ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ"

Общество с ограниченной ответственностью
"Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ"
Общество с ограниченной ответственностью
"Информационно-рекламный центр газовой промышленности"

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

МЕТОДИКА

РАСЧЕТА ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА ЛЕДОСТОЙКУЮ СТАЦИОНАРНУЮ ПЛАТФОРМУ

СТО Газпром 2-3.7-29-2005

Москва 2005

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - "ВНИИГАЗ"

2 ВНЕСЕН Управлением техники и технологии разработки морских месторождений Департамента по добыче газа, газового конденсата и нефти ОАО "Газпром"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Распоряжением ОАО "Газпром" от 25 апреля 2005 г. № 60 с 12 августа 2005 г.

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Содержание

Введение

Необходимость разработки настоящей Методики расчета ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу обусловлена особенностями климатических, гидрологических и ледовых условий Обской и Тазовской губ, в силу которых при проектировании нефтегазопромысловых сооружений становится необходимым учет расчетных ситуаций, характерных как для морских, так и для речных гидротехнических сооружений. Методика разработана с целью совершенствования нормативной базы для проектирования морских ледостойких стационарных платформ в условиях Обской и Тазовской губ, где в качестве концептуальных проектов платформ для обустройства морских углеводородных месторождений в первую очередь рассматриваются варианты с опорными вертикальными моноблоками, имеющими большие поперечные размеры.

Настоящая методика дополняет и уточняет расчетные требования и положения российских норм СНиП 2.06.04-82* [1] и ВСН 41.88 [2] в части определения ледовых нагрузок и воздействий на стационарные вертикальные сооружения больших диаметров (поперечных размеров). В этом случае, когда размеры поперечного сечения сооружения многократно превышают толщину расчетных ледяных образований, ледовые нагрузки должны определяться с учетом пространственного фактора. При разработке методики также учитывались современные подходы, рекомендуемые зарубежными нормами API RP 2N [3], CAN/CSA-S471 [4], DNV CN 30.5 [5].

Методика составлена Д.А. Мирзоевым, С.И. Шибакиным, Д.А. Онищенко.

СТАНДАРТ ОТКРЫТОГО АКЦИОНЕРНОГО ОБЩЕСТВА "ГАЗПРОМ"

Дата введения 2005-08-12

1 Область применения

Настоящая Методики расчета ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу (далее - Методика) может быть использована в проектах освоения шельфа при расчете нагрузок от действия ледяных образований на стационарные сооружения больших диаметров (поперечных размеров) с вертикальными стенками в условиях Обской и Тазовской губ на стадиях разработки предпроектной документации (стадии "Инвестиционный замысел (предложение)", "Обоснование инвестиций" (включая "Декларацию о намерениях") в структурных подразделениях, дочерних обществах и организациях ОАО "Газпром".

На стадиях "Проект" ("Рабочий проект") и "Рабочая документация" положения настоящей методики могут использоваться для получения предварительных данных по ледовым нагрузкам.

Окончательные величины расчетных ледовых нагрузок при условии надлежащего обоснования должны определяться посредством более детальных расчетов, учитывающих уточненный набор расчетных ситуаций взаимодействия проектируемого сооружения с ледяными образованиями.

2 Термины, определения и обозначения

2.1 В настоящей Методике применяются термины по [1, 2, 6].

2.2 В настоящей Методике применяются следующие основные обозначения:

D - ширина сооружения по фронту движущегося ледяного образования, м;

F_cons - нагрузка от воздействия консолидированной части тороса, надвигающегося на сооружение в составе всторошенного поля, МН;

F_keel - нагрузка от воздействия киля тороса, надвигающегося на сооружение в составе всторошенного поля, МН;

F_l - нагрузка на сооружение от воздействия движущегося ровного ледяного поля при условии отсутствия подводного нагромождения обломков перед преградой, МН;

F_lj - нагрузка от движущегося ровного ледяного поля в случае образования подводного нагромождения обломков перед преградой. МН;

F_rf - нагрузка от воздействия движущегося торосистого поля, МН;

F_w - предельно возможное значение нагрузки на сооружение от воздействия движущегося ровного ледяного поля в случае его прорезания опорой при условии отсутствия подводного нагромождения обломков перед преградой, МН;

h_cons - расчетное значение толщины консолидированной части тороса в составе всторошенного поля, м;

h_d - расчетная толщина ровного льда, м;

h_j - - расчетная толщина подводной массы обломков льда, м;

h_keel - расчетная толщина киля тороса в составе всторошенного поля, м;

H_WL - расчетный уровень воды в период воздействия ледяного образования, м;

m - коэффициент формы сооружения в плане;

p_eff - эффективное давление (усредненное по фронту преграды) разрушающегося льда, МПа;

p_loc - давление разрушающегося льда в пределах области локального контакта, МПа;

R_c - нормативное значение прочности ровного льда при сжатии, МПа;

R_cons - нормативное значение прочности льда консолидированной части тороса при сжатии, МПа;

R_j - нормативное сопротивление заторной массы льда смятию, МПа.

3 Общие положения

3.1 С помощью настоящей Методики расчеты нагрузок от воздействия ледяных образований на стационарные вертикальные сооружения моноблочного типа следует выполнять при значениях параметра относительной ширины преграды .

3.2 При  нагрузки следует определять по СНиП 2.06.04-82* [1].

3.3 Методика реализована в рамках детерминистического подхода и включает расчетные положения для определения следующих видов нагрузок, порождаемых воздействием ледяных образований: от воздействия движущегося ровного ледяного поля, от воздействия движущегося всторошенного поля, от движущихся заторных масс льда, от подвижек ледяного покрова, от температурного расширения сплошного ледяного покрова, а также для локального давления льда.

3.4 Положения Методики устанавливают нормативные значения нагрузок от воздействия льда. Расчетное значение каждой нагрузки должно вычисляться как произведение нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузкам

3.5 Коэффициент надежности по нагрузкам  учитывает вероятностный характер ледовых нагрузок и количественно отражает возможное отклонение нагрузки в неблагоприятную сторону от нормативного значения. Его значение необходимо принимать на основе статистического анализа натурных данных. При отсутствии или недостаточном количестве данных допускается принимать  = 1,1

Примечание - Значение  = 1,1 для ледовых воздействий апробировано на практике и использовалось в СНиП 2.06.01-86 Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования и СНиП 33-01-2003 Гидротехнические сооружения. Основные положения.

3.6 В наиболее сложных с расчетной точки зрения ситуациях (геометрически сложная форма сооружения, неоднозначность описания расчетной ситуации взаимодействия ледяного образования с сооружением и др.) значения нагрузок необходимо определять по специализированным методикам и уточнять по результатам модельных испытаний. Соответствующие исследования и расчеты рекомендуется выполнять на основе апробированных теоретических и методических положений, а также современных подходов, изложенных в нормах API RP 2N [3], CAN/CSA-S471 [4], DNV CN 30.5 [5] и работах [7-14]

4 Основные исходные данные и требования к ним

Для проведения расчетов с помощью настоящей Методики требуются следующие исходные данные:

h_d - расчетная толщина ровного льда, определяемая как значение 1 %-ной обеспеченности в совокупности максимальных годовых значений;

h_cons - расчетная толщина консолидированного слоя тороса, определяемая как значение 1 %-ной обеспеченности в совокупности максимальных годовых значений;

R_c - нормативное значение прочности ровного льда на сжатие;

R_cons - нормативное значение прочности льда консолидированной части тороса на сжатие;

R_j - нормативное сопротивление заторной массы льда смятию;

p_eff - эффективное давление (усредненное по фронту преграды) разрушающегося льда;

H_WL - расчетный уровень воды в период воздействия ледяного образования.

5 Нагрузки от воздействия ледяных образований

5.1 Глобальные нагрузки от воздействия движущихся ледяных образований

5.1.1 Нагрузку от движущегося ровного ледяного поля на сооружение с вертикальными гранями при отсутствии нагромождения обломков льда F_l, МН, вычисляют по формуле:

,                                                                               (1)

где m - коэффициент формы сооружения в плане. Для сооружений цилиндрической и многогранной формы в плане принимается m = 0,85. Для сооружений прямоугольной формы принимается m = 1,0 в случае, когда ледяное поле движется по нормали к боковой грани корпуса платформы, и m = 0,60 в случае, когда ледяное поле надвигается по диагонали сооружения;

k - коэффициент, учитывающий неплотность контакта ледяного образования с сооружением и эффект стеснения льда при разрушении, вычисляемый интерполяцией по значениям, приведенным в следующей таблице;

R_c - нормативное значение прочности льда на одноосное сжатие, МПа, определяемое согласно СНиП 2.06.04-82* [1];

D - ширина сооружения по фронту (в направлении, перпендикулярном направлению движения ледяного поля) на уровне действия льда, м;

h_d - расчетная толщина ровного льда, м, определяемая как значение 1 %-ной обеспеченности в совокупности максимальных годовых значений толщины льда.

Значение нагрузки F_l вычисленное по формуле (1), не должно превышать предельно возможного значения нагрузки F_w, МН, определяемого по 5.1.2.

5.1.2 Предельно возможное значение нагрузки на сооружение от воздействия движущегося ровного ледяного поля в случае его прорезания опорой при условии отсутствия подводного нагромождения обломков перед преградой F_w, МН, вычисляют по формуле:

                                                                                  (2)

где p_eff - эффективное давление (усредненное по фронту преграды) разрушающегося льда, МПа, определяемое по данным натурных измерений; при отсутствии натурных данных допускается принимать значение p_eff - равным 1,5 МПа;

D, h_d - обозначения те же, что в 5.1.1.

5.1.3 В случае образования подводного нагромождения обломков перед преградой нагрузку от движущегося ровного ледяного поля F_lj, МН, вычисляют по формуле:

,                                                                                  (3)

где значение F_l определяют по формуле (1), а значение нагрузки от подводного нагромождения обломков F_j, МН, вычисляют по формуле:

,                                                                           (4)

где R_j - нормативное сопротивление заторной массы льда смятию, МПа, определяемое по данным натурных наблюдений. При отсутствии данных допускается принимать R_j = 0,45 МПа;

h_j - расчетная толщина подводной массы обломков льда, м, вычисляемая по формуле:

,                                                                               (5)

где H_WL - расчетный уровень воды, определяемый согласно СНиП 2.06.04-82* [1];

m, D, h_d - обозначения те же, что в 5.1.1.

5.1.4 Нагрузку от воздействия движущегося всторошенного поля F_rf, МН, вычисляют по формуле:

,                                                                           (6)

где F_cons -  нагрузка от воздействия консолидированной части тороса, МН;

F_keel - нагрузка от воздействия киля тороса, МН.

5.1.5 Нагрузку от воздействия консолидированной части тороса F_cons, МН. вычисляют по формуле:

,                                                                      (7)

где R_cons - нормативное значение прочности льда консолидированной части тороса на одноосное сжатие, м, определяемое по данным натурных измерений; при отсутствии данных допускается принимать R_cons = 0,8R_c;

h_cons - расчетное значение толщины консолидированной части тороса в составе всторошенного поля, м;

m, k, и D - обозначения те же. что в 5.1.1.

5.1.6 Нагрузку от воздействия киля тороса, характеризуемого расчетной формой и расчетными значениями геометрических параметров, следует определять в рамках подхода, использующего модель связно-сыпучей среды для описания свойств подводной массы не смерзшихся обломков льда. Соотношение между предельными касательными τ, МПа, и нормальными к площадкам сдвига σ, МПа, напряжениями выражается условием прочности Кулона-Мора:

,                                                                               (8)

где φ_k и c_k - эффективные угол трения, град, и удельное сцепление, МПа, подводной массы обломков льда, соответственно.

5.1.7 Величину нагрузки от воздействия киля тороса вычисляют как наименьшее из значений, отвечающих потенциально возможным схемам плоскостей скольжения при взаимодействии подводной массы обломков льда со стенкой сооружения. При выполнении расчетов допускается применять методики, приведенные в API RP 2N [3] и [9]. Значения φ_k, c_k, а также расчетная форма и геометрические параметры киля тороса определяются по данным натурных измерений.

При отсутствии данных нагрузку от воздействия киля тороса допускается вычислять по формуле:

,                                                                      (9)

где h_keel - расчетная толщина киля, м, вычисляемая по формуле

,                                                                          (10)

m, R_j, D, H_WL, h_cons - обозначения те же, что в 5.1.1, 5.1.3, 5.1.4.

5.1.8 Нагрузка от воздействия одиночной гряды торосов, вмороженной в движущееся ровное ледяное поле, не может превышать нагрузки от навала ледяного поля на торос, вычисляемой по 5.2.2.

5.1.9 Закручивающий момент в плоскости, параллельной поверхности воды, порождаемый несимметричным воздействием движущегося ледяного образования, вычисляют для расчетной ситуации, при которой ледяное образование с расчетными параметрами контактирует с сооружением на половине ширины фронта.

5.2 Глобальные нагрузки от навала ледяных образований

5.2.1 Нагрузку от воздействия остановившегося ледяного поля, наваливающегося на преграду, следует определять согласно СНиП 2.06.04-82* (пункт 5.8) [1]. При этом получаемое значение не должно быть больше нагрузки при прорезании льда опорой F_w, вычисляемой по формуле (2).

5.2.2 Нагрузку от воздействия остановившейся перед сооружением одиночной гряды торосов, вмороженной в ровное ледяное поле, следует определять как для случая воздействия ровного ледяного поля расчетной толщины по 5.1.1 и 5.1.3. При этом коэффициент формы m во всех случаях полагается равным 1,0 и проверка условия по 5.1.2 не производится.

5.2.3 В случае внезапной подвижки ледяного поля нагрузка на платформу при отсутствии смерзания с корпусом платформы принимается равной F_l а в случае смерзания - 2F_l где значение F_l определяется по 5.1.1, причем проверка условия по 5.1.2 в данном случае не производится.

5.2.4 Нагрузку на сооружение от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении следует определять согласно СНиП 2.06.04-82* (пункты 5.10, 5.11) [1].

5.2.5 Нагрузку от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменении уровня воды следует определять согласно СНиП 2.06.04-82* (пункты 5.15-5.18) [1].

5.2.6 Точку приложения равнодействующей ледовой нагрузки от действия движущегося или наваливающегося ровного ледяного поля следует принимать ниже расчетного уровня воды на величину s_l равную 0,2h_d в зимний период и 0,4h_d  - в период весеннего ледохода.

5.2.7 Точку приложения равнодействующей ледовой нагрузки от действия подводной массы обломков следует принимать ниже расчетного уровня воды на величину s_r, м, вычисляемую по формуле:

,                                                                         (11)

где h_d - обозначение то же, что в 5.1.1;

h_j - обозначение то же, что в 5.1.3.

5.2.8 Точку приложения равнодействующей ледовой нагрузки от действия киля тороса s_k, м, следует определять в рамках модели, принятой для описания киля по 5.1.6. В случае, если нагрузка от действия киля определяется по формуле (9), то значение s_k может быть вычислено по формуле:

,                                                                    (12)

5.3 Локальная ледовая нагрузка

5.3.1 Локальную нагрузку от действия ледяных образований F_loc, МН, вычисляют по формуле:

,                                                                                   (13)

где A - площадь области локального контакта, м², A > 0,1 м²;

p_loc - давление разрушающегося льда в пределах области локального контакта, МПа.

5.3.2 Нормативное значение локального давления p_loc зависит от расположения области контакта и должно определяться на основе натурных данных. При отсутствии данных рекомендуется:

а) при расположении области контакта в зоне действия ровного ледяного поля или консолидированной части тороса вычислять давление p_loc по формуле API RP 2N [3]:

      

где A - обозначение то же, что в 5.3.1.

p_eff - обозначение то же, что в 5.1.2;

б) при расположении области контакта в зоне действия киля тороса или заторных масс льда давление p_loc, полагать равным значению R_j

Библиография

[1] СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)

[2] ВСН 41.88 Проектирование ледостойких стационарных платформ

[3] API RP 2N Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Structures and Pipelines for Arctic Conditions, American Petroleum Institute, 1995

[4] CAN/CSA-S471 A National Standart of Canada. General Requirements, Design Criteria, the Environment, and Loads. 2004

[5] DNV CN 30.5 Classification Notes. Environmental Conditions and Environmental Loads. Det Norske Veritas, 2000

[6] ОСТ 51.89-82 Морские нефтегазопромысловые сооружения и внешние воздействия на них. Термины и определения

[7] Коржавин К.Н. Воздействие льда на инженерные сооружения. Новосибирск: СО АН СССР, 1962.-304 с.

[8] Богородский В.В., Гаврило, В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 384 с.

[9] Алексеев Ю.Н., Афанасьев В.П., Литонов О.Е. и др. Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений нефти и газа. С.-П.: Гидрометеоиздат, 2001. - 360 с.

[10] Вяхирев Р.И., Никитин Б.А., Мирзоев Д.А. Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. М.: Изд-во Академии горных наук, 2001. - 460 с.

[11] Scaling Laws in Ice Mechanics and Ice Dynamics, Eds. J.P. Dempsey, H.H. Shen. Kluwer Acad. Publ., Dordrecht, 2001

[12] Sodhi D. Crushing ice forced on structures. J. Cold Regions Engineering. Dec. 2003, p. 153-170

[13] Wright B.D., Timco G.W. First-year ridge interaction with the Molikpaq in the Beaufort Sea. Cold Regions Science and Technology, 32(2001), p. 27-44

[14] Timco G., Jonston M. Ice loads on the caisson structures in the Canadian Beaufort Sea. Cols Regions Science and Technology, 38(2004), p. 185-209