Text
                    П.П. Бородавкин
МОРСКИЕ
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
СООРУЖЕНИЯ
Часть 2. Технология
строительства
Допущено
Министерством образования и науки Российской Федерации
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности «Морские нефтегазовые сооружения»
направления подготовки
«Оборудование и агрегаты нефтегазового производства»
Москва НЕДРА 2007

УДК 550.82:622.24 ББК 33.131 Б90 Бородавкин П.П. Б90 Морские нефтегазовые сооружения: Учебник для вузов. Часть 2. Технология строительства. - М.: ООО «Недра- Бизнесцентр», 2007. - 408 с.: ил. ISBN 978-5-8365-0290-4 Рассмотрена технология строительства морских сооружений, предна- значенных для выполнения работ по добыче, транспорту и хранению неф- ти и газа. Рассмотрены технологические схемы выполнения земляных и каменных работ на прибрежной территории и в морской акватории. Даны материалы по строительству железобетонных МНГС. Последовательно излагаются материалы, связанные с технологией строительства фунда- ментных и несущих блоков МНГС, блоков верхних строений. Приведены материалы по спуску МНГС с берега па воду, их транспортировке к месту установки, описан пооперационный процесс установки МНГС на дно. Рассмотрена технология позиционирования и стабилизации МНГС на точке, а также технологические схемы укладки подводных трубопроводов на различных глубинах. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специ- альности «Морские нефтегазовые сооружения», а также для работников нефтяной и газовой промышленности. ISBN 978-5-8365-0290-4 © Бородавкин П.П., 2007 © Оформление. ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время ни у кого нет сомнений в том, что будущее нефтяной и газовой промышленности связано с месторождениями, расположенными в акваториях морей и океа- нов. Как было показано в работе [1], особо крупные месторожде- ния расположены под водой и льдами северных и дальневосточ- ных морей России. Проблемы возможной нехватки нефти и газа в не таком уж отдаленном будущем была понятна еще в 80-е го- ды XX столетия, но по мере того, как истощались месторождения материковой части России, а добыча нефти и особенно газа сме- щалась к северу, были начаты работы по обоснованию возмож- ности начала разработки не только подводных, но и подледных месторождений. Практически были разработаны проекты строительства под- водных переходов нескольких газопроводов через Байдарацкую губу. Одновременно проводились геологоразведочные работы на северных и дальневосточных морях. И оказалось, что нефти и газа под их дном достаточно для обеспечения потребностей Рос- сии на многие десятилетия, если не столетия. Появилось боль- шое число компаний, не имеющих ни опыта, ни финансовых ре- сурсов, готовых немедленно приступить к изъятию нефти и газа из подводных (подлёдных) кладовых северных и дальневосточ- ных морей. Активизировался ряд зарубежных компаний в стремлении по- лучить долю и в Баренцевом море, и в Охотском море у Сахалина. Поспешность с разработкой северных и дальневосточных мо- рей приведет (и уже приводит) к большим потерям как эконо- мического, так и технического характера. Дело в том, что на дан- ное время мы не располагаем ни необходимыми технологиями, ни техническими средствами, ни хорошо подготовленным инже- нерно-техническим и рабочим составом, чтобы немедленно на- чать работы в море, особенно на Севере. Зададим вопрос: каким образом мы будем тратить огромные, несоизмеримые с разработ- кой сухопутных месторождений, средства? На сегодняшний день отсутствие производственной базы на прибрежных территориях не дает возможности начать серьезные работы по освоению морских месторождений, имея в виду, что они находятся на огромной акватории вдоль границ России, на- чиная от Балтийского моря до Японского (Баренцево, Печорское, з
Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское, Берингово, Охотское (см. [1]). Очевидно, что для решения столь грандиозной проблемы нужна научно обоснованная концепция освоения нефтегазовых ресурсов всех морей России. Конечно, можно начинать освоение с самых «удобных» месторождений, приглашая иностранные ком- пании, например, Норвегии, Англии. При этом вряд ли чему мы сможем научиться, вряд ли созда- дим базу для развития своей морской нефтегазодобычи. Уже сейчас наши многочисленные компании пытаются закупать не самое лучшее оборудование, непригодные для работы плавающие средства. Тут же придется отдавать их в ремонт либо в Южную Корею, либо в другие места, затрачивая на это огромные средст- ва. Таким путем можно решить лишь мелкие частные задачи. Но при этом неплохо бы усвоить (особенно студентам) одну, с древ- них времен известную истину: кто собирается решать частные, но «важные» задачи, должен сначала озаботиться рассмотрением и даже решением общей проблемы, включающей частные. В про- тивном случае при решении частных задач обязательно придется «натыкаться» на нерешенность общей проблемы. Так, уже ведутся работы по освоению месторождений Барен- цева моря, в частности Штокмановского месторождения, хотя на сухопутной территории нет ни одного магистрального трубопро- вода, по которому можно было бы немедленно начать транспор- тировать газ или нефть. Значит, нужно строить. Такая же исто- рия и с сахалинским газом. Срочно уже строится завод по сжи- жению газа; то же самое придется делать в районе Баренцева моря. Вряд ли в таком подходе к освоению месторождений се- верных и дальневосточных морей можно увидеть концепцию, в которой попытка освоения только отдельных месторождений как-нибудь была бы увязана с проблемой освоения всех север- ных и дальневосточных морей. И тогда, быть может, задача ре- шалась бы иначе, а именно в плане реализации фундаментально обоснованной как с научной, так и технической точки зрения. Попытаемся для студентов (будущих специалистов) сформули- ровать основные положения проблемы в целом, назвав предвари- тельно составляющие, без которых ее нельзя решить, так как бу- дет получено заведомо далёкое от оптимального решение: а) обоснованность разведанных запасов нефти и газа; б) наличие промышленных баз, на которых будут создаваться необходимые для разработки месторождений технические сред- ства; в) наличие техники и технологий строительства и средств доставки добываемых продуктов к местам потребления; 4
г) транспортное обеспечение (доставка оборудования, техни- ки, материалов и т.д.); д) обеспеченность необходимыми специалистами: обустройст- во их быта как на берегу, так и в море; е) концепция развития общей проблемы. Отметим, что эти составляющие требуется иметь в виду и при освоении спорадически выхватываемых месторождений из обще- го их числа; будь то Штокмановское или Приразломное, или ка- кое-нибудь другое. А о так называемых «маргинальных» место- рождениях и говорить не приходиться. При разработке любого месторождения необходимо учитывать и те проблемы, которые придется решать по всем другим месторождениям по всем пере- численным пунктам. Только тогда затраты на реализацию как частных, так и общей проблемы могут быть минимальными. Это как раз и подтверждает тезис о том, что при решении любого частного вопроса приходится наталкиваться на необходимость рассмотрения проблемы в целом. Кратко охарактеризуем некото- рые из названных составляющих с точки зрения их влияния на проблему освоения морских месторождений нефти и газа. На данное время серьезные геологические работы по выявле- нию и обоснованию запасов нефти и газа проведены лишь в ак- ваториях Баренцева, Печорского и Карского морей [1]. Но это составляет лишь 15-20 % площади северных и тихоокеанских морей. Можно лишь предполагать, что в остальных морях (Лап- тевых, Восточно-Сибирском, Беринговом, Охотском) запасы нефти и газа не меньше, если не больше, чем в Баренцевом и Карском морях. Чтобы длительное время (десятки лет) выпол- нять геологоразведочные работы, требуется объединение ресур- сов как Газпрома, так и других компаний, поскольку никакой отдельно взятой компании это не по силам. Не менее значительным для освоения нефтегазовых ресурсов северных и дальневосточных морей является создание промыш- ленных баз, на которых будут производиться морские нефтегазо- вые сооружения, часто называемые просто платформами. Без них (баз) говорить о российском участии в освоении морских север- ных месторождений можно лишь в качестве покупателя и плат- форм, и технологий. Так что студентам МНГС, а впоследствии инженерам нужно внести свой вклад в развитие отечественных технологий. Заранее точно сказать, сколько нужно таких баз вряд ли воз- можно. Требуется обстоятельная проработка необходимости их создания и определения мест их размещения и количества; до- пустим, одна база обслуживает район Баренцева моря, другая - море Лаптевых и Восточно-Сибирское, третья - Чукотское море 5
и Берингово море и четвертая - Охотское море. Ориентируясь только на покупные платформы, серьезно говорить о быстром и даже медленном освоении нефтегазовых месторождений север- ных морей - нельзя. Уже сейчас необходимо научно обосновать виды и конструк- ции МНГС для различных ледовых условий и различных глу- бин, так как это существенно повлияет на параметры как закры- той акватории (площадь, глубина), так и сухих доков, необходи- мых для строительства МНГС. Что касается использования подводных модулей, (см. [1]), то их разработка как конструктивная, так и технологическая пока еще находится в стадии промышленного эксперимента (напри- мер, в условиях Северного моря). Если не начинать эти исследо- вания и у нас, то можно безнадежно отстать и заниматься в дальнейшем только закупкой и оборудования, и технологий. Осо- бое значение при создании промышленных баз имеет транспорт- ное обеспечение. К сожалению, транспортной системы на Край- нем Севере России практически нет; поэтому проблема доставки грузов и материалов в ближайшие годы будет одной из трудно решаемых частных проблем. Но решать её необходимо таким образом, чтобы была обеспечена доставка всех необходимых гру- зов к промышленным базам, на которых будут строиться стацио- нарные массивные МНГС и комплектоваться оборудование под- водных трубопроводов. А как строить подводные трубопроводы в условиях морей, покрытых льдом, не знают ни норвежцы, ни ка- надцы, ни мы. В условиях, подобных нашим, не отработана ни в научном, ни в опытном плане технология строительства и техни- ка для устройства траншей и укладки трубопроводов (земснаря- ды подводные и трубоукладочные суда ледокольного типа). Если иметь в виду, что создание нефтяных и газовых соору- жений на сухопутной территории дело очень сложное, то созда- ние такой нефтегазовой системы в условиях северных и дальне- восточных морей - многократно сложнее. Поэтому нужен опти- мизационный подход к решению морских нефтегазовых проблем: выбор и обоснование критериев оптимизации общей проблемы и её частных составляющих, оптимизация технологических схем транспорта нефти и газа, оптимизация конструктивных решений МНГС, способов и технологий их строительства в прибрежной зоне и открытом море. Автор выражает надежду на то, что студенты, ознакомившись с элементами основ технологии строительства МНГС, приведен- ными в данном учебнике, в дальнейшем смогут самостоятельно решать или принимать участие в решении проблем, связанных со строительством разнообразных МНГС. 6
Раздел ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА СТАЦИОНАРНЫХ И ПЛАВАЮЩИХ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОВЫХ СООРУЖЕНИЙ Глава 1 ВОПРОСЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА МНГС В учебнике [1] были рассмотрены вопросы, связан- ные с расчетным и конструктивным обоснованием практически всех существующих к настоящему времени форм МНГС. Пред- ставлены расчетные модели, даны понятия статической и дина- мической определенности, приведены основы расчета элементов МНГС на прочность и устойчивость, даны объяснения и методы определения внешних силовых воздействий на конструкции МНГС. Рассмотрена проблема обеспечения надежности МНГС и даны рекомендации по решению ряда задач, связанных с проч- ностью и надежностью МНГС. Все эти задачи и перечисленные проблемы решаются перед началом работ, связанных непосредст- венно с их практическим осуществлением. Поэтому в [1] и при- ведены необходимые материалы для решения задач, позволяю- щих выбрать форму МНГС, выполнить расчетные обоснования, связанные со статической и динамической определенностью МНГС и их элементов, а также задач позиционирования и ста- билизации положения и состояния МНГС. В части 2 учебника «Технология строительства» рассматри- ваются проблемы, связанные с практической реализацией созда- ния МНГС в конкретных условиях, т.е. решений, разработанных проектировщиками для конкретных МНГС. 7
§ 1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА» И ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТЕХНОЛОГИЮ Слово «технология» имеет происхождение от со- единения двух греческих слов - «техне» (мастерство, умение) и «логос» (слово, учение), т.е. «технологию» применительно к строительству вообще и к строительству МНГС в частно- сти, можно представить как учение об умении осуществлять задуманные конструктивные формы в реальном виде; так как одно из опорных слов означает ещё и «мастерство», то не про- сто осуществлять, но делать все с высоким качеством, мастер- ством. Имея в виду сказанное, обратимся к рассмотрению факторов, оказывающих основное влияние на технологию строительства МНГС. Перечислим, а затем и рассмотрим их составляющие, а также роль и значение в реализации проекта. 1. Место строительства. Под понятием «место строительства» имеется в виду место строительства как связанное с установкой МНГС в так называемой «точке» на месторождении или в при- брежной зоне, так и место изготовления отдельных блоков и элементов МНГС. Такой подход к определению понятия «место строительства» объясняется следующим образом. Допустим, что МНГС стационарного вида - гравитационное, т.е. изготавливае- мое из бетона или железобетона (фундамент и несущий блок) и металла и других стройматериалов - блок верхних строений. Допустим даже, что это МНГС должно устанавливаться где-то в акватории моря Лаптевых. Гравитационное МНГС массой 50- 100 тыс. т доставить к месту установки в условиях моря Лапте- вых хотя бы в полусборном виде крайне сложно. В то же время изготовление такого гравитационного МНГС где-нибудь рядом с местом его установки на прибрежной территории в современном состоянии берегов моря Лаптевых также представляет практиче- ски нерешаемую задачу. Нет ни строительной базы, ни инфра- структуры, необходимой хотя бы для обеспечения тех людей, которые будут заняты на строительстве. Вот и выходит, что ме- сто строительства ставит множество проблем, решать которые будет либо сложно, либо очень сложно. В то же время строи- тельство МНГС, например, в районе Баренцева моря, особенно его незамерзающей части снимает большую часть проблем: рядом находятся мощные судостроительные заводы, береговые условия позволяют создать с минимально возможными затратами закры- 8
тую акваторию, в которой даже гравитационную МНГС можно достроить практически полностью. На судостроительных заводах можно изготовить все необхо- димые металлические конструкции верхних строений; железная дорога позволяет доставить энергетическое оборудование, изго- товленное, например, на заводах Санкт-Петербурга. Ясно, что технология строительства и особенно установки МНГС на точку, технология прокладки подводных газо- и нефтепроводов для ус- ловий Баренцева моря и моря Лаптевых будут существенно от- личаться друг от друга. И это приходится учитывать как при разработке проекта строительства, так и при его реализации. 2. Время. «Время» включает в себя понятия: время (год, ме- сяц), в которое будет осуществляться строительство, и время, которое отводится проектом для выполнения всех работ - от начала и до конца строительства (один год, два года и т.д.). Для удобства изложения назовем время (год, месяц) временем х, а время длительности строительства - временем у. Допустим, что время х назначено на 2009 г., а время у ~ два года. Если за нача- ло отсчета взять январь 2008 г., то на все подготовительные ра- боты, связанные с изысканиями и проектированием, имеется все- го один год или несколько больше, если подготовка проекта должна завершиться не в январе 2009 г., а марте, июле и т.д. вплоть до 31.12.2009 г., т.е. до установленной какой-то выше- стоящей организацией или руководителем даты. Как будет вы- полняться такое решение, в данной книге мы обсуждать не бу- дем. А вот время у уже относится к материалам, которые рас- сматриваются в данной части. На выполнение всех работ отведе- но два года. Это также директивный срок и нас не касается, ис- ходя из каких условий он был определен. Однако технология строительства должна быть выбрана такой, чтобы строительство было завершено. Можно ли это сделать? Можно, если использовать все допус- тимые и, главное, необходимые технологические приемы строи- тельства. Например, изготовление железобетонного массива фун- даментного блока и МНГС в целом предполагает изготовление и укладку огромного количества бетона. Для того чтобы бетон на- брал хотя бы 75 % своей расчетной прочности, требуется приме- нение бетонной смеси предельно малого водоцементного отно- шения. Эта смесь практически не имеет видимой на улаз под- вижности, поэтому при ее укладке необходимо применение мощ- ных вибраторов. Такая технология позволяет в 2-3 раза умень- шить время набирания бетоном необходимой прочности, что для заданного времени у является определяющим. Если использовать высокое водоцементное отношение, то время выполнения бетон- 9
ных работ будет таким, что уложиться в период времени у ока- жется невозможным. Можно назвать и ряд других работ, время выполнения которых окажет существенное влияние на время у. Назовем одну из них - наличие базы строительства; одно дело, если она есть, а другое, если ее нужно создавать с нуля. 3. Строительная база. Понятие «строительная база» включает несколько производственных зон, расположенных на одном уча- стке прибрежной территории. Каждая из зон предназначена для выполнения технологических операций, связанных с изготовле- нием либо элементов МНГС, либо их блоков, либо МНГС в це- лом; в этой зоне производится, по-существу, сборка МНГС из готовых блоков. Наличие производственной базы совершенно необходимо для обеспечения строительного процесса с применением так назы- ваемых технологий. Поскольку на базе должны быть хорошо оборудованные производства бетона и железобетона, производст- во, связанное со сварочно-монтажными работами, с металличе- скими изделиями (трубы, стержни, стержневые блоки и т.д.) и др., то работы выполняются быстро и качественно, так как на базах должно устанавливаться самое современное оборудование. Между тем, уже имеются примеры попыток строительства МНГС без базового обслуживания «подручными» средствами и механизмами, без тщательной проработки технологических про- цессов. Результаты оказываются плачевными: наскоро приспособлен- ные старые баржи к роли трубоукладочных судов тонут, подвод- ные трубопроводы при укладке ломаются и т.д. Конечно, затраты на создание производственных баз велики, но и эффективность достигнутых качественных результатов тоже велика. Построен- ные МНГС работают надежно, быстро возвращают те средства, которые были вложены в создание баз. Имеется и еще одно об- стоятельство, оправдывающее создание производственных баз. Если уж начато строительства одного МНГС, то обязательно бу- дет строиться другое, третье и т.д. А один раз построенная база будет обслуживать все вновь начинаемые стройки. И самое глав- ное: при таком подходе непрерывно идет совершенствование тех- нологических приемов и растет мастерство работающих специа- листов. 4. Транспортное обеспечение. Из всех морей России только Балтийское, Каспийское и Азовское доступны для обеспечения производственных баз всем необходимым для строительных ра- бот: цемент, инертные материалы (щебень, песок), металл, основ- ное рабочее оборудование (силовые агрегаты, насосы, буровая техника и т.д.). Но, к сожалению, на этих морях пока не выяв- 10
ляются месторождения нефти и газа, способные в значительной мере повлиять на общий объем нефти и газа, добываемых в Рос- сии. Уже ясно, что добыча нефти и газа будет за счет месторож- дений Северных морей и Дальневосточных морей России. Но как раз именно к этим морям сухопутная допустимость практи- чески близка к нулю. Для того чтобы освоить нефтегазовые ме- сторождения, начиная от Карского моря и далее по Северному морскому пути вплоть до Японского моря, необходима работа этого пути хотя бы 6-7 мес в году. Однако существовавший не- когда Главсевморпуть, обеспечивающий всю транспортную рабо- ту на названном выше направлении, был расформирован. Посте- пенно пришли почти в разрушенное состояние порты, где можно было бы создать базы для строительства МНГС и на которых можно было бы создавать необходимые запасы материалов и оборудования. Ясно, что отсутствие нормального транспортного обеспечения и невозможность функционирования при этом строительно-монтажных баз существенно осложняет технологию строительства. Строить как стационарные, так и плавающие и подводные МНГС придется в тех районах, где такая база имеет- ся: в Норвегии, Корее, Шотландии и может быть удастся что-то сделать в районе Северодвинска и Мурманска. В этих местах будут собираться до состояния полной готовности блоки МНГС или МНГС полностью в сборе и доставляться к месту установки. Правда, при этом транспортные расходы могут оказаться сопос- тавимыми со стоимостью МНГС или, в лучшем случае, в два-три раза дешевле. Кстати, можно привести пример такого подхода к практической реализации: блок верхних строений весом в 22 тыс. т сооружен на производственной базе в Республике Корея (юж- ной) и был доставлен для установки на одну из платформ Саха- линских месторождений газа. Понятно, что технология в данном случае чрезвычайно проста: заказал, оплатил, получил. Но техно- логия осуществления строительных операций осталась не осво- енной российскими специалистами. Если бы были задействованы российские заводы, была бы освоена технология изготовления МНГС и можно было бы наладить серийное их производство. Из этого примера нетрудно понять, что создание баз и транспортных путей, по которым можно доставлять все необходимое для строительства МНГС, позволит принять любую из существую- щих технологий, в том числе и технологию полной готовности. 5. Оборудование. Под термином «оборудование» понимается оборудование, необходимое для обеспечения всех операций, свя- занных с работой МНГС как морских объектов, так и с работой добычного комплекса, установленного на самой МНГС и зоне обеспечения (сбора, первичной обработки и транспорта добывае- 11
мой нефти и газа). На северных и дальневосточных морях Рос- сии 8-10 мес в году существуют условия, при которых не только люди испытывают трудности в вопросах жизнеобеспечения, но и техника, и оборудование нуждаются в защите от слишком низкой температуры (до -50 °C), от воздействия льдов, штормовых воз- действий, сейсмических воздействий. Учитывая труднодоступ- ность мест, где должны работать МНГС, необходимо использо- вать при строительстве такие материалы, технику и оборудова- ние, чтобы срок их безремонтной службы, по крайней мере, ох- ватывал весь период экстремальных условий. Все эти особенно- сти работы оборудования и с оборудованием требуют примене- ния и особой конструктивной формы и технологии строительст- ва МНГС. Оборудование и технологические процессы должны быть защищены укрытиями, кожухами и другими формами за- щиты от внешних воздействий. Это, конечно, усложняет техно- логический процесс строительства, но он неизбежен, если речь идет об освоении нефтегазовых месторождений в условиях Се- верных морей России. Говоря об оборудовании, нельзя не затро- нуть проблему подводного обустройства месторождений. Об этой проблеме сейчас так много говорят, что создается впечатление о доступности и легкости такой технологии обустройства. На са- мом деле это не так. Энергообеспечение и управление объектами подводной технологии даже для морей, свободных от мощных ледяных покровов, пока еще не освоены. А что уж говорить об отдаленных морях, таких как Лаптевых, Восточно-Сибирском, даже Карском, вблизи которых нет источников для подачи элек- тричества по кабелю. В зимний период какое-либо вмешательст- во обслуживающего персонала практически невозможно. Поэто- му говорить о подводных МНГС, недоступных для непосредст- венного контакта персонала, нужно крайне осторожно. Однако создавать новые технологии хотя бы виртуально имеет смысл. Но нужны соответствующие условия для проведения научных, исследовательских и практических работ сначала в благоприят- ной для работ морской акватории. Такой акваторией можно счи- тать Каспийское море, Черное и Азовское моря и в какой-то ме- ре Балтийское море. 6. Подготовка квалифицированных специалистов: рабочих, техников, инженеров, руководителей производства. Это на сегодняшний день, пожалуй, одна из самых трудных проблем, связанных со строительством МНГС различного назна- чения и форм и, естественно, с разработкой и практическим вне- дрением в производство новых технологий строительства, транс- портировки от мест изготовления и установки МНГС на рабочую точку. 12
Дело заключается в том, что технология создания МНГС (от начала строительства до начала эксплуатации) требует самых разнообразных специалистов во всех областях инженерной дея- тельности. Это практически то же самое, что и освоение космоса, только не для полётов в безвоздушное верхнее пространство, а тоже безвоздушное, но нижнее, а точнее подводное. Трудно даже перечислить те специальности, которые должны участвовать в решении проблем освоения морских нефтегазовых месторожде- ний. Это специалисты широкого профиля, способные предста- вить, выполнить предпроектную оценку создания комплекса ра- бот на нефтегазовых месторождениях, хорошо знакомых с техно- логией строительства, проведением морских операций с МНГС, установкой МНГС на месте работ, проведением буровых работ и введением МНГС в режим эксплуатации. Этим требованиям на сегодняшний день отвечают специалисты, окончившие обучение по специальности «Морские нефтегазовые сооружения». А далее можно называть любых специалистов, все они найдут свое место в работе над созданием новых технологий освоения морских ме- сторождений нефти и газа. Прежде всего, это кораблестроители, энергетики, электротехники, метеорологи, кораблеводители, спе- циалисты по локальному мониторингу, строители общего профи- ля, водолазы и т.д. Только соединив усилия представителей всех названных специальностей, используя самые современные техно- логии, можно освободиться от сильнейшей зависимости от за- граничных компаний и привлекать их к делу по мере необходи- мости на взаимовыгодных условиях. 7. Материальные и денежные ресурсы. Этот вопрос к техно- логии строительства МНГС прямого отношения не имеет, так как деньги не распределяют инженеры-специалисты. Поэтому что-либо сказать о роли денег в технологии строительства автор не может, кроме одной фразы: без финансирования ничего из сказанного в п. 1-6 осуществлено быть не может. И освоение морских нефтегазовых месторождений будет отложено на далё- кое будущее. А может быть это и неплохо, поскольку те запасы, которые останутся в недрах морей России, это и есть фонд бу- дущих поколений. § 1.2. ВИДЫ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МНГС И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ Как было показано в работе [1], строительство МНГС требует выполнения столь большого количества разнооб- 13
разных работ, что даже простое их перечисление заняло бы весь объем не только данной книги, но и еще несколько таких же объемов. Поэтому при рассмотрении технологии выполнения работ на МНГС, мы руководствовались особенностью подготовки инженеров по специальности «Морские нефтегазовые сооруже- ния». Те виды работ, которые выполняются в нефтяной и газо- вой промышленности, весьма многообразны и имеют особую специфичность, заключающуюся в том, что сооружения работа- ют, как правило, с огнеопасными продуктами (нефть, газ и т.п.) и при высоком давлении (до 100 атм и более). Однако все эти сооружения расположены на сухопутной территории, легкодос- тупны как для производства строительно-монтажных работ, так и для обслуживания в период эксплуатации. Имеется возможность в случае аварийных ситуаций быстро устранить их последствия. Поэтому «специалистам-сухопутникам» достаточно знать правила и технологические процедуры работ в достаточно благоприятных условиях, хотя, конечно, имеются и здесь трудности, связанные с особенностями местности (горы, пустыни, болота и т.д.). Для то- го чтобы проектировать и строить МНГС, необходимы специали- сты более высокого уровня подготовленности к их выполнению. Кратко поясним, в чем заключается обоснованность такого утверждения. Как уже было отмечено в [1], МНГС размеща- ются в двух средах: на сухопутной территории (1-я среда) и в морской акватории (2-я среда). Соответственно, специалисты по МНГС должны иметь полное представление как о работах, выполняемых на суше (1-я среда), так и в морских акваториях (2-я среда), т.е. 1-я среда требует знания всего того, что знает «специалист-сухопутник», а 2-я среда - совершенно других зна- ний, связанных с работами, выполняемыми в условиях открытого моря, т.е. работами, которыми «специалист-сухопутник» не вла- деет. Ранее мы отметили, что специалист по морским нефтегазо- вым сооружениям должен иметь представление о видах работ. Гораздо важнее, чтобы он хорошо знал технологию их выполне- ния. К сожалению, из-за огромного количества видов работ ска- зать, что он будет все их досконально знать, нельзя. Но иметь представление о всех крупных блоках и элементах технологий строительства, влиянии хода их выполнения в разных блоках на проведение общего процесса строительства от начала до конца - обязательно. Можно сказать, инженер по специальности «Мор- ские нефтегазовые сооружения» должен быть специалистом, ко- торый представляет и понимает весь процесс строительства МНГС от начала до сдачи объекта в эксплуатацию. Конечно, из- за многообразия видов работ он не может знать полностью и подробно глубинную их суть. И в этом случае он должен опре- 14
делить, какие специалисты нужны, дать им технические и техно- логические задания и определить условия, в которых будут рабо- тать те или иные агрегаты и оборудование, а также их предельно допустимые объемные размеры. Имея в виду сказанное, в дан- ной части учебника принят такой подход к изложению материа- лов по технологии строительства МНГС, который позволит спе- циалисту по МНГС свободно ориентироваться в процедуре, на- зываемой «технология строительства МНГС». Приведены лишь крупные блоки и операции, в процессе рассмотрения которых приводятся данные о материалах, оборудовании и технологиче- ских средствах и условиях, выполнение которых требует привле- чения специалистов и компаний, занимающихся производством в отраслях, непосредственно не имеющих отношения к МНГС (машиностроение, авиация, кораблестроение, буровое оборудова- ние, металлургия и т.д.). Приведем далее краткую характеристику работ, выполняемых при строительстве МНГС. Прежде всего отметим два принципи- ально отличных друг от друга района их выполнения; сухопут- ный (1-я среда) и морской (2-я среда). В каждом из этих рай- онов один и тот же вид работ требует различной техники и тех- нологии. Даже время их производства будет как по продолжи- тельности, так и по календарному времени (даты начала или окончания работ) различными. Земляные работы производятся как на суше, так и на море. На суше земляные работы выполняются землеройными машина- ми: экскаваторами, бульдозерами. В условиях открытого моря обычная техника не нужна, особенно на больших глубинах. По- этому разрабатывается и применяется специально для больших глубин моря техника и технология разработки подводных котло- ванов и траншей, технология выравнивания площадок под водой и отсыпки грунта: подводные буровые машины, подводные зем- леройные машины, траншеекопатели и др. Эти машины работают без присутствия на них человека, управление ими осуществляет- ся дистанционно, иногда с применением подводного телевидения. Под водой сказывается влияние волнового процесса, который засыпает только что вырытые котлованы и траншеи. Поэтому приходится разрабатывать на практике специальные технологии, например, совмещая устройство траншеи с укладкой подводного трубопровода. Все эти работы могут быть выполнены только специалистами, владеющими технологией подводно-технических работ, которые изучаются студентами в курсе «Подводно- технические работы». Отсыпка различных земляных подводных сооружений из грунта - очень сложная технологическая проце- дура, требующая знания теории и практики ее выполнения. 15
Грунт, отсыпаемый в воду, уносится в сторону от расчетного места укладки течением. Приходится применять гибкие шланги диаметром до 1 м, в которые засыпается грунт, доставляемый баржами. Разрабатываются и строятся специальные, так назы- ваемые, земснаряды, грунтонасосы, гидромониторы, землечерпал- ки. Ими нужно управлять, добиваясь выполнения земляных ра- бот именно на том месте, где будет устанавливаться фундамент МНГС. Только из этого перечня видно, насколько сложнее и ме- ханика, и технология производства земляных работ под водой. Каменные и бетонные работы широко применяются при под- водном строительстве. Из камня устраивают острова, дамбы, ог- раждения и т.д. На первый взгляд технология укладки камня в воду проста: нужно отсыпать камень в воду и все. На самом деле отсыпка камня должна быть произведена так, чтобы тело остро- ва или дамбы сформировалось из каменных частиц различного размера, уложенных в определенной форме. Для этого разрабо- таны соответствующие технологии. Отметим снова, что контроль за качеством отсыпки камня может производиться только с по- мощью телевидения и водолазов. Это совершенно особый вид деятельности. Поэтому мы кратко охарактеризуем особенности водолазных работ. Водолазные работы являются видом деятельности, позволяю- щей человеку производить работы на различных глубинах воды. Сразу же отметим, что водолазы-производственники - это не любители подводного плавания в легких водолазных костюмах. Для подводных работ используется специальное водолазное сна- ряжение, обеспечивающее водолазу защиту от механических воз- действий при столкновении с металлическими конструкциями, арматурой, острыми предметами. Труд водолаза очень тяжел и опасен. Поэтому использовать труд водолаза нужно в тех случа- ях, когда без него нельзя обойтись. Многие считают, что доста- точно водолаза опустить к месту подводно-технических работ, и станет ясно, как выполнены работы. Автор сам работал инжене- ром-водолазом (было такое звание) и поэтому не с чужих слов знает, что может и чего не может сделать водолаз под водой. Можно утверждать, что в мутной воде на глубине 8-10 м водо- лаз не видит ничего, даже на расстоянии вытянутой руки. По- этому контролирующая деятельность водолаза может быть эф- фективной только в чистой воде. Например, если ведутся под- водные земляные работы, то в момент их проведения водолаз рядом с ними делать ничего не может и, самое главное, его мо- жет засыпать грунтом или сильно ударить камнем, если ведутся каменные работы. Подробно основы водолазного дела студенты специальности «Морские нефтегазовые сооружения» изучают в 16
курсе «Водолазное дело». Сразу же подчеркнем: ни один инже- нер, осуществляющий руководство работами на МНГС в откры- том море, не может не знать основы водолазного дела. Мало то- го, он должен сам (если позволяет здоровье) осуществить не- сколько рабочих погружений под руководством опытного водо- лазного специалиста. Погружение должно быть именно рабочим, а не прогулочным, т.е. инженер должен самостоятельно выпол- нить работы, например, обследование объекта, руководство из- под воды укладкой трубопровода и т.д. Это навсегда избавит специалиста от желания в любом случае воспользоваться водола- зами, если в этом нет действительной необходимости. Огромный объем работ при строительстве МНГС выполняет- ся на так называемой береговой базе, где изготовляются, собира- ются в блоки и перемещаются с берега на морскую акваторию МНГС как стационарные (гравитационные), так и плавающие. Наиболее трудоемкими являются работы по изготовлению бе- тонных и железобетонных конструкций МНГС, устанавливаемых на дно моря. Для стержневых и плавающих МНГС наиболее ем- кими являются работы с металлоконструкциями. Технология бетонных и железобетонных работ заключается в последовательном производстве ряда специфических работ: устройство так называемой опалубки, создающей необходимую конфигурацию сооружения в целом и отдельных его элементов; раскладка и соединение в каркас (сварной) арматурных стерж- ней; изготовление так называемой бетонной смеси и укладка её в объемы, образованные опалубкой. Эти операции требуют знания исполнителями соответствующей технологии. Поскольку разме- ры и объемы гравитационных МНГС достигают 10-15 тыс. м2 в плане и нескольких десятков тысяч тонн веса, весьма актуаль- ным является такая организация последовательности отдельных элементов технологии, которая позволит выполнять сразу же все перечисленные виды работ. Хотелось бы обратить внимание чи- тателя на то, что гравитационные МНГС имеют такую форму и конструктивные решения, которые позволяют, например, 80-100- тысячетонные МНГС ставить «на воду» и транспортировать их по воде буксирами. Широкое распространение стационарных платформ стержне- вой конструкции обусловило необходимость выполнения боль- шого объема работ с металлоконструкциями: резка профильных стержней (труб, двутавров, швеллеров, уголков), резка металли- ческого листа, сварка этих элементов в плоские решетки, про- странственные конструкции. Эти работы выполняются с исполь- зованием технологической последовательности, обеспечивающей создание стержневых МНГС от стержней и металлического листа 17
до готовой пространственной конструкции стержневой МНГС. Размеры этих конструкций достигают нескольких десятков мет- ров как в плане, так и по длине. Подробно технология сварочно- монтажных работ дается в курсе «Сварка морских нефтегазовых сооружений», поэтому в данной части учебника она не рассмат- ривается. Очень важным видом работ на береговой базе являются так называемые монтажные и такелажные работы. Основу монтаж- ных работ составляет сборка подготовленных элементов (размер- ные стержни, трубы с фасонной обработкой концов, плоских ре- шеток и т.д.) в большие пространственные конструкции. Эти ра- боты требуют использования грузоподъемных кранов, способных перемещать тяжеловесные изделия на большие расстояния и вы- соту. При составлении технологической схемы монтажных работ приходится решать такие задачи, как наиболее рациональное распределение зон, на территории которых производится опреде- ленный вид работ. Оптимизация распределения зон, расстановки монтажных кранов позволяет не только выполнять весь ком- плекс работ по строительству МНГС на береговой территории, но и делать их с минимальными материальными затратами и со- кращением сроков строительства. Важным и очень сложным процессом в технологии выполне- ния на береговой базе является работа по перемещению крупных блоков МНГС как на территории базы, так и при погрузке их на баржи или спуске на воду. Все эти перемещения составляют ос- новной объем так называемых такелажных работ. Чтобы пред- ставить их сложность, назовем лишь одну процедуру - переме- щение стержневой конструкции с берега на баржу; вес конструк- ции при этом может достигать десяти тысяч тонн и более. При- ходится разрабатывать оригинальные технические решения по выполнению такелажных работ с использованием мощных тяго- вых лебедок. На береговой базе выполняются работы не только связанные с изготовлением тяжеловесных металлических и железобетонных блоков МНГС, но и с сооружением и оснащением высокотехно- логического оборудования так называемыми верхними строения- ми, в которых сосредоточивается оборудование, всевозможная техника, обеспечивающая работоспособность и жизнеобеспечение МНГС в эксплуатационный период. Это и буровая техника, и системы динамического проецирования МНГС, удержания их на месте работ (лебедки, якорные системы). Второй составляющей технологического процесса строитель- ства МНГС является собственно морская часть: работы, выпол- няемые непосредственно на море, как на его поверхности, так и 18
на глубине. Вот только краткий перечень их - водолазные рабо- ты, подводно-технические работы, буксировка МНГС от берего- вой линии до места установки на точку, процедура установки, обслуживание МНГС в период эксплуатации. Как уже было отмечено, водолазное дело - это особая форма работ, выполняемых водолазами; здесь мы лишь ещё раз под- черкнём не столько их важность и сложность, сколько их опас- ность для жизни водолазов. Подводно-технические работы - все без исключения работы, выполняемые под водой как с помощью водолазов, так и без них. Особенностью таких работ является визуальная недоступность контроля за качеством их выполнения, тем более, если работы ведутся на большой глубине. Конечно, используются различные системы контроля (непосредственное измерение расстояний, телевидение, эхолотирование и т.д.), но тем не менее не всегда удается обеспечить точность выполнения проектных решений. Остановимся на характеристике (краткой) чисто морских ви- дов работ или, как их называют, морских операций. Буксировка ~ это транспортировка на воде полностью собран- ных блоков или МНГС целиком с помощью морских судов, на- зываемых буксирами. Подбор буксиров, их расстановка - это дело морских специалистов, моряков. Нефтегазовые «моряки» должны иметь общие сведения о способах буксировки, поскольку они вместе с морскими специалистами осуществляют как проек- тирование морской операции, так и ее осуществление. Установка на дно или закрепление с помощью якорной сис- темы - это тоже чисто морская технология. Расстановка якорей, раскладка якорных цепей, натяжение их с помощью буксиров и лебёдок на так называемых якорезаводчиках осуществляется строго по проекту, составляемому также с привлечением мор- ских специалистов. Сама процедура установки МНГС на дно - очень важная часть технологии их строительства, от ее правиль- ного и быстрого выполнения зависит обеспечение надежной эксплуатации МНГС. Быстрота установки необходима из-за воз- можного изменения состояния погоды и моря. Если внезапно поднимается ветер, так же внезапно на море могут образоваться волны, и на этом операция по установке МНГС может надолго остановиться. В заключение данной главы мы отметим, что прочтение ее да- ет студентам общее представление о многообразии видов работ и морских операций, которые необходимо произвести прежде, чем начнется собственно работа, связанная с бурением скважин, ус- тановкой подводных добывающих комплексов и оборудования, обеспечивающего добычу нефти или газа. 19
Глава 2 ЗЕМЛЯНЫЕ И КАМЕННЫЕ РАБОТЫ Все опирающиеся на дно морские нефтегазовые со- оружения (МНГС) можно представить в виде двух групп соору- жений: удерживаемых на дне в состоянии статической и динами- ческой определенности за счет сил гравитации (1-я группа) и удерживаемых в тех же определенностях за счет закрепления с помощью различных закрепляющих систем (2-я группа). МНГС 1-й группы должны иметь вес, обеспечивающий по площади контакта нижней плоскости МНГС с грунтом основа- ния сил, достаточных для удержания сооружения на дне. МНГС 2-й группы должны иметь положительную плавучесть, а основная часть сил удержания МНГС в необходимом положе- нии обеспечивается реакциями элементов системы удержания. Поэтому собственный вес МНГС 2-й группы, как правило, суще- ственно меньше, чем вес сооружений 1-й группы, устанавливае- мых на одинаковых глубинах. Учитывая сказанное, далее бу- дут рассмотрены технологии строительства МНГС, опирающихся на дно, в такой последовательности - 1-я группа, а затем 2-я группа. При строительстве МНГС, устанавливаемых на дно с услови- ем длительной или постоянной работы, для создания необходи- мой формы сооружения в целом, его блоков и элементов [1], а также обеспечения необходимой массы (при отрицательной пла- вучести всего МНГС), приходится выполнять большое число работ различного вида. Перечислим основные из них: земляные на прибрежной территории; земляные под поверхностью воды; работы со рваным и мерным камнем; бетонные работы в сухом доке или на прибрежной территории; бетонные работы в подвод- ном положении; монтажные работы с трубами различного диа- метра, а также с листовым металлическим прокатом, отделочные работы. Кроме перечисленных работ выполняются специальные рабо- ты: всплытие части или всего МНГС, установка и соединение блоков, исследование плавучести и остойчивости МНГС, прове- дение испытаний при креновании; выведение блоков или всего МНГС из дока; подъем блоков и сборка формы МНГС; транс- портировка на плаву части или всего МНГС; транспортировка блоков на специальных судах (баржах); опускание МНГС на дно и стабилизация его положения. Для сооружений МНГС 2-й группы кроме перечисленных ра- бот выполняются работы по устройству фундаментов блочного 20
вида или свайных фундаментов; соединение опорных частей платформ с фундаментной, установка с помощью кранов верхне- го строения платформы. Рассмотрим далее технологию выполнения основных видов работ при сооружении МНГС, относящихся к обеим группам, т.е. выполняемым при строительстве сооружений как 1-й, так и 2-й групп. § 2.1. ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ НА ПРИБРЕЖНОЙ ТЕРРИТОРИИ Земляными называются работы, связанные с созда- нием различного рода котлованов, траншей в грунтах естествен- ного залегания, а также работы по отсыпке разрыхленного грунта при создании плотин, дамб, откосов, подсыпок грунта под раз- личные сооружения. К прибрежным будем относить территории, находящиеся вы- ше уровня моря, начиная от линии уреза воды. Поэтому земля- ные работы на прибрежной территории выполняются с исполь- зованием обычной сухопутной землеройной техники: экскавато- ров одно- и многоковшовых, бульдозеров, специальных транс- портных машин для привозки грунта. На рис. 2.1 показана схема земляных работ, выполняемых в прибрежной зоне. Допустим, что необходимо подготовить две площадки на уровнях I и II для размещения на них различных нефтегазовых сооружений, на- пример, насосной или компрессорной станции, резервуаров для хранения нефти или газгольдеров для хранения газов. Кроме то- го, будем иметь в виду, что необходимо устроить причальную стенку для швартовки танкеров или газовозов. В этом случае, как видно из рис. 2.1, работы будут выполняться как слева от уреза (точка 0), так и справа. Слева - это будут бетонные работы по созданию стенки 1 и земляной отсыпки в воду 2; справа - земляные работы на прибрежной (сухопутной) территории: под- сыпка грунта 3 до уровня I; выемка грунта и планировка площа- ди 4 на уровне I, переходные работы от уровня I к уровню II, выемка грунта и планировка площадки на уровне II. В данном параграфе мы остановимся на рассмотрении земляных работ справа от уреза, т.е. на прибрежной территории. Поскольку уро- вень воды 0 находится ниже уровня обеих площадок, то работы будут выполняться насухо. Это очень важное обстоятельство, так как переработка сухого грунта (рытье экскаваторами, планировка бульдозером, перевозка грунта самосвалами) по сравнению с во- донасыщенным грунтом намного проще. 21
Рнс. 2.1. Схема выполнения земляных работ Разработка котлованов Разработка котлованов (котлованами называют вы- емки грунта ниже какой-либо поверхности) производится экска- ваторами различного вида: одноковшовый - прямая лопата, одноковшовый - обратная лопата и драглайн. Как видно из рис. 2.2, а, на котором показана схема работы экскаватора с «прямой лопатой», экскаватор работает на дне котлована, разра- батывает грунт, двигаясь вперед, и погружает грунт в самосвал, находящийся сзади. Экскаватор с ковшом «обратная лопата» ра- ботает на поверхности, забирая грунт из котлована, перемещаясь назад (рис. 2.2, б). Грунт из ковша высыпается в самосвал, нахо- дящийся сбоку или позади экскаватора. Наконец, экскаватор, 22
Рис. 2.2. Выполнение земляных работ экскаваторами называемый «драглайном» (рис. 2.2, в), представляет систему, обеспечивающую забор грунта ковшом, закрепленным с помощью тросов. Экскаватор работает на поверхности грунта, отступая на- зад и забирая грунт из котлована. Экскаватор «прямая лопата» может разрабатывать котлован на глубину до 6-7 м, если в котловане нет воды. Большая глуби- 23
на разработки за один заход может привести к обрушению боль- шой массы грунта и даже засыпки части экскаватора. Экскаватор «обратная лопата» забирает грунт «из-под себя», что не позволяет ему за один заход разрабатывать котлован на глубину более 3 м; в противном случае может произойти обру- шение грунта и даже сползание или обвал экскаватора в котло- ван. Если при работе «прямой лопаты» котлован должен быть сухим, то «обратная лопата» может работать, если в котловане имеется вода. Экскаватор «драглайн» вследствие того, что его ковш может изменять длину выброса (поскольку ковш перемещается с помо- щью тросов), способен разрабатывать с одного захода котлован глубиной до 10 м. Однако при этом необходимо следить (заранее рассчитать) за тем, чтобы экскаватор не находился в зоне воз- можного обрушения грунта. Расчет этой зоны с учетом характе- ристик экскаватора может быть выполнен по рекомендациям, содержащимся в учебнике [2]. Охарактеризуем далее основное условие, выполнение которо- го необходимо при устройстве котлованов. На рис. 2.3 показана схема котлована, ширина (или длина) котлована по дну В, отко- сы котлована могут иметь различный угол наклона а в зависи- мости от физико-механических характеристик грунта. При этом полуширина котлована на поверхности в зависимости от величи- ны угла откоса а изменяется от 0,5 В (вертикальный откос) до «1, а2, а3, . Ясно, что чем меньше будет а, тем меньше будет объем котлована; значит меньше будет и объем земляных работ, меньше будет их стоимость. Однако нельзя забывать о том, что крутизна откоса, которая может сохраняться длительное время, зависит от свойств грунта. Поэтому устойчивость откосов долж- на быть обязательно рассчитана по теории расчета устойчивости Рис. 2.3. Схема котлована с различным наклонением откосов 24
грунтов, например, с использованием метода круглоцилиндриче- ских поверхностей и др. [2]. Если этого не делать, то откос в какой-либо момент может обрушиться и при большой высоте h засыпать или даже разрушить возводимое в котловане сооруже- ние. Самое страшное, что при этом могут пострадать и даже по- гибнуть люди. Устройство насыпей Насыпи, а также различного рода отсыпки грунта устраиваются в следующих основных случаях: устраивается грунтовая насыпь определенного профиля; производится подсыпка грунта под какое-либо сооружение; производится выравнивание поверхности грунта. Рассмотрим последовательно каждый из видов насыпей. Профилированная насыпь устраивается при строительстве ог- раждающих сооружений или дорожных оснований на слабонесу- щих грунтах или обводненных грунтах. Грунтовые насыпи имеют, как правило, трапецеидальную форму абвг (рис. 2.4). Размер насыпи по верху А определяется в зависимости от назначения насыпи. Если это дорожное полотно, то значение А определяется как размер, при котором возможен двусторонний проезд транспорта, имеющего небольшие габариты по ширине. Если насыпь предназначена для ограждения какого- либо участка территорий для защиты его от внешних воздейст- вий, то значение А определяется из условий обеспечения нераз- рушаемости и устойчивости насыпи. При этом углы наклона откосов и а2 должны быть меньше угла внутреннего трения грунта ср. Так, если насыпь должна обеспечить защиту участка территории от воздействия воды (см. рис. 2.4), то должна Рнс. 2.4. Грунтовая насыпь ограждения 25
быть рассчитана устойчивость насыпи на сдвиг, а также опреде- лено положение кривой депрессии mmt. Чтобы вода не выходила за пределы тела насыпи, точка m-t должна находиться в насыпи. Методика расчета фильтрационного потока и определение поло- жения кривой депрессии приведены в учебнике [2]. Подсыпка грунта под сооружениями называется «подушкой». Подушка устраивается наиболее часто из песчаных грунтов и служит для равномерной передачи давления от сооружения на естественное грунтовое основание. Кроме того очень важно, что нижняя поверхность самого сооружения опирается на подушку, которая обеспечивает равномерность реакции по этой поверхно- сти. На рис. 2.5, а приведена схема «подушки», отсыпаемой под резервуары для хранения нефти. Размеры подушки в плане зави- сят от размеров сооружения, в данном случае - резервуара. Вы- сота h зависит от ряда факторов: физико-механических характе- ристик грунта, давления от резервуара (или другого сооружения) а 26
на подушку, допускаемого давления на грунт основания. В каче- стве примера можно привести схему размещения резервуара для нефти вместимостью 30 000 м3, примененную на Балтийской трубопроводной системе в районе Приморска (рис. 2.5, б). Тол- щина подушки 3,5 м. Такой размер подушки позволяет обеспе- чить равномерность распределения осадки по всей площади днища резервуара (или другого сооружения). Выравнивание поверхности грунта осуществляется обычно бульдозерами или скреперами. Весь срезаемый грунт использу- ется для засыпки неровностей естественной поверхности грунта. Рассмотрим далее технологию устройства насыпей. Технологическая схема устройства насыпей включает сле- дующие операции: разработку грунта в карьере (карьером называют место, где забирается грунт для насыпки); доставку грунта для насыпи к месту ее сооружения; подготовку основания под насыпь; установление знаков разбивки, осуществляемой с помощью геодезических инструментов, определяющих границы насыпи, центральную ее ось и оси, ограничивающие нижние границы (края) насыпи; послойную отсыпку грунта насыпи с уплотнением каждого слоя; отделку откосов и тщательную планировку поверхности на- сыпи с использованием геодезических методов. Прежде чем начинать разрабатывать грунт в карьере, произ- водится определение его физико-механических характеристик с целью проверки их соответствия проектным (расчетным). Дело в том, что для насыпей должен использоваться грунт, способный выполнять функции, определенные проектом для конкретной насыпи. Так, для устройства подушек под резервуа- ры используется крупнозернистый песок; для водозащитных на- сыпей (дамб) - грунт, содержащий глинистую фракцию (сугли- нок, супесь); для насыпей под дорогу - нижняя часть насыпи - любой грунт, кроме торфа, а верхняя часть - песок. Разработка карьера производится по схеме, приведенной ра- нее для устройства котлованов. Разрабатываемый грунт доставляется к месту отсыпки само- свалами большой грузоподъемности. Отсыпка насыпи начинается с первого слоя высотой 1-2 м (в зависимости от вида грунта); отсыпка ведется полосами шириной 3-5 м в зависимости от гру- зоподъемности самосвала. Параллельно могут отсыпаться не- сколько полос, образуя сразу довольно широкую полосу первого слоя /, (рис. 2.6) или полностью на всю ширину первого слоя. По 27
мере увеличения площади первого слоя начинается его плани- ровка бульдозерами. Одним из важнейших элементов технологии отсыпки насыпи является придание грунту необходимых физико-механических характеристик. Дело в том, что свеженасыпанный грунт имеет рыхлую структуру; пористость его намного больше, чем для грунта, находящегося в естественном состоянии. Поэтому в про- цессе отсыпки каждого слоя производится уплотнение насыпае- мого грунта. Первоначальное уплотнение слоев грунта происхо- дит при движении по ним самосвалов, подвозящих грунт, и бульдозеров, разравнивающих поверхность отсыпаемых слоев грунта. Однако достижение необходимой плотности грунта толь- ко за счет самосвалов и бульдозеров не всегда возможно. Следу- ет иметь в виду, что песчаные и глинистые грунты уплотняются различным образом при действии одной и той же уплотняющей нагрузки. Песчаные грунты хорошо уплотняются под воздейст- вием динамических нагрузок. В качестве механизмов, создающих такие нагрузки, можно использовать вибрирующие катки (рис. 2.7, а), вес которых может составлять 2-3 т. На поверхности кат- ка 1 имеются острые выступы. Каток буксируется трактором с помощью тяги 2. Кроме вибрирующего катка можно применять малозарядные взрывы. Их можно производить после отсыпки 3-4 слоев (рис. 2.7, б). Заряды взрывчатого вещества (ВВ) закла- 28
Заряды ВВ Рнс. 2.7. Возможные схемы уплотнения грунтовой отсыпки дываются уже при отсыпке первого слоя. Проводная система подсоединяется к зарядам, и взрыв производится после отсыпки 3 или 4-го слоев. Как показывает опыт при взрыве в свежеотсы- панном песчаном грунте, он уплотняется на 15-20 % от началь- ного объема. Пористость грунта при этом уменьшается, а плот- ность увеличивается. Глинистые грунты слабо реагируют на динамические нагруз- ки. Поэтому их уплотняют статическими нагрузками. Уплотняет- ся глинистый грунт с помощью тяжелых катков (до 10 т), а тол- щина слоя уплотняемого грунта не должна превышать 2 м. § 2.2. ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ НА ОБВОДНЕННОЙ ТЕРРИТОРИИ (ПОДВОДНЫЕ РАБОТЫ) Подводные земляные работы при строительстве МНГС приходится выполнять как в прибрежной части аквато- рии, так и в отдалении от береговой линии. К земляным подводным работам относятся: планировка участков дна; устройство котлованов; рытье траншей для подводных трубопроводов; 29
отсыпка грунта в воду при возведении грунтовых соору- жений. Рассмотрим основные способы выполнения этих работ. 1. Планировка дна Планировка дна производится при подготовке по- верхности грунта к установке МНГС, опирающихся на дно. Формы сооружений, опирающихся на дно, были приведены в [1]. Размер планируемых площадей определяется размером площади опорной поверхности МНГС; при этом размеры планируемой площади в плане должны быть на 0,5-1,5 м больше размеров площади нижней поверхности МНГС. Планировка участка дна может производиться с помощью подводных, управляемых с по- верхности моря по кабелю, бульдозеров; различного рода земсна- рядами (многоковшовыми, одноковшовыми, гидромониторами).. Контроль за соответствием высотных отметок и плановых разме- ров планируемой площадки осуществляется с помощью эхолотов, замерами лотами (маркированный трос с грузом на конце), под- водными телевизионными аппаратами. Если полностью выровнять площадку не удается, например, если в пределах площадки имеются углубления, то планировка в пределах углубления производится за счет отсыпки грунта с по- верхности воды. 2. Устройство котлованов Котлованы устраивают в тех случаях, когда подош- ва МНГС (нижняя поверхность) должна находиться ниже есте- ственной поверхности дна. Ниже приводится несколько приме- ров, иллюстрирующих случаи, в которых необходимо устройство котлованов. На рис. 2.8 показана причальная стенка 1, устанавливаемая в приурезной зоне; ее подошва бв (по требованию проекта) должна находиться на глубине с нулевой отметкой. Котлован для разме- щения стенки 1 устраивается в форме трапеции абвг на подвод- ном откосе аде. Стороны аб и вг наклонены к горизонту под уг- лами оси и аг, что обусловлено физико-механическими характери- стиками грунта. Выемка грунта из котлована абвг производится с помощью плавающих землечерпалок (многоковшовых, одноков- шовых). Следует отметить, что земляные работы в приурезной зоне требуется производить очень быстро, так как при возникно- вении волн котлован может быть быстро засыпан и потребуется повторная разработка грунта. Рис. 2.8. Очертания котлонана при устройстве подпорной стенки Практически одновременно с разработкой котлована устанав- ливаются блоки стенки (рис. 2.9). Разработка грунта производит- ся землеройным снарядом (земснаряд) 6, направление движения которого показано на рисунке; сразу же после разработки участка /к котлована 5 производится установка блоков 2 стенки 4 с по- мощью крана 3. Блоки доставляются к месту укладки баржой 1. Котлован больших размеров разрабатывают в прибрежной зо- не для создания закрытого дока (емкости), в которых сооружа- ются МНГС, которые будут выводиться в море на плаву. На рис. 2.10 показана схема такого котлована. Котлован 1 разрабатывается в пределах, очерченных линиями абвг в приурезной части. Внутри котлована устраивается бетон- '^^^ттгттгГ^ттгггттгггтгтттгтггггттттттттттгггттгттттгттттггттгттттттггггг Берег Рис. 2.9. Разработка котлована, совмещенная с установкой блокон стенкн 31 30
Рнс. 2.10. Котлован для создания сухого дока Рнс. 2.11. Разработка котлована плавающим земснарядом ное ограждение 2, обеспечивающее предохранение котлована от заполнения водой, с воротами 3, открывающимися при выводе МНГС из дока. В осушенном от воды котловане выполняются работы по строительству опорного блока и части несущего блока МНГС. После окончания работ котлован-док заполняется водой и МНГС 4, всплывая, занимает положение 5. Далее МНГС мо- жет быть выведено на свободную воду. Разработка котлована 1 производится с помощью плавающих земснарядов. Разрабатываемый грунт удаляется по трубам, назы- ваемым пульпопроводами (рис. 2.11). На рисунке показаны зем- снаряд 1, разрабатывающий котлован 5. Грунт разрыхляется с помощью рыхлителя 2, далее в виде пульпы (смесь грунта с во- дой) подается наверх по всасывающей трубе 3 и по трубопроводу 4 отводится либо в пульпоприемочное судно, либо на участок грунтоприема (отсыпки). На схеме рис. 2.11 показан земснаряд с гидравлическим отсосом пульпы. Такой земснаряд хорошо рабо- тает до 25-30 м. При больших глубинах более целесообразно ис- пользовать пневматический грунтосос, эффективность работы которого увеличивается с увеличением глубины. Краткая харак- теристика гидравлических и пневматических грунтососов приво- дится далее. В Японии был создан для рытья подводных котлованов экс- каватор. Он перемещается по дну со скоростью 3 км/ч и может разрабатывать грунт на глубинах до 70 м. Вес экскаватора на суше - около 60 т, в воде - около 50 т. Управление осуществля- ется двумя операторами с надводного судна. Экскаватор может работать при скорости течения до 3 узлов, продольном уклоне дна до 20° и поперечном - до 15°. Экскавация грунта ведется в полосе шириной 8,5 м по направлению его движения, толщина разрабатываемого за один проход слоя грунта 3 м, в том числе 1 м вниз и 2 м вверх от опорной поверхности гусениц ходовой части экскаватора. Производительность по грунту из песка с галькой и камнями диаметром 75-90 мм около 45 м3/ч. Разрабо- танный грунт транспортируется по пульпопроводу к месту отва- ла на дне моря или на грунтовозную баржу. 32 33
3. Рытье траншей для подводных трубопроводов Земляные подводно-технические работы при уклад- ке подводных трубопроводов могут производиться в двух видах: устройство траншей перед укладкой трубопровода и устройство траншей с одновременной укладкой или с заранее уложенным по дну трубопроводом. По первой схеме траншея 2 разрабатывается рядом с уложен- ным на дно трубопроводом 7 (рис. 2.12, а) или траншея разраба- тывается до укладки трубопровода на дно (рис. 2.12, 6). Сама траншея разрабатывается подводным траншеекопателем с управлением с поверхности воды (по кабелю). Вынимаемый из траншеи грунт укладывается вдоль траншеи 3. Если глубина во- ды не превышает 25 м, то можно траншею разрабатывать с по- верхности воды с помощью земснаряда (механическая или гид- равлическая разработка). Грунт из траншеи убирается с помо- щью барж с открывающимся днищем (рис. 2.13). Земснаряд 1 разрабатывает траншею 2 и перекачивает пульпу по пульпопро- воду 3 в баржу 4. В барже вода частично отфильтровывается и оставшийся грунт отвозится к месту его выгрузки. Выгрузка производится очень быстро при открывании днищ 5. По второй схеме разработка траншей производится либо под уже уложенным трубопроводом, либо одновременно с укладкой трубопровода способом протаскивания (см. раздел II). Устройство траншеи по уже уложенным на дно трубопрово- дом производится с помощью трубозаглубительного устройства (снаряда). Существует много видов заглубительных снарядов. Показанный на рис. 2.14 трубозаглубительный снаряд состоит из судна (базы) и трубозаглубителя - рабочего органа. На пла- вучей базе размещаются насосы, компрессоры, энергетические установки, крановое оборудование или лебедки для установки трубозаглубителя на трубопровод и подъема его на палубу, якорные лебедки, лебедки для перемещения снаряда, приборы контроля и управления и вспомогательные помещения. Рис. 2.12. Схемы разработки траншей для подводных трубопроводов 34 Основное назначение рабочего органа - заглубление трубо- провода путем разработки и удаления грунта из-под трубопрово- да. Трубозаглубитель состоит из несущей конструкции, опорных и фиксирующих катков, рабочих элементов (гидромониторные насадки, фрезы, грунтососы) и стабилизаторов устойчивости по- ложения. Несущая конструкция гидравлических трубозаглубителей вы- полняется трубчатой, внутренняя полость ее используется для подачи воды к рабочим элементам. Несущая конструкция вос- принимает вес трубозаглубителя и передает его на трубопровод или на опорные полозья. Размеры и вес несущей конструкции зависят от диаметра трубопровода, типа и расположения рабочих органов. Для уменьшения нагрузок на трубопровод от трубозаглубите- ля используют разгружающие понтоны. Фиксирующие катки удерживают трубозаглубитель от смещений и перекосов в гори- зонтальной плоскости, расстояния между катками зависят от диаметра и могут регулироваться. Для обеспечения устойчивости положения трубозаглубителя от гидродинамического воздействия потока, реактивных сил при разработке грунта применяются стабилизаторы. В качестве ста- билизаторов используют опорные полозья или загружающие понтоны. Рис. 2.13. Разработка грунта плавающим земснарядом с отгрузкой его на баржу 35
Рис. 2.14. Схема разработки грунта трубозаглубительным снарядом: 1 - якорный трос; 2 ~ корпус баржи; 3 - якорные лебедки; 4 - насосно- компрессорное оборудование; 5 - буксирная лебедка; 6 - шланги для воздуха и воды; 7 - буксирный трос; 8 - понтоны; 9 - трубопровод, заглубляемый в тран- шею; 10 - разрабатываемая траншея; 11 - трубозаглубитель; 12 - опорные и фик- сирующие катки; 13 - морское дно Рабочие органы трубозаглубительных снарядов подразделяют- ся на четыре типа: струйные, гидроэжекторные и пневматиче- ские, фрезерно-гидравлические, бестраншейные (гидродиффузи- онные). Струйные трубозаглубители представляют собой систему гид- равлических струй. Высоконапорные струи, формирующиеся в насадках, размывают грунт и удаляют за пределы траншеи. Эф- фективность заглубления трубопровода повышается с увеличени- ем числа насадок и подачи сжатого воздуха. Подача сжатого воз- духа в виде струй способствует увеличению выноса грунта из траншеи. Струйные трубозаглубители могут разрабатывать связ- ные и несвязные грунты. Гидроэжекторные и пневматические трубозаглубители приме- няются для разработки песчано-гравийных грунтов, суглинков и неплотных глин, но наиболее эффективны на размываемых пес- чаных грунтах. Разрабатываемый водяными и воздушными струями грунт отсасывается гидроэжекторами или пневматиче- скими грунтососами и подается по подводному рефулерному 36
трубопроводу. Трубозаглубители этого типа имеют в несколько раз меньшие мощности и производительность по сравнению со струйными трубозаглубителями. Фрезерно-гидравлические трубозаглубители рыхлят грунт с помощью фрез, расположенных с двух сторон от трубопровода. Вращение фрез осуществляется с помощью гидро- или электро- привода. Наличие фрезерного разрыхлителя способствует обра- зованию насыщенной пульпы, которая подается на отсос в трубу- сосун и транспортируется по пульпопроводу на поверхность во- ды или выбрасывается за бровку траншеи по отводной трубе. Фрезерно-гидравлические трубозаглубители по сравнению с гид- роэжекторными могут разрабатывать более тяжелые связные грунты. В трубозаглубительных снарядах для механического рыхления грунта могут использоваться не только фрезы, но и различные рыхлители плужного типа. Бестраншейные трубозаглубители при помощи гидравличе- ских струй или вибрационного воздействия специальными виб- раторами приводят грунт в разжиженное состояние, и трубопро- вод погружается в грунт под действием собственного веса. В бес- траншейных заглубителях используются гидравлические струи низкого давления (50-120 Н/см2). Совместное гидравлическое и вибрационное воздействие весьма эффективно и позволяет раз- рабатывать трудно размываемые грунты. Бестраншейные трубозаглубители наиболее экономичны по затрачиваемой мощности на заглубление трубопровода в пес- чаные грунты. Однако в настоящее время в основном применя- ются траншейные трубозаглубители, имеющие наиболее простое конструктивное решение. Значительное сокращение сроков строительства подводных трубопроводов и затрат на земляные работы достигается применением трубозаглубительных снарядов, осуществляющих одновременно операции заглубления трубо- провода и засыпку его грунтом. При таком способе засыпки ис- пользуется грунт, получаемый при заглублении трубопровода, и отпадает необходимость в транспортировке грунта из другого места. Схема заглубления трубопровода с одновременной засыпкой, примененная в Японии, показана на рис. 2.15, а. В случае разра- ботки грунта на большую глубину в трубопроводе могут возник- нуть напряжения от его изгиба, превышающие допускаемые. Уменьшение напряжений в трубопроводе достигается двухсту- пенчатым или трехступенчатым способом разработки грунта (рис. 2.15, б), а также креплением к трубопроводу с помощью направляющих роликов специальных поплавков. 37
Рис. 2.15. Схемы заглубления трубопровода: а - с одновременной засыпкой; 1 - землесос; 2 - струйные насадки; 3 - заглуб- ляемый трубопровод; 4 - понтон; 5 ~ трубопровод подачи воды к насадкам; 6 - энергетическое судно; 7 - вспомогательное судно; 8 - пульпопровод; 9 - поплав- ки; 10 - патрубок для засыпки трубопровода песком; 11 - морское дно; 12 - дно траншей; б - двухступенчатый способ разработки грунта с одновременной засып- кой трубопровода; 1,2- землесос со струйными насадками; 3 - морское дно; 4 - заглубляемый трубопровод; 5 - энергетическое судно; 6 - вспомогательное судно; 7 - трубопровод для подачи воды к насадкам; 8 - кабель; 9 - пульпопровод; 10 - поплавки; 11 - патрубок для засыпки трубопровода песком Трубопровод, уложенный на морское дно, выполняет роль на- правляющего устройства. Траншея расчетной глубины разраба- тывается струйными насадками, в которые подается вода от на- соса, расположенного на судне, и землесосом, закрепленным под водой на раме непосредственно у погружаемого трубопровода. Разрабатываемый грунт транспортируется по специальным тру- бам к участку засыпки уложенного на заданную глубину трубо- 38
провода. Трубы, по которым транспортируется грунт, поддержи- ваются кранами, установленными на основном и вспомогатель- ном судах. Основные и вспомогательные суда соединены каната- ми и перемещаются одновременно с помощью якорных лебедок. Приведем далее примеры используемых на практике трубоза- глубительных судов для работы на больших глубинах. В Италии создан глубоководный земснаряд, который может работать на глубине до 60 м. Разработка траншеи осуществляется фрезерным рыхлителем, обеспечивающим устройство траншеи глубиной до 2,4 м и шириной от 1,8 до 4,5 м, рабочая скорость движения снаряда 128 м/ч, производительность по грунту в за- висимости от его вида до 250 м3/ч. Земснаряд перемещается по дну при помощи двух лебедок и тяговых тросов, прикрепленных к якорям или сваям. В корпусе земснаряда расположены три электродвигателя для привода рыхлителя, грунтового насоса и лебедок. По обе стороны земснаряда расположены трубы длиной 10 м для транспортировки разрабатываемого грунта. Контроль и управление разработки грунта осуществляется оператором, нахо- дящимся на земснаряде. Воздух и электропитание на земснаряд подаются с обслуживающего судна. Той же фирмой разработан подводный земснаряд В-70, кото- рый устанавливается на предварительно уложенный на дно моря трубопровод. Грунт разрабатывается фрезерными рыхлителями с последующим удалением гидроэжекцией. Земснаряд перемещается по трубопроводу при помощи лебед- ки с гидравлическим приводом, опираясь на салазки. За один проход земснаряд разрабатывает грунт на глубину до 0,9 м. Мак- симальная глубина погружения рабочего органа - 30 м, скорость перемещения - 15—30 м/ч. Управление и энергообеспечение зем- снаряда осуществляется с надводного вспомогательного судна. В Японии фирмой «Комацу» разработан подводный бульдо- зер, предназначенный для работы на глубинах от 2 до 60 м. Бульдозер имеет дистанционное управление, размещаемое на судне или на берегу. Масса гусеничного трактора (на воздухе) - 34 т, мощность электродвигателя - 125 кВт, скорость передви- жения - 2 и 3,5 км/ч. Высокая мощность и большая масса буль- дозера обеспечивают перемещение большого количества грунта и позволяют разрабатывать твердые грунты, для разработки кото- рых не пригодны землесосы и ковшовые землечерпалки. В Германии создана установка, предназначенная для вы- полнения земляных работ на глубинах до 4 км, которая может быть использована и для разработки подводных траншей на больших глубинах. Установка состоит из подводного экскаватора 4, промежуточной подводной станции 2 и надводного судна 1 39
(рис. 2.16). На стреле 5 длиной 15 м укреплено всасывающее устройство 6 с механическим разрыхлителем фрезерного типа. Подъем и опускание стрелы осуществляется гидроприводом. Экскаватор связан с промежуточной подводной станцией сило- выми кабелями, проводами системы управления и пульпопрово- дом 3. Глубина опускания промежуточной станции принимается такой, чтобы разрабатываемый экскаватором грунт в виде пуль- пы поступал в нее за счет перепада гидростатического давления. В промежуточной станции происходит разделение грунта и воды. С надводным судном промежуточная станция связана трубопро- водом для подачи разработанного грунта на поверхность и тру- бопроводами большого диаметра, служащими для перемещения обслуживающего персонала в подводную станцию, а также пода- чи необходимых материалов и прокладки кабелей. Внутри стан- ции поддерживается атмосферное давление, поэтому обслужива- ние и ремонт ее механизмов проводятся без глубоководных ска- фандров. В США создано устройство для заглубления предварительно уложенных на дно подводных трубопроводов и кабелей. Это уст- ройство (рис. 2.17) состоит из рамы 4 П-образной формы. Рама опирается на гусеницы 10, с помощью которых устройство пере- мещается вдоль заглубляемого трубопровода 8. Обеспечение тре- 40
буемой плавучести устройства осуществляется двумя цилиндри- ческими понтонами 3. Для предотвращения погружения устрой- ства в слабые грунты и улучшения перемещения предусмотрены лыжи 9- Грунт разрабатывается с помощью вращающихся рыхли- телей 7, устанавливаемых на конце шарнирных рычагов 5 и рас- полагаемых по обеим сторонам трубопровода 8. Центробежные насосы обеспечивают всасывание пульпы по трубам 6 и засыпку заглубляемого трубопровода из труб 2. Управление устройством и обеспечение его энергией осуществляется с надводного судна 1. В США сконструирован также новый тип дноуглубительного снаряда (рис 2.18), состоящего из судна 3 с шахтой 15, через ко- торую пропускается полая трубчатая штанга 13, снабженная ре- жущей головкой 10, станка 5 для вращения штанги и приведения в действие режущей головки системы направляющих тросов 7 для перемещения штанги 13 с режущей головкой по дну и эр- лифтной установки для подъема на поверхность разрабатываемо- го грунта. Для дноуглубительного снаряда рекомендуется ис- пользовать обычные буровые судна. Штанга 13 изготовляется из обсадных труб, применяемых при бурении скважин, и должна иметь достаточную гибкость для обеспечения максимального размера рабочей зоны 11 при фиксированном положении судна. Направляющие тросы проходят через заанкеренные блоки 8 к втулке 12, в которой вращается штанга. Натяжение тросов регу- Рис. 2.17. Устройство для заглубления подводных трубопроводов и кабелей 41
Рис. 2.18. Схема дноуглубитель- ного снаряда с вращающейся штангой лируется лебедками 6, установленными на судне. Блоки 8 анке- руются трубчатыми стальными сваями 9. После установки ан- керных свай и блоков, штанга 13 поднимается в верхнее положе- ние, на ее нижнем конце устанавливаются режущая головка 10 и втулка 12, к которой крепятся четыре конца направляющих тро- сов 7. Вторые концы тросов закрепляются на барабанах судовых лебедок 6 и штанга опускается в рабочее положение. В средней части штанги устанавливается воздушный коллектор 14, обеспе- чивающий работу штанги по подъему грунта методом эрлифта. Сверху на штангу устанавливаются шарнирное устройство 4 и неподвижная секция трубы с разгрузочным желобом 2, по кото- рому разработанный и поднятый эрлифтом на поверхность дон- ный материал в виде пульпы поступает на баржу 1. Дноуглуби- тельный снаряд удерживается в заданном положении системой якорей или с помощью подруливающих устройств. Этот тип дноуглубительного снаряда по сравнению с другими имеет неко- торые преимущества, одно из которых - возможность разработки грунта на больших глубинах, достигающих нескольких тысяч метров, без заметного снижения судна. 4. Отсыпка грунта в воду Отсыпка грунта в воду производится при строи- тельстве подводной части МНГС: различного рода дамб, защит- 42
ных береговых сооружений, засыпка пазух котлованов после ус- тановки МНГС, засыпка подводных траншей и т.п. При этом возникает ряд проблем, связанных с перемещением частиц грунта различной крупности от поверхности воды до дна водоема (моря). Грунт получается после засыпки как бы состоя- щий из различных слоев, с различной пористостью, т.е. с различ- ными физико-механическими характеристиками. Поэтому для обеспечения необходимых свойств грунта, отсыпаемого в воду, требуется выполнение некоторых процедур и прежде всего кон- троль за соответствием реальных физико-механических характе- ристик проектным. Прежде всего, отметим преимущества устройства грунтовых отсыпок в воду; при этом достигается хорошее раздробление час- тиц грунта; уплотнение грунта при постепенной отсыпке его; обеспечивается хорошее заполнение неровностей, выемок и сцеп- ление грунта с бетонными поверхностями; создаются условия для уменьшения фильтрационных свойств грунтов. Кроме того, способ отсыпки позволяет использовать технические средства, обеспечивающие быструю отсыпку больших объемов грунта, на- пример, с помощью барж с открывающимися днищами. Приве- дем далее некоторые требования, предъявляемые к грунту для отсыпки в воду: а) отсыпка глинистых грунтов должна быть, по возможности, сведена к минимуму, так как глинистые грунты слишком мед- ленно уплотняются и поэтому не обладают необходимой несущей способностью; б) гранулометрический состав отсыпаемых грунтов должен подбираться с учетом особенностей предстоящей работы земля- ного сооружения; в) при использовании комковатых суглинков при отсыпке в воду нужно обеспечить наличие в общем объеме грунта не менее 20 % комков с крупностью не более 10 см. Это необходимо для того, чтобы мелкие комья быстрее размокали и обеспечивали омоноличивание больших комьев, превращая весь грунт в плот- ную массу. Одним из важных моментов в строительстве МНГС с исполь- зованием отсыпки грунта в воду является последовательность отсыпки. Отсыпка должна производиться слоями, высота кото- рых зависит от вида грунта. Песчано-гравелистые грунты можно отсыпать слоями толщи- ной от 4 до 10 м; пески и смеси - 2-4 м; суглинки - менее 2 м; тяжелые суглинки - менее 1 м. Как видно из этих данных, наименее пригодны для создания земляных подводных сооружений - глинистые грунты. Поэтому 43
использование глины и глинистых грунтов может быть допусти- мо только при малых объемах, например, при устройстве так на- зываемых противофильтрационных завес (преград) и для созда- ния горизонтальных противофильтрационных экранов. При отсыпке грунта на большую глубину (более 15 м) проис- ходит распад грунта на отдельные фракции. Поэтому необходимо предпринимать некоторые меры, позволяющие уменьшить распад грунта на фракции. Прежде всего, нужно иметь в виду, что про- изводить отсыпку при скорости течения более 0,6 м/с нельзя, так как при этом происходит вымывание мелкой фракции. Отсыпать грунт при большой глубине лучше всего с барж с открывающим- ся днищем. Большой объем высыпаемого практически мгновенно грунта обеспечивает сохранение гранулометрического состава на глубинах до 20-25 м. При работе по отсыпке грунта в водоем (море) с наличием волн следует учитывать, что при волнах высотой более 1,5 м от- сыпать грунт в воду нельзя. При постоянном волнении можно отсыпать грунт, состоящий из крупных комков. Важно обеспе- чить при наличии волн быстроту процесса отсыпки. Так, напри- мер, при отсыпке подводной насыпи фронт перемещения насыпи должен быть не менее 15-20 м/сут. Наружные откосы насыпи должны немедленно (вслед за отсыпкой грунта) крепиться от- сыпкой горной (каменной) массой. Фронт земляной массы не должен уходить вперед от горной массы более чем на 5-6 м. При отсыпке грунта в зимний период можно использовать мерзлый грунт в виде больших комьев, которые, достигнув дна или места укладки, постепенно оттаивают, образуя хорошо со- хранившуюся структуру. Тем не менее при температуре грунта ниже -15 °C отсыпать грунт в воду не рекомендуется. В заключение данного раздела приведем примеры сооруже- ний, построенных с использованием технологии отсыпки грунта в воду. На рис. 2.19 показана ограждающая дамба. Дамба ограждает территорию 7 от морской акватории. Дамба создана способом Рис. 2.19. Ограждающая дамба 44
отсыпки грунта в воду. Она состоит из следующих частей: 1 - крупные каменные (или бетонные) образования; 2 - каменная наброска; 3 ~ бетонное покрытие; 4 - крупнозернистый песок с гравием; 5 - дорога вдоль дамбы; 6 - каменная наброска. Дамба отсыпалась по схеме, приведенной на рис. 2.20. Грунт и каменные материалы доставляются по пути, указанному стрел- ками А с карьера (место добычи грунтового материала). Далее, начиная с берега, производится послойная отсыпка с выравнива- нием слоев бульдозерами 5 и утрамбовкой слоев виброкатками 6 и 7 (масса катков может быть от 10 до 30 т). В теле насыпи от- сыпаются наклонные песчаные дрены (фильтрующие объемы песка) (<?), (9). При переходе от береговой части дамбы к водной отсыпается грунт в зоне (10), (11). Дальнейшая отсыпка дамбы производится драглайнами 1 и 3, установленными на баржах. Драглайн 1 разгружает грунт и камень с баржи 2, а драглайн 3 получает грунт с берегового карьера. Приведенная схема дана как иллюстративный материал для возможной организации строительства. Существует множество других схем; каждая из них учитывает особенности района рас- положения, береговых условий, рельефа дна и т.д. § 2.3. КАМЕННЫЕ РАБОТЫ В описании форм МНГС (см. [1]) были приведены различные формы, в строительстве которых используются ка- менные материалы. Виды этих материалов могут быть различ- ными в зависимости от назначения конструкции, в которой ис- пользуется каменный материал. Если он используется в качестве заполнителя, т.е. по сущест- ву он играет роль утяжелителя сооружения, то требования к камню практически не лимитируются ни по качеству, ни по форме, ни по размерам. Если камень подвержен воздействию течений и волн, то его размеры назначаются таким образом, чтобы ни течение, ни вол- ны не смогли перемещать отдельные камни и, соответственно, не могли разрушить само сооружение. Еще более высокие требования предъявляются к так назы- ваемым каменным массивам для правильной кладки. Эти мас- сивные камни (природные или искусственные) должны быть об- работаны таким образом, чтобы щели между камнями были не более определенных размеров. Сооружения из этих камней спо- собны выдержать удары волн и течений при штормах различной силы. 45
Рис. 2.20. Схема отсыпки дамбы
Рассмотрим основные приемы каменных работ. 1. Каменные отсыпки в ограниченные объемы и на ограни- ченные площади выполняют с использованием барж, на которых установлены крепежные устройства, позволяющие выгружать камень не сразу, а отдельными порциями (от 2 м3 до нескольких кубических метров). Каменные материалы применяют при отсыпке ограждающих дамб, устройстве гравийных подушек (насыпей большой площа- ди) под гравитационные МНГС с большой площадью опирания, при строительстве островов для размещения нефтегазовых со- оружений, таких как резервуары, насосные и компрессорные станции, при устройстве дренирующих систем (фильтров) в ос- новании грунтовых дамб и др. Отсыпка постелей (подушек) под гравитационные сооружения с большой площадью опирания, по-видимому, наиболее проста по сравнению с отсыпкой в строго заданные объемы или узкие протяженные площади. Для больших площадей используют бар- жи с открывающимися днищами. При малой глубине (10—15 м) установка баржи в необходимое положение не представляет сложности. Камень попадает в заданное место. При больших глу- бинах за счет волнения и течения происходит разброс камня и отклонение его от места, где он должен опускаться. Применяют способ отсыпки с подачей материала (камня) в закрытых кон- тейнерах или специальных ковшах-грейферах, удерживающих камень от рассыпания под воздействием течения, волн и измене- ния траектории движения камня в воде. При отсыпке камня в воду важно иметь в виду, что объем камня, отсыпаемого в воду, всегда будет меньше, чем получившийся объем насыпи. Так при отсыпке камня бутового, размером отдельных камней 150— 500 мм, можно получить 100 м3 готовой насыпи, опустив в воду не менее 106 м3 сухого камня. Если же отсыпается щебень, то на 100 м3 готовой отсыпки требуется ПО м3 сухого щебня. Если камень отсыпается в пространство, ограниченное конструкциями (стены, перегородки, балки и т.д.), то на 100 м3 готовой отсыпки требуется сухого камня: бутовый размером 150-500 мм - 103 м3; щебня - 106,7 м3. При использовании контейнеров при отсыпке камня с помо- щью плавучих кранов и при устройстве постели гравитационных сооружений в свободном пространстве необходимо учитывать на 100 м3 геометрического объема насыпи из бутового камня при размере отдельных камней 150-500 мм - 106 м3; щебня - на 100 м3 геометрического объема - ПО м3; в пространстве, ограни- ченном конструкциями: камня с размером отдельных камней 150-506 мм на 100 м3 геометрического объема - 102,8 м3; щеб- 47
ня - на 100 м3 геометрического объема - 102,7 м3. При исполь- зовании грейферных ковшов в закрытой акватории в свободном пространстве на 100 м3 геометрического объема отсыпки камня с размером отдельных камней 150-500 мм - 106 м3; щебня - 110 м . В ограниченном пространстве на 100 м3 геометрического объема отсыпки камня с размером отдельных камней 150-500 мм - 102,8 м3; щебня на 100 м3 геометрического объема отсыпки - 106,7 м3. В заключение приведем данные о каменной отсыпке баржами с открывающимися днищами. При отсыпке камня 150-500 мм в открытом море на глубинах до 40 м на 100 м3 отсыпки требуется 106 м3 камня или НО м3 щебня. Таким образом, при расчетах объема, необходимого для уст- ройства различного рода МНГС с использованием камня, необ- ходимо иметь в виду, что количество отсыпаемого камня всегда больше, чем объем сухого камня. Это связано с более плотной укладкой камня в воде и разбросом его при погружении в воду. Наибольший коэффициент увеличения объема сухого камня и готовой отсыпки составляет 1,1. 2. Особенности правильной каменной кладки. Понятие «пра- вильная» означает, что используют камень, имеющий ограничен- ную плоскостями форму: куб, параллелепипед. Обычно при уст- ройстве правильной кладки применяют бетонные блоки - масси- вы необходимой формы. Вес таких массивов, изготавливаемых на берегу и доставляемых к месту укладки на баржах, достигает 150-200 т. Вес массивов для различных сооружений зависит от волнового давления. На практике руководствуются такими зна- чениями: высота волн до h - 3,5 м - вес одного массива q$$ = = 25 т; при h = 5,5 м, q5s - 50 т; при h = 6,5 м, ^6;5 = 80 т и h > 7 м, q > 100 т. Если так называемый «рваный» камень укладывается отсып- кой на площади дна или в ограниченный объем помещений, то массивы и правильная кладка из обработанных камней уклады- вается на место, определенное проектом, поштучно. Из массивов сооружают ограждения портовых акваторий, подпорные стенки для укрепления береговой части акватории портов, островов, вы- носных молов и др. Сооружения из массивных каменных (бетон- ных) блоков работают как несущие конструкции, т.е. должны быть рассчитаны на восприятие всех действующих на них сил и нагрузок (волны, течение, лёд, сейсмические воздействия, навал судов, собственный вес). Особенностью расчетов сооружений из массивных блоков - камней является то, что в отличие от моно- литных сооружений необходимо обеспечить не только статиче- скую определенность сооружения в целом, но и отдельных бло- 48
ков (камней). Это достигается как за счет веса отдельных блоков, так и конструкций соединений блоков друг с другом по швам. Расчет устойчивости блоков по швам выполняется по простой формуле 9d_>k Н -«сш. где Q - вертикальное давление на единицу длины шва см или м; Н - сдвигающая сила, приходящаяся на единицу длины шва, см или м;/- коэффициент трения в материале шва. Если шов пред- ставляет контактный слой двух бетонных блоков, то f ® 0,5-?0,6; kcal - коэффициент устойчивости при сдвиге одного блока отно- сительно другого, принимаемый 1,3-1,4. При строительстве сооружений из массивных блоков необхо- димо использовать блоки различных размеров, что дает возмож- ность «перевязывать» блок, повышая тем самым прочность и ус- тойчивость конструкции в целом. Тем не менее, для предотвра- щения разломов сооружения из бетонных массивов его разделя- ют на секции длиной 20-40 м с созданием вертикального шва. Секции могут свободно перемещаться друг относительно друга по этому секционному шву, а в теле сооружения не возникает чрезмерных напряжений. Ширина компенсационных швов не должна быть более 5 см. Это говорит о том, что точность в со- блюдении размеров как отдельных блоков, так и секций доста- точна высока. Поэтому при установке отдельных блоков должна применяться технология, позволяющая обеспечить необходимую точность их установки. Блоки устанавливают в необходимое ме- сто с помощью плавучих кранов. Каждый блок захватывается краном за специальные устройства (петли, клиновые захваты, клещевые самораскрывающиеся захваты и т.п.). Основание под массивные сооружения делают из гравийной или щебеночной отсыпки, разравнивают под водой с помощью тяжелых волокуш. Ровность поверхности основания должна быть в пределах не бо- лее ± 3-5 см. Технологический процесс укладки под воду каменных масси- вов включает следующие операции: разбивку на дне плана со- оружения; установку обозначающих буйков на поверхности воды; промеры глубин и выравнивание дна (в случае необходимости); оформление акта после промеров глубин и определение отметок постели, на которую будут устанавливаться блоки (массивы); укладку массивов. Первый массив укладывают в одном из углов сооружения. Сначала краном его опускают на глубину, при которой до дна остается 25-30 см. С помощью телевизионной камеры осматри- 49
вают положение массива относительно закрепленной на дне уг- ловой точки. В случае отклонения массива от точки его положе- ние корректируют с поверхности воды (или водолазами) и толь- ко после этой процедуры массив опускают на дно. Начиная от уложенного первого массива, укладывают первый и последующие курсы (курсом называют уложенные в ряд массивы на полную длину сооружения или секции) массивов. Таким образом форми- руется первый ярус массивов по всей площади сооружения. По- сле проверки качества укладки производится укладка массивов во втором, третьем и т.д. ярусах до тех пор, пока кладка масси- вов не выйдет на поверхность. Для обеспечения правильности расположения массивов необ- ходимо до начала работ составить модель сооружения с исполь- зованием уменьшенных моделей всех массивов (они могут быть различных форм и размеров, обеспечивающих полное подобие реальным массивам). Глава 3 БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ РАБОТЫ. УСТРОЙСТВО ФУНДАМЕНТОВ Все стационарные как гравитационные, так и стержневые, опирающиеся на дно платформы, а также различные портовые и береговые сооружения устанавливаются на дне на фундаментах различной конструкции. Как сами гравитационные МНГС, так и фундаменты стержневых МНГС изготавливают из монолитного или сборного железобетона, а некоторые элементы их из чистого, т.е. не содержащего в своей массе металлических включений, таких как арматура, стержни. Следует отметить, что от качества бетона, способности дли- тельное время сохранять необходимую прочность и водонепро- ницаемость зависит длительная прочность и работоспособность как элементов МНГС, так и всего сооружения в целом. Имея это в виду, мы характеризуем свойства бетона и железобетона как основного строительного материала для гравитационных конст- рукций. Стержневые МНГС, устанавливаемые на дно, опираются наи- более часто на мощные свайные фундаменты. Сваи как элемен- ты МНГС такой формы как эстакады, подпорные стенки и т.п. 50
также занимают значительную часть объема строительных ра- бот. Как будет Показано далее, при устройстве свайных фунда- ментов используют в основном два вида строительных материа- лов: бетон и сталь в форме металлических труб и специального проката. § 3.1. СВОЙСТВА БЕТОНА. ПОДБОР СОСТАВА БЕТОНА Бетон - это строительный материал, приготавли- ваемый искусственным путем из четырех компонентов: вяжущего материала - цемента, песка, крупного заполнителя в виде гравия или щебня, воды. Смесь этих компонентов, количество которых подбирается расчетом, в течение некоторого времени сохраняет пластичное состояние. В течение этого времени смесь должна быть уложена в создаваемый из бетона элемент или какую-то часть сооружения. Находясь далее в состоянии покоя, пластич- ная смесь отвердевает и начинает приобретать все более боль- шую прочность. Процесс увеличения прочности продолжается длительное время (до нескольких лет). При этом бетон обладает способностью сцепляться с металлическими элементами (стерж- нями, балками и стойками из профилированного металла). Способность бетона находиться некоторое время в пластич- ном состоянии позволяет создавать самые разнообразные формы несущих элементов и конструкций. Причем для этого не требует- ся особых способов; из простых материалов (дерево, металличе- ский лист, пластмасса) изготавливается форма элемента (опалуб- ка), внутрь которой укладывается бетонная смесь. Смесь после укладки уплотняется с помощью вибраторов; на этом процесс изготовления элемента заканчивается. Далее элемент оставляется в покое, и лишь через две-три недели снимается опалубка. Рассмотрим далее основные требования, предъявляемые к со- ставляющим бетона. Прочность бетона зависит от прочностных характеристик мелкого (песка) и крупного (гравий или щебень) заполнителей, а также так называемой «марки цемента», что также определяется прочностью цементного камня, получаемого на основе двух эле- ментов - цемента и воды. Наиболее важную роль в формировании свойств бетона игра- ет цемент. Поэтому мы уделим основное внимание именно це- менту и подбору состава бетона с учетом свойств цемента, рас- смотрев предварительно основные требования, предъявляемые песку и крупному заполнителю. 51
Для приготовления бетона можно использовать практически любой природный песок. Важнейшим ограничением при исполь- зовании природного песка является ограничение на наличие в составе песка глины или глинистых частиц. На прочность бетона мелкие (глинистые) частицы влияют очень сильно. Даже незна- чительное их количество приводит к существенному снижению прочности бетона. Поэтому при отсутствии природного песка без глинистых частиц имеющийся в наличии песок улучшается (обо- гащается) с помощью следующих процедур: промывки песка; разделения песка на фракции в потоке воды; выделения из песка нужной фракции; смешивания песка, имеющегося в зоне выпол- нения работ, с привозным высококачественным песком. После обогащения и подготовки песок должен удовлетворять условиям, определяемым так называемой стандартной областью просеива- ния (рис. 3.1). Зерновой состав, определяемый просеиванием песка через сита с разными отверстиями, должен укладываться в область, показанную на рисунке штрихами. Можно использовать песок с размерами частиц с учетом и незаштрихованной области, но только для бетонов марки 150 и ниже. Крупный заполнитель (щебень или гравий) должен содержать две или три фракции, как, например, показано в табл. 3.1. Размеры отверстий сит, мм Рис. 3.1. Стандартные кривые просеивания песка 52
Таблица 3.1 Наибольшая крупность зерен, Фракция, мм Сумма, % 5-20 5-40 20-40 20-60 40-80 80-150 Рекомендуемые соотношения, % 40 45-60 40-55 — 100 60 35-50 — — 50-65 — — 100 80 25-35 — 25-35 — 35-50 — 100 80 — 50-65 — — 35-50 — 100 150 15-25 — 15-25 — 25-35 30-45 100 150 - 30-40 - - 25-35 30-45 100 В зависимости от имеющихся в наличии 2-3 фракций, на- пример, 5-20 мм, 20-40 мм, 40-80 мм назначается процентное соотношение этих фракций в бетоне при наибольшей крупности зерен 40 и 80 мм - (25-35 %) фракции (20-40 мм), (25-35 %) фракции (5-20 мм) и (35-50 %) фракции (40-80 мм). Аналогич- но подбираются соотношения фракций при других небольших размерах зерен. Определение количеств цемента и воды в составе бетона представляет довольно сложную процедуру, включающую две самостоятельные части: расчет состава бетона (по всем состав- ляющим) и испытание образцов, изготовленных из бетона, состав которого определен расчетом. В настоящее время существует много методов расчета состава бетона. Мы приведем один из них, наиболее часто применяемый, так называемый метод абсолютных объемов. Суть его заключается в том, что сумма объемов состав- ных частей бетона (вода, цемент, песок, гравий) равна 1 м3 гото- вого бетона. Это условие имеет вид А + В + ^ + ^ = Ю00л, (3.1) Гц Гп Гщ где Ц ~ вес цемента; В - объем воды; П - вес песка; Щ - вес щебня; уц, уп, ущ - объемные веса, соответственно, цемента, песка, щебня. Имея это в виду, отметим, что — + В - определяет объем Гц цементного теста (смесь цемента с водой); — + — - объем за- v., Гщ полнителей. Приведем далее порядок расчета состава бетона в соответст- вии с формулой (3.1). 1. Ориентировочно назначаем расход цемента на 1 м3 бетона. Для этого можно использовать график С.А. Миронова (рис. 3.2), 53
Рис. 3.2. График С.А. Миронова построенный для песка средней крупности и щебня с наиболь- шей крупностью зерен а - 10 мм; 6-20 мм; в - 40 мм и г - 80 мм. Расход воды при этом зависит от требуемой подвижно- сти бетона, определяемой по осадке усеченного конуса (рис. 3.3). Подвижность бетонной смеси меняется (табл. 3.2) в зависимости от конструкций, куда укладывается бетон. Удобоукладываемость смеси оценивается скоростью ее расте- кания при вибрации (частота 3000±200 колебаний в 1 мин, ам- плитуда 0,35 мм). Конус ставят в форму для куба 200х200х х200 мм, заполняют его бетоном. Кожух конуса снимают и включают вибратор. Удобоукладываемость характеризуется вре- менем, за которое смесь наполнит все углы формы, а поверхность ее станет горизонтальной. Рис. 3.3. Осадка ко- нуса 54
Таблица 3.2 Конструкции h, мм Фундаменты, подстилающие слои Массивные сооружения с малым количеством арматуры Железобетонные конструкции (плиты, балки, колонны большого сечения) Железобетонные конструкции с густой арматурой (бункеры, резервуары, тонкие стенки) 10-20 20-40 40-80 80-100 Бетонная смесь должна быть экономичной, но в то же время обладать достаточной плотностью и прочностью. Поэтому нор- мами установлены следующие предельные наименьшие расходы цемента на 1 м3 бетона: для железобетонных конструкций, находящихся на воздухе или в воде, - 250 кг, а находящихся внутри зданий - 200 кг. Опытами установлено, что увеличение количества цемента выше 300 кг приносит незначительное увеличение прочности бетона. Таким образом, количество цемента в 1 м3 бетона может изменяться от 200 до 300 кг. Следует иметь в виду, что при повышении марки цемента экономится его количество. Как правило, марка цемента должна превышать марку бетона в 2-2,5 раза. 2. По формуле Д = (3.2) где - водоцементное отношение, определяют количество це- мента на 1 м3 бетона. Водоцементное отношение можно рассчи- тать также по формуле проф. Б.Г. Скрамтаева В _ 1.1Яц /О О\ Ц 27?б + 0,5Яц ’ ' где Ra - активность цемента (марка цемента), кг/см2 или Н/см2; /?б - марка бетона (прочность - кг/см2 или Н/см2); Например, при Ra = 270 кг/см2 и R& = 150 кг/см2 водоцемент- ное отношение составит 0,66. Отметим еще раз, что это ориентировочное значение В/Ц и, соответственно, расход цемента Ц также ориентировочный. 3. Рассчитывается абсолютный объем цементного теста vm=vu+B, (3.4) где цц - объем цемента; В - объем воды. 55
4. Рассчитывается абсолютный объем заполнителей (песка и щебня) Ц, +Цц =Ю00-(ц, +В). (3.5) 5. Рассчитываются абсолютные объемы всех составляющих бетона по формулам Ц, =r(vn +ощ); Цц =(1~г)(ип +^)> (3.6) где г - относительное содержание песка в сумме объемов запол- нителей. 6. Определив объемы заполнителей, рассчитываются весовые их расходы (количества): песок Qb = оп-уп; щебень 2щ = (3.7) Этот состав бетона является ориентировочным. Далее проце- дура проектирования состава продолжается следующим образом. Для проектируемого сооружения определяют марку (проч- ность) бетона на основании прочностных расчетов сооруже- ния. Марку бетона обозначают символом Иге (прочность бетона 28 дн). Устанавливают характеристики составляющих бетона: актив- ность цемента (марку) (кг/см2); объемный и удельный веса цемента у','0 и уц (в среднем у^0) « 1,2-г1,3 кг/л; уп ~ 3,1 кг/л); со- ответствующие веса песка и щебня у(по), уп и у^-1, ущ. Кроме того, устанавливают так называемую пустотность щебня п по отно- шению y(^ к ущ. Далее рассчитывают водоцементное отношение. Определяют расходы воды и цемента (весовые). Затем нахо- дят объемы в литрах цементного теста, песка и щебня. Рассчиты- вают количество песка в смеси заполнителей. Определяют абсо- лютные объемы и весовые количества песка и щебня в 1 м3 бе- тона. Все это делается в соответствии с процедурой, приведенной выше (формулы (3.1)—(3.7)). Подобрав первый вариант (ориентировочный) состава бетона, выполняют опытную его проверку следующим образом. После приготовления пробного замеса (обычно это 10 л сме- си), определяют подвижность и удобоукладываемость смеси (осадка конуса и заполняемость заданной формы опалубки). Эти показатели должны соответствовать необходимым условиям 56
строительства, поскольку для различных форм сооружений и их элементов требуются различные и подвижность, и удобоуклады- ваемость. В случае несовпадения фактической подвижности с заданной в замес, добавляют небольшими порциями цемент в количестве 10-15 % от расхода его на замес и воду, согласно установленно- му водоцементному отношению. Добавляют цемент и воду до тех пор, пока не будет достигнута заданная подвижность бетон- ной смеси. Определяют фактический объемный вес свежеуложенного бе- тона. Выполняют перерасчет расхода материалов на 1 м3 бетона с учетом добавления воды и цемента. Определяют коэффициент выхода бетона. Рассчитывают номинальный состав бетона по весу и по объе- му путем деления объема (или веса) цемента, песка и крупного заполнителя на объем (или вес) цемента. Рассчитывают полевой (производственный) состав бетона. Производственным называется состав бетона, учитывающий влияние влажности заполнителей. Дело в том, что в песке и щебне, используемых при строи- тельстве, всегда содержится то или иное количество воды. По- этому необходимо уменьшить количество воды, определенное по расчету, на количество воды, содержащейся в песке и щебне. Расчет производственного состава выполняют следующим об- разом. Пусть расход сухого песка на 1 м3 равен <уп. Расход сухого песка по весу (3” В песке содержится воды (3.9) в щебне в2=е'ш-е1Ц- (31°) Расход воды, добавленной в бетонную смесь за счет содержа- щейся в песке и щебне, необходимо уменьшить до Во =В-(В,+В2). 57
Далее определяют окончательный расход материалов (по ве- су) на 1 м3 бетона и расход материалов на один замес бетономе- шалки вместимостью V по следующим формулам: (3.11) Bv =-^Вф (л); 1000 ф —(м3); 1000 ф где Цф, Пф и Щф - фактические расходы цемента, песка и щебня на 1 м3 бетона; [3 - коэффициент выхода бетона. Для пояснения изложенного метода приведем пример расчета состава бетона. Исходные данные: Марка бетона - 150; осадка конуса - 50 мм; цемент портланд- ский, марка 400 с удельным весом уц = 3,0 кг/л и объемным ве- сом yj"’ - 1,2 кг/л; песок крупный, чистый, кварцевый с уп = = 2,6 кг/л; у® (сухой) = 1,5 кг/л; у“т = 1,57 кг/л; влажность пес- ка - 5 %. Щебень гранитный, чистый сухой с рщ = 2,7 кг/л; = = 1,45 кг/л; пустотность щебня п - 46 %, т.е. 0,46. Далее приведем порядок расчета состава бетонной смеси. 1. Водоцементное отношение Д _ . 1,1 х 400 _ Q zg 12\ И 2Лб+0,55Лц ~ 2х 150 + 0,55x400 ’ V ’ 2. Расход воды на 1 м3 бетона принимаем ориентировочно по табл. 3.3 - 180 л. Таблица 3.3 Заполнитель Расход воды (в л) при осадке конуса (в мм) 1-10 10-30 30-50 Щебень 165 170 180 Гравий 150 155 165 58
Кроме того, расход воды зависит от крупности песка. Для мелкого песка воды требуется на 10 л больше, чем указано в табл. 3.3, а для крупного, соответственно, на 10 л меньше. Поэтому, учитывая исходные данные, расход составит В = = 180 - 10 = 170 л. 3. Расход цемента Ц = в/-=—= 200 кг. / Ц 0,85 4. Объем цементного теста Уцт = 200 +170 = 236 л. 5. Объем инертных (песка и щебня) =1000-236 = 764 л. 6. Минимальное соотношение между песком и щебнем (по массе) определим из условия 1_ = Л_.п ,(О) V(O) ’ П I щ (3.13) где х - объем песка в сухом состоянии; у - объем щебня в сухом состоянии. Из (3.13) получаем отношение количеств песка х и щебня у. - = п • | II | = 0,46 • (1,5/1,45) = 0,48. У ) 7. Относительное содержание песка в цементном тесте (по объему) г = ^= */У_ = 0^ = 0,32. х + у (х/у) + 1 1,48 8. Объем песка У„ =гУ =0,32x764 = 245 л, где V - объем щебня и песка. 9. Объем щебня ущ =764-245 = 519 л. 59
10. Количество заполнителей в смеси на 1 м3 бетона Qn = V„ Рпт = 245 х 2,60 = 612 кг; (2Щ = К, ршт = 519x2,70 = 1400 кг. Таким образом подобран состав 1 м3 бетонной смеси: Ц = = 200 кг; В = 170 кг; П = 612 кг; Щ - 1400 кг. Для 10 л: Ц = 2 кг или 1,68 л; В = 1,7 кг; П = 6,1 кг или 4 л; Щ - 14 кг или 9,6 л. Далее определяют отношение составляющих Ц : В : Щ; по массе 1 : 3 : 7; по объему 1 : 3,5 : 7,4. Затем делают пробный замес, чтобы узнать подвижность сме- си. Если подвижность окажется меньше или больше необходи- мой, то, уменьшив или увеличив количество воды и цемента, вы- полняют расчет вновь, добиваясь необходимой подвижности (без изменения В/Ц). 11. Производственный состав бетона необходимо определять с учетом влажности песка и щебня. Очевидно, расход песка изме- нится, поскольку в нем содержится 5 % влаги. Таким образом, расход песка с учетом влаги составит =612 [1 +(5/100)] = 645 кг. Значит, количество воды нужно уменьшить на 645 - 612 = = 33 кг. Остальные компоненты останутся прежними. 12. Определяют расход материалов на замес бетономешалки. Допустим, что ее вместимость 400 л. При этом следует иметь в виду, что выход бетонной смеси получается меньшим, чем общий объем загружаемых материалов, т.е. коэффициент выхода бетона Р будет меньше Г. В = —— =-----------1°--= 0,66. Ц + 1Г + Щ 1,7+ 4 + 9,6 § 3.2. ТЕХНОЛОГИЯ УСТРОЙСТВА ПОДВОДНЫХ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ При строительстве МНГС гравитационного типа основным материалом, обеспечивающим устойчивое положение сооружения на дне, является часть МНГС, опирающаяся на грунт дна. Эта часть, как уже отмечалось ранее, называется фун- даментной частью МНГС или просто фундамент. Формы фунда- 60
ментных частей могут быть различными как в плане, так и по высоте: круглыми, квадратными, фигурными, кольцеобразными и т.д. Главное условие, предъявляемое к фундаментной части, яв- ляется требование - при любой конструкции гравитационного МНГС, устанавливаемого на дне, должна быть обеспечена на- дежность работы фундаментной части как конструкции, на кото- рой держится МНГС в целом. Под термином «надежность» в данном случае понимается способность фундамента воспринимать все нагрузки, передавае- мые на него вышерасположенной части МНГС, без изменения проектного положения фундамента. Поэтому как конструктивно- му оформлению фундаментов, так и технологии их устройства должно уделяться самое серьезное внимание. В первой части учебника были приведены несколько конструкций фундаментов под МНГС различных форм. Далее мы рассмотрим технологию их строительства. Массивные фундаменты устраивают под МНГС гравитацион- ного вида, площадь опирания которых достигает нескольких ты- сяч квадратных метров. Такие платформы (МНГС) устанавлива- ются в условиях замерзающих морей. В зимний период обра- зующийся лед оказывает на МНГС огромное сдвигающее давле- ние, и устойчивость МНГС зависит прежде всего от устойчиво- сти фундамента. Имея в виду, что выполнение работ по укладке больших объемов бетона непосредственно в условиях открытого моря практически невозможно, массивные бетонные (железобе- тонные) конструкции фундаментов делают на береговых строи- тельно-монтажных базах и доставляют к месту сборки фунда- мента на плаву. На базе изготавливают части фундамента в виде монолитных массивов-гигантов из бетона и железобетона. Осо- бенностью этих массивов-гигантов является то, что они должны обладать плавучестью. Поэтому части фундамента должны быть сконструированы таким образом, чтобы они обладали необходи- мыми для плавания (буксировки) свойствами: плавучестью, ос- тойчивостью, водонепроницаемостью ограждений. На рис. 3.4 показана схема расчленения фундамента на массивы-гиганты. На рис. 3.4, а, б фундаменты будут собраны из массивов-гигантов, имеющих квадратную форму и плановые размеры в пределах 25-30 м, но не более- трехкратной глубины моря в месте их уста- новки. На рис. 3.4, в фундамент собирают из трапецеидальных блоков. На береговой базе оборудуют площадку, на которой осущест- вляют бетонирование массивов-гигантов, выдержка их как мини- мум 28 дн после окончания самых последних работ по бетониро- ванию, поскольку бетон должен набрать необходимую прочность. 61
a б Рис. 3.4. Схемы расчленения фундамента на массивы-гиганты Отметим далее следующее: стены, ограждения и днище массивов- гигантов выполняют обязательно из железобетона. Иногда фор- мы стен и днищ изготавливают из металлического листа, что обеспечивает полную их водонепроницаемость. Пространство между листами заполняют железобетоном (под железобетоном понимают материал, изготавливаемый из бетона с размещаемыми в нем металлическими стержнями, называемыми арматурой). Приведем основные характеристики железобетона и его отли- чие от простого бетона. Железобетон обладает способностью воспринимать не только сжимающие напряжения, но и растяги- вающие, и изгибающие. Из железобетона можно изготавливать любые конструктивные элементы сооружений: тонкие плиты, стены, колонны, балки, трубы, резервуары и т.д. Ни один из этих элементов нельзя сделать из чистого бетона, так как изгибающие и тем более растягивающие напряжения простой бетон практиче- ски не способен выдерживать. Объединение двух составляющих - арматуры и бетона позволяет использовать их преимущества в одном материале, называемом железобетоном. На рис. 3.5, 3.6, 3.7 показаны основные виды элементов, изготавливаемых из железо- бетона. На рис. 3.5, 3.6 - элементы, работающие на сжатие, а на рис. 3.7 - на изгиб. На рис. 3.8 показан участок стены цилиндри- ческого резервуара, работающий на растяжение. Если сжатый участок работает за счет прочности бетона, а арматура удержива- ет колонну или ограждения от потери устойчивости, то схемы, показанные на рис. 3.7, 3.8, работают в основном за счет прочно- сти арматуры. Бетон же является материалом, обеспечивающим совместную работу всех стержней арматуры. Приведем примеры 62
Рис. 3.5. Армирование сжатых элементов Рис. 3.6. Армирование сжатых элементов с жесткой арматурой min 5 см
Изгибаемый элемент (балка, плита) Рис. 3.7. Армирование балок Рис. 3.8. Армирование цилиндриче- ского элемента: R„ - сила в наружной арматуре; R„ - сила во внутренней арматуре конструктивного оформления некоторых элементов, наиболее часто применяемых в конструкциях МНГС. Центрально-сжатые элементы. Так называют элементы, сжи- маемые силой, проходящей через центр сечения. К ним, как уже отмечалось ранее, относятся различного рода колонны, стойки, стены из железобетона. В качестве арматуры для центрально- сжатых элементов используют гибкую (стержневая) арматуру и жесткую арматуру из швеллеров, двутавров, уголков. На рис. 3.5 изображены формы различных колонн с гибкой арматурой, а на рис. 3.6 - с жесткой арматурой. Как видно на рис. 3.5, вдоль ко- лонн размещается так называемая рабочая арматура, диаметр которой может быть от 12 до 40 мм; поперек продольной оси размещается поперечная (связывающая в общую конструкцию продольную арматуру) арматура, диаметр стержней которой 6- 8 мм. Расстояние между стержнями продольной арматуры долж- но быть не менее 5 см, а между поперечными - 15г/ (d - диаметр продольного стержня), но в любом случае не менее 40 мм. Попе- речные сечения центрально сжатых элементов, показанные на рис. 3.6, иллюстрируют виды жесткой арматуры (а - двутавр; б - два швеллера; в - два двутавра; г - два швеллера; д - двутавр сварной; е - крест из металлических полос; ж - два двутавра). Эти элементы могут нести очень большие нагрузки. Для удержа- ния бетона от разрушения при сильном сжатии колонн с жест- кой арматурой по углам сечения устанавливаются гибкие стерж- ни, вокруг которых размещается поперечная арматура. Особенно- стью размещения жесткой арматуры является условие: толщина слоя бетона до любой точки жесткой арматуры должна быть не 64
менее 5 см. Несущая способность центрально-сжатых элементов определяется из условия N - m(FnpF6 + m^R^F^, (3.14) где Rnf и /?а - расчетные сопротивления бетона и арматуры на сжатие; т и пга - коэффициенты условий работы элемента в це- лом (пг) и арматуры (лга). Значение т = 1 при размерах сторон поперечного сечения более 30 см; если размеры 30 см и менее - т = 0,8. При расчете колонн с жесткой арматурой в формуле (3.14) площадь сечения бетона уменьшают на площадь сечения жесткой арматуры. Внецентренно-сжатые элементы. Так называют элементы, в которых сжимающая сила действует не по центру сечения, а с некоторым смещением (эксцентриситетом). Поэтому в сжимае- мом элементе возникает и изгибающий момент. В качестве при- мера таких элементов на рис. 3.7 показана балка (или плита), лежащая на так называемых полках. В стойках под действием нагрузки Р, размещенной с некоторым эксцентриситетом ё, воз- никает неравномерное распределение напряжений по сечению (рис. 3.9). Напряженное состояние внецентренно-сжатых элемен- тов рассчитывается из двух уравнений статики: ЕЛ/ = 0 и "LN = 0, т.е. сумма моментов сил и сумма продольных сил в любом сече- нии элемента равняется нулю. Расчеты эти можно найти в любой книге по железобетону. Рис. 3.9. Армирование аиецентренно-сжатых эле- ментов 65
Изгибаемые элементы. К ним относятся все железобетонные, нагруженные поперек продольной оси элементы (балки, покры- тия, различного рода плиты, в том числе и фундаментные). Эти элементы представляют конструкцию, состоящую из бетона и го- ризонтально расположенных арматурных стержней, объединяю- щихся в каркас поперечной арматурой (стержни или хомуты). Армирование изгибающих элементов производится как отдель- ными стержнями, так и сетками. На рис. 3.10 показаны разрезы (поперечные сечения) изгибаемых элементов. На рис. 3.10, а - прямоугольного сечения с гибкой арматурой; на рис. 3.10, б - балка с жесткой арматурой. На рис. 3.11 -показан продольный разрез изгибаемого элемента (балки). Особенностью изгибаемых a ~d > 2,5 см е > 3,0 см > 2,5 см б Рис. 3.10. Схема сечений изгибаемых элементов 66
элементов является то, что сечение элемента испытывает одно- временно растягивающие и сжимающие напряжения. Часть сече- ния работает в сжатой зоне, другая часть в растянутой. В сжатой зоне основным рабочим материалом является бетон, а в растяну- той - арматура. Поэтому в изгибаемых элементах арматура рас- пределяется неравномерно по сечению. Основная часть рабочей арматуры размещается, как видно из рис. 3.10, а, в растянутой зоне. При применении жесткой арматуры она размещается, как показано на рис. 3.10, б. Расстояния между продольными стерж- нями в растянутой зоне должны быть равны диаметру или боль- ше диаметра стержней d, но не менее 2,5 см; в сжатой зоне - равны диаметру или больше диаметра, но 71 не менее 3,0 см (см. рис. 3.10, а). Остальные размеры показаны на рисунке. Все эти элементы тем или иным образом могут быть задейст- вованы при строительстве фундаментной части МНГС. Посколь- ку железобетон является не только материалом, обеспечивающим необходимый вес, но и обладает необходимыми прочностными свойствами, то массивы-гиганты уже на береговой строительной площадке или в сухом доке делают с различными ограниченны- ми объемами, камерами, опорными элементами, колоннами. Пол- ностью монтируется предусмотренное проектом технологическое оборудование. Таким образом, фундаментная часть полностью подготавливается к перемещению ее на воду (отдельными бло- ками, массивами или в полностью собранном виде). Если фун- даментная часть изготавливается в сухом доке или в отгорожен- ной от моря части акватории порта, то перемещать фундаменты не требуется. Он всплывет, если будет открыт доступ воды в от- гороженную часть акватории. На рис. 3.12 показана часть аквато- рии, отгороженная перемычкой 1, внутри которой сооружается фундаментный блок 2. В позиции 1 блок находится на дне, а в позиции 2 - он уже на плаву. Вода в отгороженную часть аква- тории должна подаваться медленно, чтобы можно было контро- лировать процесс всплытия фундамента. Если блок будет подни- Рис. 3.11. Размещение продольной арматуры: 1 - рабочая арматура; 2 - распределительная продольная арматура; 3 - анкер; 4 - поперечная арматура 67
Море маться в наклоненном положении, то впуск воды прекращается и производится выравнивание блока за счет балластировки (утяже- ления) участка блока. Перемычка 1 (рис. 3.12) должна быть рас- считана на горизонтальное давление воды (см. [1]) на сдвиг и опрокидывание. В заключение остановимся на способах бетонирования массив- ных фундаментных блоков. Бетонирование может осуществлять- ся двумя основными способами: порциями и непрерывно. На рис. 3.13, а показана схема бетонирования порциями, а на рис. 13.13, б - непрерывно. Бетонный массив (сплошной) 2 заполняется с по- 68
мощью специальной бадьи 3, вместимостью несколько кубиче- ских метров. На берегу имеется бетонный узел (5, 6), состоящий из емкостей для цемента, песка и гравия 6 и бетоносмесительный агрегат 5, из которого заполняют бадью 3, перемещаемую краном 4 к месту выгрузки. По мере заполнения массива внутри опалуб- ки 1 производится уплотнение бетона вибраторами - иглами. При схеме бетонирования рис. 3.13, б бетон доставляют к месту укладки по стальному трубопроводу 8 с гибким трубопро- водом 9 на конце. Подача бетона производится бетононасосом 7. Этот метод применяют при необходимости бетонировать слож- ные формы. На рисунке показана примерная форма. В емкости 2 (объемы), образованные с помощью опалубки 7, устанавливаются арматурные каркасы 10 и по шлангу 9 бетонный раствор подает- ся во все объемы (последовательно). В процессе подачи бетона производится его виброуплотнение с помощью вибраторов как игольчатого, так и площадочного типа. Отметим крайнюю важ- ность виброуплотнения укладываемого бетона, так как только виброуплотнение может обеспечить необходимую плотность и прочность бетона. 69
§ 3.3. ТЕХНОЛОГИЯ УСТРОЙСТВА СВАЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ (ФУНДАМЕНТЫ, ОГРАЖДЕНИЯ, ЭСТАКАДЫ) Сваи в морском нефтегазовом строительстве при- меняются наиболее часто в качестве элементов при устройстве фундаментов под МНГС любого вида, при устройстве ограждаю- щих сооружений, эстакад, подпорных стенок. Основным достоин- ством свайных сооружений является сравнительная простота их устройства, возможность погружения свай на значительную глу- бину в грунт, способность свай воспринимать большие как верти- кальные, так и горизонтальные нагрузки, способность держать не только силы, направленные вниз, т.е. сжимающие, но и направ- ленные вверх, т.е. отрывные. Конструктивные схемы различных свай приводились в [1]. Далее будут рассмотрены технологические схемы работ, связанных с устройством свайных конструкций. 1. Использование свай при строительстве прибрежных и огра- ждающих сооружений. Прибрежными, т.е. расположенными вбли- зи береговой линии, можно назвать различного рода подпорные стенки, эстакады, причалы и т.п. На рис. 3.14 показана схема Рис. 3.14. Конструкция причала: а - полная ширина настила; b - расстояние между осями крайних свай; с - от- мостка; h - глубина забивки свай; d - расстояния между сваями 70
причальной конструкции на сваях с закрепленными откосами крупным сортировочным камнем. Сваи изготовлены из металли- ческих труб, диаметр которых зависит от силы, передающейся на сваю от веса настила и грузов (под «грузом» понимается любая тяжесть - машина, трактор, подъемный кран, контейнер и т.д.). На рис. 3.15 показана конструктивная схема свайного фундамента из свай, верхние части (головы) которых расположены ниже уровня дна водоема. На сваях размещены бетонные блоки. Расчет вы- полняется по методике, приведенной в [1]. Сваи 1, 2 погружаются на глубину h ниже дна водоема. Сваи 1 забиваются вертикально, а сваи 2 - наклонно под углом а. При этом могут использоваться различные методы погружения: забивка молотом, вибрация, раз- мыв грунта под нижним концом сваи мощной струей воды. Все эти способы могут реализоваться специальной техникой как с берега, так и с плавающего крана (рис. 3.16). На рис. 3.16, а погружение свай производится с помощью крана 1 устройством 2. Этим устройством может быть молот или тяжелый вибратор. В зависимости от диаметра свай и глубины их погружения масса молота может достичь 100-150 т с энерги- ей удара 2-3 МДж. Сваи погружаются с последовательным наращиванием. Па рис. 3.16, а, б сваи 5 уже находятся в грунте; к ним пристыкованы сваи 3 (по соединительному шву 4). Таким образом можно заби- Рис. 3.15. Стенка из крупных блоков на свайном фундаменте
Рис. 3.16. Погружение свай с помощью краиа вать сваи на любую необходимую глубину. В схеме 3.16, б забивка свай производится с помощью плавающего крана 1, удерживаемо- го в необходимом положении с помощью якорной системы. За- бивка свай производится по строго намеченной сетке осей 0-0, так как по верху свай должны укладываться конструкции настила (см. рис. 3.14) или устанавливаться так называемый ростверк 2 (см. рис. 3.15), объединяющий сваи по верхним концам (они еще называются «головами») свай. Как видно из рис. 3.14 и 3.15, в первом случае настил причальной стенки расположен выше по- верхности воды (ширина настила Ь). Во втором случае ростверк 72
Рис. 3.17. Технологическая схема устройства ограждающей стенки расположен практически на уровне дна. В нем имеются специ- альные углубления (пазы) для свай. Поскольку ростверк изго- тавливается на берегу и углубления устраиваются в соответст- вии с сеткой осей, то забивка свай должна производиться также точно по сетке. Поэтому должен осуществляться самый тщатель- ный контроль за выполнением этого требования. В противном случае установить ростверк невозможно. Установка ростверка, показанного на рис. 3.15, производится с помощью плавающего крана. На рис. 3.17 показана схема устрой- ства ограждающей стенки (или эстакады) из массивов-гигантов, уложенных на ростверк. Поскольку стенка может подвергаться мощному силовому воздействию волн и течений, то ростверк за- 73
крепляется от возможного сдвига не только сваями вертикально расположенными 3, но и наклонными 4. Установка массивов- гигантов производится как и ростверка с помощью плавающего крана. Перед началом работ по забивке свай производится раз- бивка сетки их размещения 1. Забивают сваи плавкраном № 1, опережая работы по укладке блоков ростверка 3, который уста- навливают на сваи 2. Предварительно сверяют соответствие раз- меров гнезд-углублений на ростверке расстояниям между осями свай. Установка блоков ростверка производится краном № 2; при этом ведется постоянный контроль за точностью установки, что- бы все сваи попали в соответствующие гнезда-углубления. Как видно из рисунка, блоки ростверка устанавливаются с опереже- нием установки массивов-гигантов самой стенки 4. Эти массивы также устанавливаются краном № 2. Массивы и блоки ростверка доставляются грузовыми судами № 3. 2. Установка свай на больших глубинах. Сваи на больших глу- бинах устанавливаются в качестве фундамента для опирания и закрепления различного вида платформ. Поскольку платформы (гравитационные и стержневые) имеют большую массу и подвер- гаются воздействию волн и течений, то и нагрузки, воспринимае- мые сваями, достигают сотен и более тонн на каждую сваю, что намного превышает нагрузки на сваи, устанавливаемые на малых глубинах. Кроме того, технология установки свай на больших глубинах отличается большой трудоемкостью, необходимостью применения сложной техники. Поэтому при проектировании свайных фундаментов на больших глубинах предпочтение отдает- ся конструкциям свай, обладающих большой несущей способностью, что позволяет уменьшить число свай. В практике строительства МНГС наибольшее распростране- ние получили металлические трубчатые сваи. Диаметры таких свай могут быть от 0,6 (см. рис. 3.14) до 3 м даже (в особых случа- ях) 4 м. Глубина погружения свай в грунт зависит от нагрузки на сваю, характеристик грунта, а также наличия необходимой сваебой- ной техники; во всяком случае из практики известны случаи погру- жения нижних концов свай на глубину до 150 м. В среднем же эта глубина составляет 30-50 м. Рассмотрим основные способы по- гружения свай, отметив предварительно одну важную особенность забивки свай на больших глубина^. Очень сложно обеспечить требуемую точность их размещения, если сначала забивать сваи, а затем устанавливать на них МНГС. Поэтому при забивке свай используют различного рода кондук- торы или же сваи забивают после установки на выровненную на дне площадку опорного (фундаментного) блока платформы. В опорном блоке имеются отверстия, в которые вставляют концы 74
свай и после этого начинается процесс забивки. После достиже- ния необходимого отказа сваи забивку приостанавливают, давая возможность грунту релаксироваться. После чего процесс забив- ки может быть продолжен опять-таки до достижения необходи- мого отказа («отказом» называется величина погружения сваи за один удар молота или какой-то период времени, если погружение сваи производится вибромолотом). При расчетном «отказе» обеспечивается необходимая (расчет- ная) несущая способность сваи. Началу работ непосредственно по забивке основных свай предшествует установка на дне специального кондуктора, яв- ляющегося частью опорного блока платформы, или полностью опорный блок. Как в том, так и в другом устроены специальные направляющие отверстия для установки в них свай (рис. 3.18). Как уже отмечалось, глубина погружения свай в грунт может Рис. 3.18. Установка свай с помощью кон- дуктора 75
достигать 150 м, сами сваи — иметь диаметр до 2,5-3 м, толщина стенки трубы сваи может быть от 30-60 мм. Поэтому установка свай в вертикальное положение производится плавкраном боль- шой грузоподъемности. Свая собирается из отдельных секций длиной 20-30 м (в за- висимости от высоты подъема головки сваи, допускаемого плав- краном). Секции соединяются на весу в вертикальном положе- нии автоматической сваркой. На рис. 3.19, а показан процесс со- единения секций свай. Кран крюком 7 удерживает уже соединенные секции 3- Дру- гой крюк 2 подводит к участку 3 новую секцию и удерживает ее во время сварки стыка т-т, после чего удлиненная часть сваи опускается вниз до тех пор, пока нижний конец сваи не войдет в отверстие кондуктора (рис. 3.19, б). Сразу же начинается процесс забивки свай гидравлическим молотом. Пространство между тру- бой и стенкой скважины заполняют цементным раствором, пода- ваемым под давлением по специальному шлангу с обслуживаю- щего процесс устройства свай судна. Следует отметить, что вре- мя, затрачиваемое на устройство (сборку) сваи, в 3-4 раза боль- ше, чем время, затрачиваемое непосредственно на забивку свай молотом. Рис. 3.19. Саая из отдельных частей 76
При устройстве бурозаливных свай в последнее время начали применять так называемые подводные буровые машины, с помо- щью которых можно бурить скважины диаметром до 2 м. В каче- стве примера можно привести подводную буровую машину SM3000, общий вид которой показан на рис. 3.20, а технологиче- ская последовательность выполнения работ на рис. 3.21. Дадим краткое описание последовательности: 1 - доставка SM3000 буксировочным судном к месту бурения; 2 - закрепле- ние SM3000 в точке предполагаемого бурения скважин; 3 - опускание машины на дно; 4 - установка буровой машины на дне и подготовка ее к бурению; все шаровые емкости заполнены и обеспечивают необходимую балансировку машины и удержа- ние ее на дне; управление бурением осуществляется с судна обеспечения; 5 - изменением величины балласта шаровых емко- стей обеспечивается необходимая плавучесть и перемещение ма- шины к точке, где должно производиться бурение следующей скважины; на рисунке направление перемещений обозначены стрелками; 6 - производится погружение трубных свай в пробу- ренную скважину. Манипуляции с опуском свай в скважину производятся с помощью плавучего крана. Рис,. 3.20. Подводная буровая машина 77
В практике строительства МНГС изменяется способ погруже- ния свай через несущие стойки 2 стержневой конструкции 7 не- сущего блока (рис. 3.22). В этом случае несущий блок 7 устанав- ливается на дно, а сваи 4 вводятся внутрь опоры и забиваются молотом 3, удерживаемым краном 5 (рис. 3.22, а). Нижние концы сваи остаются открытыми, что позволяет уменьшить энергию удара при забивке. Однако несущая способность таких свай меньше, чем свай, концы которых заглушены. Применяется в практике также забивка свай через направ- ляющие патрубки, присоединяемые к несущему блоку на различ- ных уровнях. Если стойки несущего блока наклонные, то патруб- ки закрепляют только внизу. Сваи 4 при этом могут забиваться в вертикальном положении (рис. 3.22, 6), а вокруг каждой несущей стойки 7 может быть закреплено несколько патрубков 2, что поз- воляет забить несколько свай 4 вокруг каждой стойки 7 и умень- шить глубину забивки свай. Если каркас стержневой системы имеет несущие стойки, расположенные вертикально, то направ- ляющие патрубки 2 могут размещаться на нескольких уровнях (рис. 3.22, в). Сваи 4 проходят через патрубки также в вертикаль- ном положении. Поскольку патрубки являются промежуточными точками опоры, то продольная жесткость их увеличивается, а процесс забивки упрощается. По верхнему обрезу несущего блока верхние концы забиваемых свай объединяются в общую конст- рукцию, обеспечивая тем самым увеличение общей жесткости МНГС. 3. Применение плавающих кранов в работах по перемещению тяжеловесных грузов. В приведенных материалах в составе тех- нологических схем неизменным элементом являются плаваю- щие (часто их называют «плавучие») краны. Без них, практи- чески, было бы невозможным выполнять работы, связанные с 78
Рис. 3.22. Схемы забивки свай: а - через несущие стойки; б - через патрубки на вертикальных стойках; в - через патрубки, закрепленные на разных уровнях; 1 - несущий блок; 2 - направляющие патрубки; 3 - молот; 4 - сваи; 5 - плавающий кран перемещением, установкой грузов и оборудования, а также произ- водить сами работы, в которых они являются составной частью технологической схемы. В морской практике используются раз- нообразные плавающие краны как по конструкции, так и по гру- зоподъемности. Приведем данные примерной схемы крана (пример услов- ный). Кран установлен на барже грузоподъемностью 100-3000 т. Схема крана приведена на рис. 3.23 (а - схема; б - грузовые ха- рактеристики в зависимости от удаления от подъема от условной 79
Рис. 3.23. Схема плавающего крана оси опорной части крана). На стреле крана задействованы четыре крюка, способных поднять различные по габаритам и весу грузы. Так наибольший груз поднимает главный крюк № 1, способный переносить груз по наибольшей окружности 80 м; наименьший вылет крюка с грузом составляет 25 м (см. рис. 3.23, б). Соот- 80
Рис. 3.24. Схема краиа со стрелой из сплошных стержней ветственно, грузоподъемность остальных крюков будет меньше; так крюк № 2 выносит груз на расстояние до 95 м, но при весе груза 400 т, а при радиусе 75 м крюк может поднимать груз в 1500 т. Крюк № 3 может перемещать грузы в пределах окружно- сти с радиусом 100 м и весе 400 т. При разработке технологии выполнения работ, связанных с перемещением тяжелых грузов в условиях открытого моря, необходимо в обязательном порядке иметь хотя бы минимум характеристик крана: радиус перемеще- ния грузов как наибольший, так и наименьший; кривую (см. рис. 3.23, б) зависимости допустимой грузоподъемности от радиуса; высотные данные как самого крана, так и для поднимаемого гру- за. Следует строжайшим образом выполнять требования, опреде- ляемые кривыми (см. рис. 3.23, б). Конечно, приведенный пример условен, но в практике имеются краны, схожие по характеристи- кам с примером. Имеются и более легкие, и более тяжелые кра- ны, способные поднимать сразу десятки тысяч тонн груза. Однако не следует использовать краны с грузоподъемностью, намного превышающую необходимую по условиям производства работ, так как это приводит к существенному их удорожанию. Для наглядности приведем примеры плавающих кранов. На рис. 3.24 показана схема крана, разработанного компанией Gusto Enginee- 81
Рис. 3.25. Общий вид плавающего краиа ring (Голландия) для России. Предполагается грузоподъемность 1200 т. На рис. 3.25 показан кран (реальный) той же компании гру- зоподъемностью 800 т. Глава 4 ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ГРАВИТАЦИОННЫХ МНГС НА ПРИБРЕЖНЫХ БАЗАХ Как уже отмечалось в гл. 1, процесс создания МНГС любого (в том числе и гравитационного) типа делится на две крупные составляющие: работы, выполняемые на береговой или прибрежной базе, и работы, выполняемые непосредственно в районе установки МНГС на дно. Каждый вид этих работ имеет свою специфику, технологическую последовательность и способы 82
ведения работ. В данной главе будут рассмотрены работы, вы- полняемые только на береговых (прибрежных) базах при строи- тельстве гравитационных МНГС. § 4.1. ХАРАКТЕРИСТИКА БЕРЕГОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ БАЗ (ПЛОЩАДОК) В строительной практике применяются различные термины для обозначения мест, где формируются необходимые для обеспечения строительных работ технические средства. К таким терминам относятся: база, площадка, строительно-монтаж- ная площадка, строительный двор, участок и др. Поэтому, встре- чаясь с этими или аналогичными терминами, нужно иметь в ви- ду главное: на местах, обозначаемых ими, можно подготовить все необходимое для «основного» строительства. Строительная база (площадка) предназначается для выполне- ния всех работ, необходимых при изготовлении блоков, элемен- тов и деталей, используемых в строительстве таких сложных со- оружений, как МНГС гравитационного типа, весящих десятки тысяч тонн в готовом виде и иногда имеющих размеры футболь- ного поля в плане и останкинской телебашни по высоте. Поэто- му строительная площадка должна иметь необходимое число зон, в пределах которых осуществляется выполнение различных ра- бот: изготовление, сборка и сварка металлических стержневых конструкций, труб, арматуры, листовых конструкций; приготов- ление и укладка бетона, изготовление фигурных железобетонных элементов и объемов; транспорт и перемещение блоков и тяже- ловесных конструкций внутри строительной площадки из одной зоны в другие. Поэтому зоны должны быть размещены таким образом, чтобы учитывалась логическая последовательность вы- полняемых работ, при которой будут минимизированы переме- щения блоков, элементов, деталей. На рис. 4.1 приведена схема береговой зоны. Одним из основных условий определения ее ме- стоположения является обеспечение возможности свободного перемещения тяжеловесных блоков с суши на воду, поскольку доставка отдельных блоков и даже всего сооружения к месту ус- тановки может быть осуществлена только на плаву. Приведем перечень основных зон (можно называть их участ- ками или площадками), в пределах которых осуществляются необходимые операции по созданию гравитационных МНГС. 1-я зона. Территория, на которой производятся бетонные и железобетонные работы. Следует иметь в виду, что эти работы являются наиболее материалоемкими, а готовые изделия из бе- 83
Рис. 4.1. Схема расположения производственных участков тона имеют большой вес, что очень усложняет перемещение их как в самой зоне, так и в другую зону (по мере готовности). В составе 1-й зоны должны быть оборудованы площадки: для пес- ка, щебня или гравия; емкости для цемента; склад арматуры; склад профильных сталей для создания жесткого каркаса блоков; склад материалов для опалубки и готовых элементов опалубки; оборудование для производства бетонных работ. 2-я зона. Включает площадки для изготовления арматурных каркасов, заготовки из профилированных стальных материалов (двутавровые балки, швеллеры, трубные заготовки); подвижные краны на гусеничном или ином ходу для погрузки готовых изде- лий на транспортные машины (автомобильный или железнодо- рожный транспорты). 3-я зона. Участок изготовления частей и элементов опалубки для формирования очертаний будущей платформы. Возводятся цехи изготовления простой и сложной опалубки. Под «простой» понимается опалубка, формирующая объемы плоскими поверх- ностями; сложная - опалубка, формирующая фигурные объемы с использованием различных кривых поверхностей, соединений и т.п. 84
4-я зона. Участок изготовления железобетонных элементов, используемых в качестве элементов для сборных частей МНГС. 5-я зона. Котлован, отделяемый от открытого моря защитной перегородкой. Котлован может освобождаться от воды (морской термин - осушаться) и в нем могут выполняться все работы, связанные со строительством опорного блока МНГС, насухо. По- сле окончания бетонных и других работ котлован заполняется водой и опорный блок всплывает. 6-я зона. Акватория достройки МНГС на плаву. В эту аквато- рию приводится на плаву готовый опорный блок. В этой же ак- ватории находится судно (баржа), на котором размещается завод по производству бетонных и железобетонных работ. 7-я зона. Зона постановки МНГС на якоря в защищенном от волн месте для выполнения работ по установке несущего блока и верхнего строения (если это предусмотрено проектом). 8-я зона. Отстой плавучих кранов, транспортных барж, букси- ров и других судов специального назначения (пожарные суда, суда экологического мониторинга, суда для перевозки людей, обеспечения их питания и других нужд). Если предусматривает- ся проектом строительство нескольких МНГС гравитационного типа, то 5-я зона должна обеспечивать возможность работы сразу с двумя и даже тремя МНГС. Это позволит уменьшить время строительства за счет организации последовательного выполне- ния работ. Это особенно важно, учитывая, что бетонные конст- рукции из монолитного бетона раньше, чем через 28 дн после укладки бетона перемещать нельзя. Поэтому при работе с двумя- тремя МНГС каждый из них должен находиться в отдельном осушаемом котловане или сухом доке. В перечне зон не указаны зоны вспомогательные как не имеющие непосредственного отношения к процессу изготовления МНГС. Отметим лишь, что к таким зонам относятся админист- ративная зона, жилой городок (гостиница), службы охраны, по- жарные депо, службы водообеспечения, транспортные службы, медицинский центр. Поскольку базы для строительства МНГС не всегда можно расположить вблизи крупных населенных пунктов, то проблемы доставки рабочих к месту работы и обратно, организация их бы- та, отдых требуют создания соответствующих служб. В заключение отметим, что выбор места создания базы пред- ставляет весьма сложную задачу. Желательно, чтобы объем ра- бот, не относящихся непосредственно к строительству собственно МНГС, таких как планировка рельефа, устройство ограждения зон, расположенных на береговой линии или в акватории, углуб- ления дна, строительство защитных дамб был минимальным. 85
§ 4.2. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МНГС НА ПРИБРЕЖНОЙ БАЗЕ , Рассмотрим технологическую последовательность выполнения работ по строительству МНГС гравитационного ти- па. Как было показано в [1], все МНГС имеют в своем составе 3 основных блока - опорный (фундаментный), несущий, связы- вающий опорный блок с верхним строением, и блок верхних строений. Естественно, что строительство начинается с формиро- вания нижнего, опорного блока. На рис. 4.2 представлены кон- цептуальные формы ледостойких МНГС. Как видно из рисунков, у всех платформ имеется мощный (распластанный) опорный блок, изготовленный из железобетонных конструкций. Причем особенностью блоков является то, что они должны обладать плавучестью, способной поддержать на плаву не только собст- венную тяжесть, но тяжесть несущего (среднего) блока, а иногда и блока верхних строений. Рассмотрим реализацию технологи- ческой последовательности выполнения работ, относящихся к прибрежной базе на примере первой схемы, приведенной на рис. 4.2. Рис. 4.2. Концептуальные схемы ледостойких платформ 86
Начинается строительство опорного блока в осушенном кот- ловане (или в сухом доке) с тщательной разбивки плана нижней плоскости блока и подготовки поверхности дока, на которой бу- дет сооружаться опорный блок. Поскольку блок должен обладать необходимой плавучестью, он изготавливается в форме ячеистой структуры. При этом ячейки должны быть водонепроницаемы; однако в них должен быть доступ для заполнения внутренней полости ячеек утяжелителем (вода, гравий, песок) при установке МНГС на точку (место рабочего положения МНГС на дне). По- этому ячейки могут иметь форму цилиндров со стенкой из желе- зобетона с очень плотно уложенным бетоном (обязательное виб- роуплотнение). Толщина стенки цилиндров рассчитывается та- ким образом, чтобы вода в результате фильтрации внутрь ци- линдров не привела бы к заполнению блока при его буксировке. Для обеспечения недоступности воды внутрь цилиндров при транспортировке их обшивают (покрывают) снаружи, а иногда и внутри, металлическими листами 3 (рис. 4.3). Бетонная стенка 2 имеет толщину 50-60 см. Внутри стенки устанавливается арма- тура 1 - продольная и кольцевая. Диаметр колец может быть от нескольких метров до 10-15 м, размер зависит от размеров всего опорного блока в плане. Чем больше его плановые размеры, тем больше диаметр колец. Ячейки могут иметь и другие очертания, например, квадрат- ные или прямоугольные в плане (рис. 4.4). Изготовление опор- ного основания с ячейками цилиндрической формы более слож- но, чем квадратной или прямоугольной. На рис. 4.5 изображен общий вид строительства фундамент- ных блоков гравитационных платформ, образованных цилиндри- ческими ячейками. По форме они представляют как бы две объе- диненные схемы, показанные на рис. 4.4, а, б. Площадь опирания фундаментов образована бетонной плитой, как на рис. 4.4, б, а 87
Рнс. 4.4. Пустотные ячейки в плане вертикальное заполнение объема блока выполняется по форме рис. 4.4, а. Фундаментный блок справа находится в самый начальный период строительства, а блок слева - на стадии окончания его формирования. Можно обратить внимание читателя на место, где ведется строительство: это сухой док, отдаленный от моря сталь- ными стенками. Платформа строилась компанией C.G. Doris для доставки ее в Балтийское море и рассчитана на значительные ледовые нагрузки. Рис. 4.5. Общий вид фундаментной части несущего блока гравитационных платформ в сухом доке 88
После подготовки поверхности дна котлована производится разбивка (разметка) расположения всех элементов, устанавли- ваемых на дно опорного блока. К этим элементам относятся стенки ячеек, площадки опирания несущих элементов, на кото- рые должен опираться блок верхних строений. Далее расклады- вается рабочая арматура, обеспечивающая необходимую несущую способность днища опорного блока; размещается мощная жест- кая арматура и несущие конструкции из профилированного ме- талла (тавры, двутавры, швеллера и т.д.). Арматурные стержни и конструкции из них соединяются в общую конструкцию, образуя так называемый каркас. После закрепления металлического ар- матурного каркаса производится установка опалубки как внеш- него ограждения опорного блока, так и стенок внутренних ячеек. Устанавливается также опалубка нижних частей несущего блока. На рис. 4.6 показано армированное днище опорного блока, а на рис. 4.7 - вертикально установленная арматура перегородок и стен ячеек; на рис. 4.8 показана раскладка и установка арматуры и цилиндрических металлических заготовок под несущие (опор- ные) конструкции. После установки арматуры и жестких металлических конст- рукций производится размещение и закрепление опалубки. Она Рис. 4.6. Армированное днище опорной части несущего блока 89
Рис. 4.8. Раскладка горизонтальной арматуры
изготавливается из металлических листов, усиливается ребрами жесткости для сохранения проектной формы бетонируемых эле- ментов. После установки опалубки и тщательной проверки соот- ветствия ее размещения проектным данным начинается заполне- ние бетоном объектов, ограниченных опалубкой. Поскольку раз- меры МНГС как в плане, так и по высоте очень большие (десят- ки и даже сотни метров), то работы по подготовке днища опор- ного блока, установке арматуры, опалубки и, наконец, укладке бетона производятся в определенной последовательности. По достижении необходимой прочности бетона (примерно через 28 дн) опалубка снимается и устанавливается на очередном уча- стке. Таким образом, осуществляется наиболее продуктивное ис- пользование как рабочего времени, так и сопутствующих элемен- тов и конструкций (различные поддерживающие конструкции, опалубка, краны, транспортные средства, уплотняющие бетон механизмы и т.д.). В подготовленные с помощью опалубки емко- сти по трубопроводу или с помощью бетоновозов заполняются бетоном. Схемы технологичной последовательности выполнения работ показана на рис. 4.9, 4.10, 4.11 и 4.12. На рис. 4.9 показана схема раскладки горизонтальной арматуры по площади днища (гори- зонтальные линии) и установка вертикальной арматуры (точки) на наружные ограждающие стенки (толщина их колеблется в пределах 0,5-1,0 м) по всему контуру днища, а также всех верти- кальных элементов (опорные колонны, центральный несущий блок, стенки перегородок объемов). Работы ведутся по направле- нию, показанному стрелкой от сечения 0. Рис. 4.9. Схема раскладки арматуры в днище Рис. 4.10. Начало процесса бетони- рования диища 91
Рис. 4.11. Установка опалубки и вертикальной арматуры На рис. 4.10 показано днище с полностью разложенной арма- турой, включая и вертикальную (точки) арматуру. Производится бетонирование днища от сечения 0 и далее по направлению стрелки. Часть днища с уже уложенным бетоном показана вол- нистыми линиями. По мере отвердевания бетона на днище уста- навливается опалубка вертикальных элементов. На рис. 4.11, а приведена схема плана нижней части МНГС с уже установлен- ной опалубкой, начиная от сечения 0. В разрезе по оси А-А (рис. 4.11, б) показаны вертикальные конструкции (стенки, несущий блок) с установленной арматурой внутри опалубки. По мере ус- тановки опалубки производится бетонирование с использованием вибраторов для плотной укладки бетона. До начала бетонирова- ния в стенах и других вертикальных элементах устанавливаются закладные формы, в которые вставляется после отвердения бето- на необходимое технологическое оборудование. На рис. 4.12 по- казана схема МНГС (вид сверху на рис. 4.12, а) с уже закрыты- ми объемами (помещениями) верхним покрытием (железобетон), 92
a Несущий блок Рис. 4.12. Перекрытие пустотных нчеек показанным на рис. 4.12, б. Несущий блок бетонируется в одном котловане или доке на высоту Н, которая зависит от величины плавучести опорного блока и допустимого давления на днище, опирающееся на жесткое основание сухого дока. Эти параметры определяются расчетом несущей способности днища опорного основания на действие распределенных нагрузок и сосредоточен- ных сил. § 4.3. ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ НА ПЛАВУ В ПРИБРЕЖНОЙ АКВАТОРИИ После окончания работ по строительству опорного блока и приобретения бетоном необходимой прочности произво- дится постановка блока на воду. Котлован постепенно заполня- ется водой до момента, когда начнется отрыв опорного блока и части несущего блока, собранного вместе с опорным блоком, как 93
описано в § 4.2. В процессе заполнения котлована (или сухого дока) водой осуществляется тщательный контроль за состоянием всех элементов всплывающего МНГС. При малейших неполад- ках, например, при возникновении течи процесс заполнения во- дой прекращается до выяснения причины неполадки и устране- ния ее. После отрыва строящегося МНГС от грунта (или дна сухого дока) определяются необходимые параметры его плавуче- сти; особое внимание обращается на возможные наклонения МНГС и определение причины их возникновения. Таковыми могут оказаться не соответствующее проектному распределение масс элементов и частей МНГС, образовавшееся в процессе строительства. После выполнения проверочных процедур произ- водится подготовка МНГС к проведению различных морских операций, связанных с перемещением строящегося МНГС в зону достройки на плаву. Должны быть выполнены такие работы, как закрытие всех отверстий и люков, куда может попасть вода при транспортировке МНГС в зону достройки, установлены всевоз- можные заглушки (проверяется их наличие), уплотнены все мяг- кие прокладки, закреплены все устройства, которые могут пере- меститься при наклонах МНГС. Должны быть закрыты все от- верстия, двери и т.д. на внутренних стенах (переборках). Если достройка МНГС будет продолжаться на плаву в том же котло- ване или сухом доке, но уже заполненном водой, то все работы будут продолжаться до тех пор, пока несущий блок не будет до- строен до площадки, на которую будет устанавливаться верхнее строение. Если строительный котлован (док) освобождается для строительства нового МНГС, то частично построенное МНГС буксирами отводится в резервную зону акватории, защищенной от прямого воздействия волн и течений в период достройки. В этой зоне имеется вся необходимая техника для выполне- ния строительно-монтажных работ. На рис. 4.13 показано МНГС, находящееся в зоне достройки с доведением несущего блока до площадки, на которой будет установлен блок верхних строе- ний. Отметим далее одно важное обстоятельство. В зависимости от высоты несущего блока и веса верхнего строения могут сложить- ся такие условия, при которых невозможно обеспечить остойчи- вость МНГС в полном сборе. Поэтому МНГС транспортируется на плаву к месту установки (на точку) без блока верхних строе- ний. После окончания всех работ по строительству опорного блока и несущего блока и установки всего необходимого обору- дования производится подготовка МНГС к плаванию. Подготов- ка заключается прежде всего в определении реальной плавучести и остойчивости сооружения в целом, т.е. МНГС в том виде, как 94
Рис. 4.13. Общий вид строительства несущего блока оно будет буксироваться к месту установки. Плавучесть проверя- ется притоплением МНГС на малую величину и определении веса балласта (морской воды), заливаемой в балластные емкости (объемы). Более сложным является проверка остойчивости МНГС [1]. Она проверяется так называемым «кренованием» МНГС, суть которого заключается в определении водоизмещения МНГС на плаву и положение центра тяжести («величины»). В месте про- ведения работ по кренованию должно быть обеспечено спокой- ное состояние поверхности воды (закрытая территория аквато- рии). Перед началом кренования должно быть определено поло- жение ватерлинии (т.е. граница водной поверхности на боковой поверхности опорного блока МНГС), кренование заключается в создании на одной части МНГС избыточного веса заполнением соответствующих балластных емкостей. Для сооружений, имею- щих большую поверхность соприкосновения с водой, величина крена должна составлять 1°. При этом должны быть точно опре- делены объемы и центры объемов заполняемых водой цистерн (тем самым устанавливаются действующие силы и точки их по- ложения). Объект кренования должен быть закреплен таким об- разом, чтобы он мог наклоняться относительно продольной оси. 95
При заполнении балластных цистерн измеряется угол накло- нения с помощью шланговых ватерпасов или так называемых оптических квадрантов, а осадка - в миллиметрах специальной линейкой по изменению положения ватерлинии. В процессе кре- нования определяются все необходимые для расчетов плавучести и остойчивости данные [1]. Само кренование производится спе- циалистами (специальная комиссия). § 4.4. ДОСТРОЙКА ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕГО БЛОКА Как было показано в [1], под элементами несущего блока понимаются конструкции, соединяющие опорный блок и блок верхних строений. Эти конструкции могут иметь разные формы: железобетонные (без покрытия металлическим листом, с покрытием), стержневые, состоящие из одной, двух, трех и более колонн. Это зависит от глубины моря в точке установки и со- стояния поверхности моря в зимний период. Если море замерза- ет, образуя ледовый покров большой толщины, то колонны де- лаются массивными, мощными, способными выдержать давление льда. В прибрежной акватории не всегда можно построить несу- щий блок на полную высоту, так как глубина воды в доке или котловане не превышает 10-15 м. Поэтому достройка элементов несущего блока производится после выведения МНГС на глуби- ну, где уже построенную часть МНГС можно опустить на необ- ходимую глубину. На рис. 4.14 показана схема достройки МНГС до высоты, на которой будет размещаться блок верхних строе- Рис. 4.14. Всплытие опорной части несущего блока: 1 - опорный блок (фундамент); 2 - несущий блок 96
ний. На опорный блок устанавливаются краны, высота которых позволяет достроить несущие конструкции. В таком виде МНГС выводится буксирами на глубину, где притапливается и занимает положение, показанное на рис. 4.15. Притапливание производит- ся постепенным заполнением балластных емкостей (объемов). При этом увеличивается остойчивость достраиваемой МНГС за счет опускания вниз центра тяжести. Это позволяет достроить несущий блок на полную высоту. На период проведения работ МНГС закрепляется якорной системой, что позволяет удержи- вать МНГС в заданном месте весь период выполнения строи- тельных работ. Доставка необходимых стройматериалов и конструкций осу- ществляется на баржах (рис. 4.16). Строительство ведется с по- мощью кранов и так называемой подвижной опалубки, подни- маемой вверх по мере отвердения и упрочения бетона. Если ко- лонны конструктивно оформлены из стержней, то монтаж их ведется из секций, доставляемых с береговой базы на баржах. Рис. 4.15. Схема достройки несущего блока: 1 - несущий блок; 2 - большой кран; 3 - достраиваемая часть несущего блока; 4 - малый кран; 5 - баржа с материалами для достройки несущего блока; б - канаты якорной системы 97
Рис. 4.16. Схема доставки стройматериалов: 1 - стрела большого крана; 2 - баржа со стройматериалами; 3 - достраиваемая стенка несущего блока; 4 - стрела малого крана; 5 - баржа со стройматериалами; 6 - опорный блок (фундамент) После окончания работ по строительству опор несущего бло- ка, если обеспечивается необходимая плавучесть достраиваемой платформы, может быть установлена на верхнюю плоскость не- сущего блока палуба верхних строений (блок). Технология уста- новки верхнего строения рассматривается в гл. 8. Глава 5 ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СТЕРЖНЕВЫХ МНГС И БЛОКОВ ВЕРХНИХ СТРОЕНИЙ НА БЕРЕГОВОЙ БАЗЕ Под стержневыми МНГС, как было показано в [1], имеются в виду конструкции, составленные из линейных элемен- тов из труб различного диаметра, балок, стоек, колонн и т.п., на- зываемых весьма условно «стержнями». Дело в том, что неко- торые «стержни» изготавливаются, например, из труб диаметром 2 м и более. Они не только работают как несущие нагрузки эле- 98
менты, но в ряде случаев обеспечивают необходимую плавучесть всей конструкции блока. Изготавливают «стержни» из металла. При малых размерах поперечного сечения стержни могут изго- тавливаться из профилированных материалов (двутавры, швел- леры, тавры и др.), а при больших размерах - из металлическо- го листа. Имея в виду главный принцип организации строитель- ства МНГС - обеспечение минимума работ, выполняемых в от- крытом море из отдельных стержней, большая их часть произво- дится на специально создаваемых площадках на территории береговой базы. Рассмотрим далее технологию выполнения ра- бот по изготовлению различных крупногабаритных модулей из стержней. § 5.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТЕРЖНЕЙ На рис. 5.1 показана схема строительно-монтажной площадки по изготовлению металлических конструкций. Любая металлическая конструкция собирается из отдельных элементов, которые будем называть стержнями, независимо от формы их поперечного сечения (окружность, тавр, швеллер и т.п.) и разме- ров. Площадь, на которой размещается монтажная площадка, должна позволять разместить на ней следующие участки (см. рис. 5.1): участок складирования необработанных стержней 1\ участок сортировки стержней 2; участок фасонной резки стерж- ней 3 в соответствии с проектом (длина, фигурная обрезка кон- цов); участок сборки частей большой конструкции 4, например, несущего блока платформы стержневой формы; участок подго- товки мелких комплектующих изделий 5 (стержни малого диа- метра, заглушки, сложные элементы для соединения нескольких стержней, узлы соединений и т.п.); участок сборки большой, т.е. готовой к транспортировке и установке на точку конструкции 6, 7; стапель (так называют спусковую дорожку) 8 для перемеще- ния готовой стержневой конструкции на воду или на баржу 9. Все грузовые операции (перемещения заготовок и готовых кон- струкций) осуществляются кранами А, Б, В, Г. На строительно- монтажной площадке находится здание, в котором размещается инженерно-технический персонал, осуществляющий проектные, расчетные и графические работы, связанные с выполнением все- го комплекса строительно-монтажных работ. Там же размещают- ся различные службы, связанные с хозяйственной деятельностью и службой быта. 99
Рис. 5.1. Схема строительно-монтажной площадки Рассмотрим далее технологическую последовательность работ, выполняемых на строительно-монтажной площадке стержневых конструкций. Эта последовательность иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 5.2 (7 - участок накопления; 2 - сортировка стержней; 3 ~ фасонная резка; 4 - сборка частей блоков; 5 - ма- лые элементы; 6 - конструкция в сборе; 7 - стапель). 1. Участок накопления элементов, из которых делаются так называемые «заготовки» или иначе стержни, полностью подго- товленные для формирования (сборки) различных конструк- ций. Приведем краткий перечень основных технологических 100
Рис. 5.2. Последовательность выполнения работ операций, выполняемых па участке накопления: выгрузка по- ступающих железнодорожным, морским или автомобильным транспортом элементов (стержней); выгрузка листовой стали, из которой могут изготавливаться изделия и трубы большого (2 м и более) диаметра; раскладка элементов по форме (трубы, профили и т.п.), размерам (длина, поперечные размеры); сорти- ровка элементов по качеству (сохранность геометрической фор- мы, состояние поверхности металла, наличие царапин и т.п.). Па этом же участке производится отбор образцов для проведе- ния испытаний на соответствие основных показателей, опреде- ляющих физико-механические свойства материалов. Отбракован- ные элементы не допускаются к использованию в сборке кон- струкций. 2. С участка 1 элементы (стержни) или стальные листы кра- ном А переносятся на участок фасонных заготовок 3, где в соот- ветствии с чертежами производится раскрой плоских элементов и фигурная резка стержней. Качественное выполнение фигурной резки особенно важно для стержней из труб. После такой резки линии контакта фигурной (фасонной) резки должны плотно прилегать к поверхностям, к которым они присоединяются с по- мощью сварки. Отметим, что на участке 2 производится изготов- ление труб большого диаметра (более 2 м). Трубы меньшего диаметра поставляются с металлургических заводов, изготавли- ваемых по специальному заказу (длина, диаметр, толщина сте- нок, марка стали). Из труб большего диаметра изготавливают элементы, несущие основную нагрузку (обычно это вертикальные элементы), имеющие плоскую решетчатую форму, которые ис- пользуются при образовании пространственной несущей части платформы. На рис. 5.3 показана плоская решетка, сваренная из труб большого диаметра на земле (на специальном стенде) и поднятая краном в вертикальное положение для перемещения ее на участок, где производится сборка пространственной конструк- ции. Эта работа выполнялась краном компании Мак Дермот в Шотландии. Такой большой диаметр труб необходим для созда- ния плавучести несущего блока стержневой формы платформы. Практически на участках 2 и 3 осуществляется сборка всех пло- 101
Рис. 5.3. Плоская решетка одной из боковых граней несущего блока (общий вид) ских панелей (решеток), из которых производится сборка про- странственных (многомерных) конструкций. 3. Подготовленные плоские и фигурные элементы кранами (стационарными или подвижными) перемещаются на участки 4, 6, 7 (см. рис. 5.1). На этих участках производится сборка час- тей (секций) крупногабаритных пространственных конструкций, по существу, блоков, готовых к транспортировке по воде к месту 102
установки. Покажем далее технологическую последовательность сборки крупногабаритных пространственных конструкций. На рис. 5.4 показан начальный этап сборки: на нижнем уровне рас- кладываются металлические опорные элементы (балочного типа) 1, закрепляемые от возможных смещений и изменения положе- ния опорных элементов стержнями 2. Передвижными кранами 3 поднимается в вертикальное положение панель 4 (решетка), ана- логичная той, что показана на рис. 5.3. Этими же кранами панель устанавливается на опорные элементы и закрепляется тросовыми оттяжками б (рис. 5.5). Таким же образом устанавливается и за- крепляется панель 5. Установленные таким образом панели за- крепляются стержнями 7 в пространственную конструкцию, об- ладающую жесткостными характеристиками (рис. 5.6), позво- ляющие осуществлять необходимые работы по «навешиванию» на конструкцию различного оборудования (рис. 5.7). Эти конст- рукции, как уже отмечалось, оформляются до состояния, при котором они могут использоваться для сборки несущего блока на площадках 4 и б (см. рис. 5.1). Для иллюстрации одной из воз- можных конструктивных схем соединения различных стержней приведен рис. 5.8. Стержни в узлах могут соединяться в форме кристаллообразных конструкций. Кристалл 8 вместе с уже встав- ленными в гнезда патрубками 9 заготавливаются на участке 5 (см. рис. 5.1) еще до начала сборки пространственных конструк- ций. Соединяются в силовую систему патрубки с помощью свар- ки или иных методов соединений (на муфтах, на болтах и др.) 4. Полное оформление пространственной стержневой конст- рукции производится на участках б и 7. На участке б оформля- ются конструкции, которые будут погружаться на баржи, достав- ляющие конструкции к месту установки. На участке 7 изготав- ливаются конструкции, спускаемые по стапелю 8 на воду и транспортируемые к месту установки на плаву с помощью бук- сиров. В первом случае конструкция может не обладать плавуче- стью, а во втором она должна обладать ею за счет использования на одной из панелей (решеток) труб большого диаметра, напри- мер, таких, как показаны на рис. 5.3. Для иллюстрации на рис. 5.9 показан несущий блок, находящийся на берегу, по схеме, показанной на рис. 5.1 (поз. б) и подготовленный к погрузке на баржу, а на рис. 5.10 - блок уже погружен на баржу для транс- портировки к месту установки. 5. Подготовленная полностью к установке на «точку» конст- рукция доставляется к месту двумя способами: на барже или на плаву. На строительно-монтажной площадке оборудуются два вида спускных сооружений. Рассмотрим особенности каждого из них. 103
Рис. 5.5. Сборка каркаса из несущих стоек
7 Рис. 5.6. Крепление каркаса стержнями жесткости Рис. 5.7. Навеска оборудования на каркас стержневой МНГС
Рис. 5.9. Несущий блок стержневой МНГС на береговой площадке
Рис. 5.10. Блок МНГС, транспортируемый иа барже На рис. 5.11 показана схема размещения стержневой конст- рукции 1 и баржа 2, прикрепленная к береговым закрепительным устройствам 3. Конструкция 1 (будем называть ее далее несущим блоком) надвигается по направляющим дорожкам 4, соединен- ным с аналогичными дорожками на барже. На них несущий блок будет находиться до момента снятия его в точке установки на донный опорный блок или свайный фундамент. Надвижка несущего блока производится с помощью домкра- тов, обладающих необходимой силовой установкой. По мере про- движения блока 1 домкраты перемещаются на новую опорную точку. Процесс продолжается до тех пор, пока блок 1 не займет необходимое положение на барже (пунктир). Другой метод по- грузки заключается в перемещении блока 1 одним или двумя кранами (в зависимости от веса блока) - рис. 5.12. На рис. 5.12, а перемещение производится одним краном. Как показано на рисунке, размеры блока меньше, чем размеры блока, изображенного на рис. 5.12, б. Конечно и вес второй конструкции больше, чем вес первой, поэтому перемещение блока по второй схеме осуществляется двумя кранами. Расчет расстановки кранов и определение максимальных расстояний расположения грузовых 109
1 Рис. 5.11. Схема размещения стержневой МНГС перед погрузкой на баржу подъемных крюков кранов производится по графику зависимости подъемной силы крана от расстояния приложения этой силы (см. рис. 3.23, график). На рис. 5.13 показана схема спуска блока 1 на воду при рас- положении оси блока перпендикулярно к линии уреза. Сразу отметим, что при таком расположении блока может осуществ- ляться не только спуск блока на воду, но и погрузка его на бар- жу. Спуск блока на воду производится по специально устраивае- мой спусковой дорожке 2, плавно опускающейся на воду. Спус- ковая дорожка, называемая «слипом», имеет довольно сложную конструкцию, обеспечивающую невозможность схода тележек (или роликов), на которых располагается блок 1, с дорожек. В процессе спуска может осуществляться торможение движущегося блока. Это особенно важно при достижении движущимся блоком участка слипа, опускающегося на воду. 110
Рис. 5.12. Схема погрузки на баржу одним и двумя кранами Проиллюстрировать эту схему можно рис. 5.14 и 5.15. На рис. 5.14 показано перемещение блока 1 по спусковой дорожке 2 на берегу. На рисунке поз. 3 показывает домкраты, осуществляющие 1 L Рис. 5.13. Схема спуска несущего стержневого блока на воду 111
Рис. 5.14. Общий вид перемещения блока на спусковой дорожке
Рис. 5.15. Несущий блок стержневой МНГС с прикрепленными пустыми емко- стями для обеспечения плавучести перемещение с помощью тросов. На рис. 5.15 показано переме- щение блока на баржу, стоящей у причальной стенки кормой. Как видно из рисунка, спусковая дорожка устроена не только на берегу, но и на самой барже. § 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖА БЛОКА ВЕРХНИХ СТРОЕНИЙ НА БЕРЕГУ Блоки верхних строений, как уже было показано в [1], являются очень важной, интеллектуальной, если так можно сказать, частью МНГС. Там сосредоточены основные рабочие агрегаты и установки, системы жизнеобеспечения обслуживаю- щего персонала, системы автоматизации управления платформой или другим МНГС, устанавливаемой непосредственно в море. Поэтому практически 100 % всех работ по строительству с осна- щением технологическим оборудованием блока верхних строений должно производиться либо непосредственно на берегу, либо в 113
прибрежной акватории, защищенной от воздействия волн и тече- ний. В последнем случае дооборудование блока верхних строе- ний осуществляется непосредственно с береговой базы кранами, установленными на берегу или плавучими кранами необходимой грузоподъемности. Отметим, что блок верхних строений строится по-существу по одинаковой технологии как для гравитационных МНГС, так и для стержневых. Поэтому мы будем рассматривать технологию их строительства в одном параграфе. На общей строительно-монтажной площадке имеется зона, на которой выполняются все работы, связанные со сборкой каркаса блока верхних строений, устанавливаются вертикальные и гори- зонтальные плоскостные конструкции, емкости для жидкостей, прокладываются трубопроводы и устанавливается энергетическое оборудование. Поэтому на территории зоны блока верхних строений имеются необходимые подразделения, выполняющие перечисленные работы, складские помещения для оборудования. На рис. 5.16 показан схематичный план размещения участков в пределах зоны строительства блока верхних сооружений. Основ- ным участком является участок 1, на котором и производятся все строительно-монтажные работы. Участок обслуживает несколько кранов (на схеме показаны лишь два: К1 и К2, стрелы которых обеспечивают доставку необходимых элементов с любой точки зоны. Сам блок собирается на стапеле, позволяющем работать машинам (тракторам, автопогрузчикам и т.д.) под нижней палу- бой блока и спускать (перемещать) блок на баржи, которые дос- тавляют его к месту установки на несущий блок платформы. Рассмотрим далее технологическую последовательность монтажа блока верхних строений. Эту последовательность можно просле- дить по рис. 5.17. Она показана в виде четырех состояний строящегося блока. На рис. 5.17, а показана начальная стадия строительства. На подготовленной железобетонной площадке 2 (на рис. 5.16 она обозначена поз. 7), на которой и будет разме- щаться строящийся блок весь период строительства. На площад- ке 2 монтируется на опорных стойках 3 стальное покрытие. Вы- сота стоек 3 определяется из условия перемещения под перекры- тием автомашин, погрузчиков и другой техники, которая пере- мещает оборудование и материалы, необходимые для строитель- ства. Для подачи их на верхние площадки (палубы) в площадке 1 делаются вырезы, через которые оборудование можно подавать наверх. Позиция 5 рис. 5.17, б показывает смонтированные опор- ные стойки (колонны), которые должны опираться на несущую часть платформы, не имеет значения какой - массивной или стержневой. На этих стойках будет удерживаться вся часть блока верхних строений, размещаемая на палубе 4. Рис. 5.17, в иллю- 114
Рис. 5.16. Схема размещения участков в зоне строительства стрирует процесс строительства опорных стоек (колонн) 7 и па- лубы 6, а также раскосов 17, обеспечивающих горизонтальную устойчивость стержней второй палубы 6. Уже в процессе монта- жа второго яруса блока начинается установка различного обору- дования, прежде всего крупногабаритного 8. После установки стоек, раскосов и перекрытий 6, 7, 14, 17 и т.д. работа по разме- щению оборудования, трубопроводов, емкостей 16 ведется в со- ответствии с проектом его размещения. На рис. 5.17, г показана стадия оформления, практически, всех несущих элементов в еди- ный каркас блока, устойчивость которого полностью обеспечена. Ведется работа на всех палубах; на 1-й и 2-й продолжается мон- таж оборудования {15, 16, 18), а на верхней (3-й) палубе 19 на- чинается монтаж оборудования 11, жилого модуля 12, вертолет- ной площадки 13, фермы для вывода факельной системы сжига- 115
1 wwm )rriTrm4i>''»r>f/'>)>''ffi‘rn-M->>>^ г Рис. 5.17. Последовательность монтажа верхнего строения
ния газов 9, крана 10, обеспечивающего подачу оборудования и материалов на верхнюю палубу. Конечно, на рис. 5.17 все эле- менты изображены предельно условно; схемы лишь иллюстри- руют технологическую последовательность монтажа блока верх- них строений. Подробно схемы планов верхних строений различных форм (треугольных, квадратных, круглых) рассмотрены в [1]. Здесь мы ограничимся лишь схемой, приведенной на рис. 5.17. Общий вид блока верхних строений, аналогичный описанно- му, показан на рис. 5.18. Из рисунка видно, что работы ведутся на всех уровнях. Можно лишь отметить, что все основные рабо- ты по монтажу оборудования закончены; выполняются работы по Рис. 5.18. Общий вид блока верхних строений 117
подготовке блока к снятию с площадки 2 (см. рис. 5.17). Кран 1 захватил крюками 2 блок верхних строений и должен перемес- тить его на подготовленную площадку на несущем блоке, кото- рый, по-видимому, находится в пределах достигаемости стрелы крана (отрыв от площадки, перемещение стрелы крана с блоком к месту установки, установки на несущий блок). Из приведенного описания технологии понятно, что про- цесс строительства осуществляется последовательно, что приво- дит к существенному увеличению общего времени выполнения работ. В практике применяется также схема, позволяющая выпол- нять работы параллельно. Для этого необходима не одна, а не- сколько монтажных площадок. На каждой из них строится один ярус, производятся все работы по установке оборудования, емко- стей, трубопроводов. На рис. 5.19 показана схема одновременного строительства и монтажа 3-х блоков верхнего строения платфор- мы. На площадке 7, 2, 3 одновременно производятся работы по каждому ярусу. График работ составляется с таким расчетом, чтобы они были завершены одновременно. После этого произво- дится на ярусе 1-й палубы установка 2-й палубы, а затем 3-й. Подъем, перемещение и установка палуб по высоте производится Рис. 5.19. Схема одновременного монтажа многоярусного блока верхних строений 118
краном К1, обладающим достаточной грузоподъемностью. Этот метод позволяет значительно сократить время строительства и упростить выполнение монтажных работ, поскольку все работы производятся на горизонтальных площадках, расположенных на уровне поверхности земли, а высота ярусов не превышает 3-4 м, кроме того, обслуживает грузовые операции на всех площадках один кран К1. После соединения вертикальных несущих элемен- тов (опор, колонн), а также всех соединений трубопроводов, ка- белей и т.п. готовый блок перемещается краном на баржу 5 (см. рис. 5.19), пришвартованную к причальной стенке 4. Если имеет- ся возможность некоторое время держать баржу у причальной стенки, то монтаж многопалубного блока можно производить непосредственно на барже. Сначала на нее погружают 1-й ярус, закрепляют его; затем грузится 2-й ярус и далее 3-й. При такой схеме работ кран К1 полностью обеспечивает выполнение всех грузовых операций. Если же (как в первой схеме) погрузка блока верхних строений производилась бы в полностью собранном со- стоянии, то потребовался бы кран, грузоподъемность которого превышала грузоподъемность крана К1 в два, три (в зависимости от числа ярусов) раза. § 5.3. МОДУЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО ВЕРХНИХ СТРОЕНИЙ МНГС Как уже было отмечено в предыдущем параграфе, блок верхних строений по существу является центром сосредото- чения «интеллектуальных» возможностей МНГС, осуществляю- щим организацию и управление работой всех компонентов МНГС. Этот центр включает самые различные составляющие: автоматику и телемеханику, инженерно-техническую механику, гидравлическое и силовое оборудование, электротехническое оборудование, средства и устройства коммуникаций, обеспечи- вающих связь с подводными и надводными объектами и многое другое. Каждая из этих функциональных составляющих пред- ставляет сосредоточенное в каком-то месте верхних строений оборудование (механическое, технологическое, электрическое, электронное и т.д.). Еще в 70-е годы 20-го столетия в тюменском регионе при освоении Самотлорского нефтяного месторождения и газовых месторождений Надыма и Уренгоя стало ясно, что создание многочисленных объектов, которые обеспечивают транспорт нефти и газа (компрессорные и насосные станции) традиционными методами, освоенными на сборке всех функцио- 119
нальных составляющих насосных станций (НС) и компрессор- ных станций (КС) в сложных природно-климатических условиях не только не рационально, но по-существу, невозможно. Также предложено собирать эти НС и КС из модулей (блоков с полно- стью собранным и готовым к работе оборудованием внутри этих модулей). Сами модули устанавливались и полностью укомплек- товывались ТВ г. Тюмени на заводе блочно-комплексных загото- вок для НС, КС и других объектов. Эти модули доставлялись иногда для сотни километров, где из них в крайне сжатые сроки собирались НС и КС. Именно в значительной мере вследствие использования гото- вых модулей удалось в считанные годы (три-пять) построить десятки мощных КС и НС и запустить в эксплуатацию такие газовые месторождения как Медвежье, Надымское, Уренгойское. Условия работы на морских нефтегазовых, особенно на акватори- ях морей Северного Ледовитого океана, будут более сложными, чем на сухопутной территории Сибири. Поэтому применение метода модульного строительства в условиях морского нефтега- зового строительства должно (и будет) наиболее оптимальным. Рассмотрим далее основные принципы организации и технологии строительства МНГС с использованием технологических моду- лей (ТМ). Принципиальная схема организации и технологии строитель- ства МНГС включает семь основных элементов (рис. 5.20): 1 - исследование применимости модулей сборки МНГС; 2 - иссле- дование возможностей применения надводных (2а) и подводных модулей (26); 3 - конструктивное оформление модулей для над- водных строений (За) и подводных устройств (36); 4 - определе- ние (или назначение) места изготовления модулей; 5 - исследова- ние путей и способов доставки модулей: 6 - исследование методов установки на месте нахождения МНГС; 7 - исследование мето- дов объединения отдельных модулей в рабочую систему блока верхних строений (или подводного блока). Мы не случайно употребили во всех пунктах технологической последовательности операции термин «исследование». Простое принятие решения Рис. 5.20. Последовательность выполнения работ яо блоку верхних строений 120
«делать так» не позволяет получить лучшее решение; необходимо самым тщательным образом именно исследовать все возможные пути достижения оптимального решения. Только после этого принимать решение. 1. Применимость модульной сборки МНГС должна в первую очередь определять достижения основной цели ее исследования: упрощение выполнения всего цикла работ, связанных со строи- тельством МНГС в минимально возможные строки и минимум материальных затрат. При этом качество, а следовательно, и надежность как блока, собираемого из модулей, так и МНГС в целом должны быть, по крайней мере, не меньшими, чем при традиционном методе строительстве. В качестве простейшего примера исследования применимости модульной сборки можно привести сооружение 2-3 малых стержневых платформ на ма- лом морском месторождении. Создание специально для строи- тельства модулей завода или монтажной базы, привлечение для перемещений модулей специального кранового оборудова- ния будет вряд ли выгодно. Кроме того, перемещение модулей большой массы на воде с баржи на несущий блок МНГС без использования плавающих кранов практически невозможно да и не выгодно экономически. Поэтому более выгодными и удоб- ными будут методы сооружения блока верхних строений из отдельных его составляющих на месте установки МНГС на точку. Особенно, если море будет теплым и мелким, как, например, Азовское. 2. При выборе методов строительства МНГС, особенно на верхних, т.е. управляющих, блоков должны быть исследованы выгоды и преимущества (а в ряде мест) возможностей их строи- тельства в надводном и подводном конструктивном решении. При этом имея в виду, что блок верхних строений опирается на не- сущую часть МНГС (фундамент и вертикальная конструкция), специально предназначенную для установки на ней оборудования для бурения добывающих скважин и технологического комплек- са, обеспечивающего выполнение всех необходимых процессов, связанных с добычей, первичной обработкой нефти и газа и их направлением в магистральный трубопровод или танкер. Решение тех же задач, но в конструктивном оформлении для их выполнения в подводном положении, на первый взгляд, суще- ственно упрощает процесс добычи нефти или газа. Но это только на первый взгляд. В первом варианте (надводный) имеется воз- можность постоянного (контактного) контроля за состоянием работающих на МНГС систем; практически весь период эксплуа- тации имеется возможность бурения новых скважин и тем самым поддерживать постоянный объем добычи. 121
Во втором случае подводный блок-модуль работает практиче- ски без участия человека; оборудование может обслуживаться только манипуляторами с использованием подводного телевиде- ния (на больших глубинах) и водолазов (на малых глубинах). Кроме того, подводный модуль подключается под водой (на дне) к уже готовым скважинам, а бурение новых скважин с подводного модуля в настоящее время не производится. Доступность под- водного модуля для обслуживания на северных морях в пери- од ледостава практически невозможно, а этот период достигает 8-9 мес в году. Бурение скважин и их обустройство, прокладка подводных трубопроводов и их обслуживание также требует применения МНГС, работающих на поверхности моря в лю- бой период. Поэтому замена стационарных и плавающих МНГС полностью на подводные невозможна (по крайней мере в бли- жайшем будущем). Хотим мы или не хотим, но стационарные платформы будут необходимы как в ближайшем, так и в отда- ленном будущем, особенно это актуально для северных морей России. Решение должно приниматься в каждом конкретном случае с учетом материальных, технических и технологических возможностей. 3. Рассмотрим далее вопросы, связанные с конструктивным оформлением модулей для надводных и подводных МНГС. Для надводных МНГС будем иметь в виду только модули верхних строений, изготавливаемых на береговых базах. Надводные модули, предназначаемые для морских платформ при условии обеспечения выполнения всех необходимых техно- логических процедур должны иметь конструктивную форму, по- зволяющую наиболее эффективно использовать сверхограничен- ное пространство в пределах верхнего строения МНГС. Модули устанавливаются на береговых строительно-монтажных площад- ках. Конструктивно модуль представляет каркас, обшитый со всех сторон стальными или прочными алюминиевыми листами; внутри каркаса устанавливается и надежно закрепляется все необходимое технологическое оборудование, а также трубопрово- ды, кабели, автоматика. Все составляющие модуля, начиная от каркаса, обшивки и кончая любыми элементами «начинки», должны быть прочно закреплены. Это обусловливается много- кратными перемещениями модулей от мест изготовления с по- мощью кранов на плавсредства и подъем кранами в море на опор- ную площадку. Выбор размеров модуля и его веса зависит не столько от же- лания проектировщика, сколько возможностями, представленными площадкой, на которой будет собираться верхнее строение МНГС. На рис. 5.21 представлены схемы, позволяющие полнее представить 122
Рис. 5.21. Схемы размещения модулей блока верхних строений возможности решения проблемы выбора размеров модулей. На рис. 5.21, а показано верхнее строение 1, представляющее один модуль. Это означает, что все необходимое оборудование, помещения, емкости и т.д. собраны в одном каркасе. Модуль собран на бере- говой строительно-монтажной площадке, погружен краном на баржу, доставлен к платформе и установлен на площадке 0-0 с помощью плавучего крана. На рис. 5.21, б, в, г показаны много- модульные верхние строения (2-12). Аналогичная процедура выполняется и со всеми остальными модулями. Вопрос лишь в том, какие модули необходимо строить на береговой площадке для каждой из платформ (а, б, в, г), как их разместить, чем их перемещать с барж и на баржи как у берега, так и в море. Назовем основные условия, ограничивающие размеры и вес модулей: а) максимальный вес модулей, как показывает опыт, должен быть не более 2000 т; следовательно, для перемещения этих моду- лей необходимы соответствующие краны как для работ на берегу, так и в море; б) определив допустимый вес модуля, назначают его предель- ные размеры в плане и по высоте; как показывает опыт, длина модуля не должна превышать 30 м; ширина модуля должна быть 20 м или менее; высота над нижней плоскостью модуля должна 123
Рис. 5.22. Жилой модуль быть такой, чтобы центр тяжести находился на высоте не более 15 м (чем меньше, чем лучше); эти размеры определены прежде всего из условий обеспечения устойчивого положения модулей при транспортировке по морю; в) группировка оборудования внутри модулей должна обеспе- чивать наиболее полное использование внутреннего пространства и в то же время доступность практически ко всем узлам, соеди- нениям, агрегатам. 4. Определение места изготовления модулей определяется двумя основными требованиями: наличие производственной базы и возможность доставки модулей от места изготовления к месту установки. Место изготовления модулей может быть на любом судостроительном заводе, имеющем возможность для изготовле- ния стальных и алюминиевых конструкций (трубные заготовки, сосуды высокого давления, емкости, цистерны и т.д.). Кроме того, завод должен иметь причальные устройства для погрузки моду- 124
Рис. 5.23. Установка модуля на несущий блок лей на баржи и краны необходимой грузоподъемности. Все энергосиловое оборудование, средства автоматики, электротехни- ческие устройства и т.д. поставляются на завод-изготовитель мо- дулей с предприятий (компаний), изготавливающих комплектую- щие элементы «начинки» модулей. В заключение данного параграфа приведем иллюстрации опе- раций по погрузке уже готовых, т.е. собранных до полной готов- ности к работе, модулей на транспортные баржи. На рис 5.22 показан жилой модуль в момент его подъема для погрузки на транспортное судно. Хорошо видны такелажные крепления, с по- мощью которых модуль поднимается краном (виден на заднем плане слева). На рис. 5.23 показан момент установки одного из модулей на несущую часть стержневой платформы (работа вы- полнялась голландской компанией Неегта на Северном море). Из рисунка видно, что первый ярус заполнен модулями полно- стью; идет монтаж второго яруса. На рис. 5.24 показана установка последнего модуля на буро- вую платформу, на которой уже установлена буровая вышка и фермы для факела. Подъем осуществляет кран грузоподъем- ностью 2000 т радиусом доставки груза 35 м. На переднем пла- не хорошо видно такелажное устройство для подъема модуля. Следует обратить внимание на то, что при строительстве модуля 125
Рис. 5.24. Установка модуля на буровую платформу на берегу должны быть предусмотрены точки захвата груза, кон- струкция которых должна удерживать расчетную силу захвата (до 500-1000 т). Глава 6 ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СТАЦИОНАРНЫХ МНГС В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО МОРЯ Морское нефтегазовое сооружение, предназначен- ное для использования в условиях открытого моря, можно счи- тать готовым к выполнению его технологических функций толь- ко после его установки и закрепления на «точке» (место работы). Поэтому завершение строительно-монтажных рабо^т на прибреж- ной территории (участки сухопутной территории и участки аква- тории, примыкающих к береговой линии) можно считать лишь частью общего объема работ, связанных со строительством ста- ционарных МНГС. Другой не менее важной частью являются работы по доставке к «точке» и установке полностью или час- 126
точно построенных МНГС на место работ, соединение опорных элементов доставленных МНГС с подводными опорными конст- рукциями и закрепление узлов, обеспечивающих прочность удержания верхних блоков (несущий и верхних строений), на- ходящихся постоянно или подвергающихся временным силовым воздействиям. § 6.1. СОСТАВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО МОРЯ На рис. 6.1 показана схема последовательности вы- полнения работ. Дадим краткую характеристику каждого из вида работ, придерживаясь последовательности рис. 6.1. Позиция А обозначает полную готовность МНГС к транспор- тировке и установке на «точку». Эта позиция начинается и за- вершается на береговой и прибрежной базе; исключение могут составлять лишь случаи, когда блок верхних строений преду- смотрено устанавливать в открытом море после постановки не- сущего блока на фундаментный блок. Позиция Б обозначает полную готовность фундаментного бло- ка или свайных опор к определенному моменту (он отмечен ли- нией 1-1). Позиция 1 - вывод МНГС в открытое море из береговой или прибрежной базы (см. § 6.2). Позиция 2 - установка МНГС в положение, при котором обеспечивается необходимая плавучесть и остойчивость (см. § 6.2). Позиция 3 - подготовка МНГС к транспортировке. Расчет размещения буксиров, их числа и мощности. Транспортировка МНГС (см. гл. 15). Рис. 6.1. Схема последовательности выполнения работ в условиях открытого моря 127
Позиция 4 - установка (или постановка) МНГС на плаву в месте работ, которые должны производиться МНГС. Закрепле- ние выбранного положения (см. § 6.3). Позиция 5 - опускание МНГС на заданную глубину и уста- новка его на фундаментный блок или на свайные опоры (см. § 6.3). Позиция 6 - закрепление МНГС на фундаменте. Установка блока верхних строений на несущий блок, если блок верхних строений не был установлен на прибрежной базе (см. § 6.4). Позиция 7 - соединение коммуникаций (трубопроводы, кабе- ли, шланги), расположенных на платформе, и коммуникаций, имеющихся на дне (трубопроводы, кабели) (см. § 6.5). Эти позиции охватывают лишь основные операции, связанные с выполнением работ по строительству МНГС в открытом море. Каждая из операций содержит много элементов специального характера, которые практически не относятся к проблеме строи- тельства МНГС. К этим элементам, например, можно отнести использование судов различного назначения, определение поло- жения в море, водолазное обслуживание и др. Поэтому они не рассматриваются в данном учебнике, а отнесены в курс «Под- водно-технические работы», «Системы мониторинга в нефтегазо- вом деле» и др. § 6.2. ВЫВОД МНГС ИЗ БЕРЕГОВОЙ ИЛИ ПРИБРЕЖНОЙ БАЗЫ Вывод МНГС или его отдельных блоков в открытое море является начальным этапом в организации процесса дос- тавки (транспортировки) МНГС к месту установки. Можно ска- зать, что этот этап играет важнейшую роль в обеспечении на- дежности самого процесса доставки. Вывод МНГС из береговой строительно-монтажной площадки (завода по строительству МНГС) включает ряд так называемых морских операций, пред- шествующих транспортировке МНГС или блоков к месту уста- новки. Как понятно из материалов, содержащихся в предыдущей главе, транспортировка может выполняться двумя основными способами - на плаву без использования барж или иных судов и на специальных баржах или так называемых технологических понтонах плавучести, используемых только в период транспор- тировки МНГС, не обладающего плавучестью. Именно поэтому они и называются технологическими, поскольку участвуют в технологии в качестве вспомогательного элемента, участвующего лишь в процессе выполнения работ. Рассмотрим процесс вывода 128
в открытое море МНГС, обладающих собственной плавучестью. Сразу отметим, что перед выводом производится ряд морских операций в пределах закрытой в период строительства акватории от воздействия волн и течений, имеющихся в открытом море. Первой морской операцией является динамическая операция, обеспечивающая всплытие МНГС или отдельных блоков, достав- ляемых к месту установки самостоятельно. Как уже было рассмотрено ранее, строительство МНГС осуществляется в закрытой и свободной от воды территории. После достижения определенных расчетом высотных размеров МНГС и полной подготовки закрытых в нижней части МНГС помещений, специальных емкостей (цистерн) производится медленное заполнение котлована (или сухого дна) водой до уровня, при котором происходит отрыв нижней поверхности МНГС от дна. Высота подъема нижней поверхности не должна превышать значений, при котором может образоваться опасный крен МНГС в случае непредвиденных нарушений центровки. На рис. 6.2 показано такое состояние. МНГС, представляющее достроенное Рис. 6.2. Возможные положения МНГС при всплытии 129
или недостроенное по высоте сооружение (в зависимости от его расчетной плавучести), при достаточно точной центровке, при которой вертикальная ось проходит через центр тяжести и мета- центр, занимает при всплытии положение, показанное на рис. 6.2, а. Если же это условие не выполняется, то при всплытии МНГС наклонится и займет положение, показанное на рис. 6.2, б. Если глубина воды /г0 окажется слишком большой, то сооружение мо- жет опрокинуться. Выполнение условия характерного для всплы- тия сооружения по схеме рис. 6.2, а весьма сложно, поскольку при строительстве практически невозможно обеспечить точность как соблюдения всех размеров, так и вес конструкций. Поэтому высота всплытия на 1-2 м достаточна длй того, чтобы оценить соответствие фактических и расчетных параметров, обеспечиваю- щих плавучесть МНГС. После достижения этой глубины произ- водится осмотр всех отсеков, помещений и емкостей, находящихся ниже уровня воды в акватории. При этом устанавливаются места возможных протечек и производится их устранение. К числу та- ких мест относятся различные отверстия вентиляции, трубопро- воды, люки, воздуховоды и др. После первого всплытия МНГС удерживается в таком состоянии некоторое время для установле- ния мест незначительных протечек воды. Если МНГС всплыло по схеме рис 6.2, б, то предстоит сложная и довольно длитель- ная процедура поиска причины (или причин), по которым со- оружение дало крен. Устанавливается точно угол наклонения а и рассчитывается необходимая сила и место ее приложения для выравнивания положения вертикальной оси до положения, при котором а = 0. Это делается заполнением балластных емкостей с точным определением объема воды, заполняющей цистерны и, главное, точное определение положения центра масс воды. На рис 6.2, в показаны отсеки (емкости), заполненные водой для устранения крена. Определены веса воды в каждом из отсе- ков <71 и <72, установлены положения их центров тяжести а.\ и а2, а затем рассчитывается равнодействующая сил <71 и <72 - Q и оп- ределяется положение Q относительно вертикальной оси, прохо- дящей через точку 0. Таким образом определяются отклонения в расчетном весе конструкций, устанавливается их величина и положение центра тяжести необходимого дополнительного утяжеления конструк- ций слева от оси 0-0 (или уменьшения веса конструкции справа) (см. рис. 6.2, а). После установления нормального положения МНГС произво- дится выравнивание уровней воды в открытом море и закрытой акватории строительно-монтажной площадки (котлована или сухого дока). МНГС должно находиться в положении так назы- 130
ваемого ровного киля (днища МНГС), а вертикальная ось долж- на проходить через центр тяжести (ЦТ) и «центр величины», характеризуемого положением центра тяжести погруженной час- ти МНГС (водоизмещения, т.е. силы плавучести). Далее начинаются работы, имеющие исключительно важный характер для обеспечения надежной транспортировки и установ- ки на точку МНГС (платформы или отдельных блоков). К ним относятся установление параметров плавучести и остойчивости МНГС. Устанавливаются: центр массы МНГС, положение мета- центра, который, как было показано в [1], должен быть выше центра тяжести минимум на 0,05 его аппликаты. Значения метацентрического радиуса определяются по из- вестным формулам для продольного наклонения (6.1) где 1У - момент инерции площади, проходящей через ватерли- нию; V - водоизмещение объемное на момент измерений с уче- том всех масс, расположенных в пределах МНГС; Rx = ^, (6-2) где Rx - метацентрический радиус при поперечных наклонениях; 1Х - момент инерции площади, проходящей через ватерлинию. Поясним далее порядок определения центра тяжести МНГС, а также метод определения метацентрической высоты методом кренования. На рис. 6.3 показана произвольная схема МНГС с размещени- ем основных тяжестей и указанием их центров. Порядок нахож- дения центра тяжести состоит из трех основных шагов. Шаг 1. Определяется общая масса (вес) всего сооружения (на рассматриваемый момент) А = р{ + рг + р2+ ... +р„ + р0, (6.3) где р - массы (веса) отдельных грузов (балласт, оборудование, расходные материалы и т.д.); рй - масса МНГС, полностью сво- бодная от всех грузов, т.е. чистый вес МНГС (только конструк- ции). Шаг 2. Определяются моменты всех сил (масс) рп относи- тельно срединных плоскостей, проходящих через оси х и у: Mx=YPi'Xi’ (6-4) где pi = ра, pi, pq ...; Xi - соответственно, плечи этих сил 131
a Рис. 6.3. Схема распределе- ния тяжестей на МНГС про- извольной формы (6-5) Наконец, момент относительно основной плоскости (6-6) Шаг 3. Находим далее ординаты центра тяжести МНГС х = ^;г/=^; (6.7) д д аппликата центра тяжести МНГС 132
(6-8) z = ^. д Поскольку в формулы (6.7) и (6.8) входят значения А, а также р,, Xi, у, и г,- то все значения х, у, z зависят от изменяющихся в про- цессе строительства (уже на плаву) их значений. Это нужно иметь в виду при выводе МНГС в открытое море. Определив по (6.7) и (6.8) значения х, у, z, переходим к уста- новлению метацентрической высоты hu. Этот важнейший пока- затель определяется с помощью процедуры, называемой «крено- ванием». Прежде чем охарактеризовать процедуру кренования, остановимся еще раз на важности исследования метацентриче- ской высоты как в поперечном йм, так и продольном направле- ниях Нм. Соотношение в положении центра тяжести МНГС (обозначим его ЦТ) и центра тяжести объема МНГС, погружен- ного в воду, называемого центром величины (ЦВ), определяет, в каком состоянии будет находиться плавающее МНГС: в устойчи- вом или неустойчивом. Допустим, что ЦВ расположен ниже ЦТ, а ЦТ ниже метацен- тра. В этом положении, как доказывается в теории статики ко- рабля, МНГС будет остойчивым, т.е. при возможных кренах оно будет восстанавливать вертикальное положение оси z. Если центр тяжести ЦТ будет расположен ниже центра ЦВ (редкий случай), то положение МНГС будет безусловно остойчивым. На- конец, для МНГС наиболее опасным является вариант, при ко- тором центр тяжести ЦТ находится выше метацентра, в этом случае МНГС будет в неустойчивом положении. Оно будет все время наклонено и при некотором значении крена перевернется. При значении hM = 0, т.е. если метацентр и центр тяжести совпа- дают, - положение МНГС будет тоже неостойчивым, так как при этом наклоняющий и восстанавливающий моменты равны и, та- ким образом, нет силы, способной возвратить МНГС в состоя- ние, при котором сохраняется вертикальное положение оси г. На рис. 6.4 проиллюстрированы рассмотренные соотношения. Как видно из рис. 6.4, а, восстанавливающий момент ЛГ„ возвращает наклонившееся МНГС из позиции II в позицию I, т.е. в устойчи- вое состояние; рис. 6.4, б иллюстрирует случай, при котором ЦТ находится выше метацентра М, и «восстанавливающий» момент действует в том • же направлении, что и наклоняющий мо- мент Л/кр. Учитывая, что МНГС имеют очень большую высоту, нуж- но особое внимание уделять определению центра тяжести и метацентра, чтобы не возникло положение, показанное на рис. 6.4, 6. 133
a Рис. 6.4. Центры тяжести, водоизмещения и метацентры в различных условиях Одним из важных элементов процесса подготовки МНГС к выводу в открытое море является «кренование». Под этим тер- мином подразумевается искусственно создаваемое наклонение МНГС с целью определения его водоизмещения и положения центра тяжести (ЦТ). Кренование производится для первого образца серии МНГС и для всех МНГС или их блоков (транспортируемых самостоя- тельно), обладающих малой плавучестью и остойчивостью, т.е. для МНГС с метацентрической высотой, близкой к минимально допустимому значению. Процесс кренования заключается в соз- дании условий, при которых происходит крен МНГС. Одним из простейших способов создания крена является заполнение водой балластных отсеков на одной из сторон МНГС (рис. 6.5). На- чальное положение МНГС - 7; после заполнения водой балласт- ных отсеков 3 МНГС занимает положение 2, при котором обра- зуется угол а между осью 0-0 и вертикалью. Поскольку объем жидкости в отсеках 3 известен и известно также положение цен- 134
Рис. 6.5. Создание крана МНГС запол- нением водой балла- стных цистерн тра тяжести этого объема воды (линия Q), то можно считать из- вестным и накреняющий момент, равный (6.9) Угол крена а при этом моменте определяется с помощью ва- терпаса, база которого должна быть не менее 15 м. В начальном положении МНГС 1 уровень жидкости в ватерпасе должен рас- полагаться примерно по середине длины трубки со шкалой. При наклонении под действием силы Q, углы а измеряются на обоих бортах (краях) платформы. Имея значение Мкр при различных кренах, можно по методи- ке, изложенной в [1], найти фактические параметры положения центра тяжести ЦТ, метацентрической высоты (т.е. положение метацентра) h0, водоизмещение. Эти данные сравниваются с рас- четным, что позволяет в дальнейшем уверенно выполнять необ- ходимые морские операции. В заключение отметим, что процеду- ру кренования производит и оформляет специальная комиссия, обладающая соответствующими знаниями, опытом и правами (лицензией) на проведение кренования. Рассмотрим далее процесс постановки на воду стержневых МНГС, обладающих некоторой плавучестью. На рис. 6.6 показа- на схема такого МНГС. Как было показано ранее, погрузка на баржу осуществляется кранами большой грузоподъемности. Од- нако конструкция стержневого МНГС, обладающая плавучестью, может доставляться к месту установки на плаву буксирами. В этом случае спуск на воду с берега производится по спусковым устройствам. МНГС может быть расположено к линии берега в двух положениях (см. рис. 6.6): продольная ось блока перпенди- кулярна к линии уреза воды (положение второе - рис. 6.6, б) и параллельна (положение первое - рис. 6.6, а). 135
Рис. 6.6. Возможные положения стержневого несущего блока перед спуском на воду В первом случае (см. рис. 6.6, а) спуск на воду производится по слипу под действием сил тяжести, поскольку слип имеет на- клонные дорожки. Спуск МНГС боком более удобен, нежели продольный спуск. При этом требуется акватория меньшей про- тяженности по направлению спуска. Во втором случае (см. рис. 6.6, б) требуется устройство спусковой дорожки под водой на большую длину. На рис. 6.7, а показана схема спуска на воду по Рис. 6.7. Схема спуска несущего блока при расположении продольной оси параллельно к линии уреза воды 136
слипу из первого положения (см. рис. 6.6, а). Слип представляет дорожки - полозья, на которых собирается МНГС. Сборка про- изводится на так называемых «салазках» (рис. 6.7, б). Движение МНГС в воду начинается после освобождения салазок от тор- мозных устройств за счет составляющей силы тяжести МНГС, направленной в сторону акватории. Спусковой полоз укладыва- ется на жесткое основание - фундамент с наклоном г, величина которого составляет 1/15-1/20 (1 - подъем, 15-20 - длина поло- за; например на длине 20 м полоз опускается на 1 м). Такой ук- лон достаточен для начала движения МНГС в сторону акватории при освобождении салазок от тормозной системы. Спуск на воду по слипу, несмотря на простоту спускового устройства, довольно сложен и требует четкой организации и расчетов. Прежде всего должна быть правильно рассчитана масса спус- каемого на воду МНГС, определены параметры размещения цен- тра тяжести массы (х, у, г). Далее рассчитывается сила, сдви- гающая МНГС в начальный момент. Суммарная сдвигающая си- ла на всех полозьях F = Q-tg<p, (6.10) где Q - вес МНГС; tg <р - коэффициент трения салазок о поло- зья, принимаемый в момент трогания tg <р = 0,05; при движении tg ф «0,014-0,02. Наиболее опасный момент возникает в момент вхождения в воду нижней трубной конструкции, обеспечивающей необходи- мую плавучесть. В момент вхождения возникает динамическая сила от удара о воду; ее величина W примерно такая же, как удар волны по всей длине трубной конструкции. При этом за счет возникновения опрокидывающего момента (рис. 6.8) МОПР = N • а (6.И) может произойти опрокидывание МНГС вокруг точки тп. При этом момент удержания равен m„=Q-Ь, (6.12) где Q - вес сооружения. К сожалению, величина V зависит от скорости вхождения МНГС в воду, которая практически не мо- жет регулироваться и зависит от сил трения всех салазок; а эта сила, в свою очередь, зависит тоже от скорости движения МНГС. Помочь делу может пробный спуск специально изготовленного участка МНГС, который даже в случае его переворота вокруг точки т можно легко вытащить из воды. 137
Рис. 6.8. Схема сил, действующих на МНГС во время спуска его иа воду Как только последние салазки сходят с полоза, происходит резкое опускание этой стороны МНГС на глубину, а затем его подъем. МНГС уходит от берега и при этом начинается колеба- тельный процесс. Поэтому необходимо обязательно проверить до начала спуска (теоретически) остойчивость МНГС [1]. Выведенные на воду МНГС как гравитационные (железобе- тонные в металлической облицовке, называемой часто кессоном), так и стержневые обязательно закрепляются якорной системой во избежание свободного дрейфа МНГС под воздействием ветра. Закрепление необходимо, так как при свободном дрейфе МНГС может сесть на грунт и сдвинуть его с мели крайне сложно. За- крепляющие канаты (тросы) обязательно должны быть натянуты; если этого не сделать, то при огромной массе МНГС даже пере- мещение с малой скоростью может привести к разрыву каната и выдергиванию якорей. § 6.3. ТРАНСПОРТИРОВКА МНГС ОТ МЕСТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ К МЕСТУ УСТАНОВКИ Транспортировка МНГС относится к группе дейст- вий, называемых морскими операциями. Это действие можно 138
считать одним из важнейших, поскольку оно совершается в ус- ловиях открытого моря и вследствие этого может подвергнуться неожиданным воздействиям. Это и сменяющийся по интенсивно- сти и направлению ветер, течение, волны, возможны и неполадки с буксирами, обрыв буксирных канатов и многие другие более мелкие, но весьма опасные воздействия. Поэтому транспортиров- ке МНГС по морю должно уделяться самое серьезное внимание. Конечно, эта морская операция выполняется профессионалами морского флота, но инженеру - специалисту по технологии ос- воения нефтегазовых ресурсов морских месторождений необхо- димо иметь представления о технологии транспортировки МНГС. От того, каким способом она будет осуществляться в ка- кой-то мере зависит и конструктивное оформление самих МНГС. Одно дело - МНГС или его функциональные блоки доставляют- ся на специальных баржах; другое - они доставляются на плаву. В первом случае МНГС может не обладать собственной плавуче- стью; во втором - МНГС должно не только обладать ею, но и иметь хотя бы минимальную остойчивость. Далее приводится краткая информация о технологии обоих способов транспорти- ровки. Предварительно отметим, что транспортировка любым спосо- бом включает следующие операции (по правилам Российского морского регистра судоходства): подготовку МНГС к транспор- тировке, собственно буксировку (короткая буксировка, длинная буксировка, балластировка, отстой), установка над «точкой», на- зываемой позиционированием. 1. В § 5.2 была рассмотрена процедура погрузки стержневых МНГС (целиком или блоков) на баржи для последующей транс- портировки МНГС к месту установки. До выполнения этой опе- рации должны быть проведены работы по согласованию некото- рых важных для транспортировки на барже показателей. По МНГС: подготавливаются устройства для установки и за- крепления МНГС на барже; определяются точно расстояния ме- жду опорными точками; определяется точный вес МНГС и по- ложение центра его тяжести (ЦТ). Места установки и закрепле- ния зависят от прочностных возможностей элементов, на кото- рых закрепляется МНГС. Но при этом уже необходимо иметь данные о барже, которая будет осуществлять транспортировку. Размеры ее грузовой палубы должны обеспечить возможность установки на нее МНГС. В противном случае установка будет невозможной из-за несоответствия размеров. На рис. 6.9 показа- но размещение стержневой МНГС и верхнего ее строения на двух баржах. Несмотря на то, что плановые размеры МНГС больше, чем размеры баржи, установка и закрепление МНГС 139
Рис. 6.9. Размещение стержневого МНГС на двух баржах возможны. Однако нельзя сказать при этом, что проблема с транспортировкой решена. Необходимым и обязательным усло- вием является выполнение важнейшего условия: грузоподъем- ность баржи должна быть такой, чтобы после погрузки на нее МНГС сохранялась плавучесть и остойчивость комплекса бар- жа - МНГС в необходимом диапазоне наклонений баржи в про- цессе транспортировки. Именно по этому требованию необходи- мо определение веса МНГС и положение ЦТ. Сразу отметим, что расчетное определение веса недостаточно для принятия решения о том, что вес МНГС точно соответствует действительному. На строительной площадке, где ведется монтаж МНГС, должен быть стенд взвешивания как отдельных элементов, так и секций или модулей. Для взвешивания применяются гидравлические систе- мы, включающие от 50 до 100 специальных гидравлических дом- кратов, установленных на монтажной площадке. Места их уста- новки зависят от размеров и формы МНГС. Каждый домкрат снабжен насосом с регулируемым давлением, которое создается воздушным или другим приводом. Специальная автоматизиро- ванная система переводит значения информации по давлениям 140
Рис. 6.10. Схема закрепления МНГС на барже: а - стержневая конструкция размещена вдоль продольной осн баржи; б - разме- щение стержневой конструкции перпендикулярно к продольной оси баржн 0-0 на центральном пункте в тонны с указанием мест установки ка- ждого домкрата. По мере того, как каждый домкрат полностью принял свою часть общего веса МНГС, фиксируется вес каждого участка и в итоге вес всего МНГС. По этой же информации оп- ределяется положение центра тяжести всего МНГС и распреде- ление центров тяжести отдельных секций. Только после выпол- нения процедуры взвешивания производится расчетная, а затем и фактическая фиксация МНГС в точках, показанных на рис. 6.10. Наконец, последняя процедура перед началом транс- портировки МНГС на барже состоит в проведении работ, свя- занных с определением плавучести и остойчивости системы бар- жа - МНГС. Эта процедура подробно описана в § 6.2. На рис. 6.11 и 6.12 приведены фотографии барж, загруженных блоками, секциями стержневых МНГС. На рис. 6.11 показана баржа с ус- тановленными на ней и закрепленными секциями; одна из них установлена в вертикальном положении, а другая - в горизонтальном. По-видимому, такое размещение определялось именно из-за необходимости обеспечения остойчивости системы баржа - МНГС во время транспортировки ее к месту установки. На рис. 6.12 показан момент погрузки блока МНГС на баржу; видны стропы 2, которыми блок удерживается на крюках крана 1, выполняющего операцию по погрузке. Следующим этапом в проведении морской операции является выбор (расчет) мощностей и числа буксирных судов и судов об- служивания, а также расчет расстановки буксиров в плане, опре- деление длины буксирных канатов, их диаметра. Сразу же отме- тим, что буксировка является очень сложной морской операцией. 141
Рис. 6.11. Общий вид установки двух секций МНГС Для МНГС гравитационного типа, транспортируемых на плаву и имеющих массу в десятки тысяч тонн, создание необходимого тягового усилия с помощью нескольких буксиров, синхронизиро- вав их работу, является не только сложной, но уникальной зада- чей для каждого случая. Поэтому перед началом транспортиров- ки составляется специальный проект транспортировки, в котором исследуются все возможные особенности буксировки конкретно- го МНГС. Мы не будем останавливаться на рассмотрении этих задач и проблем. Их решают специалисты морского флота, и они не входят в круг проблем, рассматриваемых специалистами по конструированию и строительству МНГС. Тем не менее мы при- ведем лишь основные сведения о транспортировке МНГС в от- крытом море с целью ознакомления студентов с проблемами транспортировки. Назначение общей конфигурации МНГС при транспортиров- ке буксировкой на плаву производится для определения взаимо- действия плавающего МНГС с водой при его транспортировке. Это взаимодействие, как было показано в [1], заключается в воз- никновении сопротивления воды движущемуся МНГС и измене- 142
Рис. 6.12. Погрузка блока МНГС на баржу нии его плавучести в зависимости от степени завершенности строительно-монтажных работ по самой МНГС. На рис. 6.13 показаны схемы (условные) МНГС, выведенного на глубокую воду. В позиции I мы имеем недостроенный несу- щий блок, в позиции II - этот блок уже достроен на большую высоту, а в позиции III - МНГС находится на плаву в состоя- нии, полностью достроенном с установленным несущим блоком на верхней плоскости - блоком верхних строений. Как видно из рисунка, сопротивление воды, которое нужно преодолеть при транспортировке его со скоростью v, формирует- ся на площади с высотами hi, h2 и h3. Наибольшее сопротивление будет при Лз и самое малое при /г(. Соответственно должно под- бираться и тяговое усилие, создаваемое буксирами. Методика 143
Ill Рис. 6.13. Схема изменения положения МНГС на плану по мере его достройки (положения I, II, III) расчетов силового воздействия воды на движущийся объект при- веден в [1]. Покажем далее схемы расстановки буксиров и судов обслу- живания при транспортировке МНГС, имеющих большую массу. На рис. 6.14 показана схема вывода МНГС из закрытой аквато- рии. Масса МНГС и его размеры позволяют обеспечить вывод одним буксиром. Как видно из рисунка, МНГС удерживается от «рыскания» (так называется в морской практике отклонение плавающего тела от выбранного направления его движения) сис- темой якорных закреплений. Отметим одно важное обстоятель- ство крепления тягового каната (трос, якорная цепь): закрепле- ние осуществляется в форме треугольника за «кнехты» (рис. 6.14, а), расположенные в точках 1, 2, 3 («кнехт» - устройство, способное удерживать в точках закрепления силу, определенную расчетом для выполнения конкретной морской операции). На рис. 6,14, б показана схема вывода МНГС из закрытой ак- ватории двумя буксирами; МНГС, также как и в первом случае, закреплено якорной системой, удерживающей МНГС от рыска- ния. После вывода МНГС в открытое море производится расста- новка буксиров в строгом соответствии с проектом буксировки. На рис. 6.15, 6.16, 6.17 показаны варианты расстановки букси- ров при буксировке МНГС. 144
Рис. 6.14. Схемы выведения МНГС из закрытой акватории в открытое море: а - одним буксиром; б - двумя буксирами Рнс. 6.15. Схема буксировки МНГС в открытом море
Рис. 6.15 - один большой буксир (тяговый) и два или четыре малых буксира, закрепленных непосредственно к боковым плос- костям (бортам) МНГС. Рис. 6.16 - два больших буксира (тяговые) и четыре буксира, закрепленных по бортам. Рис. 6.17 - три больших буксира (тяговых) и два буксира, притормаживающих в необходимых случаях движение МНГС. Для более полного представления о транспортировке МНГС в открытое море приведем рисунок (рис. 6.18) реальной буксиров- ки, в которой задействованы 5 тяговых буксиров (на переднем плане) и три притормаживающих (малой мощности; на заднем плане) буксира. Как видно из рисунка, производится транспор- тировка тяжелой гравитационной (железобетонной) платформы 146
Рис. 6.18. Общий вид буксировки в открытом море с установленным блоком верхних строений на верху несущих колонн. 2. Рассмотренные в п. 1 схемы транспортировки гравитацион- ных платформ позволяют доставить их к месту установки в по- ложение, которое позволяет установить их на дно заполнением балластных объемов (цистерн, емкостей) водой. При этом сохра- няется вертикальное положение главной (продольной) оси. Стержневые системы, если они доставляются к месту уста- новки не на баржах, также могут транспортироваться на плаву. Как уже отмечалось в нескольких разделах, плавучесть стержне- вых систем может быть обеспечена за счет устройства несколь- ких продольных стержней из труб большого диаметра или за счет присоединения к продольным стержням на период транс- портировки поплавков из труб большого диаметра или специаль- ных понтонов. На рис. 6.6 была показана конструктивная схема стержневой МНГС, рассчитанной для транспортировки к месту установки на плаву (на рисунке они показаны на береговой строительной площадке). После спуска на воду стержневая кон- струкция будет находиться на плаву за счет плавучести трубных «стержней» 1 большого диаметра, концы которых заглушены на период транспортировки МНГС на плаву. 147
На рис. 6.19 показан вариант стержневой конструкции, подго- товленный к транспортировке на плаву. К одной из панелей прикрепляются понтоны 1, рассчитанные на плавучесть, позво- ляющую удерживать стержневую конструкцию на плаву. По- скольку стержневые секции или МНГС в целом имеют собст- венную массу в пределах 1000-5000 т, то транспортировка про- изводится одним или двумя буксирами. К остойчивости конст- рукции предъявляются такие же требования, как и к другим МНГС. Однако, если даже блок, секция или МНГС в целом при сильном волнении перевернется, то особых проблем не возника- ет. Плавучесть МНГС сохраняется, хотя сам процесс транспор- тировки усложнится, так как при перевороте («оверкиль») вся стержневая решетка 2 будет находиться под поверхностью воды. При буксировке с расположенными в воде стержнями резко воз- растает тяговое усилие, а скорость движения снижается. Поэтому необходимо обеспечить условия сохранения расчетного положе- ния МНГС на весь период транспортировки. Для иллюстрации буксировки стержневых конструкций при- ведем примеры реальной транспортировки на плаву стержневого блока в различных положениях (рис. 6.20). На рис. 6.20, а - на- чало буксировки - блок расположен практически на одной из панелей; на 6.20, б - скорость увеличилась - блок занимает по- ложение, соответствующее значению скорости; сопротивление движению передних стержней увеличилось и передняя часть блока приподнялась, а задняя - опустилась. На 6.20, в показана стержневая конструкция после набора крейсерской (постоянной) скорости транспортировки. Конструкция заняла положение, со- ответствующее взаимодействию сил: тягового усилия, веса кон- струкции, плавучести и подъемной гидродинамической силы. Схемы этих сил показаны на рис. 6.21: Q - сила тяжести (вес, масса) (равнодействующая), приложенная в точке ЦТ (центр тяжести); V - водоизмещение (сила поддержания, расположенная Рис. 6.19. Вариант оснащения понтонами МНГС стержневой формы перед бук- сировкой в открытом море: 1 - понтоны; 2 - стержневое МНГС 148
Рис. 6.20. Общий вид транспортировки на плаву стержневого МНГС
Рис. 6.21. Схема сил, действующих иа стержневое МНГС при буксировке иа плаву в точке ЦВ - центр «величины»); Рх и Pz - равнодействующие сил лобового сопротивления и подъемной силы; Тх и Т2 - состав- ляющие тяговой силы Т. Таким образом, при установлении по- стоянной скорости движения v должно установиться равновесное состояние, при котором стержневая система будет сохранять ус- тановившееся положение под воздействием всех равнодействую- щих сил. Решение этой задачи требует рассмотрения силового участия в расчетах всех составляющих стержневую систему эле- ментов. Только при таком подходе можно найти положение всех центров приложения равнодействующих сил и их величины. Для достижения этой цели можно использовать материалы, содержа- щиеся в [1], где рассмотрены методы решений задач, связанных с расчетом силовых воздействий течений и волн на конструкции различных форм, а также методы исследования плавучести и ос- тойчивости. Глава 7 УСТАНОВКА СТАЦИОНАРНЫХ МНГС НА ДНО В РАБОЧЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ Одной из важнейших операций технологического цикла строительства стационарных МНГС является установка их на дно в рабочее положение. Под термином «рабочее положение» будем иметь в виду положение МНГС, при котором становится 150
--------► Доставка --------► ♦ 2 —► 3 —► 4 —► 5 1 Рис. 7.1. Последовательность работ, выполняемых при установке МНГС иа дио: 1 - подготовка основания н фундамента; 2 - закрепление на плаву на месте уста- новки; 3 - опускание на дно; 4 - закрепление на фундаменте; 5 - обследование возможным начало работ по добыче нефти или газа (бурение скважин, извлечение добываемого продукта, его первичная обра- ботка и последующая отправка к местам потребления). К момен- ту доставки основных блоков МНГС на ,плаву или на баржах должны быть выполнены все работы по подготовке основания, на которое будет устанавливаться МНГС. Последовательность вы- полняемых при установке МНГС на дно и приведение их в ра- бочее положение схематично показана на рис. 7.1. К моменту доставки отдельных блоков или МНГС в целом должны быть закончены работы по основанию или фундаментным конструк- циям, на которые будет устанавливаться МНГС (позиция 1). Поскольку установка МНГС на подводное основание должна производиться при спокойной поверхности моря, а спокойное состояние редко бывает длительным, то работы должны выпол- няться быстро. Это возможно только при тщательно составлен- ном проекте, в котором должны быть выполнены необходимые расчетные процедуры и порядок их выполнения. Доставка МНГС (массивного или стержневого) к месту уста- новки на плаву или на барже означает лишь окончание транс- портировки. Следующей технологической операцией будет уста- новка МНГС над точкой (позиция 2 рис. 7.1). Следующей техно- логической операцией является опускание МНГС на основание или на фундамент, если он предусмотрен проектом (позиция 5). Сразу после установки на дно выполняются работы по закрепле- нию МНГС на фундаменте (основании) (позиция 4). Завершаю- щей операцией (позиция 5) является так называемое оформле- ние состояния установленного на дно МНГС. Рассмотрим далее технологические схемы выполнения работ по приведенным на рис. 7.1 позициям. § 7.1. ПОДГОТОВКА ОСНОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ФУНДАМЕНТА Различные формы фундаментов для МНГС были подробно рассмотрены в [1]. Сразу отметим, что доставка несу- щих блоков и блоков верхних строений можно осуществлять 151
только после полной готовности как оснований, так и фундамен- тов, на которые будут устанавливаться блоки. Задержка достав- ленных блоков МНГС с опусканием их на фундамент (если он не готов) даже на несколько дней в случае возникновения штор- ма может привести к серьезным последствиям, вплоть до затоп- ления или даже разрушения блоков. Поэтому все работы по под- готовке оснований и фундаментов производятся до прибытия МНГС к месту установки. Для МНГС гравитационного типа подготовка основания заключается в выполнении двух основных видов работ. Первый - выравнивание поверхности дна до дос- тижения горизонтального положения поверхности дна в пределах площадки, на которую должно устанавливаться гравитационное МНГС, и второй - отсыпка и планировка сыпучих материалов (песка или гравия) на дно, если площадка под МНГС делается без выравнивания поверхности дна засыпаемым сыпучим мате- риалом. Решение о выборе способа подготовки основания при- нимается в процессе проектирования МНГС на основании дан- ных о составе, характеристиках и распределении естественных грунтов в пределах площадки ниже поверхности дна. В курсе «Механика грунтов» [2] подробно рассмотрены все характеристики и их влияние на состав грунтов, поэтому мы от- сылаем читателя к учебнику [2]. На рис. 7.2 показана схема возможного размещения МНГС на поверхности дна, имеющего уклон в одну сторону. Без подготов- ки основания, т.е. без высыпки грунта из котлована а-а-б-б-в-в и создания горизонтальной площад- ки б-б-в-в опускать МНГС на дно совершенно недопустимо; если поставить МНГС на наклонную поверхность дна (пунктир), то оно обязательно поползет вниз по ук- лону дна. Это сползание спрово- цирует составляющая веса G и Т, а удерживать от сползания будет сила ^=<2-tg<p + C, (7.1) где ф - угол внутреннего трения грунта; С - сила сцепления [2]. Рис. 7.2. Схема установки МНГС на дно без подготовки основания и с подготов- кой а 152
Для выполнения работ по выемке грунта из котлована, нахо- дящегося на некоторой глубине, должна быть составлена техно- логическая схема с определением видов необходимой техники, ее размещения с учетом объема земляных и подводно-технических работ. Объем подводно-технических работ, связанный с выемкой грунта, определяется по объемной форме выемки. При этом весь объем разбивается на элементарные геометрические фигуры, объ- емы которых легко рассчитываются. В качестве примера можно назвать их: кубы, параллелепипеды, треугольные призмы и т.п. Разбив весь объем на такие фигуры, измеряются их размеры и по простейшим формулам определяется объем каждой, а затем все объемы суммируются. Расчетные формулы просты, однако мы приведем формулы для трех наиболее часто встречающихся фигур (рис. 7.3): клин (а) у — . 1 2 ’ трехгранная призма (б) у _ a b-h. 2 “ 3 ’ «корыто» (в) V3 = a- h(b-0,5c -0,5d ). Что касается объемов работ по перемещению грунтов, выни- маемых из котлована, то они зависят не только от объема чистой выемки, но и от работ, затрачиваемых на перемещение грунта. А этот объем зависит от принятой технологической схемы разра- ботки котлована и применяемых машин и механизмов для пере- мещения грунта: гидравлическая разработка мониторами и грун- тососами, механическая разработка (экскаваторами и бульдозе- рами, работающими под водой и управляемыми с обслуживаю- щего их корабля), наконец, взрывной метод разработки. Рис. 7.3. Возможные фигуры выемки грунта 153
Некоторые из этих методов рассмотрены в § 2.2. Что касается оценки объема работ по перемещению, то она выражается в ку- бических метрах грунта, умноженных на количество метров пе- ремещения (м3 м). Так, если объем грунта 10 м3 перемещен на 100 м, то это означает выполнение работ по перемещению 10 м3х100 k, где k - коэффициент оценки сложности перемеще- ния, который может выражаться, например, в стоимости переме- щения 1 м3 грунта на 1 м. Так, приняв стоимость перемещения 1 м3 грунта на 1 м в 10 руб., мы получим, что стоимость переме- щения 10 м3 грунта на 100 м составит 10 тыс. руб. Имея это в виду, очень важно разработать оптимальную технологическую схему работ, обеспечивающую минимум затрат на перемещение. Что касается самой разработки котлована, то объем разработан- ного грунта зависит от формы котлована. Общие затраты таким образом будут складываться из затрат на разработку и переме- щение. § 7.2. УСТАНОВКА ФУНДАМЕНТОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ В ФОРМЕ ОТДЕЛЬНОГО БЛОКА Фундаменты для стационарных МНГС могут уста- навливаться на подготовленное основание в виде отдельной кон- струкции, т.е. в форме обособленного от МНГС в ее полностью готовом состоянии и в виде соединенной с несущим блоком час- ти платформы. В первом случае фундамент доставляется отдель- но от всего МНГС, а во втором - совместно с ним. Ясно, что технология установки фундаментов и их соединения с несущим блоком МНГС будут различными. Рассмотрим сначала технологические схемы установки (со- оружения) фундаментов в форме отдельной конструкции. Фундамент под МНГС, имеющее форму колонны (см. рис. 6.11, 6.12, 6.13 в [1]), представляет обычно самостоятельную кон- струкцию, устанавливаемую на подготовленное основание от- дельно от колонны. На рис. 7.4 приведена схема установки фун- дамента. Фундамент 1 доставлен к месту установки на барже 2 и перемещается плавучим краном 3 строго по оси 0-0 на подготов- ленное основание.' Фундамент может быть полностью подготов- лен к установке, т.е. иметь запас необходимой отрицательной плавучести для обеспечения устойчивости устанавливаемого на него несущего блока МНГС. Например, на рис. 7.5 показана форма уже установленного фундамента с устройством для уста- новки основания колонны МНГС. Монолитный фундамент из 154
о Рис. 7.4. Схема установки фундамента МНГС железобетона 1 установлен под наблюдением телекамер с баржи 2 (см. рис. 7.4) на основание. В фундамент заделан мощный штырь 2 (рис. 7.5, а), на который после завершения работ по ус- тановке фундамента будет надето специальное устройство 3, сое- диняющее колонну с фундаментом. Это устройство сделано та- fl Рис. 7.5. Конструктивная схема устройства для установки основания несущей части МНГС, имеющего форму колонны 155
ким образом, что колонна может наклоняться в стороны и вра- щаться вокруг вертикальной оси. Между штырем 2 и устройст- вом 3 находится упругое наполнение 4, смягчающее ударные или какие-либо динамические воздействия, возникающие от воздей- ствия волн, ветра и т.п. на саму колонну. Фундамент 1 может иметь пустоты 3, которые заполняются балластом уже после установки его на дно (рис. 7.5, б) плаваю- щим экскаватором типа грейфера или через опускаемый к фун- даменту шланг большого диаметра (0,5-0,7 м), который позволя- ет более точно обеспечить засыпку балласта в пустоты 3- Сами пустоты устраиваются для обеспечения веса фундамента на пе- риод его перемещений и установки на дно. Более сложные про- блемы приходится решать при установке фундаментных блоков для МНГС, имеющих многокомпонентную форму, например та- ких, как показано на рис. 5.7, 5.8, 5.13, 6.7 и других, приведенных в [1]. Установка фундаментного блока для МНГС, несущая часть которого выполнена в виде колонны (монопода) допускает воз- можность отклонения положения фундамента в плане. Иное по- ложение возникает, если фундаментная конструкция предназна- чается, например, для многоопорной МНГС (рис. 7.6). В этом случае фундаментные блоки 1, 2, 3 (рис. 7.6, а) должны быть установлены на дне на подготовленные основания с точным соб- Рис. 7.6. Схема размещения фундаментных блоков на дне для многоопорной МНГС 156
людением расстояний между центрами блоков в плане и по вы- соте (рис. 7.6, б). Это совершенно необходимое условие для обес- печения установки на фундаментные блоки опорных элементов несущих блоков. Технология установки фундаментных блоков состоит из не- скольких последовательных шагов: точная фиксация мест уста- новки каждого блока на дне с использованием контролирующих систем: телевидения и подводных измерительных приборов; ус- тановка плавающего кранового средства в положении, обеспечи- вающем возможность опускания отдельных фундаментных бло- ков в расчетные точки; закрепление положения крана с помощью якорной системы; захват и опускание блоков на расчетные точ- ки; контроль положения и состояния фундаментных блоков. На рис. 7.7 приведена одна из возможных схем разгрузки и поста- Рис. 7.7. Технологическая схема установки нескольких фундаментных блоков 157
новки на дно фундаментной системы из трех отдельных блоков. Плавающий кран 1 установлен в положении, позволяющем осу- ществить выгрузку блоков из баржи 2 и опускание поочередно на дно и точную установку в расчетное положение. Особенно- стью опускания являются манипуляции с блоками перед уста- новкой их на поверхность грунта. При достижении глубины по- гружения нижней поверхности фундамента 0,5-1 м опускание останавливается и производится определение точных координат блока в плане. Погрешность в отклонении не более допустимой, обеспечивающей точное попадание нижней части несущего блока в специальное захватывающее устройство в теле фундамента. Во всяком случае, это отклонение не должно превышать 5 см! Если фиксация положения затруднена, например, наличием течения, фундаментный блок может удерживаться с помощью тонких ка- натов с поверхности воды специальным обслуживающим судном. Установив во взвешенном состоянии в точное положение фун- даментный блок, его быстро опускают на дно. Завершив проце- дуру установки, производят проверку точности, и в случае необ- ходимости корректируют положение блока, слегка (на несколько сантиметров) его приподняв. § 7.3. УСТАНОВКА ФУНДАМЕНТНОГО БЛОКА, ОБЪЕДИНЕННОГО С ЧАСТЬЮ НЕСУЩЕГО БЛОКА (ФБ И НБ) Основные признаки и назначение составляющих МНГС блоков (фундаментного, несущего и блока верхних строе- ний) были полностью охарактеризованы в [1]. В ряде случаев при строительстве МНГС на прибрежной базе достройку соору- жения ведут до уровня, при котором фундамент и какая-то часть несущего блока по высоте превосходят глубину моря в точке ус- тановки МНГС на дно. Наиболее часто такая схема применяется при строительстве стационарных МНГС (гравитационных мас- сивных платформ). Технология установки фундаментного блока, объединенного с несущим блоком (ФБ и НБ), включает сле- дующие основные операции: доставка ФБ и НБ к месту установ- ки на плаву с помощью буксиров; постановка объединенного блока (ФБ и НБ) в заданном месте на якорн^Ьо систему, надеж- но закрепляющую блок от возможных «рысканий», т.е. нежела- тельных перемещений его в плане; сложнейшую операцию по погружению ФБ и НБ на дно в заданную точку на заранее под- готовленное основание (котлован, отсыпка камня, гравия, песка); 158
окончательная стабилизация объединенного блока; устройство защитных ограждений от возможных размывов грунта под блоком. Сразу же отметим, что все эти операции должны выполняться в предельно сжатые сроки из-за возможности возникновения штормовых погодных условий, при которых операции по опуска- нию блоков на дно становятся невозможными или крайне за- труднительными. Поэтому перед началом операции по погруже- нию предшествует определение критерия погодных условий С0<а-Ср, (7.2) где Ср - проектный (допускаемый) критерий погодных условий, зависящий от волновых условий в период выполнения работ и длительности этого периода Гр (в ч); а - понижающий коэффи- циент для волнения при различных высотах волн 3%-ной обес- печенности /г3%. Значения а приведены в табл. 7.1. Продолжительность времени проведения операции определя- ется по формуле Тр =т„ + ГС, (7.3) где Гц - проектное время выполнения проводимой морской опе- рации; Гс - превышение проектного времени, обусловленного случайными,’в том числе и погодными, факторами. Если Гс неиз- вестно, то оно может приниматься равным Гп, но не менее 6 ч (рекомендация «Правил...» Российского морского регистра судо- ходства). Этими же правилами устанавливается, что морская операция подразделяется на неограниченную по времени (про- должительность более 72 ч); ограниченную по погодным услови- ям - менее 72 ч. Любая морская операция продолжительностью менее 12 ч назначается с более полным обоснованием неблаго- приятных ситуаций (отдельно). Объединенный блок обладает необходимой плавучестью и ос- тойчивостью, позволяющими доставить его на буксире к месту установки и опустить на дно в отведенные сроки (формула 7.3). Таблица 7.1 Расчетная продолжатель- ность операций Тр, ч Расчетная высота волн 3%-ной обеспеченности, м 1 < Аз% < 2 2 < hj% < 4 Лз% > 42 < 12 0,52 0,58 0,61 < 24 0,48 0,54 0,57 < 48 0,43 0,49 0,51 < 72 0,39 0,45 0,48 159
Установка объединенного блока над точкой погружения осу- ществляется буксирами, доставившими его к месту установки, а закрепление и точное регулировка планового положения - якор- ной системой управления. Технология установки якорей и элементов якорной системы рассматриваются далее в гл. 10, а основы расчета в гл. 18 учеб- ника [1]. Поэтому мы примем условие, что объединенный блок уже установлен над точкой. Рассмотрим далее возможные схемы погружения. 1 схема. Погружается объединенный блок, состоящий из фун- дамента 1 и четырех колонн 2 (рис. 7.8). Фундамент представля- ет ячеистую структуру, состоящую из железобетонных объемов, изолированных от попадания в них внешней воды при транспор- тировке. В то же время эти объемы могут заполняться водой в расчетном количестве и в расчетной последовательности. Тем самым создается необходимая плавучесть объединенного блока в целом и ее распределение по площади в плане. Погружение бло- ка начинается при контролируемом заполнении морской водой емкостей с одного борта МНГС (рис. 7.9, а, заштрихованные ем- кости). По мере заполнения емкостей водой МНГС будет после- довательно занимать положения а, б, в, г и т.д. до тех пор, пока днище фундамента не опустится на подготовленное грунтовое основание. Отметим, что перед началом затопления выполняет- ся расчет изменения положений центра величины и метацентра Рис. 7.8. Схема объединенного блока МНГС (фундамент и не- сущие колонны) 160
с тем, чтобы обеспечить плавность процесса затопления. Расчеты могут быть выполнены в соответствии с рекомендациями гл. 17 учебника [1]. После опускания объединенного блока на дно и начинается заполнение ячеек балластом (гравий, грунт). Для балластировки можно использовать грунт, добываемый в районе установки МНГС. Грунт, разрабатываемый землеройным снарядом (грунто- Рнс. 7.9. Схема последовательности опускания на дно МНГС 161
сос гидравлический или пневматический) транспортируется к емкостям, засыпая их и вытесняя воду. Необходимо иметь в ви- ду, что разработка грунта должна проводиться на расстоянии, при котором не произойдет оползания грунта из-под днища МНГС. Для этого нужно рассмотреть задачу по устойчивости грунтов при рытье котлованов или траншей (см. «Механика грунтов»). Разработка грунтов для балластировки гидравлическим или пневматическим снарядом рекомендуется только для малосвяз- ных грунтов (песок, мелкий гравий, ракушечник и т.п.). Если в районе установки МНГС имеется только крупногабаритный грунт (камень, крупный гравий, смешанный с песком), то для разработки таких грунтов рекомендуются механические снаряды (экскаваторы-грейферы, многоковшовые экскаваторы). Доставка грунтов производится на баржах, откуда грунт выгружается по гибким вертикальным или малонаклоненным шлангам большого диаметра (рис. 7.10, позиции 1, 2, 3). 2 схема. Установка фундаментного блока, высота которого вместе с частью несущего блока меньше глубины моря. Установ- ка блока МНГС в случае, если высота блока менее глубины мо- ря, представляет более сложную задачу, чем при схеме 1. Дело в том, что при заполнении балластных емкостей водой может воз- никнуть ситуация, при которой блок полностью исчерпает поло- жительную плавучесть. При этом может произойти неуправляе- мое опускание МНГС на дно, по существу, это будет падение. Падение чревато мощным ударом фундамента (МНГС), весящего тысячи или десятки тысяч тонн, о грунт и даже разрушением. Поэтому при 2-й схеме используется метод, позволяющий сохра- нить положительную плавучесть МНГС вплоть до момента каса- Рис. 7.10. Загрузка в ячейки фундамента МНГС балластного груза 162
ния дна моря. После этого может быть произведено быстрое за- полнение балластных емкостей морской водой. Приведем техно- логическую последовательность реализации 2-й схемы. Она включает следующие операции: 1 - подготовка основания (выравнивание, подсыпка грунта, гравия); 2 - размещение на дне мощных закрепляющих анкерных уст- ройств, оснащенных тросами или канатами (цепями); 3 - постановка на точку фундаментного блока с удержанием его на якорях; 4 - начало заполнения балластных цистерн (емкостей) мор- ской водой; 5 - опускание МНГС с помощью тросов, удерживающихся на дне анкерами до касания днищем МНГС дна; 6 - быстрое заполнение балластных емкостей морской водой; 7 - контрольное обследование состояния МНГС. Рассмотрим далее процедуру, обеспечивающую реализацию этой схемы. На рис. 7.11 показана схема МНГС (фундамент 1 и часть не- сущего блока 2), доставленного к месту установки на точку бук- сиром на плаву (точка 0). К этому времени на дне уже установ- Рис. 7.11. Блок МНГС, доставленный к месту установки 163
лены анкерные устройства 3, с помощью которых будет созда- ваться необходимое напряжение в тросах 4 (рис. 7.12). Лебедки 6, установленные на верхней части МНГС, начинают натягивать тросы и создают усилия, притягивающие МНГС по направлению к дну. Одновременно с этим в балластные емкости заливается вода до тех пор, пока положительная плавучесть МНГС не уменьшится до допустимого минимума. Сооружение при этом займет ряд промежуточных положений i (рис. 7.13), пока не зай- мет положение на дне моря на подготовленной заранее площадке (рис. 7.14). Операция на этом прекращается. При выполнении этой технологической схемы необходимо обеспечить соответст- вующее расчетное обоснование и самый тщательный контроль за его соблюдением. Охарактеризуем основные расчетные моменты схемы. Объединенный блок при доставке его к месту установки обладает необходимой плавучестью и остойчивостью, при кото- рых обеспечивается возможность его транспортировки и удержа- ния на плаву. Как следует из материалов § 17.1 учебника [1], для этого требуется выполнение основного условия плавучести А > Р (А - водоизмещение, Р - сила тяжести - вес МНГС). Наиболее устойчивое положение МНГС будет иметь, если равнодействую- Рис. 7.12. Схема процесса опускания МНГС над «точкой» с помощью якорной системы 164
Рис. 7.13. Схема процесса опускания МНГС щие А и Р находятся на одной вертикали (рис. 7.15). Для того чтобы МНГС начало погружаться, балластные емкости постоян- но заполняются морской водой. При этом изменяется положение как центра тяжести С, так и центра водоизмещения (иначе «цен- тра величины»); изменяются также и их величины. Вес (тя- жесть) Р возрастает за счет заполнения балластных емкостей во- Рнс. 7.14. МНГС, установленное на дно 165
Рис. 7.15. Схема к расчету погружения МНГС на дно дой, а водоизмещение - за счет увеличения объема вытесненной МНГС воды при его погружении. Поскольку положение пла- вающего тела будет устойчивым только при расположении цен- тра тяжести D ниже центра водоизмещения С, то в процессе за- полнения балластных емкостей водой нужно контролировать прежде всего эти параметры. Одним из условий выполнения со- отношения Д > Р будет заполнение водой балластных емкостей, расположенных у дна МНГС (рис. 7.16, позиция 7). Дело в том, что можно обеспечить увеличение Р заполнением балластных емкостей, расположенных на верхнем ярусе МНГС (см. рис. 7.16, позиция 2). Однако в этом случае центр тяжести С может ока- заться выше центра водоизмещения D, а значит возникают усло- вия, при которых возможно опрокидывание МНГС. Учитывая изложенное, приведем последовательность расчет- ных процедур, выполнение результатов которых при погружении Рис. 7.16. Схема балласти- ровки МНГС при погруже- нии его иа дно 166
МНГС не приведет к неконтролируемым последствиям, таким как быстрое погружение, переворот, потеря остойчивости. 1. Строим график зависимости величины водоизмещения А от глубины погружения МНГС. Глубина погружения измеряется от ватерлинии (линия, создаваемая поверхностью воды на внешней обшивке МНГС), назначенной как нулевая ватерлиния. Эта за- висимость может иметь вид, например, как на рис. 7.17, кривая 1. Чем больше глубина h, тем больше А. 2. Для каждого расчетного положения МНГС определяется положение центра водоизмещения С. 3. Поскольку изменение величины А происходит за счет за- полнения балластных отсеков водой, то необходимо рассчиты- вать силы тяжести Р для одних и тех же значений h (рис. 7.17, кривая 2). 4. В соответствии с рекомендациями § 17.1 учебника [1], за- полнение балластной водой производится таким образом, чтобы обе силы А и Р располагались на одной вертикали. При этом обязательным условием должно быть расположение центра водо- измещения величины D выше центра тяжести С. Порядок нахо- ждения центров С и D также рассмотрены в § 17.1 [1]. 5. По мере опускания МНГС уменьшается разница между А и Р до тех пор, пока она не достигнет значения, составляюще- го величину, которая может быть воспринята лебедками 6, свя- занными канатами 4 с анкерами 3 (см. рис. 7.2). Заполнение балластных цистерн прекращается, и дальнейшее погружение МНГС производится за счет выбирания канатов 4 лебедками 6. Как только дно МНГС доходит до дна на расстояние 1-2 м, 167
производится контроль за правильностью положения МНГС в плане. 6. Выполнив необходимые коррекции положения МНГС, бы- стро заполняют балластные отсеки водой, освобождают от тормо- зов лебедки, и МНГС плотно садится на дно. Процесс опускания закончен. Рассмотрение в качестве демонстрационного материала фор- мы фундаментного блока и ФБ, и НБ лишь иллюстрируют про- цесс установки их на дно. На самом деле конструкции фунда- ментного блока и несущего блока могут быть самых разнообраз- ных форм, учитывающих особенности как конструктивные, так и целевые каждого МНГС. Но независимо от этих особенностей при опускании на дно основными параметрами, учитываемыми при подготовке операции, являются сила тяжести (вес), положе- ние ее равнодействующей; подъемная сила Д (водоизмещение), соотношение сил Д и Р (см. рис. 7.17). Разнообразие форм может быть учтено соответствующими составляющими Д и Р, завися- щими от форм МНГС, например, как на рис. 17.4 [1]. После установки гравитационной МНГС на дно выполняются мероприятия, связанные с защитой грунтового основания от воз- можных размывов грунта под днищем МНГС. Защита заключа- ется в создании по периметру фундамента насыпи, состоящей из гравийного и крупнообломочного каменного материала, способ- ного сопротивляться воздействию течений. На рис. 7.18 показана Рис. 7.18. Конструктивная схема защитной окантовки МНГС на дне 168
схема устройства насыпи. Насыпь обычно состоит из двух слоев: нижнего 1, обеспечивающего фильтрацию воды, снимающую фильтрационные напряжения в грунте основания (см. [2]) и верхний слой 2, защищающий слой 1 от разрушения течением. Слой 1 имеет толщину от 0,5 до 1 м, а защитный слой 2 (из крупнообломочного камня или бетонных плит) - 3-3,5 м. Про- тяженность насыпи может достигать 15-20 м, а объем на 1 м на- сыпи - 100 м3. Работы по устройству насыпи производятся ана- логично технологии, приведенной в гл. 6. § 7.4. ТЕХНОЛОГИЯ УСТАНОВКИ НА ДНО МНГС, ИМЕЮЩИХ ФОРМУ КОЛОННЫ Как показано ранее, несущие блоки МНГС могут иметь различное конструктивное оформление: сложные про- странственные системы, имеющие большие размеры в плане, ре- шетчатые конструкции малой размерности в плане. По существу, последний вид несущего блока МНГС является колонной, изго- товленной из стержней. Поскольку несущие вертикальные стержни (колонны) имеют небольшую площадь поперечного се- чения, то фундаменты под каждый из стержней устраиваются в индивидуальном исполнении. Наиболее распространенной формой фундаментных конст- рукций является свайная конструкция, обладающая рядом свойств, обеспечивающих как эксплуатационную надежность МНГС, так и сравнительную простоту устройства и экономич- ность. Основные формы стержневых стационарных платформ на свайном фундаменте рассмотрены в § 5.2 [1]. В данном разделе остановимся на рассмотрении технологических схем опускания на дно стержневых МНГС. Имея в виду, что в гл. 3 приведены технологии устройства свайных фундаментов, будем считать, что опускание на дно несущих блоков стержневых МНГС произво- дится на уже готовый фундамент, включающий и свайные конст- рукции. Схема 1. Установка несущего блока, имеющего форму колонны и длину, превышающую глубину моря в точке Наиболее часто такая форма несущего блока ис- пользуется для сооружения так называемых «точечных» прича- 169
лов для танкеров, а также плавающих хранилищ нефти. Схема- тично несущий блок таких МНГС представляет блок-стержень, обладающий плавучестью, обеспечивающей его удержание на плаву, или не обладающей плавучестью, поскольку он изготавли- вается из отдельных стержней. Для обеспечения его плавучести в случае, если он доставляется к месту установки не на барже, применяются понтоны, закрепленные к стержневым элементам. На рис. 7.19 изображены схемы таких несущих блоков МНГС. На рис. 7.19, а - МНГС цилиндрической формы, обладающей положительной плавучестью; на рис. 7.19, б - МНГС, не обла- дающая плавучестью, оснащенная понтонами 2, создающими по- ложительную плавучесть конструкции. МНГС такой формы могут доставляться к месту их установки либо на барже, либо буксировкой на плаву. Последнее более предпочтительно, так как не требует использования баржи, что существенно уменьшает затраты; к тому же не требуется плаву- чий кран необходимой грузоподъемности. Имея это в виду, мы остановимся на рассмотрении технологии опускания с поверхно- сти воды. 1 вариант. Несущая часть МНГС, обладающая положитель- ной плавучестью, имеет длину, превышающую глубину моря в точке установки на фундамент. Нижний конец МНГС, на- ходящийся на плаву, соединяется гибкой связью (канат, трос, якорная цепь) со стыковочным узлом фундаментного блока, уже установленного на дне моря в заданной точке. План тако- го фундамента (реальная конструкция, установленная на дне) показан на рис. 7.20. Тело фундамента 2 установлено на дне и закреплено сваями 1. Стыковочный узел 3 подготовлен к со- единению со стыковочным устройством МНГС (см. рис. 7.19, позиция 1 на обеих конструкциях). Общий вид подготовленного Рис. 7.19. Несущие блоки МНГС, обладающие плавучестью 170
А-А Рис. 7.20. Фигурная схема фундамента для МНГС, имеющего несущий блок в форме колонны
к перемещению к месту установки собранного фундамента по- казан на рис. 7.21. В центре конструкции находится стыковоч- ный узел; в концевых точках видны раструбы, в которые вво- дятся сваи с помощью крана, находящегося на поверхности воды, а после установки их в вертикальное положение забива- ются в грунт на необходимую (по расчету) глубину /гсв (см. рис. 7.20). Заполняя нижние балластные емкости водой, постепенно опускают МНГС к стыковочному устройству. При этом сохраня- ется оптимальная плавучесть МНГС, обеспечивающая ему вер- тикальное положение. После закрепления нижнего конца МНГС в стыковочном устройстве балластную воду откачивают и МНГС приобретает устойчивое вертикальное положение. На рис. 7.22 показано положение МНГС в период опускания, а на рис. 7.23 - уже устойчиво стоящее на точке сооружение. Рис. 7.21. Общий вид фигурного фундамента 172
2 вариант. Устанавливается МНГС, имеющее форму стержне- вой колонны, не обладающей плавучестью. Как было отмечено ранее, в этом случае МНГС оснащается понтонами. Процесс ус- тановки аналогичен предыдущему варианту с той лишь разницей, что перевод МНГС из горизонтального положения в вертикаль- ное осуществляется за счет отстропки (отсоединения) понтонов с нижней части МНГС или заполнения этих понтонов водой. По- Рис. 7.22. Общий нид процесса установки колонны в вертикальное поло- жение 173
Рис. 7.23. Общий вид колонны в вертикальном положении еле установки конца МНГС в стыковочное устройство фунда- мента понтоны отсоединяются, продуваются воздухом и всплы- вают на поверхность. 174
Схема 2. МНГС, имеющее форму колонны и длину менее глубины моря в точке ее установки Рассмотрим технологию установки такого МНГС, не затрагивая технологию доставки фундаментного блока (см. схему 1). Поскольку длина МНГС меньше глубины моря Н, то МНГС может состоять из двух или более частей, доставляемых к месту установки отдельно. Технология установки МНГС вклю- чает ряд элементов: установка нижней базовой части модуля, закрепление его на дне сваями, опускание на дно нескольких удерживающих грузов с гибкими связями (канаты, тросы или якорные цепи), установка на базовый модуль второй и после- дующих частей. Приведем графическую иллюстрацию этой последователь- ности. 1. Доставка на плаву базового модуля, уже соединенного с фундаментным блоком, например, формы, показанной на рис. 7.21. Одновременно доставляются и остальные части (модули), имеющие на ограничивающих плоскостях стыковочные устройст- ва. Все модули обладают положительной плавучестью либо за счет собственных пустых емкостей, либо за счет прикрепленных понтонов. На рис. 7.24 показан базовый модуль в горизонталь- ном положении айв момент опускания его в вертикальное по- ложение б. 2. На дно опускаются грузы 2 (рис. 7.25, а) со связями 3, ко- торые пропущены через блоки на грузах 2 и закреплены на по- верхности на обслуживающих процесс установки судах. 3. Базовый модуль подтягивается связями 1 к дну (рис. 7.25, б) и устанавливается на дне. 4. В калибровочные отверстия в фундаменте (см. рис. 7.21) в основание забиваются сваи, закрепляющие фундамент от боко- вых перемещений и от сил, отрывающих фундамент после уста- новки базового и других модулей. На рис. 7.26 показан базовый модуль 1, установленный в стыковочном узле фундамента, свая 2, забиваемая молотом 3 с помощью крана, установленного на кране сопровождения 4. 5. К базовому модулю 1 (рис. 7.27) подводится дополнитель- ный блок 2 с помощью судна обслуживания 3. На рисунке пока- зана точка 4, в которой установлено стыковочное устройство, позволяющее соединить модуль 1 с блоком (модулем) 2. 6. Производится стыковка модулей 1 и 2 (рис. 7.28, а). После обеспечения статической и динамической определенности всей конструкции к ней подсоединяется гибкий трубопровод, по кото- 175
Рнс. 7.24. Базовый модуль при транспортировке (а) и при опускании в верти- кальное положение (б) рому в емкость блока 2 будет подаваться нефть для последую- щей перекачки ее в танкеры. На рис. 7.28, б изображена схема установленного МНГС с подключенным к нему подводным тру- бопроводом 3. 176
б Рис. 7.25. Схемы стабилизации вертикального положения базового модуля с помощью якорей (а) и подтягивания его ко дну (б) Рассмотренная технологическая схема была предложена гол- ландской компанией SBM и описана Роже Маари для устройства внебереговых швартовых установок. Следует отметить, что ис- пользование этой идеи подходит для морей со свободной ото 177
Рис. 7.26. Установка базового модуля в стыковочный узел и забивка свай льда поверхностью. Это не дает возможности использовать ее в условиях северных морей России. Однако имеется возможность конструкцию, имеющую форму колонны, сделать с модулем, ус- Рис. 7.27. Базовый модуль установлен иа дно и закреплен сваями 178
a m пгт m m m in $ infy $в/ m n> m di m id m Рис. 7.28. Заключительная стадия, установки МНГС на дио тановленным на фундамент, а на него надеть верхний модуль, который может перемещаться на нижнем несущем модуле. При освобождении поверхности моря ото льда верхний модуль под- нимается и может работать как обычное швартовое устройство. При замерзании моря с образованием ледового покрова большой толщины верхний модуль опускается вниз ниже возможной гра- ницы прохождения льда. На рис. 7.29 показана технология уста- 179
Рис. 7.29. Установка МНГС с изменяющейся высотой новки описанной конструкции. На рис. 7.29, а показано МНГС, состоящее из нижнего модуля 1, внутри которого в специально устроенный раструб вводится верхний модуль 2 с резервуаром 3, в котором создается запас нефти для танкеров. Модуль 2 удер- живается в необходимом положении гибкими связями 4, дли- на которых регулируется лебедками 5. Как только начинается ледообразование, верхний модуль 2 заходит внутрь модуля 1, и МНГС занимает положение подо льдом, как показано на рис. 7.29, 6. МНГС находится в данном положении до освобож- дения моря ото льда и начала навигации. § 7.5. УСТАНОВКА НА ДНО СТЕРЖНЕВЫХ НЕСУЩИХ БЛОКОВ, ИМЕЮЩИХ НЕСКОЛЬКО ВЕРТИКАЛЬНЫХ ОПОРНЫХ СТЕРЖНЕЙ МНГС такого вида показаны в § 5.2 учебника [1]. Как видно из рис. 5.10-5.14, все несущие блоки таких платформ имеют несущие вертикальные стержни, сделанные, как правило, 180
из труб различного диаметра и объединенные в жесткий каркас поперечными связями. Технология установки таких МНГС зависит не только от формы, но и от способа доставки МНГС к месту установки на «точку». Как уже было отмечено в гл. 6, стержневые несущие блоки могут доставляться к месту установки двумя способами: на баржах и на плаву. В первом способе на прибрежной базе МНГС погружается па баржу и доставляется к месту установки; во втором способе - МНГС за счет применения по одной из плоскостей труб большого диаметра или понтонов обладает при нахождении на воде положительной плавучестью. Поэтому оно может транспортироваться буксированием на плаву. После дос- тавки МНГС на место установки начинается морская операция по опусканию и установке МНГС на дне. Рассмотрим основные технологические схемы этих операций. 1 схема. Стационарная стержневая несущая конструкция (блок) доставлены к месту установки на барже (рис. 7.30, а - профиль и 7.30, б - план). Высота блока больше глубины моря в точке установки МНГС. Вес конструкции МНГС позволяет ис- пользовать для работ по установке плавучий кран. Такие краны, используемые в настоящее время, имеют допустимую грузоподъ- емность на главном крюке (иначе его называют «гак» - морской термин) до 10 000 т. Кран 3 устанавливается на якорной системе 4 рядом с баржой 1, на которой находится блок МНГС 2. Кран поднимает блок МНГС, переносит его в зону нахождения свайного фундамента 5, 6 и опускает нижний конец блока на возможно близкое расстоя- ние до верхнего обреза фундамента. Стыковочные узлы на несу- щих стержнях блока или объединенном кондукторе фундамента заранее размещают точно в расчетных точках, чтобы при полном опускании стыковочные узлы замкнулись. Поскольку точная ориентировка узлов, особенно при больших глубинах, очень сложна, то в процессе опускания блока и его стыковки с фунда- ментом осуществляется тщательный контроль с помощью видео- камер за прохождением процесса стыковки. Для точной подгонки положения стыковочных узлов на блоке используют систему гибких связей, позволяющих с большой точностью регулировать плановое положение узлов. При достижении нужного располо- жения стыковочных узлов строго по вертикальным осям, прохо- дящим через центры узлов, опускают платформу 2 на фундамент. Узлы имеют цанговые захваты 7, прочно фиксирующие блок 2, установленный на фундаменте. Необходимо отметить, что эта схема является наиболее про- стой, хорошо управляемой и позволяющей быстро установить 181
a Рис. 7.30. Установка несущего блока стержневой МНГС на фундамент блок МНГС на фундамент. Время работ в море очень ограниче- но, так как в любой момент на море может возникнуть штормо- вая ситуация и работы станут невозможными. 182
Кроме того, блок МНГС устанавливается из легких трубных конструкций, что существенно снижает его вес, поскольку при использовании крана и баржи не требуется обеспечение плаву- чести за счет применения труб большего диаметра. 2 схема. К месту установки на барже доставлен несущий блок стержневого МНГС, обладающего положительной плавучестью. Блок имеет длину большую, чем глубина моря в точке установ- ки. Плавучесть блока обеспечивают вертикальные стержни («стойки»), изготовленные из труб большего диаметра (1,5-4 м) с толщиной стенки до 50 мм. Число «стоек» может быть от 3 до 10-12. Вертикальные стержни одной из панелей делаются из труб большего диаметра, чем других, тем самым, создавая условия для плавания блока на этой панели. На этой же панели блок размещается на барже. После доставки блока к месту установки начинается морская операция по установке блока на дно. Эта операция состоит из следующих основных эле- ментов. 1. Спуск блока на воду без помощи плавучего крана (снятие с помощью крана, рассмотренного в схеме 1). Баржу 3 с блоком 2 закрепляют с помощью якорей 4 (рис. 7.31, а), а затем буксиром 1 стаскивают блок (рис. 7.31, б) на воду. Блок находится на плаву за счет собственной плавуче- сти (рис. 7.31, в). 2. Начинается заполнение водой нижних балластных емкостей (рис. 7.32, а); нижняя часть блока погружается в воду, как пока- зано на рисунке (1-я зона блока). 3. Опустившаяся часть блока (наиболее тяжелая) существенно уменьшает вес блока. Поэтому для регулирования процесса опускания может быть использован плавучий кран меньших раз- меров и малой грузоподъемности, что значительно упрощает ра- боты по установке блока. На рис. 7.32, б показано промежуточное расположение блока с увеличенным количеством балластной воды (темные пятна). Плавучесть блока уменьшена настолько, что кран может легко маневрировать с блоком. 4. Блок с помощью крана устанавливается точно над «точ- кой» пока еще в плавучем состоянии, но на расстоянии 1-2 м от дна. После обследования и приведения нижнего обреза блока в точное место установки кран быстро опускает блок на дно. 5. Далее производится работа по закреплению положения блока на дне. Главная ось блока 0-0 должна быть строго верти- кальной. 183
Рис. 7.31. Схема спуска стержневого несущего блока на воду с баржи 6. Закрепление блока на дне выполняется одним из двух спо- собов: первый - на дне заранее установлен фундаментный блок с устройствами стыковки и закрепления, расположенными в точ- ном соответствии с расположением нижних обрезов несущих стержней (стоек). Поэтому установка и завершение работ за- канчиваются, как только будет осуществлена стыковка узлов и срабатывание цанговых захватов или захватов другой конструк- ции; второй - блок закрепляется забивкой свай в специально при- крепляемые к стойкам направляющие или через стойки. 184
Рис. 7.32. Погружение несущего блока с помощью заполнения балластных емкостей водой 3 схема. Несущий блок доставляется к месту установки на плаву. По этой схеме процедура установки блока на дно осуществляется так же, как и в предыдущей схеме. Разница заключается лишь в том, что исключается операция, связанная со спуском блока с баржи на воду. Поскольку баржа как транспортное средство отсутствует, то стоимость выполняемых работ существенно уменьшается. Кроме того, отсутствуют работы, связанные с перегрузкой блока МНГС на баржу на береговой базе, поскольку блок спускается непосредственно на воду с береговой площадки или самостоятельно всплывает в огражденном котловане (сухом доке) при заполнении его водой. 4 схема. Установка на дно стержневой системы на большой глубине. Стержневые платформы, как было показано в [1], могут устанавливаться на глубинах до 1000 метров. Ясно, что собрать стержневую конструкцию такой платформы целиком на берего- вой базе практически невозможно. Однако, даже если конструк- ция, например, длиной более 200 м будет изготовлена, то достав- ка ее к месту установки как на барже, так и на плаву практиче- ски невозможна. Поэтому доставляется такая стержневая конст- рукция по частям либо на барже, либо на плаву с использовани- ем понтонов. Как в первом, так и во втором способе доставки отдельные части конструкции оснащаются понтонами, обеспечи- вающими их плавучесть. Дальнейший ход морской операции 185
по установке стержневой МНГС на дно иллюстрируется на рис. 7.33. Баржа 1, доставившая части МНГС 2, устанавливается на якорную систему рядом с плавкраном 3- Плавкран переносит части МНГС на воду. Эти части показаны на рис. 7.33 позиция- ми I, II, III. Они устанавливаются в одну линию (позиция ПГ). Далее осуществляется стыковка отдельных частей МНГС в сече- ниях а, б. Поскольку поперечное сечение стержневой конструкции МНГС очень мало по сравнению с ее длиной, то в процессе переноса частей с баржи на воду возникает проблема обеспечения прочно- сти и даже неразрушимости элементов конструкции. Поэтому приходится изыскивать способы перегрузки частей МНГС на воду. Рис. 7.33. Сборка стержневой МНГС большой длины на плаву 186
Одним из приемов можно назвать притапливание кормы бар- жи до уровня воды. При этом можно части МНГС стащить с па- лубы баржи в воду с помощью буксира. При снятии частей плавкраном требуется дополнительное укрепление стержневой конструкции с помощью временно прикрепляемых к ним шпрен- гельных ферм (рис. 7.34). Ферма 2 прикрепляется к поднимае- мой конструкции в точках а, б, в, г и краном 4 вместе с конст- рукцией 1 поднимается с баржи 3 и переносится на воду. Таким способом осуществляется перенос конструкций МНГС длиной до 150 м. Стыковка частей МНГС производится на плаву. На концах несущих продольных стержней, изготовленных из труб, устана- вливаются стыковочные узлы, особенностью которых является конусообразная форма (рис. 7.35). Секция (часть) МНГС 1 имеет в сечении 0-0 конусообразный стыковочный узел 2, в который вводятся (на плаву) концы 3 стержневой секции 4. Происходит автоматический захват с помощью пневматики концов обоих секций. Таким же образом могут присоединяться и другие сек- ции, наращивая общую длину стержневой конструкции до значе- ний, превышающих глубину моря в точке. Описанная техноло- гия, за исключением элемента, связанного со спуском (или сня- тием краном) с баржи, используется и при доставке МНГС на плаву буксирами. 187
Рис. 7.35. Схема стыковки двух секций МНГС Опуск на дно стержневого несущего блока большой длины производится переводом его из горизонтального положения в вертикальное при затоплении балластных емкостей водой, как показано на рис. 7.36. Балластные емкости устраивают внутри или снаружи несущих продольных стержней (стоек). Отметим далее следующее. Основным способом закрепления глубоководных несущих МНГС является закрепление свай, заби- ваемых в грунтовое основание либо внутри несущих стержней, изготовленных из труб, либо снаружи в специально прикреплен- ные трубчатые кондукторы. Технология забивки свай подробно рассмотрена в гл. 3. Учитывая то обстоятельство, что грузоподъемность самых больших кранов не превышает 7-10 тыс. т, а вес стержневых конструкций, особенно для больших глубин, достигает 30- 40 тыс. т, необходимо так регулировать отрицательную плаву- честь МНГС, чтобы она не превышала грузоподъемность крана, а лучше всего, если она (отрицательная плавучесть) была бы не более половины грузоподъемности. 5 схема. Установка на дно несущего блока с созданием пере- менной плавучести по его длине. Стержневая конструкция несу- щего блока МНГС устанавливается с таким расчетом, чтобы нижний ее конец обладал большой отрицательной плавучестью, а верхний - положительной. Отрицательная плавучесть может быть создана, например, заполнением нижней части труб или специально присоединенных к ним емкостей железной рудой, а положительная плавучесть - размещением на верхней части пус- той емкости. На рис. 7.37, а показана баржа с расположенной на 188
Рис. 7.36. Схема опуска МНГС большой длины с помощью балласта Рис. 7.37. Схема опуска на дно МНГС с переменной плавучестью по его длине
ней стрежневой МНГС 1 с утяжеленным нижним концом 2 и пустой емкостью 3. Как только буксир начнет стаскивать МНГС с баржи, корма которой притапливается до уровня воды (рис. 7.37, б), утяжеленный конец 2 начнет погружаться на глубину. По мере погружения вступает в работу верхняя зона МНГС, об- ладающая большой плавучестью, и МНГС быстро занимает вер- тикальное положение. Удерживая МНГС таким образом, чтобы нижний его конец не доходил до дна на несколько метров, уста- навливают его над нужной точкой (см. рис. 7.37, б), а затем, уменьшая положительную плавучесть понтона 3, быстро опуска- ют на дно. Глава 8 ТЕХНОЛОГИЯ УСТАНОВКИ ВЕРХНИХ СТРОЕНИЙ МНГС НА НЕСУЩИЙ БЛОК Верхние строения МНГС, как уже отмечалось, яв- ляются наиболее заполненными высокотехнологичным, энерго- емким и интеллектуальным оборудованием. Поэтому строитель- ные, монтажные и комплектующие работы должны производить- ся в условиях, обеспечивающих возможность выполнения самых сложных операций, связанных с комплектацией механического, энергетического, электрического и электронного оборудования. Производить такие операции в условиях открытого моря практи- чески невозможно. Поэтому все они выполняются на прибреж- ной базе (на сухопутной территории или в закрытой от воздей- ствий волн и течений акватории). Даже использование модулей при строительстве верхних строений требует обеспечения спо- койного состояния блока, поскольку соединение всех элементов, размещенных в отдельных модулях, в систему, работающую на достижение главной цели, крайне затруднительно, например, в условиях открытого моря. Полностью подготовленный к выполнению технологических функций блок верхних строений должен быть установлен на верхний срез несущего блока (срез - это верхняя труба или плоскость, на которой установлены стыковочные узлы для за- крепления опор верхнего строения). 190
§ 8.1. ТЕХНОЛОГИЯ УСТАНОВКИ БЛОКА ВЕРХНИХ СТРОЕНИЙ (БВС) В ЗАКРЫТОЙ АКВАТОРИИ Установка блока верхних строений (БВС) на верх- ний срез несущего блока может производиться в акватории, за- крытой от прямого воздействия течений и волн на несущий блок, который удерживается в заданной точке якорной системой. Основным условием, позволяющим устанавливать БВС на несу- щий блок, является обеспечение плавучести части и остойчиво- сти объединённой конструкции БВС и несущего блока как в закрытой акватории, так и в открытом море при буксировке. Рассмотрим далее процесс реализации технологии установки БВС. На рис. 8.1, а показан несущий блок, обладающий запасом плавучести, позволяющей удерживать на плаву объединенную систему: несущий блок и блок верхних строений БВС. Плаву- честь обеспечивается за счет объемов (1, 2, 3. и) в нижней части несущего блока. Заполняя те или иные объемы, например 1 и 8, можно регулировать глубину погружения нижнего среза блока, уменьшая или увеличивая расстояние от верхнего среза несущего блока до поверхности воды h0 . Блок верхних строений перемещается с береговой площадки на баржу или две баржи, если размеры и вес БВС не позволяют транспортировать его на одной барже. После закрепления БВС на барже или баржах осуществляется транспортировка блока к несущему блоку. К этому моменту несущий блок опускается, как показано на рис. 8.1, 6. При этом расстояние нижнего среза от дна Д/г должно быть таким, чтобы при погрузке БВС на срез а-а было обеспе- чено минимальное расстояние Д/г, при котором возможна транспортировка (буксировка) объединенной конструкции несущего блока и БВС. Погрузка БВС на срез а-а производится одним или двумя кранами. На рис. 8.2 показаны момент погрузки БВС на несущий блок. Два крана приподнимают БВС с палубы баржи (барж) и перемещают БВС в позицию, при которой его можно опускать на несущий блок. Можно изменить эту схему. Краны, приподняв БВС, удерживают его на весу, а несущий блок перемещают под БВС, позиционируют его точно по стыковочным узлам, и затем опускают БВС на несущий блок. Поскольку все операции произ- водятся в закрытой от волн акватории, то плавающий несущий блок и краны сохраняют полную статическую и динамическую определенность покоя. Это позволяет осуществить объединение в 191
Рис. 8.1. Несущий блок в закрытой акватории стыковочных узлах несущего блока и БВС. Выполнив погрузку и закрепив стыковочные узлы, поднимают всю конструкцию в рас- четное положение для транспортировки к месту установки МНГС в рабочее положение. Подъем производится за счет пла- вучести несущего блока, откачивая воду из емкостей. Описанная процедура нуждается в проведении ряда измери- тельных и расчетных действий. Должны быть: 1) определены с большой точностью весовые характеристики как несущего блока Рь так и БВС Р2; 2) определены положения центров тяжести несущего блока и БВС. Расположение центров тяжести должно быть таким, чтобы 192
Рис. 8.2. Погрузка БВС на несущий блок: а - погрузка и установка с помощью двух кранов, б - буксировка объединенного МНГС к месту установки на точку при погружениях и подъемах несущего блока в воде отсутствовал крен; 3) определена плавучесть несущего блока и ее изменение при заполнении балластных цистерн (У, 2, 3 ...), необходимое для ре- гулирования глубинного положения блока в различные моменты операции; 4) выполнена процедура кренования. Определены положения метацентра при различных глубинах погружения в воду несуще- го блока (см. [1 ]); 5) рассчитаны необходимая плавучесть и проверена остойчи- вость объединенного МНГС (блок верхних строений и несущий блок) как при спокойном плавании, так и при буксировке. 193
Все эти расчеты могут быть выполнены по рекомендациям [1]. В качестве иллюстрации описанной технологии приведен рис. 8.3, на котором показана погрузка ВВС на верхний срез притопленного несущего блока двумя кранами. Остановимся кратко на пояснении характера работ, необхо- димых для выполнения требований перечисленных пяти усло- вий. Определение весовых характеристик. Вес всего верхнего блока складывается из весов всех его модулей, а также оборудования: устанавливаемого индивидуально-буровой вышки, кранов, ёмко- стей для воды, горючего, специальных растворов для буровых работ и др. Рассчитать точный вес каждого из этих элементов практически невозможно. Поэтому используют различного вида взвешивающие устройства. Это очень сложные устройства, с помощью которых можно взвешивать маловесные грузы (до од- ной - двух тонн), грузы более тяжелые (от нескольких тонн до нескольких десятков тонн); наконец необходимо определять точ- Рис. 8.3. Общий вид погрузки БВС иа несущий блок 194
ный вес всего блока верхних строений (от нескольких тысяч до десятков тысяч тонн). При сборке и монтаже ВВС весовой кон- троль осуществляется постоянно весь период строительства ВВС. И не только просто вес всего ВВС, но и определяется положение вертикали, проходящей через центр тяжести ВВС на момент из- мерений. Конечно, конструкция взвешивающих устройств очень сложна, хотя используются довольно простые принципы: рычаг, изменение упругости измерительных устройств при нагружении, гидравлические свойства перетекания жидкостей из одного сосу- да в другой и т.д. Однако огромность веса, например, полный вес ВВС гравитационной платформы на шельфе Сахалина, изготов- ленного в Южной Корее (22000 т), требует исключительно серь- езного отношения к процедуре взвешивания. Определение центров тяжести несущего блока производится в процессе проведения исследования его плавучести. При этом проверяется также правильность положения центра тяжести, оп- ределенного расчетным путем. Положение центра тяжести ВВС определяется и расчетным путем при проектировании блока, и при непосредственном взвешивании ВВС. Основной целью опре- деления положения центров тяжести является полное совпадение вертикалей, проходящих через центры тяжести несущего блока и ВВС. Это делается для того, чтобы на спокойной воде крен объ- единенного МНГС отсутствовал, т.е. все расчетные горизонталь- ные плоскости при объединении несущего блока и ВВС остава- лись горизонтальными на спокойной воде. Кренование объединенного МНГС является очень важной процедурой для рассматриваемой схемы установки ВВС в закры- той акватории. Кренование позволяет определить практически допустимые наклонения МНГС при транспортировке его спосо- бом буксировки в открытом море, где спокойное состояние во- ды - очень редкое состояние. Поэтому воздействие волн, тече- ний, ветра могут обусловить наклонения (крен) МНГС, при ко- торых возможно его опрокидывание. Дадим далее краткое описа- ние процедуры кренования и расчета метацентрической высоты. Она состоит из нескольких последовательных шагов: запол- няют специально устроенные для проведения кренования ёмко- сти забортной водой, точно контролируя ее вес (по объему воды в балластных емкостях) и положение центра тяжести. Через центр тяжести проводится вертикаль и фиксируется на элемен- тах конструкций МНГС. Под воздействием веса балласта, распо- ложенных у центра у борта, МНГС наклоняется на угол 0. Этот угол измеряется кренометром, представляющим нить длиной бо- лее 3 м, закрепленную в точке на вертикали, проходящей через центр тяжести. По отклонению свободного конца нити, на кото- 195
ром подвешен конусообразный груз («весок»), определяют угол наклона по формуле tgo = ^, где 5 - отклонение конца веска, мм или см; /н - длина нити; со- ответственно, 0 = arctg 0. При малых углах 0 (не более 5°) I = h sin 0 (величина h равна метацентрической высоте). Соответственно, восстанавливающий момент Мв = А h, где А = Р + q\ Р - вес МНГС; q - вес груза (балластной воды, используемой в качестве груза при креновании). Зная восстанав- ливающий момент (см. [1]), можно определить метацентриче- скую высоту. § 8.2. УСТАНОВКА БВС НА НЕСУЩИЙ БЛОК В ОТКРЫТОМ МОРЕ Блок верхних строений может устанавливаться на несущий блок после того, когда он уже установлен на дне в ра- бочее положение. Процесс установки на дно несущего блока был рассмотрен в гл. 7. Поэтому при рассмотрении установки БВС на несущий блок будем иметь это в виду. Технология установки БВС состоит из двух фундаментальных составляющих: доставка БВС к месту установки и собственно установка БВС на несущий блок. Эти две составляющие практи- чески не зависят друг от друга с точки зрения влияния одной составляющей на другую. Объединяет их лишь цель: БВС долж- на быть установлена на несущий блок. Сама технология доставки может быть какой угодно; от неё не зависит технология установ- ки, которая также не зависит от технологии доставки. Поэтому мы рассмотрим отдельно технологические схемы доставки БВС к месту работы по установке БВС на точку и работы по ее уста- новке на несущий блок. 1. Доставка БВС к месту установки. Доставка БВС к несущему блоку, уже установленному на ра- бочую точку, осуществляется только с помощью плавсредств, специально предназначенных для перевозки тяжеловесных гру- зов. Это могут быть самоходные баржи, оснащенные кранами с достаточной для выгрузки БВС и установки его на несущий 196
блок, и баржи большой грузоподъемности, не оснащенные кра- нами. В первом случае перевозятся БВС сравнительно неболь- ших размеров и весом до 1000-1200 т. Такие БВС наиболее час- то устанавливаются на стержневые несущие блоки МНГС на ма- лых глубинах (20-30 м). Баржа с краном необходимой грузо- подъемности позволяет выполнить все операции по перемещени- ям и установку БВС на несущий блок: снятие БВС с монтажной площадки на берегу, установку БВС на собственную грузовую палубу, снятие с палубы и установку БВС на несущий блок. Для доставки БВС, превышающих возможности барж с кра- ном, используют большие несамоходные баржи, имеющие водо- измещение тысячи и даже десятки тысяч тонн. Плановые разме- ры барж позволяют располагать на грузовой палубе БВС с раз- мерами в плане несколько десятков метров (30-50). На рис. 8.4 показана баржа, стоящая у пирса с погруженным на нее БВС Рис. 8.4. Блок верхних строений (БВС), перемещенный с береговой площадки на несамоходную баржу 197
общим весом 7000 т, шириной 35 м и длиной 60 м. Транспорти- ровка баржи осуществляется 2-3 буксирами, а погрузку ББС на баржу и выгрузку производит плавающий кран, обладающий не- обходимой грузоподъемностью. Если общий вес БВС превышает 8-10 тыс. т, то для транс- портировки таких блоков используются две баржи. Эти баржи не имеют на грузовой палубе никаких строений и не имеют собст- венных движителей. Поэтому перемещение барж как без груза, так и с грузом осуществляется с помощью буксиров и судов под- держки. На рис. 8.5 показана транспортировка полностью соб- ранного и оборудованного БВС на двух баржах. Как видно из рисунка, буксировка осуществляется мощным буксиром, а стаби- лизацию планового положения барж обеспечивают четыре судна поддержки. Эту операцию по буксировке осуществляла компания SMIT INTERNATIONAL MARINE SERVICES. Необходимо отметить, что буксировка такого огромного как по весу, так и по размерам объекта крайне сложна и требует не только соответствующих барж и буксирных судов, но и очень хорошо подготовленной буксировочной команды. И очень важно выбрать удачное время для буксировки, чтобы море оставалось спокойным на весь период буксировки. Рис. 8.5. Буксировка БВС на двух несамоходных баржах 198
2. Установка БВС на несущий блок стержневой конструк- ции. Перед установкой БВС на несущий блок его верхний срез должен быть подготовлен таким образом, чтобы стыковочные устройства несущего блока и БВС были расположены в точном соответствии всех мест соединений. Это означает, что расстояния между центрами стыковочных устройств несущего блока должны полностью совпадать с расстояниями и местоположением стыко- вочных устройств БВС. Кроме того, должны быть точно совмес- тимы стыковочные устройства по высотным отметкам. В резуль- тате выполнения этих требований происходит полное соединение поверхности соединения двух блоков. Что представляет из себя «стыковочный узел»? Наиболее простой формой узла, по-видимому, является соединение по кон- струкции «труба в трубе». Это означает, что цилиндрический патрубок на одном из блоков (несущем или БВС) имеет мень- ший диаметр и может свободно входить внутрь другого. Наибо- лее часто патрубки БВС имеют меньший диаметр. На рис. 8.6 показана конструктивная схема стыковочного узла. Патрубок (можно его назвать «штырь») сделан с конусообразным нижним концом для более простого попадания в приемное углубление. В качестве приемного углубления могут использоваться верхние Рис. 8.6. Схема стыковочного узла: а - конструкция узла; б - патрубок; в - план размещения; 1 - нижняя плита БВС; 2 - штырь; 3 - несущий блок; 4 - гнездо для штыря; 5 - палуба БВС 199
концы трубчатых несущих стержней. Для этого необходимо, что- бы расстояния между осями этих стержней были равны расстоя- ниям между осями патрубков (штырей). Поэтому после установ- ки несущего стержневого блока производится измерение рас- стояний между осями углублений; далее измеряется расстояние между осями патрубков, расстановка которых производится в точном соответствии с планом углубления (рис. 8.6, в). Если бу- дут установлены отклонения от расчетных расстояний, то произ- водится корректировка положения патрубков. После чего произ- водится погрузка ВВС на баржу для доставки ВВС на место ус- тановки. На рис. 8.7 показан момент погрузки ВВС на баржу. Хорошо видны 8 патрубков с конусообразными концами. Точно такое же размещение углублений должно быть на верхнем срезе несущего блока. Отметим также, что и на грузовой палубе баржи должны быть углубления, в которые на период транспортировки устанавливаются патрубки ВВС. Стыковочные патрубки играют большую роль в обеспечении надежной работы всего МНГС, так как они держат весь ВВС в период его транспортировки, а также после установки на несу- щий блок. Поэтому необходим расчет прочности стыковочного узла на все силы, которые возникают в период строительно- монтажных и транспортных работ, а также в период эксплуата- ции. Назовем наиболее важные из этих сил: а) при установке ВВС на баржу или на монтажную площадку патрубки должны выдерживать вес блока верхних строений. Это означает необходимость расчета патрубков и мест их закрепле- ния на вертикальную силу Р, приходящуюся на каждый патрубок (рис. 8.8). Сначала рассчитывается площадь сечения патрубка f = fcr’ (8.1) где k - коэффициент «запаса» несущей способности, назначае- мый из общих соображений обеспечения безопасности сооруже- ния с учетом опыта строительства аналогичных сооружений; [<з]* - контролируемое напряжение, определяемое по имеющимся данным (заводским или полученных специальными исследова- ниями) о прочности материала патрубков; б) после определения необходимой площади F, внутреннего и наружного диаметров (d и D) рассчитывается прочность стыко- вочного патрубка в сечении тп на срез и возможность разруше- ния от изгибающего момента. Сила среза и изгибающий момент возникают за счет сил инерции при различного рода горизон- тальных подвижек ВВС, например, при торможении баржи во 200
Рис. 8.7. Перемещение ВВС на баржу
Рис. 8.8. Схема вертикальных сил, действующих на опорный патрубок R = P время движения, при наклонах вертикальной оси баржи и БВС при волнении моря и т.д. Возможность среза по площади тп проверяется по формуле, известной из курса сопротивления материала для определения касательных напряжений: т = £, (8.2) СО где Q - сдвигающая (срезающая) сила (рис. 8.9, а); ю - площадь среза; в) разрушение патрубка за счет изгибающего момента опреде- ляется из рассмотрения изгиба патрубка под воздействием гори- зонтальной составляющей сил инерции Q. Эпюра изгибающих моментов имеет вид, показанный на рис. 8.9, б. Наибольшее его значение М/, по плоскости тп Мь = Qh. Под воздействием этого момента возникают соответствующие напряжения Рнс. 8.9. Схема к расчету патруб- ка на изгиб 202
а„ = ±^, (8.3) w где w - момент сопротивления. В точке т напряжения будут сжимающими, а в точке п - растягивающими. Именно в этой точке и возможно образование трещины и возможно разруше- ние. Мы привели лишь самые простейшие рассуждения по вопросу обеспечения прочности патрубков, удерживающих БВС. Это вполне достаточно для студенческих курсовых работ. На самом деле после прикидочных расчетов, выполняемых по приведенным формулам, производится расчет с использованием решений тео- рии упругости и пластичности. Однако эти расчеты не являются для данного учебника обязательными. Студенты, желающие оз- накомится с ними, могут воспользоваться учебниками (или мо- нографиями) по теории упругости. Не останавливаясь на описании процесса буксировки БВС на барже, рассмотрим процесс установки БВС на несущий блок, уже установленный в море на точку. Баржа устанавливается на якорную систему отдельно или вместе с плавающим краном (рис. 8.10). Баржа 4 подходит к стержневой платформе. К барже подходит плавающий кран 1, закрепляется с помощью якорной Рис. 8.10. Схема перемещения БВС с баржи на несущий блок 203
системы 9', к крану крепится баржа 4 с блоком верхних строений (БВС) 5. Сразу же начинается процесс перегрузки БВС. Иначе может испортиться погода, что существенно осложнит операцию по перегрузке. Кран 2 стропальным устройством 3 снимает БВС с баржи 4 и переносит ее к верхнему срезу платформы. Далее БВС медленно опускается к верхнему срезу 7 несущего блока 6, стоящего на свайном фундаменте 8. Начинается процедура раз- мещения стыковочных патрубков точно над углублениями. Эта процедура производится с помощью малого судна обслуживания и канатов, закрепленных на плавающем кране на лебедках и на БВС за патрубки. Людей на несущем блоке и БВС в это время не должно быть. Как только будет установлено необходимое для стыковки положение БВС, производится опускание его, и пат- рубки входят в углубления, стабилизируя положение БВС. На рис. 8.11 показан момент установки БВС на стержневую конструкцию. Общий вид погрузки на баржу был показан на рис. 8.7. На рис. 8.11 показаны те же баржа, плавающий кран и БВС, но уже в момент установки ее на несущий блок. На рис. 8.12 показана установка БВС на несущий блок. Особенно- стью установки является то, что несущие вертикальные стержни, используемые для установки в них патрубков, расположены с наклоном. Поэтому патрубки на одной стороне могут изменять свое положение таким образом, чтобы войти в наклонные углуб- ления. Как видно из рисунка, патрубки соединены тросами с ле- бедками на плавающем кране, которые и регулируют положение патрубков в процессе установки БВС. 3. Установка блока верхних строений (БВС) на несущий блок гравитационных (массивных платформ). Рассмотрим технологию установки БВС на несущие блоки, верхний срез которых находится выше уровня воды на расстоя- нии ho , при котором волны не могут достичь нижней плоскости БВС (рис. 8.13), т.е. высота волн h3 будет меньше й0. На рисунке показаны два состояния моря: спокойное (а) и штормовое (б). Верхний срез несущего блока полностью подготавливается для установки на него БВС. Плоскость верхнего среза имеет не- сколько стыковочных узлов и почти идеально спланированную поверхность, в которой сделаны все предусмотренные проектом вырезы, а также выступающие элементы. На нижней поверхно- сти БВС имеются все необходимые выступы и вырезы, которые абсолютно точно соответствуют таким же элементам на несущем Рис. 8.11. Общий вид установки блока верхних строений на стержневой несу- щий блок 204

Рис. 8.12. Установка БВС иа несущий блок блоке. На рис. 8.14 показан план верхнего среза несущего блока. На плане показаны: 1 - очертание железобетонного несущего блока; 2 - мощная металлическая площадка (верхний срез); 3 - стыковочные узлы, в которые вставляются составляющие эле- менты стыковочного узла, расположенные на БВС. Диаметр не- сущего блока 1 может быть в пределах 15-25 м; это зависит от размеров и веса блока верхних строений. От этих же параметров зависит и способ доставки БВС к мес- ту установки. Как уже отмечалось, при весе БВС менее 10000 т достаточно одной баржи; при большем весе (от 10 до 20 тыс. т) применяется транспортировка на двух баржах. Соответственно, и перенос БВС на несущий блок осуществляется одним или двумя плавающими кранами. 206
Рис. 8.13. Схема несущих блоков МНГС с разным расположением верхнего среза В § 8.1 рассматривалась технология установки БВС на грави- тационный несущий блок, обладающий достаточной плавучестью, чтобы вместе с БВС, установленном на верхнем срезе несущего блока в закрытой акватории, быть отбуксированным к месту ус- тановки. Если же несущий блок доставлен на точку заранее, то БВС устанавливается также, как и в закрытой акватории. Ус- ложняются лишь работы по стабилизации положения баржи (или барж), плавучих кранов, так как в открытом море в отличие от закрытой акватории практически всегда имеются течение и волны. Они стремятся сдвинуть весь караван судов, закреплен- ных якорной системой. Какой бы надежной не была эта система, она не способна удержать в полностью неподвижном состоянии все суда. Даже если плановое положение будет стабильным, то волны будут изменять расстояние между несущим блоком и ус- 207

Рис. 8.15. Общий вид БВС, установленного на несущий блок в открытом море танавливаемой на него БВС. При этом несущий блок остается неподвижным как в плане, так и по высоте. Колеблется БВС. Конечно, выполнить работу по установке проще всего при спо- койном состоянии моря. Но могут это сделать только опытные специалисты, выполняющие все монтажные и такелажные рабо- ты на всех судах, плавающих кранах и баржах. Кроме того, в от- личие от закрытой акватории, где несущий блок притапливается и подводится под БВС, удерживаемый кранами, в открытом море несущий блок стоит на дне. Изменять высотное положение мож- но только с помощью кранов, что существенно усложняет техно- логию установки, так как краном приходится поднимать БВС на высоту более 15-20 м. При этом грузоподъемность кранов ис- пользуется до максимально допустимой, что делает работу по установке весьма опасной. В заключение приведем общий вид БВС, установленного на несущий блок (рис. 8.15) при глубине воды 25 м с учетом волне- ния, возможного один раз в 100 лет. Несущий блок выдерживает давление отдельных плавающих льдов до 4 м высотой, а сплош- ной лед - толщиной 0,5 м. Вес несущего блока равен 3000 т, по- этому установка его производилась одним плавающим краном. § 8.3. УСТАНОВКА БВС НА НЕСУЩИЙ БЛОК С ИЗМЕНЯЕМОЙ ВЫСОТОЙ Гравитационные МНГС, имеющие несущий блок высотой более 25-40 м, сложно построить как на береговой базе, так и в закрытой акватории. Не менее сложно выполнить букси- ровку МНГС к месту установки его на дно. Огромная масса бло- ка делает все операции с ним по перемещению на берегу и на воде не только сложными, но и опасными. Для уменьшения об- щей массы блока его можно разделить на несколько частей, дос- тавить каждую часть к месту установки на дно, собрать их и та- ким образом построить несущий блок. Кроме того, процесс сбор- ки несущего блока можно совместить с установкой на нем БВС. Поскольку несущий блок собйрается из отдельных элементов, его высота изменяется по мере их наращивания, эта технологиче- ская схема определяется как установка БВС на несущий блок с изменяющейся в процессе строительства высотой. Далее мы рас- смотрим две основные технологические схемы строительства МНГС по охарактеризованной ранее принципиальной схеме. 209
1. Установка БВС на несущий блок при малых глубинах (до 30 м). Рассмотрим технологическую последовательность работ по установке БВС на несущий блок (НБ). Схема, которая будет рассмотрена, включает не только установку БВС, но она совме- щена с работами по установке и самого несущего блока (НБ). На береговой базе (в закрытом сухом доке) сооружается фундаментная часть МНГС, представляющая собой конструкцию из железобетона с ячеистой структурой, заполняемой водой или осушаемой. При этом фундамент может либо находиться на пла- ву, либо погружаться на дно. В промежуточных положениях фундамент обладает плавучестью, регулируемой количеством воды в балластных емкостях. Кроме того, плавучесть фундамента позволяет транспортировать такой груз, как, например, блок верхних строений БВС. Именно это и позволяет применять в практике рассматриваемую схему. На береговой строительной площадке (БСВ) (рис. 8.16) стро- ится и оснащается необходимым оборудованием блок верхних строений 1. Особенностью конструктивного оформления этого блока - размещение на верхней палубе блока специальных ко- лонн 2, которые могут подниматься и опускаться через цилинд- рические вырезы в понтоне блока. Перемещение производится с помощью подъемных устройств 3. Подъемные устройства могут создавать усилия, обеспечивающие суммарную силу, достаточную Рис. 8.16. Схема блока верхних строений (БВС), полностью подготовленного к перемещению иа плавающий фундамент 210
4 Рис. 8.17. Схема перемещения БВС иа плавающий фундамент для подъема всего БСВ при условии опирания нижних концов колонн 2 на жесткие опорные плиты. К моменту окончания строительства БВС в сухом доке долж- но быть закончено строительство фундаментного блока и прове- дены исследования характеристик его плавучести, остойчивости. Далее фундамент 4 (рис. 8.17) на плаву подводится к стене пир- са и швартуется (закрепляется) в положении, при котором палу- ба фундамента выравнивается с поверхностью пирса на одном уровне. После выполнения этой операции БВС перемещается на плавающий фундамент 4 и закрепляется на нем в походном по- ложении концами 5 колонн 2 (рис. 8.18). Отметим, что нумера- ция позиций на фундаменте, БВС и т.д. будет одноразовой, поскольку в описании элементов технологии рассматриваются Рис. 8.18. Схема блока верхних строений, установленного на плавающем фун- даменте, в походном положении 211
Рнс. 8.19. Схема опускания фундамента на дно одни и те же блоки, части и т.д. МНГС. Далее осуществляется буксировка фундамента 4 с установленным на нем БВС с помо- щью буксира 6 (см. рис. 8.18). После доставки БВС и фундамента к месту установки (рис. 8.19) производится постепенное опускание фундамента на дно (показаны на рисунке пунктиром и стрелками). Одновре- менно БВС подъемными устройствами 3 (см. рис. 8.16) начинает подниматься с помощью колонн 2 (рис. 8.20) над поверхностью моря. Подъем продолжается до тех пор, пока БВС не займет крайнее верхнее положение на колоннах (рис. 8.21). Рис. 8.20. Схема опирания колонны на фундамент и начало подъема БВС над поверхностью моря 212
Рис. 8.21. Схема полностью поднятого на колоннах БВС К этому моменту к месту работ доставляется на плаву букси- ровкой промежуточная часть несущего блока 7 (рис. 8.22). Эта часть несущего блока может быть сделана таким образом, что она обладает необходимой плавучестью для буксировки без поддерж- ки понтонами, либо с поддержкой понтонами 8. Промежуточная часть 7 слегка притапливается за счет уменьшения его плавуче- сти и вводится под БВС между колоннами. Во время этой опе- рации позиционирование части 7 осуществляется судами обеспе- чения или с помощью канатов, закрепленных на лебедках БВС. После установки части 7 на фундамент (рис. 8.23) блок верхних строений опускается на часть 7, а колонны убираются с по- Рис. 8.22. Схема подхода промежуточного несущего блока 7 213
9 Рис. 8.23. Схема установки БВС на несущий блок и удаления колонн краном 9 Рис. 8.24. Схема досгавкн буксиром БВС к уже установленному на дне блоку верхних строений: 1 - фундамент; 2 - средняя часть несущего блока; 3 - опорная плита; 10 - якор- ные цепи блока верхних строений
мощью крана 9 из подъемных устройств 3 (см. рис. 8.16), перено- сятся на палубу плавкрана и складируются. Поскольку наиболее сложной операцией в рассмотренной технологии является подъем и опускание фундамента и части 7 несущего блока, остановимся на рассмотрении процесса опуска- ния. Опускание производится следующим образом. Сначала уменьшают плавучесть опорного основания за счет заполнения пустых объемов водой. Затем блок верхних строений (БВС), изготовленный такой формы, чтобы он мог самостоятельно находиться на воде, букси- руется к месту установки (рис. 8.24), где уже опущена на дно первая часть несущего блока. БВС позиционируется точно над плитой 2 (см. рис. 8.24, пунктир), удерживается в этом положе- нии с помощью якорной системы 10 или судов обеспечения мор- ских операций. Одновременно опускаются колонны, также как и в предыдущем случае с помощью домкратов (рис. 8.25). На опорной плите 3 устраиваются (при сооружении блока на базе) Рис. 8.25. Схема установки колонн на опорную плиту несущего блока 215
специальные гнезда 11, в которые вставляются колонны. При установке их, как только нижняя часть колонн касается дна гнезд, происходит автоматическое захватывание (закрепление) колонн. К строящейся МНГС также, как и в первом случае (см. рис. 8.22), доставляется надстраиваемая часть несущего блока, которая вводится под БВС и там позиционируется с помощью канатов. После постановки надстраиваемой части 12 (рис. 8.26) на плиту 3, блок верхних строений (БВС) опускается на над- страиваемый блок и закрепляется на нем. Колонны убираются плавающим краном. МНГС готово к работам по бурению и до- быче нефти или газа. Еще раз отметим в заключение, что во втором случае при подготовке всех морских операций должны, в первую очередь, быть проведены исследования плавучести и остойчивости (опре- деление водоизмещения, центров тяжести, метацентра, герметич- ности отсеков), а также стабилизация (т.е. закрепление) крупно- габаритных частей МНГС с помощью якорной системы или спе- циальных судов обслуживания. Рнс. 8.26. Схема снятия колонн с БВС 216
Глава 9 ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, УСТАНОВКИ И ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПЛАВАЮЩИХ МНГС НА МЕСТЕ РАБОТ В ОТКРЫТОМ МОРЕ В работе [1] было дано определение плавучих (пла- вающих) МНГС как МНГС, способных самостоятельно или бук- сировкой перемещаться, устанавливаться на. заданном месте в море, стабилизировать свое положение и находиться в этом по- ложении весь период, в течение которого осуществляются произ- водственные действия, на которые рассчитано это МНГС. Для того чтобы начать эти действия, необходимо выполнить ряд мор- ских операций: исследовать плавучесть и остойчивость, устано- вить предельно допустимые наклонения при статических и ди- намических воздействиях, проверить работоспособность движи- телей, исследовать реальную подвижность и маневренность МНГС. Кроме того, до выхода в море должна быть проверена работа всех агрегатов, обеспечивающих работу якорной системы, подъемно-транспортных устройств (кранов, лебедок); проверяет- ся весь цикл действий, необходимых для обеспечения буровых работ, если проектом они предусмотрены. Перечислены только наиболее трудоемкие работы, связанные с необходимостью при- ложения и создания в узлах агрегатов значительных механиче- ских усилий. Все эти работы должны быть выполнены до выхода МНГС в открытое море (поз. 1 рис. 9.1). Следующей операцией, выполняемой перед установкой на точку, является буксировка (поз. 2). Далее следует позициониро- вание положения МНГС над точкой с помощью якорной систе- мы (поз. 3), стабилизация положения МНГС (поз. 4) и, наконец, установка необходимых коммуникаций и соединений с подвод- ным оборудованием (поз. 5). На рис. 9.1 приведена последова- тельность перечисленных технологических операций. Рис. 9.1. Схема последователь- ности технологических операций позиционирования МНГС 217
§ 9.1. РАБОТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ В ЗАКРЫТОЙ АКВАТОРИИ Под «закрытой» будем понимать акваторию, закры- тую от воздействия волн и течений. Только в таких условиях можно обеспечить качественное выполнение всех работ, связан- ных с подготовкой МНГС к выходу в открытое море.. Перечислим все виды работ, которые необходимо выполнить при подготовке к выходу в открытое море на плавающих МНГС любой формы: а) все горизонтальные палубы и площадки должны быть ос- вобождены от всех, не предусмотренных штатным расписанием, грузов и предметов; б) должны быть очищены от посторонних предметов все ава- рийные проходы; в) закреплены все грузы, которые могут сместиться при транспортировке МНГС; г) закреплены стрелы всех кранов от самопроизвольного сме- щения; д) проверяется состояние противопожарного оборудования, пожарных шлангов, наличие реагентов для пожаротушения; е) проверяется спасательное оборудование, спасательные ка- тера, лодки и спасательное индивидуальное оборудование для всего персонала; ж) проверяются системы обеспечения холодной и горячей водой; з) проверяется вентиляция во всех закрытых помещениях; и) проверяются генераторы и другие источники электропита- ния, аварийные системы освещения; к) проверяются дренажные системы для стока воды любого происхождения; л) проверяются системы бурения; м) проверяются все силовые агрегаты, используемые при ста- билизации МНГС с помощью якорной системы; н) проверяются двигатели всех движителей, используемых при динамическом позиционировании МНГС; о) проверяется готовность вертолетной площадки и сигналь- ного оборудования. На выполнение всех этих работ должны быть составлены ин- струкции, в которых должны содержаться описания и порядок выполнения всех процедур. После их окончания, когда уже МНГС приобрело полную оснастку и эксплуатационный вес, производятся исследования плавучести и остойчивости, а также 218
определяются положения центра тяжести МНГС и метацентр исходного периода выхода в море. Процедуры этих исследований были уже подробно рассмотрены в [1] и в гл. 8. § 9.2. ТРАНСПОРТИРОВКА ПЛАВАЮЩИХ МНГС К МЕСТУ УСТАНОВКИ Способ транспортировки МНГС на плаву сущест- венно зависит от формы плавающей МНГС. Так, буровое судно может дойти до места установки своим ходом, поскольку оно оснащено двигательной установкой; МНГС, не имеющие собст- венной двигательной установки и гребных винтов, доставляются на точку буксиром или буксирами (в зависимости от объема и водоизмещения МНГС); самоподъемные МНГС перед транспор- тировкой должны приводиться в походное положение. Имея это в виду, мы и рассмотрим процесс транспортировки МНГС, оста- новившись на примере самоподъемной МНГС, наиболее подвер- женной воздействию ветра и волн. Перед началом транспортировки производится проверка подъ- емной способности домкратов, осуществляющих подъем или опуск понтона, на котором расположены строения и буровое оборудование. В зависимости от объема понтона и его плановых размеров определяется количество и мощность буксиров, кото- рые могут обеспечить расчетную скорость буксировки. Для этого производится расчет сопротивления движению МНГС при раз- личной скорости. Определяются общая площадь МНГС, площади отдельных элементов, находящихся в воде, и их форма, и рассчи- тывается общая сила сопротивления буксируемой МНГС при различных скоростях. При этом следует иметь в виду, что ско- рость движения МНГС можно представить как скорость обтека- ния потоком площади всех элементов МНГС, находящихся под водой. При транспортировке самоподъемных МНГС такой пло- щадью является подводная часть понтона и опорные конструк- ции (рис. 9.2). Сила Q, создаваемая буксиром, обеспечивает движение МНГС со скоростью о, преодолевая сопротивление воды движущейся МНГС. Суммарная сила сопротивления воды Рх на всех по- верхностях <»1, Юг, ®з, равна силе, создаваемой буксиром Q, т.е. Q = Px, (9.1) где Рх - горизонтальная составляющая давления потока на по- верхности ю; 219
I Рис. 9.2. Схема транспортировки самоподъемной МНГС Рх = Л + Р2 + Рз + Pi + Р5, (9.2) где Pj-Ps - силы сопротивления движению, создаваемые на по- верхностях a>i-a>5. Эти силы находятся в соответствии с реко- мендациями § 11.4 [1]. Приведем эту формулу силы сопротивления Р = 0,5 Сх ув о v2, (9.3) где Сх - коэффициент лобового сопротивления, принимаемый для конкретной формы обтекаемого элемента, приведенной на рис. 11.12 [1]; ув - объемный вес воды; со - площадь, обтекаемая водой; v - скорость движения МНГС (течения воды). Определив для всех.со Pf-Ps и выполнив сложение, получим полную силу сопротивления движению МНГС для различных скоростей движения. На основании этих расчетов строим график зависимости Рх от о для конкретного МНГС (рис. 9.3). Далее принимаем в качестве основной рабочую скорость движения 220
МНГС, например, 5 км/ч, что соответствует значению v = 1,4 м/с. Определив по графику силу, необходимую для транспортировки МНГС с такой скоростью, подбираем буксир, обеспечивающий эту силу. Если один буксир не справляется с преодолением со- противления воды, то подбираются два (или больше) буксира. Далее подбирается буксирный канат (трос). Выбрав тип бук- сировочного троса и имея его прочностные характеристики, оп- ределяют его диаметр. Приведем далее требования [3] к букси- ровочным устройствам, в частности к тросу. Разрывное усилие должно быть не менее 2 Г„„., = 735,, v«, (9.4) где 5П - площадь погруженной в воду части МНГС, м‘; v - ско- рость движения в узлах (обозначения и формула взяты из [3]). Длина буксировочного троса для несамоходных МНГС, в ча- стности самоподъемной МНГС, должна быть не менее 350 м. Бо- лее точная длина буксировочного троса должна определяться специалистами, обеспечивающими составление проекта букси- ровки и осуществление ее. В процессе транспортировки опорные конструкции при спо- койной погоде должны быть подняты максимально вверх. Это существенно уменьшает сопротивление движению. При возник- новении волнения опоры на некоторую глубину опускают вниз, что увеличивает остойчивость МНГС в целом, но замедляет ско- рость движения. На рис. 9.4 показано положение опорных ко- лонн в различных состояниях моря (а - спокойное, б - незначи- тельное волнение, в - сильное волнение). В состоянии рис. 9.4, а движение осуществляется с наибольшей скоростью; в состоянии рис. 9.4, б - с замедлением расчетной скорости; наконец, в со- 221
a Рис. 9.4. Схемы иаклонеиия самоподъемной МНГС при волнении моря стоянии рис. 9.4, в - скорость движения уменьшается почти до нулевого значения. В этом состоянии речь идет о предотвраще- нии аварийной ситуации. Опоры опускаются на большую глуби- ну, тем самым увеличивается остойчивость и исключается опро- кидывание МНГС. Транспортировка других форм МНГС производится боле про- сто, поскольку изменять положение элементов МНГС в процессе транспортировки нет необходимости. 222
§ 9.3. ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ И УСТАНОВКА ПЛАВАЮЩЕГО МНГС НА ТОЧКУ Перед установкой плавающего МНГС на точку не- обходимо его позиционирование над точкой. Под позициониро- ванием понимается установка и удержание МНГС в строго опре- деленном положении его в течение времени, необходимом для опускания опорных колонн на дно и закрепление их в грунте дна. Позиционирование и удержание МНГС выполняется с по- мощью судов обеспечения и якорной системы. Эту морскую опе- рацию выполняют три или четыре таких судна На рис. 9.5 пока- зана расстановка трех (а) или четырех (б) судов. Рис. 9.5. Схемы позицио- нирования МНГС 223
Суда обеспечения создают тяговые усилия в точках а, б, в, г по направлениям, указанным стрелками рядом с каждым из су- дов 7, 2, 3, 4, изменяя силу натяжения буксирных канатов таким образом, чтобы МНГС не выходили за пределы зоны удержания. Можно сказать, что весь период позиционирования контролиру- ется статическая и динамическая определенность МНГС. Это означает, что равнодействующая всех динамических сил удержа- ния должна быть равной нулю. Как только появляется состояние с отклонением равнодействующей от нулевого значения, МНГС начинает уходить в сторону отклонения. Например, на рис. 9.6 приведены силы натяжения буксирных канатов в точках а, б, в, г (см. рис. 9.5, б) Pt = Pi = Р3 = Р^ В этом случае МНГС сохраняет положение, при котором центр площади плана расположены в точке О, координаты которых х = 0 и у = 0. Как только, допус- тим сила Pt стала больше силы Р3, положение точки О изменит- ся, как показано на рис. 9.6 на величину dr Если изменятся силы Р3 или Р^ то точка О сместится в сторону большей из них, на- пример, как показано на рис. 9.6, точка О? переместится на вели- чину dx. Возможно одновременное изменение всех сил и тогда точка О займет, например, положение О3. Изменения положения 224
контролируемой точки О показывает как изменяется плановое положение МНГС в целом. Капитаны судов обеспечения, а также лица, ответственные за позиционирование (штурманы), работают, согласуя свои действия по управлению процессом, таким обра- зом, чтобы точка О изменяла свое положение в допустимых пре- делах (показано на рис. 9.6 пунктиром). Площадь, ограниченную пунктиром, будем называть площадью контролируемой динами- ческой определенности. Обеспечить неизменное положение МНГС, при котором точка О находится все время в положении с координатами г = 0 и у = 0, практически невозможно. Имеется много факторов, влияние которых приводит к «рысканию» МНГС: это колебание усилий натяжения 'буксирных канатов, действие ветра, изменяющего как направление, так и строение, наличие течений, воздействие волн. Наконец, при малейших ус- корениях самого МНГС возникают силы инерции, преодолеть которые мгновенно невозможно. Поэтому устанавливается по условиям необходимой (и доста- точной) точности нахождения МНГС во время операции по ста- билизации зона допустимой динамической определенности. По величине этой зоны рассчитываются мощности судов, достаточ- ные для удержания МНГС в заданном положении статической и динамической определенности. Сразу после достижения необходимого положения МНГС производится стабилизация положения МНГС для постоянной работы. Под термином «стабилизация» понимается установка опорных колонн па грунт, задавливание их концов в грунт и подъем пон- тона с верхним строением на высоту, при которой волны 1 % обеспеченности не ударяют о днище понтона Р\ = Рз = Рз = Р^. Напомним, что самоподъемные МНГС могут устанавливаться на глубинах до 150 м. От глубины моря и, соответственно, высо- ты расположения понтона и верхних строений зависит конструк- тивная схема опорных колонн, а также технология стабилизации положения МНГС. Рассмотрим технологию осуществления ста- билизации МНГС для различных глубин моря. Глубина моря около 100 м. Самоподъемное МНГС на таких глубинах наиболее часто имеет три опорных колонны, а понтон в плане имеет форму, близкую к треугольной. Размеры сторон понтонов (уже ранее построенных) находятся в пределах (60- 90) м х (45-80) м х (7-9) м. Длина опорных колонн колеблется в пределах (110-140) м. Такие расхождения в длине опорных ко- лонн зависят от высоты волн 1 % обеспеченности в месте уста- новки МНГС. Процесс установки (стабилизации положения) весьма сложен и трудоемок. Это объясняется, прежде всего, не- 225
обходимостью механических перемещений опорных колонн, имеющих стометровую длину. Даже при незначительных накло- нениях плавающего понтона с поднятыми на полную высоту опорными колоннами вызывает в узле, обеспечивающем переме- щение опорных колонн с помощью гидравлических или электро- механических приводов, значительные усилия (изгибающие мо- менты, продольные и поперечные силы). Последний способ обес- печивает более плавное и, главное, быстрое опускание и подъем колонн в пределах 20-30 м в час. Чтобы представить, какие нагрузки приходится преодолевать при подъеме и опускании колонн, приведем ориентировочные их размеры: стойки колонны (продольные «стержни»; их в колонне 3 или 4) делают из труб диаметром 100-120 см, толщиной стен- ки 30-50 мм, а раскосы и поперечные связи стоек из труб диа- метром 30-40 мм. После обеспечения необходимой определенности положения МНГС перед началом опускания колонны корпус МНГС закреп- ляется еще с помощью рейдовых (стояночных) бочек (см. рис. 9.6) Б1, Б2, Бз, ^4- Опускание колонн производится с контролем глубины воды под нижними концами колонн (эхолоты, телевидение). При под- ходе концов к поверхности грунта на расстояние 3-5 м резко уменьшают скорость опускания колонн с тем, чтобы избежать резкого удара концов колонн о грунт. Особенно удар опасен при установке колонн на скальный грунт. Поскольку при ударе механизм перемещения колонн под- вергается ударному воздействию массы понтона и верхнего строения, то возможны не только повреждения механизма, но и самих колонн и корпуса понтона. При установке колонн на сла- бый грунт, при отсутствии на их концах специальных башмаков, с площадью опирания, обеспечивающей удерживающее усилие со стороны грунта, возможно «проваливание» колонн в грунт на большую глубину. Поэтому исключительно важное значение имеет определение физико-механических характеристик грунта в месте установки МНГС и, что не менее важно, толщины слоя слабых грунтов. В практике имелись случаи проваливания кон- цов опорных колонн на глубину до 15-20 м. При этом каждая из колонн проваливалась на различную глубину. Из-за неравномер- ной осадки колонн в шахтных конструкциях для движения ко- лонн возникают изгибающие моменты, приводящие либо к раз- рушению шахт, либо к повреждению конструкций понтона и подъемных реек. Заметим, что на мягких, особенно илистых грунтах в зависимости от их подвижности на нижних концах колонн надевают башмаки, имеющие квадратную или круглую 226
форму в плане. Площадь опорного башмака может достичь 100 м , а диаметр диска 18 м! После установки колонн на грунт начинается процесс так на- зываемого «задавливания» концов колонн в грунт. Этот процесс производится за счет очень медленного подъема понтона по рей- кам из воды, что увеличивает силу задавливания опор. Ведется тщательный контроль за осадками колонн; до тех пор пока не затухнут осадки увеличения нагрузки на колонны не произво- дится. В завершающей стадии постановки МНГС понтон полно- стью выходит из воды, что еще увеличивает нагрузку задавлива- ния. Для более полной передачи на грунт нагрузки от веса МНГС в понтон, поднятый над поверхность моря, заливают воду для увеличения силы задавливания. Воду заливают до тех пор, пока сила задавливания (при практическом отсутствии осадки колонн) не достигнет 1,1-1,2 от возможной в процессе эксплуа- тации МНГС вертикальной нагрузки, приходящейся на каждую опору. Далее воду из балластных емкостей (объемов) откачивают и поднимают понтон на расчетную высоту по высоте волн 1 % обеспеченности. В практике высота подъема до днища понтона (в морской практике ее называют «клиренсом») достигает 20 м. На глубинах более 100 м (до 160-180 м) иногда применяют конструктивную форму двухярусной самоподъемной МНГС. Эта схема показана на рис. 9.7. Нижний ярус состоит из нижнего корпуса 4, в котором намертво установлены колонны верхнего яруса 2. Понтон верхнего яруса 1 обладает плавучестью, доста- точной для удержания на плаву всего МНГС, включая и нижний ярус. Колонны нижнего яруса 5 могут перемещаться в верти- кальном направлении через отверстия 6 в нижнем корпусе за счет наклонения или освобождения балластных емкостей 7 водой. Рассмотрим далее только технологию установки двухъярусной МНГС на точку, не останавливаясь на рассмотрении транспорти- ровки и позиционирования, так как эти операции не отличаются от операций для одноярусной самоподъемной МНГС. Заметим лишь, что в транспортном положении МНГС имеет форму, пока- занную на рис. 9.7, а. Нижние колонны 3 вместе с нижним кор- пусом 4 подняты за счет плавучести нижних колонн и закрепле- ны. Подготовка к транспортировке производится в прибрежной закрытой акватории при отсутствии течения и волн. Кроме того, для произведения операции выбирается период либо полного безветрия, либо с легким ветром (5-7 м/с). После доставки МНГС на точку и закрепления его с помощью судов обслужива- ния и швартовых бочек приступают к проведению операции ус- тановки МНГС на грунт. Эта операция содержит несколько по- следовательных шагов. 227
a Рис. 9.7. Конструктивная схема двухъярусной самоподъемной МНГС Шаг 1. Заполняют балластные емкости 7, опуская тем самым нижний ярус в положение рис. 9.7, б. Шаг 2. Начинают подъем понтона 1 по рейкам колонн верхне- го яруса с постепенным опусканием всей конструкции, вклю- чающей верхний и нижний корпуса, вниз. Колонны нижнего яруса автоматически закрепляются в шахтах 6. Шаг 3. Поднимается понтон до положения, при котором ниж- ние концы опор 5 станут на грунт. Плавучесть понтона обеспе- чивает постоянное нахождение его в надводном положении. Это необходимо, так как вся конструкция удерживается на плаву только за счет плавучести понтона 1. 228
Шаг 4. После проведения всех необходимых действий, свя- занных с установкой МНГС на грунт (см. изложенное по этому поводу для одноярусной самоподъемной МНГС), поднимают с помощью механизмов подъемного узла 8 понтон 1 и верхние строения над водой на уровень, обеспечивающий их недостижи- мость волнами 1 % обеспеченности. Шаг 5. Проводятся все необходимые работы по подготовке МНГС к бурению скважины или других видов работ. § 9.4. СНЯТИЕ САМОПОДЪЕМНОГО МНГС С ГРУНТА Снятие МНГС с грунта для перевода его на другую точку не менее ответственная работа, чем установка ее на точку. Рассмотрим сначала снятие одноярусного МНГС в виде шаговой процедуры. Шаг 1. Понтон опускается на воду для создания плавучести, обеспечивающей удержание на плаву всего МНГС. Шаг 2. Начинается подъем опорных колонн подъемными уст- ройствами (домкратами, гидромашинами, электроприводом). На рассмотрении этого шага мы остановимся подробнее. Поскольку нижние концы колонн погружены в грунт на несколько метров, то приходится преодолевать силы, удерживающие колонны в грунте. На рис. 9.8 показаны два основных вида концов колонн, находящихся в грунте. На рис. 9.8, а конец колонны не имеет башмака, а на рис. 9.8, б он оснащен башмаком. В первом случае при подъеме колонн приходится преодолевать не только ее вес, но и силы удержания, создаваемые трением по боковой поверх- ности, и присосом. Во втором - касательные напряжения т, дав- ление грунта Q и присос р. Касательные напряжения т создают силу удержания Д = x-a-h, (9.5) где т = о tg<p; а - периметр наружной поверхности колонны; h - глубина погружения колонны в грунт. Значение о определяется по рекомендациям, содержащихся в [2]: а = еак =^tg2^45”-|)-2A-c; (9.6) еак - активное давление грунта; усст - объемный вес грунта в ес- тественном состоянии; ф - угол внутреннего трения грунта; с - сцепление грунта. 229
Рис. 9.8. Схемы опирания нижних концов колони на грунт Сила удержания за счет веса грунта определяется из рассмот- рения выпора грунта выступающей частью башмака, обозначен- ной буквами а-б. Это весьма сложная задача механики грунтов. Приближенно поверхность, обозначенную пунктирной линией, можно представить в виде конуса с наклонением к горизонту под углом а = 45 + ср/2. В таком случае сила сопротивления подъему за счет веса грунта Q может быть определена как вес грунта, расположенного в пределах объема, обозначенного буквами абвг (см. рис. 9.8, бу. Q=v.y, (9.7) где v - объем грунта в пределах абвг. При начале подъема МНГС возникает еще и сила присоса по нижней поверхности башмака. Эта сила определяется по реше- ниям механики грунтов. Наибольшее значение силы присоса мо- жет быть не более 90 Н/см2. Реальная величина силы присоса р зависит от скорости подъема и быстроты образования слоя воды под подошвой башмака. Задача присоса относится к задачам ра- зуплотнения грунта, поэтому полное ее решение проводится в курсе механики грунтов [2]. Таким образом, полная сила подъема Р опорной колонны при снятии МНГС с места работ определяется: для схемы рис. 9.8, а P=G+ Р..+ Рпр; (9.8) 230
для схемы рис. 9.8, б Р = G + Q + Рпр + Л, (9.9) где G - вес колонны; Рх - сопротивление подъему за счет силы трения; Рпр - силы присоса; Q - вес грунта в пределах конуса выпора грунта. Величина Р с учетом всех сил может оказаться настолько большой, что мощности домкрата и даже несущей способности подъемного механизма не хватит для отрыва колонны от грунта. Причем очень большую составляющую полной удерживающей силы составляет сила присоса. Так если принять р = 5 кгс/см2 (или иначе 50 Н/см2), то при площади опирания башмака, на- пример 100 м2, сила Р составит тысячу тонн. Поэтому для полно- го снятия или значительности уменьшения силы присоса под подошву башмака нужно по трубе диаметром 2-3", заранее уста- новленной в башмаке и соединенной гибким трубопроводом с нагнетательным насосом, подать под давлением воду. Даже не- большой слой воды практически полностью снимает присос. Для создания необходимой подъемной силы Р понтон прита- пливается на глубину нескольких метров ниже глубины, при ко- торой МНГС транспортируется. Верхние концы колонн закреп- ляются, после чего балластные цистерны осушаются. Тем самым создается сила подъема и опоры вытаскиваются из грунта. Дальше опоры поднимаются в транспортное положение подъем- ными механизмами (домкратами). § 9.5. УСТАНОВКА МНГС СО СТАБИЛИЗИРУЮЩИМИ КОЛОННАМИ Конструктивная форма МНГС (платформы) со ста- билизирующими колоннами приведена в § 6.2 и § 6.3 [1]. Стаби- лизирующие колонны необходимы для создания спокойной ра- боты МНГС при возникновении на море больших волн. Колон- ны, опущенные до спокойной глубины, зависящей от длины волн, имея большую массу, даже при 7-8-бальном шторме обес- печивают нормальную работу по основному назначению. В отли- чие от самоподъемных МНГС, стабилизирующие колонны не могут перемещаться в понтоне, поскольку они соединены с пон- тоном намертво. Изменение высотного понижения понтона с размещенным на нем верхним строением производится за счет заполнения балластных емкостей, расположенных внутри стаби- лизационных колонн, и в так называемых «стопах» - емкостях различной формы на нижних концах колонн. 231
Транспортировка самоподъемных МНГС к месту установки производится буксирами. В зависимости от размеров колонн и понтона определяется необходимое усилие буксировки, количе- ство и мощность буксиров. Назначается схема расстановки буксиров и порядок их взаи- модействия в различных условиях (спокойное море, волнение, штормы). Особенностью буксировки МНГС со стабилизацион- ными колоннами является то, что МНГС буксируется с понто- ном, поднятым над водой (рис. 9.9). Понтон с верхним строением 1 за счет плавучести колонн 2 и стоп 3 поднят над водой и в та- ком состоянии буксируется судами 4; при этом буксиры 5 при- тормаживают (осаживают) движение МНГС. Тем самым обеспе- чивается равномерное (без рывков) движение МНГС. Поскольку стабилизирующие колонны не перемещаются по высоте, то установка МНГС над точкой заключается в позицио- нировании ее с помощью судов обслуживания и закреплением на Рис. 9.9. Схемы буксировки МНГС с колоннами 232
рейдовых бочках. Эта процедура выполняется точно также, как и позиционирование одноярусных самоподъемных МНГС. Что касается стабилизации положения, то она выполняется за счет создания якорной системы, удерживающей МНГС в зоне динамической определенности. Подробно вопросы оборудования и оснащения якорных систем рассматриваются в гл. 10. Чтобы более ясно представить, что собой представляют стабилизацион- ные колонны, приведем лишь данные о их длине и диаметре: длина может достигать 50-60 м, диаметр до 16 м. Выталкиваю- щая сила воды (сила Архимеда) на 1 м длины колонны такого диаметра составляет 200 т. Соответственно, погружение на 10 м дает силу поддержания (выталкивающая сила, сила Архимеда) в 2000 т. Наглядное представление о МНГС с такими колоннами дает рис. 9.10. Для увеличения подъемной силы к нижним кон- Рис. 9.10. Общий вид МНГС с колоннами 233
цам колонн пристыковываются несколько отдельных емкостей или одна емкость протяженной формы. В последнем случае эта емкость позволяет увеличить общую прочность МНГС. § 9.6. УСТАНОВКА МНГС НА НАТЯЖНЫХ СВЯЗЯХ Конструктивные формы МНГС на натяжных связях приведены в § 6.4 [1]. Все приведенные в нем формы МНГС имеют в своей комплектации понтоны, обладающие плавучестью, способной удержать на плаву как себя, так и все конструкции и элементы, необходимые для комплектации МНГС на месте ус- тановки, поэтому доставка таких МНГС производится букси- ровкой. Технологическая последовательность установки МНГС с на- тяжными связями можно показать в форме шагов, которые нуж- но сделать, чтобы установить МНГС на точку. Шаг 1. До прибытия МНГС на точку на дне устанавливаются блоки 1, к которым прикрепляются канаты 2 (см. рис. 6.7, а, б в [1]), верхние концы которых закрепляются к бочкам на поверх- ности моря. Шаг 2. Позиционируется положение МНГС в зоне определен- ности, за пределы которой плавающий понтон МНГС не должен выходить. Шаг 3. Верхние концы канатов снимаются с бочек и заводят- ся в лебедки, установленные на верхней палубе с таким расче- том, чтобы их не заливало при волнении моря. Шаг 4. Полностью освобождаются балластные емкости от во- ды, понтон поднимается на самый высокий уровень. Каждый ка- нат закрепляется на отдельной лебедке, называемой брашпилем. Шаг 5. Понтон притапливается; при этом выбирается слабина канатов. Притапливание понтона осуществляется заливной во- дой в балластные емкости. Шаг 6. Балластные цистерны постепенно осушаются, понтон поднимается и канаты натягиваются. Во время этой процедуры измеряются динамометрами (компьютеризированными) усилия натяжения каждого каната с тем, чтобы его значение было бы не более контролируемого. Приведенная технологическая последовательность применима в полной мере для МНГС, форма которого показана на рис. 6.7, а (1]. Для рис. 6.7, б [1] несколько усложняется система крепле- ния канатов, поскольку конструкция МНГС позволяет поднять понтон над поверхностью воды. Канаты пропускаются в специ- 234
альные, удерживающие от поперечных перемещений канатов устройства, называемые «клюзы» и закрепляются на лебедках, установленных на понтоне. Более полно технология обеспечения плавающих МНГС системами удержания, в том числе и с натя- жением, приведена в гл. 10. Шаг 7. Проверяется работа устройств, обеспечивающих натя- жение канатов на различных уровнях расположения понтона; определяются силы натяжения каждого из них. Составляется инструкция по работе с системой натяжения с таким расчетом, чтобы не разрывались канаты, не отрывались от грунта удержи- вающие блоки или якоря. Рассмотрим далее технологическую схему установки МНГС с натяжными связями с регулируемым положением верхнего строения (рис. 6.8 [1]). Установка МНГС производится в два этапа. Сначала устанавливается нижний блок, включающий фун- дамент с закрепленными в нем нижними концами канатов. Верх- ние концы закрепляются в понтоне, обладающем необходимой плавучестью. Весь блок собирается на прибрежной акватории, закрытой от волн. Далее блок на барже или ином судне достав- ляется к месту установки и опускается с помощью крана на воду (рис. 9.11) таким образом, чтобы фундаментная плита 5 легла на дно, а промежуточный понтон 3 находился на поверхности воды. Канаты еще до начала опускания нижнего блока закреплены в фундаменте в узлах 6, и в узлах временного крепления, располо- женных в понтоне. Второй этап установки МНГС включает установку верхнего блока на понтон 3 нижнего блока (рис. 9.12). Колонны 2 вво- Рис. 9.11. Схема установки на дно нижнего блока МНГС с натяжными кана- тами 235
Рис. 9.12. Схема установки верхнего блока иа нижний блок краном дятся в стыковочные узлы понтона 3 и закрепляются в них. Канаты, создающие натяжение, освобождаются от закрепления на понтоне 3 и поднимаются на верхний понтон 1 и закрепляют- ся в лебедках, регулирующих длину канатов 4 и натяжение в них. Все это время верхний блок удерживается на главном крюке плавающего крана. После выполнения всех такелажных работ кран опускает верхний блок, и постепенно колонны передают нагрузку на понтон 3. Одновременно работают лебедки, выбирая слабину канатов 8. Установив полностью верхний блок на пон- тон 3, кран опускает верхний блок и он полностью базируется на понтоне 3, плавучесть которого достаточна для удержания верхнего блока. Кроме того, можно сделать колонны 2 из труб большого диаметра; в этом случае они при погружении в воду будут создавать дополнительную плавучесть. Включая лебедки 7, можно увеличивать или уменьшать натяжение в канатах 4, ко- торое дает возможность установить необходимое положение бло- ка верхних строений (вместе с понтоном). Можно поднять его выше или опустить вплоть до постановки понтона 1 на воду. При этих операциях изменяется положение понтона 3; он либо опускается, либо поднимается, сохраняя в то же время постоян- ную плавучесть. Общая плавучесть МНГС может изменяться только за счет изменения длины участка колонн 2, находящихся в воде. 236
Рис. 9.13. Схема сил, влияющих иа плавучесть верхнего блока МНГС с натяж- ными связями Рассмотрим основные положения, позволяющие рассчитать величину изменяющейся плавучести МНГС и соответствующую ей силе натяжения во всех канатах 4 и, если необходимо, в каж- дом из них. Наибольшая сила поддержки (сила Архимеда) возникает в период установки МНГС на дно. Верхний блок еще не установ- лен; установлен понтон нижнего блока. Величину силы Архимеда будем считать известной (это так и есть на самом деле) и равной Дь В этот момент натяжные канаты подвергаются наибольшим растягивающим напряжения: а„к=>, (9.Ю) Л|К где ,FHK - суммарная площадь всех канатов. Понтон 3 опускается на глубину х (рис. 9.13). При этом уста- навливается равновесное состояние или иначе статическая опре- деленность, характеризуемая уравнением е-д=о, (9.И) где Q - полное значение силы от суммы веса всех элементов, находящихся над поверхностью воды. 237
Имея это в виду, получим + (9.12) где (ф - вес верхнего понтона и верхнего строения; q - вес еди- ницы длины колонн верхнего блока (на рис. 9.12 - поз. 2); х - обозначено на рис. 9.13; А = Ai + Sp (h - х), (9.13) где Д - полная величина Архимеда; р - значение силы Архимеда на единицу длины колонн 2 (см. рис. 9.12); h - см. рис. 9.13. Распределенные силы веса q и подъемной силы р зависят от площади поперечного сечения колонн 2 (см. рис. 9.12). Регулируя величину опуска колонн в воду (h-x) за счет на- тяжения канатов, можно определить общую силу Архимеда Д при любом значении х. Эта сила воспринимается канатами, а через них фундаментом. Сила, воспринимаемая каждым канатом, равна Р,=-, (9.14) п где п - число канатов. § 9.7. ТЕХНОЛОГИЯ УСТАНОВКИ ОДНОТОЧЕЧНЫХ ШВАРТОВЫХ МНГС ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ НЕФТЕНАЛИВНЫХ ТАНКЕРОВ В ОТКРЫТОМ МОРЕ Одноточечные швартовые МНГС устанавливаются в открытом море для обслуживания танкеров, транспортирую- щих нефть, добываемую либо непосредственно на морских про- мыслах, либо доставляемую по подводному нефтепроводу с су- хопутных месторождений. Необходимость установки швартовых МНГС объясняется тем, что танкеры водоизмещением 1 тыс. т и более имеют глубокую осадку (см. [1]) и поэтому не могут под- ходить близко к берегу. При строительстве причальных сооруже- ний для таких танкеров требуется сооружение специальных подводных каналов. Поддержание постоянной глубины на кана- лах - крайне трудоемкая задача, так как процесс занесения их грунтом происходит непрерывно. Также в постоянном режиме должны работать земснаряд, поддерживающий проектные очер- 238
тания подводного канала. На рис. 9.14 показана схема обслужи- вания большегрузных танкеров с помощью швартового МНГС, установленного в открытом море. На рис. 9.14, а подача нефти производится по нефтепроводу с берега, а на рис. 9,14, б - по нефтепроводу с платформ, установленных на месторождении. В первой технологической схеме на прибрежной зоне требует- 239
ся сооружение резервуарного парка и насосной станции 1 для перекачки по трубопроводу 2 сначала в плавающий резервуар 3 швартовой МНГС, а затем в танкер 4. По второй схеме (рис. 9.14, б) нефть, подготовленная к транспортировке на плат- формах 1 (рис. 9.14, в) по внутрипромысловым трубопроводам 2 подается в магистральный трубопровод 3 и в резервуар - нако- питель 4 при швартовом МНГС и далее по гибкому шлангу 5 в танкер 6. Обе схемы позволяют без чрезмерных затрат, связан- ных с сооружением береговых нефтеналивных причалов и под- водных каналов, обслуживать танкеры большого водоизмещения. Необходимо отметить, что резервуар-накопитель при швартовом МНГС может и отсутствовать. В этом случае нефть поступает в танкер непосредственно из магистрального трубопровода. Швар- товые МНГС используются для швартовки танкера и управления гибкими шлангами, соединяющими трубопровод с танкером. От- метим также, что швартовые МНГС используются для швартов- ки танкеров не только принимающих нефть, но и при разгрузке доставленной танкером нефти на береговую нефтебазу, если швартовые МНГС соединены подводным трубопроводом с ней. Прежде, чем перейти к рассмотрению технологии установки швартовой МНГС на точку, приведем краткое описание основ- ных элементов одноточечной швартовой МНГС плавающей фор- мы. Составными частями этого МНГС являются плавающий корпус, поворотный стол, центральный вертлюг, швартовое обо- рудование, цепи якорной системы, якоря и анкерные устройства. Плавающий корпус делается в форме цилиндра диаметром от 10 до 20 м. Корпус разделяется на отсеки водонепроницаемыми переборками, что должно обеспечивать непотопляемость его при образовании пробоины в борту или днище. Внутри корпуса про- ходит сквозное отверстие для пропуска шлангов, по которым пе- рекачивается нефть. Корпус должен обладать плавучестью, дос- таточной для того, чтобы обеспечить удержание на плаву с дос- таточным запасом надводной части борта, а также вес шлангов, якорных цепей и другого оборудования. На рис. 9.15 показана конструктивная форма корпуса; на рисунке пунктиром показано вертикальное сквозное отверстие 1 и отсеки 2. Приведенная схе- ма плавающего корпуса не включает в свой состав нефтенакопи- тель. Приведем схему корпуса с нефтенакопителем, т.е. резервуара, в который во время отсутствия танкера собирается поступающая по подводному трубопроводу нефть. Схема показана на рис. 9.16. Корпус состоит из трех цилиндров-секций: 1 - верхняя секция с поворотной площадкой и оборудованием для обеспечения швар- товки и соединения шлангов, а также жилые помещения для об- 240
Рис. 9.16. Схема швартово- го устройства с нефтехра- нилищем Рис. 9.15. Конструктивная схема виеберетовото плавающего швартового уст- ройства
служивающего персонала (если он предусмотрен проектом); 2 - секция, соединяющая верхнюю и нижнюю секции; в ней распо- ложено технологическое оборудование; диаметр секции меньше диаметров первой и нижней секций, что уменьшает силовое воз- действие волн на корпус. Нижняя секция 3 имеет наибольший объем и служит для приема нефти, создавая тем самым запас нефти для танкеров. Такая форма накопителя имеет существенный недостаток, за- ключающийся в необходимости обеспечения остойчивости при откачке нефти из накопителя. Для сохранения нормального по- ложения МНГС требуется заполнение освобождающегося от нефти пространства забортной водой. Это, в свою очередь, требу- ет либо очистки воды, выпускаемой в море, либо таким образом рассчитать плавучесть МНГС, чтобы половина от отсеков была постоянно заполнена водой, а другая половина использовалась для заполнения и опорожнения нефти. Поскольку объемный вес нефти меньше объемного веса воды, то отсеки, заполненные бал- ластной водой, должны находиться в нижней части требуемой секции корпуса. В настоящее время находят применение швартовые МНГС, в которых в качестве емкостей для накопления нефти применяют- ся плавающие нефтехранилища емкостью до 100 тыс. м3. На рис. 9.17 показана схема такой формы швартового МНГС. Плавающий корпус 1 оснащен на верхней площадке поворотным устройством 2, соединенным рамной конструкцией 3 с плаваю- щим нефтехранилищем 4. К нему может пришвартоваться бор- Рис. 9.17. Схема удержания танкера с помощью рамной конструкции 242
том танкер, доставляющий или откачивающий из нефтехрани- лища нефть и доставляющий ее по назначению. Поворотный стол - конструкция, устанавливаемая на верхней площадке плавающего корпуса на роликовых подшипниках. Служит для обеспечения работы на плаву при подаче нефти в танкер или из танкера, при перемещении танкера в плане под действием ветра. При этом плавающий корпус не изменяет сво- его положения, так как он закреплен якорной системой крепле- ния от вращательных движений. Дадим краткую характеристику элементов швартового МНГС. Жесткое плечо - конструкция, применяемая при использова- нии в качестве накопителя нефти плавающее нефтехранилище. Конструкция эта - рамного вида и жестко соединена с поворот- ным столом. Роликовые подшипники - конструкция, обеспечивающая сво- бодный поворот поворотного стола относительно неподвижной части корпуса. Подшипники должны выдерживать швартовое усилие от танкера, удерживаемого швартовым МНГС во время операций по его заполнению или опорожнению. Центральный вертлюг - устройство, состоящее из двух ос- новных частей: неподвижной, закрепленной внутри продольной шахты (колодцы), и подвижной, соединенной с поворотным сто- лом и вращающейся вместе с ним. Швартовое оборудование - канаты (цепи, тросы) со всем не- обходимым снаряжением, используемые при швартовке и удер- жании во время рабочих операций танкера. Якорные цепи, якоря и принадлежности (см. гл. 10). Приведем технологическую последовательность основных операций по подготовительным работам, сборке и установке швартовых МНГС плавающей конструкции и формы. 1. Выбирается место расположения швартовой МНГС. 2. Выполняются изыскания, необходимые для принятия ре- шений по форме швартового МНГС, способов его позициониро- вания, т.е. способов удержания МНГС в пределах допустимых плановых перемещений. 3. Изготовление частей (блоков) и элементов МНГС в заво- дских условиях. 4. Подготовка подводных элементов, обеспечивающих удер- жание швартовых МНГС в зоне позиционирования. 5. Подвод к намеченной точке подводных трубопроводов (трубопровода), по которому к швартовому МНГС будем достав- ляться нефть; если по трубопроводам нефть будет транспортиро- ваться на береговую нефтебазу, то на швартовом МНГС должна 243
быть насосная станция, способная перекачивать нефть по трубо- проводам. 6. Доставка швартового МНГС в сборе или по частям к месту установки. 7. Установка МНГС в рабочее положение. 8. Соединение коммуникаций (трубопроводов, кабелей, якор- ных связей и др.), идущих от плавающего швартового МНГС, с коммуникациями, находящимися на дне. 9. Обследование, испытания и сдача в эксплуатацию. Рассмотрим технологию каждого из перечисленных видов операций. 1. Выбор места размещения швартового МНГС имеет важное значение в обеспечении нормальной работы не только самого МНГС, но объектов нефтегазового комплекса, обслуживаемого швартовым устройством. По существу эта задача выбора опти- мального решения при заданном критерии (или критериях) На рис. 9.18 показана условная схема добывающих платформ 1, 2, 3, 4 в открытом море, расположенных на значительном расстоянии от берега, где находится резервуарный парк для накопления неф- ти. На добывающих платформах осуществляется подготовка неф- ти (очистка от механических примесей, воды) для транспорти- ровки ее как по трубопроводам, так и танкерами. Необходимо решить задачу: каким образом обеспечить доставку нефти к неф- Рис. 9.18. Схема размещения платформ и швартового устройства 244
тяной базе 5 и обеспечить транспорт нефти танкерами в направ- лении 6. Доставка нефти к базе 5 может быть обеспечена либо по трубопроводу 7, который должен быть построен, либо танкерами. Во втором случае должен быть построен причал 8. В направле- нии 6 нефть может транспортироваться только танкерами. Ус- ложним задачу еще и возможным условием: в какой-то период года на море образуется ледовый покров в пределах, обозначен- ных пунктирной линией. Допустим также, что расстояние от группы платформ 1, 2, 3, 4 более 600 км. При такой длине тру- бопровода требуется установка промежуточных 2-3-х насосных станций. Совершенно очевидно, что в рассмотренной позиции строительство швартовой МНГС 9 в открытом море необходимо. Только как ее ставить и как к ней доставлять добываемую нефть - задача, которую можно решить либо волевым путем, ли- бо используя методы оптимальных решений подобных задач. В первом случае можно принять решение, которое приведет к не- оправданным затратам материальных и денежных средств; во втором - решение будет оптимальным по одному или несколь- ким критериям оптимальности (приведенные затраты, надеж- ность, время строительства и др.). В первом случае (волевое решение) ни о какой оптимально- сти говорить не приходится, хотя случайно можно и попасть «в точку»; во втором выбор наилучшего решения будет обоснован- ным. Решения задач, связанных с нахождением оптимального варианта, приведены в книге «Выбор оптимальных трасс магист- ральных трубопроводов» (М., Недра, 1974 г.). Допустим, что мы решили задачу оптимизации и установили, что строить трубопровод 7 не выгодно для того, чтобы доставить нефть в накопитель 5. Можно обойтись доставкой нефти танкер- ным флотом. В этом случае остается лишь танкерная доставка нефти как в 5, так и по направлению 6. При решении задачи оп- тимизации была найдена «точка» 9, где должно быть установле- но швартовое МНГС (одно или два). Все платформы должны иметь трубопроводную связь с швартовым МНГС. В принципе возможны другие варианты, но из них определяется лучший, ис- пользуя методы оптимального проектирования. 2. Изменения, необходимые для выбора формы швартового МНГС можно подразделить на две группы: объемы нефти, про- пускаемой через МНГС (первая группа), и данные о свойствах грунтов в зоне установки МНГС, а также о состоянии моря в этом же районе в различные времена года. Данные об объемах перекачки нефти необходимы для назна- чения размеров МНГС, способного обеспечить обслуживание крупнотоннажных танкеров, а также для назначения размеров 245
накопителей нефти в самом швартовом МНГС или специальном танкере-накопителе, удерживаемом жестким креплением рамной конструкции рядом со швартовым устройством. Вторая группа изысканий включает взятие и исследование физико-механических характеристик грунта в местах возможной установки стандартных или индивидуальных якорей (анкеров), а также опорных элементов швартовой МНГС. Знание гидрологических метеорологических характеристик необходимо для определения габаритных размеров корпуса МНГС и способов его позиционирования (см. гл. 10). 3. Изготовление частей швартового корпуса, перечисленных в начале данного параграфа, производится на судостроительном заводе по габаритным и весовым параметрам, заданным на осно- вании изысканий, выполненных по рекомендациям п. 2. 4. Подготовка подводных элементов включает следующие тех- нологические операции: определение точного места размещения опорного (в случае вертикального силового воздействия, направ- ленного вниз) или удерживающего устройства (вертикальное силовое воздействие, направленное вверх). Если вертикальная сила может иметь переменное значение (вверх-вниз), то система закрепления должна быть такой, чтобы обеспечивалась компен- сация изменения длины удерживающих связей. К подводным элементам швартового МНГС относятся и ан- керные устройства (или якоря), к которым крепятся якорные связи. Этот технологический процесс рассмотрен в гл. 10. 5. Вопросы, связанные с прокладкой подводных трубопрово- дов, в том числе и для швартовых МНГС, подробно рассмотрены в гл. 11, 12, 13, 14. 6. Доставка частей швартовых МНГС производится судами, оборудованными кранами грузоподъемностью в 300-500 т. По- грузка и выгрузка частей производится этими же кранами. Возможна также доставка частей МНГС или МНГС в собран- ном состоянии буксировкой. Поскольку все части швартового МНГС обладают положительной плавучестью, то их буксировка выполняется, например, как показано на рис. 9.19 (рис. 9.19, а - швартовое МНГС без накопителя нефти, 9.19, б - с накопите- лем). Установка швартового МНГС является довольно сложной морской операцией, включающей укладку якорей стандартного типа и устройство анкеров по индивидуальному проекту, укладку цепей с помощью буксира, крепление МНГС к якорным связям (см. гл. 10), соединение подводных трубопроводов и шлангов. Операция по установке якорей и раскладка якорных цепей подробно рассмотрена в гл. 10. Отметим лишь, что в случае ус- 246
тановки плавающего швартового МНГС, имеющего малое водо- измещение, концы цепей прикрепляются к плавающим буям. После присоединения к буям производится оттяжка цепей и ус- тановленных якорей. Обтяжка производится с помощью буксира, обладающего необходимой тяговой силой, или с помощью лебе- док, установленных на судне обслуживания. После установки в проектное положение к лебедкам шварто- вого МНГС присоединяются концы якорных цепей и в них соз- дается расчетное натяжение, после чего положение МНГС закре- плено таким образом, что плановые перемещения МНГС не вы- ходят за пределы зоны определенности. Далее производится со- единение гибких шлангов, опускаемых в воду с швартового МНГС с коллектором, который заранее состыкован с подводным трубопроводом (или трубопроводами), доставляющими нефть с промыслов. Это довольно сложная работа и выполняется она с помощью опытных водолазов (при глубинах, на которых они могут это делать) или специально разработанных технологий по соединению подводных трубопроводов (см. [1]). Гибкие шланги, соединенные с коллектором, подводятся к плавающему надводному корпусу МНГС. Шлангам на расстоянии между кол- лектором и приемным устройством на МНГС придают форму фонаря (рис. 9.20, а) или буквы S (рис. 9.20, б). Такое положе- ние шлангов позволяет плавающему МНГС свободно переме- щаться в зоне определенности; при этом в шланге (или шлангах) не создается избыточное растягивающее усилие, способное разорвать шланг. Для придания шлангом необходимой формы 247
а б Рис. 9.20. Установка соедини- тельных шлангов по различным схемам изгиба шланги прикрепляют к подводным бочкам, обладающим плавучестью, обеспечивающим удержание шланга в необходимом положении. Глава 10 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УДЕРЖАНИЯ МНГС ПРИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ § 10.1. ПОНЯТИЯ «ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ» И «СТАБИЛИЗАЦИЯ» Морские нефтегазовые сооружения (МНГС), пред- назначенные осуществлять операции по добыче и транспорти- ровке нефти и газа в условиях открытого моря, независимо от формы нуждаются в обеспечении их позиционирования и стаби- лизации положения. Прежде чем перейти к рассмотрению техно- логических схем, дадим формулировку понятий «позициониро- вание» и «стабилизация». «Позиционированием» будем называть установку и удержание на плаву или в подводном состоянии плавающего МНГС в пре- делах зоны статической определенности. Это означает, что МНГС должно с помощью технических средств (таких как бук- сиры, суда обеспечения, якорные системы) сохранять плановое и глубинное положение в заранее намеченной в проекте зоне - бу- дем называть ее зоной статической определенности (рис. 10.1, а). МНГС может изменять свое плановое положение, например, в 248
Рис. 10.1. Схемы удержа- ния МНГС в зоне позицио- нирования пределах площади, ограниченной линией 1. Внутри зоны, огра- ниченной этой линией, МНГС может занимать любое из поло- жений, показанных пунктирными линиями. Обеспечивать вы- полнение этого условия могут, например, суда обеспечения 2 или якорная система 3, или то и другое вместе. На рис. 10.1, б пока- зана возможность изменения высотного положения МНГС от расчетной осадки /г0 до осадки hi или h2. Эти осадки могут воз- никать в результате снятия или погрузки тяжеловесных грузов таких, например, как блоки или части верхних строений. В этом случае заранее должны быть введены ограничения на величину осадок во избежание, например, посадки МНГС на грунт или нижнюю часть несущего блока 6. Область, в пределах которой МНГС может изменять свое высотное положение, будем назы- вать областью статической определенности высотного позицио- нирования. 249
Само слово «позиционирование» означает занятие какой-либо позиции (положения), но без точной привязки к реперной сис- теме или координатам. При этом допускаются отклонения в за- данных пределах. «Стабилизацией» положения МНГС будем называть его уста- новку и удерживание на плаву или в подводном состоянии в строго фиксированном положении или с допусками в отклонени- ях от заданных координат, позволяющими обеспечить выполне- ние требований проекта. Поясним реализацию стабилизации МНГС над точкой, определенной как устройство для стыковки несущего блока моноопорного МНГС (рис. 10.2). Швартовое устройство 1 необходимо установить таким образом, чтобы штырь 3, закрепленный на вертикальной решетчатой конструк- ции (колонне) 2, вошел (с точностью до нескольких сантимет- ров) в стыковочный узел 5 фундамента 4, удерживаемого на дне сваями 6. Любое качание на поверхности моря понтона 1 приво- дит к «болтанию» колонны 2. Без осуществления специальных мер по предотвращению колебаний штыря 3 стабилизировать его положение невозможно. Такие же требования предъявляются и к различного рода подводным МНГС при их соединении со скважинами, трубопро- водами. Требуется применение, как сейчас принято говорить, вы- соких технологий. Только в этом случае можно соединить, на- пример, две или несколько труб в системе подводных трубопро- водов. Если при позиционировании необходимо ограничить воз- можность перемещения МНГС в заданных пределах, то при ста- билизации зона возможных перемещений исключается: необхо- Рис. 10.2. Схема стыковки плавающего МНГС с фунда- ментом 250
димо обеспечить абсолютно точное расположение МНГС как в плане, так и по высоте. Поэтому сложность стабилизировать МНГС значительно сложнее, чем его позиционировать. По су- ществу «позиционирование» - это начальный этап, подготовка к «стабилизации», если, конечно, цель позиционирования со- стоит лишь в том, чтобы обеспечить нахождение МНГС какое-то время в зоне статической определенности, заданной до начала работ. Как позиционирование, так и стабилизация являются мор- скими операциями. Поэтому при их выполнении обязательно принимают участие различные плавсредства: суда обеспечения, баржи, буксиры, краны. Они обеспечивают доставку МНГС к месту их установки, осуществляют удержание МНГС в зоне по- зиционирования, перемещают тяжеловесные якоря и железобе- тонные анкерные (закрепляющие) блоки, развозят якорные цепи и канаты. Поскольку МНГС имеют большую массу и при любых подвижках их на воде возникают большие силы инерции, то средства, используемые при создании системы позиционирова- ния, должны обладать соответствующей мощностью и средствами опускания, подъема и перемещения тяжеловесных блоков, яко- рей, канатов, якорных цепей. Имея в виду сказанное, рассмотрим основные технологические схемы позиционирования и стабили- зации (удержания) МНГС в заданной зоне статической и дина- мической определенности. § 10.2. ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ЯКОРНЫХ СИСТЕМ ЗАКРЕПЛЕНИЯ В первой части учебника [1] были приведены мате- риалы по основам расчетов усилий в гибких связях якорных сис- тем при различных схемах, расположения связей и различных точках их закрепления на закрепляемом плавающем объекте (МНГС). При разработке проекта позиционирования МНГС не- обходимо иметь данные о его массе и размерах, данные о районе установки МНГС на точку (глубина моря, наличие течений, их скорость и направление, распределение по глубине и в плане), физико-механические характеристики грунтов и их распределе- ние по глубине, данные о возможной ледовой обстановке. Как видно из этого перечисления, создание системы позиционирова- ния требует серьезной подготовительной работы по сбору этих данных, а также нужно время для составления проекта позицио- нирования МНГС с учетом всех собранных данных. 251
Приведем краткую характеристику названных данных, необ- ходимых при проектировании якорной системы позиционирова- ния. Масса МНГС. В зависимости от назначения масса может из- меняться в пределах от нескольких сотен тонн до сотен тысяч тонн. Например, только фундаментный блок ячеистой структуры сахалинского проекта ЛУН-А имеет массу более 60 тыс. т. Размеры могут изменяться от нескольких метров до 100 м и более. Та же ЛУН-А имеет размеры: в плане 105x88 м и высоту 135 м. Для более точного представления о плановых размерах можно сказать, что они в точности равны (даже немного больше) размеров футбольного поля! Данные о районе установки включают прежде всего, глубину моря в месте установки МНГС. От глубины, как это было пока- зано в [1], в значительной мере зависит назначение мест разме- щения якорей, а соответственно, и длина якорных цепей (цепи, канаты). Наличие течений оказывает влияние на расстановку якорей и, главное, на величину силы удержания. Как уже было показано в [1], силовая характеристика воздействия потока на плавающий или закрепленный объект в какой-либо точке моря связана с квадратом величины скорости течения. Это очень важ- но иметь в виду при расчетах якорной системы. Направление течения может быть постоянным для данного района, а может изменяться в различные периоды года. Поэтому, если позицио- нирование производится на ограниченный период, то именно для этого периода и нужно принимать при расчетах величину и на- правление скорости потока. Если же плавающее МНГС будет находиться на точке год и более, то расчет якорной системы должен производиться с учетом реальной схемы распределения возможного изменения поля скоростей. На рис. 10.3 приведена примерная схема поля скоростей на годовой период. В зоне аб в период с декабря по март ветер северный со средним значением скорости Rc; в зоне бв - ветер восточный с RB в период март-август; в зоне вг - ветер южный RK в период сен- тябрь-октябрь; а в зоне га - ветер западный R3 в период но- ябрь-декабрь. Имея значения средних, а возможно и максималь- ных, например, 1 % обеспеченности, значений скорости ветра Лс, Я„, 7?ю, R-, производится расчет на закрепляемый объект МНГС. Физико-механические характеристики грунтов (см. [2]) необ- ходимы для расчета удерживающей силы якорей традиционной формы, а также других форм, таких как сваи, забиваемые в грунт, массивные железобетонные блоки, якоря, работающие в основном за счет сил присоса. Так, в скальном грунте якоря тра- диционной морской формы плохо держат горизонтальную силу; 252
Рис. 10.3. Схема поля скоростей потока массивные якоря работают на сдвиг только за счет сил трения. Отлично работают на сдвиг свайные удерживающие якоря при условии их заглубления в скальный грунт. Если грунты в месте установки МНГС дисперсные (глинистые, супеси, песок), то удерживающая сила якорей на таких грунтах зависит от разме- ров и формы якорей и, главное, от глубины их погружения в грунт. Поскольку дисперсные грунты имеют различные физико- механические характеристики, то и удерживающая сила для яко- рей одной и той же формы будет различной. Область применения якорных систем закрепления также име- ет немаловажное значение для их проектирования. Так, в приве- денном материале предыдущих глав часто отмечалось, что та или иная морская операция проводится в так называемом сухом (или закрытом) доке. Удержание МНГС в них при проведении такой морской операции как кренование производится с удержанием МНГС якорной системой. Если произойдет срыв МНГС с яко- рей, то может быть разрушено или повреждено не только МНГС, но и сами дорогостоящие доки, особенно система закрытия ворот или шлюзования. Поэтому якорная система должна быть особен- но надежной. Создание плавающих нефтяных баз позиционируются с по- мощью специальных швартовых устройств. Плавающие нефтеба- зы, имеющие водоизмещение до 200-300 тыс. т, удерживают- ся швартовыми устройствами, закрепляемых якорной системой. Конечно, срыв якорей при такой массе нефтехранилища не до- пустим. 253
Наконец, установка, позиционирование и стабилизация пла- вающих МНГС, осуществляющих бурение и добычу нефти и га- за, а также накопление некоторых количеств нефти для подачи ее в подводные трубопроводы, также производится с помощью якорных систем. Если МНГС будет сорвано с якорей, то послед- ствия могут быть крайне тяжелыми. Будут разорваны трубопро- воды как буровые, так и транспортирующие нефть и газ; в море попадет большое количество добываемого продукта, а МНГС вместе с людьми, обслуживающими ее, отправятся в сложное плавание, которое может закончиться катастрофой. § 10.3. ЯКОРНАЯ ЛИНИЯ И ЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ Поскольку в [1] подробно рассмотрены схемы рас- положения якорных линий и приведены материалы по определе- нию усилий в канатах, в данном параграфе мы дадим описание составляющих одной линии. Остальные линии имеют те же со- ставляющие; могут изменяться лишь характеристики составляю- щих, таких как длина каната, мощность лебедок, форма и вес якорей. Но функциональное их назначение такое же, как и то, которое будет рассмотрено далее. На рис. 10.4 показана якорная линия с обозначением ее со- ставляющих: 1 - якорь или анкер; 2 - гибкий канат или якорная цепь (см. [1]); 3 - клюз - отверстие для каната перед входом в блок 4, в котором находятся все механизмы и устройства натя- жения каната, контроля за величиной усилия его натяжения, а также механизмы и устройства обеспечения работоспособности якорной линии. 254
Рассмотрим далее конструкции перечисленных составляющих по позициям, обозначенным на рис. 10.4. 1. Якоря и анкеры. Будем иметь в виду, что термином «якорь» обозначается канонический или «стандартный» элемент якорной системы, сделанный по определенным формам на судо- строительном заводе и рассчитанный на удержание отрывного или сдвигающего усилия для плавающего объекта с заранее из- вестным водоизмещением и массой, а также плановыми и высот- ными размерами. Анкером будем называть элемент якорной линии, имеющий любую другую форму, отличающуюся от канонического (стан- дартного). Это может быть свая (или сваи), бетонные грузы, конструкции, работающие главным образом за счет сил присоса и т.д. Якоря канонические или стандартные: адмиралтейский (рис. 10.5, а) (наиболее распространенный в эпоху парусного флота), Холла (рис. 10.5, 6), Болдта (рис. 10.5, в), Грюзова-Хейна (рис. 10.5, г), Байерса (рис. 10.5, д), Матросова (рис. 10.5, е), Денфорда (рис. 10.5, ж) и др. Адмиралтейский якорь имеет две лапы 3 и два рога 4, веретено 2 и шток 1 (см. рис. 10.5, а). Ос- тальные перечисленные якоря имеют поворачивающиеся лапы и веретено; штока на них нет. Адмиралтейский якорь обладает хо- рошей силой удержания, но неудобен в работе из-за поперечно расположенного штока. Все остальные якоря не имеют этого не- достатка, так как штока у них нет и якоря хорошо входят в клю- зовое отверстие. Сила удержания всех названных якорей зависит не только и даже не столько от размеров, как, сколько от веса. Так практикой установлено, что адмиралтейский якорь позволяет получить удерживающую силу, в среднем в шесть раз превосхо- дящую вес якоря. Заметим, что адмиралтейские якоря в России делают весом от 10 кгс до 3000 кгс. Легко посчитать значение удерживающей силы. Держащая сила якоря Холла в 3-4 раза превышает его вес, который градацией через 2 тс может иметь вес 32 тс. Якорь Матросова изготавливают весом до 1,5 тс, а его держащая сила достигает 12 сил его тяжести, что в три раза больше, чем у якоря Холла. Названные значения отношения веса якоря к держащей силе (3-4, 12 и др.) называют коэффициентом силы удержания. Чем больше этот коэффициент, тем эффектив- нее используется вес якоря. Для МНГС конструкции якорей Матросова и Холла слегка изменяют: делают лапы с увеличенной площадью, значительно увеличивают длину веретена. В результа- те вес таких якорей достигает 40 тс, но коэффициент эффектив- ности держащей силы сохраняется в пределах 10. Это означает, что якорь весом 10 тс дает возможность получить силу удержа- 255
Рис. 10.5. Конструкции якорей ния в 400 тс. Все перечисленные якоря делаются из стали и имеют большую стоимость. Однако удобство производства опе- раций с ним (подъем, постановка, передвижки и др.) делают их вполне конкурентоспособными с другими формами якорей. От- метим далее, что держащая сила стандартных якорей зависит и от линии подхода каната к якорю. 256
На рис. 10.6 показана схема подхода линии каната к якорям. Так если канат или якорная цепь подходят к якорю, не касаясь грунта (поз. 1), то сила удержания будет значительно меньшей, чем при подходе каната (якорная цепь) к якорю (поз. 2). Это объясняется тем, что вертикальная составляющая силы натяже- ния каната Q уменьшает силу опирания якоря о грунт, соответ- ственно, уменьшая силу Т. Во втором случае - вертикальная со- ставляющая отсутствует и весь вес якоря участвует в формиро- вании силы Т. Анкеры могут иметь самую различную форму: сваи, плиты, кубы, параллелепипеды, пирамиды и др. В [1] приведены не- сколько форм якорей анкерного типа, поэтому здесь их приво- дить не будем. Отметим лишь, что все эти якоря-анкеры обеспе- чивают силу удержания в основном за счет сил сопротивления грунта, на котором или в котором эти анкеры расположены. Ко- нечно, можно в качестве удерживающей силы использовать толь- ко вес анкера. Это может быть, например, при вертикальном по- ложении линии связи, т.е. каната или якорной цепи. Такой спо- соб использования якорной системы применяется при необходи- мости создания только вертикальной удерживающей силы. Во всех остальных случаях якорная система используется главным образом для создания горизонтальной составляющей сил удержания. 2. Гибкие якорные связи. «Связи» представляют канаты или якорные цепи. Основные конструктивные особенности гибких канатов и якорных цепей приведены в [1]. Там же приведены данные об усилиях, которые могут выдерживать канаты. Здесь мы лишь отметим, что работа с канатами и якорными цепями очень трудоемка; диаметры якорных цепей, используемых для удержания МНГС, достигают 100-120 мм, что обеспечивает на- дежную работу цепей при усилиях до 3000 кН (~300 тс). При этом вес 1 м цепи около 200-220 кгс (~2 кН). Конечно, вручную Рис. 10.6. Схема подхода якорных цепей к якорю 257
1 Рис. 10.7. Элементы якорной цепи: а - общее звено; б — концевое звено; в - звено с распоркой; г - соединительное звено; д - скоба концевая; е - вертлюг; ж - вертлюг-скоба; з - глаголь-гак; и - фертоинг l,lrf
производить какие-либо операции с такими грузами невозможно. Тем не менее работа с якорными цепями требует и ручного тру- да. Поскольку звенья цепи на концах смычек (см. [1]) использу- ют скобы для соединения смычек. Кроме того, в составе цепи имеются такие детали, как вертлюги, глаголь-гаки, фертоинги, вертлюг-скобы. Все эти элементы приведены в [1]; тем не менее мы приведем их и здесь для удобства читателя (рис. 10.7). Все эти детали включены в состав якорных цепей для облег- чения работ по составлению цепи. Дело в том, что якорная цепь в рабочем состоянии может достигать длины 2-2,5 км (!); в среднем длина якорной цепи колеблется в пределах 3-7 глубин моря в точке постановки МНГС. Поэтому сборка цепи из от- дельных смычек требует и ручных, работ. § 10.4. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИИ УСТАНОВКИ ЯКОРНОЙ СИСТЕМЫ Технология установки якорной системы относится к наиболее сложным морским операциям, выполняемым при по- становке плавающих МНГС на удержание в заданной зоне опре- деленности. Сложность технологии заключается прежде всего в необходимости манипулирования тяжеловесными якорями и цепными линиями. Под термином манипулирование мы будем иметь в виду всевозможные перемещения самих якорей при ус- тановке (или устройстве) их в необходимом месте, определенном расчетом; при перемещении якорных цепей или тросов при опус- кании их на дно моря; при соединении и разъединении смычек, скоб. Весьма сложны работы по вытягиванию «слабины» якор- ных цепей, уложенных на грунт, перед тем как соединить рабо- чую якорную цепь с лебедкой, выполняющей выбирание и трав- ление якорной линии (выбирание - уменьшение длины якорной линии; травление - увеличение ее длины). Наконец нельзя не отметить, что все эти работы производятся с якорями и якорны- ми цепями при большой глубине моря. Имеются примеры уста- новки якорных систем на глубинах более 1000 м. Имея это в ви- ду, рассмотрим технологическую последовательность установки якорных систем, назовем одно обязательное условие, которое необходимо выполнить перед осуществлением морской операции по установке плавающей МНГС на «точку», - якоря должны быть установлены на дне с присоединенными к ним якорными цепями, которые также должны быть уложены в расчетном по- ложении якорной линии, определенном при проектировании систе- мы закрепления МНГС в зоне статической определенности. 259
Процедура установки якорной системы удержания может осуществляться по двум основным схемам: первая - установка якорей и раскладка цепей по дну производятся до прибытия плавающего МНГС на точку; вторая - МНГС приходит на точку с якорными цепями, намотанными на барабаны лебедок, и с яко- рями, расположенными в специально отведенных для них местах на МНГС. По первой схеме более просто работать при анкерах, выполненных в форме массивных конструкций весом до 200- 250 т каждый. Транспортировка таких якорей непосредственно на МНГС неудобна. Можно совместить обе схемы: якоря доставляются на барже, поочередно перегружаются на судно-якоревозчик, якорная скоба соединяется с якорной смычкой якорной цепи, намотанной на барабан лебедки МНГС. Далее процедура развозки якорей производится по второй схеме. Кратко рассмотрим обе схемы. Первая схема. Якоря имеют форму гравитационных (железо- бетонных) блоков. Рассмотрим технологическую последователь- ность работ по устройству якорной системы удержания по пер- вой схеме, имея в виду, что все расчеты по расстановке якорей и якорных линий выполнены и техническому персоналу остается только осуществить задуманное (и рассчитанное). 1. На береговой базе строительства МНГС изготавливаются якоря заданной индивидуальной формы и веса. Индивидуальные формы якорей изготавливаются наиболее часто из железобетона (гравитационные якоря). Вес таких якорей может быть от 50 до 250 т, а сила удержания от 100 до 500 тс (980-4900 кН). Формы таких якорей были приведены в [1]. Особенностью гравитацион- ных якорей является устройство в теле якорей жесткой армату- ры со скобой, к которой присоединяется якорная цепь. 2. Подбираются якорные цепи (или канаты) для каждой якорной линии по несущей способности (диаметр, материал), длине, достаточной не только для обеспечения рабочего поло- жения линии, но и для манипулирования с цепью при опусках и подъемах цепи, ее вытяжке (натяжении) на проектных глу- бинах. 3. Выбирается судно, которое будет обеспечивать перевозку якоря и якорных цепей к месту установки. К этому судну предъ- является ряд требований, выполнение которых необходимо для установки якорной системы. К этим требованиям относится следующее: судно должно иметь большую открытую палубу; наличие полноповоротного крана способного перемещать как якоря, так и цепи; мощные лебедки для работы со вспомогательными троса- 260
ми; подводную буровую машину для бурения скважин; полный комплект водолазного оборудования; судно должно быть высокоманевренным, обладать достаточ- но мощной силой натяжения, необходимой для завозки якорей и цепей в необходимое положение; наконец, судно обслужива- ния должно иметь несколько винтов (движителей), обеспечи- вающих свободное перемещение судна в любом направлении; корма судна должна быть практически вертикально «обрублена», что упрощает спуско-подъемные работы с якорями и якорными цепями. 4. Судно обслуживания доставляет якоря и якорные цепи (канаты) к месту их установки. Якорные гравитационные блоки опускаются в расчетную точку вместе с якорными цепями (кана- тами). Якорные цепи укладываются на дно по направлению рас- четной якорной линии. На месте установки якоря и свободного конца якорной цепи устанавливаются буи или бочки, соединен- ные с якорем и концом цепи тросами, называемыми «вытяжны- ми». Само название их говорит о том, что они предназначены для подъема якоря и якорной цепи при выполнении операций, связанных с их установкой и перемещением. Поэтому вытяжной трос должен иметь достаточную прочность, чтобы поднимать якорь и якорную цепь. Бочка, установленная над якорем, фикси- рует положение якоря. Таким образом, положение якорной ли- нии хорошо обозначается на поверхности моря. На рис. 10.8 по- казана схема расстановки якорей 1 и укладки якорных цепей 2. При этом буи 3 в центре зоны позиционирования МНГС соеди- Рис. 10.8. Схема расстановки якорей 261
йены с якорными цепями вытяжными тросами, рассчитанными на удержание подъемного усилия. 5. После установки железобетонных грузов и раскладки цепей производится так называемая операция по натяжению якорной цепи (троса, каната) перед прибытием плавающего МНГС на точку. Натяжением называется операция по выбиранию лишней длины цепи и создания усилия в ней, при котором она занимает рабочее положение. В процессе натяжения якорной цепи происходит не только выбор ее лишней длины («слабины»), но и закрепление якоря в грунте. При закреплении якоря происходит его силовое вдавливание в грунт и горизонтальная подвижка, при которой грунт уплотняется и создает наибольшее сопротивление сдвигу якоря. 6. Натяжение якорной цепи производится судном обеспечения с помощью специального устройства, создающего необходимое усилие натяжения. Схема работы такого устройства показана на рис. 10.9. Устройство натяжения 3 пропускает через специальный механизм рабочую якорную цепь 4 и так называемую «пассив- ную» цепь 2, закрепленную якорем 1. Натяжение осуществляется на начальном этапе за счет подъема натяжного устройства силой Р при вытягивании рабочей якорной цепи через механизм натя- жения. При этом натягиваются рабочая и пассивная цепи. По мере натяжения рабочей цепи, она подтягивает якорь 5, закреп- ляя его тем самым в грунте. Как только слабина рабочей цепи выбрана, в цепи создается натяжное усилие. Рабочая цепь стре- мится проскользнуть через натяжной механизм, но именно этот натяжной механизм не дает сделать этого. Поднимая натяжное устройство (без возможности проскальзывания рабочей цепи), увеличивают силу натяжения, тем самым вовлекая в работу по сопротивлению усилию натяжения якоря (анкера). Процедура натяжения якорной цепи и увеличения несущей способности якоря включает несколько подъемов рабочей цепи. При этом Рис. 10.9. Схема работы натяжного устройства 262
производится измерение величины силы натяжения якорной це- пи с тем, чтобы не превысить расчетное ее значение. Для изме- рения силы натяжения в натяжном устройстве устанавливается измерительный прибор, с помощью которого производится не- прерывный контроль усилия натяжения. На рис. 10.10 показан график изменений усилия натяжения якорной цепи до достижения предельно допустимого значения. После первого подъема 1 натяжное устройство скользит по рабо- чей цепи по направлению к якорю; при этом сила натяжения Т уменьшается, начинается второй этап 2 натяжения, сила натяже- ния 3 увеличивается до тех пор, пока вертикальный подъем на- тяжного устройства (НУ) прекращается. Опять НУ скользит по якорной цепи (второй этап); вновь натяжное устройство под- нимается и т.д. до достижения расчетного усилия натяжения (СМ. [1]). Измерение натяжного усилия возможно с использованием так называемого контрольного звена, способного выдержать усилие определенной величины. Это звено устанавливается в натяжном устройстве; как только сила натяжения достигает контрольного значения, звено разрывается, сигнализируя тем самым о величи- не натяжного усилия. Рабочая якорная цепь не может выскользнуть из натяжного устройства, и сразу после разрыва звена оно вместе с якорной цепью может быть поднято на судно обслуживания. Весь период проведения операций по натяжению натяжное устройство удерживается от произвольного перемещения в сторо- ну якоря силой, возникающей в пассивной цепи 2 (см. рис. 10.9). При этом схемы сил можно представить следующим образом (рис. 10.11). Имея данные о величине силы подъема натяжного устройства Р, можно определить и силы натяжения в рабочей цепи Тр и пассивной цепи Тп, прочность которой также должна быть обеспечена. После обтяжки всех якорных линий и измере- ния сил натяжения, убедившись в том, что якорные линии обе- спечивают необходимое удерживающее усилие, приступают к Рис. 10.10. График изменения силы натяжения якорной цепи Л 263
Рнс. 10.11. Схемы сил в натяжном устройстве »> >п т !» П> !» >!> »> 7» •/>/ >п >!> 7» »>' >>> процедуре соединения якорных цепей (канатов) с лебедками МНГС. Для соединения якорной цепи с лебедками на МНГС необхо- димо поднять якорную цепь наверх. Конец цепи поднимается с помощью «вытяжного» троса, закрепленного с цепью при перво- начальном опускании ее на грунт. Вытяжной трос с помощью лебедки вытягивает конец рабочего троса на палубу; при этом концевая смычка рабочей цепи соединяется с обухом в цепном ящике плавающей МНГС. После этой операции перемещения якорной цепи (удлинение, укорочение) производятся лебедками, установленными на МНГС. Эти лебедки должны иметь по два барабана и два независящих тормоза с электрическим или гид- равлическим приводом. Очень важно, чтобы удерживающая сила каждого тормоза обеспечивала минимум 50 % разрывного усилия для цепи. Следующим важным элементом в закреплении якорной цепи является так называемый «стопор», который намертво закрепля- ет цепь в случае отказа тормозов. Для создания благоприятных условий якорной цепи в местах искривления применяются так называемые «киповые планки», предохраняющие цепь или трос от чрезмерного изгиба. Для про- хождения цепи в узких отверстиях устанавливаются ролики с изменяющимся положением их осей (поворотное устройство), обеспечивающие прохождение цепью отверстий с наименьшим трением. Дело в том, что из-за большого веса цепей и больших усилий натяжения при длительной эксплуатации звенья цепей или участки троса истираются, несущая способность цепи уменьшается. Поэтому приходится менять участки (смычки) це- пи, на которых уменьшилась несущая способность цепи. 7. Подъем якоря и якорной цепи производится при необходи- мости переставить плавающую МНГС на другую точку. Рассмот- рим эту операцию. Перед ее началом на якорную цепь одевают скользящие кольца с разъемом (рис. 10.12). Кольцо продолгова- 264
Рис. 10.12. Схема скользящего кольца с разъемом той формы 3 на разрезанных концах имеет от- верстия для установки в них «пальца» 2, кото- рый одновременно проходит через шток 1, со- единяющийся с тросом 4, который крепится на лебедки якорезавозчика (судно обеспечения). Якорезавозчик, двигаясь по направлению к яко- рю, устанавливает кольцо у якоря; при этом якорная цепь занимает положение, показанное на рис. 10.13. Якорь 7 соединен с якорной цепью 2, которая подорвана (от- соединена от грунта) в положение, при котором угол а будет более 45°. Усилие подрыва и подъема якоря передается на цепь скользящим кольцом 3, соединенным вытяжной цепью или тро- сом 4. Подняв якорь на палубу, устанавливают его на баржу или са- моходное судно, которое будет транспортировать якорь и цепь на новое место установки, на котором производится та же морская операция, описанная в п. 1-6. Вторая схема. Позиционирование производится с помощью якорной системы с использованием стандартных металлических якорей и якорных цепей, размещенных непосредственно на пла- вающей МНГС. Поскольку масса стандартных якорей не превы- шает 25-30 т, то транспортировка их вместе с цепью, располо- женной в цепном ящике, особых затруднений не доставляет. В этой же схеме установка якорной системы производится сразу по прибытии МНГС на место работ. Установка произво- дится следующим образом. Рис. 10.13. Схема подрыва якоря 265
1. Якорная цепь захватывается скользящим кольцом, назы- ваемым чейзером, конец троса от которого находится на судне- перевозчике (якорезавозчика). 2. Перевозчик с закрепленным тросом от скользящего кольца отходит от МНГС на расстояние, при котором обеспечивается тяговое усилие, достаточное для того чтобы якорная цепь была натянута и чрезмерно не опускалась на глубину. 3. Во время движения якорезавозчика к месту установки яко- ря якорная цепь выпускается с лебедок МНГС, создавая при этом необходимое натяжение. 4. Подойдя к месту установки якоря, якорезавозчик с помо- щью лебедки, находящейся на нем, опускает якорь на дно таким образом, чтобы лапы якоря располагались в противоположную сторону от МНГС. После установки якоря в рабочее положение трос, удерживающий скользящее кольцо, передается на МНГС и закрепляется на лебедке. Само кольцо может быть снято (после окончания работ по установке якорной линии). 5. Натяжение якорной цепи и увеличение за счет уплотнения грунта и заглубления якоря производится по такой же процеду- ре, что была приведена в первой схеме. Только операция натя- жения производится с помощью лебедок МНГС, создающих не- обходимое тяговое усилие (около 50-75 % от расчетного значе- ния силы удержания). Подъем якоря и якорной цепи включает два этапа: первый - подрыв якорей с помощью вытяжного троса и лебедки судна обеспечения; второй - транспортировка якоря этим же судном за счет силы натяжения якорной цепи лебедками МНГС. Якорная цепь складывается в цепной ящик, а якорь устанавливается в штатном положении. Это положение предусмотрено технически- ми условиями эксплуатации МНГС. § 10.5. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СИЛУ УДЕРЖАНИЯ ЯКОРЕЙ 1. Технология установки Технология установки якорной системы включает такой элемент, как установку якоря на дне, о чем было сказано в предыдущем параграфе. Сразу же отметим, что установка яко- ря не означает простое погружение его на дно. Чтобы удержи- вающая сила якоря была максимальной, якорь должен быть уложен на дне в определенном положении в плане и по глубине 266
погружения в грунт. Это достаточно трудоемкая и сложная задача и решение ее полностью зависит от подготовленности якорной команды. Прежде чем охарактеризовать способы и приемы установки якоря на дне назовем два фундаментальных фактора, определяющих величину силы удержания - вес якоря и его конструктивное оформление и физико-механические ха- рактеристики грунта, на котором или в котором находится якорь. Причем второй фактор является даже более значимым, так как все конструктивные его формы продумываются именно для того чтобы как можно полнее использовать несущую способность грунта. Имея в виду сказанное, мы и рассмотрим сначала воп- росы, связанные с укладкой якоря в нужном, точнее, правиль- ном положении, а затем вопросы удержания самого якоря грунтом. 1. Якорь стандартной формы, т.е. якорь изготавливается на судостроительных заводах по соответствующим нормам, как бы- ло показано в [1], делается такой формы, чтобы лапы якоря при укладке на грунт располагались в противоположном от удержи- ваемого МНГС или какого-либо судна направлении (рис. 10.14), а веретено совпадало по направлению укладки якорного троса. При укладке на грунт, кроме того, лапы якоря должны нахо- диться под углом 30-35°, что позволяет им при натяжении за- глубиться в грунт на большую глубину, чем при других углах (рис. 10,15). На рисунке показаны три положения якоря - при укладке на грунт (пол. 0), при натяжении (пол. Г) и в момент окончания процедуры натяжения (пол. II), когда якорь (особенно Рис. 10.14. Схема правильной укладки якоря: а - вид сбоку; 6 - вид сверху; 1 - лапы; 2 - веретено; 3 - скоба; 4 - якорная цепь 267
Положение О Рнс. 10.15. Схемы расположения лап якоря лапы) заглублены настолько, что удерживающая сила его будет наибольшей. 2. Якорь индивидуальной формы изготавливается из железо- бетона в самых различных конструктивных решениях. На рис. 10.16 показаны некоторые из них: на рис. 10.16, а - параллеле- пипед прямоугольный; рис. 10.16, б - прямоугольное корыто; на рис. 10.16, в - краб. Первая конструкция наиболее проста. Па- раллелепипед просто опускается на дно и за счет своего веса погружается на некоторую глубину h в грунт. Величина h зави- сит от свойства грунта (физико-механические характеристики). Вторая конструкция имеет форму корыта, и установка его на грунт более сложна, чем первой конструкции: необходимо уста- новить «корыто» в таком положении, чтобы плоскость ab (см. рис. 10.16, б) была как можно ближе к горизонтальной. Этому препятствует силовое воздействие якорной цепи, прикрепленной к якорю, которое стремится наклонить «корыто», как показано на рисунке пунктиром. Необходимость обеспечения расположе- ния «корыта» горизонтально объясняется принципом создания 268
a Рис. 10.16. Схемы железобетонных якорей дополнительного удерживающего усилия, особенно для короткой якорной линии (см. [1]); в основе принципа - так называемый «присос». Наконец третья форма - краб - позволяет в наибольшей мере использовать и силу сопротивления грунта сдвигу, и явление присоса. Укладка такой формы якоря по сложности - такая же, как и предыдущего, но поскольку «щупальцы» краба легче вхо- дят в грунт, то даже при присосе в момент укладки якорь за счет погружения «щупалец» выравнивается и набирает наибольшую силу удержания. Установка якорей любого типа производится якорезавозчиком. Установка может контролироваться с помощью телекамер. В этом случае положение якоря на дне устанавлива- ется за счет маневров якорезавозчика, создающего основное тя- говое усилие в противоположную от МНГС сторону и подрули- вания в нужном направлении с помощью движителей позицио- 269
Рис. 10.17. Схема опускания стандартного якоря нирования. Их на якорезавозчике должно быть не менее трех (два по бортам и один в носовой части). На рис. 10.17 показана схема опускания стандартного якоря с присоединенной к нему якорной цепью, а на рис. 10.18 - опу- скание гравитационного якоря формы «краб» также с якорной цепью. В поз. I якорь 1 находится на палубе. Краном 2 он вместе с цепью опускается в море (поз. II), а в позиции III якорь находит- ся на грунте, а якорезавозчик укладывает цепь 3, двигаясь по направлению расчетного положения якорной линии. Общий вид якорезавозчика показан на рис. 10.19. Конечно, все морские операции, связанные с установкой яко- рей и раскладке цепей, выполняет специально подготовленная для этих работ команда. Поскольку для каждой плавающей МНГС, особенно имеющих водоизмещение в десятки тысяч тонн, разрабатываются специальные конструкции якорей, то операция по их установке осуществляется по проекту, в котором содержат- ся все необходимые конструкции. 2. Силы удержания якоря Под термином «силы удержания» будем иметь в виду все силы, из которых складывается общая удерживающая якорь сила. На рис. 10.20 показана схема якоря, к которому при- ложена сдвигающая сила Т и показаны несколько сил, которые уравновешивают силу Т. Силами, удерживающими якорь от 270
Рис. 10.18. Схема опускания железобетонного якоря сдвига, представлены: касательные напряжения в грунте по плос- кости сдвига а-б, сила пассивного сопротивления грунта епас, с равнодействующей £пас, сила присоса рор, действующие по пло- щади всего якоря, и, наконец, силой присоса по грани a-в. Все эти силы формируются в грунтовой массе и обусловливаются только физико-механическими характеристиками грунта. Так ка- сательные силы 271
Рис. 10.19. Общий вид якорезавозчика Рис. 10.20. Схема сил, удерживающих железобетонный якорь
Т = CT-tg ф + с, где ст - нормальное, т.е. сжимающие напряжения от веса всего якоря 1 с учетом веса грунта в пределах объемов 2, 5; ф - угол внутреннего трения грунта; с - сцепление грунта; £„ае = tg2 (45° + ф 2С • tg [45° + Силы присоса рвр определяются по сложным зависимостям (см. [2]). Других сил удержания нет; все фигуры якоря, способы их ук- ладки и т.д. (в том числе и рассматриваемого в качестве примера якоря) делаются только лишь для того чтобы как можно полнее использовать несущую способность грунта. Можно задать себе вопрос, а зачем же вес якоря? Он нужен для создания нормаль- ных натяжений ст. Зачем заглублять якорь? Для увеличения си- лы ЕВ1и. и объема грунта, который будет работать вместе с яко- рем. Мы не будем приводить здесь расчеты всех сил, возникаю- щих в грунте, и поведение грунта под воздействием внешних сил, а отсылаем читателя к курсу механики грунтов [2], где все эти вопросы рассмотрены весьма подробно.
Раздел Н ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Как было отмечено в [1], подводные трубопроводы для транспортировки нефти и газа являются важной составляю- щей комплекса сооружений для разработки морских нефтегазо- вых сооружений. Там же рассмотрены и конструктивные формы подводных трубопроводов. В данном разделе приводятся мате- риалы по технологии их строительства, а также расчеты, выпол- нение которых необходимо для обоснования технологических схем строительства. Эти расчеты позволяют определить напря- женное состояние трубопровода в строительный период, опреде- лить параметры технических средств, с помощью которых обес- печивается выполнение строительно-монтажных работ. В процес- се выполнения этих работ трубопровод должен быть уложен на дно моря или другого водоема таким образом, чтобы была обес- печена его работоспособность в течение длительного времени. В настоящее время существуют две принципиальные схемы укладки трубопроводов на дно: 1) протаскивание по дну и 2) с поверхности воды. Обе схемы имеют много способов их практической реализа- ции. Основные из этих схем и будут рассмотрены далее. Глава 11 ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ СПОСОБОМ ПРОТАСКИВАНИЯ Суть способа протаскивания заключается в сле- дующем. 1. На берегу моря (или другого водоема) устраивается спус- ковая дорожка, по которой подготовленный к укладке трубопро- 274
вод будет перемещаться с берега под воду по подводной траншее. Это может быть либо выровненное дно, либо вырытая траншея. 2. На берегу рядом со спусковой дорожкой подготавливается к укладке трубопровод, общая длина которого должна быть не менее длины подводной траншеи или выровненного дна, если трубопровод укладывается без заглубления. 3. Перед укладкой трубопровод помещается на спусковую до- рожку. 4. Производится испытание трубопровода на прочность внут- ренним давлением. 5. Прокладывается «тяговый» трос строго по курсу движения трубопровода. 6. Трубопровод протаскивается по дну усилием, создаваемым специальными техническими средствами (трактор, лебедка, тру- боукладочное судно). 7. Осуществляется обследование уложенного трубопровода с помощью водолазов или телевизионными приборами. 8. Производится закрепление уложенного трубопровода спе- циальными анкерами, различными грузами, засыпкой грунтом или щебнем, защита бетонными плитами или скорлупами. В ка- ждом конкретном случае обосновывается необходимость и доста- точность того или иного способа закрепления. 9. Проводится повторное испытание прочности трубопровода внутренним давлением. Рассмотрим далее технологии практиче- ской реализации приведенных шагов способа протаскивания подводного трубопровода и основные расчетные обоснования. §11.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯГОВОГО УСИЛИЯ ПРИ УКЛАДКЕ ТРУБОПРОВОДОВ СПОСОБОМ ПРОТАСКИВАНИЯ При укладке трубопроводов протаскиванием необ- ходимо достоверное определение тягового усилия для всех схем укладки. От правильного определения тягового усилия зависит успех операции протаскивания. По величине тягового усилия назначаются тяговые машины и механизмы, диаметр тягового троса и технологическая схема протаскивания. Чрезмерное за- вышение тягового усилия потребует дополнительных тяговых средств, занижение может привести к задержке и даже к аварий- ной ситуации. Поэтому расчет величины тягового усилия должен быть обоснованным и выполнен с учетом всех возможных фак- торов, оказывающих влияние на величину тягового усилия. 275
1. Прежде всего определяется наибольшее усилие, которое может быть создано при протаскивании. Это усилие Ттах в лю- бом случае должно быть меньше, чем усилие, необходимое для разрыва самой трубы (в любом поперечном сечении) или любых крепежных элементов. Это условие имеет вид Ттзх <Яусл, (11.1) где 7?усл - усилие, необходимое для разрыва трубы в поперечном сечении или крепежных элементов. На рис. 11.1 показан голов- ной участок трубопровода с условными сечениями возможного разрыва (сечение a - труба; сечение b - крепежный элемент). 2. Далее определяем значения тяговых величин для различ- ных этапов процесса протаскивания. Расчетная величина тягового усилия 7р определяется по пре- дельному сопротивлению грунта на сдвиг протаскиваемого тру- бопровода из условия Тр > mTap, (11.2) где m - коэффициент условий работы тяговых средств, прини- маемый 1,1 при протаскивании лебедками; Тпр - предельное со- противление трубопровода на сдвиг. Рассмотрим основные расчетные случаи при определении Тпр. Протаскивание по поверхности грунта - движение устано- вившееся, равномерное, величина Тпр определяется по формуле Г,.Р = Q/, где Q - расчетный вес трубопровода; f - коэффициент трения поверхности трубы о грунт; наибольшее значение /= tg ФР- где фр - расчетное значение угла внутреннего трения грунта. Усилие протаскивания при трогании трубопровода с места. Из опыта протаскивания подводных трубопроводов известно, что а 77^77^ Рис. 11.1. Схема головного участка подводного трубопровода 276
сопротивление протаскиванию в момент трогания значительно больше, чем при равномерном движении, определяемом по фор- муле (11.2). Увеличение тягового усилия в момент трогания обусловлива- ется несколькими факторами: сцеплением грунта с, пассивным отпором грунта за счет различных выступов на поверхности тру- бы (футеровка, балластировка отдельными грузами), явлением присоса трубопровода к грунту и упругим взаимодействием тру- бопровода с грунтом. В общем случае усилие протаскивания трубопровода по грун- ту в момент трогания Та определяется из условия Тп = (q tg фр + ас')1 + £пас + Ту, (11.3) где q - вес единицы длины снаряженного трубопровода; а - длина части окружности трубы, врезающейся в грунт; с' - вос- станавливающаяся часть сцепления при скольжении трубопрово- да по грунту; определяется экспериментально, при отсутствии экспериментальных данных с' можно принять равным 0,1 струк- турного сцепления грунта с; I - длина трубопровода; Еалс - пас- сивный отпор грунта вследствие шероховатости поверхности трубы; Ту - дополнительное сопротивление, обусловленное уп- ругим взаимодействием трубопровода с грунтом в момент тро- гания. При протаскивании трубопровода с гладкой поверхностью, например с бетонным покрытием, £пас = 0. Величина £пас определяется по формуле Emc = aN 2 / \ / ba-lLtg2 45° + ^- +2cttg 45° + ^ (11.4) где N - число выступающих элементов на поверхности трубы; t - размер выступающих элементов; уест - объемный вес грунта в естественном состоянии. Если выступающими элементами являются, например, оди- ночные утяжеляющие грузы, то N - число грузов, t - толщина стенки груза, а - длина хорды погруженной в грунт части груза. Если выступающие элементы распределены равномерно по длине протаскиваемого трубопровода, то N принимается равным их числу на всей длине и t - равным толщине выступающих де- талей. В табл. 11.1 приведены значения а для грузов; для футеро- ванного трубопровода без грузов а принимается равным 0,3 DH> где Ds - наружный диаметр снаряженной трубы. 277
Таблица 11.1 Условный диаметр трубопро- вода, мм Толщина стенки гру- за t, см Длина хор- ды а, см Условный диаметр трубопро- вода, мм Толщина стенки гру- за t, см Длина хор- ды а, см 400 10 50 700 10 70 15 60 15 80 20 70 20 90 500 10 60 800 15 85 15 70 20 95 20 80 20 95 600 10 65 1000 15 75 15 90 20 85 20 100 Значение дополнительного сопротивления Ту можно получить, рассматривая процесс взаимодействия трубопровода с грунтом при продольных перемещениях в момент трогания (рис. 11.2). В начальный момент приложения тягового усилия Т вследствие растяжимости трубы на некотором участке длиной отсутствует предельное напряженное состояние и имеет место упругое взаи- модействие трубы и грунта. Касательные напряжения по контакту с трубой тх зависят от перемещений их сечений трубопровода. Как показывают экспе- рименты, с увеличением их возрастает тг. При значении их, рав- Рис. 11.2. Схемы распределения касательных напряжений по контакту труба - грунт 278
ном предельным упругим перемещениям щ, тх достигает пре- дельных значений rnpi: тп₽1 = с tg <рр + с, (11.5) где о = q - нормальное напряжение в грунте по поверхности контакта с трубой. При мг> щ на участке длиной 12 происходит проскальзывание трубопровода по грунту. Касательные напряжения в грунте т, равны предельным значениям тпр2 и распределение их по длине 12 равномерное (рис. 11.2, а): *пр2 =<*tg<pp+ с', (11.6) где с' < с - восстанавливающаяся часть сцепления при скольже- нии трубопровода по грунту. Для подводных трубопроводов давление на грунт от веса тру- бы под водой незначительно, кроме того, часто применяются раз- гружающие понтоны, которые еще более уменьшают это давле- ние. Поэтому сцепление с для связных грунтов может быть в несколько раз больше значения atg<p, и изменение с в момент трогания трубопровода будет существенно влиять на величину тягового усилия. Рассмотрим тяговое усилие Tv в момент трогания с учетом упругого взаимодействия трубы и грунта на участке протаски- ваемого трубопровода. Из условия равновесия элемента трубы dr (рис. 11.2, 6) получим d7) - атг dr = 0, (11.7) где Тх - продольное усилие в сечении х. Зависимость между т, и продольными перемещениями трубы и в сечении х для участка примем в виде т, = тП|)1 sin а /и, (11.8) где а^й < л/2; а - коэффициент, характеризующий продольные перемещения трубы в грунте. Значения а могут быть получены на основании эксперимен- тов или при известных предельных упругих перемещениях грун- та Mi из условия = р (11.9) 279
Подставляя зависимость (11.8) в уравнение (11.7) и учитывая, г~>dи dГ. гт du что Тх = EF--; —А- = ЕЕ —-, получаем dx dx dx2 ^--P2sin aVw = 0, (11.10) dx2 где p2 = ax„pi/EF; E и F - модуль упругости и площадь попереч- ного сечения трубы. Нелинейное дифференциальное уравнение (11.10) приводится к уравнению первого порядка методом интегрирующего множи- теля (11.11) Из условий х = 0, и = 0 и du/dx = 0 произвольная постоянная С{ = 0.' Решение уравнения (11.11): (11.12) Точное значение х или li может быть получено непосредст- венно из уравнения (11.12). Для практических расчетов более удобно использовать приближенную формулу (11.13) которая получена из решения уравнения (11.12) и имеет погреш- ность в определении х менее 1 %. При х - li упругие перемещения и достигают предельных зна- чений (11.14) Подставляя выражение (11,14) в формулу (11.13), находим длину участка (11.15) 280
Продольное усилие, воспринимаемое грунтом на участке х</ь с учетом выражений (11.11) и (11.12), равно Т = EF EF J sin cos . (11.16) х dx a N 12 12 12 v Принимая в формуле (11.16) х = lit получаем предельное зна- чение продольного усилия, воспринимаемого участком /р Tt=^EF. (11.17) а При и > щ на участке трубопровода длиной /2 (см. рис. 11.2, б) имеется предельное напряженное состояние в грунте. Максимальное тяговое усилие Т в момент трогания при про- таскивании всего трубопровода длиной I возникает, когда на концах участка Ц касательные напряжения будут равны тпр1 и тпр2 (рис. 11.3) или 7’ = атпр2(/2 + г2) + 7’1-7’и, (11.18) где Тх1 - продольное усилие в трубопроводе в сечении Xt участ- ка It. Значение Xt находим из выражения (11.8), приравнивая тх = = тпР2 и учитывая зависимость (11.13): „ 1 i 4 П ^пр2 Х| = —- 12 arcsin —— . у ^пр! (11.19) После подстановки выражений (11.16), (11.17), (11.19) в фор- мулу (11.18) получаем Т = атпр2(12 +xt) + ^- тпр2 ^пр! arcsin тпр1 (11.20) Рис. 11.3. Схема распределения уси- лий в трубопроводе 281
Если в сечении трубопровода х = 0 перемещение достигает значения и > щ, т.е. трубопровод тронулся с места, то на всей его длине I т(х) = тПр2- Приравнивая в (11.20) тпр1 = тпр2 и l2 + = I, получаем Т = атпр2/, (11.21) что соответствует формуле (11.2), а также (11.3) без учета Ту и Е ^пас* Дополнительное усилие, обусловленное упругим взаимодейст- вием трубопровода с грунтом в момент трогания Ту, будет ТУ = Т1 - Txl - - *() = -отпр2(^ - *|) + + 2PEF 1- а jl-f^l arcsin^ T-npl V ^^npl J ^npl (11.22) Формула (11.20) может быть использована для определения тягового усилия в момент трогания при протаскивании футеро- ванного или бетонированного трубопровода, а также для опреде- ления максимального тягового усилия, необходимого для вытас- кивания подводного трубопровода при проведении капитального ремонта или окончании его эксплуатации. При вынужденных остановках протаскивания на глинистых грунтах усилие трогания иногда оказывается больше начального. Это объясняется присосом трубопровода к грунту. Сила присоса зависит от площади опирания трубопровода на грунт, времени, в течение которого он находится в покое, и виде грунта. На песча- ном грунте присос практически отсутствует. На глинистых грун- тах присос следует учитывать при остановках протаскивания не менее 1 ч. Сила присоса характеризуется удельной силой qa на 1 м2 площади опирания. В плотных глинах и суглинках прибли- зительно можно принять qn = 0,03 тс/м2, в вязких qa = 0,06 тс/м2 Величина присоса может быть также определена по рекоменда- циям, содержащимся в книге [2]. Таким образом, при повторном трогании Т’г.о» = (<7tg<pp + ac')l + Emr +qnF0, (11.23) где Fo - площадь опирания трубопровода на водонасыщенный глинистый грунт. Подставляя наибольшее из усилий, найденное по формулам (11.2), (11.3), (11.23), в условие (11.4), вместо Тар определяют 282
расчетное тяговое усилие Гр, на которое рассчитывают диаметр тягового троса и подбирают тяговые средства. Если профиль дна, по которому протаскивается трубопровод, имеет различные уклоны, то тяговое усилие при равномерном движении трубопровода определяется по формуле Гр = q £ /j(tg<pp( cosaf + sina,), (11.24) 1=1 где a, - уклон профиля дна на участке длиной lf. Знак «плюс» перед вторым слагаемым (11.24) принимается при уклонах дна, соответствующих подъему, а «минус» - спуску. При протаскивании трубопровода с одновременным заполне- нием его водой через отверстие, оставляемое в головной части, необходимо уравнять скорость протаскивания со скоростью за- полнения водой. Если скорость протаскивания будет больше скорости заполнения трубы водой, возможно всплытие незапол- ненной водой части трубопровода. Для обеспечения устойчиво- сти трубопровода необходимо, чтобы уровень воды в нем не опускался ниже уровня воды в водоеме в среднем на 1 м. Считая отверстие для залива воды круглым и определив секундный рас- ход (поступление) воды в отверстие при напоре 1 м (разность уровней воды в реке и трубопроводе), получим выражение для скорости трубопровода п = 2,7-^-. (11.25) Пусть d = 0,2 м, Дв„ = 0,7 м. По формуле (11.25) v = 0,22 м/с; при d = 0,3 м v = 0,5 м/с; при d = 0,4 м и Dm = 1 м v = 0,43 м/с. Следует отметить, что на сопротивление протаскиванию су- щественно влияет режим движения системы: тяговый механизм - трос - протаскиваемый трубопровод. При неустановившемся или переходном режиме этой системы сопротивление протаскиванию изменяется на величину ее силы инерции. Неустановившийся режим движения имеет место при трога- нии трубопровода с места, изменении силы тяги вследствие несо- гласованности в работе тяговых механизмов при протаскивании несколькими тракторами или тягачами, неоднородных грунтах по длине трубы, изменении сопротивления протаскиванию при пе- ремещении трубопровода со спусковой дорожки на дно водной преграды, различных уклонах дна в створе протаскиваемой тру- бы. Силы инерции возникают и вследствие динамического при- ложения тягового усилия при трогании трубопровода «рывком» 283
тракторами. При неустановившемся режиме движения подводно- го трубопровода сопротивление протаскиванию возрастает по сравнению с установившимся движением трубы на величину си- лы инерции, обусловленной массой трубопровода и присоеди- ненной массой воды, окружающей трубопровод. Наименьшее со- противление протаскиванию в момент трогания трубопровода возникает при монотонном увеличении силы тяги с незначитель- ной скоростью ее нарастания. Поэтому очевидно, что на увели- чение тягового усилия инерционное воздействие при протаски- вании трубопровода лебедками влияет значительно меньше, чем при протаскивании тракторной тягой. Таким образом, можно сделать вывод, что упругое взаимодей- ствие трубы и грунта, пассивный отпор грунта, создаваемый утяжеляющими грузами, явления присоса и инерционные воз- действия могут значительно увеличить тяговое усилие в момент трогания трубопровода. При укладке протаскиванием через широкие водные прегра- ды и морские акватории длина протаскиваемого трубопровода ограничивается продольными напряжениями, возникающими от тягового усилия, которые могут превысить предел текучести ме- талла трубы. Максимальные растягивающие усилия возникают у оголовка трубопровода. После снятия тягового усилия в трубо- проводе будут остаточные растягивающие усилия. В глубоководных трубопроводах, укладываемых на глубину несколько сотен метров, от гидростатического давления возни- кают значительные продольные сжимающие усилия. При укладке эти сжимающие усилия уменьшаются на величину растягиваю- щих усилий от протаскивания. Поэтому для глубоководных тру- бопроводов длина протаскиваемого трубопровода не будет лими- тироваться продольными напряжениями от тягового усилия и остаточные напряжения будут сжимающими. Расчет тягового троса Диаметр основного троса (свободного от различных закреплений и приспособлений) определяют по табл. 11.2 в зави- симости от R„, получаемого по формуле Л..=К^’ (И-26) где Тр - расчетное тяговое усилие; п - коэффициент перегрузки, принимаемый для случая протаскивания по грунту равным 2 и по специальным дорожкам (кроме грунтовых) - 1,3; т - коэф- 284
Таблица 11.2 Диаметр троса, мм Площадь сечения всех прово- лок, мм2 Расчетная масса 1000 м троса, кг Разрывное усилие троса К» в зависимости от временного сопротивления разрыву проволок при растяжении, Н/мм2 1600 1700 1800 2000 5,8 15,3 136,5 19,40 20,60 21,80 23,30 7,6 26,41 237,0 33,80 35,90 36,55 39,60 9,2 37,94 340,5 48,55 51,60 52,55 56,85 10,5 51,80 465,0 66,25 70,40 71,75 77,60 12,0 67,31 604,0 86,00 91,20 93,15 100,50 15,0 105,02 942,0 134,00 142,50 145,50 157,50 16,5 127,01 1140,0 162,00 172,00 175,50 190,50 18,5 151,80 1365,0 194,00 206,00 210,00 227,50 21,5 206,33 1850,0 264,00 280,00 285,50 309,00 23,0 236,74 2125,0 302,50 321,50 328,00 354,50 26,0 303,81 2725,0 388,50 412,50 420,50 455,50 30,5 420,07 3770,0 537,50 571,00 582,00 630,00 33,5 508,05 4560,0 650,00 690,50 703,50 761,00 36,5 604,37 5425,0 773,00 820,00 835,00 903,50 39,5 712,06 6390,0 908,00 965,00 985,50 1065,00 42,5 825,32 7405,0 1055,00 1120,00 1140,00 1235,00 45,5 946,94 8495,0 1210,00 1280,00 1305,00 1415,00 48,5 1076,91 9660,0 1375,00 1405,00 1450,00 — 54,5 1361,94 12250,0 1740,00 1780,00 1835,00 - фициент условия работы, принимаемый равным 1,1; k - коэффи- циент однородности для троса, принимаемый для новых тросов равным 1, а для тросов, имеющих обрывы проволок, - 0,8; X - коэффициент тросового соединения. Значения коэффициента тросового соединения X. При изгибе троса: вокруг подвижного блока............................. 0,43 вокруг коуша........................................ 0,67 продетого в отверстие в планке...................... 0,35 через крюк простой петлей........................... 0,20 через крюк закидной петлей.......................... 0,70 При наличии на тросе расправленных узлов............... 0,50 При наличии оплетки.................................... 0,75 Прн сжатии троса специальными зажимами................. 0,70 При наличии простого н двойного, а также задвижного штыков 0,50 При штыковых и полуштыковых узлах при установке менее двух сжимов............................................ 0,70 При наличии на тросе прямого узла: для восьмерки на металле............................ 0,40 для двойной восьмерки на металле.................... 0,70 При определении J?H в формуле (11.26) нужно принимать наименьшее из возможных значений коэффициента X при рас- смотрении фактических условий закреплений и изгибов троса. 285
Расчет анкеров Анкеры устанавливаются для закрепления лебедок и других тяговых средств. Простейшим анкером, рассчитанным на сравнительно небольшие нагрузки, может быть одна или две сваи, забитые в грунт на глубину 5-6 м (стальные трубы). В табл. 11.3 приведены данные по несущей способности свайных анкеров на горизонтальную нагрузку. Для закрепления больших удерживающих тяговое устройство сил, например, лебедку или судно, на котором установлено тяго- вое устройство, используются мощные анкерные, т.е. закрепляю- щие, и якорные системы (см. § 11.2 и § 11.3). Удерживающая способность любых анкеров формируется за счет несущей способности грунтов, на которых или в которых размещается анкерное устройство. В учебнике [2] (гл. 4, 5) рас- смотрены составляющие полной величины сопротивления грунта от усилий, передаваемых анкером (якорем) на грунт. В табл. 11.4 приведены ориентировочные данные по несущей способности анкеров из стальных труб диаметром 40-50 см, рас- положенных на различных глубинах h (рис. 11.4). Тяговое уси- лия Т зависит от угла а между тросом, идущим от анкера, и тя- говым тросом, т.е. Т = ^-, (11.27) cos а где Та - усилие, удерживаемое анкером (см. табл. 11.4). Таблица 11.3 Виды грунта Сваи деревянные Сваи из стальных труб Глуби- на забив- ки, м Допустимая го- ризонтальная нагрузка (в кН) при диаметре свай, мм Глубина забив- ки, м Допустимая го- ризонтальная нагрузка (в кН) при диаметре свай, мм 280 300 320 300 350 400 Пески средней плотно- сти, суглинки и глины тугопластичные выше уровня вод - - - - 20 100 120 150 То же, ниже уровня вод 20 26 28 25 50 60 70 Пески пылеватые, мягкие глины, илы ниже уровня грунто- вых вод 20 14 15 16 30-35 20 30 35 286
Таблица 11.4 Усилие Т„, (в кН) Вид грунта Глубина заложения анкера в грунт, м 1,75 2,0 2,25 2,5 Длина анкера, м 2 2,5 3 2 2,5 3 2 2,5 3 2 2,5 3 Песок средней плотности Суглинок и глина туго- пластичная выше уровня грунтовых вод Суглинок и глина пла- стичная в водной среде Пески пыле- ватые и илы в водной среде 150 170 80 50 180 200 100 70 200 240 120 80 170 190 100 60 210 230 130 75 240 260 150 90 200 220 120 70 230 260 150 85 300 340 170 100 220 260 150 280 350 170 330 400 220 Более сложные конструкции анкерных устройств (якорей) рассчитываются с учетом особенностей формы анкеров, их веса, способа размещения в грунте. Рис. 11.4. Схема анкерного крепления: 1 - анкер; 2 - опорный элемент; 3 - переходный участок троса; 4 - тяговый трос 287
§ 11.2. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ СПОСОБОМ ПРОТАСКИВАНИЯ Протаскивание трубопроводов производится при пересечении какой-либо водной преграды. Такими преградами могут быть реки, озера, заливы, образующиеся на прибрежной территории морей, проливы между двумя отделенными друг от друга территориями. Ширина водных преград может составлять и сотни метров, и несколько километров. В зависимости от ши- рины пересекаемой водной преграды могут применяться различ- ные схемы протаскивания. Рассмотрим основные схемы. Схема 1 Ширина водной преграды позволяет протащить че- рез нее трубопровод полной длины. При этом величина тягового усилия Т должна быть такой, чтобы протаскивание осуществля- лось без остановки (см. § 11.1). Эта схема сравнительно просто реализуется, если оба берега водоема имеют равнинный характер и позволяют разместить в створе подводной трассы трубопровод полной длины на одном берегу, а на другом берегу - тяговые средства (рис. 11.5). Длина протаскиваемого трубопровода ограничивается разме- ром площадок на обоих берегах водоема, а также тяговым усили- ем и наличием для его создания тяговых средств. Как показывает опыт, при большом числе тракторов или других самоходных тя- Рис. 11.5. Схема протаскивания трубопровода через водоем ограниченной ши- рины: 1 - трубопровод; 2 -траншея; 3 - трос; 4 - лебедка 288
гачей трудно добиться синхронности их работы. Например, ис- пользование в качестве тяговых средств мощных тягачей одно- временно более пяти машин на одном тяговом тросе из-за слож- ности синхронизации их работы не приводит к существенному увеличению тягового усилия. При кажущейся простоте схемы именно это вызывает задержки и остановки протаскивания. По- этому накануне протаскивания необходимо провести проверку согласованности в действиях машинистов и одновременно доста- точности тяговых средств. Для этой цели укладываемый трубо- провод один-два раза сдвигают с места, при этом расстановка тяговых механизмов должна быть такой же, как и во время про- таскивания. Наибольшее усилие протаскивания возникает в мо- мент трогания, поэтому при пробном трогании проверяется на- дежность тягового троса, креплений и достаточность тяговых средств. Операция по протаскиванию облегчается применением тяго- вых лебедок большой грузоподъемности, предназначенных спе- циально для протаскивания подводных трубопроводов. Обычно при протаскивании используют один тяговый трос. Однако с увеличением диаметра и длины трубопровода усилие достигает таких значений, что для передачи его от лебедки или тягачей на трубопровод требуется трос, расчетный диаметр кото- рого 50 мм и более. Выполнять такелажные работы с таким тро- сом сложно, поэтому применяют два, а при необходимости и большее число тросов. В этом случае необходимо развести тросы в разные направления, например, как показано на рис. 11.6. Каж- дая лебедка создает свое усилие, однако суммарное усилие, при- ложенное к оголовку трубы, должно быть равно усилию, необхо- димому для протаскивания. Рис. 11.6. Схема протаскивания трубопровода с изменением направления дви- жения тягового троса: 1, 9 - тягачи; 2, 8 - тросы; 3 - понтоны; 4 - трубопровод; 5 - анкер; 6 - блок; 7 - оголовок 289
Схема 2 Протаскивание трубопровода осуществляется с из- менением направления тягового троса на необходимый угол с помощью блока. Эта схема применяется, когда на одном берегу можно разместить подготовленный к укладке трубопровод 1, а на другом устанавливаются лебедки (рис. 11.7, а). Тяговый трос 2 пропускается через поворотный блок 3, изменяя направление движения. Особое внимание уделяют закреплению поворотного блока 3, расчету и устройству анкерной опоры 4. При пересечении водных преград, на одном из берегов кото- рых невозможна установка лебедок, например, при большей кру- тизне берега, протаскивание осуществляют с исходного берега (рис. 11.7, б). На противоположном берегу устанавливают блок, с помощью которого изменяют направление движения тягового троса на 170-180°. Тяговый трос прокладывают по дну траншеи, пропускают через блок и перекидывают на исходный берег, где закрепляют его на тяговой лебедке. Как и в предыдущей схеме, особое внимание уделяют закреплению поворотного блока, рас- чету анкера и испытанию его несущей способности. Для уменьшения тягового усилия можно устраивать спуско- вую дорожку или разгружать трубопровод, поднимая его трубо- укладчиками во время протаскивания. Схема 3 При незначительных размерах площадок в створе перехода, пригодных для строительно-монтажных работ на обоих берегах, протаскивание осуществляется с последовательным нара- щиванием укладываемого трубопровода 2 (рис. 11.8) из секций 1. Рис. 11.7. Схема протаскивания трубопровода с изменением направления тяго- вого усилия 290
Рис. 11.8. Схема протаскивания трубопровода с последовательным наращива- нием секций Спусковую дорожку устраивают по длине отдельных плетей, а протаскивание производят тросом 3. Схема 4 Трубопровод укладывают протаскиванием с одно- временной заливкой внутрь его воды. Этот способ применяют при укладке нефтепроводов, если по условиям судоходства или иным причинам укладка их с поверхности воды не допускается. Вода заливается в процессе протаскивания в специально сде- ланное отверстие в головной части трубопровода. На берегу тру- бопровод перемещают по спусковой дорожке или трубоукладчи- ками. При заполнении трубопровода водой тяговое усилие дос- тигает наибольшей величины в конце протаскивания, когда весь трубопровод уходит под воду. Для уменьшения тягового усилия применяют разгружающие понтоны, которыми заранее оснащают трубопровод. Число понтонов определяют из расчета, чтобы об- щая отрицательная плавучесть (вес трубопровода в воде) созда- вала достаточную устойчивость на сдвиг от воздействия реки. Скорость протаскивания нефтепроводов с самозаливом опреде- ляется расчетом и зависит от диаметров трубопровода и отвер- стия, через которое вода поступает в трубу. Расчет допустимой скорости протаскивания приведен в § 11.1. Схема 5 При ширине водной преграды, превышающей кана- тоемкость барабана тяговой лебедки, укладку трубопровода мож- но выполнить с перестановкой тяговой лебедки на берегу, что исключает перепасовку троса и обеспечивает лучшие условия его эксплуатации. Эта схема возможна при пологом спланированном 291
Рис. 11.9. Схема протаскивания трубопровода с применением поддерживающей баржи: 1 - понтоны; 2 - протаскиваемый трубопровод; 3 - соединительный трос; 4 - поддерживающая баржа; 5 - тяговый трос; 6 - баржЬ с тяговой лебедкой; 7 - якорный трос; 8 - якорные сваи рельефе берега, но для ее осуществления необходимо устройство дополнительных анкерных опор при установке лебедки на новые позиции. Аналогичная схема с установкой тяговых лебедок на барже. Тяговое усилие лебедки при протаскивании трубопровода вос- принимается якорной системой баржи, включающей несколько якорей, масса которых зависит от тягового усилия. При слабых грунтах на участке перехода и значительном тяговом усилии вместо якорей- используют якорные сваи, забиваемые в дно вод- ной преграды. Верхние концы свай оборудуются захватами для якорных тросов баржи. Число якорных опор вдоль трассы тру- бопровода возрастает с увеличением протяженности перехода. При значительном тяговом усилии, достигающем несколько со- тен тонн, может применяться поддерживающая баржа. Протаски- вание трубопровода по этой схеме показано на рис. 11.9. Схема 6 Применяется при ширине водной преграды, превы- шающей канатоемкость тяговой лебедки. По этой схеме (рис. 11.10, а) с помощью дополнительной лебедки (дополнительного барабана с механическим или электрическим приводом) сматы- вают лишний трос с барабана тяговой лебедки. Эта схема ис- пользуется при стесненных для установки лебедки условиях бе- регового рельефа. Схема 7 Применяется как схемы 5 и 6 при ширине водной преграды, превышающей канатоемкость тяговой лебедки. Вместо замены и перепасовки троса на барабане тяговой лебедки произ- 292
Рис. 11.10. Схема протаскивания трубопровода: а - с периодическим сматыванием троса с барабана тяговой лебедки; б - с подтя- гиванием второй линии троса; 1 - трубопровод; 2 - тяговый трос; 3 и 4 - соеди- нительные звенья тросов; 5 - тяговая лебедка; 6 - анкерная опора; 7 - вспомога- тельная лебедка; 8 - блок на оголовке трубопровода водится перепускание тягового троса через блок на оголовке и подтягивание второй линии троса (рис. 11.10, б). Дополнитель- ная лебедка должна обладать достаточной мощностью для подтя- гивания троса после заполнения барабана основной тяговой ле- бедки. Схема 8 Укладка трубопровода выполняется протаскивани- ем с перепасовкой троса над поверхностью воды (рис. 11.11). Эта схема может быть использована при протаскивании подводного перехода в зимних условиях. Она была применена при укладке подводного трубопровода через реку Енисей. После протаскива- ния первых трех плетей общей длиной 1110 м возникла необхо- димость в перепасовке троса через блок для увеличения тягового Рис. 11.11. Схема протаскивания с перепасовкой троса над поверхностью воды: 1 - трубопровод; 2, 3 - шарниры; 4 - штанга; 5 - блок; 6 - тяговый трос 293
усилия лебедки вдвое. Обычно вторичное закрепление троса к оголовку и перепасовка его через блок выполняется водолазами и на больших глубинах представляет собой сложную, связанную со значительными затратами времени, операцию. С помощью специального приспособления оголовок с блоком был поднят с глубины 36 м на поверхность льда (положение 1Г), и все работы с перепасовкой троса выполнены на льду. Приспособление пред- ставляет собой штангу, изготовленную из трубы диаметром 219 мм и длиной 48 м, шарнирно соединенную с передним концом протаскиваемого трубопровода. К другому концу штан- ги приварен оголовок из трубы диаметром 426 мм. Через от- верстие в оголовке пропущен трос в виде петли для поднятия штанги. После перепасовки троса штангу опустили на дно и продол- жили протаскивание трубопровода. Схема 9 Протаскивание трубопровода осуществляется с по- мощью двух лебедок, установленных на барже (рис. 11.12). Ис- пользование этой схемы позволяет уменьшить число перестропо- вок на анкерной линии и увеличить длину протаскиваемой пле- ти. Протаскивание производится в следующем порядке: вначале работает лебедка 3, которая подтягивает трубопровод к непод- вижной барже, затем в работу включается лебедка 4, подтягивая одновременно трубопровод и баржу к берегу. Схема 10 Применяется при укладке протаскиванием морских трубопроводов на глубинах от нескольких сотен метров до 1000 м и более, когда использование самых современных трубоукладоч- ных барж становится экономически неэффективным. При уклад- ке протаскиванием в таких условиях трубопровод почти не под- Рис. 11.12. Схема протаскивания двумя лебедками, установленными иа барже: 1 - трубопровод; 2 - тяговый трос; 3 и 4 - тяговые лебедки; 5 - баржа; 6 - ан- керный трос; 7 - анкерная опора 294
вергается воздействию волн и течений и не испытывает напря- жений от изгиба трубы по сравнению с укладкой трубопровода с трубоукладочных барж. Укладку трубопровода от берега до глубины 1000 м целесооб- разно выполнять комбинированным способом: на континенталь- ном шельфе и до глубин 200 м укладка ведется с трубоукладоч- ной баржи, на глубинах от 200 до 1000 м трубопровод протаски- вается. Поскольку соединение отдельных протаскиваемых пле- тей на больших глубинах весьма сложно и требует значительных затрат, длина плетей должна быть не менее протяженности глу- боководного участка в пределах континентального склона, т.е. примерно 14-25 км. Очевидно, что протаскивание плети такой длины возможно только при минимальной отрицательной плаву- чести трубопровода 10-20 кг/м. Протаскивание трубопровода в условиях небольших и сред- них глубин осуществляется лебедками, установленными на палу- бе баржи (см. схемы 5 и 9), тяговый трос проходит непосредст- венно от оголовка трубопровода к лебедке. При укладке протаскиванием трубопроводов на больших глубинах от таких схем приходится отказываться из-за их неэф- фективности и невозможности регулировать горизонтальную со- ставляющую усилия с баржи. На больших глубинах по предла- гаемой схеме, показанной на рис. 11.13, протаскивание осуществ- ляется циклически с использованием операций подъема и опус- кания тяжелых грузов - донных блоков 6 плавучими кранами. Сначала прокладывают анкерный трос 5 на всю длину участка протаскивания с одним концевым анкером для исключения не- обходимости установки дополнительных анкеров в процессе про- таскивания трубопровода. Трубопровод начинает перемещаться после подъема блока 6 примерно на 200 м от дна, скорость протаскивания возрастает с увеличением высоты подъема блока. Оптимальная высота подъ- ема блока зависит от условий прохождения трассы и усилия протаскивания трубопровода. Перед оголовком могут быть уста- новлены шарнирно соединенные секции из труб для образования углубления, по которому затем будет перемещаться протаскивае- мый трубопровод. После каждого цикла протаскивания трос ан- керной линии выбирается с помощью гидравлического зажима, установленного на донном блоке (рис. 11.14). Схема 11 В отличие от предыдущей схемы для протаскивания глубоководного трубопровода используется не подъем массивного 295
в Рис. 11.13. Схемы протаскивания трубопровода с подъемом донного груза: а - донный груз опущен, гидравлический зажим закрыт; б - цикл подъема донно- го груза, гидравлический зажим закрыт; в - цикл опускания донного груза, гид- равлический зажим открыт; 1 - трубопровод; 2 - шарнирно соединенные секции труб для образования углубления в грунте; 3 - подъемный трос; 4 - крановое судно; 5 - анкерный трос; 6 - донный блок; 7 - гидравлический зажим донного блока, а его перемещение по дну (рис. 11.15). Усилие про- таскивания создается гидравлическими тяговыми устройствами, прикрепленными к массивному блоку, который перемещается по дну моря между отдельными циклами протаскивания. Анкером 296
Рис. 11.14. Конструкция донного блока: 1 - тяговый трос; 2 - донный блок; 3 - контрольный кабель зажима; 4 - подъем- ный трос; 5 - гидравлический зажнм; 6 - шкив; 7 - анкерный трос Рис. 11.15. Схема протаскивания трубопровода с использованием перемещения донного груза: 1 - протаскиваемый трубопровод; 2 - тяговый трос; 3 - гидравлическое тяговое устройство; 4 - буровая вышка; 5 - лебедки; 6 - буровая колонна; 7 - массивный блок (донный груз); 8 - анкерная линия
при перемещении массивного блока служит второй якорный блок, который создает дополнительное (помимо массивного дон- ного блока) сопротивление при протаскивании трубопровода. Массивный блок в неподвижном состоянии используется для протаскивания трубопровода, а при перемещении по дну служит бульдозером, выравнивающим дно. Уменьшение сопротивления при продольном перемещении массивного блока можно достичь приложением к нему подъемного усилия с кранового судна или использованием понтонов с регулируемой плавучестью. Расчет силы протаскивания, создаваемой по этой схеме мож- но определить, используя решение для канатов якорной систе- мы [1]. § 11.3. КОНСТРУКЦИИ СПУСКОВЫХ ДОРОЖЕК И МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ПРОТАСКИВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ Трубопроводы, подготовляемые для подводной про- кладки, размещают на берегу на специальных дорожках, которые служат для спуска трубопровода с берега в подводную траншею или на поверхность воды. На практике используются спусковые дорожки различных типов. Грунтовые дорожки представляют собой спланированную по- лосу грунта в створе перехода на берегу водоема. Дорожку дела- ют прямолинейной в плане. Профиль дорожки планируют так, чтобы он имел уклон в сторону водоема или был горизонталь- ным. Даже незначительный обратный уклон создает большое до- полнительное усилие протаскивания. По грунтовым дорожкам можно протаскивать только бетонированные или футерованные трубопроводы. Следует иметь в виду, что при песчаных грунтах протаскивание осуществляется легче по сухому основанию, а при глинистых - по сильно увлажненному. По мере продвижения трубопровода с берега в подводное по- ложение (по поверхности дна или в траншее) величина тягового усилия уменьшается, поскольку за счет действия подъемной си- лы Архимеда уменьшается вес единицы длины трубопровода, а значит уменьшаются силы сопротивления перемещению трубо- провода. Кроме того, сопротивление протаскиванию подводного участ- ка можно еще уменьшить, применив разгружающие понтоны. Ледовые дорожки применяются в зимних условиях. Ледовую дорожку устраивают на сравнительно ровном или с небольшим 298
г уклоном к берегу заливкой водой неглубокой траншеи или намо- раживанием дорожки на поверхности грунта. Водная спусковая дорожка представляет собой траншею, раз- работанную на берегу водоема в створе перехода и заполненную водой. Длина водной спусковой дорожки принимается равной длине протаскиваемого трубопровода, глубина воды в траншее - на 0,2-0,5 м больше осадки трубопровода или диаметра газопро- вода, ширина дорожки по дну на 0,3-0,5 м больше диаметра трубопровода. Наилучшее условие для устройства такой дорож- ки - низкий и ровный берег. Чем меньше возвышается поверхность берега над уровнем во- доема, тем меньшей глубины разрабатывают траншею. В практи- ке имеются примеры укладки трубопровода по водным спуско- вым дорожкам, когда поверхность берега на 2-3 м выше горизон- та воды в реке. В этом случае береговую траншею отрывают на глубину 2-3 м, а у уреза воды оставляют грунтовую перемычку, и бульдозер для уменьшения потери воды из береговой траншеи периодически засыпает образующуюся в перемычке прорезь из резерва грунта. Одновременно насосом или наполнительным агрегатом закачивают в траншею воду из водоема. Кроме перечисленных спусковых дорожек широко применя- ются специальные дорожки - роликовые и рельсовые. Использование специальных спусковых дорожек позволяет значительно уменьшить сопротивление перемещению берегового участка трубопровода, применять тяговые средства меньшей мощности и увеличивать длину протаскиваемых плетей, сокра- щая время протаскивания за счет уменьшения числа стыковых соединений отдельных плетей. Роликовая спусковая дорожка представляет собой ряд опор с роликами, расстояния между которыми определяют в зависимо- сти от размеров и массы единицы длины укладываемого трубо- провода (рис. 11.16). По роликовой спусковой дорожке протас- кивают трубопроводы с бетонным покрытием; применение роли- ков с пневматическими шинами позволяет протаскивать трубо- проводы с обычной деревянной футеровкой без нарушения сплошности изоляционного покрытия. Комплект роликовой спусковой дорожки для укладки трубо- проводов с бетонным покрытием диаметрами 1220 и 1420 мм включает: роликовые опоры грузоподъемностью 33у35 т, при- урезное спусковое устройство, стапель, устройство для перекаты- вания плети трубопровода со стапеля на спусковую дорожку и тормозную лебедку. Схема роликовой спусковой дорожки для трубопроводов больших диаметров показана на рис. 11.17. 299
Рис. 11.16. Схема роликовой спусковой дорожки: 1 - тормозная лебедка; 2 - плеть трубопровода; 3 - роликовые опоры; 4 - приурезное спусковое устройство; 5 - балки- перегружатели; 6 - лебедка для перекатывания труб; 7 - стапель
Рис. 11.17. Схема установки плети трубопровода на роликовую дорожку: а, б, в, г - последовательные положения плетн трубопровода; 1 - траншея; 2 - выдвижная балочная опора; 3 - плеть трубопровода; 4 - опора под плети трубо- провода; 5 - стопорные башмаки; 6 - трубоукладчик На стапеле осуществляется монтаж и сварка бетонированных труб в плети. Плеть со стапеля перекатывается на балки-пере- гружатели, которые одним концом шарнирно закреплены на ста- пеле, а вторым подвешены с помощью отстропливающего уст- 301
ройства. Балки-перегружатели расположены несколько выше ро- ликовых опор. После отстроповки устройства балка-перегружа- тель поворачивается и плеть трубопровода опускается на роли- ковые опоры. Приурезное спусковое устройство предназначено для умень- шения давления и, соответственно, уменьшения сопротивления грунта перемещению трубопровода при сходе его с ближайшей к урезу роликовой опоры. Кроме того, это устройство уменьшает нагрузку на ближайшую к урезу роликовую опору. Приурезное спусковое устройство может быть выполнено в виде понтонов или рамной конструкции с дополнительными роликоопорами. Протаскивание трубопровода по роликовой спусковой дорож- ке проводится в следующем порядке: первую плеть со стапеля перегружают на роликоопоры и протаскивают. Спусковая дорож- ка освобождается для перегрузки на роликоопоры второй плети. После пристыковки второй плети к первой, изоляции и бетони- рования сварного стыка протаскивание возобновляется, затем аналогично пристыковывают и протаскивают остальные плети. В начале спусковой дорожки устанавливают тормозную лебедку, которая препятствует самопроизвольному движению плети тру- бопровода, гасит силы инерции при трогании трубопровода. Рельсовые спусковые дорожки, так же как и роликовые, значи- тельно уменьшают тяговые усилия при протаскивании берего- вого участка трубопровода. В отличие от роликовых рельсовые дорожки позволяют протаскивать не только трубопроводы, имеющие гладкую поверхность, например, бетонированную, но и трубопроводы, оснащенные отдельными грузами и понтонами. Существуют различные конструкции рельсовых дорожек: уз- коколейные с двухосными и одноосными вагонетками, сборные рельсовые пути со специальным оборудованием для спуска тру- бопроводов. Узкоколейную дорожку устраивают обычно прямолинейной в плане и горизонтальной или с незначительным уклоном в сторо- ну водоема по профилю. Перед сборкой рельсовой дорожки про- водят бульдозером планировку полосы грунта в створе перехода: срезают выступы, бугры, засыпают ямы и т.д. Один из важных элементов спуска - вывод вагонеток из-под трубопровода. Рекомендуется следующий способ. В конце пути устраивают приямок, в который сваливаются вагонетки. На дру- гом конце приямка трубопровод уже опирается на грунт. Из приямка вагонетка сразу же вытаскивается автокраном. Для бы- строго выполнения этой операции на подходящую к приямку вагонетку за специальную скобу крепится трос длиной 4-5 м с огонами на концах. Как только вагонетка подходит к приямку, 302
второй огон набрасывают на крюк крана, и свалившаяся в при- ямок вагонетка немедленно вытаскивается из него. С помощью второго троса в этот момент готовится к аналогичной операции следующая вагонетка. Опыт показывает, что описанным спосо- бом вагонетки удаляются из-под трубопровода без каких-либо осложнений. Можно применить и способ, заключающийся в том, что вагонетки, не доходя до уреза воды, отводят по отводному рельсовому пути, а трубопровод продолжает двигаться прямоли- нейно, опираясь на остальном участке до уреза на катки или ро- лики. В отечественной практике хорошо зарекомендовали себя ва- гонетки, разработанные СКВ «Газстроймашина». В состав ком- плекта оборудования входят: 500 м сборного рельсового пути, 25 тележек, понтонное устройство и опорное устройство. Трубопровод крепится к тележке с помощью подвески, кото- рая позволяет автоматически отстропливать трубопровод при входе в воду. Тележка имеет положительную плавучесть и в конце спусковой дорожки, освободившись от трубопровода, всплывает и доставляется на берег. Для протаскивания подводных трубопроводов применяется различное оборудование, а также различные машины и механиз- мы: тяговые лебедки, тракторы, бульдозеры, трубоукладчики и специальные механизмы. При строительстве подводных переходов значительной про- тяженности, когда тяговые усилия достигают большой величины, применяются специальные лебедки, предназначенные для про- таскивания трубопроводов (рис. 11.18). Лебедка имеет якорную систему для удержания ее от переме- щений во время протаскивания. Она состоит из анкера 1 или якоря, полиспаста 2, якорного каната 3, лебедки 4 и прижимов. Якорь крепится к лебедке с помощью якорного каната, пропу- щенного через полиспаст. На одном конце якорного каната устанавливается динамо- метр, а другой конец каната идет на барабан якорной лебедки. Якорная лебедка предназначена только для сматывания якорного каната и не воспринимает тяговое усилие при протаскивании трубопровода. По динамометру контролируется тяговое усилие, возникающее при протаскивании трубопровода. Один из основных элементов лебедки - тяговый барабан, ко- торый насажен на вал и вращается вместе с ним в подшипниках качения, воспринимающих как радиальные, так и осевые нагруз- ки. Тяговый трос наматывается на барабан в несколько слоев, правильная намотка его обеспечивается тросоукладчиком. С уве- личением числа витков растет диаметр навивки и уменьшается 303
Рис. 11.8. Схема установки лебедки для протаскивания трубопровода: 1 - анкер; 2 - полиспаст анкера; 3 - якорный канат; 4 - лебедка
максимальное тяговое усилие при одной и той же скорости вра- щения барабана. На лебедке должно обеспечиваться автоматиче- ское изменение скорости протаскивания трубопровода в зависи- мости от создаваемого трубопроводом сопротивления протаски- ванию. Наибольшее усилие, создаваемое лебедкой, показанной на рис. 11.18, достигает 300 т, при этом скорость протаскивания со- ставляет около 6 м/мин. Для увеличения тягового усилия, создаваемого на лебедках, можно применить схему, показанную на рис. 11.19. При этом снижается скорость протаскивания. Вся система тягового устрой- ства включает основной анкер 1, удерживающий расчетное уси- лие протаскивания, два анкера 7 вспомогательных, удерживаю- щих усилие 0,1-0,3 от расчетного, тяговую лебедку 9, две трубча- тые штанги 6, направляющий блок 5, основной полиспаст 2, под- вижный блок 3, тяговый трос 8, возвратный трос 4. Как видно из рисунка, расчетное тяговое усилие передается на основной поли- спаст, а подвижный блок 3 с помощью лебедки 9 приводит в движение трубопровод. Развитие техники для укладки подводных трубопроводов про- таскиванием идет по двум направлениям: создание более мощ- ных тяговых лебедок барабанного типа и разработка механизмов принципиально нового типа - значительно меньших габаритов и массы, обеспечивающих укладку трубопроводов большой протя- женности. В обычных барабанных лебедках одновременно с соз- данием тягового усилия производится намотка троса на барабан. По мере намотки троса диаметр и масса барабана увеличиваются, а тяговое усилие при одном и том же крутящем моменте умень- шается. Это является нежелательным, поскольку во многих слу- чаях максимальное тяговое усилие возникает в конце протаски- вания трубопровода, а лебедка, полностью заполненная тросом, создает минимальное усилие. Поэтому представляют интерес устройства, в которых барабан для намотки троса отделен от блока, создающего тяговое усилие. Конструкция такого устройства, разработанного в США, и общая схема протаскивания трубопровода с помощью этого устройства показаны на рис. 11.20. Предварительно на дно подводной тран- шеи или непосредственно на морское дно укладывают трос 3, передний по направлению протаскивания конец которого закреп- ляют на дне моря или противоположном берегу водоема в створе перехода с помощью анкера (якоря) 2 (рис. 11.20, а). Положение анкера на поверхности воды обозначается поплавком 1. Тяговый механизм 5 специального устройства, передвигаясь по тросу 3, протаскивает трубопровод 6. Тяговый механизм смонтирован на раме, установленной на салазках 15 с загнутыми концами 9 для 305
Рис. 11.19. Схема тягового устройства
a Рис. 11.20. Конструкция специального устройства и общая схема протаскива- ния трубопровода с помощью этого устройства облегчения перемещения по морскому дну (рис. 11.20, б). На пе- редней поперечине 7 имеется отверстие и расположены два блока 8 для направления троса 3. На раме установлены два поршневых устройства 10, штоки поршней которых закреплены одним кон- цом с передней поперечиной 7, а другим концом - с задней по- перечиной 16. По оси тягового механизма к поперечинам 7 и 16 жестко подсоединены два захвата-зажима 11 и 14. Задний захват 14 вместе с поперечиной 16 может перемещаться по направ- ляющим вдоль салазок 15 в соответствии с ходом штоков порш- ней. Перемещение салазок и протаскиваемого трубопровода 6 осуществляется в такой последовательности. Задний захват 14 зажимает трос, а передний 11 в этот момент освобождает его, и салазки вместе с передним захватом с помощью поршневого уст- ройства 10 перемещаются по направляющему тросу. Затем пе- редний захват зажимает трос, а задний освобождает его, и проис- 307
ходит подтягивание штоками 13 поршневого устройства заднего захвата с поперечиной 16 и трубопровода 6. Поршневое устрой- ство с попеременной работой задних и передних захватов может создавать при тросе диаметром 50 мм непрерывное тяговое усилие до 90 тс со скоростью протаскивания трубопровода до 20 м/мин. Энергетический блок, насос и топливные баки, питающие жидкостью поршневое устройство и захваты, расположены на сопровождающем судне 4 (см. рис. 11.20, а). Сопровождающее судно соединяется с тяговым механизмом 5 с помощью гибких шлангов. Трубопротаскивающее устройство оснащено понтонами 12 (см. рис. 11.20, б), которые уменьшают сопротивление его при движении по морскому дну и исключают вращение протаскивае- мого трубопровода. Поперечина 16 тягового механизма соединена планкой 17 с оголовком 19 протаскиваемого трубопровода. Оголовок закреп- лен с трубопроводом с помощью фланцев 20. Для предотвраще- ния зарывания в грунт оголовок установлен на салазках 21 и оснащен понтоном 18. Понтон, кроме того, уменьшает воз- можность вращения трубопровода, поскольку при растяжении тяговый трос может раскрутиться и вызвать вращение всей сис- темы. При достижении трубопроводом заданной точки процесс протаскивания прекращается, и тяговый механизм отсоединяется от трубопровода. Оголовок может быть снят, а протаскиваемый трубопровод подсоединен к морской платформе или ранее про- ложенному трубопроводу. Если длина троса, по которому перемещается тяговый меха- низм, недостаточна, то при достижении анкерной точки 2 захва- ты освобождают трос, который затем протягивается и закрепля- ется в следующей анкерной точке. Таким образом можно пере- местить трубопровод на любую длину. Длина трубопровода, про- таскиваемого без повторного заякоривания троса, ограничена только диаметром и длиной применяемого троса. Поскольку в последних схемах применяются полиспасты, то усилие на ходовом конце троса может быть определено по формуле 1 + i Г‘” <П'28) где Тр - расчетное тяговое усилие протаскивания трубопровода; п - суммарное число шкивов в блоках; k - коэффициент, равный 10 для стального троса и 6 - для каната. Если ходовой конец троса сбегает с неподвижного блока, то 5 = (11.29) 308
Глава 12 УКЛАДКА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ Рассмотренный в предыдущей главе способ протас- кивания предполагает, что строительство подводного трубопро- вода осуществляется в подводном положении. Достоинством это- го метода является исключение воздействия на трубопровод волн, льда и, самое важное, необходимости искривлять трубо- провод больше, чем это обусловлено рельефом дна. Это обеспе- чивает сохранность как самого трубопровода, так и защитных утяжеляющих покрытий. Однако применение способа протаски- вания возможно не во всех случаях, в практике применяется другой способ строительства - укладка трубопроводов с поверх- ности воды. В ряде случаев этот способ является единственно возможным. Рассмотрим наиболее часто применяемые схемы ук- ладки подводных трубопроводов с поверхности воды, предвари- тельно отметив одно важное условие: в любом случае должна быть обеспечена возможность размещения трубопровода на по- верхности воды. Это может быть обеспечено выполнением одно- го из трех условий: а - трубопровод обладает положительной плавучестью; б - трубопровод обладает отрицательной плавучестью, но с помощью понтонов ему создается положительная плавучесть; в - трубопровод опускается на воду со специальных судов, называемых обычно трубоукладочными баржами. При строительстве подводных трубопроводов на северных морях необходимо наличие свободной от льда поверхности воды. В противном случае укладка с поверхности воды становится не- возможной. Выполнение каждого из этих условий требует соответствую- щих технических средств и серьезных расчетных обоснований. § 12.1. УКЛАДКА ТРУБОПРОВОДОВ, ОБЛАДАЮЩИХ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ПЛАВУЧЕСТЬЮ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ Этот способ был первым, с помощью которого на- чала осуществляться укладка подводных трубопроводов. На рис. 12.1 показана принципиальная схема укладки с поверхности воды трубопровода, обладающего положительной плавучестью. 309
Рис. 12.1. Схема укладки трубопровода с поверхности воды Для того чтобы трубопровод начал погружаться в воду необходи- мо в какой-либо его части 2 создать отрицательную плавучесть. Начиная при этом погружаться, трубопровод образует так назы- ваемую переходную кривую, т.е. участок между плавающей частью трубы 3 и частью, опустившейся на дно водоема 1. Трубопровод на дне будет иметь отрицательную плавучесть, отрицательную плавучесть будет иметь и часть переходной кривой. Длина пере- ходной кривой зависит от характеристик трубы (/ - момент инерции, F - площадь сечения стенки трубы, 8 - толщина стен- ки), соотношения отрицательной и положительной плавучести, а также от глубины водоема на участке переходной кривой. В конечном итоге возможность укладки трубопровода мето- дом свободного погружения определяется величиной напряже- ний, возникающих в наиболее опасном для прочности трубопро- вода напряжений от изгиба. 1. Рассмотрим этот расчетный случай (одним из первых его исследовал В.Ф. Кожинов), приняв допущение о том, что в се- чениях на концах переходной кривой у' = у" = Q (рис. 12.2), а перерезывающие силы равны Q = Qo (х = 0) и Q = Q. (х = с). Не приводя здесь подробно ход решения В.Ф. Кожинова, запишем лишь конечные результаты по определению основных парамет- ров для переходного участка трубопровода. Наибольшие значения изгибающих моментов в пределах уча- стков а и b определяются по формулам = (12.1) = (12.2) где EI - изгибная жесткость трубы; со = р + q\ р - отрицатель- ная плавучесть; q - положительная плавучесть; и ср* - безраз- 310
Рис. 12.2. Расчетная схема погружаемого трубопровода: а - схема погружения; б - нулевые граничные условия на обоих концах трубо- провода; в - ненулевые граничные условия для конца трубопровода, находящего- ся на поверхности воды мерные функции, зависящие от p/q, определяются по графику рис. 12.3. Длина участка а, имеющего отрицательную плавучесть: а = _____________________ у со (п - 0,5)2 - 0,25n4q (12.3) где п = с/а , с = а + b - полная длина погруженного в воду уча- стка трубопровода. 311
Рис. 12.3. График зависимости коэффициентов и vt от отношения p/q Зависимость п от отношения p/q представлена на графике рис. 12.4. Глубина погружения трубопровода h (в см) вычисляется по формуле h= 3150v гср (12.4) где стд - контролирующее напряжение, равное расчетному сопро- тивлению материала труб; 8 - толщина стенки труб, см; ц/ - ко- эффициент, принимаемый равным при p/q > 1 и при p/q < < 1; гср - средний радиус трубы. Рис. 12.4. График зависимости п от p/q: а- 0< — <5;6-0< — <50 <7 <7 312
Порядок расчета по приведенным формулам следующий: а) для заданных h и p/q определяется значение максимально- го изгибающего момента при p/q > 1 по формуле (12.1) и при p/q < 1 по формуле (12.2); б) находится величина максимального напряжения в трубо- проводе сттах= —, (12.5) где W - осевой момент сопротивления сечения трубы; в) сравнивают сттах с величиной контролирующего напряже- ния стд. Если сттах S стд> то погружение трубопровода возможно. Далее определяются значения остальных параметров: п - по гра- фику рис. 12.4; а - по формуле (12.3); с = an; h - по формуле (12.3). Если сттах > стд> то принимают меры к уменьшению сттах изменением отношения p/q. 2. Расчет укладки трубопровода с учетом ненулевых гранич- ных условий в точке его выхода на поверхность воды. Как пока- зывают эксперименты, а также наблюдения за укладкой трубо- проводов, нулевые граничные условия для конца трубопровода, находящегося на поверхности воды (х = 0, см. рис. 12.2, б"), не выполняются. Неучет этого фактора в некоторых случаях приво- дит к неточностям при определении допустимой глубины уклад- ки трубопровода, максимальных напряжений и длины погружен- ных в воду участков трубы а и с. Для определения действительного напряженного состояния и параметров укладки представим трубопровод как балку с тремя участками (рис 12.2, в): на первый участок а действует нагрузка интенсивностью р, на второй участок b - нагрузка интенсивно- стью q и третий х, частично погруженный в воду, будем рассмат- ривать как балку на упругом основании. Дифференциальное уравнение изгиба трубопровода для третьего участка (см. рис. 12.2, в) имеет вид EIylv +ky = 0, (12.6) где k - коэффициент, характеризующий упругость основания; Поскольку поперечное сечение трубопровода не прямоуголь- ное, то коэффициент упругости k можно считать функцией пере- мещения: £ = 24j(y + a0)(D-y-a0), (12.7) где у - удельный вес воды; «о - начальная осадка трубопровода, находящегося на плаву (рис. 12.5). 313
Рис. 12.5. Схема расположения прямолинейного трубопровода иа плаву Подставляя выражение (12.7) в уравнение (12.6), получаем EIylv + 2 у f J(y + a0)(D-y-a0) dy = 0. (12.8) о Решения этого нелинейного дифференциального уравнения в замкнутом виде не имеется. Поэтому вместо точного значения коэффициента k по (12.7) примем его усредненное значение рав- ным kcp: *ср=^, (12.9) Уо где уо - расстояние от верха трубы до уровня воды при располо- жении прямолинейного трубопровода на плаву (см. рис. 12.5). Значение у о можно определить по графику (рис. 12.6) в зави- симости от величины безразмерного отношения веса единицы длины трубы в воздухе qi и интенсивности нагрузки д. Расположим начало координат в точке выхода трубопровода на свободную поверхность воды и направим оси, как показано на рис. 12.2, в. Тогда для полубесконечной балки на линейном упру- гом основании, загруженной на конце сосредоточенной силой Qo и изгибающим моментом Мо, значения прогиба и его производ- Рис. 12.6. График зависимости Уо/р ОТ q/qt 314
ных будут определяться решением однородного дифференциаль- ного уравнения (12.7): у(х) = —|—е [ — ’ ф2Е! LI0 у'(х) = —5— е рг [мйIcosPx-— sinBx ; * v ' р£7 LI ° 20 J 2p _ */'(*) = ~e^x sin Px - Mo cos px ; Уш(х) = Z7e PX [(Wo -Qo)sinpx + QoCospx], где P = V7-2F7- V *УоЕ1 Учитывая, что при х = 0 у = -уй и &срг/о = q, получаем значе- ния начальных параметров в виде Л/о = ^ + -^. Р 2р2 Рассмотрим полностью погруженный участок трубопровода длиной с. Принимая во внимание направление координатных осей для этого участка (см. рис. 12.2, в) и учитывая граничные условия у! = 0 и у'с' = 0, получаем методом начальных парамет- ров следующие выражения для угла поворота и изгибающего момента: (12.10) (12.11) (12.12) -EIy{, -Moc-^ + ^- yo ° 2 6 6 2 2 -Mo-QoC + ^--^- = O. Решая совместно уравнения (12.10)—(12.12) и переходя к без- размерным параметрам, получаем з 2a3 - 3(c + l)a2 + m (12.13) где a = pa; c = pc; m = q/m. 315
Используя условие равенства нулю третьей производной уп- ругой оси для первого, второго и третьего участков трубопрово- да, получаем значения координат с максимальными изгибающи- ми моментами на каждом участке. После подстановки этих коор- динат в уравнения изгибающих моментов, получим значения безразмерных максимальных напряжений на первом участке ста, на втором участке ст6 и на третьем частично погруженном участ- ке трубопровода стп: 2p2a.lV 1 I- - Ж \2 =^^ = -^Q20 + 2Q0+mj; (12.14) . -2о й„ = , СО ’ где стп - максимальные напряжения на первом, втором и третьем участках трубопровода; Q, = QoP/co - безразмерная по- перечная сила. Величина Qo определяется из выражений (12.10) и (12.12) <12л5> Безразмерная глубина укладки трубопровода h = h/y0, полу- ченная по методу начальных параметров, имеет вид h = ~ [^(Оо + «)cJ -(1 + 3m) с4 +(с -e)4J, (12.16) где h - глубина укладки трубопровода (глубина водоема ht равна h + D). Расчет напряженного состояния и допустимой глубины ук- ладки трубопровода можно выполнить по формулам (12.13)- (12.16). Для облегчения расчетов и выбора наиболее рациональных параметров укладки трубопровода применительно к различным условиям практики составлены графики зависимостей ст = f(m, с), которые представлены на рис. 12.7 и 12.8. На этих же графи- ках указаны области, соответствующие максимальным напряже- 316
ст 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 0,1 ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 т Рис. 12.7. Графики зависимости о от т для различных с (слева от пунктир- ной линии максимальные напряжения на участке а (см. рис. 12.2) Рис. 12.8. Графики зависимости h от т при различных значениях с: АБВГ - область, соответствующая максимальному напряжению на участке а, От»» = о»; БВД - область, соответствующая максимальному напряжению на участ- ке Ь, От,, = ОД ВДЕК - область, соответствующая максимальному напряжению на участке трубопровода, расположенном над поверхностью воды, Одах = <тп; ЕКМ - граница, ниже которой расчетная схема трубопровода соответствует длине участ- ка b = 0
ниям ов, ср,, оп. Пользуясь графиком h = f(m, с), для заданных параметров h и т легко установить на каком из трех участков (см. рис. 12.2) погружаемого трубопровода возникают макси- мальные напряжения. Расчет допустимой глубины укладки трубопровода выполня- ют в такой последовательности: 1) вычисляют значения о = 2р2 olWco и т = «у/со; 2) определяют с по графику зависимости о = f(m, с), для заданных о и т (см. рис. 12.7); 3) определяют h по графику зависимости h = f(m, с) для вычисленных значений тис (см. рис. 12.8); 4) определяют глубину водоема, на которой возможна укладка трубопровода: h3-hy0+D, (12.17) здесь D - внешний диаметр трубопровода. Порядок расчета напряжений при заданной глубине водоема Лв следующий: 1) вычисляют значения - и т = — \ (12.18) Уо w 2) определяют о по графику зависимости h = f(m, о) для вычисленных значений h и пг; 3) определяют напряжения от изгиба трубопровода которые не должны превышать допустимых значений стд. В случае, если вычисленная глубина водоема меньше задан- ной или вычисленное значение напряжения больше допустимого, то для обеспечения безаварийной укладки трубопровода на за- данную глубину необходимо изменить параметр т применением дополнительной пригрузки (балласта) или разгружающих понто- нов и повторить расчет. Пример. Определить допустимую глубину погружения трубо- провода при следующих параметрах: D = 102 см, £7 = 8,4987х хЮ11 кгс/см2, W = 7936 см , q = 5,79 кгс/см, со = 7,841 кгс/см, 318
уо = 67,1 см, р = 3,991-КГ4 1/см, допустимое напряжение од = = 3050 кгс/см2. Определяем значения параметров о и т: - _ 2р2стШ _ 2 3,9912 10~8 3050 7936 = 0 981. со 7,841 m = 9 = AZL = (J 739 со 7,841 По графику рис. 12.7 для о = 0,981 и т = 0,739 находим с = = 4,91; длина переходного участка с = 123,03 м. По графику рис. 12.8 для с = 4,91 и т = 0,739 находим h = = 14,1. Максимальная глубина водоема, на которую возможна уклад- ка трубопровода, составит = hy{) + D = 14,1 • 0,671 + 1,02 = 10,48 м. Для сравнения способов расчета укладки подводных трубо- проводов с нулевыми граничными условиями в точке выхода трубопровода на поверхность воды (первая расчетная схема, см. рис. 12.2, б) и с учетом упругой податливости плавающего участ- ка трубопровода (вторая расчетная схема, см. рис. 12.2, в) основ- ные расчетные формулы приведены к одним и тем же безраз- мерным параметрам. Результаты вычислений безразмерной глубины погружения h = h/yo в зависимости от т = q/<o для первой и второй расчет- ных схем приведены на рис. 12.9. Из сопоставления результатов расчета можно сделать вывод: при т < ~0,5 и одинаковых отах глубина погружения трубо- провода, вычисленная по первой расчетной схеме, превышает глубину погружения трубопровода, полученную по второй рас- четной схеме, на 2-25 % в зависимости от отах; при одинаковой глубине погружения трубопровода и т < ~0,5 величина отах по первой расчетной схеме имеет меньшее значе- ние по сравнению со второй расчетной схемой; при 1 > т > ~0,6 глубина погружения по второй расчетной схеме может значительно превышать глубину погружения, вы- численную по первой расчетной схеме; длина погруженного участка трубопровода с, вычисленная по первой расчетной схеме для всех значений 1 > т > 0, превышает длину, вычисленную по второй схеме. 319
Рис. 12.9. Графики зависимости безразмерной глубины погружения h от т для различных о : штриховые линии соответствуют первой расчетной схеме; сплошные линии - второй расчетной схеме Учитывая значительные отличия результатов расчета по при- веденным схемам, в практических расчетах для определения на- пряженного состояния глубины укладки и длины погружаемого участка подводного трубопровода необходимо использовать вто- рую расчетную схему, поскольку она лучше соответствует дейст- вительным условиям по сравнению с первой. Рассмотренное в п. 2 решение впервые было предложено ав- тором совместно с О.Б. Шадриным. 3. Рассмотрим далее особенности начального и конечного мо- ментов свободного погружения трубопровода. Эти моменты наи- более существенно проявляются при опускании конца свободно- плавающего трубопровода и при завершающей стадии погруже- ния на другом конце. В начальной стадии погружения заливом воды или отстроп- кой понтонов трубопровод испытывает изгиб (рис. 12.10, а). В этом случае наибольшие напряжения возникают, когда погру- жаемый конец трубопровода приближается ко дну водоема. Рас- четная схема консольного изгиба трубопровода представлена на рис. 12.10, б, отличие ее от ранее рассмотренной расчетной схемы 320
Рис. 12.10. Схема начальной стадии погружения трубопровода: а - схема погружения; 6 - расчетная схема консольного изгиба трубопровода по форме S-образной кривой заключается лишь в граничных условиях для конца трубопровода, находящегося вблизи дна во- доема. Располагая оси координат, как показано на рис. 12.10, б, и принимая граничные условия для конца трубопровода, располо- женного вблизи дна, х = с у" = 0 и у'" = 0, получаем по методу начальных параметров следующие зависимости для прогиба, из- гибающего момента и поперечной силы: Elh = -Ely'0c-^--^ + 3^--^-\ 2 6 24 24 (12.20) -Mo-Qflc + 4'-^=O; (12.21) -Qo + qc - ma ~ 0. (12.22) 321
Значения начальных параметров у'о и Мо с учетом упругой податливости плавающего участка трубопровода определяют по формулам (12.10). Выражения (12.21) и (12.22) представим в безразмерных па- раметрах а2 (12.23) (12.25) Qo = тс - а. (12.24) Максимальные напряжения в трубопроводе на участке b равны о,, = + 2Q0 + т. т Подставляя выражение (12.24) в (12.25), получаем а2 - 2та (с + 1) + т2 (с + 1)2 + = 0. (12.26) Решая совместно уравнения (12.23) и (12.26), получаем без- размерные длины погруженного участка трубопровода с и уча- стка а с отрицательной плавучестью в виде с = таь__________ 1 - J1- т - т) (12.27) таь________ . - J1 - т - т а (12.28) Подставив в уравнение (12.20) значения начальных парамет- ров по формуле (12.10), приведя его к безразмерному виду с уче- том выражения (12.24), получим безразмерную глубину укладки трубопровода h = — {тс -а т ' с3 _ с + а4 12 12 12с (12.29) Безразмерное максимальное напряжение на участке трубопро- вода, расположенного на плаву, находят подстановкой выраже- ния (12.24) в формулу (12.14) для стп: _______________________ , а-тс -arctg— ---—— -а) + 2(тпс-а) е я>(г-1)-а (12.30) 322
Если значение безразмерной поперечной силы Qo, вычислен- ное по формуле (12.24), положительное, то > оп. При Qo < О максимальное напряжение на участке трубопровода, расположен- ного на плаву, превышает максимальное напряжение на участке Ь, т.е. оп > ст4. При Qo = 0 = оп. Расчет допустимой глубины погружения выполняется в сле- дующем порядке: 1) задаются допустимым значением напряжения од, опреде- ляют = 2р2стд1Р/ш, р2 = —и т = q/w; у 2) по формулам (12.27) и (12.28) находят значения с и а; 3) вычисляют Qo по формуле (12.24). Если Qo > 0, то > > стп и по выражению (12.29) подстановкой вычисленных значе- ний с и а определяют безразмерную допустимую глубину ук- ладки трубопровода; 4) если Qo < 0, то < оп, и расчет выполняют заново мето- дом последовательных приближений при меньшем значении а4, равном ст41. Определяют ct и а, по формулам (12.27) и (12.28); вычисляют стп1 по формуле (12.30), подставляя а = о, и с = = с(. Расчет заканчивается, если оп1 незначительно отличается от Пример 1. Определить допустимую глубину укладки трубопровода по схеме консольного изгиба для параметров трубопровода, приведенных в предыдущем примере. Для 04 = 0,981 и т = 0,739 по формулам (12.27) н (12.28) определяем значе- ния с = 2,407 и а = 1,667. По формуле (12.24) находим Qo = 0,1118; поскольку Qo > 0, то о4 >оп. Определяем по формуле (12.29) для с = 2,407 и а = 1,667 значение h = = 10,642. Значения допустимой глубины погружения h, и длины участков а и с состав- ляют: Л, = г/оЛ + D = 8,16 м; а = а/Р = 41,76 м; с = с/р = 60,31 м. Следует отметить, что допустимая глубина погружения по схеме консольного изгиба получается меньшей по сравнению с изгибом по схеме S-образнон кривой. Для данного примера эта разница равна 2,32 м. На конечном этапе погружения длина участка трубопровода, находящегося на плаву, уменьшается, и трубопровод несколько 323
приподнимается. В зависимости от параметров трубопровода и глубины водоема в некоторых случаях дальнейшая укладка мо- жет сопровождаться отрывом плавающего участка трубопровода. Затем длина приподнятого участка трубопровода по мере залива воды (перемещения нагрузки с отрицательной плавучестью) уменьшается, и в завершающей стадии погружения становится равной нулю. При этом в трубопроводе происходит перераспре- деление напряжения. Аналогичный процесс, но в обратном по- рядке, происходит при подъеме трубопровода. Рассмотрим сначала случай, при котором возникает отрыв конца трубопровода от поверхности воды. Расчетную схему уча- стка трубопровода, находящегося на плаву, можно представить как балку на упругом основании конечной длины I. Расположим начало координат на конце плавающего участка (рис. 12.11). Принимая во внимание, что при х = 0 перемещение у, изгибаю- щий момент и поперечная сила равны нулю, а при х = I у = -Д получаем по методу начальных параметров следующие выра- жения: Рис. 12.11. Расчетная схема плавающего участка трубопровода при отрыве его конца от поверхности воды 324
(12.31) W = ^(«A-*2); (12.32) £7^=1 («Л-^), (12.33) где «! = -J- &0 + — ь k0, klt k2 и k3 - функции А.Н. Крылова при «11 91) х = I, значения которых равны: &0 = chpZcosp/; (12.34) k\ = |(chр/ sinp/ + shp/cospZ); (12.35) k2 = ^shp/sinpZ; (12.36) k3 = j(chpZsinpZ - shpZcospZ). (12.37) Эти функции табулированы и их значения приводятся в справочниках. Максимальный изгибающий момент на участке трубопровода Ь, погруженном в воду и имеющем положительную плавучесть q, равен abW = -Mt-^-. (12.38) Подставляя в формулу (12.38) вместо -Mi и -Qj значения вы- ражения (12.32) и (12.33), получаем значения безразмерных мак- симальных напряжений на участке b в зависимости от функций А.Н. Крылова: Щ = 2^ = 4 [2п2 (k,nt - k2) + (k2nt - kt)2], (12.39) co П2 L J где m = l- n2 = ^. (12.40) co q. 325
Подставляя зависимости (12.31) и (12.33) в формулы (12.11) и (12.12), получаем два уравнения для определения длины уча- стков а и с, которые можно представить в безразмерном виде: (12.41) —2 к a3 = + (k2ni - + (k^ - k2)c - - k3 (Do 2 4 (12.42) Глубина укладки трубопровода определяется подстановкой выражений (12.31)-(12.33) в уравнение (12.20) —3 —4 —4 ' 2 1 6 24 <7,24 (12.43) Максимальные напряжения на участке а равны где R = pc - wb + О, - реакция в точке касания трубопровода и дна. Эти напряжения после подстановки выражения (12.33) в (12.44) можно представить в безразмерном виде: = ^^ = ^[а-тс-^(п,А2-Ь,)] (1245) Пример 2. Определить допустимую глубину укладки трубопровода в момент отрыва его плавающего конца от поверхности воды. Параметры трубопровода соответствуют приведенным в примере 1. Из трансцендентного уравнения (12.39) для о4 = 0,981; т = 0,739, и, = 0,1397 и п2 = 2,227 находим аргумент функций А.Н. Крылова р/ = 2,105, а значения функций по таблице функций А.Н. Крылова нлн по формулам (12.34)—(12.37): Ао = -2,12036; А, = 0,76296; k2 = 1,73969; Аз = 1,41064. Из совместного решения уравнений (12.41) и (12.42) для вычисленных Ао, А,, А2 и Аз находим с = 5,167 и а = 4,112. По формуле (12.43) определяем h = 11,41 м. Размерная длина участков: а = а/р = 103,03 м; с = с/р = 129,47 м; I = = I /Р - 52,74 м. Допустимая глубина водоема А, = h + D = 12,16 м. Проверяется максимальное напряжение на участке а по формуле (12.45): 5в = 0,832, что составляет 84,8 % от максимального напряжения на участке Ь. 326
Вычисленная допустимая глубина водоема по данной расчетной схеме Л, = = 12,16 м на 1,68 м превышает глубину Л, = 10,48 м, вычисленную с учетом полу- бесконечной длины плавающего участка трубопровода. Это означает, что макси- мальные напряжения в трубопроводе на участке b при одинаковой глубине ук- ладки уменьшаются по сравнению с расчетной схемой на рис. 12.2, б. Рассмотрим завершающую стадию погружения трубопровода, когда длина участка трубопровода, находящегося на плаву, равна нулю (Z = 0). В этом случае на участке трубопровода b напряжения уменьшаются, а на участке а возрастают. Расчетная схема завер- шающей стадии погружения трубопровода приведена на рис. 12.12. Для этой расчетной схемы уравнения прогиба и его производных по методу начальных параметров примут следующий вид: Elh = — - ; 6 24 24 (12.46) уо 2 6 6 (12.47) EIy’ = Mc = Rc-Pf + ^ = 0-, (12.48) Ely” = Qo = Д - pc + шЬ = 0. (12.49) Реакция грунта в точке касания трубопровода и дна водоема R через максимальные напряжения < т0 на участке а будет R = V2poalV. (12.50) Решая совместно уравнения (12.48) и (12.49), получаем дли- ны участков с и Ь: c = ^(t+ [А.Х (12.51) pl V т J 327
Ь = *Д. (12.52) co V m Пример 3. Определить допустимую глубину при завершающей стадии погру- жения трубопровода для параметров, приведенных в примере. По формуле (12.50) для а» = 3050 кгс/см2 находим R - 9964,3 кгс. По форму- лам (12.51) и (12.52) определяем длины участков: с = 105,097 м и b = 14,783 м. Глубина погружения трубопровода определяется по формуле (12.46) - h = 10,43 м; максимальная глубина водоема, на которую возможна укладка трубо- провода, Л, = h + D - 11,45 м. В данном примере допустимая глубина погружения получи- лась несколько меньшей по сравнению с глубиной, вычисленной по расчетной схеме (см. пример 2). Однако следует отметить, что в качестве допустимых напряжений здесь приняты максималь- ные напряжения ста на участке а. При меньших значениях т = = q/(0, когда максимальные напряжения и для других расчетных схем будут на участке а, допустимая глубина для завершающей стадии погружения трубопровода может получиться значительно меньшей по сравнению с другими расчетными схемами. Следовательно, в этих случаях необходимо выполнять расче- ты допустимой глубины укладки и для завершающей стадии по- гружения трубопровода. Как видно из приведенных примеров наибольшая глубина ук- ладки трубопровода с поверхности воды способом свободного погружения невелика. Поэтому этот способ может изменяться только для водоемов, глубина которых составляет 10-15 м. Для больших глубин данный способ неприемлем и необходимо ис- пользовать другие способы, позволяющие укладывать трубопро- вод на большие глубины. § 12.2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРУБОУКЛАДОЧНЫХ СУДОВ Схема 1. Укладка плавающего трубопровода с по- мощью заливаемой внутрь трубопровода воды. В зависимости от длины трубопровода производится укладка сразу всего трубопровода, или укладка проводится по частям, называемых в практике плетями. Допустим, что общая длина трубопровода составляет 100 км; конечно, установить в створе 328
(так называют трассу, по которой должен быть уложен трубо- провод) невозможно. Поэтому в створ выводятся участки («пле- ти») трубопровода, например, длиной по 1, 2, 5 или 10 км. Каж- дая из этих плетей укладывается на дно по трассе отдельно, на- чиная от берега. К ней присоединяется следующая плеть и т.д. до укладки трубопровода полной длины. Рассмотрим далее бо- лее подробно процесс укладки трубопровода с поверхности воды на дно. Укладка трубопроводов способом свободного погружения с заливом в них воды применяется для трубопроводов, имеющих положительную плавучесть, но в период эксплуатации всегда будут заполнены водой или нефтепродуктом и иметь отрица- тельную плавучесть. Трубопровод заводят в створ и удерживают над подводной траншеей при помощи тросовых оттяжек. Трубопровод погру- жается на дно заполнением в него воды через патрубок. Воз- дух, находящийся в трубопроводе, вытесняется через воздушные вентили (вантузы), устроенные на концах погружаемой плети. Вода в трубопровод может закачиваться насосами подачей. В начальный период погружения вода закачивается с меньшей подачей во избежание перелива воды в трубе и образования воздушных пробок, которые могут значительно затруднить укладку и явиться причиной излома трубы. При переливе воды в трубе участки, заполненные воздухом, всплывают, а заполнен- ные водой погружаются. Для устранения перелива и образо- вания начальной кривизны участок плети можно пригрузить. Закачивать воду с максимальной подачей насоса можно после образования трубопроводом участка переходной кривой или укладки части его на дно. Скорость укладки трубопровода, от которой зависит время погружения всей плети, определяется по формуле v = ^, (12.53) nd где Q - подача насосов, закачивающих воду в трубопровод; d - внутренний диаметр трубопровода. Как было показано в § 12.1, при укладке свободным погруже- нием глубина погружения зависит прежде всего от характеристик трубопровода. Поэтому прежде чем принять решение о свобод- ном погружении необходимо рассчитать безопасную глубину для конкретного трубопровода. Иначе неизбежным становится излом трубы в каком-либо сечении в процессе укладки. Этого допус- кать нельзя. 329
Если требуемая глубина укладки больше допустимой из ус- ловия прочности трубы, то уменьшают положительную плаву- честь q применением дополнительного балласта. При этом уменьшается параметр т, и при т < 0,4+0,35 происходит умень- шение максимальных напряжений в трубопроводе. При значительной положительной плавучести т > 0,7 увели- чение глубины погружения можно получить заливом в трубу вместо воды жидкости меньшей плотности, что приводит к уве- личению параметра т и снижению напряжения в трубопроводе. Изменение параметра т и тем самым регулирование глубины укладки подводного перехода конструкции труба в трубе, имею- щего положительную плавучесть, можно осуществить заполнени- ем водой или специальной жидкостью внутреннего трубопровода или межтрубного пространства. Таким же вариантом регулиро- вания параметра т является укладка с использованием монтаж- ного трубопровода, размещаемого внутри укладываемого. Схема 2. Укладка трубопровода с поверхности воды с исполь- зованием понтонов. Максимальная глубина укладки трубопровода свободным по- гружением ограничивается величиной допустимого напряжения. Как показывают расчеты, максимальную глубину укладки трубо- провода можно увеличить изменением параметра т = q/w при га = const. На графиках зависимости безразмерных максимальных напряжений от параметра о для случая изгиба трубопровода по S-образной кривой (см. рис. 12.7) видно, что максимальные на- пряжения в трубопроводе уменьшаются с увеличением т при т > 0,6+0,7 в зависимости от длины погруженного в воду участка трубопровода с. Уменьшение максимальных напряжений проис- ходит и при уменьшении параметра т при т < 0,4+0,35. Следова- тельно, уменьшить максимальные напряжения в трубопроводе или увеличить глубину его укладки можно уменьшением и уве- личением интенсивности нагрузок р и q, применяя для этого раз- гружающие понтоны. При использовании разгружающих понто- нов трубопровод получает положительную плавучесть за счет понтонов, и поэтому его укладка производится отстропкой пон- тонов или заливом в них воды. Укладка трубопроводов с исполь- зованием понтонов может иметь различные схемы и применяется как для погружения газопроводов, так и нефтепродуктопроводов и водоводов. Подводные газопроводы по сравнению с нефтепроводами и водоводами требуют значительное количество балласта, необхо- димого для обеспечения их устойчивости на сдвиг и всплытие, поскольку газопроводы водой не заполняют. Для обеспечения 330
положительной плавучести при установке в створ газопроводы обычно оснащаются понтонами. Увеличение глубины погружения трубопроводов, имеющих значительную отрицательную плавучесть, можно достичь ступен- чатой отстропкой понтонов. Сначала плеть трубопровода осна- щается понтонами первой группы или разгружающими понтона- ми, основное назначение которых - уменьшение отрицательной плавучести трубопровода до необходимой расчетной величины р. Затем плеть оснащается понтонами второй группы или погру- жающими понтонами для обеспечения минимальной расчетной положительной плавучести q, достаточной для транспортировки и установки плети в створ. Понтоны каждой группы соединяют- ся между собой. Трубопровод погружается отстропкой понтонов второй группы или заполнением их водой (рис. 12.13). После укладки трубопровода на дно отсоединяются и понтоны первой группы. Регулируя плавучесть понтонов первой и второй групп (изменяя расстояния между ними), можно определить соответст- вующее значение параметра т (см. § 12.1), необходимое для ук- ладки трубопровода на заданную глубину. Понтоны второй группы могут использоваться и при подъеме плети трубопровода, погруженной из-за внезапной перемены по- годы и возникновения волн. В этом случае погружение плети осуществляется заливом воды в понтоны второй группы, а подъ- ем плети - продувкой их воздухом с удалением воды. Укладку нефтепродуктопроводов, водоводов и других трубо- проводов можно осуществить по следующей схеме. Трубопровод оснащают понтонами с таким расчетом, чтобы при его заполнении водой он имел минимальную положительную Рис. 12.13. Схема погружения трубопровода ступенчатой отстропкой понтонов: 1 - понтоны второй группы; 2 - понтоны первой группы; 3 - трубопровод 331
плавучесть. Укладку осуществляют отстропкой понтонов или заливом их водой. Для увеличения глубины укладки в этой рас- четной схеме можно использовать ступенчатую отстропку пон- тонов. Применение понтонов в некоторых случаях целесообразно и при укладке трубопроводов, имеющих положительную плаву- честь до навески понтонов. Погружение таких трубопроводов осуществляется заливом воды в трубопровод. Назначение понто- нов на всей длине плети или участке с наибольшей глубиной погружения позволяет изменить параметр т с уменьшением на- пряжений в трубопроводе. § 12.3. УКЛАДКА ТРУБОПРОВОДА С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОДОЛЬНОГО НАТЯЖЕНИЯ Одним из основных недостатков укладки свобод- ным погружением является малая допустимая глубина погруже- ния. В зависимости от диаметра трубопровода она может состав- лять 10-15 м, поскольку переходная кривая образуется при ббльших глубинах с недопустимо малыми радиусами кривизны трубы. Увеличение глубины укладки подводных трубопроводов по схеме свободного погружения можно достичь не только регули- рованием положительной и отрицательной плавучести, но и соз- данием в трубопроводе продольного усилия. Продольные усилия уменьшают кривизну погружаемого трубопровода без значитель- ного увеличения суммарного напряжения, поскольку напряже- ния от продольных сил в десятки раз меньше напряжений от поперечной нагрузки q и р. Создание натяжения позволяет отка- заться от оснащения трубопровода понтонами или дополнитель- ной балластировкой, применяемых с целью увеличения глубины погружения, что значительно может снизить затраты труда, стоимость и сократить сроки укладки трубопровода. Работы по укладке трубопровода с натяжением проводятся в следующем порядке: трубопровод 3 (рис. 12.14) заводят на плаву в створ, закрепляют на одном конце, например, на берегу с по- мощью анкерных устройств 1, 2, а другой конец закрепляется тросом 4 с лебедки 5, установленной на понтоне или буксире 6, который, в свою очередь, удерживается якорным канатом 7 в за- данном положении. 332
Рис. 12.14. Скема укладки подводного трубопровода с продольным натяжением С помощью лебедки создают продольное натяжение трубо- провода до значения Н, при котором обеспечиваются напряже- ния в стенке труб, не превышающие контролирующих при тре- буемой глубине укладки, и погружают его заливом воды или от- стропкой понтонов. Далее приводится расчет максимально допустимой глубины укладки подводных трубопроводов с поверхности воды с приме- нением натяжения. Расчетная схема погружаемого трубопровода представляется в виде упругой жесткой нити или стержня, испытывающего про- дольно-поперечный изгиб и состоящего из трех участков (рис. 12.15). Первый участок а имеет отрицательную плавучесть р, второй b - положительную q и третий х, частично погруженный, рассматривается как стержень на упругом основании. Рассмотрим случай, когда трубопровод укладывается на гори- зонтальное дно, что соответствует равенству нулю изгибающего момента и угла поворота в точке касания трубы и дна водоема. Тогда для полностью погруженного участка трубопровода (см. рис. 12.15) уравнение упругой линии по методу начальных пара- метров имеет вид 26 = (shnr, - nrj + 2- _ пп ' ' n I Z n ) о (a-'i - a)2 1 - ch и Cq - a) H 2 (12.54) где 7?| - реакция в точке касания трубопровода и дна водоема; Н - продольная растягивающая сила в трубопроводе; п2 = Н/ЕГ, о = р + q\ EI - жесткость трубы при изгибе. Для третьего участка трубопровода (см. рис. 12.15) уравнение упругой линии (общее решение дифференциального уравнения 333
Рис. 12.15. Расчетная схема погружаемого трубопровода растянуто-изогнутого стержня на упругом основании) представ- ляется в виде у3 = (С.е”3 + С2е-аХз )cosp(x3 + (С3е“3 + C4e'aj<3)sinp1x3, (12.55) где Ci, С2, С3 и Ct - произвольные постоянные; °=<12=б> в = I 1^ср Р’ NN4EI ш ’ k - усредненный коэффициент упругости основания (коэффици- ент постели). Используя граничные условия при х3 = 0, у$ = -уа и при Хз -> оо г/з -> 0, получаем значения производных уравнения (12.55) на границе второго и третьего участков в виде У'с = аУо + PiG; У” - -(a2 - pf)?/,, - 2apjCi; (12.57) у>а(а2 + 3pf)y0 ^(За2 -02)С,- 334
Приравнивая значения первой, второй и третьей производных выражения (12.54) при х = с к соответствующим значениям про- изводных из формулы (12.57), получаем трансцендентные урав- нения для определения безразмерной длины полностью погру- женного участка трубопровода пс и безразмерной длины второ- го участка nb: 1 1 nb = -аг th — + , . — аг ch л f — А — ch пс + со ) P-I^Ashnc + l со со J со (12.58) nRt ch пс - pshпс + cosh nb + Al (pnc - oinb) + A2 = 0, где Л _ За2 - ft2 . л _ За2 - р? . 2ап ’ 1 а2 - р? ’ А2 = AtnRj + 2апНу0. (12.59) В зависимости от величин р, q, Н, EI и глубины погружения трубопровода h максимальный изгибающий момент возможен на любом из трех участков. Определение участка, на котором возникает максимальный изгибающий момент, осуществляется построением эпюры изги- бающих моментов. Как показывают расчеты, ориентировочно можно принимать максимальный изгибающий момент на первом участке трубопро- вода при p/q > 1, а на втором и третьем участках - при p/q < 1. Координата максимального изгибающего момента на первом участке определяется по формуле пх = ar th (12.60) Р полученной из условия равенства нулю третьей производной уп- ругой оси трубы. Подставляя выражение (12.6,0) в уравнение из- гибающих моментов, получаем, что максимальному моменту на первом участке соответствует значение реакции R, = uW (2р - n2aW). (12.61) 335
При максимальном изгибающем моменте на втором участке для упрощения расчетов начало координат следует поместить на конце второго участка и направить ось х влево, как показано на рис. 12.15. Уравнение упругой линии трубопровода в этом случае по методу начальных параметров примет вид Уч = ~Уо - Ус (1 - ch пх2) + -&(пх2 - sh пх2)~ q ( , 1 - ch пх2 ) , и (х2 - Ь)2 1 - ch п (х2 - Ь) Н{2 г? J я|_ 2 + п2 (12.62) Выполняя аналогичные преобразования, как и в случае мак- симального изгибающего момента на первом участке, получим два трансцендентных уравнения для определения нс и па: па = ar ch — а> „ . 2ап2 ? + 2-П2 а2 + р! -Р?)УоЯ ch пс - -[2апу()Н - пА^] shnc + р <в(па - sh па) + а + ' > л. R !а2 - ₽?) УцН sh пс - -(2апг/0Я + пЛ,Л2)сЬпс - qnc + nR2 = 0, (12.63) где реакция на границе второго и третьего участков о _ 2а<? Л 2 — —у-----у а2 + pf у + 2csWq - (aWn'f - 2 (За2 - $}qynEI (12.64) Из двух значений R2, вычисленных по формуле (12.64), при- нимают положительное, удовлетворяющее условиям (12.63) и с > а. При отрицательном значении R? максимальный момент возникает па третьем участке, и Т?2 находят по максимальному 336
изгибающему моменту на третьем участке по формуле, получен- ной из второй производной выражения (12.55): 2ft (а2+ ₽?)£/ J?2 —• —к------------X п sin^x - 4a|Jcos|J1x Х[-^У + (3а2-Р?)г/осо5Р|Х + ^(3Р?-а^г/вйпр,* , (12.65) где х определяется из условия равенства нулю третьей производ- ной выражения (12.55). Расчет допустимой глубины укладки подводных трубопрово- дов выполняется в следующем порядке: 1) по величине p/q предварительно определяют участок, на котором возникает максимальный изгибающий момент. Ориен- тировочно можно считать, что при p/q > 1 максимальный изги- бающий момент возникает на первом участке, при p/q < 1 - на втором или третьем участке; 2) при максимальном изгибающем моменте на первом участке значения пс и nb определяют по (12.58) с учетом выражения (12.61); при максимальном изгибающем моменте на втором уча- стке значения пс и па определяются по (12.63) с учетом R2 по выражению (12.64) и при максимальном изгибающем моменте на третьем участке эти значения определяются по (12.63) с учетом Т?2 по выражению (12.65). 3) строят эпюру изгибающих моментов и окончательно уточ- няют, какому участку соответствует максимальный изгибающий момент. Если подтверждается предварительно принятое положе- ние максимального изгибающего момента, то допустимая глубина укладки трубопровода определяется с учетом вычисленных зна- чений а, Ь, с, Ri и Т?2 по формуле (12.54) или (12.62) при х = с. Если максимальный изгибающий момент не соответствует предварительно выбранному участку, то выполняется повторный расчет с учетом действительного положения максимального из- гибающего момента; 4) глубину водоема /г„, на которую возможна укладка трубо- провода, определяют из выражений /г, = /г, + D; h.=h2+D-y0, (12.66) где hi и h2 - глубина погружения трубопровода, определяемая соответственно по формулам (12.54) и (12.62); D - внешний диаметр трубопровода. 337
Пример. Определить максимальную глубину водоема, на которую возможна укладка трубопровода Исходные данные: D = 50,8 см; р = 1,144 кгс/см; q = - 0,766 кгс/см; г/о = 20 см; а = 2440 кгс/см2; W= 1823 см2; £7 = 9,723-Ю1” кгс/см2; Н = 10 000 кгс. Поскольку p/q = 1,144/0,766 = 1,493 > 1, считаем максимальным изгибающий момент на первом участке. По формуле (12.61) находим Ri = 2833,5 кгс. Из решения трансцендентных уравнений (12.58) получаем пс = 4,16 и nb - = 2,118. Проверка показывает, что максимальный изгибающий момент соответствует первому участку, тогда по формуле (12.54) при х = с и х - а = b получаем Л, = = 15,26 м. По формуле (12.66) вычисляем максимальную глубину водоема, на которую возможна укладка трубопровода Л, = 15,26 + 0,508 = 15,768 м. Следует отметить, что при отсутствии натяжения Н = 0, Л, = 10 м, т е. усилие натяжения всего в 10 т увеличивает глубину погружения на 50 %. Для ориентировочных расчетов глубины погружения и на- пряжений, возникающих при укладке трубопроводов с натяжени- ем, можно использовать графики зависимостей безразмерной глубины укладки h трубопровода и безразмерного напряжения и от пс и т - q/a>, представленных на рис. 12.16 и 12.17. Эти графики построены для нулевых граничных изгибающего момен- та и угла поворота н точке выхода трубопровода на поверхность воды. Безразмерные зависимости для угла поворота и изгибающего момента в точке выхода трубопровода из воды имеют вид ^-shwc--(сЬис-1) +ch ni -1 = 0; (12.67) —(sh пс -1) - - (sh пс - пс) + (ch nb - nb) = 0. CO 0) Используя условие равновесия для погруженного участка трубопровода, получаем безразмерную глубину укладки £ = = яс _ 2 и 21_ J ' J Безразмерные значения максимальных напряжений с выражения (12.70) представляются в следующем виде: 5 = ”2gmaxW _ р _ Ир? (ПЙ1? ' СО СО V со ) ’ где o'max - максимальное напряжение от изгиба трубопровода за вычетом напряжения от растяжения (продольной силы Н); Rt - 338 (12.68) учетом
Рис. 12.16. График зависимости безразмерной глубины h от т = q/a>: а - при пс = 2-5-5; б - при пс = = 5+9,4
Рис. 12.17. График зависимости безразмерного напряжения о от т = q/w (значения nb принимаются при m £ 0,5; значения па - при т £ 0,5)
реакция в точке касания трубопровода и дна реки. Из решений уравнений (12.68), (12.69) получены графики зависимостей ст = = f(nc, т) и h = f(nc, tn). По графику зависимости ст = fine, тп) для заданного ст при m > 0,5 (см. рис. 12.17) получаются значения пс и nb, а при m < < 0,5 - значения пс и па. Расчет напряженного состояния подводного трубопровода при заданной глубине укладки h проводится в следующем по- рядке: определяют безразмерную глубину укладки трубопровода по известным п, Н, h и со (О по графику зависимости h = f(nc, тп) (см. рис. 12.16) и вы- численным значениям h и m находят пс (при необходимости определяют па или nb), по графику зависимости ст = f(nc, m) (см. рис. 12.17) и полу- ченным значениям пс и m определяют ст ; определяют максимальное напряжение при укладке трубопро- вода п..(12.70) пн Расчет допустимой глубины укладки трубопровода проводит- ся в обратном порядке: 1) вычисляют безразмерное напряжение 2) по графику зависимости ст = f(nc, тп) (см. рис. 12.17) и вы- численным значениям ст и m находят пс; 3) по графику зависимости h = f(nc, m) (см. рис. 12.16) и значениям пс и тп определяют h ; 4) определяют допустимую глубину укладки трубопровода /г = 4^. (12.72) пгН 341
Глубина водоема Лв, на которую возможна укладка трубопро- вода: /гв = /г + |±г/0, (12.73) где у0 - расстояние от оси трубы до свободной поверхности воды при расположении трубопровода на плаву. Знак плюс перед у0 принимается, когда ось трубы расположе- на ниже свободной поверхности водоема, знак минус - когда ось трубы выше свободной поверхности. Глава 13 ТЕХНОЛОГИЯ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРУБОУКЛАДОЧНЫХ СУДОВ И БАРЖ Как показано в гл. 11 укладка подводных трубопро- водов способом свободного погружения даже с созданием в тру- бопроводе растягивающего усилия не дает возможности выпол- нить укладку трубопровода на глубину более 10-15 м. Потребо- вались способы укладки, которые позволили бы укладывать тру- бопроводы практически на любые глубины. В настоящее время имеются примеры укладки трубопроводов на глубину более 2 км. На такую глубину был уложен газопровод Россия - Турция через Черное море. Обычной стала укладка на глубины более 100 м. Далее приводятся технологические схемы (§ 13.1) и неко- торые методы расчетов строительного периода (§ 13.2) при ук- ладке трубопроводов на большие глубины (h > 20 м). § 13.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УКЛАДКИ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРУБОУКЛАДОЧНЫХ СУДОВ (БАРЖ) Под термином «суда» понимаются виды плаваю- щих (самоходных и несамоходных) судов, с помощью которых можно создать условия в напряженном состоянии трубопровода, 342
при которых возможно его погружение практически на любую глубину. В процессе укладки используются следующие виды судов: буксиры, с помощью которых осуществляется перемещение по поверхности воды различные плавающие объекты (трубы, пон- тоны, несамоходные баржи и др.); суда для оснащения трубопро- вода разгружающими понтонами, подъемная сила которых регу- лируется с поверхности воды или независимо при изменении глубины погружения понтонов; суда, оснащенные специальными барабанами для намотки трубопровода; суда, с так называемыми «рампами», обеспечивающими необходимый при укладке наклон конца трубопровода к горизонту; суда, оборудованные специаль- ными направляющими спусковыми дорожками, называемыми «стрингерами» или «стингерами», которые обеспечивают форми- рование необходимого положения переходного (от поверхности воды до дна) участка укладываемого трубопровода; суда с крана- ми большой грузоподъемности; суда для выполнения подводно- технических работ (разработка траншей, водолазные работы, пе- ремещение грузов в подводном положении); суда, оборудованные лебедками большой грузоподъемности для создания продольного усилия в трубопроводе; суда, обеспечивающие соединение длин- номерных плетей труб в надводном положении. Рассмотрим далее некоторые технологические схемы укладки подводных трубопроводов с помощью различных судов. Схема 1. Укладка трубопровода осуществляется с помощью судна, оборудованного барабаном, на который намотан участок трубопровода. На практике по данной схеме укладывались тру- бопроводы диаметром до 600 мм! На рис. 13.1 показана схема баржи с горизонтальным распо- ложением барабана, на рис. 13.2 с вертикальным расположением барабана. Впервые судно с барабаном было использовано при укладке трубопровода диаметром 75 мм в 1944 г. для перекачки горючего при высадке десанта в Нормандии. Однако действительно важ- ным этапом в применении этой схемы можно считать укладку трубопроводов диаметром 190-300 мм в Северном море на глу- бину 150 м. По схеме 1 выполняются следующие технологические опе- рации: 1 - на береговой базе свариваются и подготавливаются к укладке плети трубопровода, которые будут наматываться на барабан; 2 - плети испытывают физическими методами контроля и внутренним давлением; 343
Рис. 13.1. Трубоукладочное судно с горизонтально расположенным барабаном; 1 - барабан; 2 - выпрямляющее устройство; 3 - натяжное устройство; 4 - роли- ковые опоры; 5 - трубопровод 3 - плети наматываются на специальные катушки, установ- ленные на береговой площадке; 4 - баржа проходит к причалу, сооруженному на берегу рядом с площадкой; 5 - после подхода трубоукладочной баржи к строительной площадке трубопровод сматывают с катушки на барабан судна; 6 - баржа с намотанным на барабан трубопроводом с помо- щью буксира (или самостоятельно, если она самоходная) на- правляется к месту, где находится конец укладываемого трубо- провода; 344
7 - конец трубопровода на барабане соединяют с ранее уло- женным участком трубопровода, а в начальной стадии укладки прикрепляют к заранее подготовленной анкерной системе. Таким образом, при каждом рейсе трубоукладочной баржи происходит наращивание подводного трубопровода на длину плети, намотанной на барабан. Как было уже отмечено, барабан может размещаться в двух положениях: горизонтальном и верти- кальном. При горизонтальном положении барабана 1 (см. рис. 13.1) трубопровод 5 разматывается с помощью выпрямляющего уст- ройства 2 и попадает в натяжное устройство 3. С его помощью создается необходимое натяжение в укладываемом трубопроводе. Выровненный трубопровод 5 по роликовой дорожке, имеющей необходимую форму кривизны, по переходной кривой укладыва- ется на дно (в траншею). При вертикальном расположении барабана (см. рис. 13.2) ба- рабан 2, установленный на трубоукладочной барже 3, приводится во вращение электродвигателями 1. При вращении барабана по часовой стрелке разматываемый трубопровод 4 проходит через направляющее устройство 7, в верхней части которого располо- жен шаблон 5, изменяющий угол наклона погружаемого трубо- провода. Регулирование угла наклона осуществляется поворотом направляющего устройства 7 с помощью тяги 6. Витки трубо- провода, намотанные на барабан, имеют различный радиус, что обусловливает неодинаковую остаточную кривизну трубопровода при сходе с шаблона 5 в точке 8. Для устранения остаточной кривизны трубопровод пропускается через правильные башмаки 9, 10, 11. Напряжение на вогнутом участке укладываемого трубо- провода регулируется с помощью натяжного устройства 12. В качестве примера приведем характеристики баржи с верти- кальным барабаном, примененной компанией «Санта Фе Интер- нейшенел». Основные характеристики баржи: длина 173,6 м, ширина 31,7 м, высота 13,7 м, осадка 8,5 м, водоизмещение 26,8 тыс. т, крейсерская скорость 31,4 км/ч. Баржа предназначена для укладки трубопроводов диаметром 150-610 мм при высоте волны до 4,6 м при скорости ветра до 90 км/ч. С увеличением диаметра трубопровода от 150 до 610 мм максимальная допустимая глубина укладки изменяется с 900 до 370 м. Максимальная скорость укладки - до 3 км/ч. На судне имеется специальное оборудование для натяжения и выпрямле- ния, подъема и опускания трубопровода. Длина намотанных на барабан труб диаметром 150, 305, 457 и 610 мм составляет соот- ветственно 90, 52, 20 и 11 км. Наружный диаметр барабана 30,5 м, ширина 12 м. Сматывание и наматывание трубопровода произво- 345
дится лебедкой канатоемкостью 2130 м и диаметром троса 89 мм. Лебедка установлена на корме. Для обеспечения большой крей- серской скорости, необходимого тягового усилия и удержания судна в створе укладки оно оборудовано двумя главными греб- ными винтами и четырьмя кормовыми и носовыми подруливаю- щими устройствами, а также якорной системой из восьми яко- рей. На судне установлены поворотный кран грузоподъемностью 800 т и два неповоротных грузоподъемностью по 100 т. Значительный угол наклона трубопровода, сматываемого с барабана, к горизонту воды (может достигать 50°) в сочетании со значительным натяжением (до 225 тс) позволяет вести укладку трубопровода на больших глубинах без стрингеров. Несмотря на очевидные преимущества барабанных трубоукладочных барж (высокая производительность укладочных работ и большие глу- бины укладки), этот метод имеет и серьезные недостатки: диа- метр укладываемых труб ограничен, допускается только поли- этиленовое или эпоксидное покрытие труб; значительна трудо- емкость подготовки трубы на береговой строительной площадке; остаточная спиральность труб не позволяет укладывать их в траншеи и затрудняет перекачку нефти и газа. Барабаны с намотанными трубопроводами можно устанавли- вать на буровых судах, что позволяет выполнять прокладку тру- бопроводов между скважинами и платформами непосредственно с буровых судов без использования специальных барж. Схема 2. Трубопровод укладывается с помощью судов, пред- назначенных специально для укладки подводных трубопроводов. Такие суда в практике морского трубоукладочного строительст- ва называют «трубоукладочное судно» или «трубоукладочная баржа». Такое судно обладает большим числом различных агре- гатов, обеспечивающих выполнение всех необходимых операций, связанных с укладкой трубопроводов практически на любую глубину. Как было показано в гл. 12, основное препятствие при уклад- ке трубопровода - возможность возникновения чрезмерных на- пряжений в материале труб в пределах переходной кривой. По- этому при использовании трубоукладочных судов в первую оче- редь создаются такие формы переходной кривой, при которых обеспечиваются напряжения меньше контролирующих в любом сечении переходной кривой. Это условие имеет простейший вид: ст < стк, (13.1) где стк - контролирующее напряжение. На рис. 13.3 показаны некоторые из возможных форм пере- ходных кривых, создаваемых с помощью трубоукладочных судов, 346
а также дополнительных технических средств (рампы, стингеры, понтоны, поддерживающие системы и т.п.)- Кроме того, исполь- зуются возможности влияния на форму переходной кривой соот- ношения отрицательной р и положительной q плавучестей. Кривая рис. 13.3, а называется S-образной (0 - точка переги- ба); кривая на рис. 13.3, б - кривая с прямым верхним участком, начиная от точки 0 под углом а; кривая на рис. 13.3, в - J- образная кривая с выходом на поверхность под углом а = 90°. Наибольшая глубина укладки достигается при укладке по схеме рис. 13.3, в. Рассмотрим последовательно все случаи укладки для этой схемы. 1. Технология укладки заключается в наращивании трубопро- вода с последовательной сваркой секций труб (рис. 13.3, а). Сварка в нитку и все работы по сооружению трубопровода вы- полняют на наклонном участке палубы (пандусе), оборудованном роликовыми опорами, который одновременно является спуско- вым устройством. Укладка на небольших глубинах осуществля- ется непосредственно с криволинейного спускового устройства без применения стрингеров. При укладке трубопровода наибольшие напряжения возника- ют на участке трубы, находящейся между кормой судна и дном моря. Для ограничения этих напряжений трубоукладочные суда оборудуются стрингерами, поддерживающими опускаемый тру- бопровод при сходе его с кормы судна, и устройствами для соз- дания натяжения в опускаемом трубопроводе. Опускаемый в во- ду трубопровод принимает форму S-образной кривой («переход- ная кривая»). Наибольшие напряжения могут возникнуть на вы- пуклом или вогнутом участках S-образной кривой. Напряжения на вогнутом участке регулируются с помощью натяжных устройств, а напряжения на выпуклом участке ограни- Рис. 13.3. Схемы переходных участков трубопроводов при укладке с поверх- ности воды 347
чиваются стрингером, форма которого может изменяться в про- цессе укладки трубопровода. С увеличением глубины укладки и диаметра трубопровода значительно возрастает сложность инженерных задач, которые необходимо решать при строительстве. Значительно повышаются требования к технологии укладки. Неудовлетворительная орга- низация работ может привести к повреждению трубопровода и к простою трубоукладочного судна. Трубоукладочная баржа представляет собой морское судно длиной до 200 м и шириной до 30-60 м. На палубе размещаются: участок для создания необходимого запаса труб, водолазное обо- рудование, сварочные агрегаты, установка для просвечивания стыков, краны для погрузки труб, различных материалов и вы- полнения монтажных работ, подъема трубопровода и стрингера, якорные лебедки, силовое оборудование, устройство для созда- ния натяжения трубопровода, опреснительные установки, балла- стные танки, пост управления и площадка для посадки вертоле- та. На судне предусмотрены жилые и бытовые помещения. Дос- тавка труб и других материалов осуществляется вспомогатель- ными баржами. Трубоукладочная баржа перемещается с помо- щью якорной системы, надежная ее работа должна обеспечивать устойчивое положение при производстве сварочно-монтажных работ. Якорная система состоит из 8-12 якорей, масса якорей зависит от вида и состояния грунтов морского дна, якоря пе- рекладываются вспомогательными буксирами. Стальные тросы от якорей идут к электрическим лебедкам, расположенным на барже. Для более полной иллюстрации основных параметров трубо- укладочного судна приведем краткое описание итальянской тру- боукладочной баржи «Касторо» (рис. 13.4). Эта баржа представ- ляет судно катамаранной формы размерами в плане 137x46,5 м. Баржа имеет две палубы: одна на нижней несущей части, об- ладающей необходимой плавучестью, и верхней размерами 143x18x6,5 м, соединенной с нижней несущей частью трубчаты- ми стойками диаметром Им. Высота от киля до поверхности платформы 24 м, осадка 15,5 м, водоизмещение 40,5 тыс. т. В кормовой и носовой частях каждого корпуса расположены гребные винты с приводом от электродвигателей мощностью 2800 л.с. для увеличения скорости буксировки и динамической стабилизации в период укладки трубы. В нижнем корпусе име- ются отделения для балласта, дизельного топлива, насосов и якорных лебедок. Судно оборудовано 12 якорями массой по 18 т с якорными тросами длиной 2200 м, привод якорных лебедок - от электродвигателей. На верхней палубе судна может быть соз- 348
дан запас труб массой до 7000 т. Трубы выгружаются на палубу судна двумя поворотными кранами, перемещающимися по рель- сам вдоль обоих бортов судна. Краны имеют стрелу длиной 60 м и грузоподъемностью 100 т при вылете 17 м. Укладка трубопро- водов может осуществляться на глубине до 610 м, при высоте волны до 5,2 м, максимальной скорости ветра 25 м/с и скорости течения до 2 узлов. Баржа оборудована стингером изменяющейся формы и длины. Это необходимо для регулирования напряженного состояния и формы исходной кривой. Одна из конструкций рамного шарнирного стрингера показа- на на рис. 13.5. Укладываемый трубопровод 7 с кормы трубоук- ладочного судна 7 погружается на дно по стрингеру. Стрингер состоит из трех секций А, В и С, соединенных между собой шар- нирами. Эти секции могут поворачиваться относительно друг друга и судна, обеспечивая необходимую S-образную форму изо- гнутого участка трубопровода. Секции представляют собой фор- му, состоящую из продольных поясов 9 и раскосов 77. Высота фермы изменяется по длине стрингера. Изменение угла наклона секции А осуществляется лебедкой 5 наматыванием (сматыва- нием) на большой барабан 6 троса 4. Изгиб S-образного стринге- ра регулируется натяжением или ослаблением троса 3, наматы- ваемого на меньший барабан 10 лебедки 5 и закрепленного за кронштейн 2 нижней секции С стрингера. Таким образом, с по- мощью тросов 4 и 3 лебедки 5 можно поднимать, опускать стрингер и придавать ему необходимую конфигурацию в зависи- 349
Рис. 13.5. Конструкция рамного шарнирного стрингера: а - общин вид; б - узел соединения с баржей; в - внд по 1~1 мости от условий укладки трубопровода. Для облегчения управ- ления и уменьшения нагрузки от собственной массы стрингер оснащен понтонами 8. Приведенная конструктивная схема стингера с шарнирным креплением к барже и промежуточными шарнирами на самом 350
стингере требует поддержания его с помощью понтонов или вспомогательных судов, оснащенных кранами. Для повышения эффективности стингера применяют более сложную конструк- цию. Стингер крепится к корме трубоукладочного судна в трех точках, расположенных на значительном расстоянии друг от дру- га: две точки находятся под водой (по одной на каждом нижнем корпусе судна), а третья - над водой на уровне рабочей палубы (рис. 13.6). Однако и при таком креплении в условиях сильного волнения стрингер подвержен опасности разрушения. Во избе- жание потерь времени на отсоединение стрингера от баржи, по- гружение на дно и повторное присоединение в конструкции кре- пления предусмотрена возможность подъема стрингера выше уровня воздействия волн. На рис. 13.7 приводится конструкция стрингера в виде шар- нирной складной фермы. Складная ферма-стрингер 6 крепится с помощью шарнира 5 к рампе 3, представляющей собой наклон- ное устройство из трубчатой фермы для опирания трубопровода. Трос 2, проходящий через ролик 1 и серьги 4 и 7, позволяет по- ворачивать стрингер 6 вокруг шарнира 5. В рабочем положении стингер находится в позиции I, а в нерабочем он убирается и занимает позицию II. Кроме того, в необходимых случаях стин- гер может быть установлен в любой позиции между I и II. Рис. 13.6. Пространственная конструкция крепления стрингера к барже: 1 - стрингер; 2 - трубоукладочная баржа; 3 - роликоопоры; А; Б; ВГ - секции стрингера 351
2 Рис. 13.7. Стрингер в виде шарнирной складной формы 2. Трубоукладочное судно оборудовано для спуска трубопро- вода под воду устройством, называемым «рампой» (рис. 13.8). Это спусковое устройство неискривленной в направлении про- дольной оси формой. Рампа может изменять угол наклона к го- ризонту; может изменять свою длину за счет наращиваемых сек- ций; на рампе размещаются устройства, удерживающие трубо- провод от сползания. Опускание его на дно осуществляется по схеме, показанной на рис. 13.3, б. Такая схема укладки обеспечи- вает сохранение прямого участка в пределах переходной кривой до точки 0. Использование схемы 13.3, б позволяет значительно увели- чить глубину укладки именно за счет сохранения прямолинейно- Рис. 13.8. Схема трубоукладочного судна, оборудованного спусковой рампой: 1 - трубопровод; 2 - наклонная спусковая рампа 352
сти верхней части переходной кривой. Наращивание трубопрово- да производится секциями с помощью кранов, установленных на трубоукладочном судне. Секции труб полностью подготавлива- ются к укладке: заизолированы, покрыты в необходимых случаях утяжеляющим бетонным покрытием, оснащаются при необходи- мости понтонами. Сварка стыка, соединяющего секцию с уже опущенным в воду трубопроводом, производится на рампе. Таким образом, по мере наращивания секций и продвижения судна вдоль трассы увели- чивается длина уложенного на дно трубопровода. В случае воз- никновения нештатных ситуаций, например, шторма конец тру- бопровода опускается на дно или притапливается на глубину, где влияние шторма не имеет места. Как было показано ранее, не- доступная для шторма глубина зависит от длины и высоты волн. 3. Укладка трубопровода производится по схеме, показанной на рис. 13.3, в. Трубоукладочное судно оборудовано устройством для опускания трубопровода вертикально. Это устройство имеет систему удержания участка трубопровода в пределах переходной кривой и наращиваемой секции. Соединение секции, как и в предыдущем случае, производит- ся в вертикальном положении. Судно удерживается в заданном положении якорной системой и перемещается вперед по мере опускания наращенной секции под воду (рис. 3.19). Рис. 13.9. Схема укладки трубопровода иа большой глубине: 1 - трубопровод; 2 - стыки соединения секций; 3 - трубоукладочное судно 353
§ 13.2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПЕРЕХОДНОГО УЧАСТКА ПРИ УКЛАДКЕ ТРУБОПРОВОДА С ПОМОЩЬЮ ТРУБОУКЛАДОЧНОГО СУДНА Как отмечалось в § 13.1, использование трубоукла- дочного судна, оборудованного техническими средствами для формирования такой формы переходного участка, при которой ни в одном его сечении не возникают напряжения о больше кон- тролирующих стк. Для реализации этой цели трубоукладочное судно должно иметь лебедки для создания усилия напряжения в трубе Н и реализующее силу напряжения Н и удерживающую трубопровод устройство, а также стингер, позволяющий реализо- вать форму переходной кривой на значительном ее участке. Кроме того, судно-трубоукладчик должно иметь систему динами- ческого позиционирования, позволяющую ему удерживать точно в створе. Рассмотрим напряженное состояние трубопровода (переход- ного участка), укладываемого с использованием шарнирного стингера, который состоит из нескольких секций-фрагментов, соединенных между собой специальными шарнирами. Форма шарнирного стрингера не является постоянной и может быть изменена в зависимости от условий укладки трубопровода путем регулирования в определенных ограниченных пределах верти- кальных смещений секций вокруг шарнира. Секции стрингера имеют понтоны или специальные отсеки с регулируемой плаву- честью, которые можно заполнять балластом (водой) для обеспе- чения необходимого положения трубопровода. При укладке трубопровода с помощью судна 3 на небольшой глубине шарнирный стрингер 2 (рис. 13.10) принимает форму, близкую к прямой, т.е. ведет себя как обычный прямолинейный стрингер. С увеличением глубины укладки увеличивается длина провисающего участка трубопровода 1 между концом стрингера и дном, и для уменьшения напряжения на вогнутом провисаю- щем участке необходимо создавать в трубопроводе продольное усилие с помощью натяжных устройств. Гибкость стрингера в вертикальной плоскости и возможность эффективного использо- вания натяжения трубопровода позволяет укладывать его на больших глубинах при сравнительно небольшой длине стрингера. На рис. 13.10 показаны различные формы, принимаемые шар- нирным стрингером при укладке трубопровода на малые, средние и большие глубины. 354
3 Рис. 13.10. Схема изменения положения стрингера на различных глубинах ук- ладки трубопровода Гибкость и предельная жесткость стрингера зависят от конст- рукции упругого шарнира и геометрии сегментных секций. При предельном радиусе кривизны стрингер становится жестким, и дальнейшее увеличение нагрузки может вызвать его повреждение. Шарнирный стрингер обладает некоторой гибкостью, и в го- ризонтальном направлении допускается поворот в 2-3° между сегмента