МОРСКОЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
MARINE STRUCTURE FOR OPERATION IN ARCTIC CONDITIONS

Изобретение относится к области создания морских объектов для их эксплуатации в арктических условиях, в частности для эксплуатации в сложных ледовых условиях.
Изобретение может применяться как для создания судов активного ледового плавания, так и объектов специального назначения, предназначенных для постоянной эксплуатации в сложных ледовых условиях (например, буровых и нефтегазодобывающих платформ).
Известно ледостойкое гидротехническое сооружение, которое может быть использовано при создании нефтегазопромысловых морских сооружений для разведочного и эксплуатационного бурения скважин на шельфе морей с суровыми климатическими условиями (авт. свид. СССР №1565954).
Устройство имеет ледоразрушающие элементы из гибких стержней, которые расположены под острым углом к образующей конической поверхности сооружения. При воздействии на сооружение ледяных образований будет возникать сложное напряженное состояние - сжато-изогнутое в двух главных плоскостях. В результате разрушение ледяных образований перед опорной частью сооружения будет происходить при меньших значениях ледовых нагрузок на сооружение. Это позволяет снизить величину ледовой нагрузки при одновременном увеличении долговечности сооружения.
Недостатком известного решения является его низкая эффективность применительно к плавучим объектам в процессе их движения или транспортировки в заданную точку. Кроме того, при разрушении льда с использованием гибких стержней возникают значительные динамические нагрузки (вибрации), которые передаются на корпус сооружения.
Также известен морской объект для эксплуатации в арктических условиях (патент РФ №2304543), имеющий корпус и расположенные на корпусе расширители для снижения воздействия ледовых нагрузок. В известном объекте установка расширителей на корпусе позволяет улучшить показатели ледовой управляемости объекта, а также его ледовой ходкости в условиях ледовых сжатий. Улучшение показателей ледовой управляемости объекта происходит за счет экранирования расширителем от непосредственного взаимодействия со льдом участка корпуса, расположенного за мидель-шпангоутным сечением ближе к кормовой части, где формируются наибольшие усилия, препятствующие повороту судна в ледовых условиях.
Данное техническое решение принято за прототип.
Недостатком известного решения является то, что задача улучшения ледовой управляемости объекта, его ледовой ходкости в условиях ледовых сжатий, а также оптимизация процесса разрушения ледяного покрова расширителями решается для процесса движения объекта во льдах. Для ситуации, когда объект эксплуатируется в стационарных условиях (что характерно, например, после прихода и установки плавучей буровой или нефтегазодобывающей платформы на точку), известное решение не обеспечивает эффективного снижения ледовых нагрузок на корпус. Для безопасной эксплуатации объекта в стационарных условиях требуется постоянное нахождение в непосредственной близости от объекта ледокола.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение ледовой нагрузки на борт корпуса, повышение надежности и безопасности эксплуатации объекта, а также уменьшение эксплуатационных затрат как в процессе движения (транспортирования) объекта, так и, в первую очередь, при его эксплуатации в стационарных условиях в сложных ледовых условиях.
Техническими результатами, которые обеспечиваются при реализации изобретения, являются следующие:
- снижение материалоемкости корпуса (или замена материала корпуса на более дешевый материал с меньшими прочностными характеристиками) при работе объекта в сложных ледовых условиях за счет снижения величины ледовой нагрузки. Это обеспечивается тем, что расширители на корпусе являются концентраторами напряжений в ледяном массиве, создающими сложное напряженно-деформированное состояние льда, что приводит к более раннему разрушению льда при снижении общей и локальной ледовых нагрузок;
- повышение надежности и безопасности эксплуатации объекта за счет снижения ледовой нагрузки;
- снижение эксплуатационных затрат при работе объекта в сложных ледовых условиях за счет отказа от использования ледокола.
Поставленная задача решается тем, что морской объект для эксплуатации в арктических условиях имеет корпус и расположенные на корпусе расширители для снижения воздействия ледовых нагрузок, при этом профиль корпуса в зоне грузовой и балластной ватерлиний имеет вид ломаной линии, а расширители также выполнены в виде поверхности, состоящей из отдельных прямолинейных элементов, и размещены на корпусе с шагом, определенным из условия наиболее эффективного разрушения окружающего ледяного покрова.
При этом расстояние между осями расширителей (шаг размещения расширителей на корпусе) определяется по следующей формуле:
B=k×D/h, где
В - расстояние между осями расширителей;
k - эмпирический коэффициент;
D - общая длина поверхности взаимодействия объекта с ледяным покровом;
h - расчетная толщина льда.
Значение коэффициента k устанавливают на основании анализа исходных данных (размеров элементов объекта, размеров и формы расчетного вида ледяного образования в районе функционирования морского объекта, прочностных характеристик ледяных образований, расчетной скорости дрейфа ледяных образований) так, чтобы обеспечить наибольший эффект предварительного разрушения расширителями ледяных образований до их взаимодействия с корпусом морского объекта.
Кроме того, согласно изобретению угол наклона элементов ломаной линии корпуса увеличивается снизу вверх.
Для эффективной работы при любой величине загрузки морского объекта расширители имеют высоту, превышающую расстояние между грузовой и балластной ватерлиниями.
Углы наклона прямолинейных элементов расширителей могут соответствовать углам наклона элементов ломаной линии корпуса.
Расширители на корпусе могут быть размещены вертикально, а также под углом к вертикальной оси, в том числе параллельно друг другу.
Вертикальные и наклонные расширители на корпусе могут чередоваться.
При этом на корпусе под углом к вертикальной оси могут быть размещены вершины расширителей и/или основания расширителей.
Вершины соседних пар расширителей могут быть направлены навстречу друг другу.
Вершины соседних пар расширителей также могут быть направлены в противоположные стороны.
Аналогично, основания соседних пар расширителей могут быть направлены навстречу друг другу и/или - в противоположные стороны.
Пары расширителей с вершинами и основаниями, направленными навстречу друг другу, могут чередоваться.
Пары расширителей с вершинами и основаниями, направленными в противоположные стороны, также могут чередоваться.
Между парами расширителей с вершинами и основаниями, направленными навстречу друг другу, могут быть размещены вертикальные расширители.
В свою очередь, между парами расширителей с вершинами и основаниями, направленными в противоположные стороны, также могут быть размещены вертикальные расширители.
Использование перечисленных различных вариантов расположения расширителей на корпусе (вертикальное, под углом к вертикальной оси, комбинации различных положений) дают возможность повысить надежность и безопасность эксплуатации морского объекта за счет снижения ледовой нагрузки в результате целенаправленного формирования в ледяном покрове с различным комплексом свойств
сложнонапряженного состояния.
Расширители в сечении, преимущественно, имеют форму клина. Расширители по высоте также могут иметь форму клина, вершина которого расположена в нижней части расширителя. Конкретный профиль, конструктивные особенности и геометрические размеры расширителя определяется в процессе бассейновых модельных исследований в зависимости от структуры и текстуры льда.
Расширители могут иметь максимальные углы наклона прямолинейных элементов в зоне грузовой ватерлинии и/или в зоне балластной ватерлинии.
Расширители с максимальными углами наклона прямолинейных элементов в зоне грузовой и зоне балластной ватерлиний могут быть размещены на корпусе поочередно. Это обеспечивает реализацию эффекта предварительного разрушения расширителями ледяных образований до их взаимодействия с корпусом морского объекта при любой величине его загрузки.
Перечисленные признаки изобретения находятся в неразрывном функционально-конструктивном единстве и только одновременное их использование в морском объекте позволяет целенаправленно сформировать в ледяном массиве сложное напряженно-деформированное состояние, что приводит к разрушению льда при меньших ледовых нагрузках как общих, так и локальных и более раннему образованию радиальных трещин в ледяном покрове.
Этим обеспечивается решение поставленной перед изобретением технической задачи - снижение ледовой нагрузки на борт корпуса, повышение надежности и безопасности эксплуатации объекта, а также уменьшение эксплуатационных затрат как в процессе движения (транспортирования) объекта, так и, в первую очередь, при его эксплуатации в стационарных условиях в сложных ледовых условиях.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема взаимодействия морского объекта с дрейфующими ледяными образованиями; на фиг.2 - длина D поверхности взаимодействия объекта с ледяным покровом для различной формы морского объекта; на фиг.3 - предлагаемый профиль корпуса объекта, выполненный в соответствии с изобретением, а на фиг.4-5 - некоторые из предлагаемых вариантов размещения расширителей на корпусе морского объекта.
Предлагаемый морской объект имеет корпус 1, профиль которого в зоне грузовой и балластной ватерлиний имеет вид ломаной линии 2, а также размещенные на корпусе с определенным шагом В расширители 3. Морской объект подвергается силовому воздействию дрейфующих ледяных образований - ровных ледяных полей 4 и торосов 5, разрушающихся при взаимодействии с расширителями на обломки 6.
Морской объект при взаимодействии с ледяными образованиями работает следующим образом.
В зависимости от длины поверхности взаимодействия объекта с ледяным покровом D, расчетных размеров ледяных образований, их толщины и прочностных характеристик, а также с учетом климатических условий района эксплуатации объекта назначаются расстояния В, на которых на корпусе объекта размещаются оси расширителей.
Решение поставленной задачи по снижению ледовой нагрузки на борт корпуса, повышению надежности и безопасности эксплуатации объекта обеспечивается в соответствии с изобретением за счет реализации следующих механизмов.
При реализации предлагаемого изобретения происходит боковое
взаимодействие корпуса морского объекта со льдом, в результате чего расширители, являясь концентраторами напряжений, создают в массиве льда продольные трещины. Кроме того, в виду того, что зона корпуса, взаимодействующая со льдом, выполнена в виде ломаной поверхности с переменным углом β, происходит изгиб ледяного поля в одной плоскости, а за счет выполнения расширителей с углом наклона ά относительно вертикальной оси (в том числе в противоположных относительно вертикальной оси направлениях - фиг.5) происходит дополнительный изгиб ледяного поля еще в одной плоскости. Таким образом, ледяной покров с образовавшимися ранее продольными трещинами разрушается за счет изгиба в нескольких (не менее чем в двух) плоскостях, создавая сложное напряженно-деформированное состояние ледяного поля, что приводит к разрушению льда при меньших ледовых нагрузках как общих, так и локальных (из-за того, что прочность льда на изгиб в 2,5 раза меньше прочности льда на сжатие) и более раннему образованию радиальных трещин в ледяном покрове.
Наличие и различное расположение расширителей на корпусе морского объекта позволяет перейти от простого сжатия или изгиба в одной плоскости при криволинейной (ломаной) поверхности корпуса к сложнонапряженному состоянию ледяного покрова, где напряжения, создаваемые в ледяном покрове, определяются по формуле сложнонапряженного деформирования (сжатия с изгибом в двух плоскостях)
где
σ - напряжение;
F - сила сжатия;
S - площадь;
y
M - момент изгиба относительно оси «у»;
y
J - момент инерции относительно оси «у»;
z
M - момент изгиба относительно оси «z»;
z
J - момент инерции относительно оси «z».
В результате происходит значительное снижение ледовых нагрузок на корпус морского объекта.
Особенно это эффективно для морских объектов, у которых отношение общей длины D поверхности взаимодействия корпуса с ледяным покровом к расчетной толщине h льда равно или превышает 30-40.
Благодаря предлагаемому техническому решению, в ледяных образованиях реализуется сложное напряженное состояние, в связи с чем их разрушение происходит при меньших значениях ледовых нагрузок на морской объект. Напряжения, вызываемые расширителями в воздействующих на объект ледяных образованиях, приводят к разрушению этих образований на отдельные обломки.
В момент взаимодействия с самим морским объектом обломки льда двигаются по сложным траекториям. При этом в результате взаимодействия обломков между собой затрачивается часть общей энергии ледового образования, что дополнительно приводит к снижению суммарной ледовой нагрузки на объект, а также к снижению истирающего действия льда на корпус объекта.
Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения в массиве льда при его взаимодействии с расширителями образуются радиальные трещины, что приводит к ослаблению ледяного покрова и разрушению ледяных образований на отдельные обломки.
Кроме того, взаимодействие ледяного покрова с различно
размещенными на корпусе расширителями обеспечивает разрушение льда за счет изгиба ледяного покрова в нескольких (не менее чем двух плоскостях), что приводит к снижению общей и локальной ледовой нагрузки на морской объект.
В результате обеспечивается снижение ледовой нагрузки на корпус морского объекта, повышение надежности и безопасности эксплуатации объекта, а также уменьшение эксплуатационных затрат как в процессе движения (транспортирования) объекта, так и, прежде всего, при его эксплуатации в стационарных условиях в сложных ледовых условиях.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Описанные выше новые, промышленно применимые технические решения составляют единый изобретательский замысел, отвечают, на наш взгляд, критерию изобретательского уровня, в связи с чем предлагаются к правовой охране патентом на изобретение.