Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Влияние ледовых условий на надежность подводных трубопроводов 11
1.1. Проблемы трубопроводного транспорта в замерзающих морях... 11
1.2. Способы защиты подводных трубопроводов 13
1.3. Нормативное регулирование величины заглубления подводных трубопроводов 16
1.4. Обзор расчетных методов определения глубины внедрения торосов в грунт 23
1.5. Факторы, влияющие на величину заглубления подводного трубопровода, и постановка задач исследований 29
1.5.1. Воздействие торосов и стамух на заглубленный
трубопровод 29
1.5.2. Надежность подводного трубопровода и выбор его оптимальной величины заглубления 33
1.5.3. Литодинамика подводного склона 38
1.5.4. Постановка задач исследований 40
ГЛАВА 2. Характеристики условий северо восточного шельфа о.сахалина, влияющих на надежность подводных трубопроводов 46
2.1. Гидрометеорологический режим 46
2.2. Ледовые условия 47
2.3. Физико-механпческие характеристики ледяного покрова 49
2.3.1. Температура 49
2.3.2. Соленость 50
2.3.3. Прочность 50
2.4. Торосы 57
2.4.1. Кинематические параметры 57
2.4.2. Морфометрические параметры 58
2.5. Стамухи 66
2.5.1. Морфометрические параметры 70
2.6. Внутренние параметры торосов и стамух 70
2.7. Внедрение торосов и стамух в грунт. Остаточные борозды на дне от воздействия дрейфующих ледовых образований 77
ГЛАВА 3. Внедрение торосов и стамух в грунт 89
3.1. Внедрение дрейфующего тороса в грунт 89
3.1.1. Обоснование математической модели внедрения торосов в грунт 89
3.1.2. Оценка числа пересечений бороздами трассы трубопровода 108
3.2. Вертикальное внедрение стамухи в грунт 113
3.2.1. Оценка давления стамух на грунт 113
3.2.2. Оценка числа внедрений стамух над трассой трубопровода... 117
3.3 Предельные характеристики воздействия торосистых
образований на морское дно 120
3.3.1. Предельная глубина внедрения торосов в грунт 121
3.3.2. Максимальное давление стамух 124
3.3.3. Предельные движущие силы 125
ГЛАВА 4. Определение оптимальной величины заглубления подводного трубопровода 129
4.1. Обоснование уровня надежности трубопровода 129
4.2. Процедуры численного моделирования взаимодействия тороса с грунтом 132
4.3. Параметры распределения глубин внедрения торосов в грунт ... 133
4.4. Давление стамух на трубопровод 138
4.5. Методика определения толщины стенки трубопровода из условий ледового пропахивания 141
4.5.1. Толщина стенки из условия максимальных оболочечных изгибных напряжений 146
4.5.2. Толщина стенки из условия максимальной допустимой овальности сечений трубопровода при пропуске внутритрубных устройств 151
4.5.3. Толщина стенки из условия максимальных суммарных кольцевых напряжений при эксплуатации трубопровода 152
4.6. Методика учета литодинамики подводного склона 153
4.6.1. Учет рельефа дна при выборе трассы трубопровода 166
4.7. Оптимизация профиля заглубления подводного трубопровода... 173
4.7.1. Методика 173
4.7.2. Оптимизация профиля заглубления трубопровода на северо-восточном шельфе о.Сахалин 178
Заключение 185
Литература
- Нормативное регулирование величины заглубления подводных трубопроводов
- Физико-механпческие характеристики ледяного покрова
- Оценка числа пересечений бороздами трассы трубопровода
- Параметры распределения глубин внедрения торосов в грунт
Нормативное регулирование величины заглубления подводных трубопроводов
Известно несколько способов защиты подводных трубопроводов от воздействия дрейфующих торосов и айсбергов [85, 121, 144]. Условно их можно разбить на две группы: методы противодействия и методы уклонения от воздействия дрейфующих ледовых образований.
В методах противодействия реализуется идея противостояния воздействию дрейфующих торосов, которая может осуществляться гравийной или каменной наброской, бетонными покрытиями или другими способами.
При этом воздействие от дрейфующего тороса воспринимает наброска и масса наброски должна быть значительная, чтобы погасить кинетическую энергию тороса. Кроме того, подводную наброску необходимо защищать от размыва, что еще более удорожает работы.
Другой метод противодействия дрейфующим ледовым образованиям -это использование бетонной защиты. При этом бетон может формироваться прямо на трубопроводе в виде плотно облегающего кольца. Обетонирование трубопровода широко используется в мировой практике для его балластировки и защиты от внешней коррозии. Опыт эксплуатации таких трубопроводов показывает, что обетонирование трубопровода достаточно для защиты его от воздействия траловых досок [129]. Для противодействия дрейфующим торосам толщина обетонирования должна быть значительной и должна включать армирование, что в конечном итоге делает этот метод защиты дорогостоящим.
Другое применение бетона в качестве защиты может быть реализовано в виде защитных сооружений, которые воспринимают воздействие торосов на себя. Такие конструкции могут быть самые разнообразные, но, по-видимому, как наиболее экономичные должны использоваться сваи. Этот метод тоже можно считать достаточно дорогостоящим, кроме того, необходимо учитывать, что проведение свайных работ на море в условиях частых штормов крайне затруднено.
Кроме вышеперечисленных, методы противодействия обладают еще одним весьма значительным недостатком: для того, чтобы обоснованно рассчитать нагрузку на защитное сооружение, необходимо знать прочностные параметры торосов. Эти параметры в настоящее время мало изучены. Кроме того, методы противодействия практически не могут быть применены для защиты подводных трубопроводов от воздействия айсбергов.
Методы уклонения от воздействия дрейфующих ледовых образований на трубопровод кардинально решают проблему защиты. В настоящее время известны четыре таких метода: учет рельефа дна, метод наклонного бурения, сооружение туннеля и, наконец, заглубление трубопровода в грунт.
Учет рельефа дна позволил компании Polar Gas разработать практические рекомендации при проектировании газопровода через пролив Барроу [61]. На основании наших предложений [3, 4, 136] при выборе трассы трубопровода на месторождениях "Чайво-море" и "Аркутун-Даги" (по проекту "Сахалин-!") были учтены особенности рельефа дна. Утвержденная трасса трубопровода была проложена в ложбине между двумя подводными холмами, И хотя трасса трубопровода удлинилась на 10 км, экономия средств была достигнута за счет того, что не пришлось значительно заглублять трубопровод или делать какую-либо иную его защиту.
Что касается прокладки трубопроводов методом наклонного бурения, то в этой области накоплен значительный мировой опыт. В основном метод наклонного бурения используется для речных переходов [15, 59]. Однако уже имеется опыт прокладки и морского нефтепровода [11]. Надежность трубопровода, проложенного таким методом, значительно выше, чем проложенных другими способами [59], кроме того, в случае прокладки способом "труба в трубе", он обладает высокой ремонтопригодностью. Однако протяженность трубопровода, проложенного методом наклонного бурения, не может превышать 1 - 2 км [15,59], что и ограничивает широкое применение этого способа.
Трубопроводы могут быть уложены и в туннель, который должен быть проложен на безопасной для торосов и айсбергов глубине. Этот метод является вполне приемлемым для крутых подводных склонов, когда безопасную глубину моря можно достичь, проложив относительно короткий туннель. Строительство туннеля оказывает незначительное воздействие на окружающую среду. Метод наклонного бурения и туннель имеют важное достоинство: работы могут производиться круглогодично и не зависят от погодных условий. Единственный недостаток - значительная стоимость.
Заглубление трубопровода в грунт является основным и наиболее применяемым способом защиты трубопровода от внешних воздействий. Многие авторы считают, что и для защиты трубопровода от воздействия дрейфующих торосов и айсбергов этот метод наиболее эффективен, что, по-видимому, объясняется его приемлемостью с точки зрения надежности и стоимости, а также апробированной технологией и наличием технических средств [25]. В настоящее время разработано большое количество способов и методов заглубления, сконструированы и опробованы различные трубозаглубительные установки [25]
Физико-механпческие характеристики ледяного покрова
Метеорологические условия формируются под действием муссонной циркуляции умеренных широт. Ветровой режим имеет хорошо выраженную сезонную периодичность: зимой преобладают ветры западного, северо-западного и северного направлений, в теплый период преобладающими становятся ветры южного, восточного, юго-восточного направлений.
Максимальные скорости ветра отмечаются в основном в холодный период года и при прохождении циклонов, тайфунов. Повторяемость штилей и слабых ветров в зимний период максимальна (20-30 %), а в летний период составляет до 50-60 %. Средняя годовая скорость ветра, к примеру, для Чайво составляет 6 м/с, Одопту 7 м/с, м.Елизаветы 7,5 м/с.
Средняя годовая температура в этом районе отрицательная и колеблется вдоль побережья от -1.1С до -3.6С (м. Елизаветы и Одопту соответственно).
Длительность холодного периода (температура воздуха ниже 0С), например, для Чайво 196 дней, м.Елизаветы 192 дня.
Самый холодный месяц - январь, самый теплый - август. Снежный покров появляется в конце октября, а устойчивый - с середины ноября до середины мая.
Район шельфа северо-восточного Сахалина характеризуется высокой динамикой морских вод. Основными факторами, определяющими высокую интенсивность гидрологических процессов региона, являются: течения, колебания уровня моря, волнение и морской лед. Для Охотского моря движение морской воды имеет циклонический характер. В совокупности с выносом вод реки Амур и постоянным Восточно-Сахалинским течением эти факторы определяют высокие скорости течения (до 3 м/с в поверхностном слое).
Амплитуда колебаний уровня моря достигает 3.5 м. Высота нагонов -1.0-1.5 м. Характер приливов - неправильный суточный. Частые шторма, характеризующиеся волнением 10-20 м, вызывают значительные изменения в ландшафте береговой части.
Гидрометеорологические условия (сильные штормы, высокие скорости течений, сгонно-нагонные явления и др.) северо-восточного шельфа о, Сахалин обеспечивают гидро- и литодинамическую активность прибрежных вод, которая негативным образом влияет на устойчивость и конструктивную надежность морских трубопроводов.
По сложности ледовых условий этот район обоснованно отнесен к арктическим районам. Продолжительность ледового периода здесь достигает 240-250 дней. Наиболее сложная ледовая обстановка, когда все характеристики ледового покрова достигают экстремальных величин, наблюдаются в марте-апреле.
Многолетний опыт исследований ледовых нагрузок позволил выявить основные факторы, влияющие на них. К ним можно отнести: параметры ледового режима и их пространственно-временная изменчивость (морфологические, кинематические); физико-механические свойства морского льда (температура, соленость, структура, характеристики прочности и упругости) и их пространственно-временная изменчивость; параметры сооружения, в данном случае трубопровода, (диаметр, толщина стенки, характеристики материала).
Совокупность этих факторов определяет характер взаимодействия ледяного покрова с подводными трубопроводами.
Ледообразование на акватории шельфа северного побережья О.Сахалина обычно начинается в третьей декаде ноября.
В марте и начале апреля ледовая обстановка достигает наибольшей сложности. Сплоченность дрейфующих льдов составляет 9-Ю баллов.
В мае повсеместно идет процесс разрушения и таяния льда. Во второй половине мая отмечается уменьшение сплоченности до 4-5 баллов. В отдельные годы дрейфующие льды могут наблюдаться в июне и даже начале июля.
На рис.2.1 представлено изменение значений среднемесячной толщины и сплоченности дрейфующего льда за ледовый сезон на северо-востоке о.Сахалин.
СахалинНИПИморнефть, за период с 1988 по 1993 гг. Район нефтегазовых месторождений характеризуется высокой динамичностью ледяного покрова (дроблением и деформацией), сопровождающейся торосообразованием и разрушением ледяных полей. Разрушение в значительной степени компенсируется смерзанием, в результате которого формируются гигантские поля сморози. За период наблюдений с 1956 года зарегистрировано наиболее крупное поле сморози, которое достигало 8 км в диаметре и представляло собой сморозь мелкобитого однолетнего льда торосистостью 3-4 баллов. Максимальная высота торосов может достигать 6-5-7 м. Средняя высота торосов в течение зимы изменяется от 1.1 мв феврале до 1.8 м в апреле.
В период максимального развития ледяного покрова на акваториях нефтегазовых месторождений торосистость может достигать 4-5 баллов.
Одновременно в сплоченном льду наблюдаются как "старые", так и молодые торосы. К "старым" относятся торосы возрастом более 2-3 месяцев, которые преобладают в массиве дрейфующего льда. По характеру преобладает беспорядочная торосистость.
Оценка числа пересечений бороздами трассы трубопровода
Взаимодействия торосистых образований (дрейфующих торосов и стамух) с морским дном отличаются как направлением действия (у торосов они по большей части горизонтальные, а у стамух - вертикальные) и характером (при воздействии дрейфующих торосов имеет место динамический характер нагрузок, а стамухи воздействуют более статично). Борозды на дне, оставшиеся от воздействия дрейфующих торосов и айсбергов, являются важнейшими свидетельствами, позволяющими судить о силе и интенсивности данного воздействия. Исследование борозд проводилось в различных районах мирового шельфа, подверженных воздействию айсбергов и торосов.
С 1970-х годов борозды регистрируются с помощью сонаров бокового обзора и гидролокаторов [89, 116], при этом на сонограммы снимаются участки дна шириной от десятков до нескольких сотен метров. Среди регистрируемых характеристик борозд основными являются: длина, ширина, глубина, направление и плотность (количество следов на единицу длины трассы) [86, 101, 109, 115, 116, 121, 144, 151]. Другой важнейшей характеристикой борозд является скорость появления новых борозд, пересекающих трассу подводных трубопроводов, т.е. число появления новых борозд за единицу времени. Для получения этой характеристики необходимо проводить повторное картографированное дна через какой-то промежуток времени.
Море Бофорта. Исследования проводились независимо как в канадской части моря Бофорта, так и в американской. Съемка дна производилась эхолотом и сонаром бокового обзора.
В течение сезонов 1970-1971 был исследован канадский шельф моря Бофорта [119]. До 1977 г. в канадской части были исследованы 5700 км линейных маршрутов [101], в американской части - около 2000 км, сняты характеристики около 10000 борозд [70]. Американская геологическая служба изучала борозды в американском секторе моря Бофорта с 1970 г. в течение 4-х лет [125]. С 1975 по 1976 в этом районе были проведены повторные съемки дна [69]. Глубины борозд были определены замером вертикального расстояния от уровня неповрежденного участка дна до самой низкой точки профиля борозды. Мелкие следы, менее 0,6 м, трудно узнаваемы и их число при анализе сонограмм занижается [102]. Направление борозд лежит в пределах примерно 100 [102]. Что касается остальных параметров борозд (глубина, ширина, плотность), то они несколько различаются в американской и канадской частях моря Бофорта, Это может быть результатом как действительно имеющих место различий, так и разницы в регистрирующей технике и технических приемах оценки (оценка глубины следа, ширины и т.д.). Например, в канадских данных множественный след, имеющий несколько борозд, оценивался как один и глубина замерялась по максимальной борозде, а в американских данных каждая борозда принималась за отдельный след [114].
Зона распространения борозд лежит на глубинах 15-40 м. Плотность борозд быстро убывает на больших глубинах. Ширина борозд колеблется от нескольких метров до нескольких сот метров. Средняя глубина борозд находится в пределах 0,5 - 1,0 м, максимальные глубины борозд доходят до 6,0 м, некоторые очень редкие борозды доходят до 7,6 м и одна неподтвержденная борозда имела глубину 10 м [102].
Для выделения критериев защиты подводных объектов шельф моря Бофорта условно можно разделить на 4 зоны в соответствии с глубиной воды: 1 - глубина воды более 20 м; 2 - глубина воды 15-20 м; 3 - глубина воды 2,5-15 м; 4 - глубина воды менее 2,5 м [130].
В первой зоне, до глубины 40 м, дно моря насыщено бороздами. Плотность борозд резко уменьшается на глубине моря более 40 м, практически достигая нуля на отметке 120 м. Несмотря на существование борозд на глубинах более 50 м, имеются свидетельства, указывающие на то, что они появились в то время, когда уровень воды был ниже (их возраст составляет 3-10 тыс. лет). На основе современных измерений килей торосов, борозды не ожидаются на глубине моря более 47 м. Однако некоторые авторы считают, что современные борозды достигают шестидесятиметровой глубины моря [126]. Вторая зона характеризуется увеличенной, по сравнению с первой зоной, скоростью осадконакопления, что может привести к снижению точности анализа, применяемого для первой зоны.
В третьей зоне динамичный контакт торосов с грунтом происходит чаще, чем на глубоководье, но глубина внедрения в грунт обычно лишь 0,3-0,6 м.
В четвертой, прибрежной зоне, зимний ледяной покров в основном достигает дна. В период вскрытия лед, переносимый в эту мелководную зону, не обладает достаточной энергией и считается, что он не опасен для подводных объектов. Более серьезную угрозу представляют здесь литодинамические процессы.
Одной из важнейших характеристик борозд на морском дне является плотность распределения их глубин. Левисом (Lewis) было установлено, что данная плотность распределения подчиняется экспоненциальному закону, т.е. функция плотности распределенияр(h,к) имеет вид [102]: p(h,k) = kexp(-kh), (2.16) где к - параметр распределения; h - глубина борозды.
В настоящее время этот вывод считается общепризнанным [109, 121, 144, 148, 151]. Следует отметить, что хотя и имеется общая для всех районов шельфа моря Бофорта тенденция к снижению значения параметра распределения к с увеличением глубины моря, однако для конкретной трассы обследования дна может иметь место локальное увеличение или уменьшение значения к. Это хорошо видно на рис.2.26. Локальное колебание параметра распределения к объясняется влиянием особенностей береговой линии, направлением дрейфа льда, изменчивостью по площади физико-механических свойств фунта и, что особенно важно, угла наклона дна.
Параметры распределения глубин внедрения торосов в грунт
Прежде всего, определим соотношение коэффициентов ЯрИ и /U Для этого найдем, чему они равны для конкретных значений входящих в них параметров. Угол внутреннего трения р грунта примем для упрощения равным 30, а не 32, очевидно, что отклонение в этом случае будет незначительно. Следующий параметр - угол трения грунта о стенку q s. Учитывая значительную неровность боковой поверхности тороса (выступающие обломки льда), угол трения грунта о стенку ps необходимо принять максимальным в этих условиях, т.е. равным углу внутреннего трения грунта. Угол наклона стенки от вертикали в нашем случае равен нулю. Для этих значений в табл.3.1 находим коэффициент ЯрИ: он равен 5,67. По формулам (3.28) и (3.29) определяем значение коэффициента ЯаИ: Яа/)=0,485. Таким образом, для принятых данных коэффициент ЯрИ превосходит коэффициент ЯаА примерно в 12 раз.
Учитывая принятое нами положение, что (ps=cp, определим моэффициент трения Fmp. При $у=300 о навен н,5777 Так как клиин аороса L нн еолжнн значительно отличаться от его ширины В, то произведения 0,5у5 и yL fmp можно считать примерно равными.
Остается сравнить последние сомножители: в выражении силы лобового сопротивления грунта (3.26) это tgcp + tg выражении силы трения грунта (3.31) - H2=(xtga)2. Угол наклона а на северовосточном шельфе О.Сахалина колеблется от 0,1 до 0,5. Если подставить эти значения а в сравниваемые выражения (при (р =30), то получится, что выражение [xtga + 0,S5x tgag(p + tg2a)\ больше выражения (xtga)2 в 7-15 раз. Примем минимальное значение. Окончательно, учитывая соотношение между Xph и Яоh получим, что сила лобового сопротивления движению тороса со стороны грунта F„(x) больше силы трения грунта о боковую поверхность
В работе [91] приводятся результаты экспериментальной проверки внедрения модели тороса в грунт. При этом использовались две модели: одна в виде прямоугольного параллелепипеда, а вторая с передней стенкой, наклоненной под 30 в сторону грунта. Модели изготавливались из алюминиевого листа толщиной 6,4 мм и имели следующие размеры: ширина - 0,5 м, длина - 1,0 м, высота - 1,0 м. Модели оснащались датчиками и устанавливались на подвижной раме. Характеристики грунта даны в табл.3.3.
На рис.З.З показаны зависимости высота выпора грунта he от длины борозды S как для модели с вертикальной передней стенкой, так и для модели с наклонной передней стенкой. Для сравнения нанесена теоретическая кривая, полученная по формуле (3.15). Дальнейшее сравнение ведется между экспериментальной и теоретическими кривыми для модели с вертикальной передней стенкой. Ниже будет рассмотрено значение экспериментальных данных для модели с наклонной передней стенкой,
Как видно из графиков, при длине борозды примерно до 0,75 м имеет место практически полное совпадение экспериментальной и теоретической кривых. Далее появляется разница между ними: высота выпора по теоретической кривой превосходит экспериментальные данные, которая, по мере увеличения длины борозды, все более увеличивается.
Это объясняется явлением ссыпания вбок вытесненного грунта в эксперименте (при длине борозды более 0,75 м). Боковые гребни, которые увеличиваются по ходу движения модели, хорошо видны на фотографиях, приведенных в работах [61, 76, 121]. Влияние процесса ссыпания вытесненного грунта вбок прослеживается и на самом характере экспериментальной кривой. С начала внедрения она имеет линейный характер, далее (при длине борозды более 0,75 м) плавно наклоняется к оси абсцисс (начало и усиление процесса ссыпания грунта вбок) и, наконец, принимает устойчивый линейный характер.
Если принять во внимание тот факт, что на северо-восточном шельфе О.Сахалина, по данным обследования стамух, отношение глубины борозды к ее ширине лежит в пределах 0,07-f0,09, то для условий эксперимента это будет соответствовать длине борозды модели S = 1,225 -1,575 м. В этом диапазоне на рис.3.5 наблюдается, хотя и незначительная, разница между экспериментальной и теоретической кривыми. Однако отношение глубины борозды к ее ширине получено при обследовании стамух, а не непосредственно борозд. Учитывая, что глубины борозд распределены по экспоненциальной зависимости, можно сделать вывод, что основное количество длин борозд будет соответствовать значительно меньшим значениям, чем вышеуказанный диапазон (l,225 l,575), т.е. тому участку на рис.3.5, где разница между экспериментальной и теоретической кривыми практически отсутствует.
Что касается экспериментальных данных для модели с наклонной передней стенкой, то вышеприведенные рассуждения относятся и к ним, т.е. для диапазона глубин борозд соответствующего северо-восточному шельфу О.Сахалина наклон передней грани особенно не отражается на высоте выпора грунта. Этот вывод позволяет определить силу сопротивления со стороны грунта для модели с наклонной передней стенкой по формуле (3.32).
На рис.3.6 показаны зависимости силы сопротивления грунта от длины борозды, полученные экспериментальным и теоретическим путем по формуле (3.32). На характере проведения кривых отразились вышеуказанные причины, при этом, как и на рис.3.5, до значения S равном примерно 0,75 м происходит полное совпадение теоретической и экспериментальной кривых, а после этого значение силы сопротивления грунта по теоретической кривой превышают значения, полученные в ходе эксперимента.
