Морские сооружения в арктических условиях: новые материалы и конструкции – решение проблем

   Результаты оказались обнадеживающими, поэтому в предмет исследований была включена разработка опытного образца сооружений из нового асбестоцементного композита и ледостойких самоподъемных оснований. 

В последнее время к арктическим регионам вновь проявляется заметный интерес, формирующий новые специфические требования к морским сооружениям вследствие сверхнизких температур и ледовых нагрузок.

Температуры от -20 до -40 ˚C обычны для арктических условий. С точки зрения проектирования сооружений данная ситуация ограничивает оптимальный диапазон марок стали, пригодных для использования в столь суровом климате. Кроме того, некоторые морские сооружения могут либо самостоятельно проходить мелководные участки арктического шельфа, либо требовать транспортировки. Таким образом, объектом внимания становится осадка судна. Последние несколько лет компания Keppel O&M вкладывала средства в изучение возможностей использования бетона для решения данных проблем.

 

   Применение бетона для строительства морских сооружений не ново, среди весьма заметных примеров недавнего времени – платформа Troll A, платформы проекта «Сахалин-2», терминал СНГ на Адриатике, баржа Nkossa, железобетонный танкер Adjuna Sakti и платформа с натяжными опорами Heidrun.  Всего в мире на сегодняшний день существует около 50 подобных бетонных сооружений.  Различные причины определили выбор бетона для строительства платформ как опирающихся на морское дно, так и плавучих.

Среди основных преимуществ использования бетона – низкая потребность в обслуживании и отсутствие требований постановки в сухой док. Более того, крепость бетона возрастает при пониженных температурах, что делает его пригодным для постройки сооружений в арктических регионах. Далее применяется обычный метод изготовления и широко распространенные технологии гражданского строительства, что дает возможность провести основную часть строительства на площадке. Бетонные конструкции, однако, значительно тяжелее по сравнению со стальными аналогами. 

 

   В 2007 году, с открытием сверхпрочного асбестоцементного композита (СПАК), произошел прорыв в бетонных технологиях.  СПАК отличается от обычного бетона своим составом, включающим специально отобранные мелкозернистые составляющие (для сравнения стандартных свойств материала СПАК и его аналогов см. табл. 1). 

 

   При изучении соответствующих применений данной технологии Keppel O&M разработала новую конструкцию корпуса с уникальной ячеистой армированной сеткой, что позволило строить крупные плавучие сооружения.  Для повышения прочности корпуса также была применена технология преднатяжения. Результатом стала долговечная и прочная морская платформа, которая к тому же намного легче в целом. 

 

   Почти полная непроницаемость бетона делает его пригодным для морских и шельфовых сооружений. Кроме  того, уникальная конструкция на основе бетона, сочетающая свойства СПАК и новые принципы проектирования, представляет собой очень ценное решение для морских и шельфовых сооружений в суровых условиях, например, в условиях Крайнего Севера.

В качестве примера приведем обычную палубную баржу дедвейтом 3,5 тыс. т, спроектированную согласно правилам ABS для терминалов СПГ с учетом последних норм проектирования состава бетонных смесей ACI 318, 2008 (чертеж баржи приведен на рис. 1). Данный проект был в принципе одобрен Американским бюро судоходства. 

 

   Затем было проведено сравнение баржи СПАК и обычной стальной баржи, построенной по данному проекту. Баржа СПАК, по сравнению со стальной баржей, имеет ряд преимуществ. Она проста в обслуживании, не требует постановки в сухой док, обладает более долгим сроком службы, а по капитальным затратам сравнима со стальной баржей (для сравнения СПАК и стальной барж см. табл. 2). 

 

   Характеристики СПАК, в сочетании с ячеистой сетчатой конструкцией и системами предварительного преднапряжения, позволяют барже справляться с прогибами и перегибами, которые приходится испытывать баржам в океанских походах. 

 

   Кроме того, данная конструкция баржи может использоваться в условиях арктического мелководья как для плавучих, так и для опирающихся на морское дно сооружений. К преимуществам бетонной конструкции относится способность выдерживать воздействие низких температур, сопротивляемость коррозии, а также способность выдерживать большие ледовые нагрузки. 

KOMtech (Центр шельфовых и морских технологий Keppel) и отдел проектно-конструкторских разработок департамента морских технологий Keppel в настоящее время работают совместно с Обществом по классификации над изучением применения СПАК для различных морских сооружений в условиях Крайнего Севера. К другим возможным вариантам применения СПАК относятся крупные плавучие хранилища, плавучие терминалы СПГ и палубные перекрытия для предотвращения разливов. 

 

Ледостойкая самоподъемная буровая установка в северном Каспии

ледовое покрытие Каспийского моря ограничено северной частью в период с декабря по март. Ледовые условия в данный период относительно мягкие, лед тонкий, первого года. В мягкие зимы лед образуется только на водах глубиной менее 5 м. В суровые зимы лед может покрывать всю северную часть моря. Обычная толщина льда в Северном Каспии – менее одного метра. За счет малых глубин могут легко образовываться ледовые торосы, затрудняющие движение.  

 

   Учитывая то, что зимы в Каспийском регионе короткие и мягкие, а также принимая во внимание экономические факторы, нет необходимости в проектировании и строительстве полностью ледостойкой платформы для выполнения операций на Северном Каспии. Более рентабельным решением для буровых работ в данном регионе является самоподъемная буровая установка. 

 

   Самоподъемная буровая установка оптимально подходит для работы в условиях продленного сезона добычи данного региона. Продленный режим означает, что эксплуатация буровой установки ограничена несколькими месяцами в году вне периода образования полного ледового покрытия в зимнее время, что может повлечь за собой непредсказуемые последствия для установки.  В условиях Северного Каспия зима наступает не ранее января и длится до середины марта. Таким образом, образуется операционное «окно» продолжительностью, по крайней мере, восемь месяцев в году. Тем не менее, в отличие от обычных самоподъемных буровых установок, ледовые условия диктуют необходимость проектирования ледостойкой платформы, поскольку предварительный анализ показал, что ледовая нагрузка на самоподъемную буровую установку будет намного больше, чем совокупное воздействие ветра, волн и течений. 

 

   Уровень приспособленности для зимней эксплуатации определяется рядом факторов, поэтому углубленное изучение изменения ледовых условий является обязательным. Продолжительность операционного периода в ледовых условиях предполагает различные ледовые ситуации, которые должна будет выдерживать буровая установка. Например, в начале зимы, когда на малых глубинах (3 м и менее) лежит только тонкий слой льда (толщиной менее 30 см), опоры буровой и башмаки на опорах должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать воздействие постоянного ледового покрытия толщиной до 30 см. В то же время, в конце зимы или ранней весной ветер движет плавучие льдины толщиной 60-90 см, которые временами образуют ледовые торосы. В данной ситуации самоподъемная буровая установка должна выдерживать воздействие плавучих льдин и торосов. 

 

   Анализ проводился на примере существующей СПБУ KFELS класса В с целью определения необходимых приспособлений. Буровая установка была оснащена рядом приспособлений, позволяющих функционировать при минимальных ледовых условиях, характерных для конца осени и весны. Одним из критически важных приспособлений является установка противоледовых щитов вокруг опор буровой. Ледовые щиты предназначены для предотвращения скапливания ледяных обломков в опорах и между ними, что может привести к поломке нескольких элементов фермы. Существуют различные типы щитов, на рис. 2 показан один из вариантов с применением композитного материала. Тем не менее, благоприятный эффект от оснащения щитами может быть снижен из-за повышенных нагрузок, которые они принимают на себя. Это можно компенсировать за счет использования конических конструкций вокруг опор буровой.

 

   Конус опоры буровой (патент заявлен) можно понизить от уровня корпуса и закрепить на уровне поверхности воды, куда, как правило, приходится ледовая нагрузка. При взаимодействии плавучих льдин с опорой коническая конструкция разбивает лед за счет изгибающего действия. Это помогает снизить ледовое воздействие от обычного дробящего действия, возникающего при смятии льда.  Конус опоры буровой можно приподнимать и опускать по отношению к опорам с целью предотвращения скопления льда.  Движение конуса вдоль опор – это уникальное свойство данного проекта, способствующее снижению ледовых нагрузок и предотвращению скопления ледовых обломков вокруг опор.

 

   Наконец, самоподъемная буровая установка является технически применимым и коммерчески рентабельным вариантом для функционирования в условиях Северного Каспия. Однако необходимы приспособления для зимней эксплуатации, чтобы продлить период работы буровой в сезон минусовых температур.