МОРСКАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ ПЛАТФОРМА С ЗАГЛУБЛЕННЫМ ФУНДАМЕНТОМ Российский патент 2015 года по МПК E02B17/02 B63B35/44 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при создании и эксплуатации морских гравитационных платформ для освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа.

Известна платформа гравитационного типа, содержащая корпус, который служит опорой для размещения надводного эксплуатационного технологического оборудования (патент США №3824795). Нижняя часть корпуса платформы - фундамент в виде плоской плиты опирается непосредственно на дно водоема или искусственное основание (постель) и поддерживает надводную конструкцию верхнего строения платформы, где расположено эксплуатационное технологическое оборудование для подготовки углеводорода к транспорту.

Недостатком гравитационной платформы с фундаментом в виде плоской плиты является низкая сопротивляемость горизонтальным сдвигающим нагрузкам, в частности ледовым, высокие местные контактные напряжения в подошве плоской плиты. Кроме этого требуется тщательная планировка естественного или искусственного основания с целью обеспечения необходимого контакта между фундаментом и основанием.

Известна гравитационная платформа, содержащая корпус, фундаментную часть с донной плитой, оборудованной ребрами, которые заглубляются в грунты морского дна. Пространство между плитой и морским дном заполняется цементным раствором (патент Франция №2335133). Данная платформа имеет ряд преимуществ, в частности, более высокую устойчивость и равномерные контактные напряжения. Причем, конструкция фундаментной части позволяет отказаться от выполнения предварительных планировочных работ дна водоема или возведения искусственного основания (постели).

Однако недостаток данной платформы, оборудованной ребрами, заключается в необходимости создания значительных усилий для задавливания их в грунт основания, что приводит либо к ограничению глубины задавливания и не достижения ребрами прочных слоев грунта и, как следствие, снижение несущей способности основания, либо к увеличению размеров балластных емкостей. Как показывает практика и расчеты, при глубинах воды на акватории менее 15-20 метров задавить ребра на заданную глубину в прочные слои грунта не удается из-за малого установочного веса платформы (вес опорного блока плюс вес балласта).

Целью изобретения является снижение материалоемкости за счет уменьшения сил сопротивления задавливанию ребер путем их погружения на меньшую глубину (только на глубину слабых грунтов), создаваемых весом платформы и балласта (установочный вес), и погружением путем забивки (погружения) дополнительно сошников в прочные слои грунта.

Эта цель достигается за счет того, что в известной гравитационной платформе, содержащей корпус, фундаментную часть с донной плитой, оборудованной ребрами, в нижней части по периметру фундамента установлены сошники высотой, необходимой для достижения при установке прочных слоев грунта, с расстоянием между сошниками, определяемым из выражения

$$B\le 2H\tan \alpha \tan \varphi (1)$$

где B - расстояние между сошниками, м;

H - глубина погружения сошника, м;

φ - угол внутреннего трения грунта, град;

α - угол выпирания, град, определяемый из уравнения (см. С.Н. Левачев, В.Г. Федоровский, Ю.М. Колесников, С.В. Курилло. Расчет свайных оснований гидротехнических сооружений. М., Энергоатомиздат, 1986, стр.61).

Причем, ширина сошника назначена в соответствии с формулой

где b - ширина сошника, м;

k - эмпирический коэффициент, k≥1,0.

Значение эмпирического коэффициента k устанавливают на основании анализа исходных данных (инженерно-геологических условий площадки установки платформы, нагрузок, действующих на платформу, условий возможности размыва грунтового основания платформы) так, чтобы обеспечить наибольшую несущую способность грунтового основания (устойчивость платформы) при комбинированном воздействии внешних нагрузок.

Кроме этого в сложных геологических условиях проводятся экспериментальные исследования по уточнению ширины сошника, при которой достигается максимальная несущая способность грунтового основания (устойчивость платформы).

Сошники в горизонтальном сечении выполнены прямоугольными, а в вертикальной плоскости - плоскими, как правило, прямоугольной либо трапецеидальной и треугольной формы с толщиной металла, которая обеспечивает изгибную прочность сошника при погружении в грунт основания и в рабочем положении при эксплуатации платформы (обычно толщина металла сошника - 20-40 мм). В верхней части сошника устанавливается опорный наголовник.

Техническими результатами, которые обеспечиваются при реализации изобретения, являются следующие:

- снижение материалоемкости при создании морской гравитационной платформы за счет снижения сил сопротивления задавливанию;

- повышение устойчивости и несущей способности грунтового основания за счет погружения сошников в прочные грунтовые слои и передачи нагрузок от гравитационной платформы на эти прочные грунтовые слои основания;

- повышение надежности и снижение риска потери устойчивости гравитационной платформы в период эксплуатации при действии комбинированного внешнего воздействия нагрузок за счет повышения устойчивости сооружения;

- снижение риска возникновения аварийных ситуаций, загрязнения окружающей среды по причине потери устойчивости гравитационной платформы и нарушение в связи с этим условий нормальной эксплуатации скважинного и технологического оборудования, трубопроводных систем.

Поставленная задача решается тем, что в техническом решении конструкции морской гравитационной платформы, содержащей корпус, фундаментную часть с донной плитой, оборудованной ребрами, согласно изобретению в нижней части по периметру фундамента установлены сошники высотой H, необходимой для достижения при установке прочных слоев грунта, с расстоянием между сошниками B. В верхней части сошника устанавливается опорный наголовник. Ширина сошника b назначена не менее расстояния между сошниками B. Сошники в горизонтальном сечении выполнены прямоугольной формы, в вертикальной плоскости - плоскими, как правило, прямоугольной, трапецеидальной либо треугольной формы с толщиной металла, которая обеспечивает изгибную прочность сошника при погружении в грунт основания и рабочем положении при эксплуатации платформы.

Совокупность новых существенных отличительных признаков с остальными существенными признаками позволяет решить новую задачу, а именно снизить материалоемкость за счет уменьшения сил сопротивления задавливанию, повысить устойчивость и несущую способность грунтового основания морской гравитационной платформы путем погружения сошников в прочные слои грунта, что в конечном итоге приводит к повышению надежности, долговечности, снижения риска аварийных ситуаций.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены основные узлы и элементы морской гравитационной платформы, обеспечивающие реализацию предлагаемого технического решения, на плаву в транспортном положении, на фиг.2 - морская гравитационная платформа, установленная на естественное основание с задавленными в грунтовое основание полосовыми плоскими ребрами (при их наличии) в относительно слабые грунты основания, на фиг.3 - гравитационная платформа с погруженными сошниками в прочные слои грунтового основания любым известным способом (например, сваебойным оборудованием), на фиг.4 - продольный разрез платформы с погруженными сошниками в прочные грунты морского дна, на фиг.5 - погружение сошников в грунт основания, на фиг.6 - план фундамента платформы с сошниками.

Морская гравитационная платформа с заглубленным фундаментом (фиг.1) содержит опорный корпус 1. На опорном корпусе установлено верхнее строение 2. В нижней части опорный корпус оборудован фундаментом 3 с донной плитой 4, снабженный зазорами 5 по периметру фундамента для установки сошников 6. В нижней части по периметру фундамента установлены сошники 6, в верхней части которых установлены опорные наголовники 7 со штырем фиксатором 8. Сошники 6 установлены в зазоре между фундаментом 3 и ограничивающими планками 9, которые крепятся к фундаменту 3 через косынки 10, толщиной не менее толщины сошников. В транспортном положении сошники 6 фиксируются любым известным способом, например, с помощью металлического фиксатора, который имеет низкие прочностные характеристики по сравнению с сошником 6. Кроме этого показано грунтовое основание, состоящее из слабого слоя 11 и прочного слоя 12 грунта.

Угол выпирания α обозначен на фиг.4, а угол внутреннего трения φ - на фиг.6. Кроме этого на фиг.3, 4, 6 приведены обозначения глубины погружения сошника H, высоты ребра h, расстояния между сошниками B и его ширины b.

Изобретение реализуется следующим образом.

В стационарных заводских условиях (например, сухом доке) осуществляют строительство опорного корпуса 1, верхнего строения 2, фундаментной части 3 с донной плитой 4, к которой монтируют ребра (возможен вариант без полосовых плоских ребер). По периметру с внешней стороны устанавливают ограничивающие планки 9 через косынки 10 с образованием зазора 5 по размеру поперечного сечения сошника 6. Высоту сошника выбирают исходя из инженерно-геологических условий площадки таким образом, чтобы сошники были погружены в прочные слои грунта 12 для обеспечения заданной устойчивости платформы. Слабый слой грунта 11 должен быть пройден сошниками 6. Высоту ребер (в случае их наличия) тоже назначают исходя из инженерно-геологических условий таким образом, чтобы они прошли слабый слой грунта 11 и достигли прочный слой грунта 12. Сошники 6 располагают на таком расстоянии друг от друга, чтобы призмы выпора в прочном слое грунта, образуемые сошниками 6 при потере устойчивости сооружения, находились в пределах слоя грунта 12. Исходя из этого условия, расстояние между сошниками 6 определяют по выражению (1). Сошники, как правило, выполняются прямоугольными или трапецеидальными и треугольными в нижней их части, которая погружается в прочный слой грунта 12, что позволяет снизить силы сопротивления погружения (забивки) сошников 6 в прочный слой грунта 12. Толщина сошников 6 назначается исходя из расчета прочности на нагрузки, действующие на сошник в процессе погружения и эксплуатации платформы, и обычно она составляет 20-40 мм. Ширина сошника 6 назначается в соответствии с выражением (3). В сложных геологических условиях ширина сошника и длина зазора определяется на основе экспериментальных исследований из условия достижения максимальной несущей способности грунтового основания (максимальной устойчивости сооружения). Изготовленные сошники 6 вместе с опорным наголовником 7 и штырем фиксатором 8 устанавливаются в зазор между фундаментной частью и ограничивающими планками 9, которых изготавливают не менее двух. Сошники 6 устанавливаются таким образом, чтобы нижний торец сошника 6 не выходил за габариты фундаментной плиты 4, что достигается установкой фиксаторов любой конструкции, например устанавливается шпонка из мягкого металла, которая срезается при забивке сошника 6.

После выполнения регламентных работ в сухом доке платформу выводят из дока и транспортируют ее к месту установки. По прибытии на место установки производят частичное балластирование корпуса 1 платформы, и в результате чего платформа опускается, а затем и касается слабого слоя грунта 11 морского дна ребрами. Платформа позиционируют и проводят дальнейшее балластирование с задавливанием ребер в слабый слой грунта 11 до достижения ими прочного слоя грунта 12 и силы сопротивления задавливания резко возрастают. В этот момент дальнейшее балластирование прекращают и установочный вес платформы (вес платформы плюс вес балласта) достигает своего максимума. После проверки вертикальности платформы начинают работы по погружению сошников 6 с помощью подводных молотов или вибропогружателей, фиксируя их на опорном наголовнике 7 с помощью штырей фиксаторов 8. Контроль забивки сошников 6 в грунт основания 12 осуществляется с помощью подводных видеоаппаратов и передается оператору на судно. После достижения сошника проектного положения забивка данного сошника 6 прекращается, и приступают к погружению следующего сошника 6. Причем желательно забивку вести поочередно на диаметрально противоположных сторонах фундамента 3 корпуса платформы 1. После завершения забивки сошников 6 в случае необходимости производят закачку цементного раствора в межреберные пространства между плитой 4 и слоем грунта 11 морского дна.

В целом описанное техническое решение позволяет помимо основных достигаемых целей повысить надежность защиты основания от размывов.

Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет расширить диапазон глубин (в сторону значительного уменьшения их значения), на которых возможно эффективное использования гравитационных сооружений с заглубленным фундаментом.

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».

Описанное выше новое, промышленно применимое техническое решение представляет собой единый изобретательский замысел, отвечает, на наш взгляд, критерию изобретательского уровня, в связи с чем, предлагается к правовой охране патентом на изобретение.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть применено для создания и эксплуатации морских гравитационных платформ. Платформа содержит корпус, фундаментную часть с донной плитой, оборудованной ребрами, заглубляемыми в грунт основания. При этом фундамент в его нижней части по всему периметру с внешней стороны снабжен сошниками с глубиной погружения и расстоянием между ними, определяемыми из приведенного выражения. Ширина сошника также выполняется из математического выражения. Технический результат заключается в снижении материалоемкости при создании морской гравитационной платформы, снижении объема балласта для обеспечения задавливания ребер в грунт основания, повышении устойчивости и несущей способности грунтового основания, повышении надежности и снижении риска потери устойчивости гравитационной платформы в период эксплуатации при действии комбинированного внешнего воздействия нагрузок. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Морская гравитационная платформа с заглубленным фундаментом, содержащая корпус, фундаментную часть с донной плитой, оборудованной ребрами, заглубляемыми в грунт основания, отличающаяся тем, что, с целью снижения материалоемкости при одновременном повышении устойчивости платформы, фундамент в его нижней части по всему периметру с внешней стороны снабжен сошниками с глубиной погружения и расстоянием между ними, определяемыми из выражения
B≤2H tanα tanφ,
где B - расстояние между сошниками, м;
H - глубина погружения сошника, м;
φ - угол внутреннего трения грунта, град;
α - угол выпирания, град, определяемый из уравнения

причем сошник выполнен шириной, определяемой из выражения
b≥kB,
где b - ширина сошника, м;
k - эмпирический коэффициент, k≥1,0, определяемый на основе экспериментальных исследований.

2. Платформа по п.1, отличающаяся тем, что сошник выполнен прямоугольной формы в зоне погружения в прочные слои грунта.

3. Платформа по п.1, отличающаяся тем, что сошник выполнен трапецеидальной формы в зоне погружения в прочные слои грунта.

4. Платформа по п.1, отличающаяся тем, что сошник выполнен треугольной формы в зоне погружения в прочные слои фунта.