Основание гравитационного типа (ОГТ)
GRAVITY TYPE BASE (GTB)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к гидротехническим сооружениям и может быть использовано при создании производственных, транспортных, перевалочных и складских комплексов различного назначения в прибрежной и морской зоне.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Основание гравитационного типа (ОГТ) (морская стационарная платформа гравитационного типа, гравитационная морская платформа (Gravity-based structure. GBS - англ.) представляет собой платформу, удерживаемую на дне акватории за счет собственного веса. ОГТ применяется в прибрежных и шельфовых акваториях, в том числе с ледовыми условиями, где глубина акватории позволяет обеспечить необходимую высоту верхней части сооружения над уровнем воды после установки сооружения на дно. ОГТ изготавливается из железобетона и может служить основой для размещения оборудования для добычи, хранения, переработки и перевалки углеводородного сырья. ОГТ может иметь внутренние отсеки, обеспечивающие плавучесть сооружения на стадии транспортировки на место установки. Собственная плавучесть и наличие системы балластировки позволяют буксировать ОГТ на большие расстояния и устанавливать их в рабочее положение на месте эксплуатации в море без применения дорогостоящих грузоподъемных и транспортных средств.
Известно основание гравитационного типа оффшорного сооружения по производству, хранению и отгрузке СПГ (KR 20180051852 А, опубликовано 17.05.2018). ОГТ изготовлено из стали и устанавливается на заранее подготовленное основание на дне в прибрежной части акватории за счет заполнения твердым балластом. Технологическое оборудование для производства СПГ устанавливается на ОГТ после его установки на дно. ОГТ включает: внешний стальной кессон в форме коробки, нижняя поверхность которой установлена на опорной поверхности, предусмотренной на морском дне недалеко от берега; внутренний стальной кессон в форме коробки, имеющий пространство для размещения сжиженного газа и установленный внутри внешнего стального кессона с минимальным зазором; верхнюю палубу, установленную на внешнем стальном кессоне; стенку из водонепроницаемой изоляционной плиты, установленную на внутренних поверхностях внутреннего стального кессона и верхней палубы и изолирующую сжиженный газ; установку для производства сжиженного газа и установку для разгрузки, установленные на верхней палубе; и твердый балласт, заполняющий пространство, образованное зазором между внешним и внутренним стальными кессонами, обеспечивающий устойчивость сооружения на морском дне за счет силы тяжести.
Недостатки данной конструкции заключаются в следующем.
1. Стальной корпус ОГТ более подвержен коррозии и потому менее долговечен.
2. Для устойчивости к ледовым воздействия стальной корпус ОГТ должен иметь значительную толщину, что увеличивает металлоемкость конструкции.
3. Использование твердого балласта усложняет процесс балластировки/дебалластировки ОГТ.
4. ОГТ не защищено от таких внешних воздействий, как воздействие льда и аварийный навал судна.
5. ОГТ в форме параллелепипеда имеет большую осадку при транспортировке на место установки, что делает невозможной транспортировку через мелководные участки акватории.
Известна морская установка для переработки природного газа на основании гравитационного типа (ОГТ - gravity-based structure - GBS) (WO WO2021/106151 A1, опубликовано 03.06.2021), содержащая ОГТ в форме прямоугольного параллелепипеда, которое имеет верхнюю и нижнюю прямоугольные плиты и внутри которого расположены вертикальные стены и промежуточная горизонтальная плита, на которой в одном отсеке расположен резервуар или резервуары для сжиженного газа, также внутри ОГТ имеется балластный отсек, выполненный по всей длине ОГТ, а на верхней плите GBS на опорах установлены модули верхнего строения.
Недостаток данного ОГТ заключается в том, что:
- ОГТ в форме параллелепипеда имеет большую осадку при транспортировке на место установки, что делает невозможной транспортировку через мелководные участки акватории;
- сложность балансировки ОГТ, обусловленная наличием протяженного балластного отсека по всей длине ОГТ, без деления поперечными перегородками;
- размещение резервуаров для хранения СПГ в ряд в одном отсеке делает невозможным применение резервуаров мембранной конструкции, имеющих наименьшую материалоемкость;
- ОГТ не защищено от таких внешних воздействий, как воздействие льда и аварийный навал судна.
Наиболее близким к предложенному является основание гравитационного типа (ОГТ - GBS), выполненное в виде бетонной конструкции коробчатого типа в форме параллелепипеда и включающее верхнюю и нижнюю плиты, внешние стены, внутренние продольные и поперечные стены, образующие отсеки, промежуточную опорную плиту для установки резервуаров (Design and Construction on Gravity Based Structure and Modularized LNG Tanks for the Adriatic LNG Terminal. Lisa B. Waters et al. ExxonMobil Development Company. 2007. http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/tep4215/innhold/LNG%20Conferences/2007/fscommand/PS6_7_Waters_s.pdf (файл PS6_7_Waters_s).
Недостатки данного ОГТ также заключаются в том, что ОГТ в форме параллелепипеда имеет большую осадку при транспортировке на место установки, что делает невозможной транспортировку через мелководные участки акватории, и в том, что ОГТ не защищено от воздействия льда, а для защиты от аварийного навала судна причальные сооружения необходимо вынести на удаление от внешней стены ОГТ с помощью ферменных конструкций.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в следующем. Принимая во внимание увеличение доли производственных и инфраструктурных объектов, размещаемых в малоосвоенных районах, в том числе у побережья и в акватории арктических морей, имеется насущная необходимость разработки новой конструкции ОГТ, пригодной для транспортировки через мелководные акватории и адаптированной для применения в условиях Арктики, в акваториях с ледовым режимом.
Для решения указанной проблемы предлагается основание гравитационного типа (ОГТ), содержащее прямоугольные верхнюю и нижнюю плиты, внешние стены и внутренние вертикальные стены, образующие отсеки, при этом, согласно изобретению, ОГТ имеет центральную часть и выступающую часть, центральная часть имеет форму прямоугольного параллелепипеда с указанной верхней плитой, а выступающая часть расположена с боковых сторон центральной части по всему ее периметру и имеет вертикальные внешние стеныи внутренние вертикальные стены, образующие с боковых сторон выступающей части балластные отсеки, указанная нижняя плита является общей для выступающей и центральной частей, а высота выступающей части меньше высоты центральной части.
В предпочтительном варианте выполнения центральная часть ОГТ имеет внутренние вертикальные продольные и поперечные стены, образующие отсеки, а внутренние вертикальные стены выступающей части перпендикулярны внешним стенам и образующие отсеки.
Также в предпочтительном варианте выполнения ОГТ имеет промежуточную горизонтальную плиту, между которой и нижней плитой расположены вертикальные продольные и поперечные стены, образующие дополнительные отсеки.
Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, заключается в следующем.
Наличие выступающей части ОГТ повышает плавучесть ОГТ и всего сооружения и уменьшает его осадку при транспортировке на место установки.
Наличие дополнительных балластных отсеков на периферии ОГТ в его выступающей части упрощает балансировку ОГТ, то есть постановку ОГТ на ровный киль, без крена и дифферента.
Увеличенная ширина нижней части ОГТ повышает остойчивость всего сооружения на стадии его транспортировки, что позволяет устанавливать на ОГТ верхнее строение большей высоты и массы.
Выступающая часть ОГТ защищает центральную часть от воздействия льда и аварийного навала судна.
Кроме того, выступающая часть может служить основанием для причала.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показана схема интегрированного производственного комплекса на ОГТ, вид сверху.
На фиг. 2 - поперечный разрез по А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 - продольный разрез по Б-Б на фиг. 1.
На фиг. 4 - продольный разрез по В-В на фиг. 1.
На фиг. 5 - схема расположения основных отсеков ОГТ.
На фиг. 6 - схема расположения вертикальных стен в разрезе Г-Г на фиг. 2.
На фиг. 7 - схема расположения вертикальных стен в разрезе Д-Д на фиг. 2.
На фиг. 8 - схема расположения опор верхнего строения на верхней плите ОГТ.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОГТ изготавливается на специализированном предприятии, на котором на сооружение устанавливаются, в зависимости от назначения, верхние строения производственного, транспортного, перегрузочного, складского комплекса, и доставляется на место размещения методом буксировки в плавучем состоянии. ОГТ устанавливается на специально подготовленное основание на дне водного объекта. Во избежание размыва основания под ОГТ и дна акватории, на дне вокруг ОГТ может быть установлено крепление дна в виде габионов или иных изделий аналогичного назначения. ОГТ устанавливается у специализированной причальной набережной и соединяется с берегом посредством эстакад и мостиков, что обеспечивает прокладку коммуникаций на берег без применения подводных трубопроводов и/или протяженных надводных эстакад, легкий доступ к производственному комплексу и возможность быстрой эвакуации персонала. Эстакады и мостики для соединения с берегом монтируются после установки ОГТ на месте эксплуатации. Размещение вблизи береговой линии обеспечивает интеграцию с береговыми объектами, в том числе с месторождением углеводородов, являющимся источником сырья для производственного комплекса. До установки ОГТ, причальная набережная может использоваться для доставки грузов, например, для освоения месторождения углеводородов и постройки береговых объектов.
ОГТ представляет собой объемную железобетонную конструкцию, выполняющую функцию хранилища для добываемого и переработанного сырья, а также вспомогательных веществ и материалов, служащую основанием для верхнего строения производственного комплекса и предназначенную для установки на дне водного объекта под действием собственного веса. Центральная часть 1 ОГТ имеет форму прямоугольного параллелепипеда и имеет верхнюю плиту 2 (фиг. 1).
С боковых сторон центральной части 1 по всему периметру расположена выступающая часть 3 ОГТ с вертикальными внешними стенами. Центральная и выступающая части 1 и 3 ОГТ имеют общую нижнюю фундаментную плиту 4, а высота выступающей части 3 меньше высоты центральной части 1 ОГТ (фиг. 2 - 4).
Центральная часть 1 ОГТ разделена на отсеки вертикальными продольными и поперечными стенами 5 (фиг. 5 - 7). Часть отсеков, например, отсеки 6, используются для хранения добываемого и переработанного сырья, а часть отсеков, например, отсеки 7 - для размещения водяного балласта. Выступающая часть 3 ОГТ разделена вертикальными стенами 5, перпендикулярными ее внешним стенам, на отсеки, при этом отсеки 8, расположенные вдоль более длинных сторон ОГТ, также включены в балластную систему.
На верхней плите ОГТ 2 расположены железобетонные опоры 9, на которых установлены конструкции верхнего строения 10.
ОГТ имеет способность находиться в плавучем состоянии при транспортировке по акватории на место установки интегрированного производственного комплекса и может выдержать воздействие льда в акватории с ледовым режимом. Переход ОГТ от плавучего состояния к стационарному на месте установки на основание 11 обеспечивается за счет заполнения водой балластных отсеков 7, 8 и 20.
Наружные размеры ОГТ могут варьировать в зависимости от назначения производственного комплекса, например, для завода СПГ размеры ОГТ (вместе с выступающей частью 3) могут составлять - длина 324 м, ширина 154 м, высота 30,2 м. При этом длина центральной части 1 ОГТ составляет 300 м, ширина 108 м, высота 30,2 м. Выступающая часть 3 по бокам ОГТ имеет ширину 22 м, на торцах ОГТ - 12 м. Высота выступающей части 3 составляет 13,75 м.
Основные объемно-планировочные решения конструкций ОГТ определены технологическими параметрами, а также действующими на конструкцию ОГТ внутренними и внешними нагрузками, с учетом их максимально негативного возможного сочетания.
Центральная часть ОГТ 1 имеет форму прямоугольного параллелепипеда и включает основные несущие конструкции, в виде вертикальных стен 5 (продольных и поперечных) и горизонтальных плит (верхней плиты 2, нижней фундаментной плиты 4 и промежуточной опорной плиты 13 под основными резервуарами 12 для хранения углеводородов и/или продуктов их переработки. Несущие конструкции обеспечивают необходимую пространственную жесткость каркаса ОГТ, в том числе при транспортировке интегрированного производственного комплекса и нахождении его на плаву до момента установки. Железобетонные стены также обеспечивают деление ОГТ на отсеки в соответствии с их функциональным назначением. Некоторые из поперечных стен 5 могут быть выполнены не сплошными, а с прямоугольной прорезью в центральной части, и являться фактически ребрами жесткости.
Железобетонные стены также играют роль несущих конструкций, передающих нагрузку от верхнего строения на опорную плиту 13 и основание 11, поэтому опоры 9 верхнего строения расположены над пересечениями вертикальных продольных и поперечных стен 5 ОГТ.
Верхняя плита 2 ОГТ имеет уклоны от центральной продольной линии к краям для отведения атмосферных осадков и технологических проливов. Конструкция верхней плиты 2 рассчитана на нагрузки от взрыва в случае аварийных ситуаций. В случае, если в технологический процесс вовлечены криогенные жидкости, в целях защиты верхней плиты 2 от пролива криогенных сред в качестве армирования применена сталь с повышенными характеристиками хладостойкости.
Для распределения нагрузок от резервуара 12 хранения жидких углеводородов и/или продуктов их переработки предусмотрена горизонтальная опорная плита 13, расположенная между верхней и нижней фундаментной плитами 2 и 4. Расположенные под этой плитой 13 продольные и поперечные стены 14 обеспечивают передачу нагрузок на нижнюю фундаментную плиту 4 и пространственную жесткость конструкции.
Основным материалом центральной части 1 ОГТ является железобетон, на основе модифицированного бетона нормальной плотности с напрягаемым армированием.
Выступающая часть 3 ОГТ расположена по периметру центральной части ОГТ 1 и образует с ним единое сооружение. С боковых сторон выступающей части 3 располагаются в основном балластные отсеки 8 (фиг. 5), с торцевых - вспомогательные и инженерные отсеки 15. Выступающая часть 3 ОГТ выполняет следующие основные функции:
- достижение требуемых целевых параметров плавучести ОГТ;
- размещение балластных отсеков 8, предназначенных в основном для балансировки ОГТ, что обеспечивает нахождение ОГТ на плаву на ровном киле, без крена и дифферента;
- формирование естественного защитного барьера на случай расчетного аварийного столкновения/навала судна; выступающая часть 3 сможет принять и поглотить основную энергию удара, исключив повреждение основного объема каркаса ОГТ, обеспечивающего сохранность и целостность основных резервуаров 12 и несущих конструкций основания верхнего строения;
- размещение вспомогательного технологического и морского оборудования, обеспечивающего швартовку танкеров и отгрузку жидких углеводородов.
Резервуары для хранения жидких углеводородов и/или продуктов их переработки размещаются в отсеках ОГТ и предназначены для хранения продукции, вырабатываемой интегрированном производственным комплексом, в зависимости от назначения производственного комплекса также могут быть предусмотрены резервуары для хранения сырья, полупродуктов переработки и расходных материалов. В центральной части ОГТ 1 размещено несколько резервуаров 12 (фиг. 5), конструктивное исполнение которых зависит от свойств хранимого вещества. Для хранения СПГ и иных криогенных жидкостей при давлении, близком к атмосферному, применяются резервуары мембранного типа. В этом случае внутрь бетонного отсека 6 устанавливается резервуар 12, состоящий из металлической мембраны из нержавеющей стали или инвара (железоникелевого сплава), отделенной от бетонных конструкций слоем теплоизоляции. Слой теплоизоляции располагается прямо на верхней и промежуточной опорной плитах 2 и 13 и стенах ОГТ, передавая нагрузки от резервуара 12 и содержащийся в нем жидкости на указанные ограждающие конструкции. Таким образом, плиты и стены ОГТ являются несущими конструкциями мембранных резервуаров, образуя единую конструкцию с ними. Для предотвращения утечек днище и боковые поверхности мембранных резервуаров 12 содержат вторичный барьер в виде дополнительной мембраны, установленной внутри слоя теплоизоляции.
В случае с заводом СПГ для хранения сжиженного газа используются два резервуара 12 емкостью по 115 тыс. м3, каждый из которых размещается в отдельном отсеке 6 размерами 135 х 40 х 24 м. Отсеки 6 с резервуарами 12 окружены сухими отсеками 16, позволяющими выполнить инспекцию наружных поверхность ограждающих конструкций резервуаров.
Для хранения конденсата и иных жидких углеводородов, не требующих поддержания низких температур, могут использоваться бетонные отсеки 17 ОГТ, ограждающие конструкции которых играют роль защитного барьера. Часть отсеков 7 может использоваться как для заполнения балластом, так и для хранения конденсата и иных жидких углеводородов, не требующих поддержания низких температур. В случае с заводом СПГ, предусмотрен отсек 7 для хранения стабилизированного конденсата емкостью 75 тыс. м3 размерами 135 х 30 х 30 м и один из отсеков 17 для некондиционного конденсата вместимостью 5 тыс. м3 размерами 30 х 8 х 30 м.
Хранение углеводородов, плотность которых ниже плотности воды, может осуществляться «мокрым» способом, на водяной подушке. В этом случае, нижний слой хранимого продукта, толщиной около одного метра, рассматривается как зона смешивания, которая обеспечивает гарантированное разделение воды и хранимого продукта в ходе грузовых операций. В отсеке 7 также создается небольшое избыточное давление (по сравнению с нормальным атмосферным давлением) за счет азотной подушки в верхней части отсека 7, что препятствует проникновению воздуха в отсек 7 и исключает возможность формирования пожаро- и взрывоопасной газовой смеси с парами хранимой углеводородной продукции.
Высота водяной подушки в отсеке 7 может быть как постоянной, так и изменяемой. В первом случае высота водяной подушки составляет постоянную величину, например, два метра, независимо от количества конденсата или иного жидкого углеводорода в отсеке. Изменение объема конденсата в отсеке 7 компенсируется изменением объема азотной подушки. Во втором случае высота водяной подушки меняется, чтобы отсек 7 был постоянно заполнен жидкостью. По мере заполнения отсека 7 конденсатом или иным жидким углеводородом часть воды из него удаляется с помощью активной балластной системы. При понижении уровня хранимого углеводорода в отсек 7 подается дополнительный объем воды.
Отсеки 6 для хранения больших объемов углеводородов размещаются в центральной части ОГТ 1. Менее крупные отсеки в качестве резервуаров (например, для дизельного топлива, горячего масла и раствора гликоля) могут размещаться также в выступающей части 3 ОГТ.
Для хранения небольших объемов используются также самонесущие резервуары в отсеках ОГТ (в центральной части 1 или в выступающей части 3). В случае с заводом СПГ применяются самонесущие резервуары для сточных вод, деминерализованной воды, пресной воды, промывочной воды, абсорбента, бутана и пропана.
Вспомогательные и инженерные отсеки 16 в центральной части 1 ОГТ расположены по бокам от основных отсеков 6 для хранения углеводородов и в центре между ними. Эти отсеки 16 предназначены для технологических нужд, размещения оборудования, емкостей технических жидкостей, а также путей доступа и эвакуации персонала. Наличие сухих отсеков 16 по периметру основных отсеков 6 для хранения углеводородов позволяет выполнить инспекцию наружных поверхностей ограждающих стен резервуаров 12 для хранения углеводородов.
Вспомогательные и инженерные отсеки 15 расположены также в выступающей части 3 ОГТ. Эти отсеки 15 предназначены для технологических нужд, размещения оборудования и емкостей технических жидкостей.
Опоры 9 верхнего строения 10 на верхней плите 2 ОГТ обеспечивают восприятие опорных реакций на основные несущие конструкции ОГТ от верхнего строения 10. Конструктивно опоры выполнены в виде железобетонных пилонов с оголовками для размещения закладных деталей. В местах сопряжения опор 9 ОГТ и верхнего строения 10 используются специальные прокладки обеспечивающие свободное вращение и перемещение в заданных направлениях для компенсации температурного расширения верхнего строения 10.
Расположение опор 9 в плане (фиг. 8) определено исходя из пересечения несущих стен 5 ОГТ, что обеспечивает распределение нагрузок верхнего строения 10.
Балластная система ОГТ включает внутренние балластные отсеки 7, внутренние балластные отсеки 20 под опорной плитой 13, образованные вертикальными стенами 14, а также внешние балластные отсеки 8, расположенные соответственно в центральной части ОГТ 1 и в выступающей части 3 ОГТ. Чтобы предотвратить замерзание воды в балластных отсеках, предусмотрена система рециркуляции и подогрева балласта. Для подогрева воды в балластных отсеках используется утилизированное тепло выхлопных газов газовых турбин, установленных на верхнем строении 10.
Балластная система выполняет две основные функции:
- балластировка, т.е. изменение массы ОГТ, обеспечение необходимой осадки ОГТ при нахождении на плаву и устойчивости сооружения после установки ОГТ на основание;
- балансировка ОГТ, т.е. постановка ОГТ на ровный киль, без крена и дифферента при нахождении на плаву путем компенсации с помощью водяного балласта отклонения центра тяжести сооружения от его геометрического центра.
Причал 25 для отгрузки жидких углеводородов интегрирован с конструкцией ОГТ и верхнего строения. На выступающей части 3 с мористой стороны ОГТ установлены отбойные устройства и технологическая площадка со стендерами и иным морским и технологическим оборудованием, обеспечивающим отгрузку жидких углеводородов. На мористой стороне верхнего строения размещены швартовные устройства для швартовки танкера.
Через причал 25 также может осуществляться выгрузка жидких углеводородов с танкера. В случае, если интегрированный производственный комплекс на ОГТ является установкой для выработки электроэнергии, основным назначением причала является прием СПГ с танкеров-газовозов.
Деление ОГТ на отсеки предусмотрено в соответствии с его функциональным назначением, в том числе в зависимости от специализации интегрированного производственного комплекса. В целом, в ОГТ предусмотрено три вида отсеков - балластные, для хранения углеводородов, вспомогательные и инженерные.
В случае с заводом СПГ на ОГТ центральная часть 1 ОГТ включает шесть основных отсеков (фиг. 5). Два отсека 6 по осевой линии ОГТ предназначены для хранения углеводородов, четыре боковых отсека 7 могут применяться как балластные и как дополнительные отсеки для хранения углеводородов, например, конденсата. В случае, если применяется «мокрый» способ хранения углеводородов с изменяемым уровнем воды, отсеки 7 одновременно являются и балластными и резервуарами для хранения углеводородов и/или продуктов их переработки. Между основными отсеками 6, 7 расположены вспомогательные и инженерные отсеки 16, а также дополнительные отсеки 17 для хранения углеводородов.
Под основными отсеками 6 для хранения углеводородов между нижней плитой 4 и опорной плитой 13 основных резервуаров 6, 7 для хранения углеводородов располагаются дополнительные балластные отсеки 20 (фиг. 2, фиг. 4).
В выступающей части 3 ОГТ (фиг. 5) расположены балластные отсеки 8 и вспомогательные и инженерные отсеки 15. В случае с заводом СПГ на ОГТ выступающая часть 3 с бортовых сторон занята в основном балластными отсеками 8, а с торцовых сторон - вспомогательными и инженерными отсеками 15.
Отсеки, за исключение основных отсеков 6 для хранения СПГ, могут разделяться поперечными стенками. В этом случае, в стенках внутри балластных отсеков предусматриваются отверстия для перетока балластной воды, а в переборках инженерных и вспомогательных отсеков - проходы для персонала и прорези для прокладки коммуникаций.
С берегом интегрированный ОГТ соединяется двумя эстакадами 26, по которым проложены трубопроводы и кабельные трассы, а также тремя эвакуационными мостиками 27, через которые производится перемещение персонала, а при необходимости - эвакуация. Эстакады и мостики представляют собой стальные мостовые конструкции, установленные на опорах. Опоры с одной стороны располагают на верхней плите 2 ОГТ, с другой - на причальной набережной.