Стержневые стационарные платформы на свайном фундаменте

Обновлено: 11.05.2024

Морская стационарная платформа (МСП) – гидротехническое сооружение, предназначенное для установки на ней бурового, нефтепромыслового и вспомогательного оборудования, обеспечивающего бурение скважин, добычу нефти и газа, их сбор и подготовку, а также оборудования и систем для производства других работ, связанных с разработкой морских нефтяных и газовых месторождений (оборудование для закачки воды в пласт, капитального ремонта скважин, средства автоматизации по транспорту нефти, средства связи с береговыми объектами и т.п.).

При разработке морских месторождений в основном два главных факторов определяют направление работ в области проектирования и строительства гидротехнических объектов в море. Такими факторами являются ограничения, накладываемые условиями окружающей среды, и высокая стоимость морских операций. Эти факторы в основном обусловливают все решения в проектировании и конструировании МСП, выборе оборудования, способов строительства и организации работ в данной акватории моря. Таким образом, МСП являются индивидуальными конструкциями, предназначенными для конкретного района работ.

В последние годы, в связи с широким разворотом работ по освоению морских нефтяных месторождений в различных районах Мирового океана, предложен и осуществлен ряд новых типов и конструкции МСП. Эти типы и конструкции МСП различают по следующим признакам:

- способу опирания и крепления к морскому дну;

- по материалу и другим признакам.

По способу опирания и крепления к морскому дну МСП бывают: свайные, гравитационные, свайно-гравитационные, маятниковые и натяжные, а также плавающего типа.

По типу конструкции: сквозные, сплошные и комбинированные.

По материалу конструкции: металлические, железобетонные и комбинированные.

Сквозные конструкции выполняются решетчатыми. Элементы решетки занимают относительно небольшую площадь по сравнению с площадью граней пространственной фермы. Сплошные конструкции (например, бетонные) непроницаемы по всей площади внешнего контура сооружения.

Реализация и разработка большого количества проектов конструкций МСП затруднили их изучение и определение технико-экономических возможностей, и главное – определение направления развития проектирования и производства МСП.

Для облегчения работ в данном направлении отечественными и зарубежными специалистами предложены варианты классификации МСП.

Классификация морских нефтегазопромысловых сооружений. В качестве основных признаков классификации приняты: размещение оборудования (подводное, надводное, комбинированное), способ монтажа, характер деформации опор, тип конструкции, сопротивление внешним воздействиям, статическая и динамическая жесткости, характер крепления, материал, способ транспортировки и монтаж опорной части. На рис. 11.1 приведена классификация глубоководных МСП.

На первом уровне классификации проведено деление МСП на жесткие и упругие. Такое деление является объективными, так как оно отражает конструкцию платформы (размеры, конфигурацию) и указывает период собственных колебаний, который у жестких МСП составляет 4-6 с и у упругих превышает 20 с, а в отдельных случаях достигает 138 с.

На втором уровне классификации по способу обеспечения устойчивости МСП под воздействием внешних нагрузок жесткие конструкции классифицированы на гравитационные, свайные и гравитационно-свайные. В первом случае МСП не сдвигается относительно морского дна благодаря собственной массе и во втором - оно не смещается из-за крепления его сваями. Гравитационно-свайные МСП не сдвигаются благодаря собственной массе и системе свай.

Упругие конструкции по способу крепления разделены на башни с оттяжками, плавучие башни и гибкие башни.

Башни с оттяжками сохраняют свою устойчивость системой оттяжек, понтонов плавучести и противовесов. Плавучие башни подобны качающемуся маятнику, они возвращаются в состояние равновесия с помощью понтонов плавучести, расположенных в верхней части конструкции. Гибкие башни отклоняются от вертикали под действием волн,

Рисунок 11.1. Классификация глубоководных МСП

но при этом они, подобно сжатой пружине, стремятся возвратиться в состояние равновесия. Из-за небольшого количества проектов упругих сооружений авторы не считают целесообразным классифицировать их на третьем уровне.

Третий уровень классификации жестких МСП характеризует материал конструкции: бетон, сталь или бетон-сталь.

На этом уровне классификации имеется 10 групп конструкций, каждая из которых обозначается начальными буквами слов английского языка, например RGS – (жесткая гравитационная стальная), RGС (жесткая гравитационная бетонная) и т.д.

Среди строящихся МСП пока крупнейшей является башня «Баллуинкл». Она установлена в Мексиканском заливе на глубине 411 м. Общая масса платформы 78 тыс. т, размер фундамента 121´146 м, стоимость составила около 500 млн.$, МСП рассчитана на бурение и обслуживание 60 скважин. Ожидался максимальная суточная добыча нефти 7,95 тыс.м в 1991 г. и газа – 2,5 млн.м в 1992 г.

Строительство МСП состоит из трех этапов: изготовления, транспортировки и установки на место эксплуатации МСП. Развитие технологии изготовления, общестроительных, гидротехнических и транспортных работ требует разработки соответствующих технических средств: специальных верфей, сухих доков, грузоподъемных, монтажных и транспортных средств, сваебойного оборудования и др.

Широкое развитие модульное строительство в море получило в связи стем, что в морских условиях стоимость строительства нефтепромысловых объектов обходится в кратно раз дорже, а трудоемкость строительства и монтажа агрегатов непосредственно на месте работы платформы из-за большого объема строительно-монтажных работ, погодных условий и других факторов очень высока.

В зависимости от конструкции опорной части платформы транспортировка ее производится тремя способами:

- на барже платформ-моноблоков пирамидального типа;

- на плаву платформ башенного типа;

- на специальном понтоне.

Наиболее широко применяется первый способ транспортировки. Транспортировка платформы к месту установки сложная и ответственная операция, требующая тщательной подготовки и предварительного проектирования, а иногда и экспериментирования в бассейнах.

1.Что такая морская стационарная платформа?

2.Стационарные платформы, их основные типы и области применения

3.Строительство и транспортировка платформ

Тема 23-24. Надводная и подводная эксплуатация

Морские нефтегазовые промыслы (МНП): – технологические комплексы, предназначенные для добычи, сбора, нефти и газа и конденсата из морских месторождений углеводородов, а также для подготовки продукции и дальнейшей транспортировки.

Добыча осуществляется преиму-щественно фонтанным способом (в.т.ч. с ППД) с последующим переходом на газлифтную и др. механизированные способы добычи.

Технологические схемы МНП зависят от глубины, возможности появления и (толщины) ледовых образований, высоты волн, скорости ветра и др. природно-климатических условиях. Эксплуатация осуществляется главным образом на незамерзающих акваториях до глубины 300 м.

При глубинах 25-30 м располагаются МНП преимущественно на искусственных островах и дамбах (до 5-10 м) эстакадах и других свайных сооружениях.

Надводная эксплуатация–это комплекс мероприятий по извлечению и транспорту нефти и газа стационарных платформ, оснований и приэстакадных площадок. Эксплуатация осуществляется наклонными и горизонтальными скважинами большой протяженности при этом устье скважины, оборудовано, обычном надводным способом

На глубине 25-30 м применяют стационарные платформы состоящих из металлической или железобетонной опорный части и палубы, на которой размещается промысловые оборудование. До глубины 60-80 м главным образом используются однофункциональные платформы с добывающими скважинами или технологическим оборудованием (для сбора и подготовки продукции), энергетическими объектами, жилыми помещениями и др.

Глубина больше 80 м – как правило, является многофункциональными, причем каждая платформа может являться самостоятельным нефтегазопро-мыслом. Количество платформ определяется объектом дренирования и обычно бывает от 2-4.

Особенность шельфовой эксплуатации высокие затраты и недостаточность места для размещения оборудования. Эти ограничения привели к бурению горизонтальных скважин большой протяженности для увеличения площади дренирования нефтяного пласта.

Нефтяные компании уже разработали технологию направленного бурения для достижения максимального охвата с каждой скважины Статойл, например, пробурил за последнее 7 километровую скважину, расходящуюся на 5 км вокруг платформы Статфьюрд вглубь пласта, расположенного под морским дном на глубине 3500 м.

Первая скважина с подводным расположением устья была про­бурена в 1943 г. на оз. Эри (США) на глубине 11,5 м. С тех пор этим методом закончено около 300 скважин в различных морских месторождениях мира: в Мексиканском заливе, у Тихоокеанского побережья США, у побережья Юго-Восточной Азии, в Северном море и т. д. За 1976—1980 гг. число скважин с подводным распо­ложением устьявозросло с 217 до 283. В первой половине 1980г. намечалось оборудовать еще 66 скважин, для которых уже име­лось оборудование или оно было заказано.

Рисунок 12.1 Комплекс подводной эксплуатации скважин

Метод разработки морских нефтяных месторождений с подвод­ным расположением устьев скважины хотя и сложен, но обла­дает рядом преимуществ перед обычным способом надводного оборудования устьев.

Основным преимуществом этого метода является возможность ввода нефтяного месторождения в эксплуатацию очередями, что на практике ведет к ускоренному получению первой нефти. Про­бурить с бурового судна несколько скважин, оборудовать их устья соответствующей подводной арматурой и ввести в эксплуатацию можно значительно быстрее, чем устанавливать дорогостоящую стационарную платформу, бурить с нее наклонно-направленные скважины, и лишь после этого ввести месторождение в эксплуа­тацию. Кроме того, метод разработки месторождения с подвод­ным расположением устьев скважин дает возможность выявить некоторые геолого-физические характеристики месторождения и эксплуатационные параметры на более ранней стадии разработки.

Вследствие сравнительно низких капитальных затрат метод может быть применен для разработки месторождений с неболь­шими запасами нефти, эксплуатация которых с обычных стацио­нарных платформ является нерентабельной.

Преимуществом системы с подводным расположением устья является также защищенность всего оборудования, установлен­ного на дне, от внешних погодных условий. Известно, что надвод­ные стационарные платформы представляют значительную нави­гационную опасность, в то время как при установке оборудования под водой такая опасность практически отсутствует, устраняется также пожарная опасность.

Существенным недостатком систем с подводным расположе­нием устья является трудность доступа к устьевому оборудова­нию, особенно при расположении последнего на большой глубине и при необходимости частых ремонтов скважин. Кроме того, не­достатком считают необходимость использования труда опытных водолазов, умеющих работать на большой глубине.

Следует отметить, что ряд крупных зарубежных нефтяных фирм относится с известной осторожностью к методу разработки морских месторождений скважинами с подводным расположением устья, считая, что этот метод еще не вышел из опытной стадии или же что он применим только для отдельных изолированных сква­жин.

Под водой устьевое оборудование устанавливают на устьях отдельных вертикально пробуренных скважин или на устьях на­правленных скважин, пробуренных на ограниченной площади кустом.

Для управления устьевым оборудованием и манифольдными камерами применяются гидравлические или электрогидравличе­ские системы. Управление каждой задвижкой осуществляется ли­бо по отдельным линиям, идущим с обслуживающего судна, либо через единый распределительный блок.

Различают две системы подводной установки оборудования:

- с открытым расположением оборудования устья под водой;

- и с закры­тым оборудованием— «сухим» (атмосферным).

В системах открытого типа все устьевое оборудование нахо­дится под гидростатическим давлением, соответствующим глубине моря. В системах закрытого типа устьевое оборудование устанав­ливают в специальных погружных камерах, внутри которых со­храняется либо атмосферное, либо слегка повышенное давление. Системы с открытым расположением оборудования получили зна­чительно большее распространение, чем системы «сухого» типа. Монтаж, техническое обслуживание и ремонт оборудования от­крытых систем проводится манипуляторами или водолазами, а в закрытых системах — в атмосферных камерах, где опера­торы работают в обычной одежде. Арматура для установки на подводное устье скважины отличается от обычного как размерами, так и конструктивным решением.

Термином «стержневые стационарные» называются платформы, имеющие три основных блока (или части): свайный фундамент, стержневая несущая конструкция и верхняя часть, которая собственно и является платформой, т.е. площадкой, на которой размещается технологическое оборудование и помещения для обслуживающего персонала. Дадим краткое описание каждой части платформы.

Свайный фундамент представляет погруженные в грунт дна сваи в точках, на которых будут устанавливаться несущие стержни стержневой системы. Эти сваи (по одной или несколько в опорной точке) служат фундаментами для опорных стержней.

Стержневая система представляет конструкцию, состоящую из несущих вертикальных или наклонных стержней, усиленных поперечными связями, обеспечивающих необходимую жесткость конструкции в целом.

Верхняя, часть платформы представляет собой либо понтон, обладающий положительной плавучестью, либо ферменную или балочную конструкцию, имеющую настил, на котором размещается оборудование, производственные и жилые помещения.

Платформа на вертикальных сваях

Палуба 1 расположена на стержнях 2, которые будем называть несущими, которые, в свою очередь, установлены на свайные фундаменты 3. Стержни 2 (их условно тоже иногда называют сваями) могут иметь в поперечном сечении круглую или другую форму. Наиболее часто - это круглая форма. Для несущих стержней используются трубы, диаметр и толщина стенки которых назначаются по условию обеспечения необходимой несущей способности стержней.

Форма платформы, с вертикальными сваями, применяется в морях, на поверхности которых либо не образуется лед, либо образуется лед небольшой толщины, а глубины невелики (10- 20 м).

Платформа с вертикальными наклонными сваями

Для повышения уровня устойчивости платформы в целом может быть использована конструкция, с наклонными сваями. Основное отличие этой платформы, как видно из рисунка, заключается в наклонном расположении крайних несущих стержней. Тем самым достигается существенно большая жесткость конструкции всего сооружения; существенно меньшими будут поперечные перемещения верхней части (палубы) под воздействием ветра, волн и течений.

Стержневая стационарная платформа

Cтержневые стационарные платформы применяются и при больших глубинах. Стержневую несущую систему в этих случаях делают в форме усеченной пирамиды, имеющей в плане три, четыре и более несущих стержней. Все они подпираются и соединяются поперечными стержнями 3 и раскосами 4. Платформа, как и предыдущие, состоит из трех частей: верхней палуба 1, несущей стержневой системы 2 и свайных фундаментов под несущими стержнями 5. В результате образуется пространственная конструкция из несущих нагрузку стержней, а также поперечных и раскосных стержней. В практике строительства МНГС имеются примеры такого типа стационарных платформ при глубине моря до 400 м.

Следует отметить, что стержневые основания такого типа платформ называют часто сквозными или решетчатыми. Понятие «сквозное» означает, что вода при наличии волн и течений может проходить сквозь решетчатую конструкцию несущей части платформы. Для более надежного закрепления стационарной платформы в целом внутри основных несущих стержней в грунт забивают сваи удерживающие. После забивки в грунт на расчетную глубину эти сваи соединяются с несущими сваями. Отметим, что сваи, забиваемые в грунт внутри несущих стержней-опор, удерживают платформу не только от опрокидывания, но и от сдвига. Сваи из труб диаметром 1400 мм опускаются в грунт через отверстия в фундаментной плите, что обеспечивает точное размещение свай. На нижних концах свай имеется так называемый башмак, который после опускания сваи не дает возможности грунту проникать внутрь сваи.

Платформа с железобетонным фундаментом

Для повышения устойчивости стержневых конструкций платформ, что очень важно при больших глубинах моря, в основании стержневой конструкции устанавливается специальное железобетонное основание. На грунт устанавливается фундамент 1 в форме квадрата из монолитного железобетона. Фундамент изготавливается на стройплощадке в порту и доставляется буксирами к месту установки. Специально устраиваемые цилиндрические розетки 2 предназначены для установки в них несущих вертикальных стержней, изготовляемых, как правило, из труб. Эти трубы-стержни 3 показаны в виде линий с целью выделить фундаментную часть 1. Верхняя часть платформы, расположенная над поверхностью воды, используется для размещения бурового и другого технологического оборудования 4. Фундамент 1 может быть дополнительно закреплен сваями.

Объединение платформ при помощи эстакад

При освоении морских нефтегазовых месторождений в некоторых случаях в одном так называемом кусте размещаются две, три, а иногда и больщее количество платформ, объединяемых с помощью эстакад. Это позволяет обеспечить более оперативную работу обслуживающего персонала, а также повысить общую устойчивость каждой из платформ, т.е. иметь большую статическую определенность двух и даже трех объединенных платформ.

Прииведена схема двух платформ, объединенных переходным мостом. Верхнее строение 1 опирается на два стержневых блока 2, представляющих стержневые конструкции, опирающиеся на дно и закрепленные внутритрубными сваями. Расстояние между блоками 2 определяется из условий размещения на верхнем строении технологического оборудования и вспомогательных сооружений при условии обеспечения прочности ферм верхнего строения.

Стационарные платформы описанного вида применяются на морях, на которых не образуется ледовый покров. Это объясняется тем, что стержневые блоки даже с поперечными связями обладают слишком малым сопротивлением боковым нагрузкам от давления льда.

Конструкция стационарных платформ состоит из трех основных частей:

• верхних строений 5;
• опорного блока 6;
• фундамента 7.

Верхние строения можно подразделить на опорную палубу и блок-модули бурения, добычного комплекса, системы подготовки продукции скважин, поддержания пластового давления, размещенных на палубах. Опорный блок является наиболее важной частью платформы, поэтому при проектировании ему уделяется основное внимание.

Опорный блок состоит из трубчатых опор 4 большого диаметра, соединенных многочисленными трубчатыми элементами меньшего диаметра 2, называемыми поперечными связями. Между каждой парой опорных блоков устанавливают ферменные пролетные строения 3.

Сваи опорного блока вместе с опорами, как правило, изготовляют наклонными, что обеспечивает увеличение размера блока у основания и тем самым повышает его сопротивление опрокидывающему моменту. В поперечном направлении от платформы наклоны имеют только наружные опоры. При такой конструкции обе центральные опоры параллельны, что позволяет спускать их на полозьях на транспортную баржу с последующей доставкой опорного блока от места изготовления на точку установки.

Конструктивные параметры опорного блока и фундамента разрабатывают после определения геометрии верхних строений платформы и величины нагрузок на нее. Предварительные размеры верхних строений выбирают на основе имеющегося опыта. Для определения необходимого числа и размеров свай, а также установления потребности в юбочных сваях усиления проводят анализ грунтовых условий. Для выбора окончательного варианта конструкции опорного блока и основания необходимо повторять анализ параметров платформы с учетом реакции свай на горизонтальные и вертикальные нагрузки.

Существует несколько способов модификации опорного блока с учетом изменчивости глубин и грунтовых условий. Для этого применяют сваи и опоры, через которые они проходят, большего диаметра, чем промежуточные. В случае одинаковости размеров всех опор для усиления платформы можно предусмотреть юбочные сваи, разместив их между опорами. Можно также расположить кусты юбочных свай 1 вокруг угловых опор. Из-за наклона опор расстояние между ними на уровне морского дна больше, чем в верхней части опорного блока. Использование юбочных свай позволяет также повысить устойчивость конструкции. После разработки конструкции основания проводят анализ растягивающих нагрузок и определяют максимальную их величину на сваи.

Патрубки для юбочных свай включаются в конструкцию опорного блока, начиная со второго снизу уровня горизонтальных поперечных связей. Они отстоят от боковой плоскости опорного блока, с тем чтобы сваи могли проходить через направляющие параллельно этой плоскости. В глубоководных платформах юбочные группируют вокруг угловых свай большего диаметра. Это позволяет повысить сопротивление конструкции опрокидывающему моменту, возникающему из-за действия волн и ветра.

Верхние строения современных платформ обычно имеют три палубы:

• буровую (верхнюю) 5;
• эксплуатационную (среднюю) 4;
• нижнюю 3.

Нижняя палуба опирается на решетку 2, состоящую из балок, ферм и рядов колонн 1. Их нижние концы соединены со сваями, которые через опоры опорного блока (см. выше) уходят в морское дно.

Опорную конструкцию палубы (поз. 4, 5) обычно изготавливают из группы параллельных ферм с крестовыми поперечными связями. Верхние и нижние пояса ферм могут быть фланцевыми или трубчатыми, а их решетки обычно состоят из трубчатых элементов. Опорная конструкция палубы поддерживает размещаемые на ней блок-модули и верхние строения. Он может выступать за пределы площади, ограниченной периферийными опорами опорного блока во всех направлениях. Таким образом, размеры опорной конструкции палубы могут колебаться в зависимости от числа опор и функциональных требований к платформе. Иногда опорную конструкцию первоначально изготавливают без поперечных связей, с тем чтобы обеспечить проемы для спуска на салазках технологического оборудования. После чего поперечные связи приваривают по месту их расположения непосредственно в промысловых условиях.

Установку блок-модулей на опорной конструкции палубы осуществляют в соответствии с составленным в ходе предварительного проектирования планом. Блок-модули изготавливают на берегу. Здесь же они проходят испытания, а затем их перевозят на судах к месту установки. Положение межустановочных трубопроводов определяют таким образом, чтобы окончательные соединения блок-модулей в морских условиях можно было осуществить с помощью бортовых соединений двух фланцев или приваривания переводника. Участки палубы, не предназначенные для размещения блок-модулей, покрывают листовым железом, а устьевое пространство на верхнем и промежуточном уровнях - съемными листами. Промежуточная палуба обычно повторяет форму и размеры буровой. Размеры нижней палубы ограничиваются несущими опорными колоннами и ее заделывают стальной решеткой. Обычно пространство между нижней и промежуточной палубами имеет высоту 3 - 3,7 м, а между средней и буровой - 5,5 - 6,1 м.

Кондукторы и стояки не являются несущими элементами опорного блока платформы, тем не менее они необходимы для выполнения функциональных требований, предъявляемых к последней. В самом начале проектирования определяют число скважин, которые предстоит пробурить, например, 18, 24, 30 или более в соответствии с экономическим обоснованием проекта разработки месторождения. Скважины бурят через кондукторы, которые располагают таким образом, чтобы над ними можно было установить вышку, перемещаемую по палубе бурового портала. Кондукторы представляют собой элемент конструкции ствола скважины - вертикальные обсадные трубы диаметром примерно 0,76 - 0,91 м, которые через направляющие кольца забивают в грунт на глубину около 60 м для последующего в них бурения.

Стояки - вертикальная часть трубопроводных коммуникаций, расположенных внутри опорного блока, предназначены для подачи морской воды на палубы, подсоединения выходных и магистральных нефте- и газопроводов, идущих от одной платформы к другой или на берег, и осуществления других технологических процессов. Их диаметры могут изменяться от 0,36 м до диаметров кондукторов. Число стояков даже небольшой автономной буровой определяют в зависимости от числа скважин и технологических функций платформы (эксплуатационная, технологическая и др.).

Большая часть платформ имеет две двухуровневые причальные посадочные площадки: по одной на каждой стороне одорного блока между колоннами. Доступ к различным палубам осуществляется с помощью маршевых лестниц и лифтов, число которых должно быть достаточным для обеспечения бесперебойной работы.

Каждую опору опорного блока снабжают демпфирующим причальным устройством. Они тянутся по вертикали на значительную глубину с тем, чтобы сделать возможным причаливание судов, погрузку и разгрузку оборудования и материалов в различных погодных условиях.

На платформе необходимо иметь как минимум один стационарный кран, обычно его грузоподъемность составляет 80 т, а вынос стрелы за пределы палубы - 7 - 8 м.

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.

Юбочные сваи

Юбочные сваи либо добавляют (забивают) в промежутках между сваями, проходящими через опоры опорного блока, либо группируют вокруг опор и забивают через направляющие патрубки, расположенные вокруг угловых опор и заключенные в металлические цилиндры. Последние при этом крепят к опорам платформы.

Юбочные сваи применяют в том случае, когда необходимо повысить способность конструкции противостоять опрокидывающему моменту. Иногда их используют, если невозможно обеспечить заданную глубину погружения сваи в грунт с аномальными свойствами, и тем самым облегчают процесс забивания.

Устойчивость юбочных свай достигается за счет обетонирования пространства между сваей и внутренней поверхностью патрубка. Для обеспечения необходимой прочности связи сваи с патрубком последний должен быть достаточно длинным. Для штормовых условий с периодичностью в 100 лет эту величину можно сделать большей на 1/3. Сцепление между юбочной сваей и патрубком повышается за счет приваривания колец к внутренней поверхности патрубка и наружной поверхности секции свай, проходящей через верхушку патрубка.

Верхнее строение платформы

Верхнее строение современной глубоководной морской стационарной платформы состоит из комплекта основных блок-модулей, предназначенных для:

В тех случаях, когда необходимо обеспечить прочность и устойчивость стационарной платформы, подвергающейся силовому воздействию, например, льда в условиях мелководья, вместо стационарных платформ гравитационного типа в форме массивного монолита или насыпного острова применяют платформы на колоннах.

Под понимается вертикальная одиночная опорная стойка цилиндрической или иной формы поперечного сечения, наиболее характерный размер которого сопоставим с высотой колонны (например, диаметр колонны 2 м, а высота 15 м).

Характерным называется наибольший размер сечения, например, диаметр (в случае цилиндрической его формы) или диагональ (в случае квадрата или прямоугольника).

Мелководная платформа с опиранием колонн на отдельные фундаменты. Колонны цилиндрического сечения опираются на собственный фундамент каждая. Применение отдельных под каждую колонну фундаментов позволяет устанавливать стационарную платформу на слабом грунте, на неровном дне, например, на подводном косогоре. В этом случае опоры располагаются на различных глубинах, а колонны, соответственно, имеют различные длины (или высоты).

Площадь поперечного сечения колонн и их число определяется из условия прочности и устойчивости каждой из колонн и в целом платформы на все нагрузки от верхнего строения, ветра, волн, течений и льда.

Мелководная платформа с опиранием на общий фундамент. Основным отличием этой формы платформы является применение в качестве фундамента платформы сплошной железобетонной (или металлической емкости, заполненной бетоном) плиты. Такая форма требует выравнивания дна, чтобы фундамент находился в горизонтальном положении.

Мелководная платформа с опиранием колонн на свайные фундаменты. Верхнее строение 1 платформы располагается на колоннах 2, но сами колонны опираются на свайный фундамент 3, удерживаемый под каждой колонной. Сваи забиваются в грунт на расчетную глубину, либо непосредственно через внутреннее пространство колонны, либо колонну устанавливают на заранее подготовленный фундамент. Выравнивание дна в месте установки МСП не требуется. Это обстоятельство существенно упрощает строительные работы по сравнению с вариантом обустройства общего фундамента.

В качестве материала для изготовления колонн используется железобетон. Колонны изготавливают в порту или на специальной береговой базе, доставляют на плавсредствах к месту установки и устанавливают на фундаменты. Часто используют для устройства колонн металлические оболочки, которые заполняют бетоном после их установки на место. Этот метод очень удобен для варианта опирания колонн на свайные фундаменты, так как позволяет забивать сваи через внутренние пространства оболочки (диаметр ее может достигать нескольких метров).

Глубоководные платформы

называют стационарную платформу, устанавливаемую на нескольких колоннах, характерный размер сечения которых значительно (в несколько десятков раз) меньше высоты колонны. Такая платформа, как и мелководная, включает три основных блока:

• верхнее строение;
• колонны;
• фундамент под колонны.

Платформа состоит из трех частей: верхнего блока (палубы) 1, колонн 2, опорных блоков (или плит) 3. Если дно в месте установки платформы горизонтальное, то плиты 3 размещают на одном уровне а-а если дно имеет уклон, например, как показано на рисунке б-б, то колонны могут иметь различную длину и опираться на опорные плиты, расположенные на различных уровнях (показаны пунктиром).

Для повышения жесткости всей системы колонн с целью увеличения ее сопротивляемости горизонтальным силовым воздействиям, колонны могут иметь различное наклонение на отдельных участках. На рисунке показана платформа, нижняя часть которой имеет форму усеченной пирамиды 3 из четырех колонн. Средняя часть - колонны расположены вертикально и на них установлены верхние строения 1. Сама платформа опирается на фундаментные плиты 4. Для каждой из колонн устанавливается отдельная плита; поэтому длина каждой из колонн может быть различной в зависимости от рельефа дна. Верхняя часть колонны 2 устанавливается вертикально.

Платформа мачтового типа

Мачтовой называют платформу, которая представляет конструкцию в виде одной стойки (или колонны), на верху которой закрепляется верхнее строение, низ стойки опирается на фундамент, а вся конструкция удерживается от опрокидывания с помощью оттяжек, закрепляемых на дне моря в количестве и местах, определяемых расчетом.

Мачтовая стационарная платформа состоит из 3-х основных частей:

• 1 - верхнее строение;
• 2 - мачта (стойка);
• 5 - фундамент.

Монопод

Морская стационарная платформа (МСП) «монопод» представляет сооружение башенного типа: центральная опорная конструкция («моно» - одна), опирающаяся на дно через конусообразное основание.

Отличие МСП «монопод» от платформ мачтового типа, в основном, определяется гравитационным характером, что позволяет ей не только сохранять вертикальное положение под действием собственного веса, но и выдерживать горизонтальное давление льда, течения и ветра.

Платформа с растянуто-сжатой стержневой колонной

Колонна состоит из четырех блоков, каждый из которых выполняет самостоятельные функции. Все сооружение размещается на фундаменте (основании) 4, опирающимся на свайный фундамент, работающем как на силу, направленную вниз, так и на силу, направленную вверх. Как видно из рисунка, высота только фундаментного блока (без свай) составляет 40 м. На поверхности фундамента установлена решетчатая колонна 3 высотой 300 м (она может быть меньшей или большей в зависимости от глубины моря).

На эту колонну устанавливаются емкости (понтоны 2), обладающие плавучестью, которая создает в блоке 3 растягивающее усилие в вертикальных стержнях и, кроме того, удерживает решетчатую конструкцию 1 с размещающейся на ней палубой, на которой устанавливается необходимое технологическое оборудование. Таким образом, но высоте колонны от нулевой отметки до верха палубы действуют различные вертикальные силы: нулевые, растягивающие и сжимающие.

Сооружение в целом обладает хорошей вертикальной определенностью (устойчивостью) даже в условиях шторма, так как решетчатая форма позволяет избежать больших горизонтальных воздействий течения, ветра и волн, а глубокое расположение понтонов (до 80 м) практически исключает воздействие на них волн и поверхностных течений.

Рассматриваемая конструкция платформы позволяет сравнительно просто обеспечить ее установку. При этом глубина моря в месте установки может достигать 800-1000 м.

Использование в платформе принципа растянуто-сжатого стержня (весьма сложной формы) существенно снижает расход материалов на изготовление стержня-колонны. Это, в свою очередь, упрощает работы по ее доставке и установке на месте работ.

Стационарные платформы, у которых верхнее строение монтируется на пространственной стержневой (ферменной) конструкции, относятся к платформами сквозного типа с решетчатым (ферменным) основанием. Платформы сквозного типа имеют массу, недостаточную для надежного сцепления с грунтом и закрепляются на специальном свайном основании.

МСП этого типа бывают различных конструкций, как по конфигурации сооружения, так и сочетанию применяемых материалов.

Стержневая система опорного основания платформы представляет конструкцию, состоящую из несущих вертикальных или наклонных стержней, усиленных по­перечными связями, обеспечивающих необходимую жесткость конструкции в целом.

Верхняя часть платформы представляет собой либо понтон, обладающий положительной плавучестью, либо ферменную или балочную конструкцию, имеющую настил, на котором размеща­ется оборудование, производственные и жилые помещения.

По количеству опорных блоков разделяют платформы с несколькими опорными блоками и моноблочные (рис. 2.31 и 2.32).

Рис. 2.31. Платформа эстакадного типа: а — с несколькими опорными блоками; б — моноблочная

Опорные блоки изготавливаются в заводских условиях либо целиком, либо ярусами. Основными элементами блоков являются стальные трубы диаметром 1,2—10 м со стенками толщиной 15—50 мм. Трубы большого диаметра, используемые, как правило, для угловых стоек, подкрепляются внутри поперечными диафрагмами с вырезами и продольным набором.

Сваи для крепления донной части опорных блоков представляют гобой трубы диаметром 0,92—2,13 м с толщиной стенки 38—64 мм. Глубина забивки свай в грунт — до 170 м.

Платформы эстакадного типа, располагающиеся рядом, могут образовывать целый комплекс, включающий добычу, предварительную обработку нефти и сжижение газа, хранение углеводородного продукта, терминал для транспортных гудов и жилые модули (рис. 2.33).

В проекте «Хайлант» центральная ферма-опора укреплена тремя боковыми наклонными фермами. Сечение всех ферм тре­угольное. Каждый силовой элемент изготовляется отдельным бло­ком. Масса центральной фермы 10 тыс. т, опор —4,5—5 тыс. т. На палубе предусматривается установка технологического обо­рудования массой 24 тыс. т и 16 направляющих колонн диамет­ром 712 мм. Масса основных конструкций 31 тыс. т, свай — 20 тыс. т. Расстояние от основной центральной фермы до основания опор 110м.

Опоры крепятся к центральной ферме на глубине от 40 до 79 м ниже уровня моря. Конструкции могут применяться на глу­бинах моря: первая — от 150 до 460 м и вторая — от 200 до 400 м.

Гибкие башни (мачтовые МСП)

Обычно при проектировании МСП статическую прочность конструкции рассчитывают на действие максимальных нагрузок, повторяющихся один раз в 100 лет, и производят поверочный расчет на динамические и циклические нагрузки.

Гибкой башней называют относи­тельно тонкую стальную пространственную ферму из стержней с довольно равномерным по высоте расстоянием между горизон­тальными поясами.

К классу упругих башен относят находящуюся в эксплуата­ции в Мексиканском заливе на глубине 305 м МСП «Лена».

Exxon's Mississippi Canyon 280-A Platform (Lena Guyed Tower). 1,000-feet of water offshore Louisiana . Deep-water guyed tower concept

Конструкция ее представляет собой ферму квадратного сечения со стороной квадрата 36,6 36,6 м, высотой 320 м и массой 21 тыс. т. В верхней части фермы имеется 16 опор диаметром 1220 мм, на которых установлено верхнее строение. Нижняя часть башни имеет 12 таких опор. В пределах верхней половины башни размещены 12 понтонов диаметром 6,1 м, длиной 36,6 м, обеспечивающие 9100 т плавучести. Понтоны стабилизируют платформу, уменьшают давление на фундамент, значительно об­легчают монтаж платформы и оттяжек.

Рис. 24-Схема распределения нагрузок между основными элементами конструкции упругих башен

Используя опыт эксплуатации МСП «Лена», фирма «Эксон» изучила шесть проектов глубоководных МСП, разработанных специалистами фирмы. Нагрузки от окружающей среды и гра­витационные, действующие на МСП «Лена», распределяются на сваи, оттяжки, инерционность конструкции и понтоны. Перерас­пределяя эти нагрузки на перечисленные узлы конструкции, можно достичь оптимального варианта решения конструкции. Например, вес палубы можно передать на сваи или компенси­ровать подъемной силой понтонов. Понтоны, кроме этого, ком­пенсирую горизонтальные силы, обеспечивая устойчивость платформы, уменьшают или полностью снимают нагрузки на оттяжки. Инерция основания увеличивает период боковых колебаний, снижает их амплитуду и соответственно снижает динамические на­грузки на оттяжки и сваи.

Разница в вариантах проектов упругих башен заключается в способах, которыми достигается заданный период колебаний, и оп­ределяется волновыми нагрузками, их воздействие перераспреде­лялось между основными элементами конструкции (рис. 25).

Гибкая башня рассматривалась как вариант обычной свайной ферменной конструкции, у которой основание закреплено, а жест­кость фермы уменьшена настолько, чтобы достигался большой пе­риод основных колебаний гибкого стержня.

Рис. 25-Схемы упругих платформ: 1 — башня с оттяжками; 2 — плавучая башня; 3 — башня с оттяжками и жестким основанием; 4 — гибкая башня; 5 — упругая свайная башня; 6 — упругая свайная башня с жестким основанием

Период вторичных ко­лебаний должен быть небольшим, чтобы обеспечить стойкость к усталостным разрушениям. Под периодом основных колебаний гибкого стержня понимается период поперечных колебаний, а под периодом вторичных колебаний гибкого стержня — период изгибных колебаний.

Рис. 26-Крепление свай к опорам платформы: 1 — свая, приваренная к направляющей втулке; 2 — свая свободно проходит через направляющую втулку; 3 — узел крепления направляющей втулки к главной опоре; 4 — нижняя удлиненная направляю­щая втулка

Период поперечных ко­лебаний задавался 25 с. Максимальный период изгибных колеба­ний выбирался около 7 с. При этом обеспечивалась стойкость к усталостному разрушению в условиях Мексиканского залива.

Гибкая башня платформы РВР (рис.27) общей высотой 372 м, прямоугольного сечения 58 44 м состоит из 20-ти опор переменного сечения 9 от 2012 мм в нижней части до 1524 мм в верхней части. Фундамент башни поднят над морским дном на 3 м. Башня состоит из двух секций. Верхняя секция длиной 155 м имеет 10 понтонов 6 размерами 14,6 80 м, и нижняя секция длиной 217 м имеет 6 понтонов размерами 14,6 20 м. Верхние понтоны расположены на 30 м ниже уровня моря. Они предотвращают колебания башни с периодом более 6 с

Рис. 27-Схема платформы РВР: 1 — палуба массой 30 тыс. т; 2 — крепление осевых свай на отметке + 10 м; 3 — сочленение верхней и нижней секций (плоскость сочленения): 4 — балластные камеры; 5 — нижние понтоны; 6 — верх­ние понтоны; 7 — 26 периферийных свай, воспринимающих горизонтальную нагрузку и работающих на срез; 8 — семь осевых свай; 9 — 20 опор переменного сечения

Десять балластных камер (понтонов) 4 размерами 14,6 20 снижают плавучесть всей платформы до нейтральной. Семь осевых свай 8 диаметром 1220 мм заглуб­лены на 110 м и возвышаются над морским дном на 360 м. Они привариваются к опорам башни на расстоянии 10 м от уровня моря 2. Количество и диаметр осевых свай выбраны из расчета обеспечения требуемой осевой жесткости, существенно снижа­ют период вертикальных колебаний, но не должны иметь зна­чительной жесткости при кручении. 26 периферийных свай диаметром 2134 мм воспринимают гори­зонтальные нагрузки и работают на срез. Они заглублены в мор­ское дно на 50 м. Расчетный период собственных колебаний башни по оси х составляет 65,2 с и по оси у — 52,2 с, что значительно боль­ше возможного периода волн. Первый период изгибных колебаний по обеим осям менее 4 с, что указывает на невозможность динами­ческой раскачки, так как волны с периодом менее 6 с большую на­грузку не создают.

При максимальной штормовой нагрузке высота волн достигает 30 м, период волн 15 с, скорость течения меняется от 1,2 до 0,6 м/с у дна, скорость ветра на палубе 40 м/с. При минимальных скоростях ветра и течения башня отклоняет­ся от вертикали на 1,12° и при волнении — на 2,52° (это такие же отклонения, что и у башни «Лена»).

Максимальные перемещения фундамента башни 680 мм. С уче­том этого для изготовления башни рекомендуется использовать сталь с пределом текучести 346 МПа. На уровне дна в сва­ях возникают более высокие на­пряжения, и для свай рекомен­дуется сталь с пределом теку­чести 438 МПа. Секции башни транспортируются на место установки и собираются в го­ризонтальном положении.

Читайте также:

  
• Замена пластика в балконной двери
  
• Как снять дверь tiburon
  
• Ремонт коллектора теплого пола
  
• Фахверк крепления стеновых панелей
  
• Ремонт окон и дверей