Определение показателей надежности глубоководных стационарных нефтедобывающих платформ тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение. Цель и содержание диссертации.

1. Обзор литературы.

1.1 Освоение континентальных шельфов России

1.2 Современные глубоководные стационарные платформы

1.3 Методы определения динамической реакции глубоководных сооружений.

1.3.1 Применение метода Ритца.

1.3.2 Определение спектров поперечных сил и изгибающих моментов морских конструкций

1.4 Теоретические и экспериментальные исследования волновых воздействий.

1.5 Теоретические и экспериментальные исследования ветровых воздействий.

1.6 Описание сейсмического воздействия, задание сейсмического ускорения грунта.

2. Собственные колебания глубоководной платформы

2.1. Построение конечноэлементной модели, определение матриц жесткости и инерции.

2.2. Определение собственных частот и форм методом итераций в подпространстве.

2.3. Влияние присоединенной массы воды.

3. Колебания ГНСП под действием природных нагрузок

3.1.Моделирование ветрового, волнового и сейсмического нагружений.

3.2. Вынужденные колебания ГНСП под действием ветра, волн и сейсмики.

4. Статистическая оценка показателей надежности глубоководной платформы.

4.1. Понятие надежности применительно к ГНСП

4.2. Оценка функции надежности.

4.3. Оценка сейсмического риска.

4.4. Оценка риска от действия ветра и волн.

4.5. Оценка риска от сочетаний ветровой, волновой и сейсмической нагрузок.

4.6. Общий риск ГНСП от природных воздействий. Основные выводы.

Предпосылками к изучению риска глубоководных нефтедобывающих стационарных платформ (ГНСП) от природных воздействий стали, во-первых, исследования по оценке показателей надежности сооружений и конструкций, проводимые на кафедре Динамики и прочности машин Московского Энергетического Института [15-17]. Во-вторых, возникла необходимость проверить эффективность разработанных методов применительно к такому важному классу высоконадежных сооружений, как глубоководные платформы. В-третьих, не вызывает сомнений актуальность проблемы оценки конструкционного риска - вероятности выхода из строя объекта, при действии природных нагрузок на протяжении срока службы. Оценка величины риска позволяет установить паритет между достижением приемлемого уровня надежности сооружения и его стоимостными показателями. С этой точки зрения риск - в большой степени понятие экономическое; правильно оценить риск важно не только для инженеров-расчетчиков, но и для владельцев шельфовой техники и страховых компаний.

В начале работы над диссертацией была поставлена задача -дать максимально приближенную к реальной оценку риска глубоководной платформы от действия ветровых, волновых и сейсмических нагрузок на протяжении всего срока её службы. Реалистичность оценки риска в данной работе обоснована следующими положениями:

- отказ от распространенной детерминированной квазистатической постановки задачи [20,43,75], которая не принимает в расчет динамичного поведения уникального сооружения с массивной палубной частью и случайного характера внешних сил; решение за4 дачи динамики с учетом внешнего и внутреннего демпфирования и случайного характера нагрузок;

- формирование вектора нагрузки с использованием реализаций ветрового, волнового, сейсмического воздействий, полученных по заданным спектральным плотностям методом статистического моделирования;

- проведение численного эксперимента для наиболее вероятных опасных вариантов нагружения и исследование динамической реакции ГНСП;

- прогнозирование риска для каждого варианта нагружения с большой точностью методом экстраполяции эмпирического распределения в область редких событий;

- задание наиболее вероятных природных условий (метеорологических, сейсмических) в месте расположения платформы в течение всего срока службы; использование этих данных при расчете интегрального риска.

В отечественной и зарубежной литературе мало обсуждаются вопросы, связанные с оценкой надежности морских платформ при природных воздействиях. Чаще всего рассматривают только один вид нагрузки на сооружение, например, только волновые или ледовые [3,20,43,75]. Сведений об оценке конструкционного риска глубоководных платформ и надежности при опасных сочетаниях ветровых, волновых и сейсмических нагрузок в литературе найдено не было. Попытка исследовать эти проблемы в совокупности определила новизну диссертации.

Диссертация состоит из 4 глав. Первая глава содержит обзор литературы по теме, в ней освещены общие направления развития современной шельфовой техники и перспективы шельфовой нефтедобычи в России, выбирается объект исследования. Подробно опи5 саны общепринятые подходы к определению динамической реакции глубоководных платформ на примере применения метода Ритца и использования спектрального анализа. Проведен анализ современных теоретических и экспериментальных исследований случайных ветровых, волновых и сейсмических нагрузок на морские сооружения.

Вторая глава посвящена исследованию собственных колебаний платформы, описано построение конечно-элементной модели, матриц жесткости и инерции, определены собственные формы и частоты конструкции, исследовано влияние присоединенной массы воды на собственные колебания.

В третьей главе изучаются вынужденные колебания платформы под действием природных нагрузок, описывается методика статистического моделирования ветровых, волновых и сейсмических воздействий, анализируются напряжения и перемещения в конструкции в зависимости от скорости ветра и величины сейсмического ускорения грунта.

В четвертой главе проводится прогнозирование показателей надежности, вводится понятие надежности применительно к глубоководной платформе, описывается вероятностно-статистический метод оценки величин сейсмического риска, риска от ветровых и соответствующих волновых нагрузок и риска от их опасных сочетаний за срок службы сооружения; рассчитывается общий риск от природных нагрузок, приведены основные выводы.

1. Обзор литературы

Заключение

В диссертации решается проблема определения риска глубоководной стационарной платформы от случайных ветровых, волновых и сейсмических воздействий. Основные результаты работы следующие.

1. Проведен обзор литературных данных по описанию волновых, ветровых и сейсмических воздействий и по расчету глубоководных стационарных платформ на действие случайных нагрузок.

2. Выбран реально существующий объект исследования - ГНСП "Лигера". Исследованы собственные колебания платформы и влияние присоединенной массы жидкости при собственных колебаниях в воде.

3. Исследованы вынужденные колебания платформы в условиях сейсмического, ветрового и волнового воздействий и их совместном действии.

4. Изложена методика оценки показателей надежности глубоководной платформы, находящейся под действием случайных природных нагрузок.

5. Для каждого типа нагружения вычислены условный, условный парциальный и интегральный риски. По результатам полутора тысяч серий численного эксперимента для различных вариантов нагружения определен общий риск ГНСП в течение срока службы.

6. Исследовано изменение показателей надежности в зависимости от допустимой области качества.

7. Сформулированы основные выводы по оценке рисков ГНСП. Установлено, что риск от опасного сочетания ветра, волн и сейсми-ки пренебрежимо мал по сравнению с рисками от отдельно взятых нагрузок за счет малых частот повторяемости.

8. Разработан комплекс программного обеспечения для решения поставленной задачи.

1. Бартеньев О.В. Современный FORTRAN. -М.: Диалог-МИФИ, 1998,397 с.

2. Барштейн М.Ф., Бородачев Н.М., Блюмина JI.X и др. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. М.: Стройиздат, 1981.-215 с.

3. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. -М.: Стройиздат, 1982.-448 с.

4. Беллендир Б.Е., Глаговский В.В. Обоснование проектирования стационарных сооружений на арктическом шельфе.// Гидротехническое строительство, 1997, №7, с.34-37.

5. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. -М.: Мир, 1989. -540 с.

6. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. -М.: Высшая школа, 1980. -408 с.

7. Биргер И.А. Стержни, пластины, оболочки. -М.: Физматлит, 1992. -392 с.

8. Богданчиков С., Астафьев В. В XXI веке Дальний Восток заткнет за пояс Ближний.//Нефть и капитал, 1998, 5, с.61-67.

9. Боглаев Ю.П. Вычислительная математика и программирование. М.: Высшая школа, 1990.-544 с.

10. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежностей в расчетах сооружений. -М.: Стройиздат, 1982.-352 с.

11. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций.-М.: Машиностроение, 1984.-312 с.

12. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. -М.: Машиностроение, 1990.-448 с.

13. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. -М.: Наука, 1979.-336 с.

14. Болотин В.В. Статистическая теория сейсмостойкости сооружений.// Известия АН СССР. Механика и машиностроение, 1959, №4, с. 123129.

15. Болотин В.В., Радин В.П., Чирков В.П. Применение метода статистического моделирования для оценки сейсмического риска конструкций. // Механика твердого тела, №6, 1997, с. 168-175.

16. Болотин В.В., Чирков В.П., Щербаков А.Н. К расчету конструкций глубоководных нефтепромысловых сооружений на сочетание нагрузок. // Строительная механика и расчет сооружений, 1980, №5, с.6-10.

17. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.-М.: Наука, 1986.-544 с.

18. Бугров А. К. Прогноз надежности шельфовой ледостойкой платформы по деформациям и несущей способности её основания.// Научно-техн. ведомости СПбГТУ, 1996, №2, с. 102-105.

19. Василевский А. Г. Основные направления научных разработок в гидротехнике// Гидротехническое строительство, 1997, №6, с.4-7.

20. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.-М.: Высшая школа, 1998.-576 с.

21. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. Под ред. Болотина В.В. Т.1.-М.: Машиностроение, 1999.-504 с.

22. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения—М.: Издательство стандартов, 1990.-37 с.

23. Гумбель Е. Статистика экстремальных значений. М.: Мир, 1965.450 с.

24. Дарков A.B., Шапошников H.H. Строительная мех аника.-М.: Высшая школа, 1986.-607 с.

25. Джинтракт Б. Строительство глубоководных нефтедобывающих платформ на больших морских глубинах// ВЦП.-№Е-73047.-29 с.

26. Джордж А., Лео Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений.-М.: Мир, 1984.-334 с.

27. Дубин И.С. ВНЖШморнефтегаз решение задач государственной важности.// Нефть и капитал, 1997, №5, с.94-95.

28. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. -М.: Наука, 1982.-296 с.

29. Жилейкин Я.М., Кукаркин А.Б.Комплекс программ вычисления интегралов от быстроосциллирующих функций. -М.: Наука, 1992. -309 с.

30. Жуков А.И. Метод Фурье в вычислительной математике. -М.: Наука, 1992.-346 с.

31. Залесский В.Ф., Залесский Ф.В. Определение изменчивости различных воздействий, влияющих на надежность гидротехнических сооружений. // Гидротехническое строительство.-1991.-№10, с. 14-16.

32. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.:Мир, 1975. -544 с.

33. Исааксон Н.М. Воздействие волновой нагрузки на стационарные и плавучие осесимметричные морские сооружения// ВЦП.-№Е-27969.-32 с.

34. Калинина В Н., Панкин В.Ф. Математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1998.-336 с.

35. Калиткин H.H. Численные методы. -М.: Наука, 1978.- 512 с.

36. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений.-М.:Мир, 1979.-556 с.

37. Коваленко И.Н. Случайные процессы. Справочник. -М.:Наука, 1983.432 с.

38. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружение. -Д.: Гидрометеоиздат, 1976.-296 с.

39. Кузин И.П., Савич А.И. О вероятностном подходе к заданию сейсмических воздействий на сооружения.// Гидротехническое строительство.-1993.-№3, с. 17-19.

40. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране.-М.: Мир, 1980.-280 с.

41. Макловер Дж. Крупнейшая в мире платформа для добычи нефти в открытом море.// ВЦП.-№Е-73848.-9с.

42. Мартос Р. Инженерные концепции при проектировании морских платформ// ВЦП.-№Е-33607.-17 с.

43. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.:Наука, 1989,608 с.

44. Матвейчук А. Вверх по вышке, ведущей в глубины.//Нефть России, 1998, №10, с.31-39.

45. Мигулин В.В., Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Основы теории колебаний. -М.: Наука, 1988.-392 с.

46. Михаленко Е.Б., Мищенко С.М. Совершенствование методов оценки волновых нагрузок на сооружения континентального шельфа.// 3 Межд. конф. «Освоение шельфа аркт. морей России», СПб, 23-26 сент., 1997: Реф. докл.-СПб, 1997, с.252-253.

47. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. -Томск: МП «Раско», 1991.-272 с.

48. Мяченков В. И., Мальцев В. П. Методы и алгоритмы расчета пространственных конструкций на ЭВМ ЕС.-М.: Машиностроение, 1984.-280 с.

49. Мяченков В.И., Мальцев В.П., Майборода В.П. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов.-М.: Машиностроение, 1989.-520 с.

50. Ньюмарк Н., Розенблюэт Э. Основы сейсмостойкого строительства-М.:Стройиздат, 1980.-344 с.

51. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем.-М.: Наука, 1987.-352 с.

52. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. -К.: Наукова думка, 1988.-736 с.

53. Позняк Е.В. Оценка вероятности безотказной работы глубоководных стационарных платформ . // Динамика, прочность и износостойкость машин, 1999, вып.6, с.

54. Позняк Е.В. Собственные колебания глубоководной нефтедобывающей стационарной платформы. // Динамика, прочность и износостойкость машин, 1999, вып.6, с.

55. Позняк Е.В., Самогин Ю.Н., Хроматов В.Е. Расчет спектра собственных частот оборудования и трубопроводов реакторнойустановки.// Динамика, прочность и износостойкость машин, 1998, вып.4, с.40-43.

56. ПознякЕ.В., Чирков В.П. Моделирование колебаний глубоководной платформы под действием ветровых, волновых и сейсмических нагрузок.// Вестник МЭИ, №6, 1999, с.74-78.

57. Попов Е.П. Теория и расчет гибких упругих стержней.-М.: 1987.-296 с.

58. Постнов В. А. Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений. -Л.: Судостроение, 1979.-467 с.

59. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. -Л.: Судостроение, 1974. 344 с.

60. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. -М.: Наука, 1979.-744 с.

61. Райе Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение. М.:Мир, 1984.-264 с.

62. Ржаницын А. Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.: Стройиздат, 1978.-239 с.

63. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. М.: Стройиздат, 1978.-234с.

64. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. -М.: Наука, 1987. -248 с.

65. Самохин А.Б., Самохина A.C. Численные методы и программирование на Фортране для персонального компьютера. М.: Радио и связь, 1996.224 с.

66. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.-392с.

67. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. Пер. с англ. М.:Стройиздат, 1984.-358 с.

68. Смирнов С.Б. Ударно-волновая концепция сейсмического разрушения сооружения. // Энергетическое строительство.-1992.-№9, с.70-73.

69. Статистические данные по добыче нефти и газа.//Нефтяная и газовая промышленность. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. 1998, №3, с.51-54.

70. Тейлор П., Клейр Д. Факторы, влияющие на прочность морских стационарных конструкций, подверженных действию ледовых и волновых нагрузок. // 3 Межд. конф. «Освоение шельфа аркт. морей России», СПб, 23-26 сент., 1997: Реф. докл.-СПб, 1997, с.244.

71. Тимофеев О.Я., Кленов А.Г. Определение оптимального уровня надежности конструкции шельфовой техники.// 3 Межд. конф. «Освоение шельфа аркт. морей России», СПб, 23-26 сент., 1997: Реф. докл.-СПб, 1997, с.256-257.

72. Трифонов А. Будем добывать нефть, газ и. айсберги.// Нефть России, 1998, №1, с.6-8.

73. Фельд С. Морские нефтедобывающие платформы. Проектирование с учетом аварийных перегрузок.// ТПП СССР, Приморское отделение.-№Д-78/3.-42 с.

74. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. -М.:Наука, 1986.-512 с.

75. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер Р. Машинные методы математических вычислений.-М.: Мир, 1980.-280 с.

76. Хейгеман Л., Янг Д. Прикладные итерационные методы. М.: Мир, 1986.-448с.

77. Холмес П. Анализ экс пер и ментальных данных, полученных на месторождении «Кристчёч Бей»// ВЦП.-№Б-39319.-16 с.

78. Чирков В.П., Сероштан С.И. Расчет глубоководных стационарных оснований на действие волновых и сейсмических нагрузок. // Надежность и ресурс машин и конструкций. Вып. 26. -М.: МЭИ, 1984, с.61-67.

79. Шапошников H.H., Тарабасов Н.Д., Петров В.Б., Мяченков В.И. Расчеты машиностроительных конструкций на прочность и жесткость. М.-Машиностроение, 1981.-334 с.

80. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство. М.: Мир, 1982.-238 с.

81. Amorocho J., DeVries J.J. A New Evaluation of the Wind Stress Coefficient over Water Surfaces. // Journal Geo. Research, v.85, 1980, p.p.433-440.

82. Borgman L.E. Spectral Analysis of Ocean Wave Forces on Pilling. //Journal of Waterways and Harbors Division., 1967, v. 97.

83. Bretshneider C.L. Overwater Wind and Wave Forces. Handbook of Ocean and Underwater Engineering. // McGraw-Hill Book Co., 1969.

84. Castillo E. Extreme value theory in engineering. New York: Academic Press, 1988, 389 p.

85. Converse R. M., Langley W. E., Whicher G. R., Burger R. A. The Design Experience for a One-Piece Jacket, 935 feet of Water, Gulf of Mexico. // 14th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1982, v.l, p.p.243-253.

86. Darling P.W.R. Estimating probabilities of hurricane wind speed using a large-scale empirical model. // J. Clim.-1991.- №10, p. 1035-1046.

87. Davenport A.G. Gust loading factors. // Journal of the Structural Division. Proc. ASCE, 1967, vol.93, №3, p. 11-34.

88. Des Deserts L., Deleuil G. Optimization of deepwater steel structures. //17th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1985, p.p.403-409.

89. Feng Yuntian, Li Mangrui, Lin Chunzhe. Elastic earthquake response analysis for complex structures.// Earthquake Eng. and Eng. Vibr.-1991.-11, №4. p.77-86.

90. Kaplan P, Chen-Wen Jiang, Dello Stritto F.J. Determination of Total Base Shear and Bending Moment Power Spectra for an Offshore Structure at Sea. //14th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1982, p. 737-746.

91. Kareem A., Dalton C. Dynamic Effects of Wind on Tension Leg Platform. // 14th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1982,p.749-755.

92. Lima E.C.P,. Landau L, Ebecken N.F.F., Ellwanger G.B. Nonlinear Dynamic Analysis of a Jacket-Type Platform by Ritz Mode Superposition Metod //17th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1985, p. 77-85.

93. Liu J.,Lin Y. Random seismic analysis of nonlinear platform fluid-soil-pile systems.// Comput. Struct. Mech. and Appl.-1991.-8, №1, p.41-50.

94. Morison J.R., O'Brien M.P., Johnson J.W., Shaaf S.A. The force exerted by surface waves on piles.// Petroleum Transactions, 1950, vol. 189, p. 149-154.

95. Montis G. Tallest structure installed in Gulf.// Oil & Gas Journal, 1998,№5, p.49-52.

96. Naess A., Johnsen J.M. An efficient distribution method for calculating the statistical distribution of combined first-order and wave-drift response.// Trans. ASME J. Offshore Mech. and Arct. Eng.-1992,-114, №3. p. 195-204.

97. Niedzwecki J.M., Sandt E.W. Nonlinear Wave Load Effects on the Stochastic Behavior of Fixed Offshore Platforms. //18th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1986, p.491-496.

98. Shaffmann P.G. Effect of wind and water shear on wave instabilities.//! 8th Int. Congr. Theor. and Appl. Mech., Haifa, 1992.-p.8.

99. Skaug L.C. New designs advance spar technology into deeper water//Oil & Gas Journal, 1998, 2, p.47-55.

100. Spidsoe N., Brathaug H P., Skjastad O. Nonlinear Random Wave Loading on Fixed Offshore Platfoms.// 18th Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1986, p. 183-187.

101. Torgeir M., Guoyang J. Probabilistic calibration of design criteria for marine risers.// Integr. Offshore Stract.-4: Pap. 4th Int.:Symp. Integr. Offshore Struct., Glasgow, 1990.-p.l79-197.

102. Vickery B.J. On the Reliability of Gust Loading Factors. //U.S. Dept. of Commerce, National Bureau of Standarts. 1969, v. 30.

103. Wilson E.L.,Yuan M., Dickens J.M. Dynamic Analysis by Direct Superposition of Ritz Vectors.// Earthquake Eng. Structural Dynamic, 1982, p. 813-821.

104. Witting L.E., Sinha A.K. Simulation of Multicorrelated Random Processes Using the FFT Algorithm.// Journal Acoustical Soc. of Amer., 1975, v.58, p.p.630-634.