Поиск:

Современные экспериментальные методы определения ледовых воздействий на элементы инфраструктуры морского газодобывающего комплекса

Е. М. Апполонов, Н. Ю. Клементьева, К. Е. Сазонов, О. Я. Тимофеев (ФГУП "ЦНИИ имени академика А.Н.Крылова"

Описаны методы проведения в ледовом бассейне ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.И. Крылова» исследований, направленных на обеспечение проектирования и эксплуатации элементов инфраструктуры морских газовых и газоконденсатных месторождений в ледовых условиях. Приведены некоторые полученные результаты, иллюстрирующие эффективность выполненных экспериментальных работ.

При анализе возможности добычи углеводородного сырья из месторождений, расположенных на шельфе замерзающих морей России, помимо обычных трудностей, связанных с освоением морских месторождений, возникают дополнительные препятствия, обусловленные периодическим или постоянным присутствием ледяного покрова. Поэтому применяемые для обустройства месторождений технологические платформы, а также все элементы транспортной структуры, обеспечивающей снабжение и вывоз добытой продукции, должны быть приспособлены к восприятию ледовых воздействий.

Современное состояние морской ледотехники – науки, изучающей процессы взаимодействия инженерных сооружений со льдом, не позволяет во многих интересующих практику случаях расчетным путем определить уровень ледовых воздействий на элементы инфраструктуры морского газодобывающего комплекса (ГДК). Надежные расчетные схемы разработаны лишь для простых по форме стационарных конструкций (конус, сужающийся к верху или к низу, цилиндр). Реальный облик платформы, приспособленной к конкретным гидрометеорологическим и ледовым условиям в районе месторождения, обычно существенно отличается от идеальных простых по форме конструкций. Кроме того, при обустройстве месторождений могут быть использованы платформы, обладающие подвижностью и динамикой. Поэтому единственным способом получения достоверной информации об уровне ледовых воздействий на инженерные сооружения, об их динамических характеристиках при взаимодействии со льдом является модельный эксперимент, осуществляемый в ледовых опытовых бассейнах.

Ледовые опытовые бассейны – специализированные лаборатории, предназначенные для изучения процессов взаимодействия инженерных сооружений со льдом. Для проведения экспериментов в них создается моделированный в соответствии с критериями подобия ледяной покров, из которого могут быть изготовлены различные ледяные образования (ровные поля, поля битого льда, торосы и т. п.). Ледовые бассейны оснащены различным измерительным оборудованием, позволяющим регистрировать уровень глобальной ледовой нагрузки, действующей на модель, а также фиксировать параметры ее движения. Необходимо отметить, что в ледовых бассейнах принципиально может быть исследована только глобальная ледовая нагрузка, локальные распределения ледовых давлений не моделируются. В первую очередь это связано с невозможностью создать моделированный лед, размер кристалла которого был бы уменьшен в нужное (требуемое масштабом модели) число раз Специалисты, работающие в ледовых бассейнах, стремятся преодолеть эту трудность, однако существенных результатов в этом направлении пока не получено.

В ледовых бассейнах проводится большое количество интересных исследований, позволяющих проектировать и эксплуатировать уникальные технические объекты в ледовых условиях. Рассмотрим некоторые современные экспериментальные методы, используемые при оценке воздействий льда на элементы инфраструктуры морского ГДК.

Изучение взаимодействия со льдом заякоренных платформ. Ледостойкие платформы с якорной системой удержания применяются для освоения месторождений расположенных на глубоководных участках шельфа. Многие из перспективных газовых и газоконденсатных месторождений российской Арктики располагаются именно на глубоководном шельфе, что обусловливает особый интерес специалистов к этому типу технологических платформ. В мире практически отсутствует опыт эксплуатации таких платформ в ледовых условиях, Исключение составляет канадская платформа «Кулук», которая работала в море Бофорта на глубинах от 20 до 60 м, обеспечивав изыскательские работы. Эксплуатация» платформы осуществлялась с помощью ледоколов сопровождения, которые разбивали перед ней дрейфующий лед, снижая уровень ледовой нагрузки. Информация об этой платформе носит ограниченный характер, поэтому при разработке российских проектов необходимо иметь собственные данные о поведении заякоренных объектов при их взаимодействии со льдом. Методика таких экспериментов была разработана и с успехом применяется в ледовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова.

Существует две возможности проведения такого рода экспериментов: в прямом и обращенном движении. При проведении исследований в прямом движении модель платформы устанавливается на специальной раме с помощью имитирующих якорную систему удержания устройств. Сама рама укрепляется на дне ледового бассейна. Намороженный в бассейне ледяной покров вместе с созданными в нем торосистыми образованиями надвигается на модель буксировочной тележкой. В процессе эксперимента измеряются линейные и угловые перемещения выбранной точки модели, а также натяжение тросов в системе удержания моделей. Описанная методика полностью воспроизводит процессы, происходящие при взаимодействии заякоренной платформы с дрейфующим льдом. Существенным ее недостатком являются большие временные затраты (не менее трех недель) при подготовке к проведению эксперимента. Поэтому в ледовых бассейнах часто применяют методику, основанную на использовании обращенного движения. В соответствии с этой методикой рама, к которой с помощью системы удержания прикреплена модель, жестко связана с буксировочной тележкой и приводится в движение ею. При обращенном движении измеряются те же величины, что и при прямом.

Отличие между двумя методиками заключается в гидродинамическом воздействии на модель и притопленный у модели лед. При прямом движении набегающий на модель поток жидкости формируется лишь за счет пограничного слоя дрейфующего льда. При обращенном движении на модель действует равномерный поток воды, скорость которого равна скорости буксировки модели. Принимая во внимание, что скорости дрейфа льда малы, можно утверждать, что искажения, вносимые из-за несоответствия гидродинамических процессов, лежат в пределах точности проведения экспериментов. При проведении испытаний при максимальных скоростях дрейфа необходимо вводить поправку, учитывающую это несоответствие.

В ледовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова неоднократно проводились исследования процессов взаимодействия со льдом платформ с якорной системой удержания. Были рассмотрены следующие конструктивные типы морской технологической платформы: буй большой осадки и буй малой осадки, а также турельное судно (рис. 1). Полученные экспериментальные данные позволили выбрать для обустройства глубоководных месторождений турельные суда, обеспечивающие снижение наибольших по величине внешних нагрузок от торосистого льда за счет пассивного позиционирования (флюгирования).

Изучение взаимодействия со льдом платформ на предельном мелководье. Шельф арктических морей России имеет обширные мелководные участки, многие из которых перспективны для поиска месторождений углеводородов. Разработка разведочных и добычных платформ для этих условий требует проведения обширных исследований, включающих и определение ледовой нагрузки. Очевидно, что такие исследования не могут быть выполнены без учета влияния дна акватории. В ледовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова разработаны экспериментальные методики, позволяющие учесть влияние льда.

В соответствии с разработанными методиками имитатор дна жестко крепится к буксировочной тележке и перемещается вместе с ней. Обычно исследуемая модель также жестко связана с буксировочной тележкой через динамометр. Между моделью и имитатором дна сохраняется минимальный зазор, обеспечивающий отсутствие влияния дна на результаты измерений, а также не допускающий попадания в него притопленного льда. Наличие имитатора дна позволяет воспроизводить в бассейне реалистическую картину образования ледовых нагромождений перед платформой на мелководье. Получаемая в таких экспериментах информация не только крайне важна при проектировании платформ, но и позволяет предлагать эффективные решения при создании ледовой защиты для снижения уровня ледовой нагрузки на платформу.

Особенности тактики плавания во льдах крупнотоннажных судов ледового плавания. Важнейшим элементом морского ГДК является его транспортная составляющая, обеспечивающая снабжение комплекса и вывоз готовой продукции. Многочисленными исследованиями установлено, что экономическая эффективность вывоза углеводородов возрастает с увеличением тоннажа судов. Это обстоятельство определяет необходимость использования для перевозок в Арктике крупнотоннажных судов ледового плавания. Особенностью таких судов является то, что они шире любого из существующих ледоколов. Поэтому традиционные методы взаимодействия ледокола с транспортным судном не всегда могут быть использованы. Одной из важнейших задач являются поиск и изучение новых тактических приемов, позволяющих эффективно использовать крупнотоннажные суда в арктической транспортной системе. Такую информацию проще всего получить при проведении испытаний в ледовом бассейне.

В ледовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова проводились эксперименты, позволяющие изучить движение крупнотоннажного судна различными способами: в «узком» канале за ледоколом, при движении параллельным курсом ледоколу и толкание судна ледоколом. На основании выполненных исследований определены диапазоны ледовых условий, в которых оптимально использование того или иного способа ледовой проводки.

Большое внимание уделяется проведению экспериментов по изучению процессов швартовки и загрузки газовозов и танкеров в ледовых условиях. В ледовом бассейне был выполнен большой комплекс испытаний по взаимодействию со льдом морского инженерного сооружения и пришвартованного к нему судна (рис. 2). Полученные в экспериментах данные используются не только при проектировании ледостойких морских отгрузочных терминалов, но и при разработке специализированных тренажеров, позволяющих обучать и тренировать экипажи судов и терминалов.

По прежнему важной задачей является оптимизация формы корпуса судов ледового плавания, что является традиционным направлением деятельности ледовых бассейнов. Обеспечение на основании тщательных экспериментальных исследований (рис. 3) перспективным газовозам и танкерам ледового класса повышенных показателей ледовой ходкости и управляемости позволяет существенно повысить эффективность их использования при эксплуатации в ледовых условиях.

Помимо приведенных примеров можно упомянуть методики, позволяющие исследовать процессы взаимодействия движительных комплексов со льдом, экспериментальное изучение вопросов ледовой вибрации, многочисленные уникальные ледотехнические исследования, такие как изучение образования внутриводного льда на подводном газопроводе или смерзания старого судоходного канала. Арсенал экспериментальных средств современного ледового бассейна позволяет решать многие задачи, выдвигаемые практикой.

В целом изложенная информация демонстрирует высокую эффективность использования экспериментальных исследований в ледовых опытовых бассейнах для изучения процессов взаимодействия льда с морскими инженерными сооружениями.

Назад к списку