СИСТЕМА ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ МОРСКОЙ СТАЦИОНАРНОЙ ПЛАТФОРМЫ В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ
SYSTEM OF EROSION-CORROSION PROTECTION OF MARINE STATIONARY PLATFORM UNDER ICE CONDITIONS

Изобретение относится к области предотвращения коррозии металлов путем анодной и катодной защиты, в частности к конструктивным элементам устройств защиты от эрозионного и коррозионного разрушения подводной поверхности стационарных морских инженерных сооружений для освоения шельфа замерзающих морей, например морских стационарных платформ, и может быть использовано в другой морской технике, предназначенной для ледовых условий эксплуатации.
Известна система эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы, содержащая анодные узлы, выполненные из удлиненных модулей, установленных в пирамиды, которые размещены на дне акватории по периметру, охватывающему основание морской платформы. Модули в вершине каждой пирамиды подключены электрическим кабелем к оборудованию платформы (патент США US4609307 C23F 13/00, 1986 г.) - аналог.
Недостатком этой системы является низкая надежность при работе в ледовых условиях при формировании торосистых образований у платформы, которые задевают пирамиды и разламывают их, отрывая аноды от кабеля.
Наиболее близкой по технической сущности является система эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной буровой платформы, содержащая размещенные на дне акватории анодные узлы, электрически подключенные кабелем к оборудованию платформы и выполненные из модуля с положительной плавучестью, механически соединенного тросом с якорем (публикация WO 2008103595, C23F 13/00, 2008 г.) - прототип.
За счет наличия гибкой связи эта система более надежна при контакте с килем тороса, который подминает ее, прижимая ко дну.
Но и этой системе присущи недостатки, заключающиеся в низкой эксплуатационной эффективности эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы из-за недостаточной стойкости компонентов системы в ледовых условиях наряду с трудоемкостью оперативного восстановления после ее разрушения, которое сопровождается обрывами питающего кабеля килем тороса, перемещающегося в зоне искусственного торошения у наружной поверхности кессона платформы. Прокладка питающего кабеля в арктических условиях по дну акватории и его замена при повреждении анодного узла чрезмерно трудоемкие и дорогостоящие процессы. Это ограничивает возможности размещения анодных узлов на значительном удалении от платформы, где достаточно низка частота их повреждения ледовым покровом. Расположение анодных узлов на достаточно близком расстоянии от платформы, для снижения, затрат на прокладку питающего кабеля обуславливает высокую частоту их отрыва от питающего кабеля торосистыми образованиями дрейфующего ледового покрова.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эксплуатационной эффективности эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы за счет упрощения процесса замены и восстановления этих модулей при повышении стойкости электропитания анодных модулей от воздействия торосистых образований, образующихся при взаимодействии льда с платформой.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе эрозионно-коррозионной защиты морских стационарных платформ, содержащей, по меньшей мере, один анодный узел, размещенный на дне акватории, подключенный питающим кабелем к оборудованию платформы и выполненный, по меньшей мере, из одного модуля с положительной плавучестью, соединенного тросом с якорем, питающий кабель подключен к анодным узлам через якорь и трос, выполненный в виде кабель-троса. Якоря анодных узлов и питающий кабель заглублены в грунт дна акватории на глубину, определяемую соотношением:
,
-1
2
3
0
gr
ice
w
ice
w
ice
где z - заглубление якорей анодных узлов и питающего кабеля (м); а - коэффициент сжимаемости морского грунта (МПа); ε - начальная пористость грунта; h - толщина слоя грунта (м); g - ускорение свободного падения (м/с); n - пористость торосистого образования; h - толщина льда, из которого формируется торосистое образование у платформы (м); Н - глубина акватории в месте расположения платформы (м); Δρ=ρ-ρ, ρ и ρ - плотности воды и льда (кг/м).
Якоря анодных узлов отнесены от платформы на расстояние R, определяемое по формуле
,
где L - характерный размер платформы - размер в направлении, перпендикулярном направлению дрейфа льда (м).
Длина кабель-троса превышает потенциальную толщину слоя заиливания акватории. В кабель-трос введен втычной разъемный электрический соединитель с усилием расчленения, лежащим в пределах от 0,3 до 0,9 усилия вырывания якоря из грунта.
Размещение питающего кабеля якоря в грунте на указанной глубине, превышающей толщину слоя заиливания, в сочетании с подключением анодного узла через якорь и кабель-трос, обеспечивает их сохранность при скольжении киля торосистого образования по дну акватории. Сочетание этого эффекта с возможностью расчленения кабель-троса при предельных нагрузках втычным разъемным соединителем, обуславливает упрощение замены оторванных анодных узлов, так как в отличие от прототипа не требуется замена питающего кабеля. Этим обуславливается более высокая сохранность анодных узлов в период эксплуатации даже при неблагоприятных результатах взаимодействия системы эрозионно-коррозионной защиты с торосистым образованием.
Снижение потенциальной частоты этих неблагоприятных результатов взаимодействия обусловлено тем, что длина кабель-троса превышает потенциальную толщину слоя заиливания акватории, обуславливая податливость подключенного анодного узла, размещенного на расстоянии от платформы, определенным соотношением, обеспечивающим минимальные затраты на прокладку кабеля по дну акватории. Это связано с тем, что на указанном расстоянии только начинается скольжение по дну акватории киля формирующегося торосистого образования, и усилия, прилагаемого к анодному узлу, как правило, еще недостаточно, чтобы при подавляющем большинстве касаний расчленить соединитель.
Размещение анодных узлов на указанном расстоянии, защищая их от воздействия торосистого образования, также обеспечивает достаточно эффективное распределение защитного тока системы эрозионно-коррозионной защиты.
Сокращение затрат на средства электропитания анодных узлов от оборудования платформы путем размещения якоря анодного узла на более близком к платформе расстоянии и заглублением в грунт на меньшую величину, чем определено указанными соотношениями, снижает эксплуатационную эффективность системы за счет необходимости более частой замены оторванного анодного узла с прокладкой нового питающего кабеля.
Благодаря сочетанию указанных соотношений, определяющих расположение анода и питающего его кабеля с возможностью электропитания его через заглубленный якорь, а также расчленения втычного соединителя с указанным усилием, обеспечивается высокая эксплуатационная эффективность эрозионно-коррозионной защиты платформы. Она обусловлена рациональным сочетанием уровня затрат на прокладку питающего кабеля при повышенной стойкости системы, обуславливающей снижение частоты отрывов анодного узла с ограничением трудоемкости, а, соответственно, и времени ремонта или замены поврежденного анодного узла, в период, пока остальные анодные узлы, с неповрежденными питающими кабелями, принимают на себя его токовую нагрузку.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведен пример системы эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы в ледовых условиях, где на Фиг.1 представлена система эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы, на Фиг.2 - вид платформы сверху.
Система эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы 1 содержит анодные узлы 2, размещенные на дне акватории 3, подключенные питающим кабелем 4 к оборудованию платформы. Каждый анодный узел выполнен из модуля 5 с положительной плавучестью, механически соединенного с якорем 7 кабель-тросом 6. Питающий кабель 4 подключен к каждому анодному узлу 5 через якорь 7 и кабель-трос 6 (Фиг.1).
Якоря анодных узлов и питающий кабель заглублены в грунт дна акватории на глубину z, определяемую соотношением (1). Якоря анодных узлов отнесены от платформы на расстояние R, определяемое соотношением (2).
Длина кабель-троса превышает потенциальную толщину слоя заиливания акватории. Кабель-трос оснащен втычным разъемным электрическим соединителем 8 с усилием расчленения, лежащим в пределах от 0,3 до 0,9 усилия вырывания якоря из грунта дна акватории. Акватория покрыта льдинами 9, формирующими торосистые образования 10 (фиг.1, 2).
Предлагаемая система эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы в ледовых условиях функционирует следующим образом. При воздействии дрейфующего ледяного покрова на платформу перед его фронтом образуется зона всторошенного льда. Если размеры платформы достаточно велики, а глубина акватории небольшая, то возможна посадка на дно торосистого образования, формирующегося из дрейфующего ледяного покрова. Коснувшись дна акватории, торосистое образование может скользить по нему, прижимая анод к грунту. При аномально большом давлении, оказываемом торосистым образованием, и зацеплении им анода с усилием, превышающим усилие расчленения соединителя, последний расчленяется, предохраняя якорь и проложенный кабель от повреждения, что облегчает восстановление системы эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы.
В качестве примера реализации рассмотрена система эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы применительно к условиям региона западной Арктики.
Оценка глубины внедрения статического торосистого образования в дно произведена в соответствии с известными положениями механики грунтов (Brown Т., Maatanen M. Comparisons of Kemi-I Dunedin, New Zealand, Vol.1, 2002, pp 503-513).
Осадка слоя грунта s под действием нагрузки определяется по формуле:
,
-1
0
gr
где: а - коэффициент сжимаемости морского грунта, лежащий в пределах от 0,5 до 2 МПа (Цытович Н.А. Механика грунтов. M.: Высшая школа, 1973); ε - начальная пористость грунта; h - толщина слоя грунта в месте расположения платформы; р - давление на грунт.
s
ice
s
s
ice
ice
Давление на грунт определяется весом торосистого образования, взаимодействующего с дном акватории. Определим весовую нагрузку на дно акватории. Торосистое образование состоит из надводной и подводной частей. Высота надводной части этого образования h определяется по эмпирической формуле h=7,6 h. Давление p, вызванное весом надводной части тороса, определяется зависимостью р=7,6(1-n)ph (Водяные образования морей западной Арктики. Под ред. д.т.н. Р.К.Зубакина, СПб, ААНИИ, 2006 г.), где n - пористость торосистого образования, лежащая в пределах от 0,7 до 0,85.
w
w
Со стороны подводной части торосистого образования действует «отрицательное» давление p, обусловленное плавучестью льдины. Оно может быть представлено как р=(1-n)ΔρH.
Тогда выражение (3) приобретает вид:
-1
3
3
gr
0
iсе
w
ice
Осадка слоя грунта s оказывается равной 0,5 м при коэффициенте а, равном 2 МПа (сильносжимаемый грунт), величине h (определяемой геологическими изысканиями в месте расположения платформы), равной 20 м, начальной пористости грунта ε, равной 0,3, пористости торосистого образования n, равной 0,8, плотности льда р, равной 800 кг/м, плотности воды ρ, равной 1000 кг/м, толщине льда, из которого формируется торосистое образование у платформы h, равной 2 м, и глубине акватории в месте расположения платформы H, равной 20 м.
Поэтому заглубление якорей анодных узлов и питающего кабеля z, обеспечивающее достижение положительного результата в предлагаемой системе, может быть представлено неравенством:
Безопасное расстояние для размещения якорей анодных узлов определяется размером торосистого образования, формирующегося у платформы. Из теории динамики морских льдов известно, что в плане торосистое образование у платформы имеет форму треугольника, одной стороной опирающегося на платформу (Тихомиров Л.А., Хейсин Д.Е. Динамика морских льдов. Математические модели. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987). Угол при вершине этого треугольника может изменяться в диапазоне от 40° до 60° (Фиг.2). Наибольшая длина такого образования получается при угле в 40°, поэтому в данном примере используется именно это значение.
Из указанных предпосылок длина нагромождения l может быть определена по зависимости:
.
Подводное нагромождение никогда не касается дна по всей своей длине. Наблюдения за характером формирования ледовых образований показывают, что угол наклона нагромождения под водой лежит в пределах от 30° до 60° (Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980). Выберем среднее значение угла наклона 45°. Тогда якоря анодных узлов на расстоянии R>1,37L-H, от платформы, оказываются в зоне, характеризуемой, с одной стороны, отсутствием вероятности зацепления якоря, заглубленного в грунт, и с другой стороны, малой вероятностью зацепления анодного узла. Зацепление обусловлено достаточно редким событием попадания анодного узла в жесткую каверну, образующуюся в нижней части торосистого образования. Поэтому, когда торосистое образование задевает анодные модули, они, как правило, отклоняются от вертикального положения, на кабель-тросе, пригибаясь ко дну акватории.
Если в самом неблагоприятном случае происходит зацепление торосистым образованием какого-либо из модулей и его усилие превосходит усилие вырывания якоря и, соответственно, питающего кабеля из грунта дна акватории, электрический соединитель расчленяется. Учитывая разброс усилий расчленения типовых втычных контактов и механических защелок, лежащий в пределах 10%, гарантированное их удержание в сочлененном состоянии обеспечивается при осевой нагрузке до 90% от усилия расчленения. Во время эксплуатации электрические контакты под действием тока, питающего аноды, залипают, механические защелки подвергаются коррозии и обрастанию, поэтому усилие расчленения соединителя возрастает до троекратного значения. Этим обусловлен выбор величины усилия расчленения в зависимости от материалов и конструкции контактных соединений и их механических расщепителей, а также средств их герметизации в диапазоне от 0,3 до 0,9 усилия вырывания якоря из грунта.
При этом сохраняется целостность наиболее трудоемкого в перемонтаже питающего кабеля, проходящего от платформы до якоря и ответной части электрического соединителя со своей частью кабель-троса, и обеспечивается возможность ремонта поврежденного анодного узла водолазом, восстанавливающим целостность кабель-троса, путем сочленения ответных частей соединителя.
Эффективность эрозионно-коррозионной защиты морской стационарной платформы, по сравнению с прототипом, достигается за счет сочетания ее повышенной стойкости в ледовых условиях, обеспечиваемой исключением обрывов питающего кабеля килем тороса у поверхности кессона платформы, и сокращения затрат снижением частоты отрыва анодных узлов относительно платформы и упрощение оперативного восстановления оторванных торосами анодных узлов.
Предложенная система позволяет сократить суммарный уровень затрат на защиту от коррозии морских стационарных буровых платформ, работающих в ледовых условиях.