Наши журналы
Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

АНАЛИЗ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК ОТ ОДНОЛЕТНИХ ТОРОСОВ НА МОРСКИЕ НЕФТЕГАЗОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ ПО НОРМАМ РАЗЛИЧНЫХ СТРАН

Научная статья
Сабодаш О.А.
Бондаренко С.В.
Левченко Л.Е.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.115.1.012
Выпуск: № 1 (115), 2022
Опубликована:
2022/01/24
PDF

АНАЛИЗ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК ОТ ОДНОЛЕТНИХ ТОРОСОВ НА МОРСКИЕ НЕФТЕГАЗОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ ПО НОРМАМ РАЗЛИЧНЫХ СТРАН

Обзорная статья

Сабодаш О.А.1, Бондаренко С.В.2, *, Левченко Л.Е.3

1,2,3Дальневосточный Федеральный Университет, Владивосток, Россия

*Корреспондирующий автор (Sophiebondarenko.29[at]mail.ru)

Аннотация

Уменьшение запасов нефти и газа на территориях их легкодоступной добычи побуждает правительство России осваивать нефтегазовые месторождения на территории континентального шельфа. На 2021 год ПАО «НК «Роснефть» владеет лицензиями на 52 участка в акваториях арктических, дальневосточных и южных морей России. Ресурсы углеводородов по этим участкам оцениваются в 41 миллиард тонн нефтяного эквивалента. Строительство нефтегазовых сооружений в таких районах может нести существенные денежные затраты. Анализ и разработка методов расчета, учитывающих ледовую нагрузку, может существенно снизить затраты. В данной работе произведен анализ основных нормативных методик расчета ледовой нагрузки от однолетних торосов по нормам различных стран.

Ключевые слова: ледовая нагрузка, шельфовые сооружения, нормы.

AN ANALYSIS OF ICE LOADS FROM ANNUAL HUMMOCKS ON OFFSHORE OIL AND GAS FACILITIES ACCORDING TO THE NORMS OF VARIOUS COUNTRIES

Review article

Sabodash O.A.1, Bondarenko S.V.2, *, Levchenko L.E.3

1,2,3 Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia

* Corresponding author (Sophiebondarenko.29[at]mail.ru)

Abstract

The decrease in oil and gas reserves in the territories of their easily accessible production encourages the Russian government to develop oil and gas fields on the continental shelf. As of 2021, Rosneft owns licenses for 52 sites in the waters of the Arctic, Far Eastern and southern seas of Russia. Hydrocarbon resources in these areas are estimated at 41 billion tons of oil equivalent. The construction of oil and gas facilities in such areas can incur significant monetary costs, while an analysis and development of calculation methods that take into account the ice load can significantly reduce costs. The current article also features an analysis of the main regulatory methods for calculating the ice load from annual hummocks according to the norms of various countries.

Keywords: ice load, offshore structures, norms.

Введение

ПАО «НК «Роснефть», по состоянию на 2021 год, открыла три арктических газовых месторождений в Карском море. Ресурсы углеводородов на этих участках суммарно оцениваются примерно в 2 млрд т нефти и 3,7 трлн куб.м газа. Освоение этих участков повлечет за собой масштабное строительство гидротехнических сооружений, которые в зимнее время подвергаются ледовым нагрузкам. Наиболее опасную нагрузку несут однолетние торосы. Торосы образуются из тонких льдов при сильном сжатии, структурно состоят из паруса, консолидированной части и киля (рис.1).

1

Рис.1 – Схематичное строение тороса

Основная часть

Краткая характеристика ледового режима Карского моря

В юго-западной части Карского моря, вдоль полуострова Ямал распространяется узкая зона припая, дальше зона полыньи, состоящая из молодых льдов. При определенных погодных условиях возникает дрейф льда перпендикулярно границам берега и припая. Возникает сильно сжатие, в результате которого тонкие льды формируют мощные гряды торосов глубинами до 20 м.

Карское море покрыто льдом на протяжении 7–8 месяцев в году. В юго-западной части лед наблюдается в период с ноября по июль, в северо-восточной части лед местами присутствует даже в летний период. В зимние месяцы неподвижный лед бывает только у береговой линии в форме припая, за ним- плавучие льды. Ледяной покров в толщине может достигать 1,5 м. Таяние, в среднем, начинается в конце мая. В июне вытаивают однолетние льды, распадаясь на дрейфующие ледяные поля. В конце лета ото льда освобождается около 60% водной территории. В первый осенний месяц процесс таяния останавливается, в северных районах уже начинается процесс ледообразования.

1

Рис.2 – Сформировавшийся торос

Постановка задачи

Основная цель данного обзора состоит в том, чтобы на заданном примере (см. таблица 1) оценить эффективность нормативных методик расчета ледовой нагрузки различных стран. Рассмотрены следующие методики: СП 38.13330.2018, DNV 2013, МРС 2018 2-020201-015, ISO 19906–2019.

Таблица 1 – Исходные данные

bu, м hf, м t, 0С γ, 0/00 V, m/s
50 0,6 -10 3,5 0,5

где, hf, м – толщина льда на момент образования тороса;

bu - ширина опоры, м;

γ, 0/00 – соленость;

t, 0С- температура льда

V, m/s- скорость дрейфа льда.

СП 38.13330.2018. Нагрузка от воздействия движущихся торосов и стамух на сооружения вертикального и откосного профиля определяется как сумма [1]:

 1 (1)

где Fu нагрузка от надводной части ледяного образования (паруса), МН

Fc нагрузка от консолидированной части ледяного образования, МН

Fk нагрузка от подводной части ледяного образования (киля), МН

Каждая из нагрузок отдельно учитывает горизонтальную и вертикальную составляющие.

При расчете нагрузки от паруса следует учитывать следующие данные: пористость ледяного образования, среднюю ширину преграды по фронту в зоне действия ледяного образования, сцепление между обломками льда, угол внутреннего трения ледяного образования.

При расчете нагрузки от киля рекомендуется учитывать: расчетную глубину киля ледяного образования, коэффициент горизонтальной составляющей пассивного давления нагромождения обломков льда.

DNV 2013. Нагрузка от киля тороса на наклонные сооружения вычисляется по формуле[6]:

 1 (2)

Она зависит от коэффициента статического давления, условного удельного сцепления киля, пористости киля.

Нагрузка от консолидированного слоя рассчитывается как сумма горизонтальных и вертикальных компонентов силы:

 1 (3)

где FH,C - горизонтальная компонента силы, МН;

FH,v - вертикальная компонента силы, МН.

Горизонтальная компонента силы учитывает 5 видов нагрузки: нагрузку, необходимую для проталкивания ледяных обломков наверх; нагрузку, необходимую для проталкивания ледового покрова через ледяные обломки; нагрузку, необходимую для подъема ледяных обломков над надвигающимся ледяным покровом до его разрушения; нагрузку, необходимую для продвижения ледового блока на вершину наклонной грани.

МРС 2018 2-020201-015.В данном ГОСТе нагрузка от киля тороса рассчитывается так же, как и в DNV 2013. Нагрузка от консолидированной части равняется сумме горизонтальной и вертикальной составляющих нагрузки [2].

ISO 19906–2019. Нагрузка от тороса [7]:

 1 (4)

где Fc- нагрузка от консолидированной части ледяного образования, МН

 Fk- нагрузка от подводной части ледяного образования, МН

Нагрузка от подводной части ледяного образования вычисляется аналогично МРС 2018 2-020201-015 и DNV 2013. Расчет нагрузки от консолидированной части тороса отдельно учитывая горизонтальную составляющую (аналогичную по расчету DNV 2013) и вертикальную составляющую.

Обсуждение результатов

Из рассмотренных ГОСТов: СП 38.13330.2018, DNV 2013, МРС 2018 2-020201-015, ISO 19906–2019, наиболее подробные расчеты предоставляет СП 38.13330.2018, в котором помимо нагрузок от киля тороса и консолидированной части, так же учитывается нагрузка от паруса тороса.

1

Рис.3 – Сравнение общей нагрузки от тороса для 4 ГОСТов

Несмотря на то, что в ГОСТах ISO 19906–2019, DNV 2013, МРС 2018 2-020201-015 расчет нагрузки от киля тороса производится по одной и той же формуле:

 1 (5)

Значения общей нагрузки отличаются друг от друга в виду того, что при расчете нагрузки от консолидированной части учитывается различный тип состава тороса. В DNV 2013 горизонтальная компонента силы учитывает 5 видов нагрузки, в то время как в ISO 19906–2019 она разделяется только на горизонтальную и вертикальную.

Наибольшая общая нагрузка от воздействующего движущегося тороса на гидротехническое сооружение получилась при расчете по ISO 19906–2019. Этого произошло из-за того, что данная нормативная методика разделяется нагрузку горизонтальную компоненту нагрузки от консолидированной части на 5 составляющих.

Заключение

В данной работе были рассмотрены следующие нормативные методики для расчета ледовой нагрузки от однолетних торосов на гидротехнические сооружения: СП 38.13330.2018, DNV 2013, МРС 2018 2-020201-015, ISO 19906–2019. В результате сравнения нельзя сделать вывод о принципиальном превосходстве одного из методов над другим. Можно говорить о том, что нормы РФ недостаточно гармонизированы и интегрированы с нормами европейских стран, что затрудняет процесс обмена опытом между странами континентального шельфа.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. СП 38.13330.2018. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). - Введ. 17.02.2019.-М.: Стандартинформ, 2019 г.- 24 с.
  2. МРС 2018 2-020201-015. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. - Введ. 04.04.2018.-М.: Российский морской регистр судоходства, 2018 г.- 117 с.
  3. ПавловВ.А. Особенности развития консолидированного слоя гряд торосов в морях Карском и Лаптевых / В.А. Павлов, К.А. Корнишин, Е.У. Миронов и др. // Нефтяное хозяйство: Журнал. — 2016. — № 11. — С. 49-57.
  4. Ким С. Д. Определение ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа по нормам различных стран. / С. Д. Ким, О. М. Финагенов, Т.Э. Уварова // Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа. Серия 3. – 2013. - №3. - С. 97–103.
  5. СТО Газпром 2-3.7-29-2005. Методика расчета ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу. - Введ. 12.08.2005. М., 2005.
  6. DNV 2013. Submarine Pipeline Systems. - Introduced. 01.10.2013
  7. ISO 19906–2019. Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures. - Introduced. 07.2019.
  8. Germanischer Lloyd Oil and Gas GmbH: General Terms and Conditions. Hamburg, 2005.
  9. US Army Corps of Engineers. Engineering and Design-Ice Engineering. USACE Engineer Manual EM 1110-2-1612, 2006.
  10. API RP 2N. Recommended practice for planning, designing and constructing structures and pipelines for Arctic conditions // Amer: Petroleum Inst. Bulletin. Dallas, 1995.

Список литературы на английском языке / ReferencesinEnglish

  1. SP 38.13330.2018. Nagruzki i vozdejjstvija na gidrotekhnicheskie sooruzhenija (volnovye, ledovye i ot sudov) [Loads and impacts on hydraulic structures (wave, ice and from ships)]. - Effective 17.02.2019.-Moscow: Standartinform, 2019- 24 p. [in Russian]
  2. MRS (Russian Maritime Shipping Register) 2018 2-020201-015. Pravila klassifikacii, postrojjki i oborudovanija plavuchikh burovykh ustanovok i morskikh stacionarnykh platform [Rules for classification, construction and equipment of floating drilling rigs and offshore stationary platforms]. - Effective 04.04.2018.-Moscow: Russian Maritime Register of Shipping, 2018- 117 p. [in Russian]
  3. A. Osobennosti razvitija konsolidirovannogo sloja grjad torosov v morjakh Karskom i Laptevykh [Features of the development of the consolidated layer of hummock ridges in the Kara and Laptev seas] / V.A. Pavlov, K.A. Kornishin, E.U. Mironov, et al. // Neftjanoe khozjajjstvo: Zhurnal [Oil industry: Journal]. - 2016. - No. 11. - pp. 49-57 [in Russian]
  4. Kim S. D. Opredelenie ledovykh nagruzok na sooruzhenija kontinental'nogo shel'fa po normam razlichnykh stran [Determination of ice loads on the structures of the continental shelf according to the norms of various countries] / Kim S. D. M. Finagenov, T.E. Uvarova. // Sovremennye podkhody i perspektivnye tekhnologii v proektakh osvoenija neftegazovykh mestorozhdenijj rossijjskogo shel'fa. Serija 3. [Modern approaches and promising technologies in projects for the development of oil and gas fields of the Russian shelf. Series 3]. – 2013. - №3. - Pp. 97-103 [in Russian]
  5. STO Gazprom 2-3.7-29-2005. Metodika rascheta ledovykh nagruzok na ledostojjkuju stacionarnuju platformu [The method of calculating ice loads on an ice-resistant stationary platform]. - Effective 12.08.2005. Moscow, 2005 [in Russian]
  6. DNV 2013. Submarine Pipeline Systems. - Introduced. 01.10.2013
  7. ISO 19906–2019. Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures. - Introduced. 07.2019.
  8. Germanischer Lloyd Oil and Gas GmbH: General Terms and Conditions. Hamburg, 2005.
  9. US Army Corps of Engineers. Engineering and Design-Ice Engineering. USACE Engineer Manual EM 1110-2-1612, 2006.
  10. API RP 2N. Recommended practice for planning, designing and constructing structures and pipelines for Arctic conditions // Amer: Petroleum Inst. Bulletin. Dallas, 1995.