Россия
Россия
Россия
УДК 551.326.7 Морской лед. Пак. Дрейфующий лед. Ледяные поля
Рассматривается устройство одноточечных нефтеналивных причалов, широко используемых в мировой практике для погрузки сырой нефти на танкеры. В основном в таких терминалах используют плавающие шланги, которые присоединяются хвостовой частью через фланцы к стандартным манифольдам, расположенным в центральной части корпуса танкера (конвенционная погрузка). Однако такой способ погрузки считается неприемлемым в зимних условиях из-за высокого риска повреждения шланголинии плавучим льдом и других проблем, связанных с обледенением оборудования, находящегося в воде при отрицательных температурах воздуха. Для ухода от этих проблем в российских портах Арктики и Дальнего Востока применяются одноточечные причалы башенного типа с подвесным шлангом, который, не касаясь воды, заводится на носовую загрузочную систему. После наложения запрета на использование танкерного флота, оборудованного носовой загрузочной системой, перед некоторыми операторами таких причальных систем встал вопрос о круглогодичном применении конвенционной погрузки танкеров с использованием плавающих шлангов. Приведены результаты анализа рисков, связанных с воздействием дрейфующего льда на плавающий шланг, применительно к действующим одноточечным системам отгрузки нефти. Приводятся математические расчеты и описания экспериментов, подтверждающих опасность воздействия дрейфующего льда на плавающий шланг во время погрузки. В качестве основного принципа минимизации рисков в перспективных и действующих терминалах предлагается принцип ухода от прямого воздействия ледового поля на шланголинию путем погружения ее под водную поверхность за счет изменения стандартной плавучести до околонейтральных значений. Возможность применения такого принципа подтверждена теоретическими расчетами и рядом подробно описанных экспериментов.
шланголиния, опасные ситуации, анализ рисков, относительная плавучесть, ледовые условия, испытания
Введение
В предыдущем исследовании авторов [1] отмечалось, что единственным вариантом выносного погрузочного устройства (ВПУ) для работы на шельфе России в условиях замерзающих морей является вариант башенного типа, который предназначен для использования в сложных ледовых условиях, когда для доставки груза на танкер применяется не плавающая, а подвесная шланголиния (ШЛ). При этом предъявляются особые требования к оборудованию танкеров носовой загрузочной системой (НЗС). Вместе с тем работа со специализированными танкерами, оборудованными НЗС, накладывает ряд ограничений на нефтяные компании, поскольку количество таких танкеров (которые, помимо всего прочего, должны иметь специальный ледовый класс) невелико, что сужает выбор перевозчиков и создает уязвимости для санкционных действий недружественных государств. Для снижения рисков появления критических временных разрывов в отгрузке сырой нефти при шельфовой добыче возникла необходимость проведения исследований и поиск вариантов загрузки танкеров, не оборудованных НЗС, в ледовых условиях. Результаты упомянутых теоретических и практических исследований излагаются в данной статье.
Материалы исследования
В работе [1] авторами оцениваются риски, связанные с перегрузкой сырой нефти с помощью плавающего шланга на шельфе России с учетом ледовых условий, а именно:
– повреждения узлов и элементов ШЛ дрейфующими полями льда в период погрузки;
– нарушения функциональности элементов ШЛ в результате брызгового и/или атмосферного обледенения;
– повреждения каркаса ШЛ (излом) в результате потери эластичности из-за переохлаждения тела шланга;
– повреждение каркаса ШЛ (излом) в результате разнонаправленных нагрузок при вращении стрелы ВПУ и движении ледового покрова с вмороженной ШЛ в период между грузовыми операциями;
– повреждения обшивки ШЛ при маневрировании буксиров из-за неопределенного положения ШЛ в массиве льда.
В настоящей статье укажем, что для условий замерзающих морей такой способ неприемлем. Действительно, плавающий на поверхности воды шланг, в котором под давлением до 4,2 МПа [2] находится нефть, может испытать значительное ледовое воздействие, грозящее его разрушением. Вариантом ухода от такой угрозы является применение одноточечных причальных сооружений (SPM) башенного типа, где шланг подвешен на стреле и подается на судовое носовое погрузочное устройство, не касаясь воды. Однако применение специализированных судов существенно ограничивает возможности нефтяной компании в выборе транспортного флота и повышает ее уязвимость к санкциям.
В мировой практике очень популярным вариантом конструкции нефтеналивных терминалов остаются одноточечные причальные сооружения (CALM).В статье [1] приводится краткий анализ внешних факторов, в которых этот вариант вполне работоспособен и эффективен. Чаще всего на CALM применяется плавающий шланг (рис. 1), фланцы хвостовой части которого соединяются со стандартными (конвенционными) манифольдами танкера.
В данной статье рассматривается наиболее очевидная угроза воздействия ледового поля на шланг, закрепленный в крайних своих точках, при перемещении шланга относительно кромки ледового поля и предлагаются варианты снижения рисков данной опасной ситуации при проведении конвенционной погрузки танкеров с помощью плавающих шлангов в ледовых условиях.
Опасность ситуации обусловлена натиском ледового поля на шланг (рис. 2), который рассматривается как цепная линия, составленная из секций, имеющих положительную плавучесть, расположенная в плоскости зеркала воды, нагруженная распределенной нагрузкой от давления льда, действующей также в плоскости зеркала воды.
Рис. 1. Система погрузки танкера CALM
Fig. 1. CALM tanker loading system
Рис. 2. Расчетная схема отгрузочной линии, находящейся на плаву в плоскости зеркала воды
Fig. 2. Calculation scheme of the shipping line, which is afloat in the plane of the water mirror
В соответствии с руководящими документами [3], в качестве максимального значения ледового давления принимается сила, разрушающая лед в точке контакта. При таком подходе расчеты показывают, что осевая нагрузка на шланг диаметром 16 дюймов при толщине льда 0,3 м достигает значений, превышающих допустимую нагрузку на шланг, что может привести к аварийному размыканию предохранительной муфты, попаданию нефти в воду и остановке грузовых операций.
В статье предлагается вариант такой конструкции шланга, которая позволяет осуществить уклонение от прямого натиска кромки ледового поля на шланг путем его погружения под лед.
В качестве примеров используются две секции шланга производства компании Dunlop: 24” N.B. MAINLINE SAFLOTE HOSE (далее – 24” 542P) и 16” N.B. TAIL SAFLOTE HOSE (далее – 16” 544XP) [4].
На рис. 3 представлена общая схема воздействия кромки ледяного поля на секцию шланга как на цилиндрический линейный объект.
Рис. 3. Схема воздействия ледового поля
Fig. 3. The scheme of the impact of the ice field
По геометрическим и весовым параметрам по каждой секции шланга разработаны математические модели в программе SolidWorks. В качестве основного метода ухода от лобового натиска ледового поля принят вариант уменьшения плавучести шланга. Указанный метод позволяет создать условия для погружения шланга при взаимодействии с ледовым полем.
Следует добавить, что сила прямого воздействия льда на ШЛ мало зависит от толщины льда. Как доказали результаты экспериментов, даже при толщине льда до 5 см вследствие разрушения ледового поля у ШЛ образуется непреодолимое препятствие для ледового поля.
Предполагается, что ледовое поле своей нижней кромкой воздействует силой Q на шланг в точке А по направлению к центру шланга О. Сила Q может быть разложена на две составляющие: горизонтальную Qг и вертикальную Qв.
Равномерно распределенная сила Qг действует на ШЛ в плоскости зеркала воды. Контакт ледового поля с секциями ШЛ может осуществляться как непрерывно по всей длине, так и на отдельных ее участках. Составляющая Qв воздействует в вертикальном направлении и стремится как притопить ШЛ, если точка контакта находится выше продольной оси ШЛ, так и приподнять на лед, если точка контакта расположена ниже продольной оси ШЛ. Второй вариант случается при взаимодействии легких ШЛ (диаметр устройства < 150 мм), заполненных воздухом (по свидетельству операторов выгрузки нефтепродуктов на необорудованный берег). Для случая рассматриваемой системы отгрузки такая ситуация может быть отнесена к разряду маловероятных и в данной работе не рассматривается.
После погружения под лед горизонтальная сила, действующая на ШЛ, будет определяться давлением ШЛ на нижнюю поверхность льда, состоянием этой поверхности и коэффициентом трения между ШЛ и льдом. В данной работе это воздействие также не рассматривается в силу того, что перспектива применения шлангов, близких к нейтральной плавучести, остается неопределенной (когда такое движение возможно), а также в силу незначительных величин этого воздействия.
Угол наклона откоса к горизонту ⍺ зависит от степени погружения шланга в воду до воздействия на него ледового поля и от высоты подводной части ледового поля dш и dл. Под dш понимается разность между радиусом сечения шланга и высотой его надводной части hш, которая, в свою очередь, определяется с применением трехмерного моделирования в программе SolidWorks.
Принятые допущения при расчете:
– ледовое поле представлено в виде параллелепипеда, погруженного в воду на 90 % своего объема, с горизонтальными размерами несоизмеримо большими, чем диаметр шланга;
– в расчетах не учитываются силы трения;
– для диаметра и высоты надводной части секции шланга используются значения, соответствующие сечению В (рис. 4);
– вес и осадка секции шланга определялись с применением трехмерного моделирования в программе SolidWorks
Рис. 4. Используемые в расчетах сечения секций шлангов: а – 24” 542P; б – 16” 544XP
Fig. 4. Cross-sections of hose sections used in calculations: а – 24” 542P; б – 16” 544XP
Результаты основных расчетов степени погружения шлангов 24” 542P и 16” 544XP (по результатам моделирования в программе SolidWorks) с учетом фактических весовых характеристик этих секций сведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Table 1
Основные массогабаритные параметры секции шланга 24” 542Р для заданных значений
остаточной плавучести
The main weight and size parameters of the 24” 542Р hose section for the specified values of residual buoyancy
|
Параметр |
Коэффициент остаточной плавучести |
||||||
|
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,05 |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
|
|
Объем надводной части секции шланга при заданном проценте остаточной плавучести, м3 |
0,07 |
0,13 |
0,19 |
0,31 |
0,60 |
0,86 |
1,10 |
|
Вес дополнительного балласта, |
1 829,3 |
1 763,6 |
1 699,1 |
1 574,0 |
1 281,0 |
1 013,5 |
768,2 |
|
Высота надводной части на участке |
21,0 |
36,8 |
50,0 |
71,5 |
113,3 |
146,0 |
172,7 |
|
Остаточная плавучесть, кг |
67,0 |
132,7 |
197,1 |
322,3 |
615,3 |
882,8 |
1 128,0 |
Таблица 2
Table 2
|
Параметр |
Коэффициент остаточной плавучести |
||||||
|
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,05 |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
|
|
Объем надводной части секции шланга при заданном проценте остаточной плавучести, м3 |
0,032 |
0,064 |
0,095 |
0,16 |
0,30 |
0,43 |
0,55 |
|
Вес дополнительного балласта, погруженного в воду Мв бал, кг |
610,1 |
577,4 |
545,4 |
483,3 |
337,7 |
204,8 |
83,0 |
|
Высота надводной части на участке |
8 |
20 |
29 |
45 |
75 |
98 |
117 |
|
Остаточная плавучесть, кг |
33,3 |
65,9 |
97,9 |
160,1 |
305,7 |
438,6 |
560,4 |
В качестве промежуточных данных использовались значения угла откоса А при различных значениях остаточной плавучести и толщины льда. В качестве конечного результата были получены значения горизонтальной составляющей Qг, при которой происходит погружение секции шланга под лед (т. е. уклонение) в зависимости от ее остаточной плавучести и толщины льда (табл. 3, 4).
Таблица 3
Table 3
Значения горизонтальной составляющей Qг, при которой происходит погружение секции шланга 24” 542P
The values of the horizontal component Qг at which the 24” 542P hose section is immersed
|
Толщина льда Тл, м |
Относительная плавучесть секции, % |
||||||
|
20 |
15 |
10 |
5 |
3 |
2 |
1 |
|
|
0,4 |
Погружение |
97 660 |
18 979 |
5 470,8 |
3 314,8 |
1 385,9 |
|
|
0,3 |
87 475 |
46 590 |
22 048 |
7 947,4 |
3 127,9 |
1 949,3 |
851,85 |
|
0,2 |
33 866 |
21 590 |
11 816 |
4 726,8 |
2 013 |
1 261,9 |
554,42 |
|
0,15 |
25 318 |
16 587 |
9 311,9 |
3 794,5 |
1 623,2 |
1 014,7 |
441,03 |
|
0,1 |
19 795 |
13 159 |
7 481,5 |
3 066,2 |
1 287,6 |
797,79 |
337,31 |
Таблица 4
Table 4
Значения горизонтальной составляющей Qг, при которой происходит погружение секции шланга 16” 544XP
The values of the horizontal component Qг at which the 16” 544XP hose section is immersed
|
Толщина льда Тл, м |
Относительная плавучесть секции, % |
||||||
|
20 |
15 |
10 |
5 |
3 |
2 |
1 |
|
|
0,4 |
Qв = 0, Qг = Q, погружение не возможно |
||||||
|
0,3 |
|||||||
|
0,2 |
– |
– |
– |
1 1451 |
3 508,9 |
1 191,3 |
668,97 |
|
0,15 |
– |
69 723 |
11 696 |
2 871,2 |
1 342,6 |
602,49 |
326,46 |
|
0,1 |
– |
10 035 |
4 475,4 |
1 466,8 |
723,32 |
331,46 |
180,11 |
Расчеты показали снижение нагрузки ледового поля на ШЛ до приемлемых значений при уменьшении плавучести шланга. Данные расчеты были проверены экспериментальным путем на ледовом полигоне (рис. 5), когда секция шланга, помещенная в ледовой майне, буксировалась под лед с замером тяги на буксирном тросе с помощью грузового динамометра.
Рис. 5. Схема секции ледового полигона для проверки расчетных элементов взаимодействия секций
шланголинии и морского льда
Fig. 5. Diagram of the section of the ice training ground for checking the calculated elements
of the interaction of the sections hose lines and sea ice
Буксировки производились при нескольких значениях толщины льда и вариантов балластировки секции шланга.
Вариант балластировки № 1: заполнение шланга морской водой, остаточная плавучесть – 0,65 т.
Вариант балластировки № 2: размещение во внутренней части шланга твердого балласта до значения остаточной плавучести 0,39 т.
Вариант балластировки № 3: размещение на корпусе части шланга твердого балласта до значения остаточной плавучести 0,24 т.
Результаты испытаний сведены в табл. 5.
Таблица 5
Table 5
Результаты экспериментальных буксировок образца шланга 16” 544XP
Results of experimental towing of a 16” 544XP hose sample
|
Дата |
Вариант |
Тл, м |
Состояние льда |
Нагрузка |
Примечание |
|
22.02.2024 |
1 |
0,11 |
Сплошной |
3,6 |
Торошение льда. |
|
12.03.2024 |
2 |
0,18 |
Сплошной |
0,290 |
Упор в припайный лед |
|
|
2 |
0,18 |
Сплошной |
0,325 |
Взлом и торошение льда. Упор в припайный лед |
|
13.03.2024 |
3 |
0,18 |
Битый |
0,310 |
Торошение льда. |
|
0,18 |
Битый |
0,220 |
|||
|
0,18 |
Битый |
0,320 |
|||
|
0,18 |
Битый |
0,300 |
|||
|
0,18 |
Битый |
0,290 |
|||
|
14.03.2024 |
3 |
0,18 и 0,02 |
Битый и сплошной |
0,330 |
|
|
0,18 и 0,02 |
Битый и сплошной |
0,225 |
|||
|
0,18 и 0,02 |
Битый и сплошной |
0,290 |
Завершая исследование, сформулируем следующие выводы:
1. На величину пикового значения горизонтальной составляющей силы воздействия ледового поля на ШЛ в значительной степени влияют:
– положение оси ШЛ относительно кромки подводной части ледового поля;
– остаточная плавучесть ШЛ;
– толщина льда.
2. Возможность снижения рисков, связанных с воздействием дрейфующих ледовых полей на плавающую ШЛ, имеется, но при этом необходимо решить вопрос о дополнительной балластировке стандартного шланга и придании ему остаточной плавучести, близкой к нейтральной.
Для применения плавающей ШЛ с пониженной плавучестью в зимних условиях необходимо ориентироваться на наиболее сложные ледовые условия суровой зимы, которые могут встречаться. Также необходимо учитывать изменения плотности морской воды и нефти внутри шланга при изменениях температуры. Легко заметить, что изменение плотности нефти может приводить к существенным изменениям общего веса ШЛ [5].
Безусловно, при конструировании всесезонной плавающей ШЛ должны быть учтены все требования технического руководства. В таких документах подробно описаны все операции, осуществление которых необходимо для нормального функционирования погрузочного оборудования.
Результаты исследования
В результате теоретических исследований и проведения физического моделирования на ледовом полигоне Морского государственного университета имени адмирала Г. И. Невельского была найдена возможность использования ШЛ различной степени остаточной плавучести в условиях дрейфующих ледовых полей при различной толщине льда. Определен единственный возможный вариант решения проблемы – погружение ШЛ под ледовое поле за счет уменьшения остаточной плавучести относительно отраслевых стандартов [4]. Также был определен перечень параметров, необходимых для решения задачи.
Заключение
В результате расчетов и экспериментальных исследований, которым посвящена публикация, становится очевидной возможность использования всесезонных плавающих ШЛ в зимнее время при наличии льда. Для этого необходимо изменение плавучести шланга при изготовлении. Параметры необходимой плавучести зависят от технологических особенностей ВПУ и от гидрометеорологических условий конкретного района. Остаются нерассмотренными некоторые вопросы изменения физических свойств шланга при понижении температуры и взаимодействия надводной части плавающего шланга с ледовым полем. Эти аспекты будут рассмотрены в следующей публикации.
1. Монинец С. Ю., Колбек С. С. Перспективный вариант одноточечного причального устройства для проведения грузовых операций с нефтью в условиях замерзающих морей // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2025. № 3. С. 89–96.
2. Общие и специальные правила перевозки наливных грузов. М.: Мортехинформреклама, 1985. 456 с.
3. СП-11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений. М.: Изд-во ПНИИИС Госстроя России, 2004. 88 с.
4. Guide to Manufacturing and Purchasing Hoses for Offshore Moorings (GMPHOM 2009). Edinburgh: Witherby Seamanship International 4 Dunlop Square Livingston, 2009. 82 р.
5. ГОСТ 8.602-2010. Плотность нефти. Таблицы пересчета. М.: Стандартинформ, 2012. 15 с.
