автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Вероятностные характеристики экстремальных ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа



Л.

ГУ

Дальневосточный государственный технический университет

На правах рукописи УДК 627.88:551.32

КОМАРОВА Ольга Алексеевна

ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА СООРУЖЕНИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА

Специальность 05.23.17 Строительная механика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Руководитель: доктор технических наук,

профессор Беккер А.Т.

Владивосток 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение................................................................ 4

1. Методы определения экстремальных ледовых нагрузок и надежность гидротехнических сооружений континентального шельфа.......................................... 10

1.1. Морские ледостойкие платформы и их надежность........................................................................ 10

1.1.1. Конструкции морских ледостойких платформ....................................................................... 10

1.1.2. Надежность морских ледостойких платформ....................................................................... 21

1.2. Экстремальные ледовые нагрузки на морские ледостойкие платформы......................................... 27

1.2.1. Результаты экспериментальных исследований параметров торосов и нагрузок........................ 29

1.2.2. Теоретические исследования....................... 55

1.2.3. Вероятностное описание ледовой нагрузки....................................................................... 68

1.3. Выводы............................................................ 79

2. Модели взаимодействия торосов с морскими ледостойкими платформами........................................ 81

2.1. Воздействие на вертикальные опоры.............. 81

2.2. Воздействие на конические опоры.................. 88

2.3. Учет пространственной работы киля тороса............................................................................ 89

2.4. Исследование детерминированной модели...... 97

2.5. Выводы...................................................... 105

3. Имитационная модель воздействия дрейфующих торосов на морские ледостойкие платформы.................. 107

3.1. Постановка задачи........................................... 108

3.2. Описание имитационной модели..................................................112

3.3. Алгоритм и программа реализации задачи........................................................................................................................................................................121

3.4. Исследование имитационной модели......................................127

3.4.1. Требования к исходным данным..........................................127

3.4.2. Анализ результатов численного моделирования....................................................................................................................................................129

3.5. Выводы........................................................................................................................133

4. Численное моделирование экстремальных ледовых нагрузок на платформу "Моликпак" для условий

шельфа о. Сахалин...................................................................135

4.1. Исходные данные..........................................................................................135

4.2. Анализ результатов расчетов..........................................................136

4.3. Выводы........................................................................................................................................144

Заключение............................................................................................................................145

Список использованных источников.......................................147

Приложения

Приложение 1. Программа имитационного моделирования на ЭВМ воздействия торосов на МЛП..~....................................160

Приложение 2. Моделирование параметров торосов..............168

Приложение 3. Распределения экстремальных значений случайных величин........................................................................................................175

ВВЕДЕНИЕ

Истощение запасов нефти и газа на суше привело к необходимости их поиска и разработки на шельфе морей и океанов.

Континентальный шельф России обладает значительными ресурсами нефти и газа. Общий нефтегазоносный потенциал российского шельфа превышает 100 млрд. т, 85% ресурсов принадлежит недрам арктических морей и 14% - дальневосточных. Освоение российского шельфа не имеет аналогов и представляет собой сложнейшую научно-техническую и инженерную проблему, связанную, прежде всего, с освоением нефтегазовых ресурсов шельфа ледовитых морей.

Мировая морская нефтегазовая промышленность имеет значительный опыт по освоению шельфовой зоны морей в условиях с умеренным климатом. Однако она еще не располагает отработанной технологией и необходимыми техническими средствами для организации в широких масштабах разведочных и эксплуатационных работ в арктических морях.

Освоение нефтегазовых ресурсов шельфа северных и дальневосточных морей в значительной степени осложняется наличием ледяного покрова. Ледовые условия в конкретных физико-географических районах определяют способ эксплуатации месторождений и, как следствие, технические решения конструкций нефтегазопромысловых объектов.

Для восприятия значительных по величине ледовых нагрузок разработаны принципиально новые виды специальных инженерных сооружений - морские ледостойкие платформы (МЛП).

Обеспечение экономичности и эксплуатационной надежности МЛП зависит главным образом от степени изученности и правильного учета ледового режима акваторий, а также достоверности определе-

_ и

ния величин ледовых нагрузок, возникающих при воздействии движущихся ледяных полей на опоры сооружений. Обоснованное определение расчетных значений ледовой нагрузки существенно влияет на стоимость МЛП. Например, стоимость морской ледостойкой платформы "Моликпак", которая в 1998 г. возведена на шельфе о. Сахалин для освоения Пильтун-Астохского месторождения, оценивается в 800 млн. долларов США, а обустройство всего месторождения - в несколько миллиардов долларов.

В связи с этим требуется разработка методов расчета ледовых нагрузок для обеспечения рационального проектирования технических средств обустройства морских месторождений.

Повышение надежности ледостойких сооружений имеет огромное значение для безопасности обслуживающего персонала и защиты окружающей среды, так как авария МЛП может привести к серьезной экологической катастрофе. Поэтому проблема разработки обоснованных методов расчета ледовых нагрузок является актуальной.

Наибольшую опасность для шельфовых сооружений, возводимых на замерзающих акваториях северных морей со сложным ледовым режимом, будут оказывать дрейфующие торосы или гряды торосов, нагрузки от которых являются экстремальными.

Учет воздействия торосов является одной из наиболее сложных задач при проектировании МЛП. В существующих нормативных документах по расчету ледовых нагрузок на гидротехнические сооружения учет нагрузок от торосистых образований производится с помощью коэффициента торосистости, значения которого не достаточно обоснованы. Это объясняется ограниченностью информации о морфологических и прочностных параметрах ледяных образований, сложностью их определения и прогнозирования и сложностью моделирования как самих торосистых образований, так и процесса их взаимодействия с сооружениями.

Ледовые нагрузки от дрейфующих торосов зависят от большого количества факторов и в целом являются функциями случайных аргументов, т.е. носят случайный характер. Однако отечественные нормы составлены на основе концепции предельных состояний, которая не позволяет полностью учесть случайную природу ледового режима и воздействий на МЛП. Поэтому в последние годы при проектировании таких ответственных сооружений, как МЛП, особое внимание уделяется методам теории надежности, которые позволяют произвести наиболее полный учет всех случайных факторов.

Определение вероятностных характеристик экстремальных ледовых нагрузок позволяет при проектировании МЛП давать оценку вероятности наступления предельного состояния (отказа) сооружения, т.е. рассчитывать его надежность. Это обусловливает необходимость исследований статистических параметров ледового режима перспективных акваторий и процессов взаимодействия сооружений с торосистыми полями в течение ледового сезона и всего срока службы сооружения. Вероятностные характеристики экстремальных ледовых

нагрузок используются для оценки надежности сооружений на возникновение внезапного отказа (вероятности превышения общей внешней нагрузки над несущей способностью сооружения).

Таким образом, актуальными являются исследования вероятностных характеристик ледовых нагрузок для обоснованного проектирования таких уникальных сооружений, как МЛП.

Цель работы - разработка методики определения вероятностных характеристик экстремальных ледовых нагрузок от торосов на МЛП.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать детерминированную модель воздействия дрейфующих торосистых образований на сооружения;

- разработать вероятностную модель взаимодействия торосистых образований с сооружениями;

- разработать алгоритм и программу численного моделирования параметров торосов и определения функции распределения экстремальных ледовых нагрузок от торосов с учетом вероятности их столкновения с МЛП.

Во введении обоснованы актуальность, научная новизна работы, отражены основные цели, методы и результаты исследований, их практическое значение, апробация работы.

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с особенностями и спецификой применения различных конструкций МЛП, приведена их классификация, рассмотрены методы оценки надежности гидротехнических сооружений континентального шельфа.

Показано, что для районов с динамичным ледовым режимом ледовые нагрузки от торосов на конструкции морских гидротехнических сооружений являются определяющими. Точность определения ледовых нагрузок непосредственно влияет на надежность и экономичность технических решений МЛП.

Выполнен обзор теоретических и экспериментальных исследований экстремальных ледовых нагрузок от торосов на МЛП.

Во второй главе на основе обзора исследований разработаны теоретические модели взаимодействия торосистых образований с опорами МЛП и формирования ледовой нагрузки. Модели основаны главным образом на схемах разрушения тороса перед сооружением, описываемых методами предельного напряженного состояния.

Проведены исследования по уточнению коэффициента пространственной работы киля тороса с учетом его геометрической формы на основе теоретических предпосылок, принятых в механике грунтов.

Выполнен сопоставительный анализ ледовых нагрузок, вычисленных по моделям, предлагаемым автором, с ледовыми нагрузками по моделям других исследователей. Оценено влияние различных параметров на величину как общей ледовой нагрузки от торосов, так и ее составляющих.

В третьей главе выполнена постановка задачи вероятностного описания процесса воздействия дрейфующих торосов на сооружение.

Разработана имитационная модель формирования экстремальных ледовых нагрузок от торосов, в которой определяются силы воздействия торосов на МЛП и их вероятности. В имитационной модели используются статистические данные натурных наблюдений за параметрами торосов.

Для реализации имитационной модели разработаны алгоритм и программа расчета вероятностных характеристик экстремальных ледовых нагрузок от торосов.

Разработана методика определения вероятностного распределения экстремальных ледовых нагрузок от торосов с учетом вероятности их столкновения с МЛП. Предложенная методика позволяет определять функцию распределения превышения ледовых нагрузок от торосов за различные периоды повторяемости ледовых условий.

Выполнено исследование функционирования разработанной имитационной модели при различных исходных параметрах.

В четвертой главе приведен пример расчета вероятностных характеристик экстремальных ледовых нагрузок от торосов на модернизированную ледостойкую платформу "Моликпак", установленную в 1998 году на шельфе о. Сахалин. Исходные данные были приняты на основе натурных наблюдений ледового режима в рассматриваемой области акватории. В результате получены: функция распределения превышения ледовых нагрузок от торосов и функция распределения их наибольших крайних значений. На основе результатов расчета вероятностных характеристик экстремальных ледовых нагрузок от торосов оценена надежность платформы "Моликпак" по внезапному отказу.

В заключении приведены основные научные и практические результаты исследований, выполненных автором.

Научная новизна работы состоит в разработанном вероятностном подходе к определению нагрузок от торосов на МЛП и заключается в следующем:

- разработана методика определения вероятностного распределения экстремальных ледовых нагрузок от торосов на МЛП;

- уточнена модель формирования максимальных ледовых нагрузок от торосов на МЛП;

- разработана и реализована в виде компьютерной программы имитационная модель процесса воздействия дрейфующих торосов на морские ледостойкие платформы;

- получена функция распределения экстремальных ледовых нагрузок с учетом вероятности столкновения торосов с МЛП.

Методы исследований. В работе использовались; методы математического моделирования; методы теории вероятностей и математической статистики; методы предельного напряженного состояния сплошной среды.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчета вероятностных характеристик экстремальных ледовых нагрузок от торосов на проектируемые конструкции ледостойких сооружений в условиях шельфа ледовитых морей. Результаты работы могут быть использованы в технико-экономическом обосновании освоения морских нефтегазовых месторождений на шельфе ледовитых морей России при проектировании МЛП.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

- методика расчета вероятностных характеристик экстремальных ледовых нагрузок для расчета надежности МЛП на внезапный отказ;

- детерминированная модель воздействия торосов на опоры МЛП;

- вероятностная имитационная модель воздействия торосов на опоры МЛП.

Достоверность научных положений и полученных результатов

обоснована:

- общепринятыми апробированными исходными положениями;

- применением стандартных методов исследований и обработки результатов;

- соответствием результатов исследований, полученных автором, с результатами других исследователей в этой области.

Результаты исследований использованы:

- в отчетах по научно-исследовательской работе ДВГТУ по гос-

бюджетной и хоздоговорной тематике (научно-технические программы: "Океанотехника", "Дальний Восток" и др.);

- в учебном процессе Строительного института ДВГТУ по дисциплине "Сооружения континентального шельфа", в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на П-ой Международной студенческой научной конференции "Студент и прогресс строительной индустрии" (Москва, 1990), на 11-м Международном студенческом форуме стран АТР (Владивосток, 1997), на международных конференциях: "Стихия. Строительство. Безопасность" (Владивосток, 1997), "Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы" (Владивосток, 1998); на конференциях Международного общества шельфовой и полярной технологий ISOPE (Пусан, 1996; Гонолулу, 1997; Монреаль, 1998); на симпозиумах по проблемам изучения льда Международной ассоциации гидравлических исследований, LAHR (Потсдам, 1998); на Международном семинаре REIFS (Момбецу, 1999); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГТУ (1996-1998), и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научные работы, в том числе 12 на английском языке, получено одно авторское свидетельство.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю диссертационной работы, д.т.н., профессору А.Т. Беккеру за оказанную помощь и консультации, а также сотрудникам института "СахалинНИПИморнефть" за предоставленные материалы.

1. Методы определения экстремальных ледовых нагрузок и надежность гидротехнических сооружений континентального шельфа

1.1. Морские ледостойкие платформы и их надежность 1.1.1. Конструкции морских ледостойких платформ

Для изучения и освоения природных ресурсов континентального шельфа применяются различные типы специальных гидротехнических сооружений. Наиболее сложными и ответственными из них являются нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения на шельфе морей и океанов, классификация которых приведена на рис. 1.1 [37,48,106].

Нефтегазопромысловые сооружения, предназначенные для круглогодичной эксплуатации на шельфе арктических и замерзающих морей, испытывают различного рода воздействия от дрейфующего ледяного покрова и должны обладать ледостойкостью. Поэтому они получили название ледостойких. Ледостойкие сооружения имеют характерные конструктивные формы и размеры несущих элементов, которые определяются, как правило, ледовым режимом. Особый подход к проектированию ледостойких платформ объясняется не только спецификой основного воздействия со стороны окружающей среды, но и условиями, в которых должно осуществляться строительство