image
energas.ru

...

СИСТЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ КАЧКИ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ПРИ МОНТАЖЕ ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ СБОРА ГАЗА

Авторы:

УДК 622.279.04

П.В. Крылов, к.т.н., ООО «Газпром 335» (Санкт-Петербург, РФ)

В.Ю. Шарохин, ООО «Газпром 335»

А.А. Выдра, ООО «Газпром 335», inf@gazprom335.ru

А.В. Смирнов, ООО «Газпром 335»

Р.А. Крюков, ООО «Газпром 335»


В статье представлен обзор методов и технических решений по компенсации влияния повышенных динамических нагрузок, возникающих под действием вертикальной качки судна в процессе спускоподъемных и монтажных работ оборудования систем сбора газа на открытой воде. Актуальность данной тематики обусловлена проводимыми работами по импортозамещению оборудования системы подводной добычи и, как следствие, необходимостью прорабатывать вопросы монтажа крупногабаритного оборудования на морское дно. Для решения этой комплексной задачи требуются предварительные проработка, анализ и расчеты, необходимые для максимально возможного сокращения времени монтажа и демонтажа и сокращения стоимости данного вида работ. Основными рисками выступают погодные условия в зоне установки оборудования: ветер (скорость, характер порывов), течения (поверхностное, придонное), волнения водной поверхности (высота, период волн).

Приведен подробный анализ постоянных и переменных нагрузок, а также нагрузок от окружающей среды. Представлены схемы силового нагружения оборудования при спуске  с судна и соответствующие расчетные формулы. Рассмотрены основные принципы компенсации вертикальной качки – пассивные и активные системы. Показаны системы компенсации для надводной части, относящейся непосредственно к оборудованию на судне, и подводной части, включающей систему мягкой посадки, которая расположена на оборудовании. Приведена разработка отечественной системы мягкой посадки для манифольда весом более 180 т.

Результатом анализа рисков является сформированный план-график, в котором указаны «установочные окна» – промежутки времени, в которые проведение операций по монтажу оборудования системы сбора газа допустимо с точки зрения погодных условий. Как правило, граничными условиями являются технические возможности оборудования, применяемого  в процессе монтажа, его грузоподъемность, способность противостоять циклическим  и динамическим нагрузкам.


При монтаже оборудования сис- темы сбора газа принимаются утвержденные нормативными документами характеристики. Скорость спуска при монтаже оборудования систем сбора газа –  0,5 м/с, при требуемой точности позиционирования в пространстве до ±0,1 м. Принимая во внимание габариты и вес оборудования сис- тем сбора газа (например, размеры манифольда – 40 × 35 × 7 м, вес – до 800 т [1]) и глубины, на которых производится установка, любая погрешность и (или) неточность при работе спускоподъемного оборудования на судне могут привести к серьезным отклонениям в положении устанавливаемого оборудования. Очевидно, что чем технически совершеннее грузоподъемное оборудование, тем больше возможностей оно способно обеспечить как в противостоянии воздействующим нагрузкам, так и в плане безопасности выполняемых операций. В свою очередь, это позволяет расширить границы погодных «установочных окон» и приводит к значительному экономическому эффекту, особенно в районах с суровыми погодными условиями, где временные периоды для установки оборудования системы подводной добычи (СПД) крайне малы.

1_1_4.png

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Традиционно нагрузки, действующие на оборудование СПД, подразделяют по времени и способу воздействия на постоянные, переменные и нагрузки от окружающей среды. Постоянными нагрузками являются нагрузки, которые не изменяются по величине, точке приложения и направлению в течение определенного периода эксплуатации или установки оборудования (например, в течение процесса установки оборудования на морское дно). К постоянным нагрузкам можно отнести: вес устанавливаемого оборудования (на воздухе, в воде); вес постоянного балласта и установленного оборудования (дополнительное и (или) вспомогательное оборудование).

Характеристикой постоянной нагрузки является расчетное и (или) ожидаемое значение на основе параметров оборудования, таких как масса, объем, габариты.

Переменные нагрузки могут различаться по величине, точке приложения и направлению во времени. К переменным нагрузкам относят: операционные нагрузки (например, нагрузки, прикладываемые к оборудованию в процессе перемещения); вес временного балласта и (или) оборудования.

Характеристика переменной нагрузки определяется максимальным (или минимальным) заданным значением, которое является наиболее неблагоприятным воздействием нагрузки в рассматриваемой структуре.

Нагрузки от окружающей среды определяются условиями внешней среды, в которых находится оборудование в процессе его транспортировки и монтажа. Нагрузки могут изменяться по величине, точке приложения и направлению в зависимости от условий среды. К нагрузкам от окружающей среды относят: гидродинамические нагрузки, вызванные волнами и течением; ветровые нагрузки; нагрузки от снега и льда; нагрузки от температурных изменений.

Описанные нагрузки имеют классификацию, дающую представление о возникновении и природе сил воздействия, обусловливающих нагрузку.

1_1_5.png 

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для расчета и математического моделирования монтажных операций общую нагрузку удобно представить как совокупность статической и динамической составляющих сил. Динамическая нагрузка характеризуется быст- рым изменением во времени ее значения, направления или точки приложения и вызывает в элементах конструкции значительные силы инерции. По определению динамическая нагрузка почти полностью совпадает с переменной, но основной момент, определяющий именно динамическую нагрузку, – это «значительные силы инерции», поскольку именно силы инерции определяют воздействие динамической составляющей силы.

Величина, направление и точка приложения статической нагрузки изменяются во времени незначительно, а влиянием сил инерции для данной нагрузки можно пренебречь.

Каждая из описанных выше нагрузок может быть представлена как совокупность взаимодействия статической  1.png  и динамической 1_1.png составляющих: 

1_1_1.png,      (1) 

при этом 1_1.png в общем случае понимается как сила инерции 1_1_2.png.

Для упрощения расчетных схем обычно используют динамический коэффициент, в который закладывают допустимые динамические усилия и коэффициент безопасности/запаса. В общем случае упрощенный вид расчетной и (или) проектной нагрузки имеет вид:

1_1_3.png,               (2)

 

где k – динамический коэффициент.

В иностранных стандартах по проектированию оборудования для добычи используют коэффициент безопасности/запаса, который называют DF-фактором (Design Factor – проектировочный коэффициент запаса). Коэффициент представляет собой интегральное значение, которое учитывает одновременно многие факторы, влияющие на конструкцию и (или) оборудование, включая динамический коэффициент и коэффициент надежности по нагрузке. Величина динамического коэффициента может приниматься нормативно, в таком случае при дальнейшей установке должны быть обеспечены условия, при которых динамические нагрузки не превысят заданного предела. Также возможно проведение для рассматриваемого оборудования расчета динамического коэффициента с учетом конкретных условий установки.

1_1_6.png

Из представленного материала можно сделать вывод, что чем более жесткие внешние условия эксплуатации оборудования, тем более высокий коэффициент необходимо принимать в расчет. Следовательно, оборудование становится более громоздким за счет избыточности требований по прочности конструкции. С одной стороны, это правильная практика: безопасность превыше всего, но с другой – такой подход не позволяет реализовать весь потенциал оборудования, а потому его технические рамки достигаются очень быстро, что, как упоминалось выше, и является главным ограничителем в выборе временного периода установки оборудования систем сбора газа.

Основной метод борьбы с динамической составляющей нагрузки – снижение («гашение») сил инерции посредством добавления в цепочку «груз – такелажная  оснастка – грузоподъемное оборудование» устройств, воспринимающих дополнительные усилия от сил инерции и не передающих  (в идеальном случае) эти усилия на элементы оборудования. Учитывая массу и габариты оборудования, превалирующими нагрузками будут вес и вертикальные составляющие (проекция силы на ось z) сил инерции. Именно по- этому наиболее важным направлением по нивелированию дополнительных нагрузок, возникающих в процессе установки оборудования, является борьба с вертикальными динамическими нагрузками.

    1_1_7.png 

МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАЧКИ

Одна из основных проблем, возникающих при работе с тяжелым – весом в десятки, а иногда и сотни тонн – оборудованием, – вертикальная качка судна, возникающая вследствие волнения поверхности водной глади. Перепад высот гребней волн даже при умеренном ветре может достигать нескольких метров, что, в свою очередь, раскачивает судно, создавая дополнительную динамическую нагрузку на грузоподъемные устройства и оборудование. Кроме того, качка судна генерирует колебательный процесс для подвешенного груза, что влияет на точность установки и позиционирования, а также на безопасность процесса установки в целом.

Рассмотрим упрощенную схему сил, действующих на подвешенный груз без и при вертикальной качке судна (рис. 1).

При отсутствии качки судна сила воздействия F определяется ускорением свободного падения g. При волнении на море происходит восходящее и нисходящее движение судна, движимого профилем волны. На рис. 1 представлен случай восходящего движения судна. Из-за движения судна появляются вертикальные ускорения a, вызывающие силы инерции, которые могут создавать дополнительные нагрузки на систему «груз – такелажная оснастка – грузоподъемное оборудование».

Современные методы и технические решения, используемые для нивелирования эффекта вертикальной качки, направлены как на снижение динамических нагрузок на грузозахватные устройства и оборудование, вызванных силами инерции, так и на повышение точности и безопасности морских грузоподъемных операций. Как следствие, компенсация вертикальной качки позволяет расширить операционное окно, что особенно важно в регионах со сложными погодными условиями и в случае комплексной продолжительной установки оборудования. В конечном счете все вышеперечисленное обеспечивает экономическую выгоду и расширяет список доступных операций. В основу принципа компенсации вертикальной качки заложен принцип дополнительного (добавочного) перемещения подвешенного груза в сторону, противоположную перемещению судна под действием качки  (рис. 2). Дополнительное перемещение позволяет скомпенсировать перемещение судна, вызванное вертикальной качкой, что позволяет сохранить подвешенный груз в том же положении в пространстве (сохранить высоту подвешенного груза относительно морского дна неизменной), как если бы волнение водной глади отсутствовало вовсе.

1_1_8.png

В целом системы компенсации вертикальной качки по своему действию делятся на два основных типа: активные и пассивные. Как следует из названия, пассивные системы по сути своей являются реактивными, т. е. совершают действие в ответ на воздействие на груз и (или) грузоподъемные механизмы со стороны внешних сил, а активные системы являются проактивными, что подразумевает дополнительное (вторичное) управление, которое «предугадывает» будущее воздействие на груз и (или) грузоподъемные механизмы и дает команду системе компенсации на действие по снижению и (или) устранению этого влияния. Наличие дополнительной системы управления делает активные системы компенсации более дорогими по сравнению  с пассивными.

Вместе с тем стоит отметить, что по таким свойствам, как точность контроля за положением груза и быстрота ответной реакции на качку (а следовательно, и снижение динамических нагрузок на оборудование), пассивные системы значительно уступают активным. В процессе установки оборудования, как правило, используются сочетания компенсирующих систем для повышения надежности и безопасности монтажа в целом. Учитывая стоимость оборудования системы сбора газа, применение дополнительных систем экономически оправданно.

Систему компенсации можно разделить на надводную часть, которая относится непосредственно к грузоподъемному оборудованию, расположенному на судне, и на подводную часть, которая состоит из дополнительного грузоподъемного оборудования и системы мягкой посадки, расположенной непосредственно на оборудовании (рис. 3).

В случае надводной части сис- темами компенсации качки оснащаются краны, крановые лебедки, кран-балки. В случае подводной части системами компенсации качки оснащаются грузозахватные приспособления (крюки, траверсы и т. д.) и устанавливаемое оборудование (например, манифольд с собственной системой мягкой посадки).

По типу используемой энергии системы бывают гидравлическими, гидропневматическими и электрическими. Основными рабочими органами системы являются электромоторы, гидромоторы, гидроцилиндры. На рис. 4 представлен самый распространенный вид грузоподъемного оборудования с компенсацией качки – крановая лебедка. В данном случае компенсация реализуется посредством намотки и смотки троса на барабан лебедки, управляемой гидро- или электромотором. Преимущество данного устройства – в его компактности, так как отсутствуют промежуточные звенья и (или) рычаги между непосредственно тросом и грузом. Минусом может служить точность компенсации вследствие инертности системы.

1_1_9.png

Также применяются линейные компенсаторы качки (рис. 5),  главным рабочим органом которых служит гидроцилиндр. Принцип работы остается тем же, что и в случае крановой лебедки. Отличие заключается в том, что трос в данном случае подается и втягивается посредством линейных перемещений штока гидро- цилиндра, а не посредством намотки и смотки троса на барабан. Данный вид компенсатора позволяет работать с бóльшими усилиями и точностью, чем лебедка, но требует больше места для установки. Также минусом является ограничение в величине компенсации: длина подачи троса ограничена габаритами гидроцилиндра.

Многие специализированные суда – установщики оборудования, трубоукладчики – имеют в своем составе не только краны и (или) лебедки с компенсаторами качки, но и дополнительные элементы для противодействия качке, например крюковой компенсатор, что еще больше облегчает процесс монтажа оборудования на морское дно. Крюковой компенсатор устанавливается непосредственно над точкой подвеса груза. Данный вид компенсатора также применяют в случае отсутствия крановых компенсаторов качки. Иногда использование крюкового компенсатора позволяет устаревшим судам-установщикам производить операции по монтажу, избегая серьезной модернизации грузоподъемного оборудования. Но такой компенсатор не способен противостоять серьезным погодным условиям, поэтому его нельзя использовать как единственное средство компенсации. При его применении для установки на дно крупногабаритного оборудования, например манифольда, последний должен быть оборудован собственной сис- темой мягкой посадки, которая будет компенсировать нагрузки от вертикальной качки совместно с крюковым компенсатором. В противном случае возможны повреждения устанавливаемого оборудования вследствие неполного контроля за опусканием его на дно.

1_1_10.png

СИСТЕМА МЯГКОЙ ПОСАДКИ

Все перечисленные виды компенсаторов качки в большинстве своем относятся к грузоподъемному оборудованию и обычно входят в оснащение законтрактованных судов- установщиков. И только один вид системы противодействия качке, а именно система мягкой посадки, предоставляется организацией – производителем оборудования системы сбора газа. Данная система предназначена для обеспечения снижения скорости в процессе спуска при монтаже оборудования на дно либо на донное основание  с 0,5 м/с до безопасной величины (определяется и подтверждается расчетами). Система мягкой посадки обеспечивает снижение скорости для предотвращения возникновения повышенных динамических нагрузок в процессе посадки оборудования системы сбора газа на дно либо на донное основание, что может повлечь за собой недопустимые деформации несущих конструкций или иного рода систем и узлов оборудования.

ООО «Газпром 335» ведет разработку системы мягкой посадки для манифольда, вес которого превышает 180 т [1]. Далее планируется создание расширенной линейки систем мягкой посадки под целый ряд оборудования, имеющего различные вес и габариты.

Разработка ведется с учетом иностранного опыта по применению системы мягкой посадки с использованием оригинальных технических решений, которые позволят сократить стоимость изготовления и повысить эффективность системы в целом. Разработка собственной отечественной системы мягкой посадки для оборудования системы сбора газа расширит границы проектирования оборудования для подвод- ной добычи, а опыт, полученный в ходе создания, будет способствовать дальнейшему развитию систем компенсации динамических усилий.

В таблице представлен список иностранных компаний – поставщиков решений по компенсации качки и системам мягкой посадки. По данным таблицы, лишь одна известная фирма в сфере подвод- ных технологий добычи занимается созданием систем мягкой посадки – EAB Engineering.  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие добычи газа в морских условиях становится все более актуальной задачей, поэтому проектирование российского оборудования приобретает большой практический интерес. При завершении разработки и успешном проведении необходимых тестов системы мягкой посадки для оборудования системы сбора газа существует возможность  в перспективе поставлять отечественную продукцию не только в пределах страны, но и за рубеж. 




Зарубежные поставщики компенсационных систем Foreign suppliers of compensation systems

Компания

Company

Страна

Country

Продукция

Production

BOSCH Rexroth

Германия

Germany

Активные и пассивные системы компенсации качки

Active and passive motion compensation systems

Лебедки с компенсаторами качки

Winches with motion compensators

Cranemaster

Норвегия

Norway

Пассивные компенсаторы качки

Passive motion compensators

Крановые амортизаторы

Crane shock absorbers

EAB Engineering

Норвегия

Norway

Системы мягкой посадки

Soft-landing systems

HYDAC

Германия

Germany

Линейная активная система компенсации качки

Linear active motion compensation system

Вращающаяся активная система компенсации качки

Rotating active motion compensation system

MacGregor 

Финляндия

Finland

Краны с компенсаторами качки

Cranes with motion compensators

3D-компенсаторы качки

3D motion compensators

NOLT

Норвегия

Norway

Пассивные компенсаторы качки

Passive motion compensators

Крановые амортизаторы

Crane shock absorbers

TTS Marine

США

USA

Крановые активные и пассивные компенсаторы качки

Crane active and passive motion compensators

Лебедки с активной системой компенсации качки

Winches with active motion compensation system

 


Литература:

  1. Крылов П.В., Шарохин В.Ю., Выдра А.А., Кудряшова Е.С. Опыт проектирования отечественной системы сбора газа в рамках реализации стратегии импортозамещения в области производства оборудования для систем подводной добычи углеводородов // Газовая промышленность. 2018. № 1. С. 12–18.

  2. Recommended Practice DNV-RP-H201. Lifting Appliances Used in Subsea Operations. Det Norske Veritas AS, 2014 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://rules.dnvgl.com/docs/pdf/DNV/codes/docs/2014-11/RP-H201.pdf (дата обращения: 05.07.2018)

  3. Soft Landing Cylinders (SLC) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.eabeng.no/products-and-services/eab-soft-landing-system/ (дата обращения: 05.07.2018)