ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ЛЬДА НА ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИЗГИБ

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ / ENGINEERING

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.002

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ЛЬДА НА ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИЗГИБ

Научная статья

Баштовая В.А.^1, *, Белов В.Д.², Садиев А.А.³, Савченко Д.С.⁴

^{1, 2, 3, 4} Дальневосточный Федеральный Университет, Владивосток, Россия

* Корреспондирующий автор (bashtovaya-lera[at]mail.ru)

Аннотация

Большое количество запасов углеводородов расположено в зоне континентально шельфа Арктики. Однако многие свойства льда, который является неотъемлемой часть данных территорий остаются мало изучены. Изучению прочности и других свойств морского льда посвящены многие работы [1], [3], [5], [10].

Поиск закономерностей ледообразования и экспериментальных исследований характеристик ледового покрова – главная задача «Международной Зимней Школы», проводимой на базе Дальневосточного федерального университета. Данная работа отражает результаты исследований прочности льда на изгиб от различных факторов. В работе используются данные, собранные исследовательскими группами в 2021 году, в бухте Новик.

Ключевые слова: Арктика, шельфовые сооружения, лед, ледовая нагрузка, прочность льда на изгиб.

ICE BENDING STRENGTH STUDIES ON FLEXURAL CENTER

Research article

Bashtovaya V.A.^1, *, Belov V.D.², Sadiev A.A.³, Savchenko D.S.⁴

^{1, 2, 3, 4} Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia

* Corresponding author (bashtovaya-lera[at]mail.ru)

Abstract

Numerous hydrocarbon reserves are located in the continental Arctic shelf zone. However, many of the features of ice, which is an integral part of these territories, remain undiscovered. The durability and other properties of sea ice have been the subject of many studies [1], [3], [5], [10].

The search for the patterns of ice forming and experimental studies of its features is the main task of the «International Winter School» research, conducted on the basis of the Far Eastern Federal University. This work reflects the results of the ice bending strength study from various factors. The article uses data collected by research teams in 2021 at the Novik Bay.

Keywords: the Arctic, offshore structures, ice, ice loading, ice bending strength.

Введение

На сегодняшний момент разрабатывается большое количество новых видов топлива, но этот процесс требует больших временных и денежных ресурсов, поэтому природный газ, уголь и нефть всё ещё остаются основными источниками энергии.

Основное количество запасов углеводородов, которые предстоит освоить в 21 веке, расположено на Арктическом шельфе. Факторами, оказывающим наибольшее влияние на разработку этих месторождений, являются жесткие метеорологические условия. Одним из важнейших внешних факторов, которых необходимо учесть при проектировании, строительстве и эксплуатации ледостойких нефтегазодобывающих платформ и прочих морских сооружений, является ледовая нагрузка [8], [9]. Величина ледовой нагрузки зависит, в том числе, и от прочности льда на изгиб, так как именно в результате деформации изгиба происходит основное разрушение ледового покрова [7].

Прочность льда на изгиб определяется тремя методами:

1) по разрушению балок, свободно лежащих на двух опорах;

2) по разрушению консолей (клавишей);

3) по разрушению круглых плит, свободно лежащих на кольцевой опоре и нагружаемой в центре.

Во время данного исследования в лабораторных условиях был использован третий метод по определению прочности на изгиб. В исследованиях были измерены прочность при центральном изгибе образцов морского льда, собранных в бухте Новик (г. Владивосток) в феврале месяце (см. рисунок 1).

Рис. 1 – Бухта Новик

В исследовании рассмотрено влияние температуры, внешних условий формирования и скорости нагружения на характеристики сопротивления морского льда центральному изгибу, а также изменение прочности изгиба по толщине.

Ход эксперимента

Объект – лёд (керны) в бухте Новик.

Предмет – прочность льда на центральный изгиб.

С помощью керноотборника выбуривались образцы из ледяного покрова бухты Новик, диаметром, 140 мм. Полученные образцы транспортировались до места проведения испытаний в термобоксах. При подготовке кернов к испытанию, обрезалась верхняя часть, толщиной до 4 см, для удаления нежелательных включений природного происхождения. Керны распиливались на диски, толщиной 2 см.

Подготовленные диски устанавливались под пресс (ShimadzuAGS-X) и нагружались со скоростями 0,1 мм/с; 0,5 мм/с; 1 мм/с; 2 мм/с до разрушения.

В процессе эксперимента фиксировались следующие данные: разрушающая сила, температура, деформация.

Основные результаты и обсуждение

 Целью эксперимента было выявление зависимости прочности льда на изгиб от следующих факторов: температура льда, толщина образцов, температуры воздуха и скорости ветра при различных скоростях нагрузки.

Для определения прочности на изгиб использовалась следующая формула:

На основе собранных лабораторных испытаний была проведена количественная и качественная обработка результатов. Был проведён корреляционный анализ в Excel. Для анализа прочности льда на центральный изгиб были построены зависимости прочности и температуры от его относительной толщины.

Согласно рисунку 2а наблюдается линейная зависимость между температурой и толщиной кернов при всех скоростях испытания.

Графики зависимости прочности от толщины (см. рисунок 2) имеют линейный характер, но имеются скачки (выбросы), которые могут быть обусловлены влиянием таких факторов как солёность, структура льда, погодные условия в процессе формирования ледяного покрова и т.д.

Рис. 2 – Графики зависимости прочности от толщины: а – с подачей напряжения; б – на разных скоростях

На рисунке 3 представлены зависимости напряжения от температуры на скоростях 0,1 мм/с, 0,5 мм/с, 1 мм/с, 2 мм/с.

Рис. 3 – Зависимость напряжения от температуры на разных скоростях

Были получены линейные аппроксимации зависимости прочности на изгиб от температуры в кернах:

Также была проверена корреляция между напряжением и температурой в кернах. В половине кернов наблюдается довольно тесная обратная связь между прочностью и температурой керна (значения корреляции от -0,5 до -0,8), в половине связь или очень слаба, или практически отсутствует (значения корреляции от -0,1 до -0,4). В таблице 1 представлены по два керна на различных скоростях с разным значением коэффициента корреляции.

Таблица 1 – Корреляция прочности от температуры

№ п/п	Z, см	t, °C	σ, МПа	№ п/п	Z, см	t, °C	σ, МПа
2021 Скорость 0,1 мм/с
1 керн				2 керн
0	0,00	-4,2	1,579	0	0,00	-4,2	1,630
1	6,20	-3,9	1,193	1	6,20	-3,7	1,607
2	12,40	-3,5	1,641	2	12,40	-3,5	1,447
…	…	…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	…	…
9	55,80	-1,4	0,997	9	55,80	-1,5	0,674
10	62,00	-1,1	0,900	10	62,00	-1,1	0,891
Корреляция:			-0,804	Корреляция:			-0,773
2021 Скорость 0,5 мм/с
1 керн				2 керн
0	0,00	-3,1	1,555	0	0	-3,37	1,6
1	6,15	-2,8	1,963	1	6,3	-2,77	1,1
2	12,30	-2,8	1,655	2	12,6	-2,89	2,0
…	…	…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	…	…
9	55,35	-1,5	1,505	9	56,70	-1,2	1,581
10	61,50	-1,2	1,288	10	63,00	-1,0	1,407
Корреляция:			-0,134	Корреляция:			-0,321

Данные по внешним погодным условиям взяты с метеорологических станций. Предполагаемая толщина керна при данных погодных условиях была определена по формуле Н. Н. Зубова [1].

Были определены внешние погодные условия для всех точек кернов, проведен корреляционный расчет напряжения от внешней температуры и скорости ветра. Корреляция за 2021 год почти не наблюдается. В таблицах 2 и 3 представлены результаты корреляции прочности двух кернов от температуры воздуха и ветра за 2021 год на различных скоростях.

Таблица 2 – Корреляция прочности от температуры воздуха и ветра за 2021 г. по скорости 0,1 мм/с

№ п/п	Z, см	σ, МПа	Tнаруж,°C	W, м/с	№ п/п	Z, см	σ, МПа	Tнаруж,°C	W, м/с
2021 Скорость 0,1 мм/с
1 керн					2 керн
0	0,00	1,579	-6,24	3,4	0	0,00	1,630	-6,24	3,4
1	5,05	1,218	-3,61	4,4	1	4,80	1,273	6,07	3,4
2	7,82	1,156	-12,61	6,6	2	6,82	1,755	-10,81	6,1
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
26	57,36	0,969	-12,83	4,4	26	55,14	0,651	-13,93	3,5
27	62,00	0,900	-10,80	5,3	27	62,00	0,891	-10,80	5,3
Корреляция σ и Tнаруж:				0,246	Корреляция σ и Tнаруж:				0,145
Корреляция σ и W:				-0,165	Корреляция σ и W:				0,044

Таблица 3 – Корреляция прочности от температуры воздуха и ветра за 2021 г. по скорости 0,5 мм/с

№ п/п	Z, см	σ, МПа	Tнаруж,°C	W, м/с	№ п/п	Z, см	σ, МПа	Tнаруж,°C	W, м/с
2021 Скорость 0,5 мм/с
1 керн					2 керн
0	0,00	1,555	-6,24	3,4	0	0,00	1,635	-6,24	3,4
1	4,60	1,449	1,21	3,2	1	5,95	1,081	-8,80	5,8
2	6,75	2,163	-10,66	6,1	2	8,07	1,219	-12,84	6,8
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
23	52,70	1,598	-9,23	5,8	21	47,91	1,823	-5,86	6,5
24	61,50	1,288	-8,53	7,2	22	63,00	1,407	-8,10	6,3
Корреляция σ и Tнаруж:				0,235	Корреляция σ и Tнаруж:				0,173
Корреляция σ и W:				0,008	Корреляция σ и W:				-0,071

 

Заключение

В данном исследовании мы пытались выявить факторы, которые оказывают влияние на изменение прочности льда на изгиб.

Было выявлено, что прочность льда на изгиб довольно тесно зависит от толщины льда, но эта зависимость имеет переменчивый характер направленности, чего не должно быть.

Уменьшение температуры в керне влияет на прочность льда, но тесная обратная зависимость прочности от температуры была подтверждена лишь в половине случаев, что свидетельствует о наличии сторонних общих причинах, влияющих на эти показатели.

Можно заметить, что сильная обратная связь между прочностью и температурой наблюдается только при наличии тесной прямой зависимостью температуры от толщины льда и сильной обратной связи между прочностью и толщиной льда.

Зависимость прочности от внешних метеорологических факторов почти не выявилась.

Проведя анализ данных, мы получили определённые результаты, но их точность достаточно мала поскольку имелась небольшая выборка данных. Для более детального и точного анализа потребуется информация за больший промежуток времени, чтобы учесть хаотичную природу формирования ледяного покрова, и также вероятность ошибочной обработки метеорологических и изыскательных данных.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Богородский В.В. Лед: Физические свойства. Современные методы гляциологии / В.В. Богородский, В.Л.Гаврило. – Ленинград : Гидрометеоиздат, 1980. – 384 с.
2. Доронин Ю.П. Морской лед / Ю.П. Доронин, Д. Е. Хейсин. – Ленинград : Гидрометеоиздат, 1975. – 318 с.
3. Паундер Э. Физика льда / Пер. с англ. Г.Г. Шинкар; под ред. и с послесл. Б.А. Савельева. – Москва : Мир, 1967. – 189 с.
4. Савельев Б.А. Строение и состав природных льдов : учеб. пособие / Б.А. Савельев. – Москва : Изд-во МГУ, 1980.– 280 с.
5. Цуриков В.Л. Жидкая фаза в морских льдах / В.Л. Цуриков. – Москва : Наука, 1976. – 210 с.
6. Лавров В.В. Деформация и прочность льда / Под ред. д-ра геогр. наук Г.Н. Яковлева. – Ленинград : Гидрометеоиздат, 1969. – 206 с.
7. Смирнов В. Н. Методическое пособие по изучению физико-механических характеристик ледяных образований как исходных данных для расчета ледовых нагрузок на берега, дно и морские сооружения / В.Н. Смирнов, А.И. Шушлебин, С.М. Ковалев и др. – Санкт-Петербург : ГНЦ РФ ААНИИ, 2011. – 179 с.
8. СП 38.13330.2018 Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) – Введ. 2019-02-17. – Москва : Кодекс.
9. Вершинин С.А. Воздействие льда на сооружения Сахалинского шельфа / С.А. Вершинин, П.А. Трусков, К.В. Кузмичев. – Москва : Институт Гипростроймост, 2005. – 208 с.
10. Assur A. Composition of sea ice and its strength / A. Assur // Arctic Sea Ice. Natl. Acad. Sci., Nat. Res. Council USA Publ. – 1958. – № 598. P. 106–138.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bogorodskij V.V. Led: Fizicheskie svojstva. Sovremennye metody gljaciologii [Ice: Physical properties. Modern methods of glaciology] / V.V. Bogorodskij, V.L. Gavrilo. – Leningrad : Gidrometeoizdat, 1980. – 384 p. [in Russian]
2. Doronin J.P. Morskoj led [Sea ice] / J.P. Doronin, D.E. Hejsin. – Leningrad : Gidrometeoizdat, 1975. – 318 p. [in Russian]
3. Paunder J. Fizika l'da [Physics of ice] / translated by Shinkar G.G.; edited by Savel'eva B.A. – Moskow : Mir, 1967. – 189 p. [in Russian]
4. Savel'ev B.A. Stroenie i sostav prirodnyh l'dov [The structure and composition of natural ice] / B.A. Savel'ev. – Moscow : publishing house MGU, 1980. – 280 p. [in Russian]
5. Curikov V.L. Zhidkaja faza v morskih l'dah [Liquid phase in sea ice] / V.L. Curikov. – Moskow : Nauka, 1976. – 210 p. [in Russian]
6. Lavrov V.V. Deformacija i prochnost' l'da [Deformation and strength of ice] / edited by Jakovleva G.N. – Leningrad : Gidrometeoizdat, 1969. – 206 p. [in Russian]
7. Smirnov V.N. Metodicheskoe posobie po izucheniju fiziko-mehanicheskih harakteristik ledjanyh obrazovanij kak ishodnyh dannyh dlja rascheta ledovyh nagruzok na berega, dno i morskie sooruzhenija [Methodological manual for the study of the physical and mechanical characteristics of ice formations as initial data for calculating ice loads on the coast, bottom and offshore structures] / V.N. Smirnov, A.I. Shushlebin, S.M. Kovalev et al. ; edited by V.N. Smirnova. – Saint Petersburg : GNC RF AANII, 2011. – 179 p. [in Russian]
8. SP 38.13330.2018 Nagruzki i vozdejstvija na gidrotehnicheskie sooruzhenija (volnovye, ledovye i ot sudov) [Loads and impacts on hydraulic structures (wave, ice and ships)] – Introduced 2019.02.17. – Moscow : Kodeks. [in Russian]
9. Vershinin S.A. Vozdejstvie l'da na sooruzhenija Sahalinskogo shel'fa [The impact of ice on the structures of the Sakhalin shelf] / S.A. Vershinin, P.A. Truskov, K.V. Kuzmichev. – Moscow : Institut Giprostrojmost, 2005. – 208 p. [in Russian]
10. Assur A. Composition of sea ice and its strength / A. Assur // Arctic Sea Ice. Natl. Acad. Sci., Nat. Res. Council USA Publ. – 1958. – № 598. P. 106–138.