морская ледостойкая платформа

Формула изобретения

Морская ледостойкая платформа, содержащая верхнее строение, соединенное с опорным основанием посредством опорных колонн, на которых смонтировано противоледовое ограждение в виде наклонной наделки, отличающаяся тем, что упомянутая наклонная наделка расположена по периметру платформы в зоне действия ледовых нагрузок и выполнена замкнутой по периметру платформы и охватывающей опорные колонны по их наружному контуру, причем в верхней части упомянутой наделки смонтирован дополнительный ледозащитный наклонный пояс, при этом упомянутый пояс ориентирован противоположно наклонной ледовой наделке и расположен под углом не менее 8° к вертикали, а соотношение высоты упомянутого дополнительного наклонного пояса к высоте наклонной наделки составляет не менее 0,08.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидротехнических сооружений, а более конкретно к морским ледостойким платформам для освоения преимущественно мелководного континентального шельфа. Оно может быть использовано в конструкциях морских ледостойких платформ как непосредственно устанавливаемых на грунте, так и закрепляемых к нему посредством якорных связей.

Известна морская ледостойкая платформа, содержащая верхнее строение, опорную колонну, опорное основание кессонного типа и противоледовое ограждение, смонтированное на опорной колонне в зоне действия ледовой нагрузки (см. патент США №6371695, МПК⁷ Е02В 17/02, 1998).

Согласно указанному известному изобретению противоледовое ограждение выполнено в виде конической кольцевой наделки, которая имеет внешние наклонные поверхности, противостоящие движущейся массе льда. Когда движущийся лед наталкивается на какую-либо из этих наклонных поверхностей, он отклоняется вверх или вниз, что ведет к разрушению льда на более мелкие куски, вследствие появления в нем напряжений изгиба.

Недостатком указанной известной конструкции является ограниченность сферы ее применения, так как при установке на мелководье при необходимости наличия у платформы достаточно развитого верхнего строения необходимо проектирование массивного кессонного основания и соответствующей опорной колонны.

Известна также морская ледостойкая платформа, содержащая верхнее строение, соединенное с опорным основанием, выполненным в виде понтонов, посредством опорных колонн, по бортам которых смонтировано противоледовое ограждение, выполненное в виде наделок со встречно ориентированными наклонными поверхностями (см. патент США №3872814, МПК⁷ В63В 35/10, 1973).

Недостатком указанной известной конструкции платформы является ее значительная металлоемкость вследствие наличия массивных сплошных опорных колонн, расположенных почти по всей длине понтона, а также наличия носовых и кормовых ледоразрушающих обводов корпусов колонн, расположенных на уровне бортовых противоледовых наделок в зоне действия ледовых нагрузок.

Кроме того, наличие упомянутых ледоразрушающих обводов корпусов опорных колонн, противоледового ограждения в виде бортовых наделок и противоледового ограждения стояка недостаточно эффективно при возникновении ледовых нагрузок, действующих в направлении межкорпусного пространства, и не предотвращает возможности забивания этого пространства льдом.

Известна морская ледостойкая платформа, содержащая верхнее строение, соединенное с опорным основанием посредством опорных колонн, на которых смонтировано противоледовое ограждение в виде наклонной наделки (см. ледостойкую платформу со свайным фундаментом фирмы «Джон Браун» - Р.И.Вяхирев, Б.А.Никитин, Д.А.Мирзоев «Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений», М., Издательство Академии горных наук, 1999, с.217 - прототип). Опорный блок указанной известной платформы состоит из четырех вертикальных цилиндрических колонн, соединенных в нижней части стержневыми конструкциями. На уровне воды каждая из колонн снабжена противоледовым ограждением в виде конусных наделок небольшой высоты со встречно ориентированными наклонными поверхностями.

Эта платформа имеет существенные недостатки:

- противоледовые ограждения имеют незначительную высоту, поэтому при изменениях уровня моря (приливе, отливе, изменении среднего уровня для замкнутых водоемов, например, Каспийского моря и т.д.), а реально это в пределах 3-10 м, они не работают, т.е. снижение ледовых нагрузок на платформу не происходит, так как лед ломается изгибом только в пределах незначительной высоты противоледового ограждения;

- согласно известным методикам и нормам (например, Российского Морского Регистра Судоходства) расчетное значение горизонтальной ледовой нагрузки на многоопорную конструкцию определяется независимо от формы опор для ледового сценария, соответствующего забиванию льда между опорами на максимальную ширину преграды, создаваемой опорами. Таким образом, при расчетном определении ледовой нагрузки для такой конструкции влияние конусной наделки не учитывается;

- во внутреннем объеме опорного основания нельзя располагать какие-либо элементы, так как они не защищены от непосредственного воздействия ледовых образований, либо такие элементы должны быть спроектированы с учетом восприятия ледовых нагрузок.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности и безопасности эксплуатации морской ледостойкой платформы в ледовых условиях.

Это достигается в морской ледостойкой платформе, содержащей верхнее строение, соединенное с опорным основанием посредством опорных колонн, на которых смонтировано противоледовое ограждение в виде наклонной наделки, тем, что упомянутая наклонная наделка расположена по периметру платформы в зоне действия ледовых нагрузок и выполнена замкнутой по периметру платформы и охватывающей опорные колонны по их наружному контуру, причем в верхней части упомянутой наделки смонтирован дополнительный ледозащитный наклонный пояс, при этом упомянутый пояс ориентирован противоположно наклонной ледовой наделке и расположен под углом не менее 8° к вертикали, а отношение высоты упомянутого дополнительного наклонного пояса к высоте наклонной наделки составляет не менее 0,08.

На фиг.1 изображена заявляемая морская ледостойкая платформа, боковой вид;

на фиг.2 - то же, вид сверху со снятым верхним строением;

на фиг.3 - сечение А-А фиг.2;

на фиг.4 - сечение А-А фиг.2, разрушение льда при взаимодействии с ледовым ограждением;

на фиг.5 - зависимость глобальной ледовой нагрузки от угла наклона грани сооружения (для платформы «Приразломная»);

на фиг.6 и 7 - фрагменты модельных испытаний заявляемой платформы:

на фиг.6 - ледяное нагромождение перед платформой в дрейфующем поле ровного льда толщиной 0,6 м (натурное значение);

на фиг.7 - форма ледяного нагромождения в плане в поле ровного льда толщиной 0,6 м (натурное значение).

Заявляемая морская ледостойкая платформа содержит верхнее строение 1, соединенное с опорным основанием 2 посредством опорных колонн 3. На колоннах 3 смонтировано противоледовое ограждение в виде наклонной наделки 4, которая расположена по периметру платформы в зоне действия ледовых нагрузок и выполнена замкнутой по периметру и охватывающей опорные колонны 3 по их наружному контуру. В верхней части наделки 4 смонтирован дополнительный ледозащитный наклонный пояс 5, ориентированный противоположно наделке 4 и расположенный под углом не менее 8° к вертикали, а отношение высоты дополнительного наклонного пояса 5 - Н_пояса к высоте наклонной наделки 4 - Н_{наделки} составляет не менее 0,08.

В приведенном иллюстративном материале заявки на фиг.5 изображена зависимость глобальной ледовой нагрузки от угла наклона грани сооружения, полученная для платформы «Приразломная» ( - угол наклона грани сооружения; Р_лед - глобальная ледовая нагрузка), из которой видно, что оптимальное значение угла наклона лежит в пределах 53-55°.

В варианте конструктивного выполнения изобретения применительно к условиям шельфа Каспийского моря профиль противоледового ограждения предварительно был выбран на основе расчетных методов.

Для рассматриваемой платформы основными факторами при выборе противоледовой защиты были:

- обеспечение разрушения льда изгибом при контакте с наклонной наделкой защиты при любом возможном изменении уровня моря в течение срока службы платформы;

- исключение возможности переваливания обломков льда через верх противоледового ограждения во внутреннее пространство сооружения;

- минимизация размеров ледового ограждения, т.е. уменьшение его металлоемкости.

В связи с этим было принято: угол наклона поверхности наделки 4 противоледового ограждения из конструктивных соображений принять равным 66°; угол наклона дополнительного ледозащитного пояса 5 принять равным 10°, а отношение высоты дополнительного пояса 5 (Н _пояса) к высоте наделки 4 (Н_{наделки} ) принять равным 0,096.

Выбранные размеры противоледового ограждения по высоте, углу наклона наделки 4, углу наклона дополнительного пояса 5 показали свою эффективность на основании теоретических расчетов и были проверены модельными испытаниями в ледовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. Процессы, происходившие при взаимодействии модели со льдом, фиксировались с помощью видео- и фотоаппаратуры и описаны в техническом отчете института об испытаниях. Некоторые фрагменты испытаний представлены на фиг.6 и 7 и отражены ниже.

При первичном контакте кромки надвигающегося ледового поля с поверхностью наклонной наделки 4 противоледового ограждения происходит его изгибное разрушение. Образовавшиеся обломки льда, подталкиваемые ледовым полем, скользят по поверхностям наделки 4 до касания с дополнительным поясом 5, после этого они опрокидываются назад на надвигающееся ледовое поле. Перед платформой образуется нагромождение обломков льда, лежащее на поверхности ледового поля. Через некоторое время под действием веса этого нагромождения ледовое поле разрушается, и часть нагромождения уходит под воду. При дальнейшем движении ледового поля его разрушение происходит на границе с возникшим перед платформой ледовым нагромождением. Постепенно нагромождение обломков льда принимает клиновидную форму и увеличивается до определенной величины, после которой рост нагромождения прекращается, а вновь образующиеся обломки льда обтекают платформу с бортов.

Модельные испытания показали:

1) на всех этапах взаимодействия ледового поля с платформой разрушение льда происходит изломом - на начальном этапе это обеспечено за счет наклонной наделки противоледового ограждения, на последующих этапах происходит за счет взаимодействия поля с подвижными обломками льда на внешней границе ледового нагромождения перед платформой;

2) переваливание обломков льда через противоледовое ограждение во внутреннее пространство рассматриваемой платформы не происходит.

Следует отметить, что дополнительный ледозащитный пояс 5 устанавливается для гарантированного обеспечения опрокидывания поднимающихся по наклонной наделке 4 обломков льда обратно на ледовое поле. Для этого наклон пояса 5 противоположен наклону наделки 4. При этом угол наклона пояса 5 принят из условий создания опрокидывающего момента при минимизации угла наклона, так как большой угол создает как бы ловушку для движущегося по поверхности наклонной наделки 4 разбитого льда и может привести не к снижению, а к увеличению ледовой нагрузки на сооружение.

Согласно теоретическим исследованиям и результатам модельных испытаний угол наклона пояса 5 считается достаточным в пределах 8-15°.

Высота пояса 5 должна быть не менее 0,08 высоты наклонной наделки 4.

Для конкретной конструкции платформы при взаимодействии с расчетным льдом толщиной 0,6-0,8 м угол принят равным 10°, а отношение высоты Н _пояса к высоте Н_{наделки} равно 0,096, т.е. близко к минимально необходимым значениям из условий минимизации размеров конструкции, веса и ее стоимости.

Таким образом, заявляемое изобретение повышает надежность и безопасность эксплуатации морской ледостойкой платформы в ледовых условиях.