ПЛАВУЧЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК B63B35/44 E02B17/00 

Изобретение относится к плавучему устройству, имеющему погруженную в воду плавающую секцию из бетона, опорную секцию, включающую одну или несколько бетонных опор, выступающих вверх из плавающей секции участка, и палубную секцию из стали, поддерживаемую над поверхностью воды опорной секцией, причем вышеуказанная одна или несколько бетонных опор проходят внутрь палубной секции как полая стальная опора, предназначенная для размещения оборудования.

Плавучее устройство представляет собой установку, плавающую на поверхности моря, для освоения ресурсов под водой или под морским дном. Оно может быть установлено подвижно или поставлено на якорь. Типичными морскими плавучими устройствами являются буровые платформы, добычные морские основания, погружные буи и т.д.

Вполне естественно, что вес и остойчивость представляют собой проблемы, возникающие в связи с созданием плавучих устройств. То есть тенденция к увеличению так называемой верхней части (палубной секции) и других местных нагрузок на высоких уровнях становится все более серьезной проблемой. Это, как принято считать, связано с непредсказуемым увеличением веса палубных конструкций и узлов, что часто происходит при переходе от проекта к его реальному осуществлению.

Остойчивость и общие гидродинамические характеристики плавучего устройства близко связаны с положением физического центра тяжести во взаимодействии с центром плавучести и метацентрическим расстоянием выше центра плавучести. Таким образом, высота метацентра плюс центр плавучести должны быть определены как явно превосходящие высоту физического центра тяжести, что необходимо для достижения плавучести устройством удовлетворительной остойчивости. Таким образом, становится ясно, что если расположить физический центр тяжести как можно ниже, то это даст большой выигрыш. Это также означает, что в то время как тяжелая конструкция донной части бетонного плавучего устройства является его неоспоримым преимуществом, совсем иное будет подходящим по отношению к верхней части плавучего устройства. Палубная секция, выполненная в виде стальной конструкции, положительным образом влияет на остойчивость.

Причины выбора варианта соединения в плавучих устройствах стали и бетона являются частично экономическими и частично техническими. Бетон выгоден с точки зрения его стоимости и, как считается, имеет ряд преимуществ по отношению к стали. Относительно многочисленные и разнообразные типы установок, используемых вплоть до настоящего времени в Северном море при минимальном обслуживании и без специальной защиты, продемонстрировали высокую устойчивость к коррозии. Следовательно, считается, что бетонное плавучее устройство обладает преимуществом более длительного срока эксплуатации. Другим важным преимуществом является жесткость бетонных конструкций, именно это свойство делает их особенно подходящими при использовании в море под воздействием суровых погодных условий и для тяжелых палубных установок.

Из публикации заявки Японии N 56-63589 (кл. B 63 B 35/44, 30.05.81) известно плавучее устройство, имеющее погруженную в воду плавающую секцию из бетона, опорную секцию, включающую одну или несколько бетонных опор, выступающих вверх из плавающей секции, и палубную секцию из стали, поддерживаемую над водной поверхностью с помощью опорной секции, причем вышеуказанная одна или несколько бетонных опор выполнены с установленными на них полыми стальными опорами, входящими в палубную секцию и предназначенными для размещения оборудования.

Однако испытания показали, что взаимодействие стали и бетона является одним из тех аспектов конструирования, которые создают проблемы. Проблема возникает, когда значительные и сконцентрированные статические и динамические нагрузки между палубной секцией и опорной секцией должны передаваться на опору бетонной конструкции. Эти большие сконцентрированные нагрузки могут привести к образованию трещин в бетоне и в добавок к этому такие секции будут сильно подвержены усталости. Чтобы эти силы были распределены по большей площади и, таким образом, удовлетворительно уменьшали уровень механического напряжения, необходимо усилить бетон с помощью стальных конструкций. Тем не менее, такие усиления дают в результате относительно большое и нежелательное возрастание веса, особенно с учетом того факта, что возрастание веса происходит намного выше физического центра тяжести с отрицательным влиянием на остойчивость.

Величина этих сжимающих нагрузок будет несомненно зависеть от конструкции, т. е. от размера палубной секции и от принципов и вариантов осуществления, выбранных для взаимодействия между лежащей внизу опорной системой и опорной секцией плавучего устройства. Таким образом, становится возможным уменьшить величину сжимающих нагрузок путем тщательного выбора конструкции, основанного исключительно на этом аспекте. Тем не менее, такой выбор влечет за собой очевидное ограничение возможностей технической и экономической оптимизации конструкции плавучего устройства.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка плавучего устройства, имеющего улучшенные устойчивость и общие характеристики движения, а также оптимизированное время конструирования и установки оборудования.

Данная техническая задача решается за счет того, что в плавучем устройстве, имеющем погруженную в воду плавающую секцию из бетона, опорную секцию, включающую одну или несколько бетонных опор, выступающих вверх из плавающей секции, и палубную секцию из стали, поддерживаемую над водой поверхностью с помощью опорной секции, причем вышеуказанная одна или несколько бетонных опор выполнены с установленными на них полыми стальными опорами, входящими в палубную секцию и предназначенными для размещения оборудования, согласно изобретению разделительная линия между бетоном и сталью в опоре находится на расстоянии от опоры палубы (точки приложения ударной нагрузки), где сконцентрированные механические напряжения от сосредоточенных нагрузок на опору палубы распределены вдоль корпуса стальной опоры до низкого и относительно равномерного уровня.

При этом разделительная линия может быть расположена на расстоянии 20 - 30 м от опоры палубы.

Расстояние от разделительной линии до предполагаемой ватерлинии может составить около 5 м.

Кроме того, на одной или более из вышеуказанных стальных опор могут быть установлены лебедки для якорной системы плавучего устройства.

Плавучее устройство может содержать две диаметрально противоположные стальные опоры, установленные в опорной секции, а опорная секция может состоять из ряда плотно сгруппированных опор.

Погруженная в воду плавающая секция может являться составной частью опорной секции.

Область взаимодействия на разделительной линии между бетоном и сталью может включать горизонтальную кольцеобразную стальную плиту и кольцеобразную препятствующую сдвигу плиту, выступающую из стальной плиты вниз в бетон.

Далее настоящее изобретения будет объяснено со ссылкой на чертежи, в которых:
на фиг. 1 представлен момент установки стальной опоры на бетонную стойку,
на фиг. 2 представлен вид в перспективе возможного варианта выполнения плавучего устройства в соответствии с настоящим изобретением,
на фиг. 3 представлен другой возможный вариант выполнения плавучего устройства в соответствии с настоящим изобретением,
на фиг. 4 частично представлено поперечное сечение стальной стойки, используемой в плавучем устройстве, изображенном на фиг. 3,
на фиг. 5 представлена в вертикальной проекции стальная опора, изображенная на фиг. 4, установленная на лежащей внизу бетонной опоре,
на фиг. 6 показан в увеличенном виде фрагмент фиг. 5, представляющий собой зону взаимодействия бетона/стали и
на фиг. 7 представлен модифицированный вариант упомянутого фрагмента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 1 представлена верхняя конечная часть бетонной опоры 1. Эта бетонная опора 1 представляет собой часть плавучего устройства и выступает, как показано, вверх через водную поверхность 2. Стальная опора 3 показана при подъеме в положение наверху бетонной опоры 1 с помощью двух крановых барж 4, 5.

Комбинированная опора 1, 3 может, например, быть одним из элементов плавучего устройства, представленного на фиг. 2. Плавучее устройство на фиг. 2 относится к типу, где погруженная плавающая секция является частью опорной секции или наоборот, и, таким образом, не существует четкого разделения между погруженной плавающей секцией 6 и опорной секцией 7 плавучего устройства. Палубная секция 8 представлена пунктирными линиями. Эта палубная секция может быть выполнена различной по конструкции и может быть настолько мала, что практически исчезает, например, в том случае, когда погружной буй существует в виде платформы для вертолета или соответствующего конечного устройства в верхней части опорной секции.

Плавучее устройство, как представлено, выполнено из близко расположенных и сгруппированных опор 1, 9, 10 и 11. Бетонная опора отлита как монолитная конструкция, до уровня несколько выше водной поверхности 2, а затем выступает вверх в виде стальных опор 3, 12, 13, 14. Разделительные линии между бетоном и сталью обозначены позициями 15, 16 и 17.

Плавучее устройство, такое как это, может быть построено при использовании двух отдельных стройплощадок, одной - для бетонной опоры, а другой - для стальной опоры. Стальные опоры могут быть почти полностью завершены перед тем, как их установят на бетонные опоры (фиг. 1). Таким образом, каждая стальная опора может быть завершена со всеми своими палубами, готовыми для установки различного механического оборудования, а необходимое оборудование может также быть помещено в стальные опоры перед их установкой в плавучем устройстве. Плавучее устройство на провисающих якорных канатах, изображенное на фиг. 2, будет, как только будут установлены стальные опоры, иметь свою якорную систему. Это означает что плавучее устройство, изображенное на фиг. 2, например, в этом случае, может иметь необходимые якорные лебедки 18, 19 в своих оборудованных стальных опорах 3 и 13, так что предполагаемая установка на якорь может легко осуществляться с помощью провисающих якорных канатов 20-23. Из фиг. 2 очевидно, что система установки на якорь в соответствии с настоящим изобретением может приводиться в действие с помощью только двух стальных опор, расположенных диаметрально противоположно и наиболее удаленных друг от друга, конкретно стальных опор 3 и 13. Более того, не требуется, чтобы все опоры имели оконечные стальные части, как на фиг. 2. Таким образом, когда это считается полезным или подходящим, стальные опоры 12 и 14 могут не быть смонтированы, а бетонные опоры 9 и 11 могут при этом завершаться на разделительной линии 16 или возможно выше или ниже этой разделительной линии. Такая группа стоек явно может также состоять из большего или меньшего числа отдельных или более или менее соединенных опор.

На фиг. 3 представлен другой возможный вариант выполнения плавучего устройства в соответствии с настоящим изобретением, в данном случае в виде платформы, закрепленной на растяжках. Плавучее устройство, изображенное на фиг. 3, имеет погруженную плавучую секцию 25 из бетона, выполненную как каркасная конструкция (видна в горизонтальной проекции), имеющую бетонные опоры 26, 27, 28 и 29, выступающие из каждого угла конструкции. Бетонные опоры 26-29 выступают над водной поверхностью 30 до определенного уровня 32, 33, 34, 35. Далее отдельная опора продолжается как стальная опора 36, 37, 38 и 39. Стальные опоры несут поддерживающие конструкции/рамы 40 для поддержки узлов палубы (не показаны) и для связывания стоек вместе.

Как было ранее упомянуто, плавучее устройство на фиг. 3 представляет собой платформу, закрепленную на растяжках. Необходимые растяжки обозначены позициями 41, 42, 43 и 44, а оборудование для работы/затягивания для натяжных канатов установлено в соответствующих стальных стойках. Это оборудование обозначено на фиг. 3 позициями 45, 46, 47 и 48. Соединение между растяжками и плавучим устройством более детально не представлено.

Типичная стальная опора, такая как используется в плавучем устройстве на фиг. 3, представлена на фиг. 4 в частичном поперечном сечении. Как показано на фиг. 3, поддерживающая конструкция 40 палубной секции такова, что поддержка узлов (не показаны) палубной секции будет эксцентричной по отношению к центровой линии опор плавучего устройства. Следовательно, стальные опоры имеют в этом случае специальную конструкцию, причем усиливающая подпорная стенка 50 выполнена выступающей из периферийной части опоры, а подпорная стенка 51 выполнена параллельно ей под опорной системой 40 (фиг. 3). Аналогично, две параллельные подпорные стенки 52, 59 выполнены между парами подпорных стенок 50, 51. Эти структурные усиливающие элементы предназначены прежде всего для распределения механического направления и момента от опорной системы 40 к стальной опоре. В то же самое время эти параллельные подпорные стенки могли бы использоваться как, например, резервуары для хранения воды и дизельного топлива, так как они могли бы быть выполнены со значительной внутренней емкостью хранения.

Более того, из фиг. 4 видно, что необходимое число стальных палуб 54, 55 может быть выполнено внутри стальной опоры.

На фиг. 5 представлена разделительная линия между бетоном и сталью, а на фиг. 6 и 7 детально представлено возможное взаимодействие между бетоном и сталью, причем сечения взяты из области 56, представленной на фиг. 5. На фиг. 5 бетонная опора обозначена позицией 27 (см. также фиг. 3), а стальная опора обозначена позицией 37 (см. также фиг. 3).

Область взаимодействия, которая представлена детально для двух возможных форм осуществления настоящего изобретения соответственно на фиг. 6 и 7, охватывает толстую стальную плиту 57, расположенную сверху и сплошь вокруг верхней части бетонной опоры 27. Под стальной плитой находятся сварные болты из армирующей стали или болты другого типа (болты 58), которые вмонтированы в бетон. Число и габариты этих болтов будут зависеть от существующих растягивающих/сжимающих сил. Между болтами приварена препятствующая сдвигу плита 59 в форме замкнутого кольца. Она выполняет тройную функцию, воспринимая и передавая горизонтальные сдвигающие усилия, защищая от протечки воды и дополнительно, в силу того, что она выполнена из профилей в виде двутавровой балки, принимая и перераспределяя вертикальные сжимающие/растягивающие усилия. На фиг. 7 представлен альтернативный вариант осуществления соединения, в котором болты замены двумя плитами 60 с профилем в виде двутавровой балки.

Было бы определенным преимуществом по отношению к защите от протечки, чтобы профили в виде двутавровой балки и стальная плита представляли собой неразрывное сварное соединение вокруг всей окружности, но установка элементов в виде непрерывного кольца будет создавать технические проблемы при монтаже. Секторы, пригодные для установки, должны, следовательно, быть изготовлены заранее, т. е. сектора должны быть собраны и сварены на нужном расстоянии выше бетонной кромки, временно подвешены, например, на талях. После сварки кольцо может быть перемещено вниз, в окончательную, точно вываренную позицию. Стальная плита/верхняя плита 57 может иметь соответственно расположенные отверстия для введения бетона (дополнительно на эпоксидной основе). Конечно, возможно использовать другие методы для достижения непрерывности кольца. Стальная опора 37 имеет, как видно из фиг. 5, несколько меньший диаметр, чем бетонная опора 27. Эта разность частично выполняет функцию укрепления (технологическую), но она также будет обеспечивать получение допуска при монтаже стальной опоры по отношению к обычно применяемым очень строгим строительным допускам.

Линия раздела между бетонной и стальной частями в опоре должна в идеальном варианте располагаться на разумном и в то же время кратчайшем возможном расстоянии над водой, вычисленном с места, где механические напряжения, имеющие место из-за сжимающих нагрузок от палубной секции, достигли низкого, первоначально постоянного уровня. Это место может быть вычислено, если предположить, что сжимающее механическое напряжение распространяется вниз по цилиндрическому стальному корпусу стальной опоры в форме веера. На основе предполагаемого сектора распределения механического напряжения и при использовании в основном известных формул для определения сжимающего и растягивающего механического напряжения как функции сосредоточенной нагрузки и толщины цилиндрического стального корпуса стальной опоры, можно построить диаграмму распределения механического напряжения, показывающую, что как сжимающее, так и растягивающее механическое напряжение, вызванное наличием эксцентрично приложенных моментов, будет плавно меняться от максимальной величины в точке приложения ударной нагрузки до низкого, постоянного уровня на некотором расстоянии от верхней части опоры и далее вниз. Для диаметра верхней части опоры 25 м вышеуказанное расстояние будет приблизительно равно диаметру. Другое требование, которое должно быть выполнено, состоит в расположении линии разделения конструкции на нужной высоте над ватерлинией, например на 5 м выше ее, так как такое расположение будет обеспечивать разумные возможности для проверки и обслуживания. Это является большим преимуществом, так как необходимо иметь доступ ко всей стойке для проверки и обслуживания, хотя даже соединение бетона/стали, как предполагается, герметизировано во избежание протечки, принимая во внимание, что в соответствии с правилами плавучее устройство имеет предполагаемый срок эксплуатации 50 лет.

С помощью настоящего изобретения используются преимущества бетонного варианта в том, что касается жесткости, тяжести и устойчивости к воздействию коррозии на подводные, нижние части, то есть те части плавучего устройства, которые находятся под водной поверхностью, в сочетании с упругостью/пластичностью стали и в результате хорошо документированной способности выравнивать и распределять механическое напряжение, во всех частях над водной поверхностью. Стабильность и основные характеристики перемещения улучшаются благодаря тому, что физический центр тяжести максимально возможно снижен. Возможно также полностью использовать преимущества двух строительных площадок, конкретно, включая преимущество возможности полностью оборудовать стальные части перед их соединением с бетонной конструкцией.

Значительные и сосредоточенные статические и динамические нагрузки между палубной и опорной секциями будут распределяться по большей площади, обеспечивая очень благоприятное уменьшение уровня механического напряжение и удовлетворительного взаимодействия между сталью и бетоном.

Изобретение относится к судостроению, в частности к плавучим устройствам. Плавучее устройство выполнено из сочетания стали/бетона. Плавучее устройство имеет корпус или погруженную плавающую часть из бетона, из которого выступают вверх бетонные опоры. Опоры продолжаются как стальные стойки вверх до палубной части из стали. Стальные стойки строятся отдельно и могут быть полностью оборудованы перед их установкой на бетонную часть и закреплением на ней. Разделительная линия между бетоном и сталью в опоре находится на расстоянии от опоры палубы (точки приложения ударной нагрузки), где сконцентрированные механические напряжения от сосредоточенных нагрузок на опору палубы распределены вдоль корпуса стальной опоры до низкого и относительно равномерного уровня. Достигается улучшение устойчивости и общих характеристик движения плавучего устройства. 7 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Плавучее устройство, имеющее погруженную в воду плавающую секцию из бетона, опорную секцию, включающую одну или несколько бетонных опор, выступающих вверх из плавающей секции, и палубную секцию из стали, поддерживаемую над водной поверхностью с помощью опорной секции, причем указанные одна или несколько бетонных опор выполнены с установленными на них полыми стальными опорами, входящими в палубную секцию и предназначенными для размещения оборудования, отличающееся тем, что разделительная линия между бетоном и сталью в опоре находится на расстоянии от опоры палубы (точки приложения ударной нагрузки), где сконцентрированные механические напряжения от сосредоточенных нагрузок на опору палубы распределены вдоль корпуса стальной опоры до низкого и относительно равномерного уровня. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разделительная линия расположена на расстоянии 20 - 30 м от опоры палубы. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что расстояние от разделительной линии до предполагаемой ватерлинии составляет около 5 м. 4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что на одной или более стальных опор установлены лебедки для якорной системы плавучего устройства. 5. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что оно содержит две диаметрально противоположные стальные опоры, установленные в опорной секции. 6. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что опорная секция состоит из ряда плотно сгруппированных опор. 7. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что погруженная в воду плавающая секция является составной частью опорной секции. 8. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что область взаимодействия на разделительной линии между сталью и бетоном включает горизонтальную кольцеобразную стальную плиту и кольцеобразную препятствующую сдвигу плиту, выступающую из стальной плиты вниз в бетон.