 г.; Сингапур, 1993 г.; Осака, 1994 г.; Гаага, 1995 г., Лос-Анжелес, 1996 г., Пусан, 1996 г., Гонолулу, 1997 г., Монреаль, 1998 г.); на конференциях Американского общества инженеров-механиков по шельфовои механике и арктическим технологиям, ОМАЕ (Хьюстон, 1994 г.; Копенгаген, 1995 г.); на симпозиумах по проблемам изучения льда Международной ассоциации гидравлических исследований, IAHR (Пекин, 1994 г.; Постдам, 1998 г.); на симпозиумах «Охотское море и морской лед» (Момбецу, 1992 г., 1993 г.); «Механика морского льда и арктическое моделирование» (Апкорпдж, 1995 г.); на конференции по развитию Северного морского пути INSROP (Токио,
-
г.); на международной конференции POLARTECH (Санкт-Петербург,
-
г.); на международной конференции «Стихия. Строительство. Безопасность» (Владивосток, 1997 г.); на международных конференциях по освоению Российской Арктики, RAO (Санкт-Петербург, 1995 г., 1997 г.); на меж-
дународных конференциях «Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы», (Владивосток, 1996 г., 1998 г.); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГТУ (1977-1997 гг.) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 научных работ, в том числе 38 на английском языке, 2 учебных пособия, монография, выпущено 15 научно-технических отчетов, получено 9 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений. Она содержит 275 страниц текста, 149 рис., 36 табл. и список литературы из 446 наименований. Приложения 1-6 объемом 35 страниц содержат результаты экспериментальных исследований, блок-схемы и тексты программ для ЭВМ и копии документов, подтверждающих внедрение и практическое использование результатов работы.
Нормативные показатели надежности
Технические средства, необходимые для освоения морских месторождений, достаточно разнообразны. Это морские платформы, подводно-устьевые комплексы, научно-исследовательские станции, подводные аппараты, буровые суда, баржи, буксиры, суда обеспечения, крановые суда, противопожарные суда, нефтемусоросборщики, знаки навигационной обстановки, нефте- и газохранилища, береговые базы, перерабатывающие заводы, подводные суда и т.п. Среди них наиболее уязвимыми в суровых ледовых условиях являются стационарные объекты, возвышающиеся над водой - МЛП.
В настоящее время разработано свыше 100 различных проектов МЛП и искусственных островов для различных регионов, (см.рис. 1.2 и 1.3). Их характеристики приведены в табл.1.1 [17, 21, 32, 34, 62, 64, 70, 142, 165, 166, 191, 229, 288]. Из них осуществлено 14 металлических платформ двух типов в заливе Кука (США) при толщине льда 0,6 м и 35 искусственных островов с закрепленными и незакрепленными откосами в море Бофорта, в том числе пять кессонных оснований до глубин 30 м, изготовленных в Японии. По мере открытия и разведки новых месторождений углеводородов на шельфе замерзающих морей появляются новые изобретения, разработки и проекты МЛП. Рис. 1.1. Обзорная карта Сахалинских проектов: С-1 Заякоренные передвижные: -буровое судно вертлюжного типа; 28 -яйцеобразная ледостойкая баржа; 28 -сферическое буровое судно; 27 -ледостойкая полупогружная; 29 -буровая установка для акваторий, свободных зимой от льда 30, 31 2.3. Динамически позиционированные, передвижные:-полупогруженное буровое судно с ледорежущим устройством (ЮБОУ) 32 3. Островные сооружения; 3.1. Оконтуренные, стационарные:-с защитой откосов мешками с песком и металлической сеткой; 34 1трепа1 011 Ыг1. -искусственный каменный (Могрех); 36 1трепа1 ОН 1Л;с1. -арктический грузовой атолл (АРЬА); 37 -песчаный с гидростатическим подпором; 35 1трепа1 ОН Ий. -оконтуренный стальной шарнирно- сочлененной оболочкой (типа «брас- СахалинНИПИ лет») 38 нефть, ДВПИ -арктический точечный причал. 40 3.2. Оконтуренные передвижные: -мембранный кессон;-оконтуренный кессонами на берме и 40 без нее; 37 -мобильный арктический (МАС); 39 -сборный из стальных кессонов; 41 -кессон на ледяной берме;-кессон из стали, бетона и льда (льда 44 1трепа1 ОН ЬМ. «пекрита») 40 3.3. Неоконтуренные стационарные РапагсНс ОПэ отсыпные (гравийные, намывные) 33 Репсо
Ледяные острова и платформы: -ледяная плавучая платформа 43 11шоп ОН -ледяной остров Классификация нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений охватывает практически все типы МЛП (рис.1.4) [191]. Конструктивные формы ледостойких сооружений существенно зависят от глубины и конкретных природно-климатических условий акваторий. Наибольшее распространение в проектах получили следующие типы сооружений: гравитационные, свайно-гравитационные, свайные, плавучие и искусственные острова.
Разработки проектов МЛП ведутся для акватории Берингова, Охотского, Карского и Баренцева морей, восточного побережья Канады и др. Их основные параметры зависят существенно от глубины (рис. 1.5), назначения, ледового режима, который, как прави ло, является определяющим для конструктивного решения МЛП [2, 191].
Для сравнительно умеренного ледового режима (толщина льда 0,6- 1,2 м, слабо консолидированные торосы) районов Берингова моря разработаны глубоководные (60-170 м) гравитационные сооружения. Эти конструкции имеют одну или три, по типу железобетонных сооружений Северного моря, опоры конической формы. Мощное основание используется в качестве хранилища.
Плавучие ледостойкие платформы могут применяться в условиях умеренного ледового режима. Это, как правило, заякоренные плавучие сооружения различной конструкции. Например, может использоваться известный прием защиты сооружений от горизонтальных нагрузок - буферная плавучая заякоренная конструкция.
В условиях тяжелого ледового режима (толщина льда более 1,5 м, торосы более 15 м) могут использоваться специально разработанные гравитационные конструкции для глубин до 60 м с конической и цилиндрической опорной частью. Переход к цилиндрической опоре обусловлен тем, что на малых глубинах коническая опора не выполняет функции снижения ледовой нагрузки в связи с торошением льда у сооружения и заполнением обломками льда всей толщи воды до дна. Это подтверждено натурными и лабораторными исследованиями [62].
Схема размещения ледостойких опор различных типов при различной глубине моря. Для тяжелых ледовых условий более приемлемы гравитационные и свайно-гравитационные сооружения. С целью снижения ледовой нагрузки предлагаются специальные устройства: конические вставки, подвижные конические насадки, защитные гравитационные конструкции от действия айсбергов и др. Последние годы в связи с потребностью практики наблюдается всплеск изобретений по снижению ледовых нагрузок [29, 192].
В нашей стране ведутся научные и проектные разработки для ряда морских месторождений нефти и газа с тяжелым ледовым режимом. Северо-восточное побережье о.Сахалин характеризуется, например, очень тяжелым ледовым режимом и сложными в целом гидрологическими условиями.
Искусственные острова в зависимости от материала могут быть двух типов: грунтовые и ледовые. В настоящее время на шельфе моря Бофорта построено около 30 таких островов, главным образом для разведочного бурения. Эти острова имеют заложения откосов от практически естественных (1:20) до 1:3, причем поперечные профили откосов могут иметь сложные очертания в зависимости от способа укрепления (камнем, искусственными блоками, мешками с песком и т.п.). Конструкции островов для разведочного бурения рассчитаны на ледовые условия повторяемостью один раз в 25 лет.
Для уменьшения объема грунта при строительстве на достаточно больших глубинах используются оконтуренные искусственные грунтовые острова [17, 62, 191]. В качестве оконтуривающей конструкции могут применяться металлические трапециевидные понтоны-кессоны длиной 13,1 м и высотой 7,3 м (остров CRI) (схема 37, рис.1.3). Понтоны соединяются друг с другом с помощью двух комплектов натяжных тросов, расположенных в нижних и верхних отсеках (по восемь в каждом понтоне). Кессоны после соединения образуют восьмиугольник, описанный вокруг окружности диаметром 92 м.
Оригинальная конструкция оконтуренного искусственного острова предложена для условий северо-восточного шельфа о.Сахалин (рис.1.6) [17]. В качестве оконтуривающей конструкции приняты стальные понтоны, шарнирно соединенные в «браслет». Эта конструкция рассматривается как один из вариантов в проектах «Сахалин-1» и «Сахалин-2».
Практическая возможность использования льда для выполнения разведочных работ была показана весной 1973г. при бурении в заливе Кристофер четырех скважин глубиной 254-518 м с естественного ледяного покрова толщиной 1,7-2,4 м на удалении от берега 1,5-5,5 км при глубине моря 42-88 м. Для бурения этих скважин использовали буровой станок массой 150 т.
На мелководных акваториях для ведения буровых работ применяются опирающиеся на дно ледяные острова [34]. Первый такой остров был сооружен на шельфе Аляски компанией Union Oil в ноябре 1976г. при глубине моря 2,7 м. Разбрызгивание морской воды на естественный лед толщиной 1,7 м и намораживание льда со скоростью 0,3 м в неделю позволило создать остров диаметром 300 м и высотой 4,3 м. После посадки на грунт по периметру острова для предотвращения наползания дрейфующего льда было наморожено ледяное кольцо шириной 23 м.
Начиная с 1973г. в районах Канадских Арктических островов возведено 20 ледяных платформ диаметром от 130 до 245 м, толщиной намораживаемого льда до 7 м, грузоподъемностью от 450 до 1500 т.
Моделирование ледового режима для целей гидротехнического строительства на шельфе
Морской лед, как материал, изучен недостаточно. Это объясняется тем, что, во-первых, интерес ко льду, как к материалу, появился сравнительно недавно. Во-вторых, лед в естественных условиях находится при температурах близких к точке плавления. Этим объясняется его повышенная чувствительность к виду напряженного состояния, к концентрациям напряжений, изменению температуры, скорости деформации и т.д. Любой другой материал вблизи температуры плавления, в интервале 10-20С, проявляет такие же свойства. В-третьих, на сооружения действуют разнообразные по размерам и форме ледяные образования, имеющие существенную неоднородную структуру, нарушения сплошности, состоят из отдельных частей с различными интегральными свойствами, которые могут отличаться на порядок и более. Даже ровные ледяные поля имеют высокую степень пространственной неоднородности по толщине и в плане. Поэтому ледяные образования должны рассматриваться как конструкции, состоящие из частей с различными структурами: ледяной массив из кристаллов различных размеров и структур (11 видов), конгломерат из сросшихся обломков ледяных полей, образования (торос, стамуха), состоящие из элементов с различной макроструктурой (консолидированная часть, киль, парус).
В России и за рубежом накоплен обширный материал экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств льда, который обобщен в монографиях и в обзорных статьях В.В. Богородского и В.П.Гаврило [48,49], Н.П.Бутягина [56], В.П.Вейнберга [58], В.П.Войтковского [65], С.А.Вершинина [62], С.С.Вялова [67], Ю.П.Доронина и Д.Е.Хейсина [88], В.П.Епифанова [104], В.Г.Занеги- на [93,94], К.Н.Коржавина [121,122], В.В.Лаврова [128], И.С.Песчанс- кого [150,151], Б. В. Проскуряков а [156], Б.А.Савельева [162,163],
A. Assur [216], B.Michel [341], R.Peyton [361]. Результаты исследований данного вопроса нашли отражение и в ряде других работ [9, 60, 148, 262, 277, 282, 286, 289, 297, 319, 348, 374, 417, 410, 411]. Важнейшими свойствами морского льда, существенно влияющими на ледовые нагрузки, являются прочностные характеристики. Для их определения разработаны прямые и косвенные методы. Анализ известных зависимостей для определения силы давления льда на вертикальные опоры гидротехнических сооружений показал, что основными прочностными характеристиками льда являются его прочность на сжатие и сдвиг. Для сооружений с наклонными поверхностями необходимо знать прочность льда на изгиб и растяжение.
В табл. 1.5-1.7 приведены значения предела прочности морского льда на сжатие, полученные в различные годы и для разных морей. Значение предела прочности определены для различных температур и колеблются в широких пределах.
В табл. 1.8, 1.9 даны значения предела прочности на сдвиг арктического льда разного возраста, которые соответствуют различным температурам. Как и в случае сжатия, при сдвиге предел прочности льда изменяется в несколько раз. Так, экстремальные значения а0 однолетнего арктического льда при 0 = —10 ч- -15С колеблются в пределах от 0,11 до 1,56 МН/м2.
С увеличением температуры, во льду происходит увеличение количества рассола, что способствует ослаблению межкристаллических связей и уменьшению прочности. Количество рассола для морского льда зависит от его солености. На рис. 1.156 показано изменение прочности льда на сдвиг с увеличением содержания рассола. Как видно из рисунка, предельные напряжения сдвига уменьшаются при увеличении содержания рассола (7 7) В натурном морском льду, с момента его образования и до исчезновения, под действием колебаний температуры происходят процессы опреснения, которые влекут за собой изменение плотности льда. Кроме того, в зависимости от солености морской воды и условий льдообразования начальная плотность льда изменяется. Опытами с пресноводным льдом установлено, что в зависимости от плотности меняется и его прочность на сжатие (рис.1.15в). Так, при увеличении плотности льда на 200 кг/м3 предел прочности может измениться на 2 МН/м2 и не учет этого фактора может привести к значительным погрешностям. Нагрузка и ориентация Размер образца Температура(С) Соленость S Плотность р Скоростьнагружения Авторы Результаты Уел. образов, льда Местоиспытаний Количествоиспытаний
Зависимость прочностных свойств морского льда от различных факторов [94]: а-температуры; б-содержания рассола; в-плотности; г-соотношения сторон образца. Экспериментальное определение предела прочности льда обычно производится на образцах кубической или цилиндрической формы. При этом достоверность получаемых результатов, кроме всего прочего, может зависеть от соотношения размеров образцов. Так, на рис.1.15г показано уменьшение предела прочности морского льда на сжатие с увеличением отношения длины образца к его диаметру. Согласно этим данным, лишь при соотношении, равном 2 и более определяемая прочность является стабильной величиной.
На рис. 1.16 и 1.17 представлены результаты обобщения прочности арктических льдов на срез и сжатие в зависимости от скорости нагружения О, выполненного И.Г.Петровым [152]. Приведенные данные соответствуют верхнему, среднему и нижнему слою ледяного покрова. Нагрузка прикладывалась как параллельно, так и перпендикулярно плоскости замерзания.
Все рассмотренные зависимости прочности льда от скорости нагружения характеризуются экстремальными значениями ак, соответствующими определенной о. Согласно этим данным, ск колеблется от 0,0016 до 0,5 МН/м2 [149, 383]. Можно предположить, что критическая скорость нагружения зависит от типа льда и от его температуры.
Скоростной режим нагружения тесно связан с температурой льда и с характером его деформирования. На рис. 1.18 показаны области упругого, смешанного и пластического деформирования в зависимости от скорости нагружения и температуры [4И]. Повышение температуры и уменьшение скорости нагружения способствует пластическому деформированию и разрушению льда.
При низких отрицательных температурах и быстром приложении нагрузки обычно наблюдается хрупкое разрушение льда без значительных деформаций. Степень проявления пластических деформаций у льда, в особенности у морского, различна. Одновременно было отмечено уменьшение и увеличение прочности с увеличением скорости деформирования
Феноменологическая модель разрушения ледяной плиты перед вертикальной опорой
Алгоритм расчетов распределений ледовой нагрузки и количества циклов нагружения МЛП составлен по следующей схеме (рис.2.3.) и состоит из следующих этапов [24, 33, 35, 221, 236, 250].
Осуществляется моделирование ледового режима перебором й, Б, V, Л, N таким образом, чтобы охватить все расчетные ситуации, то есть все возможные сочетания параметров. При этом эти параметры моделируются поэтапно для каждой декады ледового периода отдель- но. Вероятностные распределения каждого исходного параметра определяются для каждой декады по данным многолетних наблюдений. Таким образом, каждый параметр будем иметь характеристики распределений для каждой декады зимнего периода. Поэтому мы оперируем условными распределениями параметров, что позволяет учесть их сезонную изменчивость и взаимовлияние за счет подекадного, а не годового осреднения.
В результате k-го шага по времени (к-я декада) и i-oro сочетания параметров получаем (имитируем) конкретную ситуацию ледового режима со следующими параметрами: hki, V ki, Dki, R kicp, N ki. Кроме того, определяются вероятности их появления р\ , р , р , р , р .
На каждом i-м шаге имитационного расчета моделируется процесс механического взаимодействия с сооружением дрейфующих со скоростью Vki ледяных полей размером Dki, толщиной hki, прочностью Rki, имеющих сплоченность Nki. Рассматриваемый процесс имеет продолжительность tki. Процесс моделирования сопровождается оценкой характера взаимодействия (остановка, прорезание), характера разрушения ледяной плиты, учетом взаимовлияния между льдинами и т.п. Для этого процесса, учитывая его сложность, разработана отдельная имитационная модель (см.разд.2.4.2).
В результате моделирования этого процесса мы получаем среднюю ледовую нагрузку Fki, время режима прорезания tkinp, сопровождающегося циклическим характером изменения ледовой нагрузки.
Принимая во внимание, что с позиции усталостного анализа интерес представляют только периоды циклического изменения ледовой нагрузки, когда происходит накопление усталостных деформаций, в модели учитываются только случаи хрупкого и квазихрупкого разрушения ледяного покрова.
Процесс повторяется до полного перебора всех возможных сочетаний значений параметров ледового режима и в результате определяются следующие характеристики процесса за весь период эксплуатации сооружения: общее количество циклов нагружения режим нагружения МЛП ледяным покровом М(п). Кроме того, в результате моделирования можем получить вероятностные распределения количества циклов нагружения 14, ледовой нагрузки К, периодов Т и других случайных величин.
Необходимо остановиться на особенности моделирования прочности льда. Полагаем, что прочность льда распределена по логнормальному закону и является функцией скорости дрейфа льда (скорости деформации), его солености и температуры. Среднее значение распределения прочности льда определяется с учетом зависимости ее от скорости деформации, а дисперсия распределения прочности определяется с использованием натурных данных.
Здесь выбор именно этого распределения обусловлен следующими особенностями самого логнормального распределения. Значение логнормальной величины формируется под воздействием очень большого числа взаимно независимых случайных факторов, причем воздействие каждого отдельного фактора «равномерно незначительно» и равномерно по знаку. Иными словами, воздействие равномерно по всем направлениям и каждое последующее воздействие не зависит от предыдущего, а случайный прирост, вызываемый действием каждого следующего фактора, пропорционален уже достигнутому к этому моменту значению исследуемой величин.
2.4.2. Модель механического взаимодействия дрейфующих ледяных полей с МЛП
Данная модель, являющаяся частью общей вероятностной модели, является детерминированной. Она предназначена для описания процесса механического взаимодействия дрейфующих ледяных полей с МЛП и между собой.
Входными параметрами в модели являются: сплоченность ледяного поля N; интервал времени функционирования ситуации Ts=tj5i; диаметр d и форма опоры сооружения; удельная энергия разрушения льда Е0; плотность р, прочность на сжатие R=Rki Rice и толщина льда h=hki; скорость движения льдины на свободной воде vki и ее диаметр Rki Для математического описания процесса взаимодействия дрейфующих ледяных полей с сооружениями принят ряд допущений, которые соответствуют последним достижениям в области ледотехники и реальному физическому процессу [250].
Процесс взаимодействия с сооружением дрейфующего ледяного покрова, состоящего из отдельных льдин, достаточно сложен, а его математическое описание не является тривиальным. В этом процессе могут наблюдаться четыре характерные случая взаимодействия: а) внедрение опоры сооружения в ледяную плиту (на величину й/2) и остановка льдины; б) то же, с прорезанием ледяного поля опорой сооружения на величину более й/2 и остановка ледяного поля; в) то же, с прорезанием ледяного поля опорой сооружения на величину более 0-2(1 и раскалыванием льдины; г) вторичное внедрение или прорезание остановившегося ледяного поля при взаимодействии с подходящими к сооружению другими ледяными полями. Первые три расчетных случая (а, б, в) рассчитываются с учетом энергетических балансовых соотношений. Для этих случаев вся кинетическая энергия льдины расходуется на работу контактной силы Е на пути внедрения опоры в лед X.
Дифференциальное уравнение движения ледяного поля при взаимодействии с сооружением можно записать в виде МХ + = 0 , (2.25) где М - масса ледяного поля; Х=Х(1;) - глубина внедрения опоры в сооружения лед; в(Х) - площадь поверхности, на которой происходит разрушение льда; Е - сила сопротивления разрушающегося ледяного поля, приходящаяся на единицу поверхности.
Аналитическое решение данного уравнения можно получить, если функция в(Х) будет линейной [198]. Для случая цилиндрической опоры и с учетом объема смятия льдины перед ней эта функция приближенно может быть выражена линейно [199] Небольшое отклонение приведенной зависимости от точной можно не принимать во внимание, так как она имеет ощутимую погрешность лишь до значения X 0.25г. Поэтому используем (2.26) для определения нагрузки как на стадии прорезания, так и на стадии внедрения.
Методика экспериментальных исследований
На основе имитационной модели взаимодействия ледяного покрова с МЛП, представленной во второй и третьей главах был разработан численный алгоритм расчета, подробная блок-схема которого приведена в Прил.1, и составлена программа для персонального компьютера (При л, 2).
Программная реализация модели представляет собой открытый интерактивный комплекс, выполненный в рамках одного из самых мощных приложений MS Windows - программной оболочки Visual Basic 5. Посредством упорядоченного набора закладок (программных средств непосредственно самой оболочки) выполняется настройка и выбор математической модели, численных значений параметров и режимов функционирования системы.
При запуске системы посредством мыши предлагается выбрать ту или иную закладку. В каждой из них присутствует и/или модифицируется определенная информация об организации процесса вычислений, численных значений параметров или моделей. Так закладка «Данные» содержит численные значения входных параметров. Параметры, относящиеся к одному объекту, упорядочены посредством их заключения в соответствующие контейнеры. Например, параметры для габаритов сооружения упакованы в контейнер «Параметры сооружения», а маршруты файла параметров и файла результатов - в контейнер «Ввод/Вывод».
При работе с системой имеется возможность компьютерного моделирования реальных ситуаций посредством оперативного варьирования входных параметров. 5.1. Исследование детерминированной модели механического взаимодействия ледяных полей с МЛП
Для проведения анализа функционирования модели механического взаимодействия ледяных полей с МЛП были выполнены численные эксперименты с помощью компьютерной программы. С целью сокращения количества численных экспериментов были использованы рекомендации по планированию активного эксперимента [158].
В качестве основного выходного параметра модели принято количество циклов нагружения п. Основными факторами, влияющими на количество циклов нагружения, являются: скорость дрейфа v, толщина ледяных полей h, прочность льда R, диаметр сооружения d, сплоченность. Для сокращения количества численных экспериментов были приняты три исходных фактора, представляющие безразмерные комплексы: сплоченность N, d/h, R/(pv2).
Исходные данные и результаты расчетов количества циклов по разработанной компьютерной программе представлены в табл.5.1. Длительность процесса взаимодействия ледяного покрова с МЛП задавалась равной ЗхЮ4 с.
После математической обработки по программе «Планирование эксперимента» была получена полиномиальная модель для количества циклов нагружения Количественные значения коэффициентов в (5.1) характеризуют степень влияния факторов и их взаимодействий на выходной параметр. Можно сделать вывод, что коэффициенты в11? в и в22 значи-
Исследование поверхности отклика модели (5.1) было выполнено по девяти сечениям. На рис.5.1-5.9 показаны характерные сечения поверхности отклика, по которой можно судить о диапазоне изменения п. Как и следовало ожидать, количество циклов нагружения МЛП имеет гладкую зависимость от исходных безразмерных факторов без каких-либо заметных особенностей (экстремумов и т.д.). Существуют нулевые области, в которых модель не вычисляет количество циклов. Это ситуации, при которых отсутствует режим прорезания, т.е. циклического изменения ледовой нагрузки.
Для исследования функционирования разработанной имитационной модели процесса взаимодействия дрейфующего ледяного покрова с МЛП были выполнены численные эксперименты по разработанной программе для различных габаритных размерах сооружения. Распределения исходных параметров ледового режима приняты для конкретного района шельфа Охотского моря (табл.5.2 и 5.3, рис.5.10-5.13).
Численное моделирование осуществлялось путем перебора всех возможных сочетаний исходных параметров в соответствии с их распределениями, представленными гистограммами. Результаты численного моделирования приведены и на рис.5.14-5.29. На рисунках приведены гистограммы распределений параметров, характеризующих процесс взаимодействия ледяных полей с МЛП: силы прорезания Г, количество циклов нагружения п, времени прорезания для различных диаметров сооружения. Кроме того, для каждого размера даны режимы нагружения МЛП ледяным покровом. Последние могут быть непосредственно использоваться в расчетах усталостной прочности конструктивных элементов сооружений.
Как видно из рисунков, для всех параметров характерен экспоненциальный закон распределения. Это.отвечает исследуемой модели и не противоречит природе изучаемого явления.
Необходимо отметить, что характерное время прорезания практически при каждом воздействии в основном не превышает 300 с. Это соответствует реальному процессу воздействия ледяного поля на сооружение. Распределение количества циклов нагружения соответствует распределению времени прорезания.
Режим нагружения показывает, что преобладающее количество циклов наблюдается при значениях ледовых нагрузок ниже средних.
Результаты расчетов показали, что сооружение может подвергаться воздействиям многоцикловой нагрузки от дрейфующего ледяного покрова. Так, для принятых ледовых условий МЛП и ее элементы за 30 лет эксплуатации могут испытывать до 5 107 циклов нагружения только от ледяного покрова. При этом количество циклов нагружения в определенном диапазоне й/Ь слабо зависит от поперечного размера сооружения (рис.5.30).
