МОРСКАЯ ДОБЫЧА НЕФТИ

Опорный блок платформы

Опорный блок представляет собой несущую пространственную свайную конструкцию на протяжении от морского дна до опорной части палубы платформы. Он поддерживает и защищает от непогоды кондукторы, насосы, стояки, буровое и технологическое оборудования, блок-модули верхнего строения и др.

В качестве первоначального диаметра свай опорного блока можно взять сваи, равные диаметру опорных колонн палубы. Следует также иметь в виду, что максимальное уменьшение проецируемой поверхности трубчатых элементов в зоне высоких волн (у поверхности воды) сводит к минимуму волновые нагрузки на конструкцию платформы и повышает ее устойчивость.

При выборе диаметра опор необходимо также учитывать, что любой трубчатый элемент в сечении не всегда идеально круглый. Свая тоже может быть не совсем круглой и даже слегка изогнутой, поэтому опора платформы должна иметь достаточно большой внутренний диаметр с тем, чтобы обеспечить прохождение внутри нее такой сваи. При проектировании трубчатых поперечных связей, опор и других элементов конструкции платформы следует также учитывать ее плавучесть и гидростатическое давление столба морской воды.

В местах соединения трубчатых опор опорного блока и поперечных связей меньшего диаметра находятся соединительные узлы. Для обеспечения достаточной прочности опоры и предотвращения ее разрушения под действием сил со стороны поперечных связей толщину ее стенок в непосредственной близости от соединительного узла делают большей, чем на отрезке между соединительными узлами. Чем меньше диаметр опоры, тем тоньше будет стенка в ее утолщенном месте у соединительного узла. При предварительном определении толщины стенки опоры на утолщенном отрезке t можно воспользоваться эмпирическим уравнением:

Увеличение наклона опор существенно влияет на параметры платформы, при этом:

• уменьшаются осевые нагрузки на сваи;
• в осевой нагрузке на сваю в большей степени снимаются поперечные нагрузки на наголовник сваи (у морского дна);
• увеличивается проецируемая поверхность сваи в горизонтальной плоскости;
• возрастают волновые нагрузки на опорный блок;
• увеличивается масса опорного блока;
• секции свай могут быть меньшими по длине;
• увеличивается эффективность забивания свай.

По мере увеличения глубины моря наклон опорных свай делают круче. Выбор наиболее экономичного варианта представляет сложную задачу. Обычно для этого необходимо осуществлять предварительное проектирование на основе двух нагрузок или более, обусловливающих величину наклона, и затем сравнивать результаты. Выбор оптимального наклона обеспечивается поиском оптимального сочетания таких показателей, как несущая способность грунта, забиваемость сваи, качество стали, используемой для их изготовления и опорного блока; применение юбочных свай или отказ от них, стоимость изготовления и установки платформы.

Максимальные нагрузки на сваи определяют на основе общего анализа конструкции. Их представляют в виде максимальных реакций, возникающих в имитационных элементах основания. При известном распределении изгибающего момента по длине сваи можно определить толщину стенок ее различных секций. Их длину выбирают таким образом, чтобы соединение секций в производственных условиях осуществлялось рядом с точкой приложения максимального момента.

Опоры опорного блока соединяют между собой и неподвижно закрепляют с помощью трех видов поперечных связей: диагональных в вертикальной плоскости, горизонтальных и диагональных в горизонтальной. Плоскости последних располагают на расстоянии около 12 - 18 м друг от друга по вертикали. Небольшие промежутки (около 12 м) часто делают у поверхности воды, а с возрастанием глубины их увеличивают.

Система поперечных связей выполняет следующие функции:

• способствует передаче поперечных нагрузок на основание платформы;
• обеспечивает структурную целостность при строительстве и установке МСП;
• противодействует скручивающему движению системы "опорный блок - свая" после установки;
• поддерживает противокоррозионные аноды и кондукторы, передает создаваемые ими волновые нагрузки на основание.

Трубчатые поперечные связи представляют собой балки или колонны. В основном они подвергаются воздействию продольных нагрузок. Диаметр вышеупомянутых элементов следует выбирать таким образом, чтобы коэффициент гибкости, определяемый как отношение действительной длины L к радиусу r вращения, находился в диапазоне 60 - 90. Колебания коэффициента жесткости от 30 до 100 называют промежуточным диапазоном колонны. При L/r - 60÷90 прочность колонны зависит от тангенциального модуля материала и значения коэффициента действительной длины К, который изменяется в зависимости от условий закрепления конца колонны:

• К = 1 - оба конца закреплены с помощью штифтов;
• К = 0,5 - концы закреплены неподвижно;
• К = 0,7 - один конец закреплен неподвижно, другой с помощью штифта;
• К = 2 - один конец закреплен неподвижно, другой совершенно свободен.

Длинные колонны (L/r > 100) очень чувствительны к колебаниям нагрузок. Если же L/r находится в диапазоне 60 - 90, то критическое напряжение в колонне практически нечувствительно к изменению величины К. Часто при проектировании трубчатых поперечных связей для опорных блоков принимают К = 0,8÷85.

На практике при проектировании поперечных связей малого диаметра (до 460 мм) за исходную величину часто принимают толщину стенок стандартных труб. Если диаметр труб приближается к 760 мм, толщину стенок поперечных связей считают равной 12,7 мм. Если диаметр составляет 760 - 914 мм, в качестве исходной берут толщину стенок около 16 мм.

Если отношение диаметра трубы D к толщине стенок трубы t находится в диапазоне 15 - 20, то можно говорить о переходе от тонкостенных к толстостенным трубам. Последние редко используют в качестве поперечных связей. Когда D/t достигает 90, возникают проблемы, связанные с изгибанием труб. При больших значениях этого отношения возникает необходимость изучения проблемы, связанной с напряжениями, вызванными гидростатическим давлением воды, в которой расположена поперечная связь.

По мере увеличения длины поперечных связей опорного блока, когда отношение L/r находится приблизительно в пределах 90 - 100, применение конструкционных материалов с высоким пределом текучести становится неприемлемым.

В качестве трубчатых поперечных связей можно использовать элементы, для которых L/r находится в диапазоне от 30 до 60. Для заданной длины поперечных связей увеличение их диаметра ведет к уменьшению отношения L/r. Для увеличения прочности можно было бы рекомендовать применение трубчатых поперечных связей большего диаметра. Однако препятствием для этого является ограниченный диаметр предварительно выбираемых опор опорного блока, поскольку диаметры большинства поперечных связей составляют 70 - 80% диаметра опор. С другой стороны, волновая нагрузка на поперечную связь увеличивается с ростом ее диаметра. Следовательно, предпочтительней использовать поперечные связи небольшого диаметра (однако с большими значениями отношения L/r). Малая величина L/r означает, что при одной и той же продольной нагрузке на поперечную связь последняя должна иметь больший диаметр и меньшую толщину стенок, т.е. большее отношение D/t. Последнее увеличивает вероятности местного изгиба поперечной связи, а также возникновения проблем, связанных с гидростатическим давлением.