Введение к работе
Актуальность работы. Освоение нефтегазовых месторождений шельфа северных и дальневосточных морей в значительной степени осложняется наличием ледяного покрова. Характер ледовых условий определяет способ обустройства месторождений и технические решения нефтегазопромысловых сооружений. Одним из наиболее предпочтительных способов освоения месторождений является строительство морских ледостойких платформ (МЛП).
Основным фактором, влияющим на условия эксплуатации и надежность МЛП, является ледовый режим акватории в районе строительства.-Современные МЛП обладают большой материалоемкостью, а аварии могут вызвать серьезные последствия среди персонала и в окружающей среде, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по степени надежности. В связи с этим теоретически обоснованное определение методов ледовых нагрузок, является чрезвычайно важной задачей, которая в первую очередь требует оценки ледовых нагрузок с позиции теории вероятностей и надежности сооружений.
Как показывает практика эксплуатации МЛП и результаты экспериментальных исследований, изменение нагрузки при определенных параметрах ледового режима носит циклический характер. Несущая способность конструкций, определяемая характеристиками прочности материалов, существенно зависит от наличия необратимых деформаций и накопления дефектов от циклических нагрузок. Есть определенный риск потери несущей способности конструкции за счет накопления усталостных дефектов при сравнительно умеренных нагрузках большой повторяемости. В нормативной литературе практически отсутствуют рекомендации по прогнозу режима нагружения сооружений дрейфующим ледяным покровом для оценки надежности сооружений с позиции развития постепенного отказа. Недостаточно изучены и сами процессы взаимодействия ледяных образований с конструкциями МЛП, закономерности изменения ледовых нагрузок и возможные расчетные случаи.
Опыт эксплуатации первых построенных МЛП показал, что материал корпуса конструкции испытывает значительное истирание в зоне воздействия льда. В настоящее время получены некоторые данные по основным факторам, определяющим этот процесс. Однако отсутствует методика расчета конструкций МЛП на истирание, количественного определения основных параметров.
Все это позволяет рассматривать решение задачи оценки надежности МЛП с позиции постепенного отказа (аварии от усталостного разрушения) как актуальную научную проблему.
Целью работы является разработка комплекса мероприятий по повышению надежности МЛП путем совершенствования методик определения количества циклов нагружения сооружения и степени износа его корпуса от истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова.
Дляэтогобылирешеныследующиезадачи:
разработана математическая модель взаимодействия ледяных полей с
сооружением;
разработана методика определения истирающего воздействия на корпус сооружения дрейфующим ледяным покровом;
усовершенствовано математическое описание динамики ледяного покрова, необходимое для расчетов количества циклов нагружения и определена соответствующая математическая модель;
выполнено численное исследование разработанных математических моделей;
получена количественная оценка циклов нагружения и основных параметров истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова на сооружения.
Методы исследования для решения поставленных задач:
методы теории моделирования и надежности;
методы теории планирования экспериментов;
методы теории вероятностей и статистики.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: создана математическая модель механического взаимодействия ледяных
полей с сооружением; разработана методика определения истирающего воздействия на корпус
сооружения дрейфующим ледяным покровом;
разработана и предложена в виде компьютерной программы
математическая модель описания динамики ледяного покрова для расчетов
количества циклов нагружения и его истирающего воздействия на
сооружения;
получены приближенные полиномиальные математические модели для определения количества циклов нагружения сооружения и истирающего воздействия дрейфующим ледяным покровом;
получены численные оценки определения количества циклов нагружения и истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова на сооружения. Практическое значение работы Результаты исследований могут быть
использованы при проектировании гидротехнических сооружений на акваториях замерзающих морей: для определения режима нагружения сооружения ледяным покровом и оценки усталостной прочности и надежности МЛП.
Разработанная математическая модель позволяет оценить возможность разрушения сооружения под действием усталостных напряжений, а полученные результаты могут быть использованы для оценки надежности сооружения по постепенному отказу, определения срока его эксплуатации и планирования сроков проведения профилактических работ.
Предложенная методика расчета на износ конструкции от истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова предоставляет широкие возможности в проектной практике для оптимизации сооружений.
Результаты исследований могут быть использованы при совершенствовании
нормативных документов по расчету МЛП от действия ледовой нагрузки. На защиту выносятся следующие положения:
-
Математическая модель механического взаимодействия ледяных полей с сооружением.
-
Приближенные полиномиальные модели для определения количества циклов нагружения сооружения и истирающего воздействия дрейфующим ледяным покровом.
3. Методика расчета на износ конструкции от истирающего воздействия
дрейфующего ледяного покрова.
Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована: общепринятыми апробированными исходными положениями; проведением численных экспериментов и использованием результатов натурных исследований кинематических, структурных и физико-механических параметров ледяного покрова; соответствием результатов полученных теоретических решений с исследованиями других авторов.
Результаты исследований использованы:
в отчетах по НИР: "Разработка теоретических основ формирования ледового режима морских акваторий и воздействия ледяных полей на береговую зону" (ГБ 53.2.6.99, Владивосток, 1999); "Построение решения задачи о воздействии дрейфующего ледяного покрова морских акваторий на береговую зону" (Владивосток, 2002); "Разработка методов расчета вероятностных характеристик ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа", выполняемой по научно-технической программе "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (Владивосток, 2003-2004);
в учебном процессе Строительного института ДВГТУ по дисциплинам «Сооружения континентального шельфа», «Проблемы портового строительства на Дальнем Востоке», в курсовых и дипломных работах.
Апробация работы. Основные положения работы представлялись на конференциях международного общества шельфовой и полярной технологии (ISOPE: Ставангер, 2001, Гонолулу, 2003, Тулон, 2004; PACOMS: Пусан, 1996, Владивосток, 2004); на международном симпозиуме «Охотское море и морской лед» (Момбетцу, 2003); на международных студенческих конгрессах стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 1997, 1999, 2001, 2003); на конференциях «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 1998-2004); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГТУ (1998-2003); на семинарах кафедры гидротехники СИ ДВГТУ (1997-2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 159 страниц текста, 92 рисунка, 11 таблиц и список литературы из 150 наименований.