Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние освоения шельфа Вьетнама . 8
1.1. Общие сведения о МНГС и перпективы их развития на шельфе Вьетнама 8
1.2. Природно-климатические условия шельфа Вьетнама 15
1.3. Состояние МНГС и их элементов 20
Выводы по первой главе 34
Глава 2. Технология строительства глубоководных трубопроводов с учётом природных воздействий 35
2.1. Технология строительства морских трубопроводов J-методом 35
2.2. Судовая качка и её действия на трубопровод 42
2.3. Ветровые нагрузки 46
2.4. Течение воды 48
2.5. Волны и их действия на МНГС 51
2.6. Вероятностный расчёт волновых характеристик 67
2.6.1. Функции обеспеченности высот и периодов волн 68
2.6.2. Вероятностный расчёт волновых характеристик 70
Выводы по второй главе 77
Глава 3. Укладка морских трубопроводов на больших глубинах J-методом 79
3.1. Дифференциальные уравнения изгиба трубопроводов 80
3.2. Анализ методов расчёта трубопроводов, укладываемых J-методом 81
3.3. Расчёт напряжённого состояния глубокоподводных трубопроводов при укладке J-методом 84
3.4. Расчёт напряжённого состояния глубокоподводных трубопроводов при укладке J-методом под произвольным углом наклона 95
3.5. Расчёт устойчивости стенки трубопроводов при укладке J-методом 102
Выводы по третьей главе 105
Глава 4. Влияние волн, течений и судовой качки на напряжённое состояние стояков и подводных трубопроводов, укладываемых J-методом 101
3.1. Расчёт трубопроводов, укладываемых J-методом на переменные воздействия 111
Выводы по четвёртой главе 115
Общие выводы и рекомендации по диссертации 116
Принятые сокращения 117
Список использованной литературы 113
- Природно-климатические условия шельфа Вьетнама
- Вероятностный расчёт волновых характеристик
- Расчёт напряжённого состояния глубокоподводных трубопроводов при укладке J-методом
- Влияние волн, течений и судовой качки на напряжённое состояние стояков и подводных трубопроводов, укладываемых J-методом
Введение к работе
Для освоения морских нефтянных и газовых месторождений, необходимо построить также морские нефтегазовые сооружения (МНГС) как подводные трубопроводы, причалы, подводные комплексы и различные платформы для бурения, добычи, сбора, подготовки и транспорта нефти и газа.
На шельфе Вьетнама уже 30 лет эксплуатируются морские месторождения как "Белый Тигр", "Дракон", "Большой Медведь", "Черный Лев", "Желтый Лев" и др. На этих месторождениях построены различные МНГС на глубинах 50 - 120 м. В ближайщее время морские месторождения "Лан Тау", "Лан До", "Хай Тхань", "Бунга Кеква" и др. будут введены в эксплуатацию. Это связано с строительством новых морских внутрипромысловых и магистральных трубопроводов, а также платформ. Кроме этого, различными зарубежными компаниями (в том числе Российскими) в тесном содружестве с Петровьетнамом будут выполнены поисково-разведочные работы в глубоководных районах.
Укладку морских трубопроводов на шельфе Вьетнама осуществляют различными способами:
протаскивание трубопровода по дну моря;
укладка погружением с поверхности моря;
опускание трубопровода с опор;
укладка трубопроводов с трубоукладочных барж без натяжения, с натяжением, со стингером и без него.
Анализ этих способов показывает что, все они применимы для укладки на малых и средних глубинах. На больших глубинах для укладки морских внутрипромысловых и магистральтных трубопроводов используется J-метод. В будущем на шельфе Вьетнама актуальной для освоения месторождений на глубоководных акваториях станет проблема укладки
. 4
морских трубопроводов в сложных метеорологических и гидрологических условиях.
В связи с этим особую важность и актуальность приобретает разработка методов расчёта напряжённо-деформированного состояния трубопровода при укладке J-методом, обеспечивающего управление процессом укладки трубопроводов в зависимости от глубины моря и скорости трубоукладочного судна.
Главной целью диссертации является разработка методов расчёта напряжённо-деформированного состояния трубопровода при укладке J-методом в случае вертикального опускания трубы, а также при любом угле наклона оси трубопровода по отношению к поверхности моря, расчёта устойчивости стенки трубопровода и расчёта на переменные воздействия волн, течений и судовой качки.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Обоснована технология строительства глубоководных трубопроводов, укладываемых J-методом с учётом природных воздействий (волн, течений, ветра, судовой качки);
Выполнен вероятностный расчёт параметров волн;
Разработан метод расчёта напряжённого состояния трубопровода при укладке J-методом в случае вертикального опускания трубы;
Разработан метод расчёта напряжённого состояния трубопровода при укладке J-методом в случае любого угла наклона оси трубопровода;
Разработан метод расчёта устойчивости стенки трубопровода при укладке J-методом;
Разработан метод расчёта прочности стояков и трубопроводов, укладываемых J-методом, на переменные воздействия волн, течений и судовой качки.
На защиту выносятся:
Метод расчёта напряжённого состояния трубопровода при укладке J-методом в случае вертикального опускания трубы;
Метод расчёта напряжённого состояния трубопровода при укладке J-методом в случае любого угла наклона оси трубопровода, который также позволяет определить конфигурацию и напряжённо-деформированное состояние трубопровода;
Метод расчёта устойчивости стенки трубопровода при укладке J-методом;
Метод расчёта прочности трубопроводов, укладываемых J-методом, на переменные воздействия волн, течений и судовой качки.
Научная новизна диссертационной работы:
Разработанный метод расчёта напряжённого состояния трубопровода при укладке J-методом в случае вертикального опускания трубы позволяет определить конфигурацию, изгибающие моменты, поперечные силы в различных сечениях трубопровода.
Разработан метод расчёта напряжённого состояния трубопровода при укладке J-методом для любого угла наклона оси трубопровода. Это позволяет определить пространственное положение трубопровода, углы поворота сечений, а также изгибающие моменты, поперечные силы в различных сечениях трубопровода.
Разработан метод расчёта устойчивости стенки трубопровода при укладке J-методом на внешнее давление воды.
Разработан метод расчёта прочности стояков и трубопроводов, укладываемых J-методом, на переменные воздействия волн, течения и судовой качки.
Практическая ценность:
Разработанные в диссертации методы расчёта параметров трубопровода и технология укладки J-методом позволяют обеспечить безаварийную укладку трубопроводов на больших глубинах, а также контролировать и управлять процессом строительства трубопровода на этих глубинах.
Материалы исследований используются в учебном процессе для обучения студентов по специальности "Морские нефтегазовые сооружения".
Апробация результатов работы:
Основные результаты диссертации докладывались на международной научно-технической конференции "Нефть, газ Арктики-' в июне 2006 года и на 7-й научно-технической конфереции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" в январе 2007 года. Автором опубликовано 3 статьи по теме диссертации в различных научно-технических журналах, в том числе и включённые в список ВАК для обязательной публикации. Материалы диссертации используются в работах, выполняемых в корпорации "Петровьетнам".
Природно-климатические условия шельфа Вьетнама
Территория Вьетнама омывается водами Южно-Китайское море, длина берега которой составляет 3000 км.
Южно-Китайское море (South China sea)— полузамкнутое море в западной части Тихого океана у берегов Юго-Восточной Азии, между полуостровом Индокитай, островами Калимантан, Палаван, Лусон и Тайвань. Входит в состав морских бассейнов Австрало-Азиатского Средиземного моря (рис. 1.9).
Общая площадь- 3537 тыс. км2, максимальная глубина- 5560 м, Температура воды на поверхности в феврале от 20 С на севере до 27 С на юге, в августе достигает 28-29 С по всей площади. Соленость воды - 32-34 %о. Летом и осенью частые тайфуны. Приливы неправильные, суточные и полусуточные, до 4 м.
Грунт на больших глубинах - ил и песок, а вблизи островов и рифов -коралл. В южной части пути преобладает ил, песок и ракушка, на банках -коралл, а у берегов скалистых островов встречается скалистый грунт. Большую опасность при плавании Южно-Китайским морем представляют тайфуны. Под воздействием муссонов в Южно-Китайском море образуются дрейфовые течения.
Центральная часть моря достигает глубины более 4000 м, однако ближе к континенту - в Тонкинском (Бакбо) и Сиамском заливах море резко мельчает: глубина здесь не превышает 100 м. Линия глубины в 2000 м проходила далеко, в некоторых местах на расстоянии в 300-400 км от современных берегов, исключая узкий коридор шириной в 30 км, который тянется от мыса Най до мыса Зинь, образуя своего рода конус. Вследствие значительной узости стремительные морские течения постепенно унесли с
собой глинистый ил, принесенный на морское дно реками, поэтому в Центральном Вьетнаме оно покрыто только серым или белым песком.
На шельфе Вьетнама сосуществуют два ветровых режима: северно-восточный муссон - зимой и юго-западный - летом. Зимний муссон (ноябрь-март), характеризующийся устойчивыми сильными ветрами северно-восточного направления, и средняя скорость ветра достигает 9 м/с и больше, он переносит сухие холодные массы воздуха с континента. С этим муссоном связан относительно прохладный сухой период, во время которого выпадает 15% годовой нормы осадков.
В летний муссон (июнь-сентябрь), характеризующийся устойчивыми силыми ветрами южно-западного направления, и средняя скорость ветра достигает 7,8 м/с, действуют жаркие влажные южные ветры. За этот период выпадает 85% годовой кормы осадков. В переходный весенный сезон, к которому относятся апрель и май месяцы, характеризуется неустойчивыми ветрами разных направлений. Переходный осенный сезон наблюдается в октябре. В этом месяце наблюдается некоторая тенденция к преобладанию слабых ветров северно-восточного направления.
Режим морских приливов на шельфе Вьетнама чрезвычайно сложен. В зависимости от местности приливы бывают суточные, полусуточные и промежуточные. Типичные суточные приливы происходят в районе от Монгкая до Тханьхоа. Это означает, что за сутки вода в море поднимается и опускается один раз. Такой режим приливов наблюдается в течение 95% дней в месяце. Через каждые 15 дней, спустя 2-3 дня после того, как лунное склонение достигает максимума-23, приливная волна достигает наибольшей высоты (полная вода). За приливом наступает такой же предельный отлив. В последующие дни уровень приливов постепенно снижается до минимума через 2-3 дня после того, как лунное склонение становится минимальным. Это так называемая малая вода. В такие дни уровень моря колеблется слабо, однако при этом наблюдается одна особенность: каждые сутки появляется один дополнительный прилив и отлив.
Высота приливов изменяется также по сезонам. Наиболее высокий уровень приливов бывает летом-осенью, наиболее низкий - зимой-весной. Высота приливов на открытом побережье Центрального Вьетнама составляет 2-2,5 м, в Сиамском заливе 1-2 м, а в его вершине - до 4м. В Южно-Китайском море величины прилива изменяются от 50 см до 6 метров и даже более в вершине залива Бакбо и в Тайванском проливе. Здесь приливы суточного и неправильного суточного типов. Скорости приливных течений в море изменяются в пределах от 10 см/с по 150 см/с и более.
Южно-Китайское море относится к разряду закрытых морей, поэтому не подвергается сильному влиянию крупных морских течений Тихого океана. В нем действуют только небольшие локальные течения, определяемые рельефом морского берега и, особенно режимом муссонов. Во время зимнего северо-восточного муссона преобладают восточные и северо-восточные ветры с силой до б баллов, которые обусловливают юго-западную циркуляцию водных масс Южно-Китайского моря со скоростью течения 0,7-1 м/с. Летний муссон слабее зимнего, и сила ветра в среднем составляет 4-5 баллов. В северной части Тонкинского залива преобладают южные и юго-западные ветры, а южнее устья реки Хонгха до широты 12 преобладают юго-восточные ветры. Для летнего периода характерна северо-восточная циркуляция вод Южно-Китайского моря со скоростью перемещения 0,3-0,7 м/с.
Тропические циклоны (тайфуны) часто вызывают опасные нагоны в прибрежных районах Вьетнама. Штормовые нагоны от тайфунов становятся наиболее опасными, когда они совпадают с полной водой прилива особенно при высоких приливах. По данным статистики опасный нагон в среднем случается только один раз при трех тайфунах. На основе детального анализа элементов типичных тайфунов, можно отметить, что величины штормовых нагонов у берегов Вьетнама при сильных тайфунах могут превышать 2-2,5 м. Область максимального подъема уровня моря при тайфуне обычно находится в зоне сильных ветров, примерно в 5-30 км направо от места вторжения депрессии давления. Процесс штормового нагона при тайфуне в условиях Вьетнама обычно протекает так: малый нагон - предшественник за 1-2 суток до прихода тайфуна на берег, основной высокий нагон вод (обычно длится больше суток) и остаточный нагон, который происходит сутки или больше спустя после пика основного нагона. В летний период штормы совпадают с тайфунами, образующимися к востоку от Филиппинских островов. Наибольшая их повторяемость характерна для северной части моря (севернее 15 с.ш.) в августе-сентябре. Скорости ветра во время тайфунов достигают 40-50 м/с, высота волн -7 м, длина -125 м, период -12 с.
Вероятностный расчёт волновых характеристик
Как известно, основные силовые воздействия на различные МНГС (платформы, опоры, трубопроводы...) оказывают волновые воздействия. Волновая нагрузка слагается из двух составляющих: пропорциональных ускорению (инерционная) и скорости (скоростная) набегающего потока. Инерционные составляющие волновой нагрузки пропорциональны квадрату скорости волновой нагрузки и ее инерционные составляющие пропорциональны ускорению волн. Скорость и ускорения волны изменяются по времени и зависят от высоты, периода и относительного положения МНГС от волны. Поэтому волновые нагрузки обусловлены случайным процессом нерегулярного волнения (рис. 2.23), что влечет необходимость привлечения вероятностных методов и методов математической статистики для прогнозирования этого вида нагрузок и оценки вызываемых ими напряжений.
Отметим, что для моря наиболее характерным является случай в рис 2.23 (а, б, в) Имея в виду вышеизложенное, рассмотрим особенности формирования основных параметров волн. Средняя высота (средний размах волновых колебаний) где hj, Tj - соответственно высоты (размахи) и периоды отдельных волн; п - число волн в реализации. Функция обеспеченности высот волн на глубокой воде (Н 0,5 ср) в случае установившегося волнения (больших разгонов) подчиняется закону Рэлея (короткое время состояния моря)[22,45]. где ап - стандарт высоты волн. Средняя высота волны Значительная высота волны hi/3 (hs), соответствующая среднему значению высот трети наибольших волн. Безразмерная функция обеспеченности периодов волн была получена И.С. Бровиковым и Ю.М. Крыловым для мелкой и глубокой вод [45]. Важным свойством безразмерных функций обеспеченности высот и периодов волн является их универсальность, т.е. постоянство и независимость от интенсивности штормового волнения и места изменения. Таким образом, при слабых, умеренных и сильных штормах вид безразмерных функций обеспеченностей не изменяется. Изменяется вид размерных функций обеспеченности типа P(h hj) или Р(т т j). Формы и размеры волн зависят от длины разгона волны, участка моря и скорости ветра.
Такие параметры являются случайными, поэтому для определения характеристик волн в определеный период необходимо использовать функции высот и периодов волн для различных участков моря. Для определения характерных параметров волн в длительное время состояния моря необходимо составить график распределения волн, обнаруженых в короткое время (например, в год), который представляется в рис. 2.24. Среднее число волн на длительное время, имеющих высоту больше высоты h При условии, что h и ln(n) линейно зависят друг от друга в виде, как представлено нарис. 2.25. n=l Обоснована технология строительства глубоководных трубопроводов, укладываемых J-методом с учётом природных воздействий (судовой качки, ветра, течений, волн). Рассмотрены операции по доставке труб, сварке, покрытию и контролю качества труб, а также по перемещению трубоукладочного судна (баржи). Рассмотрены различные виды качки баржи в процессе укладки трубопроводов. Наибольшие напряжения в трубопроводе возникают при следующих видах качки: вертикальной, килевой и продольно-горизонтальной.
Остальные виды перемещения баржи: бортовая качка, колебания вокруг вертикальной оси и в поперечно-горизонтальном направлении оказывают значительно меньшее влияние на напряженное состояние трубопровода и ими можно пренебречь. Для предварительной оценки скорость ветра определяется по любой из формул (2.10), (2.11), (2.12), (2.13). Уточнённые значения скорости и его обеспеченность можно получить только непосредственными измерениями в предстроительный период на протяжении, например, года.
Расчёт напряжённого состояния глубокоподводных трубопроводов при укладке J-методом
Важным вопросом при J-методе становится расчёт напряжённого состояния труб, при котором не происходит их излом или искривление. Особеность при укладке трубопровода J-методом заключается в возникновении наибольших моментов на участке подхода к дну и при угле поворота сечения придонного участка, равном я/2. При строительстве морских трубопроводов J-методом напряжённо-деформированное состояние (НДС) придонного участка формируется совместным действием собственного веса трубопровода, гидростатического давления и изгибающего момента. Рассмотрим НДС трубопровода при строительстве, сделав ряд допущений, не приводящих к существенному изменению действительной картины напряжённого состояния.
К ним относится применение распределения нагрузки q(x) на придонном участке (рис.3.3) в виде трапеции (рис. 3.4). Рассмотрим НДС для различных этапов укладки. Первый этап: спускание трубопровода на дно моря. Максимальное растягивающее напряжение в точке В (рис.3.1) где Нгл - глубина погружения конца трубопровода, р - вес единицы длины трубопровода, F - площадь сечения трубопровода. Вертикальное удлинение элемента d в произвольном поперечном сечении трубопровода Второй этап: изгиб трубопровода при движении трубоукладочного судна. На рис.3.2 показана схема укладки трубопровода по J-методу. На участке Н труба находится в вертикальном положении, на участке h образуется продонная кривая. На рис.3.3 показана схема сил, действующих на придонную кривую. Нагрузка q(x) (отрицательная плавучесть) зависит от формы кривой, уравнение которой неизвестно. Поэтому принято допущение о том, что отрицательная плавучесть распределена как показано на рис.3.4. Такое допущение не приводит к существенной погрешности, упрощает решение задачи. где Сі, С2, С3, С4 - произвольные постоянные, которые зависят от граничных условий.
Дальнейшее решение выполняется с учётом граничных условий. Эти условия могут быть представлены в виде: Изгибающий момент в сечении х = 0, M(0) = o,W, (3.26) где W - момент сопротивления, Oi - напряжение в сечении X = 0. Соответственно C2 = OiW. (3.27) Далее из условия EJy111 = - Ri, находим Сі =- Ri (Rj - поперечная сила в Значение R2 определяется из условия: Приведем далее последовательность определения характеристик параметров трубопровода: 1. определение q2 по выражению (3.32) при заданном і; 2. определение Rj по выражению (3.33); 3. определение С] по выражению (3.28); -р 4. определение Сг по выражению (3.27); 5. определение Сз по выражению (3.36); 6. проверка по условию выражения (3.38); 7. определение Нтах по выражению (3.41); 8. определение Нтах.ук по выражению (3.42); если шаг (6) не удовлетворяется, то производитая повтор процедуры. Приведем пример расчёта параметров трубопровода при следующих данных: Диаметр труб D = 529 мм, толщина стенки 8 = 10 мм Максимальное сжимаемое напряжение трубопровода достигает lcmaxl=3738 кгс/см2 при xmax = 1701,41 см. По этим результатам видно, что low! [ Wl и на рисунках 3.5, 3.6 и 3.7 представлены углы поворота Q(t), изгибающие моменты М( ) и поперечная сила Q(i) в сечениях придонного участка трубопровода в зависимости от длины . Примем далее а2 = 400 кгс/см2 и 0\ = 400 кгс/см2. Сжимамемое напряжение трубопровода при х = 30000 см достигает 1а1=36953 кгс/см2. Видно, что lal [адоп], то нужно уменьшить длину до тех пор, пока не получим lei [Одо„]. Эти расчёты напряжённого состояния при различных / и h нужно провести заранее до начала работ по укладке с целью получения рекомендаций по допустимой величине при заданном h, что зависит от реальной глубины моря при строительстве трубопровода и заданных его характеристик. Интервал длины придонного участка трубопровода выбирается при выполнении следующих условий (рис. 3.8,3.9,3.10):
Влияние волн, течений и судовой качки на напряжённое состояние стояков и подводных трубопроводов, укладываемых J-методом
При строительстве морских трубопроводов J-методом на провисающом участке действуют совместно гидростатическое давление и изгибающий момент, которые вызывают потерю устойчивости цилиндрической формы равновесия оболочки трубопроводов. Продольное сжимающее напряжение от гидростатического давления определяется по формуле: где v - коэффициент Пуассона материала трубы; DBHem - внешний диаметр оболочки трубопровода, DBHyT - внутрений диаметр оболочки трубопровода, Чгидро - гидростатическое давление. В формуле (3.66) не учитывается изгибающий момент Мтах, вызывающий допольнительное напряжение в стенке труб. Условия проверки устойчивости стенки трубопровода вышеприведенного примера при глубине Н = 1000 м (рис. 3.19). Так как максимальное сжимаемое напряжение при укладке трубопровода достигает 3738 кгс/см при xmax = 1701,41 см, а из выражения (3.25) имеем у(хтах) = 28,5 м, и так глубина до точки М, где изгибающий момент максимален h = Н - у(хтах) = 1000 - 28,5 = 971,5 м. Гидростатическое давление в точке М Чгидро Л.Ув? Видно, что сгп [адопу] следовательно на стенке трубы появится смятие, а для устранения этого необходимо принять различные способы, предлагающиеся в положении (2.1) второй главы. - Разработан метод расчёта напряжённого состояния трубопровода при укладке J-методом в случае вертикального опускания трубы, который позволяет определить конфигурацию и напряжённо-деформированное состояние трубопровода. - Разработан метода расчёта напряжённого состояния трубопровода при укладке J-методом в случае любого угла наклона оси трубопровода, который также позволяет определить конфигурацию и напряжённо-деформированное состояние трубопровода. Расчёты напряжённого состояния при различных і и h нужно провести заранее до начала работ по укладке с целью получения рекомендаций по допустимой величине і при заданном h, что зависит от реальной глубины моря при строительстве трубопровода и заданных его характеристик. - Разработан расчёт устойчивости стенки трубопровода при укладке J-методом, позволяющий определить необходимые толщины стенки труб и также условия предотвращения лавинного смятия трубопровода.
При освоении морских нефтегазовых месторождений с использованием платформ любой конструкции добываемая продукция транспортируется на берег или на установки беспричального налива (а также с платформы на платформу) с помощью вертикально установленных трубопроводов-стояков ("райзер") (рис. 4.1,4.2). По стоякам нефть и газ могут подаваться как к верхнему строению платформы, так и от верхнего строения к подводному трубопроводу. Существенных различий в конструктивном исполнении в обоих случаях нет. Отличие заключается лишь в направленности потока (вверх или вниз). В восходящих потоках наблюдается повышенная вибрация, вызываемая пробковой структурой потока, что требует более прочного закрепления стояков к отдельными блоками. Внесение в конструкции стояка некоторых элементов может существенно уменьшить изгибающие моменты и продольные силы, на стояк не будет действовать осевое сжатие, т.е. будет поддерживаться постоянное натяжение, а стояк может перемещаться вдоль продольной оси. Кроме того, ограничиваются боковые движения, вызванные нагрузками от окружающей среды. Введение допольнительных опор позволяет снять нагрузки от воздействия локальных нагрузок. Например, опоры могут представлять собой стальные каркасы, стянутные кольцом и выложенные неопреном. Стояк, соединенный с подводным трубопроводном либо закрепляется жёстко, либо снабжается компенсирующей петлей, чтобы стояк не подтвергался перегруками из-за температурных перепадов, вызванных потоком горячей нефти.
