Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы проектирования глубоководных стационарных платформ 7
1.1. Актуальность и особенности развития конструкций глубоководных стационарных платформ 7
1.2. Расчет и проектирование металлоконструкций глубоководных стационарных платформ 13
1.3. Анализ характера разрушений металлоконструкций морских нефтепромысловых сооружений в условиях эксплуатации и их причин 23
1.4. Цель и задачи работы 37
1.5. Выводы 39
2. Исследование действительной нагруженности металло конструкций глубоководных стационарных платформ . . 41
2.1. Характеристика объектов исследования и сварных металлоконструкций, подвергавшихся тензометри-рованию 41
2.2. Методика проведения тензометрических измерений нагруженнооти металлоконструкций глубоководных стационарных платформ в условиях эксплуатации . . 58
2.3. Сущность статистических характеристик случайного процесса и их определение при обработке результатов тензометрирования 71
2.4. Выводы 75
3. Анализ эксплуатационной нагруженности и нормирова ние нагрузок для расчета на усталость металлоконструкций глубоководных стационарных платформ на этапе проектирования 77
3.1. Характер, величина и повторяемость эксплуатационных напряжений в элементах морских металлоконструкций . . 77
3.2. Зависимость эксплуатационных напряжений в элементах морских металлоконструкций от внешних воздей- , . ствий 108
3.3. Анализ ветрового волнения исследуемой акватории моря во взаимосвязи с расчетом на усталость глубоководных стационарных платформ 116
3.4. Нагруженноеть несущих металлоконструкций и расчетное нормирование переменных нагрузок для опенки ресурса эксплуатации глубоководных стационарных платформ 123
3.5. Выводы 139
4. Предлагаемая методика расчета на усталость и определение расчетного ресурса несущих элементов глубоко водных стационарных платформ 142
4.1. Расчет на усталость сварных металлоконструкций, испытывающих нестационарный режим нагружения .... 142
4.2. Разработка методики расчета металлоконструкций глубоководных стационарных платформ на усталость
при случайном режиме нагружения 147
4.3. Пример расчета ресурса эксплуатации глубоководной стационарной платформы 153
4.4. Выводы 159
5. Общие выводы 161
6. Литература 163
7. Приложения 176
- Актуальность и особенности развития конструкций глубоководных стационарных платформ
- Характеристика объектов исследования и сварных металлоконструкций, подвергавшихся тензометри-рованию
- Характер, величина и повторяемость эксплуатационных напряжений в элементах морских металлоконструкций .
Введение к работе
Выполнение задач, предусмотренных решениями ХХУІ съезда КПСС по дальнейшему увеличению добычи нефти и газа, выдвинули на повестку дня освоение новых нефтегазоносных месторождений. В последнее десятилетие получили интенсивное развитие разведка и разработка нефтяных и газовых месторождений с морских промыслов.
Преобладающее большинство морских месторождений, эксплуатируемых в настоящее время, разрабатываются стационарными платформами, закрепленными в морском дне на сваях. Необходимо отметить, что разведочные работы и разработка морских нефтегазопроводов постепенно проводятся на все больших глубинах моря, что в свою очередь приводит к росту габаритов и интенсивности внешнего воздействия на конструкции глубоководных стационарных платформ (ГСП).
В процессе эксплуатации такие сооружения нагружены различными по своей природе постоянными и повторно-переменными нагрузками, отдельные из которых изменяют напряженное состояние в сварных элементах и тем самым могут вызвать в них усталостные повреждения. Коррозионно-агрессивная среда, какой яеляєтся морская вода, может еще в большей степени способствовать этому явлению. Опыт эксплуатации сварных металлоконструкций глубоководных стационарных платформ и специальные обследования, проведенные после имевших место аварий, показали возможность появления в элементах конструкций таких повреждений |30,60|. По всей видимости они и явились основной причиной выхода сварных конструкций из строя.
В этой связи, опенка надежности и долговечности металле-
конструкций ГСП на стадии их проектирования является весьма важной и актуальной задачей.
В настоящее время достаточно хорошо разработаны теоретические положения опенки долговечности различных сварных металлоконструкций и деталей машин с учетом действительного характера эксплуатационного нагружения J42,77,78,94. Эти положения базируются на гипотезах накопления усталостных повреждений и дляих реализации необходимо иметь данные, с одной стороны, о характере, величине и повторяемости эксплуатационных нагрузок и вызываемого ими напряженного состояния элементов конструкций ГСП, а с другой стороны, значения сопротивлений усталости сварных трубчатых узлов, как наиболее слабого звена конструкции. Использование подобных методов оценки долговечности на этапе проектирования ГСП сдерживается из-за отсутствия полных данных о характере, величине и повторяемости эксплуатационных нагрузок. Отсутствие такой информации приводит к тому, что до настоящего времени металлоконструкции ГСП у нас в стране традиционно рассчитываются только на статическое действие максимально возможной нагрузки за весь срок эксплуатации. При этом в элементах металлоконструкций возникают максимальные напряжения. В процессе эксплуатации ГСП такие напряжения возникают крайне редко, в исключительных случаях. В подавляющем же большинстве величина эксплуатационных напряжений в элементах ГСП значительно ниже максимально установленной расчетом на статику. Между тем, усталостные повреждения в элементах ГСП происходят именно от действия эксплуатационных нагрузок, а не максимальных или близких к ним. Поэтому и расчет металлоконструкций ГСП на усталость необходимо проводить, опираясь на данные о фактической нагруженнос-ти конструкции.
Наиболее достоверные сведения об этих данных можно получить путем накопления экспериментальной информации о действительной нагруженнооти сварных элементов ГСП в стадии их эксплуатации. Поскольку тенденция увеличения внешних нагрузок и габаритов, связанная с ростом глубины моря, приводит к увеличению внутренних усилий в сварных элементах стационарных платформ, то правильное представление о действительном напряженном состоянии позволит оценить сооружения ГСП с позиций усталости и точно их сконструировать, что в свою очередь приведет к повышению надежности их работы и к снижению металлоемкости. Поэтому уточнение вопросов действительной работы элементов конструкций ГСП приобретает в настоящее время особое значение.
Наиболее полную картину нагруженнооти дадут исследования, при которых будет происходить непосредственное измерение эксплуатационных напряжений в сварных элементах конструкций ГСП в наиболее характерных для них условиях.
Рост зарубежных публикаций (США, Англия, Франция, Япония и др.), посвященных вопросам усталости морских сооружений, стимулирует развитие исследований в этой области для отечественных конструкций.
Исследования действительной работы конструкций ГСП предусмотрены Целевой Комплексной научно-технической программой (код 0.Ц.007 НІвІЗ). Вышеизложенные обстоятельства предопределили актуальность принятого исследования.
Целью настоящей работы являлось установление характера, величины и повторяемости эксплуатационных напряжений в элементах конструкций ГСП, а также разработка рекомендаций по нормированию переменных нагрузок и учету действительной нагруженнооти в расчетах на усталость при проектировании ГСП нового поколения.
Актуальность и особенности развития конструкций глубоководных стационарных платформ
В начале 70-х годов на морских месторождениях мира добывалось нефти приблизительно I млн.м3/суг., что составляло немногим меньше пятой части мировой добычи. В 1977-1978 года добыча нефти из морских скважин составляла 20,15$ общей мировой добычи, в 1981 г. - 24,5$. Как ожидается, суммарная добыча углеводородов на суше и на море достигнет своего максимума примерно к 2000 г., затем доля морской добычи будет возрастать с 30$ в 2000 г. до 65$ в 2020 г. 56,681.
Перспективы развития морокой нефтедобычи безусловно связаны с освоением новых месторождений. Установлено, что участки моря с глубиною воды от 0 до 200 м составляют 6$ мировой морской территории, с глубиной от 200 до 1000 м - 6$ и более 3000м-75$ площади морей и океанов 1115 . В Советском Союзе площадь шельфов составляет около 10 млн.кв.км, 2Ъ% которых перспективны в нефтегазоносном отношении. Приведенные факты выдвигают дальнейшее повышение добычи нефти и газа путем освоения новых глубин морей и океанов.
Для размещения всех производственных объектов морского нефтепромысла, бурового оборудования, привышечных сооружений, инструмента, материалов и т.д. строятся нефтепромысловые инженерные сооружения.
Многолетний опыт разработки морских месторождений показал целесообразность совмещения стадий разведочных работ с эксплуатационным бурением, для чего необходимо строительство стационарных платформ (рис. I), обеспечивающих одновременное бурение и эксплуатацию куста скважин.
Такие сооружения позволяют наиболее доступными и простыми методами решать вопросы создания искусственной рабочей площадки для бурения скважин при значительных глубинах моря. У нас в стране в настоящее время с помощью стационарных платформ осваиваются глубины моря 100-120 м, в ближайшем будущем планируется освоение глубин моря 200-250 м.
Таким образом, перспективы развития добычи нефти и газа и освоения новых глубоководных районов выдвигают требования строительства сооружений островного типа. Такие сооружения обычно устанавливают на незащищенных, удаленных на сотни километров от суши акваториях, где подвергаются интенсивному воздействию ветра, морских волн и течения и проектируются на многолетний срок службы. Отмеченная специфика конструкций островного типа выдвигает задачи создания надежных, экономичных конструкций ГСП на этапе проектирования в ближайшей перспективе для глубин моря до 200 м.
На начальном этапе проектирования морских нефтепромысловых сооружений на малой глубине моря устанавливались платформы на деревянных сваях. Затем широкое распространение Е Азерб.ССР получил так называемый эстакадный способ организации морского нефтепромысла, который позволил комплексно решать все технологические вопросы, связанные с бурением скважин, добычей, хранением и транспортом нефти. Эстакадные сооружения (рис.2), представляющие собой нефтепромысловое транспортное сооружение мостового типа, связывают между собой приэстакадные площадки, на которых размещаются основные и подсобные объекты морского нефтяного промысла. Длительный опыт освоения морских нефтяных месторождений Каспийского моря (Нефтяные Камни, Гюргяны-море, Банка Дарвина и т.д.) эстакадным способом подтвердил его целесообразность и рентабельность для разработки крупных нефтяных залежей при глубинах моря до 20-25 м.
Освоение больших глубин потребовало решения ряда новых проблем, внедрения новых индустриальных методов строительства, учета многочисленных эксплуатационных факторов при конструировании морских нефтепромысловых инженерных сооружений. В этой связи следует отметить большую работу по усовершенствованию и созданию новых конструкций, проведенную коллективом научно-исследовательского и проектного института "Гипроморнефтегаз". На современном этапе нашли широкое применение крупногабаритные ответственные сооружения - глубоководные стационарные платформы, представляющие собой пространственные строительные конструкции сквозного типа. Конструкции подобного типа подразделяются по следующим основным признакам: а) условия крепления - свайные, гравитапионные, маятниковые; б) по материалу конструкций - металлические, железобетонные, комбинированные; в) по типу конструкций - сквозные и сплошные I 95.
Характеристика объектов исследования и сварных металлоконструкций, подвергавшихся тензометри-рованию
ГСП Л I, установленная в 1976 г., была первой в Советском Союзе конструкцией, где эксплуатационное бурение начало проволиться при глубине моря 84 м. Общий вид конструкции ГСП Jf I показан на рис.II. Конструкция предназначена для бурения куста из 10-ти скважин, проектная глубина которых составляет 4500 м. Производственная площадка конструкции опирается на четыре несущих опорных блока, представляющих собой трехгранную усеченную пирамиду (рис.12). Из них два опорных блока установлены на расстоянии 22м друг от друга в направлении север-юг и два - в направлении запад-восток на расстоянии 10 м. Чтобы ноги отдельных блоков не касались друг друга на дне моря, один ряд блоков в направлении север-юг установлен со смещением по отношению к другому ряду опорных блоков на расстояние 2,5 м. Между опорными блоками конструкции установлены промежуточные секции пролетом 22м и 10 м. Трехгранные пирамидальные опорные блоки своей плоской стороной установлены перпендикулярно к северу, что позволяет увеличить удерживающий момент. Площадь производственной площадки составляет 2873 NT. Суровая вышка типа 2ВБ-53-300, лебедка, ротор установлены на постаменте, имеющем высоту порядка 4,2 м. План расположения бурового оборудования и привышечных сооружений разработан для последовательного бурения одним станком нескольких скважин с перемещением буровой вышки.
Стационарная платформа с трех сторон оборудована посадочными и причальными площадками, имеет Еертолетную площадку. Настил производственной площадки стационарной платформы имеет отметку от спокойного уровня моря 12 м. Многолетние метеорологические данные района установки стационарной платформы показали, что максимальные волновые и ветровые воздействия господствуют в направлении север-юг. Поэтому стационарная платформа ориентирована по длине в этом направлении.
Пространственная решетчатая трехгранная система опорного блока имеет следующие габариты: высота - 87 м, размеры в плане (у дна моря), 19x19м (в верхней части).
Блок по высоте разбит на шесть панелей, из которых пять имеют длины по 13м, а нижняя - 21м. В каждом опорном блоке имеется шесть ног, из них три углоЕые (основные) и три средние (дополнительные). Ноги блока решены из труб диаметром 529x11мм, распорки из труб диаметром 219x8мм и 273x10мм, раскосы из труб диаметром 377x11мм и 426x11мм, горизонтальные решетчатые диафрагмы приняты из труб диаметром 219x8мм и 273x9мм.
Надводная часть, связанная с опорными блоками представляет собой пространственную жесткую прямоугольную конструкцию из трубчатых элементов с размерами в плане 24x17,32м (в осях) и высотой 9м. Она состоит из крестообразных ферм высотой в осях 1,5 м и разделенных на четыре ячейки с размерами в плане 10x8,7 м. Узлы фермы в плане соединены связями из трубчатых элементов диаметром 89мм. Верхняя часть опирается на блок посредством трех раздвижных стоек через направляющие патрубки. Элементы, попадающие в зону периодического смачивания, выполнены из оцинкованных труб. В рассматриваемой конструкции опорных блоков несущие сварные трубчатые узлы представлены по такому решению: в одной плоскости (грани) опорного блока трубчатые элементы непосредственно примыкают друг к другу, в другой - примыкание осуществляется с помощью различных фасонок.
ГСП К 2 на структуре им. 28 Апреля (рис.13) предназначена для бурения 12 скважин двумя буровыми установками и последующей эксплуатации этих скважин. Эксплуатация этой конструкции ведется пока еще на рекордной глубине моря. Связь и снабжение ГСП її 2 обеспечивается морским и воздушным транспортом, для чего платформа оборудована одной вертолетной площадкой и 4-мя посадочными площадками для приема морских судов.
Характер, величина и повторяемость эксплуатационных напряжений в элементах морских металлоконструкций
При анализе результатов исследования эксплуатационной нагруженности сварных элементов опорных блоков ГСП, а также одиночной сваи на железобетонном основании обращает на себя внимание характер изменения переменных напряжений. Как показали осциллограммы, в исследуемых точках конструкций напряжения плавно изменяются с изменением высоты волны и в моменты появления максимальных по высоте волн в рассматриваемом элементе размах напряжений принимает свое максимальное значение. Такое явление устойчиво и характерно для всех проведенных записей. Количество подсчитанных из записанных осциллограмм волн оказывалось несколько больше числа синхронно записанных амплитуд напряжений, т.е. не вое волны могли вызывать существенные (заметные) изменения действительных напряжений в анализируемых элементах конструкции. Качественная картина переменных напряжений, образующихся под действием ветрового волнения, практически не зависит от направления движения волн.
Исследование переменных напряжений в сварных металлоконструкциях опорных блоков ГСП в реальных условиях нагружения выявило, что некоторые датчики в елементах решетки показывают сжатие, т.е. в симметричных относительно осей трубчатых элементов течках картина изменения переменных напряжений выглядит одинаково, но они имеют разные знаки. Поэтому можно предположить наличие изгибающего момента, приложенного к концам сварных элементов. Кроме того, наблюдается неравномерность распределения переменных напряжений в сварных элементах как по длине, так и по сечению, что вероятно, связано с эксцентричностью приложения волновой нагрузки относительно осей рассматриваемого элемента, которая на практике может достигать значительных величин.
В моменты ударов о конструкцию причаливающихся судов наблюдаются резкие отклонения напряжений от их плавного характера. Они выглядят на осциллограммах в виде резких пиков, направление которых в одних случаях совпадает с направлением нарастания общих напряжений, а в других - противоположено (рис.26).
Анализ напряжений в зависимости от режима работы бурового и эксплуатационного оборудования, размещенного на платформах, показывает, что на плавное изменение напряжений, возникающих от волновой нагрузки накладывается изменение с более высокой частотой, но с несущественной амплитудой.
