устройство для защиты опор морских инженерных сооружений от переменных нагрузок внешнего ледового воздействия

Формула изобретения

1. Устройство для защиты опор морских инженерных сооружений от переменных нагрузок внешнего ледового воздействия, включающее защитный блок в виде бандажной конструкции, охватывающей опору морского инженерного сооружения, отличающееся тем, что защитный блок установлен на грунте водоема, закреплен на нем, а по отношению к опоре морского инженерного сооружения он расположен с зазором между его стенкой и опорой морского инженерного сооружения, исключающим соприкосновение защитного блока с опорой морского инженерного сооружения, величина которого составляет не менее значения, определяемого по соотношению

где F - суммарная горизонтальная составляющая внешних сил, действующих на защитный блок со стороны льда, зависящая от геометрических параметров и формы защитного блока и параметров льда, [Н];

q - коэффициент жесткости самого защитного блока, характеризующий его упругие деформации под воздействием приложенных внешних динамических нагрузок, [Н/м];

q₁ и q ₁ - коэффициенты жесткости крепления защитного блока к грунту, характеризующие соответственно его горизонтальное смещение, [Н/м], и угол отклонения защитного блока от вертикали, [Н·м/рад], под воздействием приложенных внешних динамических нагрузок;

t - отстояние по вертикали от поверхности грунта водоема точки, для которой определяется величина зазора, [м],

- поправка на горизонтальное смещение опоры морского инженерного сооружения, обусловленное внешними динамическими воздействиями неледовой природы, [м].

2. Устройство для защиты опор морских инженерных сооружений от переменных нагрузок внешнего ледового воздействия по п.1, отличающееся тем, что в нем предусмотрена возможность подогрева жидкости, находящейся в пространстве, образованном зазором между опорой морского инженерного сооружения и стенкой защитного блока, например, путем сообщения указанного пространства с источником тепла или размещения в нем обогревателя.

3. Устройство для защиты опор морских инженерных сооружений от переменных нагрузок внешнего ледового воздействия по п.1, отличающееся тем, что пространство, образованное зазором между опорой морского инженерного сооружения и стенкой защитного блока, освобождено от воды и изолировано от внешней среды в верхней и нижней частях защитного блока при помощи гибкого ограждения.

4. Устройство для защиты опор морских инженерных сооружений от переменных нагрузок внешнего ледового воздействия по п.3, отличающееся тем, что пространство, образованное зазором между опорой морского инженерного сооружения и стенкой защитного блока, заполнено жидкостью, имеющей низкую температуру замерзания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области добычи и разведки полезных ископаемых на континентальном шельфе замерзающих морей и касается вопроса защиты буровых платформ от действия внешних ледовых нагрузок.

Наиболее распространенными конструктивными устройствами для защиты гидротехнических сооружений (морских платформ) от ледового воздействия являются противоледовые защитные устройства типа бандажей (манжет, поясов и т.п.), монтируемых на опорном стволе или на колоннах платформ в зоне воздействия льда (см. П.П.Кульмач. Морские сооружения для освоения полярного шельфа. Санкт-Петербург - Москва. 26 ЦНИИ МО РФ. 1999). Бандажное устройство обычно представляет собой стальной манжет с круговой или многогранной формой в плане и с вертикальными (в том числе цилиндрическими) или наклонными (в том числе коническими) боковыми поверхностями для разрушения льда. Одним из известных устройств по активной защите опор морского инженерного сооружения от внешнего ледового воздействия является предложенный норвежскими специалистами поворотный ледокольный бандаж (см. указанный источник, стр.60), принятый за прототип. Последний шарнирно закрепляется внизу к опорному кольцу на колонне и может совершать поворотные движения. Корпус бандажа в ледорезной части выполнен в форме конуса, разрушающего лед изгибом вниз. Бандаж может снабжаться разрушающими лед устройствами, так, например, ледорезными фрезами, а также для этой цели подачей под лед горячего газа или жидкости и т.д. Внутренний объем бандажа разделяется на водонепроницаемые балластные отсеки, заполняемые подогретой водой (подогрев для исключения смерзания). Применение описанного бандажа позволяет защитить опору морского инженерного сооружения только от истирающего действия льда путем устранения непосредственного контакта опоры сооружения с неразрушенным ледяным покровом. Придание бандажу конической формы способствует снижению уровня глобальных ледовых нагрузок, действующих на опору морского инженерного сооружения.

Основным недостатком известного защитного устройства является то, что ледовые нагрузки, воспринимаемые бандажом, хотя и могут быть снижены путем придания ему ледокольной формы или путем применения специальных разрушающих лед устройств, практически без изменения передаются на опору морского инженерного сооружения и, следовательно, на само сооружение. Между тем известно, что нагрузки на инженерные морские сооружения от дрейфующего льда носят переменный характер с широким спектром амплитудно-частотных характеристик, зависящих от физико-механических параметров льда, а также от формы и размеров самих сооружений в районе ватерлинии. Переменный характер внешней ледовой нагрузки служит источником вибрации морского сооружения, что ухудшает условия обитания на инженерном сооружении и может привести к снижению усталостной прочности отдельных узлов крепления и элементов сооружения, в том числе его фундамента. Одной из важнейших практических задач, которые необходимо решать в настоящее время при проектировании морских инженерных сооружений (в том числе, буровых ледостойких платформ), является устранение или снижение уровня вибрации этих сооружений, индуцированной воздействием внешних сил, в частности ледовым воздействием.

Задачей предлагаемого изобретения является защита морского инженерного сооружения от переменных нагрузок внешнего ледового воздействия путем изоляции опор сооружения от контакта с ледяным полем.

Для этого в известном устройстве для защиты опор морских инженерных сооружений от переменных нагрузок внешнего ледового воздействия, включающем защитный блок в виде бандажной конструкции, охватывающей опору морского инженерного сооружения, защитный блок установлен на грунте водоема, закреплен на нем, а по отношению к опоре морского инженерного сооружения он расположен с зазором между его стенкой и опорой морского инженерного сооружения, исключающим соприкосновение защитного блока с опорой морского инженерного сооружения, величина которого составляет не менее значения, определяемого по соотношению

где F - суммарная горизонтальная составляющая внешних сил, действующих на

защитный блок со стороны льда, зависящая от геометрических параметров и формы защитного блока и параметров льда, [Н]; q - коэффициент жесткости самого защитного блока, характеризующий его упругие деформации под воздействием приложенных внешних динамических нагрузок, [Н/м]; q₁ и q₂ - коэффициенты жесткости крепления защитного блока к грунту, характеризующие соответственно его горизонтальное смещение, [Н/м], и угол отклонения защитного блока от вертикали, [Н·м/рад], под воздействием приложенных внешних динамических нагрузок; t - отстояние по вертикали от поверхности грунта водоема точки, для которой определяется величина зазора, [м]; - поправка на горизонтальное смещение опоры морского инженерного сооружения, обусловленное внешними динамическими воздействиями неледовой природы, [м].

Установка защитного блока на грунте водоема и его крепление к грунту приводит к тому, что воспринимаемые защитным блоком нагрузки от внешнего ледового воздействия передаются на грунт, а не на опору морского инженерного сооружения.

Наличие зазора между стенкой защитного блока и опорой морского инженерного сооружения, определяемое по приведенному соотношению, позволяет избежать контакта опоры и защитного блока при эксплуатации инженерного сооружения в ледовых условиях, когда возможны некоторые горизонтальные смещения защитного блока под воздействием дрейфующего ледяного покрова и опоры инженерного сооружения под воздействием внешних сил неледовой природы.

Кроме того, обеспечение возможности подогрева жидкости (морской воды), находящейся в пространстве, образованном зазором между опорой морского инженерного сооружения и стенкой защитного блока, например, путем сообщения указанного пространства с источником тепла или размещения в нем обогревателя позволяет исключить ее замерзание.

Кроме того, удаление жидкости из пространства, образованного зазором между опорой морского инженерного сооружения и стенкой защитного блока, позволяет избежать образования жестких связей между защитным блоком и опорой, обусловленных замерзанием жидкости. Изоляция верхней и нижней части защитного блока от внешней среды при помощи гибкого ограждения исключает попадание в указанное пространство осадков и грунтовых вод.

Кроме того, удаление из указанного пространства морской воды и заполнение его жидкостью с низкой температурой замерзания также позволяет избежать образования жестких связей между защитным блоком и опорой, обусловленных замерзанием жидкости.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведен разрез опорного блока морского инженерного сооружения.

Опора 1 морского инженерного сооружения охвачена защитным блоком 2, который установлен на грунте водоема 3 и прикреплен к нему (схема крепления не показана). Между стенкой защитного блока и опорой морского инженерного сооружения имеется зазор 4. Пространство, образованное указанным зазором 4, изолировано от внешней среды гибким ограждением 5, размещенным в верхней и нижней частях защитного блока 2. Ледорезная часть защитного блока 6 представляет собой зону непосредственного контакта защитной конструкции со льдом 7.

При дрейфе ледяного покрова водоема на защитный блок 2 начинают действовать внешние силы со стороны льда 7. Придание ледорезной части 6 защитного блока 2 различной формы (цилиндрической, конической, многогранной и т.п.) влияет на уровень ледовых нагрузок, воспринимаемых защитным блоком. Переменный характер этих нагрузок приводит к появлению колебаний защитного блока, сопровождаемых его горизонтальными смещениями, величина которых определяется жесткостью самого защитного блока и жесткостью его крепления к грунту 3. Но поскольку имеется зазор 4 между стенкой защитного блока 2 и опорой 1 морского инженерного сооружения, исключающий их касание под воздействием внешних динамических нагрузок, то воспринимаемые защитным блоком 2 переменные ледовые нагрузки не передаются опоре 1 морского инженерного сооружения, и, следовательно, устраняется возможность появления вибрации сооружения.