Гравитационно-свайная платформа и способ постановки ее на морское дно Российский патент 2017 года по МПК E02B17/02 E02D27/52 E02D29/09 

Изобретение относится к морским нефтегазопромысловым сооружениям. Оно может быть использовано в других областях морского и речного гидротехнического строительства.

Известна гравитационная платформа (патент Франции №2335133), содержащая корпус, фундаментную часть с донной плитой, оборудованной плоскими ребрами, которые заглубляются в грунты морского дна. Пространство между плитой фундамента и морским дном заполняется цементным раствором.

Из этого же источника известен способ создания и установки такой гравитационной платформы, включающий изготовление ее отдельных частей в доке, транспортировку к месту установки и ее посадку на морское дно с задавливанием плоских ребер и последующей закачкой цементного раствора в пространство между плитой фундамента и морским дном.

Недостатком гравитационной платформы с ребристыми элементами, установленными на плите фундаментной части, является низкая сопротивляемость комбинированным нагрузкам от факторов внешней среды на слабых грунтах при их значительной мощности залегания, также в ряде сложностей, возникающих при выводе платформы из дока и ее транспортировке, которые связаны с особенностями ее конструкции.

Практически тот же недостаток относится и к способу, поскольку основание платформы имеет увеличенный высотный размер фундаментной части из-за ребристых элементов, что приводит к увеличению стоимости дока и выводного канала в связи с необходимостью их углубления, а также усложняется проводка платформы от места сооружения к месту установки в условиях мелководного шельфа.

Известна свайно-гравитационная платформа (патент США №4118942), содержащая опорный блок корпусного типа, оборудованного анкерными сваями, палубу с верхним строением. Сваи забиваются через слоты цилиндрических элементов фундаментной части корпуса платформы. Данная платформа имеет ряд преимуществ, в частности более высокую устойчивость и меньшие деформации от действия внешних нагрузок, что достигается работой как гравитационной составляющей (вес верхнего строения, опорного корпуса с балластом), передаваемой на основание опорной плитой фундамента, так и свайной составляющей в виде отдельных свай и свайных кустов, передающих нагрузки на более глубокие прочные слои грунтового основания.

Данное решение является наиболее близким к заявленному в части устройства и способа постановки сооружения на морское дно и принято в качестве прототипа.

Основным недостатком известной гравитационно-свайной платформы является низкая надежность совместной работы гравитационной и свайной частей из-за различной жесткости между ними в горизонтальном направлении. Под действием внешних горизонтальных нагрузок гравитационная часть платформы перемещается на некоторое расстояние, достигая цилиндрическими слотами элементов свайных конструкций, деформируя (изгибая) их, что приводит к последующему повисанию гравитационной плиты на сваях при ее осадке. Аналогичная ситуация складывается в случае незначительного подмыва грунтового основания и приводит тоже к повисанию гравитационной плиты на сваях. Такое повисание гравитационной плиты на сваях приводит к тому, что на грунтовое основание не передается гравитационная составляющая от веса платформы, что исключает работу гравитационной части из совместной работы, приводя к резкому снижению устойчивости сооружения, повышению их аварийности и сокращению срока эксплуатации.

В данном техническом решении гравитационно-свайной конструкции также раскрыт и способ постановки платформы на морское дно.

Этот способ является наиболее близким к предлагаемому и предусматривает проведение следующих операций.

Способ постановки гравитационно-свайной платформы предусматривает установку платформы на морское дно путем принятия балласта до плотного контакта подошвы фундамента с грунтами морского дна. После этого производят погружение свай через слоты в фундаментной части до расчетной глубины.

Недостатками известного способа является сложность и большая трудоемкость забивки сваи по центру слота или близко к нему, чтобы не происходил контакт боковой поверхности свай с боковой поверхностью слота для избегания повисания гравитационной части на сваях. Аналогичная ситуация возникает в процессе эксплуатации, когда под действием расчетных нагрузок происходят подвижки гравитационной части платформы до упора со сваями, что приводит к их деформации и повисанию гравитационной части платформы на сваях. Повисание приводит к тому, что гравитационная составляющая платформы не передается на грунтовое основание, и происходит снижение устойчивости платформы вплоть до ее потери.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является:

- в части устройства - повышение надежности работы платформ при одновременном снижении ее материалоемкости, обеспечивая совместную работу гравитационной и свайной составляющих, что приводит к повышению устойчивости платформы;

- в части способа - упрощения, снижения трудоемкости при одновременном повышении надежности установки платформы на морское дно.

Основными техническими результатами являются:

- повышение устойчивости платформы;

- снижение материалоемкости и стоимости платформы;

- снижение трудоемкости установки платформы на морское дно;

- снижение расходов на эксплуатацию платформы;

- повышение надежности и безопасности эксплуатации всего комплекса морских инженерных сооружений и нефтегазопромыслового оборудования объекта.

Поставленная задача достигается за счет того, что в известной гравитационно-свайной платформе, содержащей верхнее строение, корпус с фундаментом, оборудованный слотами в виде прямого правильного цилиндра, через которые установлены сваи, сваи снабжены оголовками в виде обратных усеченных правильных конусов с диаметром основания, меньшим диаметра слотов фундамента, установленного в верхней части свай, заглубленных в слотах с возвышением основания конуса оголовка над верхом слота. Причем оголовок смонтирован на свае с возможностью свободного перемещения с последующей фиксацией на свае. Кроме этого, оголовок может быть выполнен в виде прямой обратной усеченной правильной пирамиды. Оголовки выполняются цельными либо из сборных отдельных сегментов с возможностью перемещаться вдоль свай и последующей фиксацией на сваях. Кроме этого, оголовок в виде обратного усеченного правильного конуса или пирамиды выполняется из полосового материала в виде треугольных косынок, закрепленных на обойме, перемещающейся относительно сваи с последующей фиксацией на свае. Слоты, в которых устанавливаются сваи с оголовком, выполняются в виде прямой правильной призмы, либо прямого усеченного правильного конуса, или прямой усеченной правильной пирамиды. Угол наклона образующих оголовка в виде обратных усеченных правильных конуса или пирамиды целесообразно принимать от 1 до 10 градусов и более.

При таком варианте реализации изобретения повышается эффективность совместной работы гравитационной и свайной составляющих гравитационно-свайной платформы. В случае горизонтальной деформации (перемещения) платформы слот корпуса фундамента будет упираться в оголовок. При осадке платформа не будет повисать на свае, а свободно отойдя от оголовка, осядет и передаст гравитацию платформы на грунтовое основание. Данная конструкция позволяет улучшить условия работы как гравитационной, так и свайной составляющих, что приводит к повышению устойчивости и надежности работы гравитационно-свайной платформы.

В части способа установки гравитационно-свайной платформы, который предусматривает посадку платформы на морское дно до плотного контакта подошвы фундамента с грунтами морского дна путем принятия платформой балласта с последующим погружение свай через слоты в фундаментной части, которые погружают в слоты со смонтируемыми на верхнем конце оголовками в виде обратных усеченных правильных конусов с возможность свободного перемещения относительно свай, закрепляемых после забивки свай заглубленными в слотах, таким образом, чтобы основание обратных усеченных правильных конусов было выше верха слота, причем длина оголовка определяется из выражения:

где D - полная высота оголовка, м;

В - возвышение основания оголовка над верхом слота, м;

С - заглубление оголовка в слоте корпуса фундамента, м, которое определяется из выражения:

где Δ - расчетная осадка гравитационного фундамента, м;

k - коэффициент запаса, принимаемый равным k≥1,0.

В некоторых случаях конусный оголовок устанавливается и закрепляется в слотах после забивки сваи на расчетную глубину.

Благодаря такой совокупности признаков, находящихся в функционально-конструктивном единстве, обеспечивается новый, ранее не достигавшийся ни в прототипе, ни в других известных решениях эффект, состоящий в одновременном повышении устойчивости платформы, упрощении ее установки на морское дно и удешевлении ее эксплуатации.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показаны основные узлы платформы и элементы, обеспечивающие реализацию предлагаемого технического решения. Изображенная на фиг 1 ситуация соответствует моменту установки платформы на точку перед ее эксплуатацией.

На фиг. 2 приведена схема расположения сваи с оголовком в слоте по окончании ее забивки и установки оголовка в проектное положение. На фиг. 3. показана ситуация на момент перемещения гравитационного опорного блока до касания слота с оголовком сваи и его осадка в процессе эксплуатации сооружения. На фиг. 4 - оголовок из треугольных пластин (косынок) на обойме. На фиг. 5 - оголовок из сборных отдельных сегментов.

Гравитационно-свайная платформа содержит (фиг. 1) опорный корпус 1, на котором установлено верхнее строение платформы 2, гравитационный фундамент 3, через который забиты сваи 4, оборудованные оголовком в виде обратного усеченного правильного конуса 5, в слотах 6, смонтируемых в фундаменте 3. Гравитационный фундамент 3 опирается на грунтовое основание 7, в которое забиты сваи 4. Угол наклона образующей обратного оголовка α и толщина гравитационной плиты фундамента d обозначены на фиг. 2. Кроме этого, на фиг. 2 обозначено превышение отметки верха основания оголовка В (запас) над верхом слота и заглубление оголовка С по отношению верха слота на период окончания забивки сваи и установки оголовка в проектное положение, полная высота оголовка D. Промежуточная осадка Δ₁ и расчетная осадка Δ гравитационной части опорного блока платформы показаны на фиг. 3.

На рис. 4. Показан пластинчатый оголовок, состоящий из отдельных металлических косынок 8 в виде треугольника, закрепленных на обойме 9. Также оголовок может быть выполнен из нескольких сегментов 10, образуя в собранном виде обратный усеченный правильный конус (фиг. 5).

Изобретение реализуется следующим образом.

В стационарных заводских условиях (например, сухом доке) осуществляют строительство опорного корпуса 1, верхнего строения 2, фундамента 3, в который смонтированы слоты 6 для установки свай 4 с оголовком 5. Также в условиях сухого дока устанавливают оборудование на корпус 1 опорного блока, которое необходимо для обеспечения строительных и эксплуатационных работ в открытой акватории. После выполнения регламентных работ в сухом доке платформу выводят из дока и транспортируют ее к месту установки. По прибытии на место установки производят балластирование корпуса 1 опорного блока, и в результате чего платформа опускается на грунтовое основание 7. На грунтовое основание 7 передается гравитационная составляющая от собственного веса платформы и балласта, которая обеспечивает устойчивость платформы на период ее установки, которую производят в наиболее тихую погоду на акватории, свободной от ледяных образований. После этого производят забивку свай 4, на верхнем конце которых установлены оголовки 5 в соответствующем расчетном положении, через слоты 6. По достижении сваей 4 расчетной глубины забивки в случае необходимости производят рихтовку положения оголовка 5 относительно верха слота 6, устанавливая его в соответствии с расчетным положением. После чего осуществляют фиксацию его в этом положении любым известным способом (работы по забивке свай 4 и рихтовки оголовка 5 выполняют под наблюдением оператора по забивке свай с помощью подводной видеоаппаратуры). После установки оголовка 5 в проектное положение переходят к забивке сваи 4 на диаметрально противоположной стороне фундамента 3. И так забивают все сваи 4 согласно проектной документации.

Во время эксплуатации платформы под действием внешних нагрузок (горизонтальных и вертикальных) происходит деформация грунтового основания, в результате чего платформа горизонтально перемещается и осуществляется осадка. Так под действием горизонтальных внешних сил платформа перемещается, и стенка слота 6 упирается в оголовок 5. В этот момент осуществляется совместная работа гравитационной составляющей платформы со свайным креплением, достигая максимальной устойчивости сооружением. Однако под действием гравитационной составляющей платформа оседает, что приводит к вертикальному перемещению гравитационной плиты фундамента 3 совместно со слотом 6 относительно оголовка 5 сваи 4, которые остаются неподвижными. Этот процесс осадки платформы может проходить десятилетиями до полной стабилизации основания 7. Благодаря обратному усеченному правильному конусу оголовка 5 и слота в виде правильного цилиндрического элемента, что предотвращает возникновение силы трения между оголовком 5 и слотом 6 и не происходит повисание гравитационной плиты фундамента 3 на свае 4 и, как следствие, отрыва ее от грунтового основания 7. Тем самым обеспечивается совместная полноценная работа гравитационной плиты фундамента 3 и свай 4 по сопротивлению сдвигу платформы под действием горизонтальных внешних нагрузок (лед, волны, течение, ветер и т.д.). В целом описанное техническое решение позволяет повысить несущую способность основания за счет улучшения работы гравитационной составляющей, что, в конечном счете, позволяет повысить надежность платформы при одновременном снижении материалоемкости платформы и массы балласта.

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.

Группа изобретений относится к области гидротехнического строительства и может быть применена для создания и эксплуатации морских свайно-гравитационных платформ для освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа. Платформа содержит верхнее строение, корпус с фундаментом, оборудованным слотами в виде прямого правильного цилиндра, через которые установлены сваи. При этом сваи снабжены оголовками в виде обратных усеченных правильных конусов с диаметром основания, меньшим диаметра слотов в фундаменте, установленном на сваях, заглубленных в слотах с возвышением основания конуса оголовка над верхом слота. Технический результат заключается в повышении устойчивости платформы и снижении материалоемкости платформы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гравитационно-свайная платформа, содержащая верхнее строение, корпус с фундаментом, оборудованным слотами в виде прямого правильного цилиндра, через которые установлены сваи, отличающаяся тем, что сваи снабжены оголовками в виде обратных усеченных правильных конусов с диаметром основания, меньшим диаметра слотов на фундаменте, установленном на сваях, заглубленных в слотах с возвышением основания конуса оголовка над верхом слота.

2. Гравитационно-свайная платформа по п.1, отличающаяся тем, что оголовок смонтирован на свае с возможностью свободного перемещения относительно сваи с последующей фиксацией на свае.

3. Гравитационно-свайная платформа по п.1, отличающаяся тем, что оголовок выполнен в виде прямой обратной усеченной правильной пирамиды.

4. Гравитационно-свайная платформа по п.1, отличающаяся тем, что оголовок выполнен цельным.

5. Гравитационно-свайная платформа по п.1, отличающаяся тем, что оголовок выполнен сборным из отдельных сегментов.

6. Гравитационно-свайная платформа по п.1, отличающаяся тем, что оголовок выполнен из полосового материала в виде треугольных косынок, закрепленных на обойме, свободно перемещаемой относительно сваи с последующей фиксацией на свае.

7. Гравитационно-свайная платформа по п.1, отличающаяся тем, что слот выполнен в виде прямой правильной призмы.

8. Гравитационно-свайная платформа по п.1, отличающаяся тем, что слот выполнен в виде прямого усеченного правильного конуса.

9. Гравитационно-свайная платформа по п.1, отличающаяся тем, что слот выполнен в виде прямой усеченной правильной пирамиды.

10. Способ постановки гравитационно-свайной платформы, предусматривающий установку платформы на морское дно до плотного контакта фундамента с грунтами морского дна путем принятия платформой балласта с последующим погружением свай через слоты в фундаменте, отличающийся тем, что сваи погружают в слоты со смонтируемыми на верхнем конце оголовками в виде обратных усеченных правильных конусов с возможностью свободного перемещения относительно свай, закрепляемых после забивки, сваи заглубляют в слотах таким образом, чтобы основание обратных усеченных правильных конусов было выше верха слота, причем длина оголовка определяется из выражения:

где D - полная высота оголовка, м;

В - возвышение основания оголовка над верхом слота, м;

С - заглубление оголовка в слоте корпуса фундамента, м, которое определяется из выражения:

где Δ - расчетная осадка гравитационного фундамента, м;

k - коэффициент запаса, принимаемый равным k≥1,0.