В системе стандартов важное место занимают нормы проектирования, связанные с ветровыми нагрузками. В Федеральных нормах и правилах (ФНП), серия 08, выпуск 19, п.147 [2] установлена норма на обеспечение устойчивости буровых сооружений при ветровых нагрузках без определения ее технического содержания, включая отсутствие ссылок на действующие нормы, в рамках которых должны проводиться расчеты, связанные с ветровыми воздействиями на сооружения. Введение в ФНП этой нормы можно объяснить отсутствием возможности ее оценки для рассматриваемого вида сооружений в отечественном нормативном документе на нагрузки и воздействия Свод правил (СП) 20.1330.2016 [3], непосредственно связанным с нормами проектирования стальных конструкций СП 16.13330.2017 [4]. В основу методологии построения этих норм положен принцип «предельных состояний» как универсального инструмента для определения несущей способности широкого спектра сооружений. В рамках этой методологии предельное состояние конструкции определяется обобщенным соотношением:
∑ (ki × Ni) / A = γj × σm, (1)
где: ki × Ni – рабочие и внешние нагрузки с коэффициентами условий работы и поправочных коэффициентов в форме коэффициентов надежности;
А – площадь сечения рассчитываемого элемента конструкции;
γj × σт – механические свойства материала (предела текучести с коэффициентами надежности).
Это соотношение указывает на тождество между напряжениями, полученными при расчете конструкции и механическими свойствами материала, с многочисленными корректирующими коэффициентами. Структура построения расчетной формулы претендует на «абсолютное» знание, где теряется взаимосвязь с результатами эксплуатации и возможность внесения соответствующих поправок в эту замкнутую систему. Насыщение указанных методик значительным количеством поправочных коэффициентов вызывает сомнение в достоверности получаемых результатов как результат произведения достоверности этих коэффициентов.
В зарубежной практике инженерного анализа механические свойства материалов рассматриваются только как физический эталон, получаемый на основе регламентированной процедуры испытаний с оформлением соответствующего сертификата, для сопоставления с результатами расчета напряжений. Формула расчета напряжений включает поправку в виде коэффициента запаса, который отражает уровень эмпирического знания на основе опыта эксплуатации созданных конструкций [5]. Эта открытая структура знания совместима с современными системами инженерного анализа, как, например, ANSYS. Программная система ANSYS представляет собой комплекс научно обоснованных цифровых моделей широкого спектра физических процессов в сложных технических системах для анализа и оценки результатов моделирования при создании новой техники, включая создание виртуального дублера для эксплуатационного сопровождения поставляемого оборудования.
В порядке адаптации к международным нормам в СП 20.1330.2016 [3] внесены изменения в отношении регламента измерений скорости ветра и прогноза ветровых нагрузок на этапе проектирования. Проведенная корректировка («актуализация») не приблизила, а удалила этот норматив от соответствия зарубежным аналогам. В зарубежных аналогах исходным параметром для расчета ветровой нагрузки является скорость ветра, тогда как в [3] по-прежнему нормируемой величиной является ветровое давление. С одной стороны, это создает неудобства в практике отслеживания ветрового воздействия по сообщениям метеослужб, но самое важное в том, что теряется связь с реальной физической величиной, измеряемой приборными средствами с заданным регламентом обработки результатов измерений. Использование ветрового давления в качестве нормируемой величины– это переход в новое измерение, которое исключает возможность адекватного возврата к скорости ветра. К этому несоответствию добавлены нарушения в формуле, отражающей физический закон преобразования кинетической энергии ветра в ветровой напор, а также математической логики в отношении случайных величин. «Актуализация» методик времен логарифмической линейки это – отрицательный вектор в развитии отечественного инженерного знания. В условиях непрерывного роста требований к безопасности и безотказности создаваемых конструкций на фоне научно-технического уровня зарубежных производителей оборудования и права потенциального заказчика на ознакомление с результатами инженерного анализа рассматриваемые методики вряд ли получат практическое применение.
В зарубежной практике инженерного анализа механические свойства материалов рассматриваются только как физический эталон, получаемый на основе регламентированной процедуры испытаний с оформлением соответствующего сертификата, для сопоставления с результатами расчета напряжений. Формула расчета напряжений включает поправку в виде коэффициента запаса, который отражает уровень эмпирического знания на основе опыта эксплуатации созданных конструкций.
В последние годы вопросу прогнозирования экстремальных скоростей ветра, как сверхудаленного по времени события, уделяется самое пристальное внимание, особенно в отношении методологии анализа результатов наблюдений на метеостанциях. От точности прогноза зависит судьба дорогостоящих сооружений, т.к. результатом превышения предельной скорости будет не только разрушение конструкции, но и возможные последствия в виде экологической катастрофы.Россия – большая страна, и на ее территории определены 8 ветровых районов со свойственными и ежегодно повторяющимися механизмами преобразований в атмосфере. Для решения широкого спектра задач, связанных с ветровыми воздействиями, необходимы кардинальные изменения в методологии их учета и применения на базе научных и практических достижений в этой области. В свое время существовал совместный российско-датский проект по созданию Ветрового Атласа России по аналогии с европейским – на базе цифровой системы обработки данных наблюдений метеостанций. Методику и пакет прикладных программ предоставляло Датское энергетическое агентство. Проект не нашел должного отражения в официальных документах и для адекватной оценки зарубежной методологии в определении ветровых нагрузок целесообразно рассмотреть логику трансформации скоростей ветра в ветровую нагрузку.
Скорость ветра представляет собой движение атмосферного воздуха как результат взаимодействия потоков с различными частотно-векторными параметрами, которые в расчетных целях разделены на две составляющие: средняя и пульсирующая (порыв). Каждая из составляющих имеет свою статистику в оценке их расчетной величины. В рамках специфики расчета буровых сооружений расчетная величина скорости ветра представляет собой сумму средней скорости Vс и величины превышения порыва относительно средней скорости, т.е. без учета динамического фактора (частота и амплитуда). Применительно к экстремальным скоростям ветра коэффициент порывистости ветра, который снижается с повышением скорости ветра, может быть принят равным 1,25 [6], т.е. Vр = 1,25 × Vс – расчетная скорость ветра, м/с.
Россия – большая страна, и на ее территории определены 8 ветровых районов со свойственными и ежегодно повторяющимися механизмами преобразований в атмосфере. Для решения широкого спектра задач, связанных с ветровыми воздействиями, необходимы кардинальные изменения в методологии их учета и применения на базе научных и практических достижений в этой области.
Метеослужбы всех стран ведут постоянную регистрацию скоростей ветра и обработку результатов наблюдений для различных интервалов времени в зависимости от их назначения: сутки, месяц, сезон, год. Годовая статистика, как правило, представляет собой гистограмму среднесуточных скоростей ветра с определенным шагом: 1 м/c, 2 м/с и др. Многолетние наблюдения выполняют накопительную функцию, которые позволяют последовательно уточнять построение годовой гистограммы с учетом максимальных скоростей ветра, возникающих в течение каждого года. Общепризнанным распределением для аппроксимации годовой гистограммы является двухпараметрическое распределение Вейбулла и, как частный случай – распределение Релея. Эти распределения наиболее полно отражают природу формирования ветровых потоков в результате случайного взаимодействия энергетических преобразований в атмосфере, которое эквивалентно произведению вероятностей их совместного возникновения.
Особенностью распределения Релея является линейный рост интенсивности скоростей ветра, что можно рассматривать как тренд в росте экстремальных величин и возможность унификации относительной оценки распределений только по параметру масштаба. На основе гистограммы скоростей для каждого региона могут быть определены параметры распределения Вейбулла, которая становится родительской функцией распределения F(u), т.е. «генеральной совокупностью» для прогноза экстремальных скоростей ветра.
В качестве примера расчета воспользуемся параметрами распределения Вейбулла для осредненных скоростей ветра из Еврокода [7]: a = 5 – параметр масштаба,
γ= 2 – параметр формы (эта величина и для распределения Релея):
ῡ = a × Г(1 + 1/ γ) = 5 × 0,866 = 4,43 м/c – математическое ожидание скорости ветра, м/c; s = a × [Г(1 + 2/ γ ) – (Г(1 + 1/ γ ))2]0.5 = 5× [1 – 0,8662)0.5 = 2,32 м/c – среднее квадратичное отклонение скорости ветра.
Распределение вероятностей для экстремального значения в выборке объемом «n» из родительского распределения F(u) можно получить по формуле: F(y) = F(u)n. Несмотря на простой аналитический вид, эта формула сложна в процедуре расчета. Являясь выборочным вариационным рядом из родительской функции экспоненциального типа (Вейбулла), она, в конечном счете, будет связана с потребностью сведения к известным асимптотическим распределениям. Соответственно одним из основных и простых инструментов в определении экстремальных скоростей на основе родительской функции является асимптотическое распределение Гумбеля типа 1 для экстремальных значений.
Интегральный вид нормированной функции асимптотического распределения Гумбеля имеет следующий вид:
F(y) = exp (-e-y), (2)
где: y = (v – µv) / σv – нормированная случайная величина,
v – прогнозируемая скорость ветра, м/с;
µv и σv – мода и параметр масштаба.
При отсутствии параметров родительской функции можно также воспользоваться выборочными данными из статистики метеослужб.
Мода функции (2):
µv≈ ῡ + с × σv, м/c, (3)
где: с = 0,577 – постоянная Эйлера;
σv ≈ 1,238 × s – параметр масштаба.
ῡ ≈ математическое ожидание (средняя) скорость, м/с.
Функция F(y) не имеет параметра формы и не ограничена справа, т.е. стремится к ∞. Основное свойство этой функции состоит в том, что при достаточно большом объеме виртуальных выборок «n» из родительского распределения F(u) интенсивность распределения становится постоянной величиной и приемлемой для долгосрочного прогноза. Соответственно накопительная гистограмма должна соответствовать числу лет наблюдения для достижения сходимости к постоянной интенсивности и прогнозу, превышающему уровень сходимости.
На основе полученных данных определяем параметры асимптотической функции распределения Гумбеля для прогнозируемого периода t = 50 лет:
y(t) = -ln [ln (1/(1-1/t)] =3,902 – процентиль:
σv = 1,238 × 2,35 = 2,91 – параметр масштаба;
µv = 4,43 + 0,577 × 2,35 = 6,09 – мода, м/c.
В итоге квантиль (асимптотическая величина) максимальной скорости ветра на прогнозируемый период времени составит:
V50 = µv + y(t) × σv = 6,09 + 3,902 × 2,91 = 17,3 м/c.
С учетом порывов ветра, расчетная скорость ветра составит Vр =1,25×V50 =21,6 м/c, что соответствует ветровому напору p = 0,29 кПа.
Следует отметить, что в последнее время рассматривается переход на методику оценки распределения членов вариационного ряда на основе максимальных скоростей в течении каждого года, что открывает путь к отсеиванию большого объема данных по всему спектру скоростей, которые искажают реальную картину отслеживания экстремальных преобразований в атмосфере.Россия не располагает специализированными методиками инженерного анализа в области проектирования буровых сооружений. В области буровой техники все страны, кроме России, в качестве международных норм приняли API и ISO. Нормы ISO, по существу, являются аналогами API. Для решения поставленной задачи по оценке устойчивости буровых сооружений при ветровом воздействии можно было бы воспользоваться методикой ГОСТ Р ИСО 13626-2013 [8], которая по своему содержанию является переводом на русский язык второго издания API Spec. 4F [9]. В связи с тем, что вышло четвертое издание [10] логично воспользоваться обновленной редакцией. В предшествующей (третьей) редакции уже были внесены принципиальные изменения в оценку критических состояний при ветровом воздействии, которая состоит в использовании методологии управления рисками в соответствии с выбранным заказчиком уровнем безопасности эксплуатации комплекса по шкале SSL в системе технических требований PSL. Представленная система формирования исходных требований вполне справедлива для баланса интересов производителя и заказчика, т.е. по факту «не хочешь рисковать – плати больше».
Следует отметить, что в последнее время рассматривается переход на методику оценки распределения членов вариационного ряда на основе максимальных скоростей в течении каждого года, что открывает путь к отсеиванию большого объема данных по всему спектру скоростей, которые искажают реальную картину отслеживания экстремальных преобразований в атмосфере.
Ветровые нагрузки в [10] определяются двумя уровнями оценки расчетных скоростей ветра, т.е. «неожиданный» (unexpected) и «ожидаемый» (expected). В первом случае отсутствует время на подготовку к штормовому воздействию по предварительному оповещению. Режим «неожиданный» является исходным условием штормового воздействия на конструкцию. Для принятой поправки на порывы ветра средняя (базовая) скорость ветра составит V50= 38,6/ 1,25= 30,1 м/c. Используя обратную процедуру расчета, получаем, что применительно к данным по расчетной скорости, она соответствует среднегодовой скорости ветра ῡ = 7,8 м/c и величине поправки на расчетную скорость ветра 10 % вместо 7% для прогнозируемого периода на 100 и 25 лет по отношению к нормативному времени прогноза 50 лет [10].По норме ФНП [2], расчетная скорость ветра составляет:
Vр = 33,5× 1,40.5 = 39,6 м/c,
где: 33,5 – «нормативная» скорость ветра, м/c;
1,4 – коэффициент запаса на ветровую устойчивость.
Расчетная скорость ветра ФНП практически совпадает с [10], но для России это довольно жесткая норма (p=0,98 кПа по ветровому напору), и целесообразно пойти по пути адаптации к регионам, где планируется эксплуатация буровых установок.
Подъемные системы буровых установок (ВЛБ) имеют два исполнения: свободностоящие и закрепляемые к грунту с помощью растяжек. Потеря устойчивости как событие, определяемое фактом опрокидывания конструкции, наступает при условии, когда опрокидывающий момент от ветрового напора превзойдет статический момент устойчивости конструкции. Статический момент устойчивости свободно стоящих конструкций определяет опорный контур и расположение ее центра масс относительно опор. На рис. 1 в качестве примера приведены опорные контуры для передвижной буровой установки, применяемой при кустовом строительстве скважин. В режиме бурения опорный контур создают опоры механизма передвижения и выравнивания (МПВ), при передвижении опорными узлами являются цилиндрические шарниры крайних колес или блока колес.
В соответствии с представленной схемой опорных контуров, критерием опрокидывания является условие:
Mc ≥ Mv, (4)
где: Mc – статический момент устойчивости, кН×м;
Mv – опрокидывающий момент, создаваемый ветровым напором, кН×м.
Статический момент устойчивости по координатным осям, в соответствии со схемой на рис. 1 определяется по формуле:
Mc= ∑ (U× R) (5)
где: U – расстояние до центра масс ВЛБ от грани опорного контура, м;
R – реакция в опорах на грани контура от веса ВЛБ, кН.
Для расчета Mc трехмерная координата центра масс и суммарный вес могут быть получены непосредственно в процессе построения трехмерной сборки в системе CAD. В связи с тем, что не все компоненты сборки могут иметь адекватную характеристику центра масс, применительно к сборкам потребуется поузловой расчет с корректировкой на суммарную массу из чертежных документов.
Опрокидывающий момент, создаваемый ветровым напором, рассчитывается как суммарная величина по поверхностям в соответствии с принятой расчетной скоростью ветра:
Достаточным условием для конечного результата расчета можно считать приложение эквивалентного ветрового давления на внешние поверхности профилей на гранях мачты в пределах каждой секции.
Mv = 10-3 ×∑(p×S×H), кН×м, (6)где: p – ветровое давление на обдуваемую поверхность с учетом аэродинамического и высотного коэффициентов, Па;
S – площадь наветренной поверхности, м2;
H – расчетная высота наветренной поверхности относительно опорного контура (плечо силы ветра), м.
При расчете p и S, в соответствии с [10] приняты допущения, они дают некоторое завышение расчетных ветровых нагрузок на элементы сооружения:
– не учитывается корреляция ветрового напора на подветренные (теневые) поверхности;
– не учитывается напор от тангенциального направления ветра (параллельно поверхности);
– наветренной поверхностью считаются все грани отдельно расположенных компонентов конструкции;
– площадь наветренной поверхности мачты с навесным оборудованием принимается равной 30 % от площади по контуру граней;
– площадь наветренных поверхностей каждого блока свечей принимается равной площади контура граней блока.
При расчете ветровой устойчивости критическими направлениями по осям координат являются: “Z” и в обратном направлении по “X”. При расчете несущей способности мачты с использованием программы ANSYS построение графика допускаемых нагрузок на крюке производится при условии оценки наиболее критичного углового направления ветра “e”. Достаточным условием для конечного результата расчета можно считать приложение эквивалентного ветрового давления на внешние поверхности профилей на гранях мачты в пределах каждой секции.
Формула (4) справедлива для режима бурения, когда проводится периодическое выравнивание при относительно небольшом проседании опорных поверхностей ВЛБ. При передвижении основание будет находиться в наклонном положении в зависимости от накопленной величины проседания направляющих МПВ, что создает смещение центра масс и соответствующее снижение устойчивости ВЛБ. Наиболее вероятное направление смещения представлено на рис. Максимально возможные смещения центра масс определяются следующими соотношениями:
dz = 0,6 × h ×Hr/L;
dx = 0,6 × h × Hr/E,
h – максимальная величина проседания направляющей (в точке 1 на рис., расчетная величина 0,5 м), м;
Hr – высота центра масс передвижной части ВЛБ.
