2.4. Самоподъемные платформы

Самоподъемные платформы представляют собой передвижные ус­тановки, опирающиеся на морское дно, которые используют для бурений (или добычи) с 1953 г.

В настоящее время в мире экспуатируются более 200 самоподъем­ных платформ, работающих на глубинах от 20-30 до 100 м. Установки должны работать на глубине 120-130 и даже 150 м (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Диаграмма глубин воды и ограничения по использованию

само­подъемных платформ

51

Конструкция самоподъемных платформ развивалась 20 лет и пред­ставлена, главным образом, постепенной заменой цилиндрических опор решетчатыми, обладающими большей прочностью на продольный изгиб и способностью противодействия волнам и ветру.

Существуют два основных типа самоподъемных платформ:

• свайные платформы, заканчивающиеся фундаментами или кес­сонами, известные под названием опорных понтонов (рис. 2.5 и 2.6);

Рис. 2.6. Треногая само­подъемная платформа, смонтированная на опор­ных понтонах

• Устойчивость самоподъемной платформы зависит от пригодности типа опоры (фундаменты, кессоны или опорные плиты) к природе и меха­ническим характеристикам грунта. Наряду с технологией устройства со­вершенствовались форма и размеры опор, которые, в первую очередь, за­висят от конструктора.

  платформы на опорных плитах, находящиеся на фундаменте почти такого же размера, что и фундамент платформы (рис. 2.5 и 2.7).

52

Рис. 2.7. Самоподъемная платформа на опорной плите

Проводится различие между:

• фундаментами, которые обычно имеют цилиндрическую форму;

• кессонами (или понтонами), имеющими весьма различную форму;

• одинарной или сдвоенной опорной плитой.

Самоподъемные платформы можно также характеризовать:

• либо вертикальностью свай;

• либо их наклоном, который меняется в пределах от 0 до 10° (или даже 15°) для увеличения устойчивости под действием боковых нагрузок.

Разведка грунта, необходимая до установки самоподъемной плат­формы, зависит от места и требовании:

• предварительной геотехнической разведке должна обязательно предшествовать предварительная геофизическая разведка;

• глубина разведки грунта меняется в зависимости от природы и степени консолидации пород, глубины воды, погоды, океанографических условий, типа возводимого сооружения и т.д.;

• предварительное знакомство с местом установки дает возмож­ность в некоторых случаях перед возведением нового сооружения ограни­чить разведку грунта. Например, считают, что в Мексиканском заливе грунт достаточно хорошо известен и проведение разведки до возведения новой самоподнимающейся платформы излишне. С другой стороны, в большинстве других районов мира проведение этой разведки требуется по закону.

В настоящей главе будут рассмотрены:

• описание опор самоподъемных платформ;

• геотехнические трудности, возникающие при возведении, обес­печении устойчивости во время бурения и извлечения платформ;

• 

  требуемая разведка грунта перед возведением платформ;

53

• использование результатов разведки грунта для расчета устойчи­вости самоподъемных платформ наряду с выбором типа опор, наиболее подходящих для конкретного типа грунта.

Самоподъемные платформы на сваях, заканчивающихся фундаментом или опорными понтонами

Внешний вид самоподъемных платформ весьма разнообразен:

• число свай может составлять от 3 до 14, однако устройство с 3 или 4 сваями более обычны;

-диаметр фундаментов или опорных понтонов составляет 5-15 м;

• сваи могут устанавливаться вертикально или наклонно (до 10-15°).

На рис. 2.8, а показаны формы и основные размеры (высота и диа­метр) ряда фундаментов самоподъемных платформ, эксплуатируемых в раз­личных районах земного шара: в Мексиканском заливе, Северном море, Ин­донезии, Персидском заливе и т.д.

Рис. 2.8, а. Фундаменты и опорные понтоны различных самоподъемных

платформ

Геометрия фундаментов или опорных понтонов имеет ряд особен­ностей, включающих:

• цилиндрические фундаменты с коническим концом, имеющим угол от 60 до 120°;

• цилиндрические фундаменты с вогнутым или выпуклым концом;

• конические многогранные или гиперболические опорные понтоны;

• опорные понтоны с асимметричными концами (асимметричный конус или усеченный цилиндр).

54

Диаметр большинства фундаментов или опорных понтонов для самоподнимающихся платформ составляет примерно 10-14 м, т.е. пло­щадь поперечного сечения равна 75-150 м.

По-видимому, соотношение высота h/ диаметр Dменяется в за­висимости от геометрии:

- составляет около 1 для цилиндрических фундаментов диа­метром D= 10 - 12 м,

- не превышает 0,5 для некоторых конических или гипе­рболических опорных понтонов большого диаметра (D= 13-14 м).

Площадь поперечного сечения цилиндрического фундамента или опорного понтона диаметром Dвсегда больше площади поперечного се­чения сваи, которая все чаще изготавливается в виде металлической ре­шетки, часто треугольной формы.

После осаждения наносов на верхней части опорного понтона понтон заякоривается; трудность отрыва такого якоря велика.

Большие самоподъемные платформы на опорных плитах

Самоподъемные платформы на опорных плитах (одна или несколь­ко плит) предназначены для установки на мягком грунте с низкой не­сущей способностью.

В настоящее время эти платформы эксплуатируются в различных акваториях земного шара:

• в Мексиканском заливе, где они составляют 30% подвижных платформ для морского бурения;

• на тихоокеанском побережье Латинской Америки (Перу, Эквадор

и т.д.);

• в Индонезии и на западном побережье Африки.

На рис. 2.8, б схематично представлены различные опорные плиты для самоподъемных платформ, сооружаемые фирмой Бетлехем-Бомонт. В зависимости от конкретного случая опорная плита состоит:

• из одной прямоугольной плиты с центральным отверстием (А- образной формы);

• одной или двух плит (соединенных раскосной системой, имеющих гидродинамическую форму для более удобного их перемещения).

Геометрия опорных плит

Плиты соединяются с платформой с помощью свай:

• обычно трубчатых;

• реже решетчатых.

55

Рис. 2.8, б. Различные типы опорных плит само­подъемных платформ (фирмы Бетлехем Стил Корпорей- шин). Геометрия опорных плит

Габаритные размеры (длина и ширина) фундамента сравнимы с размерами платформы:

• прямоугольная плита длиной от 50 до 60 м и площадью от 1000 до 2500 м²;

• плиты гидродинамической формы длиной от 50 до 60 м и площа­дью от 1000 до 2000 м².

Обычно плита имеет толщину от 2 до 4 м.

Характеристика ряда самоподъемных платформ

Устойчивость самоподъемных платформ под действием горизонтальных нагрузок

Проверка устойчивости под действием горизонтальных сил вклю­чает в себя два фактора:

• оценку величины углубления сваи, рассчитанную с учетом дей­ствия статических нагрузок;

• оценку опрокидывающего момента устройства.

Часто наблюдается заметное увеличение углубления (особенно в мягких грунтах) опор самоподъемных платформ в результате шторма. Возможно, это дополнительное углубление можно объяснить ожижением грунта под действием циклических нагрузок относительно большой ам­плитуды. Поэтому верхний предел углубления можно определить, сделав при расчете допущение, что грунт ожижается.

При отсутствии точных данных мы ограничимся напоминанием о ра­бочих критериях, принятых для эксплуатации новых самоподъемных платформ на сваях общей высотой Н = 127 м в различных регионах мира (табл. 2.1).

56

Следует особо отметить, что углубление, принятое для Северного моря, в зависимости от погоды и океанографических условий может коле­баться в пределах 200% (табл. 2.2).

Если углубление составляет менее 3-4 м, то допускают, что опоры находятся непосредственно на грунте.

Таблица 2.2

Углубление опор

Характеристики условий	Северное море		Мексиканский залив (ураган)	Юго-Восточная Азия
	зима	лето
Амплитуда волн, м	20	11,5	17	9
Скорость ветра, км/час	165	120	200	130
Углубление опорных
понтонов, м	21,5	11,5	22	12
Максимально допустимая
глубина воды, м	75	90	75	90

Рассмотрим, как обстоит дело при проектировании:

а) самоподъемных платформ на опорных плитах;

б) самоподъемных платформ на сваях, оканчивающихся в фун­даменте, или на опорных понтонах, находящихся на плотном грунте (плотный песок, плотная глина, коралл и т.д.). Ограничимся изложением принципа расчета устойчивости, не входя в детали относительно каждого типа сооружения.

Устойчивость сооружения теоретически надежна, если опрокиды­вающий момент, возникающий в результате действия горизонтальных на­грузок, меньше момента вертикальных сил, прижимающих сооружение к грунту (рис. 2.9):

F_Hh< Ра,

где Р - вес сооружения;

F_H- горизонтальная сила, обусловленная действием ветра и волн;

а - расстояние от точки приложения Р к краю (ширина = 2 а) или стороне многоугольника на свайной опоре;

h- высота действия F_Hнад дном моря.

Действие F_Hизменяет распределение напряжений под плитой или опорными понтонами. Поэтому также важно проверить опасность проби­вания грунта под опорами. В качестве примера числового применения рассмотрим:

• масса устройства 10000 т, т.е. нагрузка на сваю составляет около 3300 т в случае треногой платформы;

• уровень действия горизонтальной силы h= 80 м.

58

Рис. 2.9. Устойчи­вость самоподъемных платформ под действием горизонтальных нагрузок

Для самоподъемной платформы на опорной плите 2а = 50 м устой­чивость означает

F_H< 3000 т.

Для треногих платформ с опорными понтонами при расстоянии между сваями 45 м, находящимися непосредственно на дне, устойчивость означает такое действие горизонтальной силы на сваю:

Fh свая< 500 т,

где

Fh общая< 1500 т.

Если углубление свай самоподъемной платформы в мягкий грунт достиг­нет 20-30 м или более, то следует проверить, остается ли небольшим влияние го­ризонтальною противодействия грунта на устойчивость сооружения, подвер­гающегося действию горизонтальных сил, т.е. момент, возникающий в результате заглубления свай в грунт обычно не превышает 10% момента приложения к грун­ту вертикальных сил, действующих на сооружение.