ПНСТ 573-2021. Предварительный национальный стандарт Российской Федерации. Нефтяная и газовая промышленность. Системы подводной добычи. Динамические райзеры

(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 29.12.2021 № 77-пнст)

Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 декабря 2021 г. № 77-пнст

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НЕФТЯНАЯ И ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

СИСТЕМЫ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ

ДИНАМИЧЕСКИЕ РАЙЗЕРЫ

Petroleum and natural gas industry. Subsea production systems. Dynamic risers

ПНСТ 573-2021

ОКС 75.020

Срок действия с 1 февраля 2022 года до 1 февраля 2025 года

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью «Газпром 335» (ООО «Газпром 335»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 023 «Нефтяная и газовая промышленность»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 декабря 2021 г. № 77-пнст

Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011 (разделы 5 и 6).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес. до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: inf@gazprom335.ru и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112, г. Москва, Пресненская набережная, д. 10, стр. 2.

В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты» и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

Введение

Создание и развитие отечественных технологий и техники для освоения шельфовых нефтегазовых месторождений должно быть обеспечено современными стандартами, устанавливающими требования к проектированию, строительству и эксплуатации систем подводной добычи. Для решения данной задачи Министерством промышленности и торговли Российской Федерации и Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии реализуется «Программа по обеспечению нормативной документацией создания отечественной системы подводной добычи для освоения морских нефтегазовых месторождений». В объеме работ программы предусмотрена разработка национальных и предварительных национальных стандартов, областью применения которых являются системы подводной добычи углеводородов.

Целью разработки настоящего стандарта является установление единых правил и общих требований к проектированию и расчету систем райзеров, подверженных статическим и динамическим нагрузкам, для использования в системах подводной добычи углеводородов.

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт устанавливает требования к проектированию, изготовлению, испытанию и эксплуатации динамических райзеров, применяемых в системах подводной добычи углеводородов.

К системе динамического райзера относятся следующие компоненты:

• металлические райзеры (стальные и титановые);
• райзеры из композитных материалов;
• гибкие трубы;
• шлангокабели (отдельные или комбинированные).

1.2 Настоящий стандарт применяется ко всем новым построенным системам и может также применяться для модификации, эксплуатации и модернизации существующих райзеров.

1.3 Настоящий стандарт применим для райзеров, рассчитанных на постоянную работу, а также для райзеров, рассчитанных на временное использование (например, для работ по бурению и заканчиванию/капитальному ремонту скважин).

1.4 Настоящий стандарт применим для проектирования конструкции всех компонентов под давлением, входящих в систему райзера, включая:

• одиночные трубы с отношением наружного диаметра к толщине стенки менее 1:45;
• соединительные элементы райзера и элементы райзера, на которые действуют растягивающие или сжимающие нагрузки.

1.5 При постройке систем подводной добычи углеводородов с применением динамических райзеров под техническим наблюдением Российского морского регистра судоходства (РМРС) в дополнение к настоящим требованиям должны выполняться требования [1], [2], [3].

Примечание - Настоящий стандарт также может быть применен для расчета одиночных стальных труб, используемых в качестве компонентов в более сложных составных сечениях (например, шлангокабельных), если нагрузка на трубу может быть спрогнозирована должным образом. Поперечные сечения многоканальных шлангов (т.е. труба в трубе) не рассматриваются явно. Однако настоящий стандарт может применяться для расчета каждой отдельной трубной части таких поперечных сечений, обеспечивающей реалистичное (консервативное) распределение нагрузки по каждому индивидуальному трубному соединению. В частности, следует учитывать граничные условия труб, температуры и местные контактные нагрузки.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 54382-2011 Нефтяная и газовая промышленность. Подводные трубопроводные системы. Общие технические требования

ГОСТ Р 59304 Нефтяная и газовая промышленность. Системы подводной добычи. Термины и определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 59304, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 аварийные нагрузки: Нагрузки, действующие на систему райзера из-за внезапного, непреднамеренного и нежелательного события.

Примечание - Типичное аварийное событие имеет годовую вероятность появления менее 10-2.

3.2 вспомогательная линия: Линия (исключая линии дросселирования и линию глушения), прикрепленная к внешней стороне главной трубы райзера, такая как линия гидравлического питания, линия контроля плавучести и линия подъема бурового раствора.

3.3 общая потеря устойчивости: Форма потери устойчивости, подразумевающая деформацию объекта в целом или в нескольких местах (обычно относится к упругой потере устойчивости при эйлеровой нагрузке или потере продольной устойчивости стержня).

3.4 местная потеря устойчивости: Форма потери устойчивости, подразумевающая локальную деформацию поперечного сечения.

Примечание - Например, это может быть обусловлено внешним давлением (потеря устойчивости вследствие окружных напряжений) и моментом (гофры) или их комбинацией.

3.5 модули плавучести: Конструкции из легкого материала (обычно вспененных полимеров), привязанные или прижатые к внешней стороне звеньев райзера для уменьшения веса погруженного райзера.

3.6 прочность на смятие: Устойчивость конструкции райзера к смятию, вызванному кольцевыми напряжениями вследствие воздействия наружного избыточного давления.

3.7 райзер для заканчивания/капитального ремонта скважин (райзер C/WO): Временный райзер, используемый для операций по заканчиванию или капитальному ремонту и включающий в себя любое оборудование между подводной фонтанной арматурой/подвеской НКТ и системой натяжения плавучей установки.

3.8 соединитель (соединительная муфта): Механическое устройство, используемое для соединения соседних компонентов в системе райзера, например соединение двух звеньев трубы райзера встык.

3.9 припуск на коррозию: Величина толщины стенки, добавленной к трубе или компоненту, для обеспечения припуска на коррозию/эрозию/износ.

3.10 проверка проекта: Исследования конструкционной безопасности райзера под воздействием нагрузки (случаев расчетных нагрузок) в отношении заданных предельных состояний, представляющих один или несколько режимов отказа, с точки зрения прочности соответствующих конструкционных моделей, полученных согласно указанным принципам.

3.11 расчетная нагрузка: Нагрузка, применяемая при расчете и учитывающая действие всех нагрузок в выбранном расчетном случае с учетом расчетных коэффициентов.

3.12 расчетная прочность: Прочность, применяемая для расчета с учетом расчетных коэффициентов.

3.13 райзер для бурения: Райзер, используемый во время операций бурения и капитального ремонта, предназначен для изоляции любых жидкостей и шлама в стволе скважины от окружающей среды.

Примечание - Основные функции райзеров для бурения: обеспечение транспортировки флюида в скважину и из нее; поддерживание вспомогательных линий, направляющих инструментов и бурильных колонн; применение в качестве колонны спуска и подъема ППВО. Райзеры для бурения также могут использоваться для заканчивания и испытания скважин.

3.14 динамическое позиционирование: Автоматизированное средство поддержания плавучего объекта над заданной точкой в требуемых пределах путем управления движительным комплексом объекта.

3.15 эффективное натяжение: Осевое натяжение в стенке райзера с учетом реакций от воздействия внешнего и внутреннего давления.

3.16 нагрузки от воздействия окружающей среды: Нагрузки, обусловленные воздействием окружающей среды (волны, течение, ветер, лед и землетрясение и т.д.).

3.17

отказ: Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. ГОСТ 27.002-2015, [статья 3.4.1]

3.18 усталость: Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их раскрытию и разрушению.

3.19 безаварийность: Свойство оборудования или системы, при котором в случае отказа или неисправности какой-либо их части автоматически активируются устройства для стабилизации или обеспечения безопасности работы.

3.20 гибкая муфта райзера: Компонент райзера, выполненный из многослойного металла и эластомера, имеющий центральное проходное отверстие, равное или больше диаметра соединительной трубы или отверстия НКТ, расположен в вертикальной колонне для уменьшения местных изгибных напряжений.

3.21 плавучая буровая установка: Морская буровая установка, которая эксплуатируется в надводном положении и позиционируется либо на якорных линиях, либо динамически.

3.22 смещение плавучей буровой установки: Смещение, вызванное периодическими воздействиями волнения моря и колебаниями скорости ветра, а также учитывающее среднее смещение плавучей буровой установки.

3.23 среднее смещение плавучей буровой установки: Смещение, создаваемое постоянным течением, ветром и волнами, при позиционировании плавучей буровой установки с помощью системы динамического позиционирования или с помощью якорной системы позиционирования.

3.24 движения плавучей буровой установки с частотой волны: Движения, которые являются прямым следствием действия волн на плавучую установку, и называются режимом частоты волны (WF).

3.25 анализ разрушения: Анализ, с помощью которого устанавливаются начальные размеры критических дефектов при расчетных нагрузках для определения времени распространения трещины до разрушения, то есть образования утечки или потери устойчивости.

3.26 функциональные нагрузки: Нагрузки, вызванные функциональным предназначением системы райзеров, возникающие при эксплуатации и техническом обслуживании системы, исключая нагрузки от внешнего и внутреннего давления.

3.27 глобальный расчет: Расчет всей системы райзера.

3.28 вывешивание: Состояние райзера, не соединенного с донным оборудованием.

3.29 нагрузки и перемещения при сопряжении: Нагрузки и перемещения, возникающие при соединении отдельных узлов системы.

3.30 предельное состояние: Состояние, после которого райзер или часть райзера больше не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к его исполнению или эксплуатации.

3.31 нагрузка: Физическое воздействие, вызывающее натяжение, напряжение, деформацию, перемещение, движение и т.д. в райзере.

3.32 реакция воздействия: Отклик одной нагрузки или комбинации нагрузок на конструкцию, такой как изгибающий момент, эффективное натяжение, напряжение, растяжение, деформация и т.д.

3.33 коэффициент надежности по нагрузке: Коэффициент безопасности, на который умножается величина усилия воздействия для получения расчетной нагрузки (воздействия).

3.34 класс местоположения: Географическая область, классифицированная в соответствии с расстоянием от мест с регулярной деятельностью человека.

3.35 расчет по коэффициентам нагрузок и устойчивости; расчет по КНиУ: Формат расчета, основанный на методе предельного состояния и частичной безопасности.

Примечание - Методика частичного обеспечения безопасности — это подход, при котором для каждого воздействия нагрузки (отклика) и продолжительности сопротивления применяются отдельные коэффициенты.

3.36 низкочастотное движение; движение LF: Качка и рысканье плавучей установки с периодами собственных колебаний на частотах ниже частоты волн или близких к их частоте.

Примечание - Движения LF обычно имеют периоды от 30 до 300 с.

3.37 коэффициент прочности материала: Компонент коэффициента безопасности, характеризующий сопротивление материала разрушению.

3.38 максимальные рабочие нагрузки: Максимальные нагрузки при нормальной эксплуатации системы.

3.39 режим работы: Один из возможных способов эксплуатации райзера (спуск, посадка и соединение, испытания на перегрузку, испытания под давлением, глушение скважины, подключенное производство (доступ к скважине), подключенное запирание, отсоединение, аварийное отключение, вывешивание (отсоединенное)).

3.40 эксплуатационные ограничения: Ограниченный диапазон параметров эксплуатации, при которых возможно безопасное функционирование системы.

3.41 (нормальная) эксплуатация: Условия, которые являются частью регулярной (нормальной) эксплуатации системы райзера.

Примечание - Это должно включать устойчивые условия потока во всем диапазоне скоростей потока, а также возможные условия запакеровки и остановки (скважины), когда они происходят как часть регулярной эксплуатации.

3.42 (аварийная) работа: Условия, которые не являются частью нормальной работы системы.

Примечание - Такие условия могут привести к случайным давлениям. Такие условия могут быть, например, перенапряжениями из-за выгорания, внезапного закрытия клапанов или отказа системы регулирования давления и активации системы аварийной защиты от превышения давления.

3.43 отклонение от круглой формы: Отклонение периметра от круга.

Примечание - Например, овализация, т.е. эллиптическое поперечное сечение или локальное отклонение от круглой формы, например уплощение. Численное определение некруглости и овализации одинаково.

3.44 постоянный райзер: Райзер, который эксплуатируется непрерывно в течение длительного периода времени независимо от условий окружающей среды.

3.45 расчетное давление: Максимальное внутреннее давление во время нормальной эксплуатации.

Примечание - Расчетное давление должно учитывать установившиеся условия потока во всем диапазоне условий потока, а также возможные условия уплотнения и закрытия.

3.46 местное давление: Внутреннее давление в любой точке райзера для соответствующего расчетного давления, аварийного давления или испытательного давления, т.е. давления на контрольной высоте плюс статический напор транспортируемого/испытательного носителя, из-за разницы между контрольной высотой и высотой рассматриваемой секции.

3.47 аварийное давление: Повышенное внутреннее давление при аварийной (нештатной) ситуации.

Примечание - Аварийное давление относится к той же контрольной высоте, что и расчетное давление, и включает ситуации, когда райзер подвергается воздействию перенапряжения, непреднамеренному давлению при закрытом устье скважины, закачиванию под давлением (гидравлический удар) или временному случайному состоянию.

3.48 максимально допустимое аварийное давление: Максимальное давление, при котором система райзера/трубопровода должна работать во время случайной (т.е. переходной) работы.

Примечание - Максимально допустимое аварийное давление определяется как максимальное аварийное давление за вычетом положительного допуска системы аварийной защиты от превышения давления.

3.49 максимально допустимое рабочее давление: Максимальное рабочее давление при нормальной эксплуатации системы райзера.

Примечание - Максимально допустимое рабочее давление определяется как расчетное давление за вычетом положительного допуска системы регулирования давления.

3.50 минимальное давление: Минимальное внутреннее давление в райзере на контрольной высоте, включая гидростатический напор флюида (консервативно принимается равным 0).

3.51 давление распространения смятия: Минимальное давление, при котором возможно распространение вмятины.

3.52 система регулировки давления: Система поддержания заданного давления в заданной контрольной точке райзера независимо от давления на входе.

3.53 система аварийной защиты от превышения давления: Система, которая независимо от системы регулирования давления гарантирует, что допустимое давление не будет превышено.

3.54 давление гидравлического удара: Давление, создаваемое внезапными изменениями скорости флюида внутри райзера.

3.55 давление испытания системы райзеров: Внутреннее избыточное давление, приложенное к райзеру или звену райзера во время испытаний после завершения установочных работ для проверки системы райзера на герметичность (обычно выполняется как гидростатическое испытание).

3.56 система останова технологического процесса: Контролируемая последовательность операций при остановке технологического процесса, обеспечивающая защиту от случайного выброса углеводородов в окружающую среду.

3.57 динамический райзер: Трубопровод, служащий в качестве продолжения буровой скважины от аппаратуры управления скважиной на оборудовании устья скважины на морском дне до плавучей буровой установки.

3.58 ретчетинг: Накопленная пластическая деформация при циклической нагрузке.

3.59 прочность: Способность конструкции или ее части сопротивляться разрушению под действием нагрузок.

3.60 нормативная прочность: Номинальное значение параметра прочности, используемого при определении расчетной прочности.

Примечание - (Нормативная) прочность обычно основана на определяемом квантиле в нижнем конце функции распределения для сопротивления.

3.61 компонент райзера: Любая часть системы райзера, которая может быть подвергнута воздействию давления рабочей жидкости, проходящей внутри.

Примечание - Сюда входят такие элементы, как фланцы, соединения, звенья напряжения, звенья натяжения, гибкие муфты, кольцевые превенторы, телескопические муфты, скользящие муфты, тройники, изгибы, редукторы и клапаны.

3.62 отсоединение райзера: Операция разблокировки соединения райзера.

3.63 звено райзера: Часть райзера, состоящая из средней секции элемента трубы, с вертикальными соединителями на каждом торце.

Примечание - Звенья райзера обычно поставляются с длиной от 30 до 50 футов (от 9,14 до 15,24 м). Более короткие звенья, «укороченные звенья», также могут быть предоставлены для обеспечения надлежащей длины.

3.64 труба райзера: Труба, которая образует главный трубопровод звена райзера.

Примечание - Например, вертикальная труба является линией для подачи потока рабочей жидкости из скважины в надводную фонтанную арматуру.

3.65 система райзера: Совокупность элементов райзера, включающая все интегрированные компоненты райзера и систему защиты от коррозии.

3.66 ход натяжения райзера: Общее вертикальное движение вверх и вниз по вертикали относительно плавучей установки.

3.67 система натяжения райзера: Устройство, которое прикладывает натяжение к райзеру, компенсируя относительное вертикальное движение (ход) между плавучей установкой и райзером (изменения натяжения регулируются жесткостью устройства).

3.68

анализ риска: Процесс изучения природы и характера риска и определения уровня риска.

ГОСТ 51897-2011, [статья 3.6.1]

3.69 класс безопасности: Концепция, принятая в этом стандарте для классификации критичности системы райзера. 3.70 коэффициент безопасности: Коэффициент, определенный классом безопасности системы райзеров.

3.71 эксплуатационная надежность: Свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

3.72 срок эксплуатации: Проектный срок работы объекта по прямому назначению.

3.73 S-N кривая усталости: Размах напряжений относительно числа циклов до отказа.

3.74 нормативное минимальное значение предела прочности на растяжение: Минимальное значение прочности на растяжение (напряжение) при комнатной температуре, предписанное спецификацией или стандартом, по которым материал приобретается.

3.75 нормативное минимальное значение предела текучести: Минимальный предел текучести (напряжение) при комнатной температуре, предписанный спецификацией или стандартом, по которым материал приобретается (предел растяжения при удлинении длины образца до 0,5%).

3.76 нормативный статистически благоприятный период погодных условий: Пределы условий окружающей среды, указанные в руководстве по эксплуатации.

3.77 зона заплеска воды: Внешняя область райзера, которая периодически подвергается воздействию воды.

Примечание - Определение зоны заплеска воды включает в себя оценку всех соответствующих влияний, включая высоту волны, влияние дифракции волн, вариации приливов, осадку судна, опускание и вертикальные движения райзера в зоне заплеска воды.

3.78 коэффициент концентрации напряжений: Равен локальному пиковому переменному главному напряжению в компоненте (включая сварные швы), деленному на номинальное переменное главное напряжение вблизи места расположения компонента.

Примечание - Этот коэффициент используется для учета увеличения напряжений, вызванных геометрическими концентраторами напряжений, которые возникают в компоненте райзера.

3.79 звено напряжения: Специализированное звено райзера, имеющее коническую форму и предназначенное для контроля кривизны и уменьшения местных изгибающих напряжений.

3.80 вес в воде: Вес за вычетом сил плавучести (обычно называемый массой в воде, влажным весом, результирующей подъемной силой, погруженным весом или эффективным весом).

3.81 эффект системы: Эффект системы возникает в тех случаях, когда большое количество секций труб райзера подвергается схожим условиям нагружения и может возникнуть потенциальная неисправность конструкции в месте наименьшей прочности между трубами секции райзера.

3.82 временный райзер: Райзер, который периодически используется для задач ограниченной продолжительности и который может быть извлечен в суровых условиях окружающей среды (в основном райзеры морские/для бурения и погрузо-разгрузочные райзеры).

3.83 райзер натяжения: Райзер, который в основном удерживается прямо и имеет натяжение по всей длине при приложении к нему верхнего натяжения.

3.84 уровень воды: Диапазон приливов определяется как диапазон между самым высоким астрономическим уровнем прилива (HAT) и самым низким астрономическим уровнем прилива (LAT).

3.85 средний уровень воды: Определяется как средний уровень между самым высоким астрономическим уровнем прилива (HAT) и самым низким астрономическим уровнем прилива (LAT).

3.86 движение с частотой волны: Движение плавучей установки с частотой набегающих волн.

3.87 затрубное пространство ствола скважины: Затрубное пространство между насосно-компрессорной трубой и обсадной трубой скважины.

3.88 расчет по допускаемым напряжениям: Оценка прочности конструкции в ее рабочем состоянии под действием нагрузок, допускаемых при нормальной эксплуатации конструкции.

4 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте использованы следующие обозначения и сокращения:

FD — расчет в общей частотной области;

ALS — аварийное предельное состояние (accidental limit state);

DFI — проектирование, изготовление и монтаж (design, fabrication and Installation);

FLS — предельное состояние по усталости (fatigue limit state);

HAT — максимальный астрономический уровень прилива;

LAT — минимальный астрономический уровень прилива;

LF — низкая частота;

NB — узкая полоса частот;

RFC — подсчет цикла;

SLS — предельное состояние по пригодности к эксплуатации (serviceability limit state);

TD — расчет в общей временной области;

TLP — морская платформа на натяжных связях (tension leg offshore platform);

ULS — предельное состояние по прочности (ultimate limit state);

WF — частота волны;

КНиУ — коэффициенты нагрузок и устойчивости;

ППВО — подводное противовыбросовое оборудование.

5 Концепция расчета и принципы расчета

5.1 Общие положения

5.1.1 Цель

5.1.1.1 Цель настоящего раздела — представить концепцию безопасности и соответствующий формат ограничения состояния, применяемый в настоящем стандарте.

5.1.2 Применение

5.1.2.1 Настоящий раздел применяется ко всем райзерам, которые должны быть построены в соответствии с настоящим стандартом. В разделе также приводятся рекомендации по расширению этого стандарта с точки зрения новых критериев и т.д.

Ограничений по типу плавучей установки, глубине месторождения, применению и конфигурации райзера нет. Однако для новых методов/областей применения, где опыт ограничен, особое внимание должно быть уделено выявлению возможных новых механизмов отказа, достоверности/корректности методологии расчета и новых нагрузок и их комбинаций.

Примечание - Для применения этого стандарта к новым типам/концепциям райзера (например, новые гибридные системы, комплекты райзеров и т.д.) необходимо указать в документации, что глобальные нагрузки могут быть предсказаны с такой же точностью, как и для обычных райзеров. Обычно это может быть связано с проверкой вычислительной методологии путем физического испытания. В качестве альтернативы должна быть задокументирована соответствующая консервативность в расчете.

5.2 Концепция безопасности

5.2.1 Общие положения

5.2.1.1 Целью настоящего стандарта является обеспечение безопасности конструкции, материалов, а также проведение операций изготовления, установки, ввода в эксплуатацию, эксплуатации, ремонта, повторной аттестации и консервации систем райзера с должным вниманием к общественной безопасности и защите окружающей среды.

5.2.1.2 Целостность системы райзера, построенной по этому стандарту, обеспечивается с помощью концепции безопасности, объединяющей различные аспекты.

5.2.2 Цель безопасности

5.2.2.1 Общая цель обеспечения безопасности должна устанавливаться, планироваться и осуществляться на всех этапах, от концептуального развития до извлечения или консервации.

Примечания

1 Все компании придерживаются определенной политики в отношении аспектов, связанных с человеком, окружающей средой и финансовыми вопросами. Они обычно находятся на общем уровне, но за ними могут следовать более подробные цели и требования в конкретных областях. Эту политику следует использовать в качестве основы для определения цели безопасности для конкретной системы райзера. Типичными утверждениями могут быть:

• все работы, связанные с транспортировкой, установкой/извлечением, эксплуатацией и обслуживанием системы райзера, должны быть такими, чтобы гарантировать, что ни один отказ не приведет к опасным для жизни ситуациям для любого человека или к неприемлемому ущербу для материала или окружающей среды;
• воздействие на окружающую среду должно быть уменьшено до минимально возможного (ALARP);
• во время работы системы райзера и трубопровода не допускается выпуск флюида.

2 Заявления, приведенные выше, могут быть применимы как для всех, так и для отдельных фаз. Они, как правило, более актуальны для выполнения работ и конкретных конструкторских решений. Будучи определенной для проекта, цель безопасности может стать предметом обсуждения того, осуществляется ли она в разрабатываемом проекте. Поэтому рекомендуется, чтобы общая цель безопасности сопровождалась более конкретными измеримыми требованиями.

3 Если политика недоступна или если трудно определить цель безопасности, можно также начать с оценки риска. Оценка риска может выявить все опасности и их последствия, а затем включить обратную экстраполяцию, чтобы определить критерии принятия и области, которые необходимо рассмотреть более внимательно.

4 В этом стандарте вероятность конструкционного отказа отражается в выборе класса безопасности. Выбор класса безопасности должен также включать рассмотрение выраженной цели безопасности.

5.2.3 Систематическая проверка

5.2.3.1 На всех этапах проводится систематическая проверка или исследование для выявления и оценки последствий одиночных сбоев и серии сбоев в райзере, чтобы можно было принять необходимые корректирующие меры. Последствия включают в себя последствия таких событий для людей, для окружающей среды, для активов и финансовых интересов.

5.2.3.2 Оператор должен определить степень оценки рисков и методы оценки риска. Степень проверки или исследования должна отражать уровень ответственности системы райзера, уровень ответственности планируемой работы и предыдущий опыт работы с подобными системами или операциями.

Примечания

1 Методологией такой систематической проверки является количественный расчет рисков (QRA). Это может обеспечить оценку общего риска для здоровья и безопасности человека, окружающей среды и активов и включает:

• идентификацию опасности;
• оценку вероятностей событий отказа;
• развитие аварий;
• последствия и оценку риска.

2 Следует отметить, что законодательство в некоторых странах требует проведения расчета рисков, по крайней мере, на общем уровне для выявления критических сценариев, которые могут поставить под угрозу безопасность и надежность системы райзера. Другими методологиями для выявления потенциальных опасностей являются расчет характера отказов и их последствий (FMEA) и исследования опасности и работоспособности (HAZOP).

5.2.4 Основополагающие требования

5.2.4.1 Математический расчет, изготовление, монтаж, эксплуатация и обслуживание райзера должны выполняться с учетом следующих принципов:

• эксплуатационная пригодность райзера должна соответствовать принятым критериям с учетом расчетного срока службы и экономических показателей;
• конструкция райзера должна быть рассчитана на все нагрузки в течение срока эксплуатации.

5.2.4.2 Для поддержания необходимого уровня безопасности применяются следующие требования:

• конструкция должна соответствовать настоящему стандарту;
• райзеры должны быть сконструированы аттестованным и опытным персоналом;
• материалы и изделия должны использоваться, как указано в настоящем стандарте или в соответствующем материале или спецификации на изделие;
• при изготовлении и установке на месте производства работ и во время эксплуатации должны быть обеспечены надлежащий надзор и контроль качества;
• производство, изготовление, техническое обслуживание, транспортировка и эксплуатация должны выполняться персоналом, обладающим соответствующими навыками и опытом;
• райзер должен надлежащим образом обслуживаться, включая осмотр и хранение, в зависимости от обстоятельств;
• райзер должен эксплуатироваться в соответствии с техническими условиями на проектирование и инструкциями по установке и эксплуатации;
• соответствующая информация персоналу, участвующему в расчете, изготовлении, установке и эксплуатации, должна сообщаться понятным образом, чтобы избежать различных разногласий (см. раздел 9);
• оценки конструктивных решений должны проводиться в тех случаях, где включены все задействованные и затронутые дисциплины (профессиональные сектора) для выявления и решения любых проблем;
• верификация должна проводиться для проверки соблюдения положений, содержащихся в настоящем документе, в дополнение к национальным и международным нормам. Степень верификации и метод верификации, включая расчет и изготовление, должны оцениваться на разных этапах (см. раздел 8).

5.2.5 Вопросы, касающиеся эксплуатации

5.2.5.1 Эксплуатационные требования — это системные возможности, необходимые для удовлетворения функциональных требований. Вопросы, касающиеся эксплуатации, включают в себя вопросы, которые разработчики должны решать, чтобы получить конструкцию, являющуюся безопасной и эффективной для установки, эксплуатации и обслуживания. Технические требования включают информацию о концепции работы, движениях плавучей установки и ограничениях окружающей среды, сопряжении плавучей установки, установке и извлечении райзеров, операциях по обслуживанию, контролю и принципам технического обслуживания.

5.2.5.2 Для безопасной работы райзера требуется следующее:

• проектировщик должен учитывать все реальные условия, в которых райзер подлежит эксплуатации;
• эксплуатирующий персонал должен знать и соблюдать нормативы по безопасной эксплуатации.

Примечания

1 По типу эксплуатации райзеры, как правило, делятся на два основных типа:

• постоянные райзеры, которые используются для добычи/закачивания и транспортирования флюида;
• временные райзеры для бурения/капитального ремонта, для которых не допускается разъединение в экстремальных условиях (например, TLP, глубоководные плавучие установки, Spar).

2 Эксплуатационные параметры могут включать в себя такие параметры, как внутреннее давление и плотность, высота волны, относительные вертикальные движения между райзером и плавучей установкой (ход), перемещение плавучей установки, верхнее натяжение, угол гибкой муфты/кольцевого превентора и напряжений звеньев напряжения.

3 Существует два вида отключения райзера: плановое отключение и аварийное отключение. Аварийное отключение системы райзера требуется в случае возникновения аварийных ситуаций.

4 Расчетное давление в системе райзеров должно определяться с учетом схемы определения давления, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1 — Схема определения давления

5.2.6 Принципы расчета

5.2.6.1 В настоящем стандарте конструктивная безопасность райзера обеспечивается использованием методологии класса безопасности (см. 5.3.2).

5.2.6.2 Система райзера, включающая в себя вертикальную трубу и интерфейсы, детали и компоненты, должна быть спроектирована в соответствии со следующими основными принципами:

• система райзера должна удовлетворять функциональным и эксплуатационным требованиям, указанным в технических условиях на проектирование;
• система райзера должна быть сконструирована таким образом, чтобы непреднамеренное событие не влекло за собой аварию значительно больших масштабов, чем исходное событие;
• система райзера должна разрешать простую и надежную установку, извлечение и быть надежной в отношении использования;
• система райзера должна обеспечить адекватный доступ для осмотра, технического обслуживания, замены и ремонта;
• система райзера должна обеспечить минимизации воздействия коррозии, эрозии и износа;
• система райзера должна предусматривать возможность раннего обнаружения отказа или избыточности для основных компонентов, которые не могут быть разработаны в соответствии с этим принципом;
• система райзера должна предусматривать возможность мониторинга натяжения, напряжений, углов, вибраций, усталостных трещин, износа, истирания, коррозии и т.д.

5.2.7 Гарантия качества и система контроля качества

5.2.7.1 Формат проектирования в рамках этого стандарта требует, чтобы возможность грубых ошибок (человеческих ошибок) была предотвращена посредством требований к организации работы, компетентности персонала, выполняющего работу, и проверок на этапах проектирования, изготовления и установки и обеспечением качества на всех соответствующих этапах.

5.2.7.2 Для обеспечения соответствия требованиям настоящего стандарта система качества должна применяться для проектирования, производства, изготовления, испытаний, эксплуатации и технического обслуживания.

Примечание - ISO/CD 13628-7 дает рекомендации по выбору и использованию систем качества.

5.3 Метод расчета

5.3.1 Основные рекомендации

5.3.1.1 Цель расчета — сохранить вероятность отказа (т.е. вероятность превышения предельного состояния) ниже определенного значения. Все соответствующие режимы отказа для райзера должны быть идентифицированы, а также должно быть проверено, что соответствующее предельное состояние не будет превышено.

5.3.1.2 Следующие методы расчета могут применяться:

• расчет по коэффициентам нагрузок и прочности (КНиУ) (см. 5.3.3);
• метод расчета рабочего напряжения (WSD) (см. 5.3.4);
• расчет надежности (см. 5.3.5);
• расчет путем испытания (см. 5.3.6).

Примечания

1 Метод КНиУ отделяет влияние неопределенностей и изменчивости, происходящих по различным причинам, с помощью частичных коэффициентов безопасности.

2 Используемый здесь метод WSD относится к тем же предельным состояниям, что и КНиУ, но учитывает влияние неопределенности только в одном коэффициенте использования. Метод КНиУ обеспечивает более гибкую и оптимальную конструкцию с равномерным уровнем безопасности и считается превосходящим метод WSD. Формат WSD включен как более простая в использовании консервативная альтернатива.

3 Расчет надежности в основном рассматривается как применимый к уникальным специальным проблемам расчета райзера для условий, где существует ограниченный опыт, и для (повторной) калибровки коэффициентов безопасности/использования.

4 В качестве альтернативы или дополнения испытания (полномасштабные или методом моделирования), проводимые в соответствии с действующими экспериментальными методами, могут применяться для определения или проверки воздействия нагрузки на систему райзера, конструкционной прочности и сопротивления разрушению материала.

5.3.2 Методология для класса безопасности

5.3.2.1 Настоящий стандарт дает возможность проектировать райзеры с различными требованиями безопасности в зависимости от класса безопасности, к которому относится райзер. Система райзера должна (на соответствующем уровне компонента) быть разделена на один или несколько классов безопасности на основании последствий отказа. Класс безопасности райзера зависит:

• от потенциальной опасности флюида в райзере, т.е. категории флюида;
• расположения участка райзера, который проектируется;
• нахождения райзера в состоянии эксплуатации или во временном состоянии.

5.3.2.2 Флюиды в системе райзера должны классифицироваться в соответствии с их потенциальной опасностью, как указано в таблице 5.1 ГОСТ Р 54382-2011. Содержимое, идентифицированное неопределенным образом, должно быть отнесено к категории, содержащей вещества, наиболее схожие по возможности возникновения опасности, к тем, которые указаны. Если категория не является очевидной, следует принять во внимание наиболее опасную категорию.

5.3.2.3 Система райзера должна быть классифицирована в классы 1 и 2 по местоположению, как определено в таблице 1.

Таблица 1

Классификация по местоположению

Местоположение	Описание
1	Область, в которой не ожидается частая деятельность человека
2	Часть райзера на ближней платформе в (оперативной) зоне или в районах с частой деятельностью человека. Дальность местоположения класса 2 должна основываться на соответствующем расчете рисков. Если такой расчет не выполняется, может быть принято минимальное горизонтальное расстояние 500 м

5.3.2.4 Конструкция опоры должна основываться на возможных последствиях отказа. Это подразумевается концепцией классов безопасности, определенных в таблице 5.3 ГОСТ Р 54382-2011.

5.3.2.5 Класс безопасности — это функция состояния (фазы) райзера и класса по местоположению. Для нормальных условий работы райзера применяются классы безопасности в таблице 2. Другие классификации могут существовать в зависимости от условий и критичности райзера. Оператор должен указать класс безопасности, с учетом которого выполняется расчет райзера.

Таблица 2

Классификация по местоположению <1>, <2>, <3>

Состояние райзера (фаза)	Содержимое райзера
	Категория флюида A, C		Категория флюида B		Категория флюида D, E
	Класс по местоположению		Класс по местоположению		Класс по местоположению
	1	2	1	2	1	2
Испытание <4>	Низкий	Низкий	Низкий	Низкий	Не применяется	Не применяется
Технологический (временный) без доступа к трубопроводу/скважине <5>	Низкий	Низкий	Низкий	Низкий	Низкий	Нормальный
При эксплуатации с доступом к трубопроводам/скважине	Низкий	Нормальный	Нормальный	Нормальный	Нормальный	Высокий
<1> Райзер с невоспламеняющимся содержимым, но под давлением может потребоваться классифицировать как класс безопасности обычный (нормальный). <2> Райзеры, находящиеся под давлением во временном состоянии, могут потребовать обращения как с эксплуатационными райзерами. <3> Если это будет сочтено необходимым, райзер всегда может быть спроектирован с учетом требований более строгого класса безопасности. <4> Испытание, подобное сверхнатяжению испытываемого соединения (например, нижнее соединение), и испытание на давление в системе, выполняемое с несжимаемой средой, классифицируются как низкий класс безопасности. <5> Временные условия включают техническое обслуживание, транспортировку, установку, посадку, подключение, отключение, извлечение и вывешивание.

5.3.3 Проектирование методом расчета коэффициента нагрузки и прочности

5.3.3.1 Основополагающим принципом метода коэффициентного расчета нагрузки и сопротивления (КНиУ) (также обозначаемого методом частичной безопасности) является проверка того, что воздействие коэффициентной расчетной нагрузки не превышает расчетную прочность конструкции для любого из рассмотренных предельных состояний (т.е. режимов отказа).

5.3.3.2 В подходе КНиУ различают:

• воздействие нагрузки от давления (статическая);
• воздействие функциональной нагрузки (статическая);
• воздействие нагрузки от влияния окружающей среды (преимущественно динамическая);
• воздействие от случайной нагрузки.

Примечание - Такое разделение нагрузок осуществляется с целью рационального использования источников неопределенностей; например, неопределенности в воздействии нагрузок от окружающей среды, как правило, больше по сравнению с воздействиями давления или функциональной нагрузки, что предполагает более высокий коэффициент безопасности.

5.3.3.3 Общий формат безопасности КНиУ может быть выражен следующим образом:

g(S_{P};\gamma_{F} \cdot S_{F};\gamma_{E} \cdot S_{E};\gamma_{A} \cdot S_{A};R_{k};\gamma_{SC};\gamma_{m};\gamma_{c};t) \leq 1, (1)

где g( \cdot ) — обобщенное воздействие нагрузки: g( \cdot )<1 подразумевает безопасную конструкцию и g( \cdot )>1 означает отказ;

SP — нагрузки от давления;

SF — величина воздействия от функциональных нагрузок (векторная или скалярная);

SE — величина воздействия от влияния окружающей среды (векторная или скалярная);

SA — величина воздействия от случайных нагрузок (векторная или скалярная);

\gamma_{F} — коэффициент воздействия нагрузки для функциональных нагрузок (векторная или скалярная);

\gamma_{E} — коэффициент воздействия нагрузки от влияния окружающей среды;

\gamma_{A} — коэффициент воздействия от случайных нагрузок;

Rk — обобщенное сопротивление (векторное или скалярное);

\gamma_{SC} — коэффициент прочности для учета класса безопасности (т.е. последствия отказа);

\gamma_{m} — коэффициент прочности для учета неопределенностей материала и сопротивления;

\gamma_{c} — коэффициент прочности для учета особых условий;

t — время.

5.3.3.4 Обобщенное воздействие нагрузки g( \cdot ) является функцией времени для систем, подверженных изменяющимся во времени возбуждениям. Зависимое от времени обобщенное воздействие нагрузки g( \cdot ) , определенное выше, охватывает общий случай комбинированного нагружения. Для критериев расчета, где воздействия нагрузки и сопротивление могут быть разделены, формат КНиУ может быть записан в виде формулы

S_{d}(S_{P};\gamma_{F} \cdot S_{F};\gamma_{E} \cdot S_{E};\gamma_{A} \cdot S_{A}) \leq \frac{R_{k}}{\gamma_{SC} \cdot \gamma_{m} \cdot \gamma_{c}} . (2)

5.3.3.5 Критерии приемлемости, представленные в настоящем стандарте, калибруются с использованием методологии на основе надежности для различных классов безопасности. Применяются следующие комментарии:

• коэффициенты воздействия нагрузки и коэффициенты сопротивления зависят от категории предельного состояния;
• одинаковые коэффициенты воздействия нагрузки будут применяться к предельным состояниям и классам безопасности;
• набор коэффициентов сопротивления адаптирован для рассматриваемого режима отказа и класса безопасности;
• дополнительный коэффициент безопасности, \gamma_{c} , применяется в соответствующих случаях для учета условий с конкретными нагрузками или сопротивлением (например, в случае преобладающих влияний системы, когда многие участки труб подвергаются одной и той же нагрузке).

Примечание - Коэффициенты воздействия нагрузки обычно учитывают естественную изменчивость в нагрузках и неопределенность модели вследствие недостаточных знаний или моделей, приводящих к возможному неточному расчету воздействия нагрузки. Коэффициенты сопротивления обычно учитывают изменчивость в прочности и основные переменные, включая влияние допусков на размеры и неопределенностей модели из-за модели неполного сопротивления.

5.3.4 Метод расчета по допускаемым напряжениям

5.3.4.1 Метод расчета рабочего (допускаемого) напряжения (WSD) представляет собой формат расчета, где предел надежности конструкции выражается одним центральным коэффициентом безопасности или коэффициентом использования для каждого предельного состояния.

5.3.4.2 В методе WSD, утвержденном в настоящем стандарте, применяются конкретные контрольные проверки, аналогичные указанным в методе КНиУ, но учитывается влияние неопределенности только в одном коэффициенте использования.

Примечания

1 Следует отметить, что обобщенное воздействие нагрузки для формулирования WSD может быть получено как частный случай обобщенного воздействия нагрузки для состава КНиУ.

2 Для критериев расчета, где воздействие нагрузки и сопротивление могут быть разделены, формат WSD может быть выражен в более понятном формате в соответствии с формулой

S_{d}(S) \leq \eta_{R_{k}}. (3)

5.3.5 Проектирование, основанное на надежности

5.3.5.1 В качестве альтернативы форматам проектирования, указанным в этом стандарте, может применяться метод вероятностного проектирования, основанный на признанном расчете структурной надежности, при условии, что:

• он используется для проверки явных предельных состояний, выходящих за рамки настоящего стандарта;
• метод соответствует [4] или [5];
• продемонстрирован подход к обеспечению надлежащей безопасности для известных случаев, как указано в настоящем стандарте.

5.3.5.2 Соответствующий компетентный и квалифицированный персонал должен осуществлять расчет конструктивной надежности; распространение на новые области применения должно подтверждаться технической верификацией.

5.3.5.3 Насколько это возможно, целевые уровни надежности должны быть выверены в отношении идентичных или аналогичных конструкций райзеров, которые, как известно, имеют достаточную безопасность на основании настоящего стандарта. Если это невозможно, целевой уровень безопасности должен основываться на типе отказа и классе, указанном в таблице 3. Значения представляют собой номинальные значения, отражающие структурный отказ из-за нормальной (обычной) изменчивости нагрузки и сопротивления, но исключающие грубую ошибку.

Таблица 3

Допустимые вероятности отказа <1> в зависимости от класса безопасности

Предельное состояние	Основные вероятности <2>, <3>	Класс безопасности
		Низкий	Нормальный (обычный)	Высокий
SLS <4>	Годовая на райзер	10-1	10-1 — 10-2	10-2 — 10-3
ULS	Годовая на райзер	10-3	10-4	10-5
FLS <5>	Годовая на райзер
ALS	Годовая на райзер
<1> Вероятность отказа из расчета структурной надежности является номинальной величиной и не может быть интерпретирована как ожидаемая частота отказа. <2> Вероятностный базис — это ошибки в год для постоянных условий и фактического периода эксплуатации для временных условий. <3> «На райзер» подразумевается «для райзера в каждом классе по местоположению». <4> Вероятности отказа, предусмотренные для SLS, не являются обязательными. SLS используются для выбора операционных ограничений и могут быть определены в соответствии с предпочтениями оператора. Обратите внимание, что превышение условий SLS требует последующей проверки расчета ALS. <5> Вероятностный базис FLS — это показатель ошибок в год, как правило, за последний год перед окончанием срока службы или перед контролем.

5.3.6 Расчет путем испытания

5.3.6.1 Испытание (полномасштабное или методом моделирования), проводимое в соответствии с действующими экспериментальными методами, может использоваться для определения или проверки воздействия нагрузки на систему райзера, конструктивной прочности и сопротивление разрушению материала.

5.3.6.2 Расчет путем испытания или наблюдения за эксплуатацией должны поддерживаться аналитическими методами расчета.

Примечания

1 Обычно испытания с применением моделирования воздействия нагрузки выполняются для определения реакций плавучей установки как движений, вызванных волнами, так и движений дрейфа. В целом испытания нагрузочных моделей следует рассматривать для верификации методов прогнозирования воздействий нагрузки на системы (откликов) для концепций с небольшим опытом на месторождении или его отсутствием и случаев с высокой степенью неопределенности в моделях расчета. Эти испытания могут включать в себя испытания для оценки гидродинамических коэффициентов, экранирующих эффектов, вибраций, вызванных вихреобразованием, интерференции и взаимодействия структуры почвы, т.е. для областей касания морского дна.

2 Некоторые жизненно важные компоненты и материалы для райзера, включая уплотнения, могут из-за своей специализированной и недоказанной функции потребовать тщательного инженерного и прототипного испытания для определения и подтверждения ожидаемых характеристик конструкции, включая характеристики усталостного повреждения, характеристики разрушения, характеристики коррозии, характеристики износа, механические характеристики.

5.3.6.3 При внедрении экспериментальных результатов испытаний в проектирование учитываются все соответствующие отклонения между испытанием на моделях и в реальных условиях, включая:

• влияние масштабирования;
• упрощение модели/испытания и неопределенности;
• упрощение и оптимизацию сбора и обработки данных;
• неопределенности в отношении долгосрочных эффектов и режимов отказа.

Статистические неопределенности в отношении ограниченного числа результатов испытаний должны быть включены в определение воздействия нагрузки на модель или сопротивление модели.

6 Нагрузки

6.1 Общие положения

6.1.1 Цель

В этом разделе определяются нагрузки, которые необходимо учитывать при расчете систем райзеров. Нагрузки классифицируются по разным категориям.

Примечание - Цель классификации нагрузки — соотнести воздействие нагрузки с различными неопределенностями и событиями.

6.1.2 Применение

В данном разделе содержится описание нагрузок, которые должны применяться в утвержденных критериях КНиУ.

6.1.3 Нагрузки

6.1.3.1 Нагрузки подразделяются на четыре группы следующим образом:

• нагрузки от давления (P) (см. 6.2);
• функциональные (F) нагрузки (см. 6.3);
• нагрузки от окружающей среды (E) (см. 6.4);
• случайные (A) нагрузки (см. 5.6.4).

6.1.3.2 В таблице 4 приведены некоторые примеры классификации различных нагрузок.

Таблица 4

Примеры классификации нагрузок <1>

F-нагрузки	E-нагрузки	P-нагрузки <6>
Масса и плавучесть <2> райзера, насосно-компрессорной трубы, плакирующий слой <2>, обрастание морскими организмами <3>, аноды, модули плавучести, содержимое и навесное оборудование. Вес рабочей жидкости, проходящей внутри. Приложенное натяжение для райзеров верхнего натяжения. Установка, обусловленная остаточными нагрузками или предварительным напряжением. Предварительная нагрузка на соединения. Приложенные перемещения и направляющие нагрузки, в том числе активного позиционирования опоры плавучей установки. Тепловые нагрузки. Давление грунта на подземные райзеры. Дифференциальная осадка судна. Нагрузки от работ по бурению. Строительные нагрузки и нагрузки, вызванные инструментами	Волны. Внутренние волны и другие эффекты из-за различий в плотности воды. Течение (дрейфовое, приливное или постоянное). Землетрясение <4>. Лед <5>. Движения плавучей установки, вызванные ветром, волнами и течением, т.е.: - среднее перемещение, включая устойчивый дрейф волн, силы ветра и течения; - движения с частотой волны; - низкочастотные движения	Внешнее гидростатическое давление. Внутреннее давление жидкости: гидростатическое, статическое и динамическое <7>, поступление воды, соответствующее уровню воды
<1> Случайные нагрузки, как размер, так и частота, для конкретного райзера и плавучей установки могут быть определены по расчету риска. <2> Включает также поглощенную воду. <3> Для временных райзеров, как правило, может не учитываться обрастание морскими организмами из-за ограниченной продолжительности запланированных операций. <4> Воздействия нагрузки от землетрясения должны учитываться при расчете райзера для зон, которые считаются сейсмически активными. <5> Воздействия льда должны учитываться в областях возникновения льда или дрейфа льда. <6> Возможные воздействия динамической нагрузки от P-нагрузок и F-нагрузок должны рассматриваться как E-нагрузки, например поток местных скоплений воды. <7> Местные скопления воды и скачки давления могут создавать глобальные воздействия нагрузки на совместимые конфигурации.

6.2 Нагрузки от давления

6.2.1 Определение

6.2.1.1 Нагрузки от давления, P, представляют собой нагрузки, которые связаны исключительно с комбинированным воздействием гидростатического внутреннего и внешнего давления (см. таблицу 4). Такие нагрузки часто включаются в общий класс функциональных нагрузок, однако они рассматриваются отдельно в настоящем стандарте.

6.2.1.2 Нижеследующие определения внутреннего давления применяются на поверхности (вверху) райзера (см. таблицу 5):

• расчетное давление Pd — это максимальное поверхностное давление во время обычных операций;
• аварийное давление Pinc — это поверхностное давление, которое вряд ли будет превышено в течение срока службы райзера.

Таблица 5

Определения внутреннего давления на поверхности райзера (сверху) <1>

Тип райзера	Расчетное давление Pd	Аварийное давление Pinc
Райзер для бурения над подводным стеком ППВО	Нулевое	Максимальное противодавление дивертерной линии
Буровой райзер с надводным блоком	Нулевое (или, если бурение не сбалансировано, максимальное недобалансированное давление)	Расчет как увеличение на последней обсадной колонне, через которую будет производиться бурение. Это относится как к внешнему райзеру, так и к внутреннему райзеру, если используется
Буровой райзер с ПВН и надводными блоками	Нулевое (или, если бурение не сбалансировано, максимальное недобалансированное давление)	Поверхностное давление, которое будет обрабатывать большинство ситуаций контроля скважины. Предполагается, что ППВО будет закрыто до того, как давление поднимется выше
Райзер для добычи или закачивания, используемый в качестве удлинения эксплуатационной обсадной трубы	Указанное максимальное давление в затрубном пространстве <2> или максимальное постоянное давление, разрешенное предписанием или политикой компании	Давление, вызванное приповерхностной утечкой остановленной насосно-компрессорной трубы (максимальное)
Наружная обсадная труба двойной эксплуатационной обсадной трубы или напорный райзер с наземной арматурой	Нет требований или заданного давления	Давление, вызванное приповерхностной или придонной течью внутреннего рабочего давления/обсадной трубы
Райзер насосно-компрессорной трубы (однотрубная) или отвод от подводной сателлитной скважины	Поверхность давления на устье неработающей скважины с подводными открытыми клапанами	Максимальное давление перенапряжения или максимальное давление в заглушенной скважине
Райзеры для экспорта/импорта из/в трубопровод	Максимальное давление экспорта/импорта при обычной эксплуатации	Максимальное давление пульсации, определяемое с вероятностью возникновения короткого срока службы. Обычно следует воспринимать как 1,1 x Pd
Другие типы райзеров	Самое высокое давление, которое будет наблюдаться в течение длительного времени	Давление, которое вряд ли будет превышено в течение срока службы/периода эксплуатации райзера
<1> Внутреннее давление также может быть указано на подводном устье скважины. <2> Затрубное пространство вокруг скважины относится к пространству между наружной вертикальной трубой и трубой/рабочей колонной/бурильной колонной в случае однотрубного добычного/погрузочно-разгрузочного райзера/райзера для бурения или пространства между внутренней обсадной трубой и трубой/рабочей колонной в случае райзера с двойной обсадной трубой. Содержимое и давление внешнего затрубного пространства для райзера с двойной обсадной трубой обычно можно считать постоянным и в соответствии с указанными требованиями.

6.2.2 Определение нагрузок от давления

6.2.2.1 Ответственное лицо обязано определять поверхностное и случайное поверхностное давление поверхности конструкции вместе с внутренней плотностью и температурой содержимого на основе приведенных выше рекомендаций и таблиц 2, 3. Ответственное лицо также должно указывать поверхностное рабочее давление и минимальные поверхностные напряжения с соответствующей температурой и плотностью содержимого.

Может потребоваться указать значения давления/температуры/плотности (P, T, \rho ), которые определяют график зависимости (P, T, \rho ) — режима достоверных предельных значений.

6.2.2.2 Местное внутреннее расчетное давление Pld и местное аварийное давление Pli определяют на основании определений по формулам

(4)

где \rho_{i} — плотность рабочей жидкости, проходящей внутри;

h — разность высот между фактическим местоположением и контрольной точкой внутреннего давления;

g — ускорение силы тяжести.

Примечание - Газ, смешанный с жидкой фазой в райзере, может уменьшить гидростатическое внутреннее давление, действующее за закрытым клапаном. Это следует учитывать при расчете максимально допустимого давления закрытия для конкретного применения.

6.2.2.3 Гидростатическое давление морской воды регулирует внешнее давление на трубы, непосредственно подверженные воздействию морской воды (например, однотрубные райзеры или внешний райзер многотрубных райзеров). Для установления внешнего гидростатического давления следует использовать среднюю плотность морской воды и средний уровень моря.

Примечание - Внешнее давление не должно быть выше, чем давление воды в рассматриваемом месте, соответствующем отливе, когда внешнее давление увеличивает сопротивление, и приливы, когда внешнее давление уменьшает сопротивление.

6.2.2.4 Гидростатическое давление в затрубном пространстве регулирует внешнее давление на внутреннем райзере и насосно-компрессорной трубе в многотрубных райзерах. Гидростатическое давление в затрубном пространстве должно определяться по плотности содержимого в затрубном пространстве вместе с эталонным давлением в заданном месте (т.е. аналогично внутреннему давлению).

6.2.3 Система контроля давления

6.2.3.1 Система контроля давления может использоваться для предотвращения повышения внутреннего давления в любой точке системы райзера до чрезмерного уровня. Система контроля давления содержит систему регулирования давления, систему аварийной защиты от превышения давления и соответствующие системы управления и сигнализации (см. ГОСТ Р 54382).

6.2.4 Значения давления

Местный перепад давления может служить основой для выбора компонентов с заданным значением давления. Компоненты с заданным значением давления, такие как клапаны, фланцы и другое оборудование, должны иметь заданное значение давления не менее чем поверхностное давление или местное избыточное давление в райзере.

Примечания

1 Компоненты райзера в любой точке вдоль райзера должны быть сконструированы таким образом, чтобы выдерживать максимальный перепад между внутренним и внешним давлением, воздействию которого компоненты будут подвергаться в условиях эксплуатации.

2 Компоненты, контролирующие давление (такие, как уплотняющий механизм проходного отверстия клапана и шланги для насосно-компрессорных труб), могут быть изолированы от внешнего давления окружающей среды при определенных условиях эксплуатации.

3 В большинстве случаев клапаны при подводной подаче газа не могут использоваться в тех местах, где давление закрытия будет превышать максимальное номинальное рабочее давление, проштампованное на оборудовании.

4 При эксплуатации компонентов контроля давления на подводных нефтяных скважинах должно учитываться гидростатическое давление нефтяного столба в райзере. В таких случаях оборудование может эксплуатироваться при давлении выше номинального.

6.3 Функциональные нагрузки

6.3.1 Определение

Функциональные нагрузки, F, определяются как нагрузки, возникающие в результате физического существования системы, а также при работе и техническом обслуживании системы без нагрузки от воздействия окружающей среды или случайной нагрузки. Примеры функциональных нагрузок приведены в таблице 4.

6.3.2 Определение функциональных нагрузок

При определении характерных значений F-нагрузки применяются следующие условия:

• в случае четко определенных функциональных нагрузок должно использоваться ожидаемое значение нагрузки. Примерами являются точные данные о весе райзера, плавучести, содержимом и приложенном натяжении;
• в случае переменных функциональных нагрузок следует учитывать наиболее неблагоприятные по отношению к комбинированному условию нагрузки P, F, E. Для количественной оценки критичности необходимо провести расчет чувствительности. Примером является изменение веса из-за коррозии и эффектов, связанных с обрастанием морскими организмами (вес и воздействие на гидродинамическую нагрузку);
• в случае функциональной нагрузки, вызванной деформацией, используется крайняя величина. Пример предназначен для перемещения плавучей платформы.

Примечания

1 Влияние обрастания морскими организмами на райзер должно учитываться с учетом биологических и других явлений окружающей среды, имеющих значение для местоположения. К таким биологическим факторам и факторам окружающей среды относятся соленость воды, содержание кислорода, pH, течение и температура.

2 Оценка гидродинамической нагрузки на райзеры, подвергнутые накопленному обрастанию морскими организмами, будет объясняться увеличением эффективного диаметра и шероховатости поверхности.

6.4 Нагрузки от воздействия окружающей среды

6.4.1 Определение

E-нагрузки — это нагрузки, налагаемые прямо или косвенно океанической средой (см. таблицу 4). Основными параметрами окружающей среды являются волны, течения и движения плавучей установки.

6.4.2 Условия окружающей среды

Учитываются явления окружающей среды, которые имеют отношение к конкретному местоположению и операциям, о которых идет речь (см. таблицу 4). Принципы и методы, описанные в [6], могут использоваться в качестве основы для установления условий нагрузки от воздействия окружающей среды.

6.4.3 Волны

6.4.3.1 Поверхностные волны, вызванные ветром, являются основным источником динамических воздействий окружающей среды на райзеры. Такие волны имеют неправильную форму, могут варьироваться по длине и высоте и могут приближаться к райзеру с одного или нескольких направлений одновременно.

6.4.3.2 Условия волн могут описываться либо детерминированной расчетной волной, либо стохастическими методами, использующими волновые спектры.

Примечания

1 Большинство спектров описывается в терминах нескольких статистических параметров волны, таких как значимая высота волны, Hs, период спектрального пика, Tp, спектральная форма и направленность.

2 Другие параметры, представляющие интерес, такие как максимальная высота волны H_max и связанный с ней период волны TH_max, могут быть получены из них.

6.4.3.3 Выбор соответствующих волновых теорий зависит от фактического применения и связан с предположениями, используемыми для смежных структур, например функция перемещения движения плавучей установки.

Примечания

1 Как правило, в дополнение к кинематике от возмущения, если это уместно, следует учитывать линейную волновую теорию в сочетании с увеличением нагрузки.

2 Для части райзера ниже зоны заплеска линейная волновая теория обычно приемлема в сочетании с нерегулярным волнением моря.

3 Обратите внимание, однако, что кинематика от возмущения, например, для полупогружных плавучих установок и TLP может влиять на кинематику вблизи плавучей установки.

6.4.3.4 Сочетание ветровых волн и морских волн с большим периодом с разных сторон должно учитываться при расчете.

Примечание - Это имеет значение, например, для однокорпусных судов (FPSO и буровых судов), где бортовая качка может приводить к высоким изгибающим моментам из-за морских волн с большим периодом в сочетании с ветровой встречной волной.

6.4.4 Течение

Расчетная скорость, профиль и направление потока должны выбираться с использованием наилучшей имеющейся статистики. Результирующие скорости течения должны включать в себя вклад от приливного течения, ветра, течения, штормового течения, течения, вызванного плотностью, общего океанского течения, вихрей, которые выделяются из циркулирующего течения, и других возможных явлений течений.

6.4.5 Движение плавучей установки

Перемещение и движения плавучей установки являются источником как статической, так и динамической нагрузки на райзер. Основными данными, касающимися движений плавучих установок, необходимых для конструкций райзеров, являются:

• статическое перемещение — среднее перемещение из-за волновых, ветровых нагрузок и нагрузок течения;
• движения с частотой волны — вызванные волной движения первого порядка;
• низкочастотные движения — движения, вызванные порывом ветра и волновыми усилиями второго порядка;
• посадка/установка — из-за комбинированного эффекта швартовых линий/ограничений троса и перемещения плавучей установки (например, для TLP).

7 Методология расчета

7.1 Общие положения

7.1.1 Цель

Цель настоящего раздела — представить требования для общего расчета. Основное внимание уделяется оценке общих эффектов структурной нагрузки в связи с критериями расчета, указанными в разделе 8.

7.1.2 Применение

7.1.2.1 Комбинированные нагрузки от давления, функциональных нагрузок и нагрузок от воздействия окружающей среды приведены ниже. О случайной нагрузке и воздействии нагрузки см. 8.6.

7.1.2.2 Оценка воздействия предельной нагрузки для SLS, ULS и ALS рассматривается в 7.2 наряду с тем, что FLS обсуждается в 7.3.2.

7.1.3 Процедура расчета райзера

Обзор подхода для расчета (ULS) показан на рисунке 2. Подход для расчета можно обобщить следующим образом:

• идентифицировать все соответствующие расчетные ситуации и предельные состояния, например: оценка конструктивных решений FMEA, HAZOP;
• рассмотреть все соответствующие нагрузки, определенные в разделе 6;
• выполнить предварительную конструкцию райзера и статическое давление; расчеты конструкции (разрыв под действием внутреннего давления, потеря устойчивости вследствие окружных напряжений и продольная потеря устойчивости), указанные в разделе 8;
• установить условия нагружения, определенные в 7.2.3;
• определить обобщенное воздействие нагрузки для комбинированных критериев расчета, определенных в разделе 8;
• провести расчет райзера с использованием соответствующих моделей и методов расчета, определенных в 7.3;
• установить оценку экстремальных обобщенных нагрузок на основе статистики окружающей среды (см. 7.2.4) или статистики откликов (см. 7.2.5);
• проверить, не превышено ли соответствующее предельное состояние.

7.2 Оценка результата воздействия предельной комбинированной нагрузки

7.2.1 Основы

7.2.1.1 Условие характеристики нагрузки для состояний SLS, ULS и ALS должно отражать наиболее вероятное воздействие предельной комбинированной нагрузки за определенный период времени проектирования.

Примечание - Для постоянных условий наиболее вероятное воздействие предельной обобщенной нагрузки в течение D лет обычно также обозначается периодом повторяемости D-года. Значение периода повторяемости D-года соответствует годовой вероятности превышения 1/D.

7.2.1.2 Для постоянных эксплуатационных условий применяется 100-летний период повторяемости (10-2-годовая вероятность превышения).

7.2.1.3 Для временных условий эксплуатации значение периода повторяемости воздействия нагрузки зависит от сезонного времени и продолжительности временного периода. Периоды возврата определяются таким образом, чтобы вероятность превышения во временном состоянии не была больше вероятности долгосрочного рабочего состояния.

Примечание - Если дополнительная информация недоступна, могут применяться следующие значения периода повторяемости:

• 100-летний период повторяемости, если продолжительность превышает 6 мес;
• 10-летний период повторяемости для фактического сезонного состояния окружающей среды, если продолжительность превышает 3 дня, но менее 6 мес;
• для временных условий продолжительностью менее 3 дней или операций, которые могут быть прекращены в течение 3-дневного окна, может быть указано условие предельной нагрузки, а затем запуск/остановка работы основывается на достоверных прогнозах погоды.

7.2.2 Обобщенное воздействие нагрузки

7.2.2.1 Для комбинированной нагрузки приемочные критерии могут быть выражены с помощью формулы

g(t) = g(M_{d}(t);T_{ed}(t);\Delta P;R_{k};\Delta) \leq 1, (5)

где g(t) — обобщенный результат действия нагрузки;

Md — расчетные значения для изгибного момента;

Ted — расчетные значения для эффективного натяжения (см. раздел 8);

\Delta P — локальный перепад давления;

Rk — вектор поперечных сечений;

\Delta — вектор коэффициентов безопасности (т.е. материал, класс безопасности и коэффициенты условий). Такая обобщенная формулировка охватывает КНиУ, а также критерии приемлемости WSD для комбинированной нагрузки.

Примечание — Обобщенный результат действия нагрузки указывает на уровень использования. g(t) < 1 подразумевает безопасную конструкцию, и g(t) > 1 означает отказ (см. раздел 6).

7.2.2.2 Проверка норм для комбинированной нагрузки, следовательно, эквивалентна прогнозированию предельных значений (например, значению периода повторяемости 100 лет) обобщенного результата действия нагрузки в соответствии с формулой

gmax <= 1. (6)

Примечания

1 Важность этой формулировки состоит в том, что комбинированное зависящее от времени действие изгибного момента и эффективного натяжения преобразуется в скалярный процесс, выраженный обобщенным результатом действия нагрузки. Этот подход автоматически учитывает корреляцию между эффективным натяжением и компонентами изгибного момента и, следовательно, способен к оптимальному проектированию (т.е. позволяющему максимальное использование).

2 Обобщенный результат действия нагрузки применяется к расчету, основанному на статистике откликов, для определения долгосрочного распределения вероятности, а также краткосрочной оценки экстремальной нагрузки для расчета на основе статистики по окружающей среде.

3 В случае расчета, основанного на статистике по окружающей среде, стандартная структура для обработки откликов результатов расчета временной области может быть непосредственно применена для проверки норм. Это, как правило, включает применение огибающей (функции) отклика в случае регулярного волнового расчета и статистического прогнозирования предельных значений в случае расчета нерегулярного волнения.

4 Консервативные краткосрочные оценки могут быть получены путем отдельной оценки расчетных значений для эффективного натяжения и полученного изгибного момента без учета корреляционных эффектов в соответствии с формулой

g(M_{d}^{max};T_{ed}^{max};\Delta P;R_{k};\Delta) \leq 1, (7)

где индексы max указывают предельные значения. Такой подход может дать приемлемые результаты, когда расчет управляется одной доминирующей динамической составляющей. Преимущество этой формулировки состоит в том, что она применима к временной области, а также к расчету частотной области.

7.2.3 Расчетные нагрузки

7.2.3.1 Шкалы нагрузки формируют основу для расчета райзера, который определяет обобщенные результаты действия нагрузки, которые будут использоваться для контроля предельных состояний. Должна быть рассмотрена соответствующая совокупность нагрузок (условия загрузки), чтобы:

• отражать результаты действия предельных комбинированных нагрузок;
• представлять все соответствующие предельные состояния;
• представлять как постоянные, так и временные условия;
• представлять диапазон условий эксплуатации и функциональных применений;
• исследовать чувствительность к изменению критических параметров в разных местах вдоль райзера.

7.2.3.2 Разные условия могут быть выбраны для различных этапов работы, в зависимости от продолжительности операций и последствий превышения выбранных условий.

7.2.3.3 Результат действия нагрузки от окружающей среды обычно зависит от применяемых F-нагрузок, поскольку они могут влиять на динамические свойства системы (например, приложенное верхнее натяжение и масса на единицу длины будут влиять на динамические свойства системы).

7.2.3.4 Поэтому исследования чувствительности должны быть представлены, чтобы определить наиболее неблагоприятную F-нагрузку в отношении результатов действия комбинированных нагрузок в критических областях.

7.2.3.5 Для предельных условий эксплуатации при комбинированных нагрузках давление должно приниматься как расчетное давление или минимальное значение в зависимости от того, что более консервативно.

Примечание - Под этим подразумевается, что расчетное давление (или минимальное давление) может возникнуть в предельных условиях окружающей среды.

7.2.4 Расчет, основанный на статистике по окружающей среде

7.2.4.1 Критерии расчета, основанные на статистике по окружающей среде, могут применяться для установления характеристических воздействий нагрузки. Необходимо проанализировать достаточное количество условий нагружения в неизменных условиях окружающей среды для охвата предельных обобщенных результатов действия нагрузки для всех критических областей на райзере.

Примечания

1 Традиционно общепринятой практикой является применение наиболее неблагоприятного воздействия нагрузки, возникающего при воздействии на систему райзера множества неизменных условий окружающей среды. Каждое конструктивное условие описывается с точки зрения ограниченного числа параметров окружающей среды (например, высота характерной волны, период пика и т.д.) и заданной продолжительности (например, 3 — 6 ч). Обычно применяются различные комбинации ветра, волн и течения, дающие одинаковый период возврата (например, 100 лет) для комбинированного состояния окружающей среды.

2 Кроме того, обычно применяется самая суровая направленная комбинация ветра, волн и течения в соответствии с условиями окружающей среды на фактическом участке.

3 Основная проблема заключается в том, что период возврата для характерного воздействия нагрузки неизвестен из-за нелинейного динамического поведения большинства стоячих систем. В целом это приведет к несогласованному уровню безопасности для различных концепций расчета и режимов отказа. Однако можно ожидать приемлемость результатов для квазистатических систем с умеренными нелинейностями.

4 Руководство по вычислительным стратегиям для краткосрочной оценки воздействия экстремальной нагрузки приведено в приложении Б.

7.2.4.2 Если расчет основан на статистике окружающей среды, верификация и/или калибровка результатов должны выполняться в случаях:

• новых концепций;
• систем со значительными нелинейными характеристиками отклика;
• динамически чувствительных систем;
• методология в 7.2.5 может применяться для целей верификации и/или калибровки.

7.2.4.3 Изменение периода волны следует рассматривать для расчета регулярного и нерегулярного волнения для определения наиболее неблагоприятного условия нагрузки. Это имеет особое значение для расчетов регулярного волнения, которые могут включать значительные погрешности для динамически чувствительных систем. Изменение периода должно выполняться с учетом следующего:

• статистического изменения периода волны;
• собственных значений системы райзера;
• пиков в функции переноса движения плавучей установки;
• зависимости периода в интенсивности нагрузки (например, нагрузки зоны заплеска воды в случае кинематики от возмущения).

7.2.5 Расчет, основанный на статистике отклика

Расчет, основанный на статистике отклика, как правило, является рекомендуемой процедурой для последовательной оценки эффектов характерной нагрузки.

Примечания

1 Расчет, основанный на статистике отклика, является более правильным подходом и должен учитываться, если он считается важным.

2 Согласованная оценка обобщенных результатов действия нагрузки D-года в целом потребует вероятностного описания эффекта нагрузки из-за долгосрочной нагрузки от воздействия окружающей среды на райзер. Основная задача состоит в том, чтобы установить распределение долгосрочного распределения нагрузки из-за нелинейного динамического поведения, наблюдаемого для большинства систем райзера.

3 Возможный подход для создания статистики долгосрочного отклика предлагается в приложении Б.

7.3 Глобальный расчет

7.3.1 Общие положения

7.3.1.1 Общее руководство по глобальному расчету воздействия нагрузки на райзеры приведено в приложении В.

7.3.1.2 Глобальный расчет должен основываться на принятых принципах статического и динамического расчета, модельной дискретизации, прочности материалов, нагрузки от воздействия окружающей среды и механики грунта для определения надежного воздействия нагрузки на систему райзера. Расчет воздействия нагрузки может быть основан на аналитических расчетах, численном моделировании или физическом испытании или комбинации этих методов.

7.3.1.3 Общая модель райзера должна включать в себя полную систему райзера с учетом точного моделирования нагрузок жесткости, массы, демпфирования и гидродинамической нагрузки вдоль райзера в дополнение к верхним и нижним граничным условиям. В частности, применяются соответствующие коэффициенты сопротивления и инерции для выбранного метода.

7.3.1.4 Райзер должен быть дискретизирован достаточным количеством элементов для представления нагрузки от воздействия окружающей среды и структурной реакции и для разрешения нагрузочных эффектов во всех критических областях. Проверка времени и/или частоты дискретизации должна быть проведена для обеспечения получения желаемой точности. Следует принять принципы валидации модели, изложенные в приложении Г.

7.3.1.5 Исследования чувствительности должны проводиться для исследования воздействия неопределенных параметров системы (например, данные о почве, гидродинамические коэффициенты, учет коррозии, кинематика с нарушенной волной, моделирование компонентов, структурное демпфирование и т.д.). Основная цель заключается в количественном определении неопределенностей модели, консервативных предположений и определении области, где требуется более тщательное исследование для достижения приемлемого моделирования (например, калибровка компьютерной модели относительно физического испытания).

7.3.1.6 Статический расчет должен проводиться с использованием полного нелинейного подхода. Несколько альтернатив доступны в последующем динамическом расчете, перезапущенном из конфигурации статического равновесия. Обработка нелинейностей является отличительной чертой среди доступных методов динамического расчета. Знание управляющих нелинейностей для реальной системы, а также обработка нелинейностей в установленных методах расчета имеют решающее значение для точности и, следовательно, выбора приемлемой стратегии расчета.

7.3.1.7 Обзор широко используемых динамических методов расчета КЭ приведен в таблице 6.

Таблица 6

Глобальный расчет. Обзор методов конечных элементов (КЭ)

Метод	Нелинейности
	Нагрузки от воздействия окружающей среды	Особые нагрузки	Конструкция
Нелинейная временная область (NTD)	Нагружение Морисона. Интеграция фактического подъема волны над уровнем свободной поверхности воды	Пробковый поток. Столкновение/взаимодействие с другими гибкими конструкциями	Геометрическая жесткость. Нелинейный материал. Контакт с морским дном. Переменный контакт корпуса, большие трехмерные вращения
Линейная временная область (LTD)		Не применяется	Линеаризуется в положении статического равновесия
Частотная область (FD)	Линеаризуется в статическом положении равновесия (стохастическая линеаризация в случае нерегулярного возбуждения)	Не применяется	Линеаризуется в положении статического равновесия

7.3.1.8 Типичное применение основных методов динамического расчета показано в таблице 7.

Таблица 7

Технические средства типичного расчета в зависимости от прикладных анализов

Метод	Типичные приложения
NTD	Экстремальный расчет откликов систем со значительными нелинейностями, в частности совместимые конфигурации, подверженные 3D-возбуждению. Специальные FLS-расчеты для систем или частей систем с высоконелинейными характеристиками отклика (например, сенсорная область совместимых конфигураций). Верификация/валидация упрощенных методов (например, LTD, FD)
LTD	Экстремальный расчет систем с малыми/средними структурными нелинейностями и существенно нелинейная гидродинамическая нагрузка (например, райзеры верхнего натяжения)
FD	Расчет скрининга. FLS-расчет систем с малыми/средними нелинейностями

7.3.1.9 Следует применять одну или несколько комбинаций следующих методов:

• расчет нерегулярных волн во временной области (расчетный шторм);
• регулярный волновой расчет во временной области (расчетная волна);
• нерегулярный волновой расчет в частотной области.

7.3.1.10 Расчет нерегулярных волн относится к моделированию кинематики частиц воды и движений плавучей установки. Расчет эффектов экстремальной нагрузки предпочтительно следует проводить с использованием расчета во временной области. Тем не менее расчет частотной области может применяться при условии, что соразмерность таких расчетов документируется путем проверки на расчет временной области.

7.3.1.11 Необходимо задокументировать, что длительность нерегулярных расчетов во временной области достаточна для получения оценок эффекта экстремальной нагрузки с достаточной статистической достоверностью. Это особенно важно в случае комбинированной загрузки WF и LF. Может применяться методология, изложенная в приложении Б.

7.3.1.12 Любое использование упрощенных методов моделирования и/или расчета должно быть подтверждено более совершенным моделированием и/или расчетом. В частности, валидация, указанная в таблице 8, должна учитываться для репрезентативных (критических) нагрузок. Для получения дополнительной информации см. приложение Г.

Таблица 8

Обзор методов расчета валидации

Прикладной метод	Метод проверки
Линейный расчет временной области	Расчет нелинейной временной области
Расчет частотной области	Расчет временной области
Регулярный волновой расчет	Нерегулярный волновой расчет

7.3.2 Расчет усталости

7.3.2.1 Расчет усталости системы райзера должен учитывать все соответствующие циклические нагрузки, включая:

• волновые эффекты первого порядка (прямые волновые нагрузки и связанные с ними движения плавучей установки);
• движения плавучей установки второго порядка;
• термические и вызванные давлением циклы напряжения;
• вибрации, вызванные вихреобразованием (см. приложение Д);
• столкновения.

При необходимости должны учитываться все режимы работы, включая подключенные, работающие и вывешенные.

7.3.2.2 Отклик усталости от первых двух объектов может быть рассчитан с использованием тех же методов, что и для расчета крайних откликов. Если используется расчет в частотной области, проводится валидация относительно нерегулярности моря, расчет во временной области.

7.3.2.3 Расчет усталости обычно применяется к номинальным значениям. Расчет чувствительности необходим для сопоставления критичности и ввода данных в DFI, например, используя половину нормы коррозии в значениях поперечного сечения для оценки без обслуживания.

7.3.2.4 Рекомендуемые процедуры вычисления краткосрочных усталостных повреждений для общепринятых стратегий общего расчета приведены в таблице 9. Более подробную информацию см. в приложении Е.

Таблица 9

Обзор методов расчета усталости

Метод расчета		Оценка повреждения от усталости
WF-отклик	LF-отклик	WF-повреждение	LF-повреждение	Комбинированное WF + LF повреждение
FD	FD	NB	NB	Суммирование/бимодальность
FD	TD	NB	RFC	Суммирование
TD	TD	RFC	RFC	Суммирование
TD для комбинированного WF + LF возбуждения		RFC для комбинированного WF + LF отклика

8 Критерии расчета для труб райзера

8.1 Общие положения

8.1.1 Цель

В разделе представлены общие рамки проектирования систем райзера, включая положения о проверке предельных состояний для труб в райзерах. Конструкция соединительных муфт и компонентов райзера приведена в разделе 9.

8.1.2 Применение

8.1.2.1 Настоящий стандарт обеспечивает проверки конструкции с упором на условия ULS, FLS, SLS и ALS.

Принципы расчета для условий, управляемых перемещением, обсуждаются в 8.4.7.

8.1.2.2 Требования к материалам, изготовлению, производству и документированию райзеров, компонентов, оборудования и конструктивных элементов в системе райзера приведены в разделе 7.

8.1.3 Предельные состояния

8.1.3.1 Предельные состояния сгруппированы в следующие четыре категории:

• предельное состояние эксплуатационной надежности требует, чтобы райзер оставался в рабочем состоянии и работал должным образом. Это предельное состояние соответствует критериям, ограничивающим или управляющим нормальной работой (функциональным использованием) райзера;
• предельное состояние по прочности требует, чтобы райзер оставался неповрежденным, без разрыва, но не обязательно мог работать. Для рабочего состояния это предельное состояние соответствует максимальному сопротивлению применяемым нагрузкам с вероятностью превышения годовой частоты 10-2;
• случайное предельное состояние — это ULS из-за случайных нагрузок (т.е. нечастых нагрузок);
• предельное состояние усталости является предельным состоянием по прочности от накопленного чрезмерного роста усталостной трещины или повреждения при циклической нагрузке.

8.1.3.2 Как минимальное требование, вертикальные трубы и соединительные муфты должны быть сконструированы для потенциальных режимов сбоев (не ограничиваясь этим), перечисленных в таблице 10, для всех соответствующих условий, ожидаемых на разных этапах их срока службы.

Таблица 10

Типичные предельные состояния для систем райзера

Категория предельного состояния	Предельное состояние	Определение поломки/комментарии
SLS	Зазор	Никакого контакта, например райзер-райзер, райзер-якорная оттяжка, райзер-корпус, надводная арматура-палуба плавучей установки, морская донная фонтанная арматура-придонный слой, перемычка-палуба плавучей установки
	Чрезмерный угловой отклик	Крупные угловые отклонения, которые выходят за пределы указанных рабочих пределов, например наклон гибкой муфты или кольцевого превентора
	Чрезмерное перемещение сверху	Относительно большие верхние перемещения между райзером и плавучей установкой, которые выходят за пределы указанных рабочих пределов для райзеров верхнего натяжения, например ход телескопической муфты, гладкий шарнир и натяжитель, гибкая труба, оборудование для поверхностей пола буровой установки. Системы могут быть разработаны для превышения пределов перемещения, если сохраняется структурная целостность
	Механическое функционирование	Механическое функционирование соединения во время монтажа/демонтажа труб
ULS	Разрыв под действием внутреннего давления	Мембранный разрыв стенки трубы только из-за внутреннего избыточного давления
	Потеря устойчивости вследствие окружных напряжений (смятие)	Общая пластическая деформация (дробление) и/или изгиб (смятие) поперечного сечения трубы, вызванный только внешним избыточным давлением
	Распространение потери устойчивости	Распространение потери устойчивости вследствие окружных напряжений, вызванное потерей устойчивости вследствие окружных напряжений
	Общая пластическая деформация и местная потеря устойчивости	Общая пластическая деформация (разрыв/дробление) поперечного сечения трубы в сочетании с любой локальной потерей устойчивости стенки трубы (гофры) из-за изгибающего момента, осевого усилия и внутреннего избыточного давления
	Общая пластическая деформация, местная потеря устойчивости и потеря устойчивости вследствие окружных напряжений	Общая пластическая деформация и потеря устойчивости вследствие окружных напряжений трубы и/или локальная потеря устойчивости стенки трубы из-за комбинированного эффекта внешнего избыточного давления, эффективного натяжения и изгибающего момента
	Нестабильный перелом и общая пластическая деформация	Нестабильный рост трещины, или разрыв остатка связки, или разрыв поперечного сечения треснувшего компонента
	Герметичность жидкости	Утечка в системе райзера, включая трубы и компоненты
	Общее смятие	Общее смятие колонны (смятие Эйлера) из-за осевого сжатия (отрицательное эффективное натяжение)
ALS	Так же, как ULS и SLS	Общая потеря устойчивости колонны (смятие Эйлера) вследствие осевого сжатия (отрицательное эффективное натяжение)
FLS	Усталостный отказ	Чрезмерное усталостное повреждение при бурении или увеличение усталостной трещины в основном за счет циклической нагрузки от окружающей среды, прямо или косвенно. Предельным размером усталостных трещин может быть толщина стенки (утечка) или критический размер трещины (неустойчивый разрыв/общая пластическая деформация)

8.2 Воздействия нагрузки

8.2.1 Расчетные воздействия нагрузки

8.2.1.1 Результаты расчетного воздействия нагрузки получаются путем умножения эффекта нагрузки каждой категории на соответствующий коэффициент воздействия нагрузки. Конкретные примеры приведены ниже для изгибающего момента и эффективного натяжения.

8.2.1.2 Изгибающий момент для влияний функциональной нагрузки и нагрузки от воздействий окружающей среды определяют с помощью формулы

M_{d} = \gamma_{F} \cdot M_{F} + \gamma_{E} \cdot M_{E} + \gamma_{A} \cdot M_{A}, (8)

где MF — изгибающий момент из функциональных нагрузок;

ME — изгибающий момент от нагрузки от окружающей среды;

MA — изгибающий момент от случайных нагрузок.

8.2.1.3 Эффективное натяжение для влияний функциональной нагрузки и нагрузки от воздействия окружающей среды определяют с помощью формулы

T_{ed} = \gamma_{F} \cdot T_{eF} + \gamma_{F} \cdot T_{eE} + \gamma_{A} \cdot T_{eA}, (9)

где TeF — эффективное натяжение от функциональных нагрузок;

TeE — эффективное натяжение от нагрузки от воздействия окружающей среды;

TeA — эффективное натяжение от случайных нагрузок.

Случайные нагрузки включены в приведенные выше расчетные эффекты нагрузки для полноты. Обычно нагрузки F + E и нагрузки A не учитываются одновременно в общих расчетах.

8.2.1.4 Эффективное натяжение, т.е. сила растяжения положительная, приведено в приложении В и определяется с помощью формулы

Te = Tw — Pi·Ai + Pe·Ae, (10)

где Tw — истинное натяжение стенки (т.е. результат осевого напряжения, обнаруженный путем интегрирования осевого напряжения над пересечением);

Pi — внутреннее (местное) давление;

Pe — внешнее (местное) давление;

Ai — внутренняя площадь поперечного сечения;

Ae — внешняя площадь поперечного сечения.

8.2.2 Коэффициенты надежности по нагрузке

8.2.2.1 Воздействие расчетной нагрузки используется при проверке конструкции. Возможно, потребуется несколько комбинаций, когда эффекты нагрузки от нескольких категорий нагрузки входят в одну проверку конструкции.

8.2.2.2 Коэффициенты воздействия нагрузки, указанные в таблице 11, должны использоваться везде, где воздействие расчетной нагрузки относится ко всем предельным состояниям и классу безопасности.

Таблица 11

Коэффициенты надежности по нагрузке

Предельное состояние	F-надежность по нагрузке	E-надежность по нагрузке	A-надежность по нагрузке
	\gamma_{F}	\gamma_{E}	\gamma_{A}
ULS	0,0	1,3	Не применяется
FLS	1,0	1,0	Не применяется
SLS & ALS	1,0	1,0	1,0
Примечания 1 Если воздействие функциональной нагрузки уменьшает комбинированные эффекты нагрузки, \gamma_{F} принимается как 1/1,1. 2 Если нагрузка от воздействия окружающей среды уменьшает комбинированные нагрузки, \gamma_{E} принимается как 1/1,3.

8.3 Сопротивление

8.3.1 Коэффициенты сопротивления

8.3.1.1 Применяются следующие коэффициенты сопротивления (см. 5.3):

• коэффициент класса безопасности \gamma_{SC} , связанный с фактическим классом безопасности и учитывающий последствия отказа;
• коэффициент сопротивления материала \gamma_{m} для учета неопределенностей материала и сопротивления;
• коэффициент условия \gamma_{c} для учета особых условий, указанных явно в разных предельных состояниях, где это уместно (см. таблицу 20).

8.3.1.2 Если не указано иное, коэффициенты сопротивления, указанные в таблице 12 и таблице 13, применимы ко всем предельным состояниям.

Таблица 12

Коэффициенты сопротивления класса безопасности \gamma_{SC}

Низкий	Нормальный (обычный)	Высокий
1,04	1,14	1,26

Таблица 13

Коэффициент сопротивления материала \gamma_{m}

ULS и ALS	SLS и FLS
1,15	1,0

Для SLS набор коэффициентов сопротивления может быть определен владельцем (см. 8.7).

Для ALS набор коэффициентов безопасности зависит от частоты возникновения и определяется от случая к случаю (см. 8.9); когда присущая неопределенность, связанная со случайной нагрузкой, незначительна и когда применяется консервативная оценка, коэффициент сопротивления материала в таблице 13 может быть уменьшен до 1,05.

8.3.2 Геометрические параметры

8.3.2.1 Номинальный наружный диаметр D применяется для расчета сопротивления для всех режимов отказа.

8.3.2.2 Для проверок расчета разрыва от внутреннего давления и давления смятия согласно 8.4.2 и 8.4.3 сопротивление рассчитывается на основе толщины стенки следующим образом.

8.3.2.3 Толщину стенки определяют по формуле

t1 = tnom — tfab — tcorr, (11)

где tnom — номинальная (заданная) толщина стенки трубы;

tfab — производственный минусовой допуск;

tcorr — припуск на коррозию/износ/эрозию.

8.3.2.4 Сопротивления для всех других предельных состояний, связанных с экстремальной нагрузкой, рассчитывают на основе толщины стенки с помощью формул (12) и (13):

• установка/извлечение и проверка давления в системе:

t2 = tnom, (12)

• в ином случае:

t2 = tnom — tcorr. (13)

Примечание - t1 — минимальная толщина стенки, имеет важное значение для проверок конструкции, где отказ может произойти в связи с низкой пропускной способностью. t2 используется для проверок конструкции, определяемых внешней нагрузкой и сбоем, который, вероятно, произойдет в связи с эффектом экстремальной нагрузки в месте со средней толщиной.

8.3.2.5 Изменение толщины стенки трубы в течение срока службы системы райзера должно учитываться при длительных расчетах усталостного повреждения (т.е. на месте, в рабочем состоянии). Средняя расчетная толщина стенки трубы может применяться при расчетах номинальной усталостной нагрузки. Для стационарной коррозионной среды применяют формулу

t3 = tnom — 0,5tcorr. (14)

Для расчетов усталостного повреждения перед постоянной работой (например, выталкиванием, установкой и т.д.) толщина стенки трубы должна приниматься как t3 = tnom.

8.3.3 Прочность материала

8.3.3.1 Характеристическую прочность материала для использования в расчетах сопротивления, fk, определяют по формуле

f_{k} = min(f_{y}; \frac{f_{u}}{1,15}); (15)

• прочность материала при сжатии по окружности:

f_{k} = f_{y} \cdot \alpha_{fab};

• продольная прочность материала:

f_{k} = f_{y} \cdot \alpha_{c},

где fy и fu обозначают характерный предел текучести и предел прочности при растяжении, приведенный в таблице 14, \alpha_{fab} — производственный коэффициент, указанный в 8.3.3.5, а \alpha_{c} — коэффициент деформационного упрочнения, указанный в 8.3.3.6.

Таблица 14

Характеристика предела текучести и прочность на растяжение

Напряжение при текучести	Прочность на растяжение
f_{y} = (SMYS - f_{y},temp) \cdot \alpha_{U}	f = (SMTS - f_{u},temp) \cdot \alpha_{U}
Примечания 1 SMYS — представляет собой нормативное минимальное значение предела текучести при комнатной температуре на основе кривой инженерного напряжения и деформации. 2 fy, temp — коэффициент снижения температуры для предела текучести (см. 8.3.3.2). 3 SMTS — является заданной минимальной прочностью на растяжение при комнатной температуре на основе кривой инженерного напряжения-деформации. 4 fu, temp — коэффициент снижения температуры при растяжении (см. 8.3.3.2). 5 \alpha_{U} — является коэффициентом прочности материала (см. 8.3.3.4).

8.3.3.2 Прочность материала (SMYS, SMTS) обычно указывается при комнатной температуре. Возможное влияние на свойства материала в зависимости от температуры следует учитывать при температурах выше комнатной. Это включает:

• предел текучести (fy, temp);
• предел прочности на растяжение (fu, temp);
• модуль Юнга (модуль упругости);
• коэффициент теплового расширения.

8.3.3.3 Свойства материала со сниженными параметрами при расчетных температурах должны быть установлены как входные данные для конструкции и проверены при производстве.

Если никакой другой информации о снижающих температурных эффектах предела текучести не существует, можно использовать эти рекомендации для стали CMn, нержавеющей стали 22Cr Duplex или 25Cr Duplex. Для этого может быть использован приведенный ниже рисунок 2.

Рисунок 2 — Зависимость изменения предела текучести материала от температуры

Аналогично низкотемпературные эффекты, например при выпускании в газовых райзерах, следует учитывать при создании механических и физических свойств материала.

8.3.3.4 Выбор материала может включать в себя выбор дополнительного требования U (см. [7]). Дополнительное требование обеспечивает повышенную уверенность в прочности материала, что отражается в более высоком коэффициенте \alpha_{U} прочности материала, приведенном в таблице 15.

Таблица 15

Коэффициент \alpha_{U} прочности материала

Обычный	Дополнительное требование U
0,96	1,00

Дополнительное требование U имеет режим испытания, который должен гарантировать, что SMYS составляет по меньшей мере два стандартных отклонения ниже среднего предела текучести и что SMTS составляет по меньшей мере три стандартных отклонения ниже средней прочности на растяжение.

Увеличенное использование может быть применено для соединительных муфт, выполненных из поковок и болтов, при условии, что будет принята эквивалентная схема испытаний.

8.3.3.5 Производственный коэффициент \alpha_{fab} применяется к расчетному пределу текучести при сжатии для потери устойчивости вследствие окружных напряжений, локальной потери устойчивости и распространению предельных состояний потери устойчивости. Если не оговорено иное, коэффициент изготовления \alpha_{fab} в таблице 16 применяется для труб, изготовленных с помощью UOE, UO или трехпроходных гибочных (TRB) или подобных процессов холодного деформирования. Благоприятное воздействие на этот коэффициент уменьшения за счет термообработки допускается, если оно задокументировано.

Таблица 16

Производственный коэффициент \alpha_{fab}

Прочность на растяжение или бесшовная труба	Прочность на сжатие для сварной трубы
	UOE	UO/TRB
1,00	0,85	0,93

8.3.3.6 Коэффициент \alpha_{c} представляет собой параметр, учитывающий упрочнение деформаций и утончение стенки, определяемый с помощью формул:

\alpha_{c} = (1 - \beta) + \beta \cdot \frac{f_{u}}{f_{y}} ; (16)

(17)

ph — степень изменения давления;

pld — локальное расчетное давление;

pe — внешнее давление;

pb — сопротивление разрыву от внутреннего давления;

\alpha_{c} — не должно быть больше 1,20, \alpha_{c} — для иллюстрации, приведенной на рисунке 3, в случае (fu/fy) = 1,18.

Рисунок 3 — \alpha_{c} по отношению к D/t и значению давления ph для (fu/fy) = 1,18

8.4 Предельное состояние по прочности

8.4.1 Общие положения

8.4.1.1 Труба райзера должна быть рассчитана в отношении соответствующих режимов отказа, перечисленных в таблице 10.

8.4.1.2 В этом разделе приводятся проверки конструкции с упором на условия, контролируемые нагрузкой. Принципы расчета для условий, управляемых перемещением, определены в 8.4.7.

8.4.1.3 Если проектирование основано:

• на условиях контроля нагрузки (LC);
• расчетных нагрузках на основе глобального расчета райзера;
• линейных эластичных и пластичных материалах,

то накопленная пластическая деформация считается маловероятной, и «встряска» может быть автоматически принята.

Давление и функциональные нагрузки обычно определяют размеры толщины стенки для трубопроводов, в то время как экстремальные нагрузки от окружающей среды и усталость определяют типичную динамическую конструкцию райзера.

Следующие комментарии относятся к этому стандарту в отношении [7]:

• комбинация нагрузки в [7] не требуется для динамических райзеров. Кроме того, \gamma_{p} = 1,0 в настоящем документе;
• для динамических райзеров не требуются дополнительные коэффициенты сопротивления класса безопасности по герметизации;
• критерий смятия потери устойчивости вследствие окружных напряжений формулируется с точки зрения минимальной (t1), а не номинальной (t2) толщины;
• критерии распространения потери устойчивости аналогичны, но могут быть ослаблены, если изгиб может перемещаться на короткое расстояние;
• анизотропия не рассматривается явно, но воздействие является неявным в комбинированных критериях нагрузки для внутреннего избыточного давления.

8.4.2 Разрыв под действием внутреннего давления

8.4.2.1 Элементы труб, подвергнутые чистому внутреннему избыточному давлению, должны быть рассчитаны таким образом, чтобы они удовлетворяли условиям во всех сечениях в соответствии с формулой

(P_{li} - P_{e}) \leq \frac{P_{b}(t_{1})}{\gamma_{m} \cdot \gamma_{SC}} , (18)

где Pli — местное аварийное давление (см. раздел 5);

Pe — внешнее давление.

8.4.2.2 Разрывное сопротивление Pb определяют по формуле

P_{b}(t) = \frac{2}{\sqrt{3}} \cdot \frac{2t}{D - t} \cdot (f_{y}; \frac{f_{u}}{1,15}). (19)

8.4.2.3 Критерий разрыва действителен, если требование испытания заводского давления выполнено (см. [7]). Если нет, применяется соответствующее уменьшенное использование.

Критерий разрыва выражается с точки зрения сопротивления для закрытых торцов труб. Обратите внимание, что критерий разрыва формулируется с точки зрения локального случайного давления, а не локального расчетного давления. Следовательно, предельное состояние разрыва под действием внутреннего давления явно противоречит условию нагрузки при экстремальном давлении в течение всего срока службы в соответствии со стандартными проверками конструкции ULS. Однако допустимо использование соответствующей новейшей отраслевой практики для известных типов райзеров.

Номинальная толщина выражается с помощью формул (20), (21):

tnom = t1 + tcorr + tfab, (20)

где минусовое отклонение толщины изготовления стенки является абсолютным,

tfab, tnom = (t1 + tcorr)/(1 — %tfab), (21)

где минусовое отклонение толщины изготовления стенки задается как процентиль номинальной толщины, %tfab.

Минимальную требуемую толщину стенки для прямой трубы без допусков и отклонений определяют с помощью формулы

t_{1} = \frac{D}{\frac{4}{\sqrt{3}} \cdot \frac{min(f_{y}; \frac{f_{u}}{1,15})}{\gamma_{m}\gamma_{SC}(P_{li} - P_{e})} + 1} . (22)

8.4.3 Система потери устойчивости вследствие окружных напряжений (смятие)

8.4.3.1 Элементы труб, подвергнутые внешнему избыточному давлению, должны быть рассчитаны таким образом, чтобы они удовлетворяли следующим условиям:

(P_{c} - P_{min}) \leq \frac{P_{c}(t_{1})}{\gamma_{SC} \cdot \gamma_{m}} , (23)

где Pmin — минимальное внутреннее давление.

8.4.3.2 Сопротивление для внешнего давления (потеря устойчивости вследствие окружных напряжений), Pc(t), выражается с помощью формулы

(P_{e}(t) - P_{el}(t)) \cdot (P_{e}^{2}(t) - P_{p}^{2}(t)) = P_{e}(t) \cdot P_{el}(t) \cdot P_{p}(t) \cdot f_{0} \cdot \frac{D}{t} . (24)

Давление упругого смятия (нестабильности) трубы определяют по формуле

P_{el}(t) = \frac{2 \cdot E \cdot (\frac{t}{D})3}{1 - \nu^{2}} . (25)

Давление пластичного смятия определяют по формуле

P_{p}(t) = 2 \frac{t}{d} \cdot f_{y} \cdot \alpha_{fab}. (26)

Отклонение от округлости трубы и торцов трубы, т.е. начальная овальность, определяют по формуле

f_{0} = \frac{D_{max} - D_{min}}{D} , (27)

где Dmax — наибольший диаметр;

Dmin — наименьший диаметр;

D — номинальный диаметр.

8.4.3.3 Первоначальная овальность не принимается менее 0,005 (0,5%). Максимальная овальность при изготовлении представлена в 8.7.2. Овализация, возникающая на этапе строительства и установки, должна быть включена в овальность. Овализация из-за внешнего давления или момента в установленном положении не должна включаться.

Pmin — локальное минимальное внутреннее давление, принимаемое как самое неблагоприятное внутреннее давление плюс статический напор рабочей жидкости, проходящей внутри.

Для установки Pmin равно нулю. Для установки с водонаполненной трубой Pmin равно Pe.

8.4.4 Распространение изгиба

8.4.4.1 Для обеспечения того, чтобы возможный местный изгиб оставался локальным и не приводил к последующей потере устойчивости вследствие окружных напряжений (смятию) соседних секций труб, требуется проверка на потерю устойчивости (смятие):

(P_{c} - P_{min}) \leq \frac{P_{pr}}{\gamma_{c}\gamma_{m}\gamma_{SC}} , (28)

где \gamma_{c} = 1,0 , если не разрешено распространение изгиба (однажды инициированного). Если изгиб может перемещаться на короткое расстояние (где соседняя секция трубы выступает в качестве ограничителя изгиба), \gamma_{c} может быть уменьшена до 0,9.

Сопротивление распространению изгиба Ppr определяют по формуле

P_{pr} = 35 \cdot f_{\gamma} \cdot \alpha_{fab} \cdot (\frac{t_{2}}{D})^{25}. (29)

8.4.4.2 Если конструкция трубы достаточна для соответствия вышеуказанному критерию распространения, также выполняется критерий потери устойчивости вследствие окружных напряжений системы (смятия). Если условия таковы, что распространяющиеся изгибы возможны, средства для их предотвращения или локализации следует учитывать в расчете.

Для трубы, рассчитанной для соответствия критериям потери устойчивости вследствие окружных напряжений (внешнего смятия), описанным выше, потеря устойчивости вследствие окружных напряжений может быть инициирована при более низком давлении случайными способами. Примерами таких средств могут быть воздействие или чрезмерный изгиб из-за отказа натяжителя. После запуска такое смятие может образовывать распространяющийся изгиб, который будет перемещаться по трубе до тех пор, пока внешнее давление не опустится ниже давления распространения, или до тех пор, пока изменение свойства не приведет к задержке изгиба. Последствия такого отказа должны быть оценены.

Если запорные наконечники находятся в секциях труб, подвергнутых усталости, любое ухудшение усталостных свойств следует оценивать по коэффициентам концентрации напряжений.

Соединительные муфты и звенья райзера могут считаться эквивалентными ограничителям изгиба, следовательно, нет необходимости в расчете райзера для распространения изгиба.

8.4.5 Комбинированные критерии нагружения

8.4.5.1 Элементы труб, подвергнутые изгибающему моменту, эффективному натяжению и чистому внутреннему избыточному давлению, должны быть сконструированы так, чтобы удовлетворять следующему уравнению:

{_{\gamma_{SC} \cdot \gamma_{m}}}\{(\frac{|M_{d}|}{M_{k}} \cdot \sqrt{1 - (\frac{P_{ld} - P_{e}}{p_{b}(t_{2})})2}) + (\frac{T_{ed}}{T_{k}})^{2}\} + (\frac{P_{ld} - P_{e}}{p_{b}(t_{2})})^{2} \leq 1, (30)

где Md — расчетный изгибающий момент (см. 8.2.1);

Ted — расчетное эффективное натяжение (см. 8.2.1);

Pld — локальное внутреннее расчетное давление (см. 5.2.2);

Pe — локальное внешнее расчетное давление;

Mk — (пластический) момент сопротивления, определяемый по формуле (31):

M_{k} = f_{\gamma} \cdot \alpha_{c} \cdot (D - t_{2})^{2} \cdot t_{2}; (31)

Tk — сопротивление пластическому осевому усилию, определяемое по формуле (32):

T_{k} = f_{\gamma} \cdot \alpha_{c} \cdot \pi(D - t_{2}) \cdot t_{2}; (32)

Pb(t2) — сопротивление разрыву, заданное уравнением.

Режимы отказа, управляемые этим предельным состоянием, включают в себя общую пластическую деформацию текучести и гофры из-за комбинированной нагрузки. Критерий расчета можно рассматривать как (пластический) критерий фон Мизеса с точки зрения поперечных усилий и сопротивления пластическому поперечному сечению. Это эквивалентно мощности пластичного предела изгибающего момента (включая влияние деформационного упрочнения и утонения стенки) для (\frac{T_{ed}}{T_{k}}) \ll 1 . Он сводится к традиционному критерию фон Мизеса по толщине стенки (см. [8]) только для влияния нагрузки от давления и эффективного натяжения.

8.4.5.2 Участки труб, подвергнутые изгибающему моменту, эффективному натяжению и чистому внешнему избыточному давлению, должны быть сконструированы так, чтобы удовлетворять формуле

{_{\gamma_{SC} \cdot \gamma_{m}}}^{2}\{(\frac{|M_{d}|}{M_{k}}) + (\frac{T_{ed}}{T_{k}})^{2}\}_{+}^{2}{_{\gamma_{SC} \cdot \gamma_{m}}}^{2}(\frac{P_{e} - P_{min}}{p_{e}(t_{2})})^{2} \leq 1, (33)

где величина потери устойчивости вследствие окружных напряжений pc(t) задается формулой (24).

Режимы отказа, управляемые этим полуэмпирическим предельным состоянием, определяют и комбинируют местный продольный изгиб и потерю устойчивости вследствие окружных напряжений из-за комбинированного изгиба, натяжения и внешнего избыточного давления.

Системные эффекты следует учитывать для методов установки, при которых многие секции труб подвергаются воздействию аналогичного условия нагрузки. Если подробная информация недоступна, применяется коэффициент условия \gamma_{c} = 1,05 , умноженный на \gamma_{SC}\gamma_{m} .

8.4.6 Альтернативный формат расчета рабочего напряжения

8.4.6.1 В качестве более простой в использовании альтернативы может использоваться следующий формат расчета рабочего напряжения (WSD) для комбинированной проверки нагрузки для труб с отношением D/t менее 30. Настоящий WSD основан на явных предельных состояниях для 30. Настоящий WSD основан на явных предельных состояниях для комбинированной нагрузки и дает результаты на консервативной основе по сравнению с соответствующими предельными состояниями КНиУ.

8.4.6.2 Для формата WSD эффекты расчетной нагрузки равны соответствующему характеристическому влиянию нагрузки, т.е. коэффициенты воздействия нагрузки и коэффициенты сопротивления равны единице:

YF = YE = YA = YSC = Ym = 1,0.

Вместо этого применяется базовый коэффициент использования, приведенный в таблице 17:

Таблица 17

Использование коэффициента \eta для комбинированного нагружения

Низкий	Нормальный	Высокий
0,83	0,79	0,75

8.4.6.3 Участки труб, подвергнутые изгибающему моменту, эффективное натяжение и чистое внутреннее избыточное давление должны быть заданы в расчете так, чтобы удовлетворять формуле

\{(\frac{|M|}{M_{k}} \cdot \sqrt{1 - (\frac{P_{ld} - P_{e}}{P_{b}(t_{2})})2}) + (\frac{T_{e}}{T_{k}})^{2}\} + (\frac{P_{ld} - P_{e}}{P_{b}(t_{2})})^{2} \leq \eta^{2}, (34)

где все параметры определены в 8.4.5.1.

8.4.6.4 Элементы труб, подвергнутые изгибающему моменту, эффективное натяжение и чистое внешнее избыточное давление, должны быть рассчитаны так, чтобы удовлетворять формуле

((\frac{|M|}{M_{k}}) + (\frac{T_{e}}{T_{k}})^{2}) + (\frac{P_{e} - P_{min}}{P_{c}(t_{2})})^{2} \leq \eta^{4}. (35)

8.4.7 Условия, регулируемые перемещением

8.4.7.1 Нагрузки и эффекты нагрузки могут быть классифицированы следующим образом:

• условия, управляемые нагрузкой (LC или первичные);
• состояния, управляемые перемещением (вторичное DC);
• комбинированные типы нагрузки.

8.4.7.2 Условие, контролируемое нагрузкой, — это состояние, при котором структурный отклик в основном определяется наложенными нагрузками.

8.4.7.3 Состояние, контролируемое перемещением, — это состояние, в котором структурный отклик в основном определяется наложенными геометрическими перемещениями.

8.4.7.4 Условия, регулируемые перемещением, должны подразделяться:

• на условия со статическими (функциональными и напорными) нагрузками;
• условия с динамическими (воздействие окружающей среды) нагрузками.

8.4.7.5 В условиях статической нагрузки постоянного течения применяются следующие основные принципы расчета:

• воздействие первичной нагрузки (т.е. LC — часть эффекта нагрузки) должно удовлетворять критериям, контролируемым нагрузкой в настоящем стандарте, игнорируя эффекты вторичной нагрузки (т.е. DC — часть эффекта нагрузки);
• общее (первичное и вторичное) воздействие нагрузки должно быть проверено в отношении пределов деформации и критериев приемлемости для условий, контролируемых перемещением (см. [7]);
• необходимо учитывать накопленную пластическую деформацию.

8.4.7.6 В условиях динамического постоянного нагружения (малоциклового) усталость часто становится предельным условием экстремальных нагрузок. Более рациональный и основополагающий принцип расчета заключается в требовании не допускать неупругие перемещения, вызванные циклическими нагрузками. Следовательно, полная деформация должна быть ограничена упругой областью.

8.4.7.7 Если изгибающий момент можно считать вторичным, коэффициент состояния \gamma_{c} = 0,85 может быть умножен на изгибающий момент в 8.4.5 и 8.4.6.

Примеры, в которых напряжение изгиба можно считать вторичным:

• райзер с изгибом в соответствии с непрерывной изогнутой структурой, такой как катушка;
• в областях, где геометрическая равновесная форма райзера не зависит от жесткости изгиба (т.е. определяется геометрической жесткостью из-за эффективного натяжения).

Последний должен быть документирован расчетом, включающим жесткость при изгибе и не включающим ее как для статических, так и для динамических нагрузочных условий.

8.4.7.8 Условия, связанные с перемещением, должны быть задокументированы. Секции и компоненты труб, подвергнутые неупругим деформациям, должны быть рассчитаны с учетом накопленной пластической деформации (прогрессирующего разрушения), такой как постепенная потеря устойчивости вследствие окружных напряжений (накопленная овальность) и пластическая усталость (низкий цикл и ультранизкий).

8.5 Предельное состояние по усталости

8.5.1 Общие положения

8.5.1.1 Система райзера должна иметь достаточную защиту от усталости в течение срока службы системы. Для более подробной информации относительно усталостной конструкции и расчета см. раздел 4 и приложение Е.

8.5.1.2 Все циклические нагрузки, налагаемые в течение всего срока службы, которые имеют величину и соответствующее количество циклов, достаточно большое, чтобы вызвать эффекты усталостного повреждения, должны быть приняты во внимание. Учитываются временные этапы, такие как транспортировка, буксировка, установка, эксплуатация и вывешивание.

8.5.1.3 Все критические участки для предполагаемого инициирования трещины для каждого уникального компонента вдоль райзера должны быть оценены. Эти участки обычно включают сварные швы и детали, которые вызывают концентрацию напряжений.

8.5.1.4 Методы оценки усталости могут быть классифицированы следующим образом:

• методы, основанные на S-N кривых (см. 8.5.2);
• методы, основанные на распространении усталостной трещины, расчеты (см. 8.5.3).

8.5.1.5 Обычно методы, основанные на S-N кривых, используются во время расчета для оценки усталостной долговечности. Расчеты распространения усталостной трещины могут быть использованы для оценки продолжительности существования усталостных трещин и установления критериев проверки неразрушающего контроля, которые должны применяться во время как изготовления, так и эксплуатации.

8.5.1.6 Если репрезентативные данные о сопротивлении усталости отсутствуют, прямое испытание усталостных характеристик реальных компонентов должно выполняться с учетом химического состава внутренней и внешней среды.

8.5.1.7 Напряжение, которое следует учитывать для накопления усталостного повреждения в райзере, представляет собой циклическое (т.е. зависящее от времени) главное напряжение.

8.5.1.8 Управляющий циклический компонент номинального напряжения для труб обычно представляет собой линейную комбинацию осевого и изгибающего напряжения, определяемую по формуле

\sigma = \frac{T_{e}}{\pi \cdot (D - t_{3})t_{3}} + \frac{32M(D - t_{3})}{\pi \cdot (D^{4} - (D - 2t_{3})^{4})} . (36)

8.5.1.9 Это комбинированное напряжение изменяется по окружности вертикальной трубы. Для случаев, если волны набегают из нескольких разных направлений, необходимо учесть усталостное повреждение на нескольких равномерно расположенных точках для определения наиболее критического местоположения.

8.5.2 Оценка усталости с использованием S-N кривых

8.5.2.1 При использовании методов расчета, основанных на S-N кривых, должно учитываться следующее:

• оценка краткосрочного распределения номинального размаха напряжений;
• выбор соответствующей S-N кривой;
• включение коэффициента коррекции толщины;
• определение коэффициента концентрации напряжений (SCF), не включенного в S-N кривую (см. [9]);
• определение накопленного усталостного повреждения, Dfat, во всех краткосрочных условиях.

8.5.2.2 Критерий усталости, который должен быть выполнен, может быть записан с помощью формулы

Dfat·DFF <= 1, (37)

где Dfat — накопленное усталостное разрушение (правило Пальмгрена-Майнера — гипотеза линейного накопления повреждений);

DFF — расчетный коэффициент усталости (см. таблицу 18).

Таблица 18

Расчетные коэффициенты усталости (DFF)

Класс безопасности
низкий	нормальный	высокий
3,0	6,0	10,0

8.5.2.3 Расчетная S-N кривая должна основываться на кривых среднего отклонения двух стандартных отклонений для соответствующих экспериментальных данных (см. [9]).

8.5.3 Оценка усталости по расчетам распространения трещины

8.5.3.1 Применим подход, основанный на допуске к повреждению. Это означает, что компоненты райзера должны быть рассчитаны и проверены таким образом, чтобы максимальный ожидаемый размер первоначального дефекта не увеличивался до критического размера в течение срока службы или времени до первой проверки. Расчеты распространения трещин обычно содержат следующие основные этапы:

• определение долгосрочного распределения номинального размаха напряжений;
• выбор соответствующего закона роста трещины с соответствующими параметрами роста трещины. Параметры роста трещины (характеристическое сопротивление) определяются как среднее плюс два стандартных отклонения;
• оценка начального размера трещины и геометрии и/или любое возможное время начала трещины. Должна применяться наилучшая оценка начального размера трещины (среднее значение). Время сварки обычно игнорируется для сварных швов;
• определение циклического напряжения в предполагаемой плоскости роста трещины. Для несварных компонентов должно быть определено среднее напряжение;
• определение конечного или критического размера трещины (по толщине, неустойчивой деформации трещины/общей пластической деформации);
• интеграция отношения распространения усталостной трещины относительно долгосрочного распределения размаха напряжений для определения срока роста усталостной трещины.

8.5.3.2 Срок роста усталостной трещины должен быть рассчитан и проверен в соответствии со следующей формулой:

\frac{N_{tot}}{N_{cg}} \cdot DFF \leq 1, (38)

где Ntot — общее количество применяемых циклов напряжения во время обслуживания или контроля при эксплуатации;

Ncg — количество циклов напряжений, необходимых для увеличения дефекта от начального до критического дефекта;

DFF — расчетный коэффициент усталости (см. таблицу 18).

8.5.3.3 Предполагаемый размер первоначального дефекта ai/2ci — для поверхностных дефектов и 2ai/2ci — для внутрипластовых дефектов — ожидаемое значение дефектов, оставшихся после изготовления и NDT. Ожидаемый размер первоначального дефекта (среднее значение) должен быть установлен на основе оценки способности обнаружения метода контроля, доступа для контроля во время изготовления, толщины и геометрии конструкции, способа изготовления, обработки поверхности, способа сварки, сварного шва с полным или неполным проплавлением и количества проходов, используемых для завершения сварки.

8.5.3.4 Максимально допустимый начальный размер трещины может использоваться для оценки пределов обнаружения методов неразрушающего контроля для конкретного компонента.

Для поверхностных трещин, начиная с переходов между сварным материалом/основным материалом, глубину трещины 0,1 мм (например, из-за подрезов и микротрещин в нижней части подрезов) можно предположить, если другая документация о глубине трещины недоступна. Глубина поверхности трещины до общей длины дефекта (a/2ci) должна считаться низкой (менее 1:5), если нет другой документации. Легкое шлифование площади критических областей следует рассматривать для удаления подрезов и повышения надежности контроля (см. приложение Е).

Для односторонних сварных швов отсутствие дефектов проникновения трудно обнаружить с помощью NDT. Глубина трещины в диапазоне от 1 до 2 мм может быть трудно находимой. Использование надежной сварочной процедуры важно для таких случаев, особенно для корневого прохода. Считается, что обработка с корневого прохода значительно улучшает качество усталостной стойкости.

Некоторые нормы сокращают требования для срока роста усталостной трещины по сравнению с S-N. Например, коэффициент 5 для роста усталостной трещины по сравнению с 10 для S-N. Обратите внимание, что эти нормы определяют начальный размер трещины, основанный на 90%-ной вероятности уровня проверки применимого метода NDT, а не среднего уровня, применяемого в настоящем стандарте.

8.5.4 Контроль усталости при эксплуатации

8.5.4.1 Подход S-N кривой может использоваться для целей скрининга для определения наиболее вероятных областей, где во время эксплуатации могут появляться усталостные трещины. Время до первого контрольного осмотра может быть основано на результатах роста трещины и времени по критериям, приведенным в таблице 18, в сочетании с записями изготовления/установки. Планы контроля после установки после первой проверки должны основываться на полученных результатах контроля и планах, соответствующих последним данным. Для обнаруженных дефектов расчет усталостных трещин для установления запаса долговечности должен основываться на точности выверки применяемого метода, и ожидаемое значение должно использоваться для оценки усталости.

8.5.4.2 Необходимые данные должны регистрироваться в течение цикла срока службы для документирования и расчета состояния усталости для временных райзеров. Обычно в журнал должны включаться последовательность звеньев, конфигурация райзера, эксплуатационные характеристики (глубина воды, давление, плотность и т.д.), данные о плавучих установках, включая верхнее натяжение, а также время и состояние моря для каждого режима работы. Этот журнал должен регулярно пересматриваться для оценки необходимости контроля усталостных трещин.

8.5.4.3 Неверный неразрушающий контроль или извлечение райзера для сухих осмотров считается приемлемым средством контроля.

8.6 Чрезвычайное предельное состояние

8.6.1 Функциональные требования

8.6.1.1 Аварийное предельное состояние (ALS) является предельным состоянием из-за случайных нагрузок или событий. Случайные нагрузки следует понимать как нагрузки, которым может подвергаться райзер в случае ненормальных условий, неправильной работы или технического сбоя. Случайные нагрузки обычно возникают в результате незапланированных событий. Чаще всего применяются следующие проверки расчета:

• сопротивление прямой случайной нагрузке (обычно дискретные события с годовой частотой появления менее 10-2);
• предельное сопротивление и оценка последствий из-за превышения SLS, введенного для определения операционных ограничений;
• постслучайное сопротивление к нагрузкам от окружающей среды (если сопротивление снижается структурным повреждением, вызванным случайными нагрузками).

8.6.1.2 Соответствующие критерии отказа и случайные нагрузки с точки зрения частоты возникновения и величины определяются на основе расчета рисков и соответствующего накопленного опыта. Следует учитывать другие нагрузки, которые логично могут присутствовать в момент случайного события. Кроме того, случайные нагрузки должны определяться с учетом влияющих факторов. Такими факторами могут быть аттестация персонала, эксплуатационные процедуры, организация установки, оборудование, системы безопасности и процедуры контроля.

8.6.2 Категории случайных нагрузок

8.6.2.1 Случайные нагрузки могут быть отнесены к категории (не ограничиваясь этим):

а) пожары и взрывы;

б) воздействие/столкновения, такие как:

• нечастые взаимные влияния на райзер (см. 5.8.1);
• воздействие удаленных объектов и якорей;
• воздействие плавучей установки/плавучих объектов;

в) нагрузки на крюк/зацепление, такие как:

• перетаскивание якоря;

г) отказ системы поддержки, такой как:

• неисправность системы компенсирования вертикальной качки (потеря или заклинивание), например системы натяжения или компенсатор тягового движения;
• потеря плавучести; воздушные баллоны для платформ spar;
• потеря швартовной линии, натяжного элемента опоры платформы или проводника;
• сбой динамического позиционирования (DP) (отключение или завершение бурения);

д) превышение случайного внутреннего избыточного давления:

• потеря системы аварийной защиты от превышения давления;
• отказ скважин или запакеровщиков скважин;
• выброс давления;
• глушение скважины — закачка под давлением;

е) опасные природные явления:

• землетрясение;
• цунами;
• айсберг.

Условия окружающей нагрузки с периодом возврата 10 000 лет как нормальное поведение «хвоста» в функции долгосрочного распределения вероятности подразумеваются в критериях расчета ULS и не должны рассматриваться как случайное (или аномальное) условие нагрузки для райзеров.

Случайные экологические события следует оценивать с учетом 1) значения периода возврата с разумной вероятностью того, что он не будет превышен в течение срока службы проекта (например, 200 лет) и 2) редкого интенсивного события (например, землетрясения) с интервалом повторения от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.

8.6.3 Характерные эффекты случайной нагрузки

8.6.3.1 Случайные нагрузки и эффекты нагрузки определяются частотой возникновения и их величиной. Нагрузки, возникающие во время случайного события, обычно не должны суммироваться и с экстремальным условием нагрузки от воздействия окружающей среды. Однако поврежденная структура, возникающая в результате события случайной нагрузки, должна выдерживать соответствующее давление и функциональные нагрузки в условиях экстремальных нагрузок от влияния окружающей среды. Характерные воздействия случайной нагрузки и комбинации нагрузок для разных режимов эксплуатации приведены в таблице 19.

Таблица 19

Характеристические влияния случайной нагрузки и их комбинаций для разных режимов эксплуатации

Категория предельного состояния	Вид эксплуатации	Категория воздействия нагрузки
		P-нагрузки	F-нагрузки	E-нагрузки	A-нагрузки
Неповрежденная структура ALS	Неэксплуатируемый	Ожидаемое значение	Ожидаемое значение, связанное с A-нагрузками	Ожидаемое указанное или ожидаемое экстремальное значение, связанное с A-нагрузками	Значение зависит от принятых мер, величины и вероятности возникновения
	Эксплуатируемый	Характеристическое расчетное давление или случайное, что является подходящим
Поврежденная структура ALS	Временный, неэксплуатируемый	Ожидаемое значение	Воздействие комбинированной нагрузки, определяемой с годовой вероятностью превышения = 10-1		Непригодный
	Эксплуатируемый	Характеристическое расчетное давление или случайное, что является подходящим
Примечание — E-нагрузки могут быть определены по прогнозу погоды, если время на ремонт короткое и могут быть приняты защитные меры. Если период ремонта закреплен за сезоном, вероятность превышения может быть ослаблена, то есть E-нагрузки могут относиться к сезону, а не к году.

8.6.4 Расчет в отношении случайных нагрузок

8.6.4.1 Расчет в отношении случайных нагрузок может быть произведен путем непосредственного расчета воздействий нагрузок на конструкцию или косвенно, путем расчета конструкции как допускающей аварии. Примером последнего является отказ натяжения, когда натяжитель должен обеспечивать достаточную целостность, чтобы выдержать определенные экологические сценарии без дальнейшего прогрессирующего смятия.

8.6.4.2 Конструкция в отношении случайной нагрузки должна обеспечивать, чтобы общая вероятность отказа соответствовала целевым значениям в таблице 3. Эта вероятность может быть выражена как сумма вероятности появления i-го повреждающего события, PDi, умноженная на вероятность структурного отказа, обусловленная этим событием, Pf|Di. Соответственно требование выражается по формуле

\sum P_{f|Di} \cdot P_{Di} \leq P_{f,T}, (39)

где Pf,T — вероятность целевого отказа согласно таблице 3. Количество уровней дискретизации должно быть достаточно большим, чтобы гарантировать, что полученная вероятность оценивается с достаточной точностью.

8.6.4.3 Следует признать неотъемлемую неопределенность частоты и величины случайных нагрузок, а также приблизительный характер методов определения эффектов случайной нагрузки. Разумеется, требуются оценки звуковой инженерии и прагматические оценки.

8.6.4.4 Упрощенная проверка конструкции в отношении случайной нагрузки может быть выполнена, как показано в таблице 20 ниже, умножением на соответствующие коэффициенты воздействия нагрузки, выбранные в соответствии с таблицей 11, и коэффициенты сопротивления согласно таблице 12 и таблице 13. Соответствие упрощенной проверки конструкции должно оцениваться на основе суммирования, приведенного выше, для верификации того, что общая вероятность отказа соответствует целевым значениям в таблице 3.

Таблица 20

Упрощенная проверка конструкции на случайные нагрузки

Возможность возникновения	Класс безопасности
	низкий	обычный	высокий
> 10-2	Случайные нагрузки могут рассматриваться как схожие с нагрузками на окружающую среду и могут быть оценены аналогично проверке конструкции ULS
10-2 — 10-3	Для оценки на индивидуальной основе
10-3 — 10-4	\gamma_{c} = 1,0	\gamma_{c} = 1,0	\gamma_{c} = 1,0
10-4 — 10-5	Случайные нагрузки или события	\gamma_{c} = 0,9	\gamma_{c} = 0,9
10-5 — 10-6		\gamma_{c} = 0,8
< 10-6	могут быть проигнорированы

Стандартная отраслевая практика предполагает, что коэффициенты безопасности, равные 1,0 для случайного события с вероятностью появления, равной 10-4, и долговечность райзера связаны исключительно с консервативным определением характеристической сопротивляемости. В настоящем стандарте случайные нагрузки и события вводятся в более общем контексте со ссылкой между вероятностью возникновения и фактическим последствием отказа.

Для комбинированного нагружения упрощенная проверка конструкции предлагает общий коэффициент безопасности в диапазоне 1,1 — 1,2. Этот диапазон соответствует стандартной отраслевой практике, интерпретируемой как соответствующая классу безопасности «обычный» для случайных нагрузок с вероятностью появления, равной 10-4.

Расчет ALS может обеспечить экстремальные нагрузки для расчета оборудования устья скважины и буровой установки и определить необходимость преднамеренного внедрения слабых звеньев в систему. Такие слабые секции могут потребоваться для обеспечения того, чтобы неприемлемая эскалация, то есть контролируемый отказ восходящего контура над подводным клапаном, не возникала в случае аварий (в частности, в случае вытеснения плавучей установки, или события дрейфа, или отказа системы компенсации нисходящей вертикальной качки). Если максимальная нагрузка вычисляется в потенциально слабом звене, должно использоваться высокое характеристическое значение сопротивления линии связи.

8.7 Предельное состояние по эксплуатационной пригодности

8.7.1 Общие положения

8.7.1.1 Предельные состояния по эксплуатационной пригодности чаще всего связаны с определением приемлемых ограничений нормальной работы. Во многих случаях владелец укажет требования, однако разработчик должен также провести оценки в отношении удобства обслуживания райзеров и определить соответствующие критерии SLS для системы райзера.

FMEA, HAZOP и совещания по оценке конструктивных решений являются полезными систематическими процедурами, которые могут привести к идентификации SLS и пересмотру последствий установления рабочих ограничений и превышения этих ограничений.

8.7.1.2 Важно, чтобы все эксплуатационные ограничения и/или расчетные допущения были четко обозначены и реализованы в рабочих процедурах.

8.7.1.3 Превышение SLS не должно приводить к сбою, и ALS определяется в связи с превышением SLS. Кроме того, оцениваются частота и последствия событий после превышения SLS. Такие мероприятия, как правило, контролируются процедурами обслуживания/контроля и внедрением систем раннего предупреждения или отказоустойчивого типа при расчете.

8.7.1.4 Предельные состояния по эксплуатационной пригодности для глобального поведения райзера связаны с ограничениями в отношении изгибов, перемещений и вращения общего райзера или овализации трубы райзера. Некоторые примеры приведены в последующих разделах.

8.7.2 Предел овализации из-за изгиба

8.7.2.1 Райзеры не должны подвергаться чрезмерной овализации, и это должно быть задокументировано. Чтобы предотвратить преждевременные местные изгибы, уплощение из-за изгиба вместе с допуском на отклонение от круглой формы от изготовления трубы должно быть ограничено до 3,0%·5 (см. формулу 40):

f_{0} = \frac{D_{max} - D_{min}}{D_{0}} \leq 0,03. (40)

8.7.2.2 Требование может быть смягчено, если:

• включено соответствующее уменьшение сопротивления моменту;
• соблюдаются геометрические ограничения, такие как требования к доступу для внутренней очистки труб и инструментов;
• рассмотрены дополнительные циклические напряжения, вызванные овализацией.

8.7.2.3 Овализация должна проверяться на точечные нагрузки в любой точке вдоль райзера. Такие точечные нагрузки могут возникать на верхних частях пролетов, искусственных опорах и осадках опор.

8.7.2.4 Особое внимание следует уделять овализации после нагрузки, вызывающей пластические деформации, например прокатывания труб, и взаимных влияний/воздействий на райзер.

8.7.3 Ход райзера

8.7.3.1 Для райзера верхнего натяжения натяжитель поднимается вверх на верхнюю часть райзера, чтобы ограничить изгиб и поддерживать постоянное натяжение. Натяжитель должен продолжать тянуть, когда райзер и плавучая установка перемещаются вертикально относительно друг друга. Движение натяжения называется его «ходом». Радиус хода влияет на требования к конструкции натяжения, работам по натягиванию, зазору между наземным оборудованием и буровым полом, длине гладкого шарнира и т.д.

8.7.3.2 Системы разборки должны быть рассчитаны таким образом, чтобы иметь достаточный ход, чтобы избежать повреждений райзера, компонентов и оборудования.

8.7.3.3 Расчеты двойного хода должны включать в себя влияния от воздействия окружающей среды, натяжения, давления (эффекты торцевой заглушки), температуры, прилива, штормовых нагонов, морских волн с большим периодом, структуры (производственные допуски райзера), влияние установки/спуска и осадки плавучей установки. Для стационарных райзеров оценивается воздействие от просадки и осадки судна.

8.7.3.4 Отклик на воздействие окружающей среды включает статический и динамический ход. Статический ход обусловлен текущей нагрузкой и установленным эффектом из-за среднего перемещения плавучей установки. Среднее перемещение плавучей установки включает воздействия, вызванные статическим ветром и средним дрейфом волн. Волновое нагружение вводит относительные движения между плавучей установкой и райзером, то есть динамический ход.

8.7.3.5 Следует учитывать наиболее неблагоприятную плотность флюида. Кроме того, необходимо учитывать изменения натяжения и изменения длины.

8.7.4 Примеры

8.7.4.1 Примеры SLS для райзера для бурения и райзера для капитального ремонта скважин с ППВО приведены в таблице 21.

Таблица 21

Примеры SLS для бурения и обработки с ППВО

Компонент	Функция	SLS критерии	Примечание
Гибкая муфта или кольцевой превентор. Эксплуатационные ограничения для конкретных операций	Бурение с промывочной жидкостью	Ограничение усталости на бурильной колонне и износа на устье скважины/райзере	Обычно контролируют угол гибкой муфты и наблюдают за прогнозом погоды, необходимо отрегулировать швартовку, чтобы минимизировать угол звена
	Направление инструмента или сборок в скважину	Чрезмерный угол может привести к застреванию или невозможности посадки колонны должным образом	Из-за жестких допусков
	Перетяжка	Избегайте перегрузки устья скважины, ППВО и соединений	Затяжка может быть использована для проверки правильности сборки соединительной муфты или попытки вытащить прихваченную колонну труб
	Отсоединение и вывешивание	Приближение к сопротивлению устья скважины/ППВО и соединений	Для обычного сценария вывешивания достаточно времени для вытягивания нисходящей колонны
Ход райзера	Вывешивание	Приближение к сопротивлению системы натяжения	Погодные условия приводят к чрезмерному движению платформы и перемещению
Шлангокабель, блокировка потока нагнетания, глушение скважины и другое навесное оборудование	Управление ПВО и скважиной	Избегайте повреждений	Риск и последствия повреждений могут регулировать критерии взаимных влияний

8.7.4.2 Примеры бурения надводным противовыбросовым оборудованием (например, TLP, SPAR), когда райзер является частью системы управления скважиной и не может быть отключен и находиться в подвешенном состоянии. Некоторые примеры того, как это может повлиять на SLS, приведены в таблице 22.

Таблица 22

Примеры SLS для бурения и обработки с надводным противовыбросовым оборудованием

Компонент	Функция	SLS критерии	Примечание
Гибкая муфта или звено напряжения. Эксплуатационные ограничения для конкретных операций	Бурение с промывочной жидкостью	Ограничение усталости на бурильной колонне и износа на устье скважины/райзере	Обычно контролируется угол гибкой муфты или кривизна звена напряжения. Обычно не рекомендуется регулировать швартовки
	Направление инструмента или сборок в скважину	Чрезмерный угол может привести к застреванию или невозможности посадки трубы должным образом	Из-за жестких допусков
	Затяжка при подъеме аварийного оборудования	Избегайте перегрузки устья скважины, противовыбросового оборудования и соединений	Затяжка может быть использована для проверки правильности сборки соединительной муфты или попытки вытащить застрявшую трубу
Установка райзера	Эксплуатация и извлечение райзера	Должны быть установлены ограничивающие погодные условия для предотвращения взаимных влияний на райзеры	Обычно работают на направляющих тросах в непосредственной близости от других райзеров

8.7.4.3 Примеры ограничений по эксплуатационной пригодности райзеров для экспорта и импорта должны быть определены для установки и свинчивания (демонтажа) райзера (см. таблицу 23).

Таблица 23

Примеры SLS для райзеров для экспорта и импорта

Компонент	Функция	SLS критерии	Примечание
Установка райзера	Эксплуатация и извлечение райзера	Должны быть установлены ограничивающие погодные условия для предотвращения взаимных влияний на райзеры	Обычно работают на направляющих тросах в непосредственной близости от других райзеров
Внутренняя очистка труб	Осмотр или очистка	Запуск скребков для внутренней очистки труб и связанная с ними временная нагрузка	-

8.7.4.4 Примеры для добычного райзера с надводной арматурой, когда райзер является частью системы управления скважиной и не может быть отключен и находиться в подвешенном состоянии. Некоторые примеры SLS приведены в таблице 24.

Таблица 24

Примеры SLS для добычных райзеров с надводной арматурой

Компонент	Функция	Причина для SLS	Примечание
Установка райзера	Эксплуатация и извлечение райзера	Должны быть установлены ограничивающие погодные условия для предотвращения взаимных влияний на райзеры	Обычно работают на направляющих тросах в непосредственной близости от других райзеров
Ход райзера	Ограничение частотности расчетной глубины	Натяжитель может быть рассчитан на достижение расчетной глубины	Должны быть указаны критерии энергопоглощения
	Ограничение расчетных требований для перемычки от надводной арматуры к верхнему трубопроводу	Натяжитель может быть рассчитан на достижение расчетной глубины	Должны быть указаны критерии энергопоглощения

8.7.4.5 Другие ограничения эксплуатационной пригодности могут быть определены для ограничения деградации плакирующего слоя райзеров и навесного оборудования также вследствие износа и эрозии.

8.8 Особые требования

8.8.1 Взаимное влияние

8.8.1.1 Проектирование системы райзера должно включать в себя оценку или расчет потенциальных взаимных влияний от других райзеров, якорных оттяжек, натяжных элементов опоры платформы, корпуса, морского дна и любого другого препятствия. Взаимное влияние должно учитываться на всех этапах расчетной долговечности райзера.

8.8.1.2 Потенциальный подход к расчету может быть отнесен к одной из категорий:

• не допускается никаких столкновений;
• разрешены столкновения.

Таким образом, первый шаг состоит в том, чтобы определить, могут ли возникать столкновения или нет. Если возникает столкновение, необходимо задокументировать, что структурная целостность не находится под угрозой, т.е. пропускная способность трубопровода достаточна для условий SLS и ULS (включая ALS и FLS). Это требует оценки частоты столкновения, местоположения, импульса усилия или относительной скорости райзера перед ударом. Отдельные местные вычисления/расчеты в целом потребуются для оценки напряжений труб во время удара.

Из-за сложности расчета взаимных влияний рекомендуется обеспечить сбалансированность между упрощенными и расширенными расчетами для получения эффективного расчета:

• расчета скрининга с использованием упрощенного подхода для определения критических состояний или конфигураций;
• детального расчета выявленных критических состояний или компонентов с использованием современных расчетов помех. Расчет скрининга может означать использование;
• упрощенных нагрузок от воздействия окружающей среды (например, текущий простой профиль без направленности);
• упрощенных моделей колебаний, вызванных возмущенным потоком (WIO), и вибраций, вызванных вихреобразованием, (VIV) для моделей с течением или без движения волн;
• упрощенных критериев начала столкновения.

Подробный расчет для оценки уязвимости коллизий может включать:

• модели гидродинамического взаимодействия;
• общие модели столкновений;
• выделенные расчеты CFD;
• явные модели эффектов нагрузки столкновения;
• явные критерии расчета предельного состояния.

8.8.1.3 Рекомендуется использовать модельное испытание для верификации структурных мощностей, моделей гидродинамического взаимодействия и методологии глобального расчета.

8.8.2 Неустойчивое разрушение и общая пластическая деформация

8.8.2.1 Элементы трубопроводов, включая компоненты и сварные швы, должны иметь достаточную безопасность из-за неустойчивого разрушения репрезентативной части или сквозной трещины в течение срока службы райзера.

8.8.2.2 Оценка дефектов трещины, как правило, должна выполняться в соответствии с диаграммой оценки сбоя (см. [10], уровень 2A). Частичные коэффициенты безопасности для размера дефекта, вязкости разрушения и предела текучести должны быть такими, как указано в [10] (приложение К, таблица К2), при воздействии нагрузки коэффициенты воздействия должны соответствовать 8.2.2.

8.8.2.3 Оценка дефектов в чувствительных к усталости местах должна быть дополнительной для оценки усталостной трещины (см. 8.5).

Ухудшение усталости в приближении S-N кривой (см. 8.5.2) обычно основано на сквозных трещинах. Там, где стенки трещины используются в качестве критериев отказа, следует обеспечить, чтобы трещины стенки не вызывали неустойчивого разрушения.

Обычно неустойчивое разрушение в системах райзера исключается путем выбора материала с достаточной пластичностью и ударной вязкостью по Шарпи с V-образным надрезом и выполнения NDT во время изготовления, чтобы гарантировать, что после изготовления в системе райзера присутствуют только приемлемые дефекты.

Нестабильная трещина может возникать при неблагоприятных сочетаниях геометрии, вязкости разрушения, трещин, таких как дефекты сварки и уровни напряжения. Риск неустойчивого разрушения в целом возрастает, когда состояние «деформации в одной плоскости» приближается к вершине трещины.

Это происходит в основном при большой толщине материала, низкой температуре, высоких скоростях нагрузки, высокопрочном материале и глубоких трещинах, подвергнутых изгибу. Данные о вязкости разрушения необходимы для проведения оценки дефектов.

Схема оценки отказов представляет собой модель отказа по двум критериям, которая учитывает неустойчивое разрушение, общую пластическую деформацию (предельная нагрузка на пластик) и взаимодействие между этими механизмами.

8.8.2.4 Для оценок ALS обычно не требуются коэффициенты воздействия частичной нагрузки для влияния нагрузки, размера дефекта и ударной вязкости, т.е. все частичные коэффициенты запаса должны приниматься за единицу. Как правило, вертикальная труба рассчитана на основе принципа, что пластмассовые шарниры могут эксплуатироваться без возникновения неустойчивого разрушения. В этом случае номинальное напряжение для неустойчивого разрушения должно быть не меньше расчетного напряжения (текучести) элемента.

8.8.3 Общее смятие

8.8.3.1 Общее смятие (смятие Эйлера) подразумевает смятие трубы в качестве колонны балки при сжатии. Процедура аналогична процедуре для «обычных» компрессионных элементов в воздухе с использованием концепции эффективного натяжения.

8.8.3.2 Отрицательное эффективное натяжение может привести к тому, что райзер будет сминаться, как при сжатии балки. Следует проводить различие между смятием при контролируемой нагрузке и контролируемом перемещении. Чрезмерное смятие при контролируемой нагрузке влечет полный отказ и не является приемлемым, в то время как смятие при контролируемом перемещении может быть приемлемым, если принимается условие после смятия.

8.8.3.3 Общее сопротивление смятию при условии контролируемой нагрузки может быть рассчитано в соответствии с признанными критериями устойчивости в конструктивных расчетных нормах, например [11].

8.8.3.4 Смятие с регулируемым перемещением может быть приемлемым, если оно не приводит к другим режимам отказа. Это означает, что общее смятие может быть приемлемым при условии, что:

• критерии локального изгиба выполняются в конфигурации общей постконверсии;
• допустимы перемещения/кривизна/углы райзера;
• циклические эффекты приемлемы.

8.8.3.5 Особое внимание следует уделять, если небольшое уменьшение верхнего натяжения металлического райзера с верхним натяжением может вызвать чрезмерный изгибный момент. В этом случае разработчик должен установить минимальное эффективное натяжение, которое дает преимущество над натяжением, которое, как прогнозируется, вызывает чрезмерные изгибающие моменты.

9 Соединения и компоненты райзера

9.1 Общие положения

9.1.1 Цель

9.1.1.1 В этом разделе приведены требования в отношении проектирования, расчета и аттестации металлических соединений и компонентов, используемых в конструкции райзера. Требования применяются также к другим компонентам райзера и при переходах к толщине стенки трубы. Дополнительная информация о проектировании, расчете и требованиях приведена в [12].

9.1.1.2 Цель конструкции заключается в обеспечении того, чтобы соединения и компоненты райзера имели достаточную конструкционную прочность, герметичность и сопротивление усталости для всех соответствующих нагрузок. Сопротивление случайным нагрузкам, таким как огонь и ударные воздействия, также должно учитываться, если это применимо.

Соединения райзера в основном обеспечивают соединение и отсоединение звеньев райзера или оборудования. Наиболее часто используемые типы конструкций соединений райзера включают:

• резьбовые типы;
• тип концентратора;
• зажимной тип;
• болтовые фланцы, предназначенные для контакта с непосредственным соприкосновением.

9.2 Конструкции соединений

9.2.1 Функциональные требования

9.2.1.1 Соединения райзера должны позволять проводить монтаж и демонтаж за счет надежной конструкции. Соединение может допускать взаимозаменяемость между его половинами для обеспечения спуска звеньев райзера в любой последовательности.

9.2.1.2 Внешний профиль всех компонентов райзера не должен ограничивать прохождение оборудования, такого как направляющие и специализированные инструменты, необходимые для установки/ извлечения, осмотра и обслуживания райзера, если это применимо.

9.2.1.3 Для стационарных райзеров должны быть предусмотрены звено райзера/соединение для крепления анода (расходуемый анод для райзеров в виде кольца). Электрическое подсоединение к райзеру должно выполняться сваркой или другим аттестованным способом и должно быть выполнено на стороне соединительной муфты с низкой концентрацией напряжений. Могут использоваться другие методы.

9.2.1.4 Трубная часть райзера и компоненты должны обеспечивать внутреннее отверстие для промывки, чтобы облегчить работу компонентов в скважине, операции по ремонту и обслуживанию, если это применимо.

9.2.1.5 Конструкция должна гарантировать, что любая вода/жидкость не будет мешать установке или работе соединения.

9.2.1.6 Дополнительные функциональные требования приведены в [12], раздел 8.8.

9.2.2 Конструктивные и аттестационные вопросы

9.2.2.1 Соединения должны быть сконструированы таким образом, чтобы выдерживать расчетные нагрузки и деформации, возникающие в результате монтажа/демонтажа, внешних нагрузок, приложенных к корпусу трубной части, градиентов температуры и внутренних и внешних нагрузок под давлением, не превышающих сопротивления конструкции соединения. Необходимо учитывать все соответствующие предельные состояния.

9.2.2.2 Соединения должны быть рассчитаны таким образом, чтобы они были, по меньшей мере, столь же прочными, как труба или шов, в отношении прочности, усталости, утечки и огнестойкости.

9.2.2.3 Как минимум при расчете соединений и компонентов следует учитывать и документировать следующие параметры/условия нагрузки:

• нагрузки при монтаже;
• внутреннее и внешнее давление, включая испытательное давление;
• изгибающие моменты и эффективное натяжение;
• циклическую нагрузку;
• эффекты тепловой нагрузки (жидкость в замкнутом объеме/вода, разнородные металлы) и тепловые переходные процессы;
• нагрузки при демонтаже.

9.2.2.4 Вопросы, которые могут потребовать рассмотрения в ULS и ALS, включают (но не ограничиваются):

• местное смятие;
• неустойчивое разрушение и чрезмерную текучесть;
• герметичность;
• разъединение резьбы;
• склонность к скольжению между смещенными элементами.

9.2.2.5 Деформации, отклонения и конечное повреждение, которые отрицательно сказываются на использовании, могут потребовать рассмотрения в SLS.

9.2.2.6 Проверка емкости FLS должна быть проведена для обеспечения того, чтобы соединение не выходило из строя из-за циклической нагрузки согласно [12], раздел 9.5.3.

9.2.2.7 Соединения, предназначенные для использования в коррозионной среде, или соединение, содержащее компоненты, должны иметь такую конструкцию, которая позволяла бы производить надлежащий контроль коррозии на звене, или соединение должно быть изготовлено из коррозионно-стойкого материала или покрыто коррозионно-стойким материалом.

9.2.2.8 Все соединения райзера должны быть аттестованы для применения на основе расчета методом конечных элементов в сочетании с аттестационными испытаниями на производительность. Используя аналитическую или численную калибровку аттестованного соединения, типичные соединения того же типа могут быть рассчитаны аналитическими методами (расчетными уравнениями) в сочетании с расчетом методом конечных элементов, если это необходимо.

9.2.2.9 Соединение должно выполняться в соответствии с аттестованной процедурой с учетом факторов, таких как трение, смазка и т.д., для уменьшения неопределенности в предварительной нагрузке соединения и обеспечении того, чтобы предварительная нагрузка находилась в допустимых пределах.

Считается разумным, что расчеты или испытания, которые должны выполняться на соединениях для использования на райзерах, должны демонстрироваться с точки зрения их функции. Это не обязательно означает, что они должны быть такими же прочными и надежными, как соединительная труба или шов. Для статической прочности пластиковый шарнир может предпочтительно находиться в трубе до разрушения соединения, чтобы увеличить пластичность в райзере.

Однако минимальные требования приведены выше.

В тех случаях, когда вводятся слабые секции для защиты компонентов от случайных нагрузок, то есть отключение, спуск или отказ системы натяжения, может применяться соединение с известным сопротивлением к разрушению.

9.2.3 Уплотнения

9.2.3.1 Соединения должны обеспечивать уплотнение между сопрягаемыми сегментами, которые совместимы с любыми жидкостями, которые будут проходить через райзер. Уплотнение должно сохранять целостность во всех внешних и внутренних условиях загрузки. Конструкции уплотнения являются либо цельными (изготовленными из целого материала), либо составными (изготовленными из составных компонентов). Цельные уплотнения встроены в соединение и не заменяются. Составные уплотнения используют отдельные уплотнительные элементы, которые можно удалить и заменить.

9.2.3.2 Конструкция уплотнения для соединений и компонентов райзера должна учитывать внешнее давление. Конструкция уплотнения также должна учитывать условия эксплуатации, что может привести к частым изменениям внешних нагрузок и внутренних давлений, что в сочетании с внешним давлением приводит к частым перепадам давления на уплотнительном механизме. Должны учитываться все условия эксплуатации (например, ввод в эксплуатацию, испытания, запуск, температура, работа, продувка и т.д.).

9.2.3.3 Кольца уплотнения, смачиваемые рабочей жидкостью, проходящей внутри, должны включать в себя такую же внутреннюю коррозионную стойкость, что и соединительная труба, и быть совместимым материалом. В качестве альтернативы уплотнения и уплотнительная поверхность должны быть устойчивы к коррозии в реальной окружающей среде.

9.2.3.4 Уплотнение и соединение, включая любые болты и предварительную нагрузку, должны рассматриваться вместе как система для определения характеристик уплотнения. Влияние уплотнения с помощью соединения включает такие эффекты, как крутящий момент штырьковых соединений, сопротивление болту и предварительная нагрузка.

9.2.3.5 Металлические уплотнения предпочтительны в качестве первичных уплотнений на соединениях райзера. Для стационарных райзеров, в которых не используются уплотнения металл-металл, должны быть предусмотрены избыточные уплотнения (первичное и резервное).

9.2.3.6 Уплотнения для соединений райзера должны быть неподвижными, то есть уплотнение должно происходить между поверхностями, которые имеют мало или вообще не имеют движения относительно друг друга.

9.2.3.7 Соединения, подверженные циклической нагрузке, должны использовать несущие уплотнения, чтобы поддерживать высокую надежность во время утечки.

9.2.3.8 Уплотнения высокой надежности должны использоваться для ограничения воспламеняющихся жидкостей, жидкостей под высоким давлением и агрессивных жидкостей. Уплотнения должны выбираться с учетом требуемого срока службы, влияния обслуживания с точки зрения химической агрессивности и температуры, а также давления и относительных перемещений, которые необходимо учитывать.

Все уплотнения чувствительны к повреждениям при техническом обслуживании, установке и повторной сборке. Поэтому одно уплотнение может иметь умеренную надежность.

Для повышения надежности может быть предусмотрено двойное уплотнение. Для достижения избыточности два уплотнения должны иметь разную конструкцию без общих отказов.

9.2.4 Местный расчет

9.2.4.1 Местный расчет КЭ должен выполняться для соединений и конструкционных элементов, включая посадочные блоки, конические соединения, звенья натяжения, гибкие соединения/кольцевые превенторы, гладкие шарниры, сложные поперечные сечения звена райзера (несколько труб). Нагрузки и граничные условия для использования в местном расчете должны быть получены из общей процедуры расчета.

9.2.4.2 Наиболее неблагоприятная комбинация указанных допусков должна использоваться в связи с расчетом КЭ для прочности, утечки и усталости (SCF).

9.3 Документация

9.3.1 Общие положения

Документация для соединения должна соответствовать требованиям [12], пункт 9.8.15.

9.3.2 Руководства по эксплуатации и техническому обслуживанию

Документация для соединительной муфты должна как минимум соответствовать требованиям [12], пункт 6.8.16.

10 Материалы

10.1 Общие положения

10.1.1 Цель

Настоящий раздел определяет требования к материалам, изготовлению, производству и документированию трубной части райзера, компонентов, оборудования и конструкционных элементов в системе райзера с учетом характерных свойств материалов, которые должны быть получены после термообработки, расширения, окончательного формирования и сборки. Эти требования актуальны как для подвергающихся давлению, так и для несущих нагрузку деталей.

10.1.2 Применение

10.1.2.1 Требования в этом разделе применимы для металлических райзеров из следующих материалов:

• углеродистая марганцевая сталь;
• плакированная сталь/облицованная сталью;
• коррозионно-стойкие сплавы (CRA), включая феррито-аустенитную (двухфазную) сталь, аустенитные нержавеющие стали, мартенситные нержавеющие стали («13% Cr»), другие нержавеющие стали и сплавы на основе никеля.

10.1.2.2 Настоящий стандарт применяется к райзерам, изготовленным из материала, отвечающего международно признанным нормам для материалов, изготовления плакирующего слоя, производства и методов и процедур NDT в целом с исключениями, приведенными в таблице 25 и в 10.2.

Таблица 25

Дополнительные факторы		DNVGL-ST-F101 [[4]](#p102779)	Признанные нормы по дополнительным факторам <1>						Расчет эффективной нагрузки
			Сопротивление	Содержимое	Смятие	Локальная потеря устойчивости	Устойчивость к воздействию давления	Пределы деформаций <2> (0,3 и 2%)	Повышенное использование	Усталость <3>
Эксплуатация в кислотной среде	Ограничение распространения трещин	Основная часть ссылочного документа	Признанные нормы по линии райзера	X	X	-	-	-	-	X
	-	-	Овальность <4>	-	-	X	-	-	-	-
	-	-	Заводское испытание <5>	-	-	-	X	-	-	-
	-	-	Свойства трещин, сварка и NDT <6>	-	-	-	-	X	-	-
-	-	Дополн. P	Способность к пластической деформации <10>	-	-	X	-	(X)	-	-
-	-	Дополн. U	Статистика <7>	-	-	-	-	-	X	-
-	-	Дополн. D	Требования к размеру <3>	-	-	-	-	-	-	X
-	-	Дополн. S	Эксплуатация в кислотной среде	-	-	-	-	-	-	-
X	-	Дополн. F	Ограничение распространения трещин	-	-	-	-	-	-	-
-	X	Уровень NDT I <8>	NDT	-	-	-	-	(X)	-	X
-		-	Высокопрочная сталь (напряжение текучести > 555) <9>	-	X	X	-	(X)	-	-
- -
<1> При этом дополнительные факторы являются вкладом в оценку выделенной темы. Так, при необходимости, оценка должна сопровождаться результирующими техническими условиями или инструкциями. <2> Согласно 7.2.1.3 настоящего стандарта. <3> Согласно 7.2.2.2 и 7.2.2.3 настоящего стандарта. <4> Одномоментная формулировка мощности действительна для (Dmax — Dmin)/D меньше 3% согласно [[7]](#p102788). <5> Требования к заводским испытаниям в соответствии с [[7]](#p102788) (окружное напряжение должно быть не менее 96% от SMYS). <6> Критерии, основанные на механической оценке трещин. <7> Для документирования того, что SMYS составляет как минимум два стандартных отклонения ниже среднего предела текучести и что SMTS составляет не менее трех стандартных отклонений ниже средней предельной прочности. <8> Согласно 7.2.2.4 и 7.2.2.5 настоящего стандарта. <9> Стандарт [[7]](#p102788) ограничивается пределом текучести менее 555. Влияние других кривых напряжения-деформации для высокопрочной стали оценивается, если это необходимо. <10> Испытание, деформационное упрочнение.

10.1.₂.3 Использование расчета в настоящем стандарте зависит от качества материала и уровня контроля (см. раздел 5). Если используется более высокий уровень применения, принципы и требования (см. [7]), подводные райзерные системы, то дополнительное требование U должно применяться для всех металлических материалов, включенных в этот раздел.

10.1.₃ Выбор материала

10.1.3.1 Выбранные материалы должны быть пригодны для предполагаемого использования в течение всего срока службы. Материалы для использования в системе райзера должны иметь размеры и механические свойства, такие как прочность, пластичность, вязкость, стойкость к коррозии и износостойкость, необходимые для выполнения предположений, сделанных при проектировании.

10.1.3.2 Материалы для райзеров должны выбираться с учетом рабочей жидкости, проходящей внутри, внешней среды, нагрузок, температур (максимум и минимум), срока службы, временных/постоянных операций, возможностей проверки/замены и возможных режимов отказа во время предполагаемого использования. Выбор материалов должен обеспечивать совместимость всех компонентов в райзере. Все эластомеры и другие неметаллические материалы должны иметь задокументированную совместимость со всеми жидкостями, с которыми они могут соприкасаться, включая циклы давления и температуры.

10.1.3.3 Все материалы, подверженные коррозии, должны быть защищены от коррозии. Особое внимание следует уделить местным сложным геометриям, сварным швам, площадям, которые трудно осматривать/ремонтировать, последствиям коррозионного повреждения и возможности электролитической коррозии.

10.1.3.4 Требования к припуску на коррозию см. в [7]. Особое внимание должно уделяться зоне переменного смачивания.

10.1.3.5 Все поверхности смещения должны быть рассчитаны с достаточной дополнительной толщиной относительно износа. Особое внимание следует уделить следующему: прижимные опоры, смещенные опоры, гладкие шарниры, динамические уплотнения, кольцевые превенторы и телескопические муфты.

10.1.3.6 Возможность для «кислотных» условий обслуживания должна оцениваться для всех компонентов райзера, которые могут быть подвергнуты воздействию жидкостей с H2S в течение всего срока службы райзера.

10.1.3.7 Качество используемых материалов должно быть проверено/задокументировано. Требования к испытанию и контролю, то есть механические и коррозионные испытания, неразрушающий контроль, измерение размеров и веса, должны определяться при расчете, изготовлении и производстве, основываясь на последствиях отказа и с учетом опыта.

10.2 Дополнительные требования

10.2.1 Общие положения

10.2.1.1 Райзеры должны быть изготовлены из бесшовных или продольно свариваемых труб.

10.2.1.2 Компоненты райзера должны быть выкованными/экструдированными, а не литыми, с предпочтительным направлением волокон материала, максимальной степенью однородности и отсутствием внутренних дефектов.

10.2.1.3 С накопленной пластической деформацией \epsilon_{p} , возникающей в результате установки и эксплуатации, следует обращаться в соответствии с принципами (см. [7]).

10.2.1.4 Однако накопленные пределы пластической деформации 0,3% и 2,0% относятся только к спецификации линейной трубы (см. [7]). Эквивалентные критерии должны быть разработаны для других материалов на основе свойств трещин с применением сварки и NDT.

Обработка накопленного деформирования [7]:

• требования и рекомендации по эффективности ECA при накопленном деформировании \epsilon_{p}>0,3\% приведены в [7];
• дополнительное требование P в DNVGL-ST-F101 должно применяться для вертикальных труб с накопленной деформацией \epsilon_{p}>2\% .

10.2.1.5 Сокращение площади Z литого и кованого материала с мелкими волокнами C-Mn и низколегированной стали должно составлять >= 35%. Для тяжелых элементов стенки с SMYS выше 420 МПа может потребоваться более высокий уровень пластичности. Должны быть рассмотрены требования к пластичности в направлении сквозной толщины.

10.2.1.6 Ограничения на SMYS на частях, подверженных катодной защите, см. в [13].

10.2.1.7 Основной(ые) полимер(ы) общего основания (см. [14]), требования к физическим свойствам, требования к хранению и сроку эксплуатации должны определяться для неметаллических деталей, подвергающихся давлению.

10.2.2 Долгосрочные свойства

10.2.2.1 В документации должны быть указаны долгосрочные свойства материала в отношении усталости и коррозии.

10.2.2.2 Удовлетворительный срок службы основного металла и сварных швов должен быть подтвержден расчетом усталости, который основан на усталостных испытаниях (S-N испытания на усталость или усталость трещин) или существующих усталостных данных, при этом:

• если результаты испытаний с точки зрения существующих усталостных данных используются в качестве основы для расчета усталости, испытания должны проводиться на материалах с ожидаемыми усталостными свойствами, равными выбранному материалу и в представительной внутренней/внешней среде (включая, в случае необходимости, защиту от коррозии);
• выбор S-N кривых должен соответствовать деталям сварки и качеству;
• в тех случаях, когда отсутствуют достаточные и соответствующие данные испытаний, проводятся дальнейшие испытания.

10.2.2.3 Настоятельно рекомендуется указывать жесткие требования к размеру на торцах труб для SCR, чтобы уменьшить коэффициенты концентрации напряжений, связанные с обрубными сварными швами. Это можно получить с помощью дополнительного требования D (см. [7]).

10.2.2.4 Неотверждаемые продольные сварные швы должны включать 100%-ное регулирование для поперечных дефектов и соответствовать уровню NDT I (см. [7]) или аналогичному.

10.2.2.5 Должны быть идентифицированы сварные соединения и другие компоненты с высокой усталостной нагрузкой и должны быть рассмотрены расширенные неразрушающие меры. Расширенный NDT может выполняться в виде выборочных проверок, выполняемых другим квалифицированным оператором.

10.2.2.6 Для временных райзеров, изготовленных из стали C-Mn, необходимо оценить уменьшение толщины стенки из-за внутренней коррозии. Оценка должна учитывать свойства материала, внутреннюю среду, а также процедуры технического обслуживания и контроля, которые должны применяться. Воздействие коррозии должно учитываться с минимальным допуском на 1 мм, если не может быть документально подтверждено, что коррозионная стойкость может быть устранена.

10.2.2.7 Внешняя поверхность для временных райзеров должна быть защищена подходящей системой покрытия в дополнение к плановому ремонту покрытия и сохранению поврежденного покрытия.

10.2.2.8 Особые требования применяют к трубным частям райзера, которые должны использоваться для флюидов, содержащих сероводород, определяемых для эксплуатации в кислотной среде (см. [15]). Это можно получить с помощью дополнительного требования S (см. [7]).

10.2.2.9 Следует учитывать износостойкость, особенно для райзеров для бурения или других компонентов, подверженных износу. Адекватная износостойкость должна проверяться расчетом и/или испытанием.

11 Документация и верификация

11.1 Общие положения

11.1.1 Цель

В этом разделе приведены требования к документации и верификации райзеров в процессе расчета, изготовления, установки и эксплуатации.

11.2 Документация

11.2.1 Проектирование

11.2.1.1 Конструкторская и проектная документация должна разрабатываться в соответствии с действующими нормами и правилами.

11.2.1.2 Документация должна быть доступна заказчику или агентам заказчика. Представляемая документация и/или процедуры утверждения должны быть согласованы между заказчиком и поставщиком. Документы, которые считаются защищенными правом собственности и конфиденциальными, должны быть доступны для рассмотрения.

11.2.2 Технические условия на проектирование

11.2.2.1 На начальных этапах процесса проектирования должен быть составлен документ с техническими условиями на проектирование. Обычно технические условия на проектирование включают:

• информацию, предоставленную владельцем;
• процедуры для системы райзера и расчета компонентов, включая модели расчета и применяемые компьютерные программы;
• программы;
• все применимые случаи нагрузки, предельные состояния и классы безопасности для всех соответствующих временных и эксплуатационных условий проектирования.

11.2.2.2 Сводка статей, которые обычно включаются в документ с техническими условиями на проектирование, содержится в приложении А.

11.2.3 Расчет проекта

11.2.3.1 Документация по проектно-техническому расчету должна быть самодостаточной и самоочевидной, изложенной в полной мере, включая, но не ограничиваясь, следующие пункты:

• краткая информация, включающая результаты проверки проекта и иллюстрации в цифрах;
• пояснение обозначений и сокращений;
• введение, включая цель документа и краткое описание системы райзера;
• технические условия на проектирование, если они не включены в отдельный документ (см. 11.2.2);
• расчет входных данных, включая материальные данные, допущения для расчетов и детали компьютерных программ;
• ссылочный номер стандарта/руководящего указания/пособия, включая ссылочный номер для формул;
• полная прослеживаемость выполненных расчетов;
• выбор толщины стенки, включая минимальную толщину, допуски, коррозию, потери и другие надбавки, если это применимо;
• графики для геометрической модели, включая граничные условия;
• краткие результаты прочностного расчета (т.е. коэффициенты использования вдоль райзера) и оценка результатов с учетом заданных предельных состояний и допущений, с указанием примененных для расчета процедур/методов;
• соответствующие нагрузки компонентов и при сопряжении, включая источники и допущения;
• допущения, сделанные в отношении обработки, осмотра и обслуживания системы райзера в эксплуатации.

11.2.3.2 Чертежи должны быть предусмотрены для изготовления и строительства системы, включая, кроме прочего:

• чертежи макета плавучей установки с райзерами;
• чертежи изготовления райзеров;
• чертежи системы защиты от коррозии.

11.2.4 Производство и изготовление

11.2.4.1 Перед началом или во время производства труб, компонентов, оборудования, конструкционных и других изготовленных изделий должна быть подготовлена следующая информация:

• технические условия на материалы и производство;
• технические условия на процедуру изготовления (MPS);
• планы качества;
• технические условия на процедуру сварки/аттестационные записи (при необходимости);
• процедуры NDT;
• процедуры производства/изготовления;
• руководство по системе качества производителя/изготовителя.

11.2.4.2 Вся соответствующая документация предоставляется владельцу, включая, но не ограничиваясь:

• процедуры изготовления, в том числе требования к испытаниям и критерии приемки, записи об аттестации персонала и т.д.;
• сертификаты материалов, например, для трубы, элементов райзеров, хомутов, болтов, анодов, уплотнительных колец;
• аттестационные отчеты по процедуре изготовления, включая записи аттестации процедуры сварки;
• записи об испытаниях (визуальные, NDT, испытания проб, измерение размеров, термообработка, испытание давлением, FAT и т.д.);
• необходимые чертежи заводского исполнения;
• полные данные химического состава, механических свойств и размеров для доставленного количества материалов;
• данные о покрытии и защите от коррозии;
• все несоответствия, выявленные при производстве и изготовлении, и выполненные ремонтные работы.

11.2.5 Установка и эксплуатация

11.2.5.1 Требования к установке и эксплуатации должны быть задокументированы в руководстве по установке и эксплуатации райзера. Руководство(а), которое должно быть подготовлено совместно проектировщиком и владельцем, определяет, как безопасно устанавливать, эксплуатировать и поддерживать райзер и его составные системы.

11.2.5.2 Перед началом установки должна быть подготовлена следующая информация:

• расчет влияния режима отказа (FMECA) и исследования HAZOP;
• технические условия и чертежи по установке и испытанию;
• руководство по установке;
• эксплуатационные процедуры, например техническое обслуживание, запуск, эксплуатация, аварийное отключение, вывешивание;
• процедуры на случай непредвиденных обстоятельств;
• руководство по системе качества подрядчика.

11.2.5.3 Руководство по установке и эксплуатации райзера должно содержать как минимум следующую информацию:

• пошаговую процедуру технического обслуживания, транспортировки, запуска/извлечения, эксплуатации, консервации и хранения системы райзера;
• рабочие пределы для каждого режима работы;
• процедуры осмотра и технического обслуживания каждого компонента;
• чертежи изготовителей компонентов системы райзера, в которых излагаются критические размеры, вес и количество деталей различных компонентов;
• рекомендуемый список запасных частей.

11.2.6 Итоговое заключение DFI

11.2.6.1 Для систем райзера, включая оборудование и компоненты, должно быть подготовлено итоговое заключение DFI. Оно должно содержать все соответствующие данные и документацию, используемые для:

• этапа расчета, изготовления и установки;
• эксплуатации системы райзера;
• подготовки планов периодического контроля системы райзера.

11.2.6.2 Документация, упомянутая в итоговом заключении DFI, должна храниться на протяжении всего срока службы системы райзера и должна быть легко восстановлена в любое время.

11.2.6.3 Основными задачами итогового заключения DFI являются обеспечение доступности только необходимой информации для содействия безопасной, эффективной и рациональной эксплуатации, а также технического обслуживания и модификации системы райзера и ввода информации в подготовку планов периодического контроля.

11.2.6.4 Целью выпуска DFI являются:

• предоставление ссылочного ключа к подробной технической документации;
• предоставление описания системы райзера;
• представление краткой информации о расчете, изготовлении и установке, включая ответственность, требования, действия по верификации, отклонения, детальный расчет, последующие технические, расчетные данные технических условий на проектирование и критические области расчета со ссылками на базовую подробную документацию;
• предоставление рекомендаций, требований и достаточной информации для эксплуатации, контроля в процессе эксплуатации, оценки целостности, проведения работ по техническому обслуживанию и модификации или повторной аттестации на протяжении всего срока службы установки.

11.2.6.5 Итоговое заключение DFI является финальным документом, который завершается перед началом этапа эксплуатации. Любые изменения в системе райзера после запуска будут частью истории операций и должны быть отражены в итоговом заключении об условиях. Поэтому итоговое заключение DFI не должно обновляться в зависимости от событий/изменений, сделанных на этапе эксплуатации.

11.2.7 Предоставление документации

11.2.7.1 Ответственность за поддержание полного комплекта всей соответствующей документации в течение срока службы системы райзера несет владелец.

11.2.7.2 Документация по проектированию и чертежи заводского изготовления должны как минимум содержать документацию по расчету, изготовлению, установке и вводу в эксплуатацию.

11.2.7.3 Документация по проектированию должна храниться владельцем или подрядчиком проектирования в течение как минимум 10 лет. Технические условия на проектирование и ключевые данные для системы райзера должны храниться весь срок службы системы.

11.2.7.4 Файлы, которые должны храниться на этапах эксплуатации и обслуживания системы райзера, должны как минимум включать окончательные отчеты о контроле от момента запуска, периодических и специальных проверок, записей мониторинга состояния и до окончательных отчетов об обслуживании и ремонте.

11.3 Верификация

11.3.1 Общие требования

11.3.1.1 Соблюдение положений, содержащихся в соответствующих национальных и международных предписаниях или решениях, принятых в соответствии с такими предписаниями, должно быть верифицировано.

11.3.1.2 Оцениваются степень верификации и метод верификации на разных этапах. Последствиям любой неисправности или дефектов, которые могут возникнуть при строительстве системы райзера и предполагаемом использовании, должно быть уделено особое внимание в этой оценке.

11.3.1.3 Верификация должна подтвердить, удовлетворяет ли система райзера требованиям конкретного места и способа установки и эксплуатации с учетом конструкции, включая выбор материала и защиту от коррозии, а также используемые методы расчета.

11.3.1.4 Должна быть организационная независимость между теми, кто выполняет проектные работы, и теми, кто их проверяет.

11.3.1.5 Независимые расчеты должны, насколько это практически возможно, выполняться с использованием различного программного обеспечения, применяемого при расчете.

11.3.1.6 Верификационная работа и выводы должны быть задокументированы.

11.3.2 Верификация на этапе расчета

11.3.2.1 Верификация конструкции должна включать проверку следующего:

• соответствуют ли эти технические условия действующим правилам и предписаниям и т.д.;
• имеют ли персонал и проектная организация надлежащую аттестацию;
• расчета нагрузок и эффектов нагрузки;
• соответствуют ли случайные нагрузки результатам расчета риска;
• полезности компьютерного программного обеспечения, и что программы адекватно испытаны и задокументированы. Это имеет особое значение, если программы используются при работе с новыми задачами, конструкциями или в случае нового/модифицированного программного обеспечения;
• выполняются ли независимые расчеты системы райзера, включая компоненты райзера, имеющие значение для общей безопасности. Расчеты должны быть достаточно точными и обширными, чтобы четко продемонстрировать адекватность размеров;
• соблюдаются ли требования к измерению, например, для данных окружающей среды;
• оцениваются ли отклонения при изготовлении и установке и при необходимости исправляются ли;
• соответствуют ли чертежи расчетам и техническим условиям;
• являются ли меры по защите от коррозии, износа и эрозии надлежащими;
• является ли конструкция важных структурных деталей надлежащей.

11.3.3 Верификация на этапе изготовления

11.3.3.1 Верификация во время изготовления должна включать следующие пункты, чтобы проверить:

• соответствуют ли технические характеристики государственным правилам/предписаниям и требованиям безопасности;
• подготовлены ли удовлетворительные рабочие инструкции и процедуры;
• соответствует ли аттестация персонала требованиям;
• являются ли методы и оборудование поставщиков и на площадке изготовления удовлетворительными в отношении контроля размеров и качества райзеров, компонентов и материалов;
• находятся ли размеры, включая допуски на сборку, пределы обнаружения NDT, материалы, защита поверхности и рабочие характеристики в соответствии с основными допущениями, сделанными во время расчета;
• находятся ли процедуры отклонения при изготовлении в рамках требований;
• являются ли транспортирование и хранение материалов и сборных конструкций надлежащими.

12 Эксплуатация, обслуживание и проверка

12.1 Общие положения

12.1.1 Цель

Целью настоящего раздела является обеспечение требований к эксплуатации и контролю в процессе эксплуатации. В этом разделе также содержится общее руководство по оценке структурной целостности райзеров, чтобы продемонстрировать пригодность для целей, если в процессе работы появятся отклонения от расчета.

12.2 Контроль, замена и мониторинг в процессе эксплуатации

12.2.1 Общие положения

12.2.1.1 Райзеры должны эксплуатироваться, обслуживаться и подвергаться контролю с целью поддержания приемлемого уровня безопасности на протяжении всего срока службы райзера. Они также должны быть осмотрены после потенциально опасных происшествий, и должно быть подтверждено, что любой ремонт был выполнен должным образом. Инспекции, касающиеся таких областей, как следующие, могут потребоваться для райзеров и компонентов райзеров:

• перегруженные/постоянно деформируемые компоненты колонны райзеров;
• усталостное растрескивание (например, сварные швы, соединения, сварные швы анода);
• утечки (ослабление механических соединений, повреждение уплотнительного кольца);
• повреждение, например вмятины, царапины, ослабленное или сильно искаженное покрытие;
• внутренний и внешний износ;
• внутренняя и внешняя коррозия (см. [7]);
• антикоррозионный/абразивный плакирующий слой;
• катодная защита;
• обрастание морскими организмами;
• условия почвы морского дна; точка касания морского дна.

12.2.1.2 Райзеры должны визуально исследоваться на такие факторы, как внешнее повреждение, искажение трубы, чрезмерное обрастание морскими организмами, внешняя коррозия, общая конфигурация труб и смещение модулей плавучести и/или балласта. Дефекты должны быть задокументированы в отношении типа, размера и местоположения. Необходимо оценить влияние дефектов на целостность конструкции или давления.

12.2.2 Контроль райзеров

12.2.2.1 Принцип контроля должен быть неотъемлемой частью проектирования. Критичность компонентов и простоту контроля следует считать первостепенными, чтобы были предусмотрены положения для надлежащего контроля.

12.2.2.2 Проектировщик должен обеспечить наличие планируемых необходимых методов контроля или процедур замены и компетентно описать их в рамках документации по эксплуатации и техническому обслуживанию объекта.

12.2.2.3 Деталям поврежденным, отремонтированным или особо подверженным воздействию и отказ которых будет иметь серьезные последствия, должно быть уделено особое внимание при планировании контроля и технического обслуживания.

12.2.2.4 Райзеры, подлежащие контролю на наличие усталостных трещин, следует подвергать контролю в соответствии с принципами, приведенными в разделе 8.

12.2.2.5 Максимальный интервал между проведением контроля должен основываться на прогнозируемом времени компонента до отказа, деленном на коэффициент безопасности. Коэффициент безопасности должен учитывать неопределенности в прогнозах времени до отказа, риски отказа и простоту контроля. Проектировщик должен также учитывать время, необходимое для ремонта или замены, при определении максимальных интервалов контроля. Периодичность контроля следует разрабатывать для каждого режима отказа, такого как усталость, истирание, износ, старение и коррозия.

12.2.2.6 Если максимальный интервал проверки превышает установленный срок службы, осмотр не ожидается и не обязательно должен быть включен в документы по эксплуатации и техническому обслуживанию. Однако если во время эксплуатации предполагаемый срок службы продлевается свыше первоначального максимального интервала контроля компонента, тогда компонент должен быть осмотрен и отремонтирован в случае необходимости или заменен.

12.2.3 Мониторинг райзера

Внутреннее и внешнее рабочее состояние райзера должно отслеживаться, чтобы определить, были ли превышены расчетные условия. Этот мониторинг должен включать запись отклика райзера и натяжения (если это необходимо), а также состава, давления и температуры содержимого райзера. Измерение толщины стенки с помощью внутренних средств, например скребков, и внешних средств в выбранных контрольных точках.

Система мониторинга райзера не является обязательной, но она полезна для настройки и поддержания точного натяжения, для контроля динамики райзера и для проверки конструкции. Система мониторинга райзера также может быть применена в связи с активным расположением плавучей установки для уменьшения напряжений, верхней/нижней гибкой муфты и пр. райзеров для бурения, например. Система также может использоваться для записи и оценки усталостного повреждения райзера.

12.2.4 Руководящие указания для интервалов контроля

12.2.4.1 При определении интервалов контроля следует учитывать следующие факторы:

• класс безопасности;
• конкретные интервалы, основанные на критериях, обсуждаемых в другой части настоящего стандарта;
• текущее состояние и история обслуживания, например срок эксплуатации, результаты предыдущего контроля, изменения расчетных условий эксплуатации или нагружения или предшествующие повреждения и ремонты;
• резервирование;
• тип и расположение райзера, например глубина месторождения или новая конструкция с введением ряда новых операций в перспективе.

12.2.4.2 Интервалы, указанные в таблице 26, не должны превышаться, если опыт или технический расчет не оправдывают более длительные интервалы. В таких случаях обоснование изменения интервалов проверки, основанных на факторах, перечисленных в этом разделе, должно быть задокументировано и сохранено владельцем.

Таблица 26

Руководство для интервалов контроля

Компонент	Тип контроля	Интервал
Компоненты над водой	Визуальный	1 год
Компоненты под водой	Визуальный	3 — 5 лет
Все компоненты	NDT	По мере необходимости
Катодная защита	Визуальное исследование или в перспективе	3 — 5 лет
Области известных или предполагаемых повреждений	При необходимости	После воздействия расчетного события
Компоненты, извлеченные на поверхность	Как рекомендовано изготовителем	После отсоединения

12.2.5 Сводка условий

12.2.5.1 Итоговое заключение DFI является финальным документом, который завершается перед началом этапа эксплуатации.

12.2.5.2 Модификация, изменение использования, повреждение или ухудшение системы райзера должны быть включены в сводку обновленных условий. Сводка условий должна предоставлять группам пользователей общую картину фактического состояния и функционирования системы райзера на этапе эксплуатации. Этот документ следует обновлять ежегодно. Верификационные мероприятия следует рассматривать также для этапа эксплуатации.

12.3 Проверка

12.3.1 Общие положения

12.3.1.1 Существующий райзер должен пройти оценку целостности, чтобы продемонстрировать пригодность для данной цели, если существует одно или несколько из следующих условий:

а) продление срока службы за пределы расчетного срока службы;

б) повреждение райзера или повреждение компонента райзера;

в) изменение использования, которое нарушает первоначальный расчет или предыдущую оценку целостности;

г) отход от первоначальной основы расчета, например:

• от изменения данных окружающей среды или перераспределения,
• изменения плавучей установки,
• изменения рабочей жидкости, проходящей внутри,
• изменения верхнего натяжения для TTR.

12.3.1.2 Оценка существующих райзеров должна основываться на самой последней информации о райзере. Данные о нагрузке должны быть пересмотрены в соответствии с последними метеорологическими данными и текущим расположением райзера.

12.3.1.3 В случае изменения использования, ремонта, модификации, повреждения или ухудшения системы райзера должны быть приняты меры для поддержания приемлемого уровня безопасности.

12.3.2 Допускаемая прочность

12.3.2.1 Допустимая/допускаемая прочность поврежденных компонентов оценивается с использованием рационального обоснованного инженерного подхода (см. [7]).

12.3.2.2 Трубная часть райзера и компоненты должны иметь достаточную пластичность для разработки рассматриваемого механизма отказа, и большие неупругие перемещения или трещины из-за повторяющейся текучести не должны возникать. В расчете должны учитываться локальные смятия или другие нелинейные неустойчивости.

12.3.3 Увеличенный срок службы

12.3.3.1 Увеличенный срок службы может основываться на результатах проведенного контроля на протяжении всего срока службы.

Такая оценка должна основываться:

• на надежности метода(ов) контроля;
• прошедшем с последнего проведенного контроля времени и/или истории контроля/ремонта.

В некоторых ситуациях даже там, где трещины не обнаружены, считается, что следует произвести легкую шлифовку в зонах критических областей райзеров, чтобы удалить подрезы и повысить надежность контроля.

Обнаруженные трещины могут быть отшлифованы и снова подвергнуты контролю, чтобы подтвердить, что они удалены. Запас срока службы после такого ремонта следует оценивать в каждом случае.

12.3.4 Свойства материала

12.3.4.1 Свойства материала могут быть пересмотрены с расчетных значений на значения в состоянии «как построено» на основе сертификатов материалов. Текучесть и прочность на растяжение могут быть приняты как минимальная гарантированная текучесть и предел прочности на растяжение, указанные в сертификатах материалов.

12.3.4.2 В качестве альтернативы испытания материалов могут быть использованы для установления характеристики предела текучести в состоянии «как построено». Должное внимание должно быть уделено неотъемлемой изменчивости данных. Определение значений характеристик должно проводиться в соответствии с процедурой оценки (см. [16], приложение Y).

12.3.5 Размеры и припуски на коррозию

12.3.5.1 Оценка прочности должна основываться на размерах в состоянии «как построено», уменьшенных для учета коррозии.

12.3.5.2 Для незащищенной или катодно-защищенной стали толщина разреза и ожидаемая коррозия могут обновляться на основе измеренных значений. Толщина секции для использования в оценке прочности может быть рассчитана на основе измеренной толщины сечения в сочетании с ожидаемой коррозией в оставшийся срок службы в зависимости от наблюдаемой скорости коррозии.

Коррозионные райзеры дают возможность оценить коррозионно-эрозионные дефекты труб, в том числе локализации тонких стенок из-за допусков на изготовление и ремонт за счет шлифовальных работ.

12.3.6 Треснутые трубы и компоненты

Трубы и компоненты, содержащие трещины, следует как можно скорее отремонтировать/заменить.

Приложение А (справочное)

СТРУКТУРА ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

А.1 Общие положения

А.1.1 Цель

В этом приложении определяются элементы, которые обычно включаются в документ с техническими условиями на проектирование.

А.1.2 Применение

Технические условия на проектирование должны быть подготовлены для всех райзеров.

А.2 Технические условия на проектирование

А.2.1 Общие положения

А.2.1.1 На начальных этапах процесса проектирования должен быть составлен документ с техническими условиями на проектирование для документирования базовых критериев и методологии расчета, которые должны применяться при структурном проектировании системы райзера.

А.2.1.2 Когда проектирование будет завершено, должен быть составлен сводный документ, содержащий все релевантные данные с этапа проектирования и изготовления, то есть резюме, касающееся конструкции, изготовления и установки (DFI).

А.2.1.3 В этом разделе представлена важная информация, которая должна быть доступна проектировщику, чтобы иметь возможность проектировать райзер в соответствии с настоящим стандартом. Эта информация обычно включается в документ с техническими условиями на проектирование.

А.2.1.4 Типичная информация, необходимая для осуществления проектирования райзера, включает в себя как минимум:

• общие требования к проектированию системы райзера;
• функциональные требования к системе райзера;
• эксплуатационные требования к системе райзера;
• данные проходящей внутри рабочей жидкости;
• данные об окружающей среде;
• данные о плавучей установке;
• требования к интерфейсу и данные об оборудовании/компоненте;
• методологию структурного расчета, включающую принимаемые во внимание случаи нагрузки;
• процедуры верификации;
• прочую информацию.

А.2.2 Общие требования к проектированию

А.2.2.1 Оператор должен указывать проектные требования к конкретным проектам, например:

• место райзера;
• общие требования;
• описание системы райзера, включая протяженность, основные интерфейсы, конфигурацию, граничные условия, основные размеры и основные компоненты;
• выбор применимых норм проектирования, стандартов и правил;
• номинальный и минимальный внутренний диаметр отверстий оборудования, сопрягаемого с райзером;
• длина каждого типа компонента;
• расчет номеров по порядку для каждого типа компонента;
• требуемый срок службы;
• проведение испытаний;
• противопожарная защита;
• выбор материала, покрытие, защита от коррозии и припуск на коррозию.

А.2.3 Данные о внутренней жидкости

А.2.3.1 Оператор должен указать все соответствующие параметры внутренней жидкости. При необходимости следует указать параметры, перечисленные в таблице А.1. Для неопределенных данных параметры должны быть указаны как реалистичные диапазоны (мин./нормальный/макс.). Должны быть указаны ожидаемые изменения внутренних параметров жидкости в течение срока службы.

Таблица А.1

Параметры внутренней жидкости

Параметр	Комментарии
Внутреннее давление	Должны быть указаны следующие внутренние давления: - максимальное внутреннее давление, включая рабочее, конструктивное и аварийное давление с возможным профилем давления в течение срока службы; - требования к измерению давления в системе при заводских испытаниях; - минимальное внутреннее давление (включая, в случае необходимости, условия вакуума)
Температура	Необходимо указать следующую температуру: - рабочая температура или профиль температуры на протяжении срока службы; - максимальная расчетная температура; - минимальная расчетная температура
Состав жидкости	В том числе произведенные жидкости, вводимые жидкости, экспортируемые жидкости и непрерывные и случайные химические обработки (дозы, время воздействия, концентрации и частота); - все параметры, которые определяют условия обслуживания, включая парциальное давление H2S (меркаптановое) и CO2 (демеркаптанизированное); - диапазон плотности жидкости, соответствующий определенному давлению и температуре; - описание жидкости/потока, включая тип жидкости и режим течения; - данные о эрозии песка или частиц
Определение обслуживания	Демеркаптанизированное или меркаптановое в соответствии с составом жидкости
Описание жидкости/потока	Тип жидкости и режим потока, включая пробки. Жидкости затрубного пространства для многотрубных систем
Параметры расхода	Скорость потока, плотность жидкости, вязкость
Тепловые параметры	Теплоемкость жидкости

А.2.3.2 Если температура и давление коррелированы, могут быть предусмотрены экстремальные комбинации температуры и давления в виде диаграммы проектной огибающей.

А.2.3.3 Если произойдет быстрая декомпрессия внутреннего газа, соответствующий адиабатический перепад температуры внутри должен быть рассчитан поставщиком и отражен в минимальной расчетной температуре.

А.2.4 Данные об окружающей среде

А.2.4.1 Оператор должен указать все соответствующие параметры окружающей среды. При необходимости следует учитывать параметры, перечисленные в таблице А.2. Комбинированные условия ветра, волны и течения должны быть указаны для соответствующих периодов возврата (например, периоды возврата 1, 10 и 100 лет).

Таблица А.2

Параметры окружающей среды

Параметры	Комментарии
Расположение	Географические данные для запланированных областей эксплуатации
Глубина воды	Расчет глубины воды (минимальный и максимальный), вариации приливов, штормовая продольно-горизонтальная качка и просадка
Данные морской воды	Плотность, значение pH и минимальная и максимальная температуры
Температура воздуха	Минимальные и максимальные значения при хранении, транспортировке, установке и эксплуатации
Данные о грунте	Описание, прочность на сдвиг или угол внутреннего трения, коэффициенты трения, морской дренаж и песчаные волны (характеристики взаимодействия почвы/скважины и/или почвы/трубы). Используется для расчета/проектирования основания райзера, сдерживания почвы для колонны кондуктора и оценки взаимодействия между грунтом и структурой для области касания морского дна для контактных райзеров
Обрастание морскими организмами	Максимальные значения и вариации по длине толщины, плотности и шероховатости поверхности
Данные о течении	Текущая скорость в зависимости от глубины, направления и периода возврата, включая любые известные эффекты локальных явлений течения
Данные о волне	С точки зрения значительных и максимальных высот волн, связанных периодов, волновых спектров, функций распространения волн и диаграмм рассеяния волн в зависимости от направления и периода возврата
Данные о ветре	Скорость ветра как функция направления, высота над уровнем воды и период возврата
Лед	Максимальное скопление льда или дрейфующие айсберги или льдины
Данные о землетрясении	Движения грунта, описанные с помощью спектров или временных рядов

А.2.4.2 Для временных (извлекаемых) райзеров оператор должен указать требуемый диапазон условий окружающей среды (погодное окно) и планируемые расположения в местах, где должен находиться райзер.

А.2.4.3 Для условий окружающей среды в пределах погодного окна должно быть обеспечено безопасное извлечение райзера или оно должно выдерживать вывешивание во время расчетной бури, указанной оператором.

А.2.5 Данные для плавучей установки и удержания станций

А.2.5.1 Оператор должен указать все данные для системы плавучей установки и удержания станций, имеющие отношение к проектированию и расчету системы райзера.

А.2.5.2 Следующие общие данные о плавучей установке должны быть включены в качестве релевантных для фактической установки:

• размеры основного корпуса;
• подробная геометрия корпуса, тяги, масса, радиусы вращения и т.д., необходимые для выполнения гидродинамического расчета движения/возбуждения плавучей установки;
• подробная геометрия буровой шахты, если это необходимо;
• расположение опор райзеров и опорных конструкций/устройств райзера (например, натяжитель, опоры для плат буровой шахты и т.д.);
• определение возможных зон мешающих влияний, включая другие райзеры, якорные натяжки, колонны платформы, понтоны плавучей установки, киль, наземное оборудование и палубу, перемычку и палубу и т.д., а также определение допустимых помех/столкновений, если таковые имеются.

А.2.5.3 Характеристики движения плавучей установки обычно должны быть указаны в технических условиях на проектирование. Для документирования характеристик движения плавучей установки необходима следующая информация:

• функции переноса движения WF-плавучей установки в шести степенях свободы с четким определением амплитуд и фазовых углов, а также направлений волн;
• функция передачи движения плавучей установки должна быть задана для соответствующих условий нагрузки (т.е. просадки);
• фактическая глубина воды на месторождении и вместе с восстанавливающей силой гибкой конструкции для фактической конструкции швартовки/системы райзера должна применяться при расчете функций переноса движения WF плавучей установки;
• система координат, привязанная к плавучей установке, используемая в качестве эталона для функций перемещения движения плавучей установки, должна быть описана с первоначальной точки зрения (т.е. эталонной точки движения) и направления осей координат;
• производительность системы DP (например, допуски положения и кривые возможностей), если это необходимо;
• средние позиции и движения второго порядка для соответствующих условий проектирования, включая в неповрежденных условиях, а также в условиях повреждения (например, должен быть указан обрыв якорной оттяжки).

А.2.5.4 Документ с техническими условиями на проектирование может включать соответствующие данные для оценки общих характеристик установки. Следующая дополнительная информация необходима для проведения связанных и/или несвязанных расчетов удержания станции:

• передаточные функции WF и LF для гидродинамического возбуждения на плавучей установке;
• зависимая от массы добавленная масса и демпфирование для плавучей установки;
• коэффициенты ветра и течения для плавучей установки;
• подробное описание системы фиксации/швартовки. Для слабых/полуавтоматических/натяжных швартовых систем это, как правило, включает в себя схему расположения якорных оттяжек и подробный состав швартовки (например, данные материала, описание возможных весов/кладки буев, длины подвесных линий, расположение якорей и приспособлений для плавучей установки и т.д.);
• характеристики системы DP в случае причальных швартовных систем DP;
• подробное описание системы райзера.

Должно быть предусмотрено четкое определение разрешающей способности для передаточных функций и коэффициентов (например, эталонная система координат, направления, амплитуды и фазовые углы и т.д.), чтобы обеспечить реализацию этих данных в реальном программном обеспечении для проведения расчета удержания станции.

А.2.6 Система опоры и интерфейсы

А.2.6.1 Клиент должен предоставить необходимую информацию о любых интерфейсах между вертикальной трубой и смежными структурами, оборудованием и данными о компонентах.

А.2.6.2 Общая планировка системы райзера должна быть обеспечена вместе с четким определением объема конструкции, то есть указанием тех параметров/компонентов системы райзера, которые подлежат проектированию (типичными примерами являются толщина стенки, качество материала, модули плавучести, звенья напряжения и т.д.). По возможности следует указывать предпочтительные решения. Примерами информации, которые могут быть включены в документ с техническими условиями на проектирование, являются:

• конфигурации райзеров;
• расположение райзеров в случае количества больше одного райзера;
• звенья райзеров, в том числе данные поперечного сечения, содержание в затрубном пространстве, длина звена райзера, соединения, насадки и т.д.;
• описание модулей плавучести, таких как воздушные баки, среднеглубинные своды и модули распределенной плавучести;
• описание дополнительных внешних линий, шлангокабелей и т.д.;
• описание структурных компонентов, релевантных для фактической установки (например, звеньев напряжения, гибких муфт, механических соединений, звеньев натяжения, корпуса аварийного отсоединения кольцевых превенторов и т.д.).

А.2.6.3 Общее описание верхнего интерфейса между системой райзера и смежной структурой должно включать следующую информацию:

• граничные условия поддержки плавучей установки;
• геометрия, ход, тяговое усилие, характеристики нагрузки/перемещения (линейные/нелинейные) и безаварийность систем натяжителей, если таковые имеются;
• конструкция временного и стационарного райзера подвесных систем (захваты и т.д.);
• надводное оборудование, такое как надводная фонтанная арматура, перемычки и т.д.

А.2.6.4 Общее описание при нижнем сопряжении и подводного оборудования должно быть включено в документ с техническими условиями на проектирование. Следующая информация может быть включена как актуальная для фактической установки:

• устьевые данные относительно уровня моря;
• условия морского дна, включая характерные свойства почвы (например, жесткость, коэффициенты трения и т.д.);
• жесткость колонны кондуктора и удерживание почвы;
• размеры и жесткость подводной опорной плиты;
• подводное оборудование, такое как ППВО, подводная фонтанная арматура, EDP, НБВК, LWRP и т.д.

А.2.6.5 Оператор должен предоставить информацию о допустимой нагрузке (например, давлении, натяжении и изгибающем моменте) устьевого оборудования и верхней подвеске, к которой подключен райзер.

А.2.6.6 Для временных райзеров верхнего натяжения максимальный допустимый угол разъединения пакета аварийного отключения (EDP) должен определяться оператором для ввода в пределы эксплуатационных условий для расчета райзера.

А.2.6.7 Для райзеров, оборудованных гибкими муфтами, должен быть определен максимально допустимый угол отклонения для соответствующих натяжений и диапазонов давления.

А.2.7 Методы расчета и случаев нагрузки

А.2.7.1 Предполагаемые процедуры, которые должны быть приняты при проектировании райзеров, должны быть задокументированы. Учитываются все применимые предельные состояния для всех соответствующих временных и эксплуатационных условий проектирования. Следует включить следующее:

А.2.7.2 Критерии проектирования для всех соответствующих временных фазовых условий, в том числе по мере необходимости:

• ограничение давления, функциональных нагрузок и нагрузок от воздействия окружающей среды и расчетных комбинаций нагрузок (случаев);
• основные параметры конструкции и расчетные процедуры, связанные с временными фазами, например, транспортировка, подъем/техническое обслуживание, установка, извлечение, подключение и отключение;
• соответствующие критерии ALS;
• отказ райзера.

А.2.7.3 Критерии проектирования для всех соответствующих условий эксплуатационной фазы, включая в зависимости от фактической установки:

• ограничения давления, функциональных нагрузок и нагрузок от воздействия окружающей среды и комбинации конструктивных нагрузок (случаев);
• основные параметры и процедуры проектирования, связанные с этапами эксплуатации, например, верхнее натяжение, перемещение плавучей платформы, внутреннее давление и связанная с этим внутренняя плотность жидкости;
• соответствующие критерии ALS, например отказ натяжителя, привод/дрейф, столкновение, взрыв, огонь, сброшенные объекты и т.д.;
• соответствующие критерии SLS для вертикальной трубы и конструкционных компонентов.

А.2.7.4 Общее описание моделей расчета, которые будут использоваться, включая описание:

• модель(и) глобального расчета, включая моделирование волновых нагрузок и нагрузок течений и движений плавучей установки;
• модель(и) местного расчета;
• нагрузки, подлежащие расчету.

А.2.7.5 Общее описание процесса структурной оценки, включая:

• описание процедур, которые будут использоваться для рассмотрения глобальных и местных откликов;
• описание процедур, которые будут использоваться для объединения глобальных и местных откликов;
• критерии проверки предельного состояния;
• описание процедур оценки усталости (включая использование расчетных усталостных, коэффициентов, S-N кривых, основы для коэффициентов концентрации напряжений (SCF) и т.д.);
• описание процедур, используемых для проверки норм.

А.2.8 Разное

А.2.8.1 Общее описание другой важной информации о конструкции, в том числе:

• критерии контроля в процессе эксплуатации — общая концепция для контроля, технического обслуживания и ремонта/замены;
• процедуры/область для проверки конструкции райзера (например, испытание и независимый обзор/расчет конструкции);
• слабые секции (если необходимо).

Приложение Б (справочное)

ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО НАГРУЖЕНИЯ

Б.1 Общие положения

Б.1.1 Цель

Б.1.1.1 Цель настоящего приложения состоит в том, чтобы предоставить введение в практическую реализацию проверок проекта КНиУ и WSD для комбинированной нагрузки на основе обобщенной формулы воздействия нагрузки, введенной в разделе 3. Основное внимание уделяется последовательной реализации формата проекта КНиУ.

Б.1.1.2 Для оценки характерных влияний нагрузки могут применяться два принципиально разных метода:

• на основе статистики окружающей среды;
• на основе статистики откликов.

Цель этого документа — дать схему этих стратегий с акцентом на вычислительных затратах, связанных с практическими приложениями, а также с присущими им ограничениями.

Б.2 Принципы расчета

Б.2.1 Общие положения

Б.2.1.1 Системы райзеров в целом являются высоконелинейными структурами из-за нелинейностей, возникающих при гидродинамической нагрузке, геометрической жесткости, больших оборотах в трехмерном пространстве и возможных нелинейных материалах, а также при контакте с морским дном. Относительная важность этих нелинейностей сильно зависит от системы и возбуждения. Поэтому расчет конечных элементов во временной области является основным методом расчета для гибких конструкций.

Б.2.2 Расчет, основанный на статистике окружающей среды

Б.2.2.1 Традиционно обычной практикой является принятие крайнего отклика, выявляемого при воздействии на систему нескольких стационарных расчетных условий окружающей среды в качестве характерного крайнего отклика. Каждое конструктивное условие, следовательно, описано в терминах ограниченного числа параметров окружающей среды (например, Hs, Tp и т.д.) и заданной продолжительности (например, 3 — 6 часов). Обычно применяются различные комбинации ветра, волны и неустойчивости течения, дающие одинаковый период возврата для комбинированного состояния окружающей среды. Примеры соответствующих комбинаций для получения расчетных условий за 100 лет приведены в таблице Б.1. «Взаимодействующие» периоды возврата должны оцениваться с учетом статистики окружающей среды для фактического расположения.

Таблица Б.1

Примеры типичных условий окружающей среды за 100 лет

Случай	Ветер	Волны	Течение
A	100	Взаимодействующие	Взаимодействующее
B	Взаимодействующий	100	Взаимодействующее
C	Взаимодействующий	Взаимодействующие	100

Б.2.2.2 Ветровая нагрузка косвенным образом включена в общий расчет системы райзера как важный фактор, влияющий на среднее положение плавучей установки и малое частотное движение плавучей установки (LF). Волновые и волновые частотные (WF) движения плавучего элемента включаются как динамическая нагрузка в общем расчете системы райзера, в то время как движения LF плавучей установки обычно включаются как репрезентативное статическое перемещение. Перемещение, учитывающее движение LF, является дополнительным к среднему перемещению плавучей установки, определяемому средней нагрузкой от окружающей среды. Расчет репрезентативного перемещения плавучей установки приведен в [17], пункт 6.2.2.

Б.2.2.3 В общих расчетах откликов рассматривается как регулярная, так и нерегулярная волновая нагрузка. Первая обозначается как расчетный волновой подход, а последняя обозначается как расчетный штормовой подход.

Б.2.2.4 Наиболее жесткая направленная комбинация ветра, волн и течения, соответствующая условиям окружающей среды на фактическом участке, должна применяться для стационарных установок. В большинстве случаев это будет означать, что перемещение волн, течения и плавучей установки (консервативно) предполагает действовать в одном направлении. Расчеты выполняются для предполагаемых критических направлений (как правило, «близких, далеких и перекрестных условий»), а окончательный характеристический отклик определяется как наиболее неблагоприятный из расчетов.

Б.2.2.5 Кроме того, необходимо провести изменение периода волны, чтобы определить наиболее неблагоприятное условие нагрузки. Следует учитывать как минимум 3 разных периода, охватывающих реалистичный диапазон изменения (например, доверительный интервал 90%). В качестве альтернативы одновременное изменение высоты волны и периода (например, Hs, Tp), как описывается контурами окружающей среды, может применяться для более последовательной идентификации критических условий.

Б.2.2.6 Основная проблема, связанная с критериями расчета, основанная на статистике окружающей среды, заключается в том, что период возврата для характерного воздействия нагрузки неизвестен из-за нелинейного динамического поведения большинства систем райзера. В целом это приведет к несогласованному уровню безопасности для различных концепций расчета и режимов отказа. Однако можно ожидать приемлемых результатов для квазистатических систем с умеренными нелинейностями.

Верификация критериев расчета s1 может выполняться в следующих ситуациях:

• новые концепции;
• системы со значительными нелинейными характеристиками отклика;
• динамически чувствительные системы.

Верификация должна основываться на оценке долгосрочных экстремальных нагрузок, как описано в Б.6 для критических условий.

Б.2.3 Расчет, основанный на статистике откликов

Б.2.3.1 Последовательная оценка эффекта нагрузки за D лет в целом потребует описания вероятностного отклика из-за долгосрочного воздействия окружающей среды на систему райзера. Воздействие нагрузки с периодом возврата D лет, обозначенное xD, можно формально найти из долгосрочного распределения нагрузки как:

F_{x}(x_{D}) = 1 - \frac{1}{N_{D}} , (Б.1)

где ND — общее количество максимальных значений нагрузки за D лет;

Fx(xD) — долгосрочное пиковое распределение (обобщенного) воздействия нагрузки за D лет.

Б.2.3.2 Основная проблема, связанная с этим подходом, заключается в установлении распределения долгосрочного воздействия нагрузки из-за нелинейного динамического поведения, наблюдаемого для большинства систем райзера. Руководство по возможным вычислительным стратегиям далее описано в Б.6. Описанные процедуры были применены для оценки расчета нагрузки для систем райзера в исследовательской деятельности, но пока не установлены в качестве стандартной практики проектирования отрасли. Однако разработка, основанная на статистике откликов, в целом является рекомендуемой процедурой и должна учитываться каждый раз, когда это практически возможно для последовательной оценки характерных влияний нагрузки (особенно для целей верификации, если выявлены недостатки в традиционном подходе, основанные на статистике окружающей среды). Это имеет особое значение для условий ULS, которые обычно связаны с наиболее выраженными нелинейными характеристиками отклика.

Б.3 Реализация метода расчета по коэффициентам нагрузки и сопротивления

Б.3.1 Общие положения

В этом разделе дается введение в последовательную реализацию проверок мощности КНиУ для комбинированного нагружения с учетом глобального расчета по временной области. Основное внимание уделяется внедрению расчетных уравнений для условий ULS, поскольку это наиболее общий подход. Вкратце обсуждаются соответствующие упрощения в случае условий SLS и ALS. Критерии приемлемости устанавливаются для расчета на основе статистики окружающей среды (краткосрочный подход), а также для разработки на основе статистики откликов (долгосрочный подход). Статистические методы оценки воздействия экстремальной нагрузки для краткосрочного и логарифмического расчетного подхода обсуждаются отдельно в Б.5 и Б.6 соответственно.

Б.3.2 Обобщенное воздействие нагрузки

Б.3.2.1 Постоянная корреляция времени воздействия/натяжения является ключевой проблемой для эффективных проверок мощности для комбинированной нагрузки. Для этого удобно рассматривать обобщенное нагружение, выраженное следующим общим уравнением:

g(t) = g(M_{d}(t),T_{ed}(t),\Delta p,R_{k},\Lambda), (Б.2)

где g(t) представляет собой обобщенное воздействие нагрузки (или функцию использования) в определенном месте на райзере;

Md, Ted обозначают расчетные значения для изгибающего момента и эффективного натяжения соответственно;

\Delta p обозначает локальный перепад давления;

Rk — вектор поперечных мощностей;

\Lambda — вектор коэффициентов безопасности (т.е. материал, класс безопасности и коэффициенты условия). Важность этой формулировки состоит в том, что комбинированное зависящее от времени действие изгибающего момента и натяжения преобразуется в скалярный процесс, выраженный обобщенным эффектом нагрузки.

Б.3.3 Краткосрочные критерии приемлемости

Б.3.3.1 Проверка кода для комбинированной нагрузки в стационарном состоянии конструкции, следовательно, сводится к прогнозированию экстремальных значений эффекта обобщенной нагрузки, т.е.

gmax <= 1, (Б.3)

где gmax является представительным экстремальным значением g(t). Максимальное значение g(t) применяется в расчетном волновом подходе (за исключением переходного процесса запуска), тогда как статистический прогноз экстремальных значений требуется при приближении расчетного шторма.

Б.3.3.2 Таким образом, стандартная структура для обработки откликов результатов расчетов во временной области может быть непосредственно применена для проверки кода. Это, как правило, включает применение огибающей (функции) отклика в случае регулярного волнового расчета и статистического предсказания экстремальных значений в случае нерегулярного волнового расчета.

Б.3.3.3 Статистическая оценка ожидаемого экстремального значения (или наиболее вероятного экстремального значения) в течение заданной продолжительности (например, 3 — 6 часов), следовательно, требуется в случае нерегулярного расчета. Следует, однако, отметить, что g(t) всегда будет негауссовским процессом отклика. Это связано с тем, что компоненты изгибающего момента и эффективное натяжение обычно являются негауссовыми процессами отклика и потому, что функция предельного состояния определяет нелинейное преобразование этих временных рядов. Ожидаемые экстремумы негауссовых хронологических периодов находятся в практических приложениях, обычно оцениваемых по параметрической вероятностной модели (например, Weibull), установленной для моделируемой реализации отдельных пиков отклика (т.е. пиков g(t)).

Б.3.3.4 В этом подходе автоматически учитывается корреляция между эффективным натяжением и компонентами изгибающего момента, и, следовательно, она может быть оптимальной (т.е. максимально использована).

Б.3.3.5 Консервативные оценки всегда можно получить путем отдельной оценки расчетных значений для эффективного натяжения и полученного изгибающего момента без учета корреляционных эффектов, которые формально могут быть выражены как

g(M_{d}^{max},T_{ed}^{max},\Delta p,R_{k},\Lambda) \leq 1, (Б.4)

где индексы max указывают крайние значения. Такой подход может дать приемлемый результат, если конструкция управляется одним доминирующим динамическим компонентом (как правило, изгибающим моментом для райзеров верхнего натяжения с хорошо функционирующей компенсационной системой).

Б.3.4 Долгосрочные критерии приемлемости

Последовательная оценка воздействия экстремальной нагрузки для комбинированной нагрузки может быть найдена как процентиль в долгосрочном распределении эффекта обобщенной нагрузки. Таким образом, критерий принятия может быть выражен как:

xD <= 1, (Б.5)

где xD является процентилем в распределении долгосрочного (обобщенного) распределения нагрузки, соответствующем периоду возврата D лет. Методы установления распределения долгосрочных нагрузок обсуждаются отдельно в Б.6.

Б.3.5 Процедура расчета ULS

Б.3.5.1 Разделение глобального реагирования на компоненты из-за функционального нагружения и нагружения от воздействия окружающей среды является дополнительной ключевой проблемой для расчета ULS, которая требует должного учета в стратегии расчета, а также последующей обработки откликов.

Б.3.5.2 Основное усилие, получаемое при расчете в глобальной временной области, представляет собой одновременный временной ряд изгибающих моментов и эффективное напряжение. Эти количества откликов содержат дополнительные факторы, связанные как с функциональным нагружением, так и с нагружением от воздействия окружающей среды. Разделение этих величин на компоненты требует, чтобы статическая конфигурация, обусловленная функциональным нагружением, определялась отдельно. Следующая последовательность расчета может быть применена:

1. статический расчет — функциональное нагружение

Целью первого шага в аналитической последовательности является установление конфигурации статического равновесия из-за функционального нагружения (т.е. действительного веса и номинального положения плавучей установки). Расчет обычно начинается с начальной конфигурации без напряжения, с постепенным применением функционального нагружения для достижения окончательного решения. Выход статического усилия представляет собой два осевых изгибающих момента и эффективное натяжение из-за функционального нагружения;

2. статический расчет — нагружение от воздействия окружающей среды:

(Б.6)

Этот расчет возобновляется 1) с учетом дополнительной нагрузки из-за постоянного тока и среднего перемещения плавучей установки из-за воздействия окружающей среды;

3. динамический расчет по временной области — нагружение от воздействия окружающей среды.

Этот расчет возобновляется 2) с учетом дополнительной соответствующей динамической нагрузки на окружающую среду в системе (например, загрузки из-за воздействия волн и движений плавучей установки, возможного глобулярного движения и т.д.). Выход усилия представляет собой одновременную историю двух осевых изгибающих моментов и эффективного натяжения:

(Б.7)

Б.3.5.3 Предполагается, что упомянутые общие величины отклика содержат полный отклик, то есть динамические компоненты от нагружения от окружающей среды, а также статические компоненты из-за функционального нагружения и нагружения от воздействия окружающей среды. Это соответствует соглашениям хранения и вывода, применяемым в большинстве компьютерных кодов, разработанных специально для расчета гибкой конструкции.

Фактически эта последовательность расчета удобна для применения статического и динамического нагружения и используется в подавляющем большинстве проектных расчетов. Различие между статическим и динамическим нагружением от окружающей среды всегда является ключевым вопросом, который необходимо тщательно оценивать с учетом фактической концепции (например, статического и динамического течений и LF движений плавучей установки). Единственным дополнительным усилием, необходимым для аналитика, является, следовательно, отдельное хранение и обработка статического отклика из-за функционального нагружения.

Б.3.6 Процедуры после обработки

Б.3.6.1 Последующая обработка для вычисления обобщенного эффекта нагрузки, основанная на выходе из процедуры расчета ULS, описанная в предыдущем разделе, может быть суммирована в следующих шагах.

1. Создайте компоненты отклика из-за нагрузки от окружающей среды

(Б.8)

2. Установите расчетные значения

(Б.9)

3. Установите временную историю воздействия обобщенной нагрузки

g(t) = g(M_{d}(t),T_{ed}(t),\Delta p,R_{k},\Lambda). (Б.10)

Б.3.6.2 Проверки мощностей SLS и ALS КНиУ могут основываться непосредственно на временных рядах для результирующего момента и эффективного натяжения, данных в результате глобального расчета. Последовательное рассмотрение корреляции требует, чтобы были рассмотрены шаги 2) и 3) в процедуре последующей обработки, описанной в предыдущем разделе.

Б.3.7 Компьютерная реализация

Б.3.7.1 Ключом к эффективным проверкам мощности КНиУ для комбинированного нагружения является компьютерная реализация процедур, описанных в предыдущих разделах. Основные технические характеристики, необходимые для проведения проверки мощности в стационарном состоянии конструкции, можно резюмировать следующим образом:

• разделение глобальных воздействий нагрузки на E- и F-компоненты;
• генерация временных рядов обобщенного воздействия нагрузки;
• обработка результатов регулярного/нерегулярного динамического расчета;
• расчет нескольких комбинаций коэффициентов защиты E-, F-безопасности;
• оценка использования по негауссовой статистике экстремальных значений;
• оценка статистической достоверности в экстремальных ситуациях;
• оценка вклада от P, F, E нагрузок;
• эффективная коммуникация с программой глобального расчета КЭ;
• графическое представление результатов в зависимости от местоположения вдоль райзера.

Следующие комбинации парциальных коэффициентов необходимо проверить для условий LLFD ULS

	\psi_{f}	\psi_{e}
	1,1	1,3
	1,1	0,77
	0,91	1,3

Б.3.7.2 Компьютерная программа с описанной функциональностью способна выполнять все соответствующие проверки мощности для комбинированного нагружения автоматически с минимальным объемом ввода от аналитика. Примеры применения представлены S0dahl и др. (2000).

Б.4 Реализация метода расчета рабочего напряжения

Б.4.1 Общие положения

Б.4.1.1 Практическая реализация формата расчета рабочего напряжения (WSD) для комбинированного нагружения проще по сравнению с проверками расчета КНиУ ULS, поскольку не требуется разделение эффекта нагрузки на компоненты F и E. Внедрение формата проекта WSD, таким образом, похоже на КНиУ SLS и ALS, как описано в Б.3.6.2. Однако краткое введение в реализацию проверок проекта WSD приведено ниже для полноты.

Б.4.2 Внедрение в расчет проекта

Б.4.2.1 Обобщенное воздействие нагрузки для формата проекта WSD для комбинированного нагружения может быть выражено как

g(t) = g(M(t),T_{e}(t),\Delta p,R_{k},\eta), (Б.11)

где M, Te, \Delta p и \eta обозначают изгибающий момент, эффективное натяжение, локальный перепад давления и коэффициент использования соответственно. Таким образом, обобщенное воздействие нагрузки можно вычислить непосредственно из эффективного натяжения и компонентов изгибающего момента, данных в виде результатов глобального расчета. Полученный изгибающий момент вычисляется как

M(t) = \sqrt{M_{x}^{2}(t) + M_{y}^{2}(t)} . (Б.12)

Б.4.2.2 Оценка критериев приемки, основанных на обобщенном воздействии нагрузки, идентична, как указано в Б.3.3 и Б.3.4 для подхода КНиУ.

Б.5 Оценка воздействия кратковременной экстремальной нагрузки

Б.5.1 Общие положения

Б.5.1.1 Для подхода, основанного на расчетных штормах, воздействие экстремальной нагрузки можно оценить как ожидаемый или наиболее вероятный наибольший пик срабатывания для заданной продолжительности расчетного состояния. Этот подход применяется к условиям проектирования SLS, ULS и ALS.

Б.5.1.2 Результаты расчета в нерегулярных временных областях с использованием процедуры расчета/последующей обработки, как описано в Б.2, являются временными путями, описывающими одну реализацию воздействия (обобщенной) нагрузки. Вероятностное распределение процесса воздействия нагрузки в общем случае является негауссовым. Кроме того, длительность симулированной записи времени во многих ситуациях будет короче, чем указанная продолжительность расчетного условия, из-за практических ограничений, связанных со временем вычисления на компьютере. Таким образом, экстраполяция часто участвует в практической оценке характерного экстремального воздействия нагрузки. Процесс получения оценок воздействия экстремальной нагрузки из расчета во временной области обычно включает следующие проблемы:

• статистика огибающих;
• оценка экстремальных значений из негауссовых временных рядов воздействия нагрузки;
• оценка длины моделирования, требуемой для получения оценок воздействия экстремальной нагрузки с достаточной статистической достоверностью.

Б.5.2 Статистика огибающих

Б.5.2.1 Огибающая (функция) отклика определяется как экстремальные значения отклика (минимум и/или максимум), достигнутые во время моделирования временной области, как функция расположения вдоль структуры. Эта концепция очень полезна для установления проектных значений в случае детерминированной нагрузки (например, при регулярной волновой нагрузке).

Б.5.2.2 Более тщательная интерпретация, однако, необходима для применения концепции огибающей для применения в условиях расчетного шторма. Огибающие (функции) из расчета в нерегулярных временных областях представят реализацию воздействия экстремальной нагрузки на длительность, рассматриваемую в моделировании во временной области. Поэтому для прогнозирования характерного экстремального отклика требуется, чтобы время моделирования было идентичным длительности расчетного условия (например, 3 — 6 часов). Более того, экстремумы, предсказанные таким образом, будут иметь низкую статистическую достоверность, поскольку они представляют только воздействие предельной нагрузки, обнаруженное для одной реализации.

Б.5.2.3 Улучшение статистической достоверности может быть достигнуто путем рассмотрения огибающих по среднему значению, полученному путем усреднения по нескольким реализациям. Таким образом, огибающие по среднему значению будет представлять ожидаемое воздействие экстремальной нагрузки вдоль структуры, что является желательным результатом краткосрочного общего расчета откликов. Статистическая неопределенность может быть выражена в терминах стандартного отклонения предполагаемой ожидаемой экстремальной величины, \sigma_{T} :

\sigma_{T} = \frac{\sigma_{E}}{\sqrt{N_{R}}} , (Б.13)

где NR — количество реализаций;

\sigma_{E} — стандартное отклонение экстремального отклика, оцененное по всем реализациям. Этот подход «грубого усилия» даст объективные оценки крайнего отклика в любом месте вдоль структуры, но в большинстве ситуаций требуется слишком большой промежуток времени, чтобы иметь практическое применение. Однако он может использоваться для простых систем и для верификации более сложных статистических методов прогнозирования экстремального отклика на основе одной реализации.

Б.5.3 Экстремальная оценка отклика

Б.5.3.1 Основные этапы, связанные с обработкой статистических данных о времени стохастической нагрузки для создания характерного эффекта экстремальной нагрузки, можно суммировать следующим образом:

• выберите вероятностную модель распределения (т.е. параметрическую вероятностную модель для отдельных пиков отклика или экстремального пика для заданной продолжительности);
• оцените параметры в выбранной модели на основе истории реализации доступного времени отклика;
• примите/отклоните выбранную модель (например, с использованием инженерного решения или официального испытания статистической гипотезы);
• вычислите оценку характерного эффекта экстремальной нагрузки на основе модели (т.е. процентиля в установленном пиковом распределении или ожидаемом крайнем пиковом значении);
• определите статистическую неопределенность оценочного характеристического эффекта экстремальной нагрузки.

Б.5.3.2 Основная проблема часто связана с выбором приемлемой вероятностной модели распределения для отдельных пиков процесса воздействия нагрузки. Особое внимание следует уделить описанию верхнего хвоста распределения, что имеет жизненно важное значение для оценки экстремальных значений. Выбор модели распределения осложняется тем, что негауссовая характеристика отклика в целом сильно зависит от системы и возбуждения. Кроме того, вдоль райзера следует предусмотреть существенное изменение негауссовых характеристик отклика. Следовательно, выбор правильной модели распределения будет зависеть от системы райзера, уровня возбуждения, а также от положения вдоль райзера. В большинстве практических приложений выбор вероятностной модели (по крайней мере, до некоторой степени) эмпирический, основанный на предыдущем опыте и физическом знании динамического поведения реальной системы рассматриваемого райзера. Часто применяются простые параметрические модели.

Б.5.3.3 Выбранная параметрическая модель приспособлена к моделируемой пиковой выборке с использованием соответствующей методики статистической оценки (например, метод моментов, вероятностных взвешенных моментов, максимального правдоподобия, регрессии и т.д.).

Б.5.3.4 Математические аргументы в терминах предельных асимптотических распределений могут быть дополнительно применены для установления моделей экстремальных пиков в заданном временном окне.

Б.5.4 Статистическая неопределенность и планирование моделирования

Б.5.4.1 Основная проблема, связанная с оценкой характерного воздействия экстремальной нагрузки, заключается в том, что статистические неопределенности вводятся, поскольку оценки основаны на моделируемых реализациях временных рядов конечных длин. Следовательно, различные реализации будут давать разные оценки воздействия экстремальной нагрузки. Изменчивость оценки может быть выражена в терминах вероятностного распределения прикладной оценки, обычно обозначаемой распределением выборки. Таким образом, распределение выборки может быть использовано для выражения уверенности оцененного характеристического экстремального отклика в зависимости от длины моделирования для каждой конкретной рассматриваемой оценки. Эта информация может быть применена непосредственно при практическом планировании компьютерного моделирования для оценки продолжительности моделирования, необходимой для получения оценок характеристического экстремального отклика с определенной достоверностью. Распределение выборки также будет основой для выбора наиболее эффективной оценки среди нескольких возможных вариантов.

Б.5.4.2 Точное распределение выборки в общем случае очень сложно установить для конечных выборок и находится в практических расчетах, обычно аппроксимированных гауссовским распределением. Это предположение оправдано теоретическими результатами, показывающими, что распределение выборок большинства практических интересов будет приближаться к гауссовскому распределению асимптотически, в зависимости от размера выборки. Следовательно, распределение выборки может быть полностью описано средним значением и дисперсией оценки. Для установления дисперсии обычно используются приближенные методы (например, асимптотические выражения) или методы численного моделирования (например, оценка бутстрапа), предполагающие выборку независимых стохастических переменных. Предположение о независимости обычно является приемлемым приближением для пиковой выборки.

Б.5.4.3 Для определяемых по моменту оценок (т.е. оцениваний, которые могут быть выражены как функция моментов выборки) следующее соотношение между длиной моделирования tS и стандартным отклонением оценки \sigma_{T} может быть установлено асимптотическими приближениями

\sigma_{T} = \frac{c}{\sqrt{t_{s}}} , (Б.14)

где c является (неизвестной) константой.

Б.5.4.4 Следующая процедура может быть применена для практического планирования моделирования для получения целевой достоверности, указанной в терминах стандартного отклонения:

• выполните расчет во временной области с начальной длительностью;
• оцените экстремальный отклик и соответствующее стандартное отклонение оценки на основе начальной продолжительности;
• если целевая доверительность не получена (т.е. >), увеличенная продолжительность моделирования, необходимая для выполнения требования по доверительности, может быть оценена как

t_{s}^{c} \geq t_{s}^{i}(\frac{\sigma_{T}^{i}}{\sigma_{T}^{c}})^{2}. (Б.15)

Важным следствием этого уравнения является то, что для уменьшения стандартного отклонения в 2 раза требуется увеличение продолжительности моделирования с коэффициентом 4.

Б.6 Статистика по действию долгосрочной нагрузки

Б.6.1 Общие положения

Б.6.1.1 Распределение долгосрочных нагрузок является результатом комбинированного воздействия ветра, волны и течения на связанную систему плавучая установка/гибкая конструкция, то есть вероятностное описание отклика от долгосрочного воздействия окружающей среды. Долгосрочный процесс нагрузки от воздействия окружающей среды можно разделить на временные интервалы со стационарными условиями, обозначенными кратковременными условиями. Кроме того, предполагается, что каждое кратковременное условие может быть полностью описано ограниченным числом параметров окружающей среды (как правило, волны будут для примера описываться высотой характерной волны, периодом пика, распространением, средним направлением и т.д.). Таким образом, долгосрочное распределение откликов может быть формально выражено следующим образом:

F_{x}(x) = \int_{M} w(M)F_{X|M}(x|m)f_{M}(m)dm, (Б.16)

где FX(x) — долгосрочное распределение пиков воздействия нагрузки;

M — вектор параметров, описывающих краткосрочные условия окружающей среды;

w(M) — функция веса, учитывающая изменение частоты пересечения среднего уровня нагрузки;

FX|M(x|m) — кратковременное распределение пиков эффекта нагрузки для стационарного состояния окружающей среды (т.е. условно на M);

fM(m) — распределение параметров окружающей среды.

Б.6.1.2 Основная задача, связанная с этим подходом, заключается в установлении краткосрочного распределения нагрузки FX|M в качестве нелинейного нерегулярного расчета во временной области, в целом потребуется для адекватного описания процесса отклика.

Б.6.1.3 Дискретные приближения к этой общей формулировке составляют основу для приближенных методов оценки распределения долгосрочных нагрузок в практических приложениях. Эти методы имеют общее правило, что упрощения вводятся в описании эффектов долгосрочного нагружения для обеспечения практических вычислений. Упрощения обычно основаны на рациональных консервативных предположениях относительно поведения системы по отношению, например, к направленности окружающей среды, корреляции волн/течения, положению плавучей установки, работе системы и т.д.

Относительная важность движений волн, течений и движений плавучих установок для реакции систем райзера на глубине месторождения сильно зависит от системы. Плавучий тип, система удержания расположения, конфигурация райзера и граничные условия определяют, как внешняя нагрузка преобразуется в деформации и внутренние усилия отклика в райзере. Следует также ожидать значительное изменение характеристик отклика вдоль райзера. Волны и движения плавучей установки всегда будут иметь решающее значение для отклика в верхней части райзера. Ситуация более сложная в нижних частях райзеров на глубине месторождения. Ожидается, что перемещение плавучей установки и течение будут регулировать общий отклик в нижних частях райзеров натяжения. Вызванные волнами движения плавучей установки, как правило, имеют важное значение для всех совместимых конфигураций райзеров. Поэтому возможные упрощения и консервативные допущения, введенные для облегчения процесса проектирования райзеров на глубине месторождения, должны всегда быть тщательно оценены для каждой концепции райзера. В качестве примера широко применяемая дискретная формулировка для статистики окружающей среды, описываемая в виде диаграммы рассеяния волн Hs — Tp, может быть выражена как

F_{X}(x) = \sum_{i = 1}^{N} w(H_{s},T_{p})_{i}F_{X}^{s}(x|H_{x},T_{p})_{i}P(H_{s},T_{p})_{i}, (Б.17)

где N — число дискретных состояний моря на диаграмме волнового разброса;

w(Hs, Tp)i — весовые коэффициенты, учитывающие изменение частоты пересечения уровней;

P(Hs, Tp)i — вероятность морского состояния;

FX(x) — долгосрочное распределение максимумов воздействия нагрузки.

Б.6.2 Подход на основе поверхности отклика

Б.6.2.1 Подход на основе поверхности отклика можно рассматривать как прямой численный подход к общему описанию задачи, определяемой уравнением (Б.13). В этих методах вычислительные затраты включают создание FX|M с помощью расчета глобальных нагрузок в ограниченном количестве тщательно отобранных стационарных условий окружающей среды с учетом нерегулярного волнового возбуждения. Затем могут быть применены методы интерполяции/экстраполяции, чтобы установить FX|M для всех соответствующих условий окружающей среды, необходимых для оценки распределения долгосрочных нагрузок.

Б.6.2.2 Подход на основе поверхности отклика может быть сформулирован на следующих этапах:

1. выберите ограниченное количество основных «репрезентативных» морских состояний (т.е. комбинированных условий окружающей среды). Эти морские водоросли будут служить «точками интерполяции» и поэтому должны быть выбраны очень тщательно;

2. проведите глобальный расчет отклика для основных морских состояний с учетом нерегулярного расчета во временной области;

3. установите вероятностные модели для кратковременного распределения нагрузки для всех основных морских состояний. Типичной процедурой является установка параметрической модели (например, распределение Вейбулла) на моделируемый образец пиков влияния нагрузки;

4. установите краткосрочные распределения для всех соответствующих морских состояний методами интерполяции/экстраполяции с использованием результатов, полученных при расчете основных морских состояний в качестве точек интерполяции;

5. создайте долгосрочное распределение откликов путем использования дискретного приближения к общей формулировке, определенной в Б.6.1.1.

Б.6.2.3 Поверхность отклика, следовательно, позволит вычислять долгосрочное распределение нагрузки с учетом возможных негауссовых характеристик кратковременного воздействия нагрузки. Для практического применения, однако, важно, чтобы приемлемая точность могла быть получена с использованием относительно небольшого количества основных морских состояний (например, 5 или менее).

Приложение В (справочное)

ГЛОБАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ

В.1 Общие положения

В.1.1 Цель

В.1.1.1 Цель настоящего приложения заключается в том, чтобы дать руководство по глобальному расчету системы райзера, соответствующее современному техническому уровню специализированных компьютерных кодов КЭ для статического и динамического расчета гибких конструкций.

Общее представление используется, поскольку основные методы расчета могут применяться к широкому спектру систем райзера. Комментарии, связанные с рекомендуемыми процедурами для конкретных систем райзера, рассматриваются, если это необходимо. Основное внимание будет уделено следующим важным вопросам:

• общий обзор поведения глобальной системы и важных нелинейностей;
• общий обзор методов расчета с упором на обработку нелинейностей;
• обзор важных моделей нагрузки (например, эффективное натяжение, гидродинамическая нагрузка, внутренний поток флюида, структурное демпфирование и т.д.);
• руководство по глобальному расчету для обеспечения согласованности с требованиями руководящих принципов;
• современный обзор последних разработок в отношении методов расчета, представляющих особый интерес для глубины месторождения в системах райзеров (например, связанного расчета плавучей установки/гибких конструкций).

В.1.1.2 Общая цель настоящего документа заключается в поддержке практической реализации форматов КНиУ и WSD и предоставлении справочной информации для выбора адекватного метода расчета.

В.1.1.3 Документ не следует рассматривать как самодостаточный документ по расчету, а скорее, как введение в основные принципы и более подробное руководство по отдельным важным темам. Функциональное описание и расширенное использование ссылок применяются для описания удовлетворительно установленных процедур, общих методов и принятой практики моделирования (руководящие принципы, справочники и технические документы).

В.1.1.4 Более подробное техническое описание, а также руководство по моделированию таких компонентов, как натяжитель, гибкая муфта, звено напряжения, кольцевой превентор и т.д., приводится в [8], разделы А.2, А.6.2, А.6.4.2, А.6.3.5 и А.6.5. Моделирование множественных трубчатых поперечных сечений в глобальном расчете в соответствии с [8], разделы А.6.4.4.1 и А.6.5.1.

В.2 Физические свойства систем райзера

В.2.1 Общие положения

В.2.1.1 Цель этого раздела — дать краткий обзор характерных физических свойств и управления нелинейностями систем райзера. Такая информация имеет решающее значение при выборе стратегии расчета для описания статического и динамического поведения, когда система подвергается нагрузке от окружающей среды из-за течений, волн и движений плавучих установок.

В.2.1.2 Основными функциональными требованиями к морским райзерам являются передача флюида и газа между морским дном и плавучей установкой, а также возможность транспортировки различных инструментов для эксплуатации скважин. Таким образом, райзеры обычно группируются в следующие категории, отражающие область применения:

• райзеры для бурения;
• райзеры для капитального ремонта/заканчивания;
• райзеры для экспорта/закачивания;
• добычные райзеры.

Эти категории отличаются по отношению к типичным размерам, поперечному составу, типам работы, функциональным требованиям и условиям расчетной нагрузки.

В.2.1.3 Райзеры обычно работают от плавучих установок. Основной проблемой при выборе общей конфигурации райзера является то, как движение плавучих установок должно поглощаться системой райзера. Поэтому удобно различать райзеры верхнего натяжения и совместимые райзеры, чтобы отразить принцип, применяемый для поглощения движений плавучих установок. Характеристические свойства этих основных категорий райзеров обсуждаются отдельно ниже.

В.2.1.4 Существует также значительный потенциал для гибридных конфигураций райзеров, который эффективно сочетает свойства натяжных и совместимых райзеров, примеры приведены.

В.2.2 Райзеры верхнего натяжения

В.2.2.1 Вертикальные райзеры, поддерживаемые верхним натяжением в сочетании с граничными условиями, которые допускают относительные движения райзера/плавучей установки в вертикальном направлении, обозначаются как райзеры верхнего натяжения. Кроме того, райзер вынужден следовать за движением горизонтальной плавучей установки в одном или нескольких местах. Предназначенное (идеализированное) поведение заключается в том, что приложенное верхнее натяжение должно поддерживать постоянное целевое значение независимо от движения плавучей установки. Следовательно, эффективное распределение натяжения вдоль райзера в основном определяется функциональной нагрузкой из-за приложенного верхнего натяжения и действительного веса райзера. Относительное движение райзера/плавучей установки в вертикальном направлении обычно обозначается штрихом. Прикладное верхнее натяжение и мощность удара являются основными параметрами конструкции, определяющими механическое поведение, а также диапазон применения. Райзеры верхнего натяжения применимы для всех функциональных целей, как упомянуто выше, и, следовательно, будут представлять собой привлекательную альтернативу для плавучих установок с относительно небольшим движением вертикальной качки (например, TLP, платформы Spar, глубоководные плавучие установки и полупогружные устройства).

В.2.2.2 Райзеры верхнего натяжения, работающие от TLP, и полупогружные устройства снабжены отдельной (гидравлической) системой компенсации вертикальной качки для учета движений плавучей установки и в то же время поддерживают постоянное целевое значение для приложенного верхнего натяжения. Изгибающие моменты в основном вызваны горизонтальными движениями плавучей установки и поперечной нагрузкой из-за течения и волнового воздействия. Явный пик в распределении изгибающего момента обычно наблюдается вблизи волновой зоны.

В.2.2.3 Альтернативное решение используется для платформ Spar, где верхнее натяжение получается из модулей плавучести, прикрепленных вдоль верхней части райзера внутри буровой шахты. В систему райзера вводится несколько опор, чтобы ограничить движение райзера в поперечном направлении корпуса. В продольном направлении нет ограничений (кроме сил трения), позволяющих корпусу двигаться относительно системы райзера. Изгибающие моменты в райзерах, работающие от платформы Spar, обусловлены главным образом результирующим движением горизонтального корпуса, а также гидродинамической нагрузкой от погребенной воды в буровой шахте. Выраженные пики в распределении момента изгиба обычно находятся в местах поддержки.

В.2.2.4 Статическое и динамическое поведение райзеров верхнего натяжения в значительной степени регулируется приложенным верхним натяжением. Действительный вес системы райзера определяет нижнее ограничение для приложенного верхнего натяжения, чтобы избежать сжимающего эффективного натяжения в райзере в статическом положении. Однако необходимо учитывать значительное более высокое натяжение, чтобы принимать во внимание несовершенные механизмы натяжения и допускать избыточность в случае частичной потери верхнего натяжения. Увеличенное верхнее натяжение также может быть применено для уменьшения вероятности столкновения в схеме размещения райзеров и ограничения средних углов в нижней части райзеров. Приложенное верхнее натяжение обычно указывается в терминах увеличения по отношению к действительному весу системы райзера, также обозначаемого как перетяжка. Необходимая перегрузка зависит от системы с типичным диапазоном 30 — 60%.

В.2.2.5 Стальные трубы традиционно применяются для обычных глубин месторождения. Предлагаются титановые и композитные трубы для применения в глубокой воде, чтобы поддерживать требования верхнего натяжения на приемлемом уровне. Стальные райзеры с прикрепленными модулями плавучести могут альтернативно применяться для глубин месторождения.

В.2.2.6 Состав поперечного сечения зависит от функциональных применений. Бурильные колонны для экспорта, импорта и низконапорные обычно представляют собой однотрубные райзеры. Многотрубные поперечные сечения обычно можно найти в высоконапорных колоннах для бурения и ремонта скважин, а также в добычных райзерах.

В.2.2.7 Коническое соединение, гибкая муфта или кольцевые превенторы применяются для уменьшения изгибающих напряжений при оконечном присоединении к морскому дну. Гибкая муфта или кольцевые превенторы могут быть применены для уменьшения изгибающих напряжений при оконечном присоединении к плавучей установке. Коническое соединение может также быть включено в киль Spar и других глубоководных плавучих установок.

В.2.3 Соответствующие конфигурации райзеров

В.2.3.1 Соответствующие конфигурации райзеров предназначены для поглощения движений плавучих установок путем изменения геометрии без использования систем компенсации вертикальной качки. Соответствующие райзеры в основном применяются в качестве добычных райзеров, райзеров для экспорта закачивания. Необходимая гибкость системы — это обычная глубина месторождения, обычно достигаемая за счет размещения несвязанных гибких труб в одной из «классических» совместимых конфигураций райзеров: Крутой S, Легкий S, Крутая волна, Легкая волна, Гибкая волна или Свободная подвеска (контактная).

В.2.3.2 В глубине месторождения, однако, также возможно организовать металлические трубы в соответствии с конфигурациями райзеров.

В.2.3.3 Соответствующие системы райзера обычно испытывают значительно большие статические и динамические отклонения по сравнению с райзерами верхнего натяжения. Характеристики движения плавучей установки во многих ситуациях будут решающими для изменения динамического натяжения и момента вдоль райзера (например, TLP, полупогружных установок, судов). Следовательно, нагрузки от воздействия окружающей среды также будут вызывать большую озабоченность в отношении совместимых конфигураций. Критические расположения на совместимых райзерах обычно представляют собой волновую зону, изгибы скребков и провисания, область касания морского дна и на концах до жестких конструкций.

В.2.3.4 Титан может задавать некоторые преимущества относительно стали для некоторых из этих конфигураций. Это связано с низким модулем упругости (вдвое меньше, чем у стали), что подразумевает более высокую степень гибкости. Кроме того, предел текучести обычно выше, чем для стали, а удельный вес намного ниже (около половины веса стали).

В.2.3.5 Контактирование жестких конструкций является существенной проблемой расчета для совместимых конфигураций райзеров. Возможными решениями являются тщательно продуманный элемент изгиба, кольцевой превентор или гибкая муфта. Основным требованием расчета является ограничение кривизны изгиба и напряжений в трубах, требование вторичной конструкции — минимизировать усилия на несущей конструкции.

В.2.4 Нелинейности

В.2.4.1 Основное понимание важных нелинейностей систем райзера имеет жизненно важное значение для моделирования системы, а также для выбора приемлемого подхода глобального расчета. Нелинейности также будут решающими для статистических характеристик отклика для систем, подверженных нерегулярной нагрузке. Существенным вопросом является то, как нелинейные свойства системы райзера и гидродинамические механизмы нагружения преобразуют возбуждение гауссовой частоты волны (т.е. волны и движение плавучей установки первого порядка) в негауссовые отклики системы. Важные нелинейности, которые всегда следует тщательно рассматривать, можно резюмировать следующим образом:

а) геометрическая жесткость (т.е. вклад от эффективного натяжения к поперечной жесткости). Следовательно, вариация натяжения является нелинейным эффектом для райзеров;

б) гидродинамическая нагрузка. Нелинейности вносят квадратичный член сопротивления в уравнении Морисона, выраженный относительной скоростью структуры жидкости, и путем интегрирования гидродинамического нагружения в фактическую высоту поверхности;

в) большие повороты в трехмерном пространстве;

г) материальные нелинейности;

д) контактные проблемы с точки зрения контакта с морским дном (изменение местоположения точки касания и силы трения) и контакт корпуса/гибкой конструкции.

В.2.4.2 Относительная важность этих нелинейностей сильно зависит от системы и возбуждения. Нелинейности из-за пунктов а) и б) будут, по крайней мере до некоторой степени, всегда присутствовать. Пункт в) имеет значение для двухосевого изгиба, обусловленного как плоскостным, так и внеплоскостным возбуждением, г) и д) - более системными нелинейными эффектами.

В.3 Глобальный расчет системы райзера

В.3.1 Цель глобального расчета

В.3.1.1 Цель глобальных расчетов системы райзера — описать общее статическое и динамическое структурное поведение, подвергая систему стационарному условию нагрузки от воздействия окружающей среды. В таких расчетах применяется общее описание поперечного сечения в терминах результирующих отношений силы/перемещения (осевая сила по отношению к осевому удлинению, изгибному моменту по отношению к кривизне и крутящему моменту, в зависимости от угла поворота). Соответствующие глобальные значения откликов можно сгруппировать в следующие основные категории:

• возникающие поперечные усилия (эффективное натяжение, изгибающие моменты, крутящий момент);
• общие отклонения райзера (кривизна, удлинение, угловая ориентация);
• общее положение райзера (координаты, передвижения, расстояние до других сооружений, положение точки касания морского дна и т.д.);
• опорные силы при оконечном присоединении на жесткие конструкции (возникающая сила и моменты).

Эти величины отклика даются непосредственно как результат глобального расчета райзеров. Следует отметить, что частотное содержание во всех количествах откликов может быть WF или объединенным WF и LF, в зависимости от стратегии расчета, применяемой в глобальном расчете откликов.

В.3.1.2 Последующий подробный расчет поперечного сечения для определения локальных напряжений и деформаций может быть выполнен с использованием результирующих сил поперечного сечения из глобального расчета в качестве граничных условий и с учетом возможной нагрузки внешнего/внутреннего давления. Детальный расчет компонентов также может быть выполнен путем применения результирующих сил и деформаций, полученных в результате глобальных расчетов, в качестве граничных условий в локальных квазистатических расчетах (например, с использованием гибкой муфты, конического соединения и расчета жесткости).

В.3.1.3 Процедуры для оценки проверок емкости КНиУ для комбинированной загрузки рассматриваются отдельно в приложении Б.

В.3.2 Общие вопросы по моделированию/расчету

В.3.2.1 Метод конечных элементов (КЭ) обычно рекомендуется для глобального расчета системы райзера. Наиболее важные функции, необходимые для адекватного моделирования и расчета систем на глубине месторождения, в целом можно резюмировать следующим образом:

• 3D-формулировка, позволяющая неограниченные переводы и вращения;
• обычные мелкодисперсные тонкостенные балочные и стержневые элементы, в том числе материально-геометрическая жесткость, и учитывающие нелинейные свойства материала;
• контактные составы для морского дна и райзера и корпуса/райзера;
• адекватная структурная демпфирующая композиция;
• гидродинамическая нагрузка по уравнению Морисона, выраженная относительной скоростью воды и конструкции и ускорением;
• регулярная и нерегулярная загрузка из-за волн и движений плавучей установки;
• текущее моделирование;
• специальные функции, позволяющие эффективно моделировать такие компоненты, как вертлюги, шарниры, модули плавучести, веса скоплений, гибкие муфты и т.д.;
• нелинейный статический расчет;
• динамический расчет в нелинейной временной области.

В.3.2.2 Усилия по вычислению нелинейного динамического расчета во временной области с учетом деталей общей модели отклика восходящего потока могут быть существенными. Это, в частности, относится к нерегулярным расчетам, где требуется довольно длительное моделирование для оценки экстремальных откликов с достаточной статистической достоверностью. Поэтому желательно применять упрощенные стратегии расчета в качестве дополнения к общему передовому подходу для достижения более эффективного компьютерного расчета.

В.3.2.3 Основная стратегия получения эффективных расчетов заключается в использовании упрощенной модели отклика и/или использовании упрощенных временных методов расчета КЭ, таких как 2D-составы и линеаризованные динамические расчеты во временной и частотной областях, см. С 500 для описания.

В.3.2.4 Неопределенности модели всегда будут присутствовать при численном моделировании морских структур. Отклонения от неизвестного «истинного» отклика будут зависеть от метода расчета, а также от модели отклика. Упрощения, введенные для достижения более эффективных расчетов, в большинстве случаев приводят к повышенной неопределенности модели. Таким образом, решение, касающееся компромисса между вычислительной эффективностью и неопределенностью модели, всегда будет приниматься во внимание при выборе стратегий для экономически эффективного расчета. Вопросы, которые часто необходимо учитывать в процессе принятия решений, кратко описаны следующим образом:

• приемлемая точность зависит от цели расчета, т.е. требуемой точности расчета. Эта «целевая точность» зависит от цели, для которой будут использоваться результаты;
• приемлемая потеря точности путем введения упрощенного подхода должна рассматриваться в связи с другими неопределенностями (например, неопределенности, связанные с моделированием нагрузки от окружающей среды, движением плавучей установки, свойствами поперечного сечения, контролем натяжения и т.д.). Стандартный подход, часто применяемый в практических расчетах, основан на технических оценках и опыте, которые могут быть поддержаны некоторыми простыми параметрическими исследованиями;
• многочисленные упрощенные расчеты обычно дают больше информации об общем статическом и динамическом поведении системы по сравнению с уменьшенным числом расширенных расчетов. При наличии ограниченных компьютерных ресурсов это всегда следует учитывать при принятии решения о стратегии расчета. Различные выводы могут быть сделаны в зависимости от объема работ (технико-экономическое обоснование, предварительный расчет, детальный расчет, окончательная проверка). Простые методы, позволяющие расширить область расчета, привлекательны на раннем этапе расчета, в то время как более специализированный расширенный расчет выявленных критических состояний более интересен на заключительных этапах;
• длительность моделирования, используемая при стохастических расчетах, имеет решающее значение для получения достаточной уверенности в оценках экстремальных откликов. Можно показать, что статистическая неопределенность примерно будет уменьшена пропорционально квадратному корню из длины моделирования. Преимущество длительного упрощенного моделирования в сравнении с уменьшенной длительностью моделирования с использованием более продвинутого инструмента должно быть тщательно рассмотрено, если доступные ресурсы компьютера ограничены.

В.3.3 Статический расчет методом конечных элементов

В.3.3.1 Цель статического расчета — установить статическую равновесную конфигурацию из-за статической нагрузки (вес, плавучесть, верхнее натяжение, течение) для заданных расположений концевых выводов на жесткие конструкции (например, оконечное присоединение к морскому дну и плавучей установке). Статический расчет всегда является первым шагом в общем расчете райзеров и определяет отправную точку для последующих расчетов на основе собственных и динамических характеристик. Расчет статических райзеров обычно выполняется с использованием нелинейного подхода КЭ. Следуя стандартной терминологии КЭ, удобно различать следующие основные компоненты загрузки:

а) объемные усилия (вес и плавучесть);

б) заданные усилия (например, приложенное верхнее натяжение);

в) предписанные перемещения (перемещение терминальных точек от напряжений до заданных положений);

г) усилия перемещения (текущее нагружение).

В.3.3.2 Каждый из этих компонентов нагрузки является стандартным КЭ подхода, применяемым с шагом одного или нескольких нагрузок, начиная от начальной конфигурации без напряжения (т.е. определение, использующее название эталонной конфигурации, определяющей состояние без напряжения), чтобы получить статическую конфигурацию райзера. Статическое равновесие обеспечивается равновесной итерацией при каждом приращении нагрузки.

Компоненты нагрузки предназначены для совместимых конфигураций райзеров, которые часто применяются один за другим в порядке а) - в) - г) [б) не имеет значения для совместимых конфигураций райзеров] или, в качестве альтернативы, а), за которым следует одновременное применение в) и г).

Ситуация несколько отличается для райзеров верхнего натяжения, где действительный вес системы райзера переносится приложенным верхним натяжением. Для этого требуется, чтобы б) применялось до или одновременно с а), чтобы избежать проблем с неустойчивостью, если вертикальная модель райзера сделана, чтобы свободно переводить вертикально на верхний конец.

Эти примеры иллюстрируют, что порядок применения определенных компонентов нагрузки может быть решающим для эффективности и стабильности процедуры статического решения. Примените порядок нагрузки для ее тщательного изучения, чтобы избежать проблем с нестабильностью.

В.3.4 Расчет собственных значений конечных элементов

В.3.4.1 Расчет собственных значений используется для определения собственных частот и собственных режимов системы райзера. Расчет представляет собой фундаментальную проверку динамических свойств системы райзера и всегда должен рассматриваться как первый шаг в динамическом системном расчете. Расчет на основе собственных значений представляет особый интерес для раннего этапа расчета райзеров натяжения на глубине месторождения, работающих на платформах Tension leg и Spar, чтобы избежать нежелательной динамики резонанса.

В.3.5 Динамический расчет методом конечных элементов

В.3.5.1 Райзеры, система удержания и плавучая установка содержат интегрированную динамическую систему, реагирующую на нагрузку от воздействия ветра, волн и течения сложным образом. Взаимный статический и динамический расчет всей системы в общем случае необходим для установления движений систем плавучих установок на глубине месторождения с точки зрения среднего положения и комбинированных волновых и низкочастотных движений. В таких расчетах обычно будет достаточно применить довольно грубую модель гибкой конструкции (см. В.4) для введения в связанный расчет.

В.3.5.2 Однако общий расчет системы райзера, как правило, выполняется с учетом вынужденного возбуждения из-за движений частотных волн (WF), а также текущей нагрузки. Движения WF плавучей установки вычисляются в частотной области. Репрезентативная средняя позиция плавучей установки, учитывающая средние силы окружающей среды, а также низкочастотные (LF) движения, обычно применяется при расчете системы райзера. Следует, однако, отметить, что описанный подход применим только к системам райзера, которые не реагируют динамически на движения LF плавучей установки. Комбинированные WF и LF, инициируемые движениями судна, должны учитываться при расчете райзера, если на динамику райзера значительное влияние оказывает низкочастотное возбуждение.

В.3.5.3 Обработка нелинейностей является отличительной чертой среди доступных методов расчета. Исходя из выявленных нелинейностей очевидно, что характеристики отклика систем райзера в целом являются негауссовыми. Следовательно, расчет во временной области является основным методом расчета, особенно в отношении прогнозирования экстремальной реакции.

В.3.5.4 Общепринятые динамические методы расчета КЭ, обработка нелинейностей и основная область применения суммируются в следующем:

• нелинейный расчет во временной области, основанный на пошаговом численном интегрировании уравнений инкрементного динамического равновесия. На каждом временном шаге применяется инерция равновесия типа Ньютона-Рафсона. Нелинейный подход даст адекватное описание всех нелинейных эффектов и, следовательно, даст хорошее представление возможного негауссового отклика. Нелинейные симуляции, как правило, потребуются для систем, подвергающихся большим перемещениям, вращениям или изменениям натяжения, или в ситуациях, когда важное значение имеет описание переменного касания или существенных нелинейностей;
• линеаризованный расчет во временной области, основанный на линеаризации уравнений динамического равновесия относительно сил жесткости, демпфирования и инерции в положении статического равновесия (т.е. структурная линеаризация). Это означает, что системная жесткость, демпфирование и массовые матрицы сохраняются постоянными на протяжении всего расчета и что вектор перемещения системы может быть найден простой обратной подстановкой на каждом временном шаге. Однако нелинейная гидродинамическая нагрузка по уравнению Морисона по-прежнему включена. Линеаризованный подход намного эффективнее нелинейного расчета и, следовательно, является привлекательной альтернативой, когда гидродинамическая нагрузка является основным нелинейным фактором. Типичным примером является расчет райзеров натяжения с умеренными поперечными отклонениями;
• расчет в частотной области, основанный на линеаризации жесткости, демпфирования, инерции и внешних сил в положении статического равновесия (т.е. линеаризации конструкции и нагружения). Для нерегулярного расчета требуется стохастическая линеаризация для суммарного нагружения волны/течения. Расчет в частотной области всегда будет давать гауссовский отклик и, следовательно, вообще не рекомендуется для прогнозирования экстремального отклика. Основной областью применения являются расчеты усталости и статистика долгосрочного отклика для определения условий расчета, которые должны применяться при расчете во временной области.

Время вычисления мало по сравнению с расчетом во временной области.

Эти методы могут давать значительно разные результаты, в зависимости от фактических характеристик системы, для примеров применения для райзеров верхнего натяжения TLP-установки, добычного райзера/райзера закачивания.

В.4 Расчет соединенной плавучей установки/гибкой конструкции

В.4.1 Общие положения

В.4.1.1 Плавучие установки, райзеры и якорные оттяжки представляют собой интегрированную динамическую систему, отвечающую за нагрузку на окружающую среду из-за ветра, волн и течения сложным образом. Нагружение от течения и демпфирование из-за гибкой конструкции (т.е. райзеров, тросов и якорных оттяжек) могут существенно влиять на движения низкочастотных плавучих установок на глубине месторождения для швартовных систем. Последовательная обработка этих эффектов сцепления является решающей для компетентного прогнозирования движений плавучей установки, а также для реакции гибкой конструкции на некоторую обстановку на глубине месторождения, например на наличие слабых и натянутых платформ FPSO. Этот раздел посвящен обсуждению методологий расчета для всей системы, включающей полностью связанный системный расчет, связанный расчет движения плавучей установки, а также традиционный несвязанный расчет движения плавучей установки. Расчет движения плавучей установки и детальный расчет гибкой конструкции выполняются отдельно в двух последних подходах для достижения более эффективных вычислений.

Более подробное обсуждение методов расчета полной системы.

В.4.1.2 Обсуждение связанного расчета в основном сосредоточено на применении к нелинейным системам (например, функции восстановления нелинейных линий гибких конструкций) со значительными движениями LF плавучей установки. Предполагаемая область применения обычно сопряжена с расчетом платформ FPSO и Spar. На LF движения этих систем значительное влияние могут оказывать соединения с гибкой конструкцией.

В.4.2 Расчет соединения систем

В.4.2.1 Все соответствующие влияния соединения могут быть последовательно представлены с использованием полного расчета соединения, в котором модель силового воздействия вводится в детальную модель конечного элемента (КЭ) полной системы гибкой конструкции, включая все якорные оттяжки и райзеры. Нелинейный расчет во временной области с учетом нерегулярной частоты волны (WF) и низкочастотной (LF) нагрузки от окружающей среды обычно необходим, чтобы обеспечить адекватное представление динамики, связанной с плавучей установкой/гибкой конструкцией на нелинейных системах. Следует отметить, что этот подход дает динамическое равновесие между силами, действующими на плавучую установку, и откликом тонкой структуры в каждый момент времени. Поэтому нет необходимости в оценке низкочастотного затухания от гибкой конструкции, поскольку этот вклад автоматически включается в реакцию гибкой конструкции. Результатом таких расчетов будут движения плавучей установки, а также подробное описание реакции гибкой конструкции (например, натяжение в якорных оттяжках, а также натяжение, момент, сдвиг, кривизна и перемещение в райзерах).

В.4.2.2 Усилия, требуемые для комплексного расчета системы, с учетом детальной модели гибкой конструкции, включая все якорные оттяжки и райзеры, являются существенными и поэтому должны рассматриваться главным образом как инструмент для окончательной проверки.

В.4.2.3 Для обеспечения более эффективной и гибкой схемы расчета рекомендуется предложить совместный расчет движения плавучей установки в сочетании с последующим расчетом гибкой конструкции, как описано в В.4.3 и В.4.4. Благодаря тщательному моделированию этот подход позволяет прогнозировать движения плавучей установки и детальный отклик гибкой конструкции с такой же точностью, как и полный системный расчет.

В.4.3 Эффективные стратегии расчета с учетом сочетания

В.4.3.1 Для достижения вычислительной эффективности можно предложить несколько стратегий. Все стратегии имеют общий характер, расчет движения по плавучей и гибкой конструкции выполняется отдельно. Первым шагом всегда является расчет движения плавучей установки. Вычисляемые движения плавучей установки затем применяются в качестве нагрузки в терминах принудительных перемещений границ в последующем расчете по гибкой конструкции. Риски и критически нагруженные якорные оттяжки рассчитываются один за другим в расчете по гибкой конструкции, что способствует гибкости вычислений, а также значительному сокращению времени вычисления.

В.4.3.2 Наиболее прямым способом продолжения является применение временных рядов объединенных движений WF и LF плавучей установки, вычисленных с помощью расчета движения плавучей установки, в качестве граничных условий при расчете гибкой конструкции, как показано на рисунке В.1 (ветвь a). Этот подход также будет учитывать возможную динамику гибкой конструкции LF, а также влияние отклика LF (возможно, квазистатического) на отклик WF. Такие эффекты могут иметь значение для некоторых глубоководных якорных оттяжек и конструкций райзеров.

Рисунок В.1 — Расчет движения плавучей платформы

В.4.3.3 Традиционные допущения могут быть альтернативно применены с учетом движений WF плавучей установки как динамического возбуждения, в то время как движения LF плавучей установки учитываются дополнительным перемещением, см. рисунок В.1 (ветвь b). Следовательно, предполагается, что гибкая конструкция квазистатически реагирует на движения LF плавучей установки.

В.4.3.4 В отношении подхода к расчету репрезентативного перемещения плавучей установки ссылка делается (см. [17], пункт 6.2.2).

В.4.3.5 Обработка эффектов связи в расчете движения плавучей установки является решающей для обоснованности этого подхода. Движения плавучей установки можно моделировать с использованием связанного или несвязанного подхода, как описано в В.4.4 и В.4.5 соответственно.

В.4.4 Связанный расчет движения плавучей установки

В.4.4.1 Основная цель связанного расчета движения плавучей установки заключается в том, чтобы дать хорошее описание движений плавучей установки, подробный отклик гибкой конструкции является вторичным. Поэтому может быть предложено применить довольно грубую модель КЭ расчета гибкой конструкции (приблизительная сетка, отсутствие жесткости при изгибе и т.д.) в связанном расчете, захватывающем основные эффекты связи (восстановление, демпфирование и масса). Метод численного решения, а также модель силы плавучего потока, однако, идентичные подходу, примененному в связанном системном расчете, как описано выше.

В.4.4.2 Этот подход дает значительное сокращение времени вычисления из-за уменьшения числа степеней свободы в связанных расчетах. Тематические исследования систем якорных оттяжек на глубине месторождения позволяют точно предсказать движения плавучей установки с приемлемым временем вычисления с использованием упрощенного моделирования гибких конструкций.

В.4.5 Несвязанный расчет движения плавучей установки

Целью этого подхода является вычисление движений плавучего тела с неподвижным корпусом, учитывающее статическую, низкочастотную и частотную нагрузку от окружающей среды. Движения LF вычисляются пошаговым численным интегрированием во временной области, а WF движения обычно вычисляются в частотной области.

В.4.5.1 Модель усилия плавучей установки идентична модели, примененной в связанных расчетах, как описано выше. Гибкие конструкции представлены в упрощенном виде с точки зрения характеристик статической восстанавливающей силы и постоянного вязкого затухания LF. Характеристики восстановительной силы могут включать воздействия текущей нагрузки на гибкие конструкции. В противном случае можно учитывать текущую нагрузку на гибкие конструкции в терминах эквивалентного постоянного усилия, действующего на плавучую установку. Время вычисления мало по сравнению с расчетом движения связанных плавучих установок.

В.4.5.2 Оценка затухания LF для фактического состояния окружающей среды имеет решающее значение для расчета движения LF плавучей установки. Эта информация может быть извлечена из модельных испытаний полной системы или из связанного расчета движения плавучей установки, как описано в В.4.3.3. Было установлено, что для получения адекватных оценок демпфирования требуется время, охватывающее примерно 20 — 25 циклов движения LF, для получения дополнительной информации. Следует, однако, подчеркнуть, что затухающий вклад от гибких конструкций для некоторых систем чувствителен к возбуждению от окружающей среды. Поэтому оценка демпфирования предпочтительно должна основываться на тех же условиях окружающей среды, которые рассматриваются в расчете движения с отключенным движением.

В.4.5.3 Эффективный расчет и последовательная обработка эффектов связи могут, следовательно, быть достигнуты путем разделения расчета движения плавучей установки на довольно «короткое» связанное моделирование движения плавучей установки и ее «длительное» делящееся движение. Затухание LF, оцененное по связанному расчету движения плавучей установки, применяется в расчете движения с отключенным движением плавучей установки для обеспечения последовательной обработки эффектов связи. Кроме того, расчетный эффективный дезадаптированный подход позволяет длительному моделированию достичь требуемой статистической достоверности.

В.5 Гидродинамическое нагружение гибких конструкций

В.5.1 Общие положения

В.5.1.1 Гидродинамическое нагружение гибких конструкций может быть выражено уравнением Морисона в терминах относительной конструкционной скорости и ускорения потока флюида. Векторы конструкционной скорости и ускорения потока флюида находятся в подходе КЭ, известном в глобальной системе отсчета. Скорости текучести и векторы ускорения можно найти, учитывая соответствующие вклады от кинематики волн (регулярные или нерегулярные, невозмущенные или возмущенные), течения (постоянная скорость, скорость и ускорение) или кинематики буровой шахты. Последнее требует особого внимания и обсуждается отдельно ниже.

В.5.1.2 Гидродинамическое нагружение в нормальном и касательном направлениях райзера обычно вычисляется независимо в соответствии с так называемым принципом поперечного потока (или независимости). Такой подход требует, чтобы векторы конструкционной скорости и ускорения потока флюида разлагались в мгновенном нормальном и касательном направлениях трубы.

В.5.1.3 Формулировка компонента нормальной нагрузки зависит от фактической формы поперечного сечения. Поэтому уравнение Морисона обсуждается отдельно для круглых и двусимметричных сечений, которые охватывают большинство ситуаций, представляющих практический интерес.

В.5.1.4 Гидродинамическое нагружение в соответствии с формулировкой Морисона является основным источником нелинейности в характеристиках отклика гибких конструкций. Следовательно, обработка нагружения по типу Морисона является существенной проблемой при выборе метода расчета (см. В.3). Однако важно также иметь в виду, что на собственные типы колебаний и собственные значения системы влияет добавленный массовый член в уравнении Морисона. Поэтому добавленные массовые члены должны быть тщательно оценены как часть расчета собственных значений, чтобы провести компетентную оценку управляющих собственных методов и собственных периодов системы (например, добавленная масса воздушных катеров для систем райзера Spar).

В.5.2 Уравнение Морисона для круглых поперечных сечений

Уравнение Морисона для круглых поперечных сечений может быть выражено как

(В.1)

где fn — усилие на единицу длины в обычном направлении;

ft — усилие на единицу длины в тангенциальном направлении;

\rho — плотность воды;

Db — диаметр плавучести (т.е. эквивалентный диаметр для описания результативной плавучести на общее поперечное сечение райзера);

Dh — гидродинамический диаметр;

vn, \dot{v}_{n} — скорость флюида и ускорение в нормальном направлении;

r_{n} , \dot{r}_{n} — конструкционная скорость и ускорение в нормальном направлении;

C_{D}^{n} , C_{M}^{n} — коэффициенты перетаскивания и инерции в нормальном направлении;

vt, v_{t} — скорость и ускорение флюида в тангенциальном направлении;

r_{t} , \dot{r}_{t} — конструкционная скорость и ускорение в тангенциальном направлении.

C_{D}^{t} , C_{M}^{t} — коэффициенты перетаскивания и инерции в тангенциальном направлении.

В.5.2.1 Кроме того, CA = CM — 1 определяется как добавленный коэффициент массы. Два первых члена находятся в реализациях КЭ, включенных во внешний вектор нагрузки, в то время как последний термин (добавленный термин массы) включен в матрицу массы. Следовательно, важно наблюдать собственные типы колебаний, а на собственные периоды системы будет влиять добавленный член массы.

В.5.2.2 Описанная формулировка применима к гладкой круглой трубе, а также к эквивалентным круглым образцам труб (например, равномерно распределенные круглые цилиндрические плавучие элементы на круглой трубе, как показано на рисунке В.2). Однако принцип перетока в последнем случае несколько сомнительный, и особое внимание следует уделить выбору гидродинамических коэффициентов, пункт В.4.2.2.

Рисунок В.2 — Труба с прикрепленными элементами плавучести

В.5.3 Уравнение Морисона для двойных симметричных сечений

В.5.3.1 Уравнение Морисона можно распространить на двойные симметричные сечения путем разложения нормальных скоростей и ускорений в направлении осей симметрии локального поперечного сечения. Эти локальные оси симметрии обозначаются y и z в последующем и показаны на рисунке В.3.

Рисунок В.3 — Определение локальных поперечных сечений

В.5.3.2 Компоненты усилия в тангенциальном и нормальном y и z направлениях могут быть выражены как

(В.2)

где fny, fnz — усилие на единицу длины в нормальных y и z направлениях;

ft — усилие на единицу длины в тангенциальном направлении;

\rho — плотность воды;

Ab — площадь поперечного сечения плавучести;

Dhy, Dhz — гидродинамический диаметр (то есть проекция) в нормальных y и z направлениях;

Dht — гидродинамический опорный диаметр в тангенциальном направлении;

vny, \dot{v}_{ny} — скорость и ускорение флюида в нормальном y направлении;

vnz, \dot{v}_{nz} — скорость флюида и ускорение в нормальном z направлении;

vt, v_{t} — скорость и ускорение флюида в тангенциальном направлении;

r_{ny} , \dot{r}_{ny} — конструкционная скорость и ускорение в нормальном y направлении;

r_{nz} , \dot{r}_{nz} — конструкционная скорость и ускорение в нормальном z направлении;

r_{t} , \dot{r}_{t} — конструкционная скорость и ускорение в тангенциальном направлении;

C_{D}^{ny} , C_{M}^{ny} — коэффициенты перетаскивания и инерции в нормальном y направлении;

C_{D}^{nz} , C_{M}^{nz} — коэффициенты тяги и инерции в нормальном z направлении;

C_{D}^{t} , C_{M}^{t} — коэффициенты сопротивления и инерции в тангенциальном направлении.

В.5.3.3 Кроме того, невязкий момент на единицу длины вокруг продольной оси (т.е. тангенциальное направление) может быть выражен как

M_{t} = - m_{66}\dot{\Omega} + \rho A_{b}(C_{M}^{ny} - C_{M}^{nz})(v_{ny} - r_{ny})(v_{nz} - r_{nz}), (В.3)

где m66 — добавленный момент, а \Omega — угловая скорость. Последний термин — это Мунк-момент.

В.5.3.4 Описанная модель применима для моделирования гидродинамической нагрузки на более сложных пересечениях, таких как связки труб, комбинированные трубчатые поперечные сечения и т.д. Полученный результат, как правило, не будет следовать направлению скорости. Обратите внимание, что эта модель не применима для вращательных симметричных сечений, так как правильная формулировка Морисона не будет получена.

В.5.4 Принципы выбора гидродинамических коэффициентов

В.5.4.1 Гидродинамические коэффициенты зависят от ряда параметров:

• форма кузова;
• число Рейнольдса Re = UD/v, где U — скорость свободного потока, D — диаметр, v — кинематическая вязкость;
• число Келегана-Карпентера KC = UMT/D, где UM — амплитуда скорости свободного потока колебательного потока, а T — период колебаний;
• коэффициент шероховатости k/D, где k — характерный размер шероховатости на корпусе;
• уменьшенная скорость U/fnD, где fn — собственная частота райзера;
• относительное текущее число Uc/UM, где Uc — текущая скорость, а UM — скорость колебательного движения.

В.5.4.2 Фокус всегда должен быть выбран для выбора гидродинамических коэффициентов на консервативной стороне. В таких вопросах важно различать области, где термин перетаскивания действует как возбуждение (например, волновая зона), и области, где термин перетаскивания действует как демпфирование (например, части системы райзера, не существенно зависящие от волновой нагрузки). Чувствительно высокие/низкие значения должны выбираться для областей, где термин перетаскивания действует как возбуждение/демпфирование соответственно. Не всегда возможно резкое различие между областями с возбуждением или демпфированием. Поэтому исследование чувствительности всегда должно выполняться для поддержки рациональных консервативных предположений, когда требуется высокий уровень уверенности.

В.6 Обрастание морскими организмами

В.6.1.1 Обрастание морскими организмами на гибких конструкциях будет влиять на нагрузку с точки зрения увеличения массы, диаметра и гидродинамической нагрузки.

В.6.1.2 Данные, зависящие от участка обрастания, обычно определяются с точки зрения плотности, шероховатости и глубины изменения толщины. Характеристики обрастания морскими организмами в основном регулируются биологическими и океанографическими условиями на фактическом участке. Относительная плотность обрастания морскими организмами находится в диапазоне 1 — 1,4 в зависимости от типа организмов.

В.6.1.3 Толщина обрастания морскими организмами, которая должна быть включена в проектные расчеты, будет дополнительно зависеть от оперативных мер (например, регулярная очистка, использование противообрастающего покрытия), а также поведение конструкции (например, менее ярко выраженное обрастание морскими организмами обычно рассматривается как гибкая конструкция со значительными динамическими перемещениями).

В.6.1.4 Измерения на местах в фактическом расположении в сочетании с опытом работы на местах в отношении степени обрастания морскими организмами на аналогичных структурах будут поэтому служить эталоном для определения обрастания морскими организмами, который должен учитываться при расчете конструкции.

В.6.1.5 При расчетах КЭ рекомендуется увеличить массу, диаметр плавучести и диаметр перетаскивания в соответствии с заданным изменением глубины обрастания морскими организмами. Кроме того, гидродинамические коэффициенты должны оцениваться с учетом шероховатости, характерной для обрастания морскими организмами.

В.7 Нагружение от гидростатического давления

В.7.1.1 Нагружение из-за внешнего и внутреннего давления, действующего на секцию трубы, обычно обрабатывается с точки зрения концепции действительного веса/натяжения:

(В.4)

где Te — эффективное натяжение;

Tw — истинное натяжение стенки (то есть осевое напряжение, полученное путем интегрирования осевого напряжения над поперечным сечением);

Ao, Ai — внешние и внутренние площади поперечных сечений;

We — эффективный вес (т.е. вес погруженной трубы, включая содержимое);

mp — масса трубы;

\rho_{o} , \rho_{i} — плотности внешних и внутренних жидкостей;

g — ускорение силы тяжести;

Po, Pi — внешнее и внутреннее давление.

В.7.1.2 Гидростатическое давление действует обычно к мгновенной ориентации трубы и поэтому может быть классифицировано как неконсервативное нагружение (сопутствующая нагрузка). Основным преимуществом эффективной формулы веса/растяжения является то, что нагружение из-за гидростатического давления представлено вертикальными консервативными усилиями (т.е. неконсервативная модель усилия давления заменяется эквивалентной моделью консервативного объемного усилия). Это имеет очень важное значение для эффективности и стабильности в компьютерных реализациях, поскольку предотвращается интеграция давления по геометрии деформированной трубы.

В.7.1.3 Физическое значение эффективного натяжения можно суммировать как:

• геометрическая жесткость определяется эффективным натяжением. Это означает, что эффективное натяжение является общим параметром жесткости для подавляющего большинства гибких конструкций;
• глобальный изгиб и стабильность определяются эффективным натяжением;
• эффективная формула натяжения применима к любому жесткому поперечному сечению с общими формами (т.е. на объем поперечного сечения не влияет гидростатическое давление).

В.7.1.4 Эффективная формула натяжения также непосредственно применима к поперечным сечениям мультиплексов (т.е. к трубам внутри труб) путем суммирования эффективного натяжения и действительных весовых вкладов от всех труб.

В.8 Внутренний поток флюида

В.8.1 Общие положения

В.8.1.1 Нагрузка из-за внутреннего потока флюида обычно включается в зависимости от гидростатического давления и массового вклада в глобальные расчеты райзера.

В.8.1.2 Гидростатическое давление обрабатывается с помощью концепции действительного веса/эффективного натяжения, как описано в В.7 для статического и динамического расчета. При динамическом расчете масса рабочей жидкости, проходящей внутри, включается в действительную массу, определяемую как масса поперечного сечения, включая содержание m_{e} = m_{p} + \rho_{i}A_{i} . Следовательно, действительная масса согласуется с действительным весом (т.е. действительный вес соответствует весу погруженной действительной массы). Эта модель является формально правильной для статического и динамического расчета райзеров, транспортирующих гидростатический внутренний флюид (т.е. не рассматривается поток флюида через трубу).

В.8.1.3 Однако добавляется дополнительная нагрузка (центробежные и кориолисовые усилия) из-за внутреннего потока флюида через трубу. Значимость дополнительной нагрузки кратко обсуждается в следующих трех категориях потока флюида: постоянный поток, ускоренный равномерный поток и глобулярное движение.

В.8.2 Устойчивый поток

В.8.2.1 Постоянный поток соответствует, например, обычной добыче с однородным потоком флюида с постоянной скоростью через трубу. Влияние постоянного потока на статическую конфигурацию райзера можно обобщить как:

• постоянное течение не влияет на эффективное натяжение;
• постоянный поток вызывает увеличение истинного натяжения стенки и соответствующее осевое удлинение;
• на статическую конфигурацию влияет только осевое удлинение, вызванное постоянным потоком.

Это воздействие незначительно для совместимых конфигураций райзеров, но может иметь некоторое значение для расчета вертикального верхнего конечного положения райзеров верхнего натяжения.

В.8.2.2 Эффективное натяжение, включающее влияние устойчивого внутреннего потока флюида, может быть выражено:

T_{e} = T_{w} - A_{i}P_{i} + A_{o}P_{o} - \rho_{i}A_{i}v_{i}^{2}, (В.5)

где vi — постоянная скорость рабочей жидкости, проходящей внутри. Следовательно, устойчивый поток, очевидно, изменяет натяжение стенки аналогично внутреннему давлению, то есть увеличивая натяжение стенки и оставляя эффективное натяжение неизменным. Следует заметить, что увеличение натяжения стенки \Delta T_{W} = \rho_{i}A_{i}v^{2} не зависит от кривизны и направления потока.

В.8.2.3 Устойчивый поток флюида будет вводить дополнительную нагрузку на изогнутую трубу, подверженную динамическому возбуждению, например принудительные опорные перемещения. Для исследования этого эффекта были проведены модельные испытания погруженного U-образного гибкого шланга с учетом диапазона скоростей движения флюида и поддержки движения. Был сделан вывод о том, что динамический отклик незначительно зависит от постоянного потока флюида, что указывает на то, что этот тип загрузки имеет меньшее значение для систем райзера.

В.8.3 Ускоренный равномерный поток

В.8.3.1 Внезапный останов или начало внутреннего потока флюида вызовет ускоренный равномерный поток. Эта картина потока приведет к временному возбуждению в вертикальной плоскости системы райзера. Общий отклик на это возбуждение может быть спрогнозирован нелинейным расчетом во временной области с использованием модели нагрузки, как описано для условий в пробковом потоке в В.8.4.

В.8.4 Пробковый поток

В.8.4.1 Пробковый поток характеризуется чередующимся потоком жидких пробок и газовыми карманами. Пробковый поток «стабильного состояния» можно классифицировать гидродинамическим закупориванием или закупориванием, вызванным рельефом, определяемым профилем возвышения на участке линии потока. Тяжелый пробковый поток обычно связан с последним состоянием. Кроме того, в процессе пуска могут возникать условия переходной пробки, операционные изменения расхода и операции по переработке. Объемы пробки, видимые во время нагрузки, обычно являются наибольшими объемами пробки, наблюдаемыми при обычной эксплуатации. Дополнительное описание особенностей пробкового потока, а также обзор методов численного моделирования для прогнозирования его характеристик представлено в [18].

В.8.4.2 Пробковый поток может поэтому рассматриваться как зависящий от времени изменения скорости и плотности внутренний поток в любом месте вдоль райзера. Реализация адекватной модели нагрузки из-за таких условий потока необходима для прогнозирования общего отклика на восходящий поток из-за пробкового потока методом нелинейных расчетов во временной области. Для таких применений удобно параметризовать пробковый поток по скорости, длине и плотности каждой отдельной пробки, а также частоте пробки, определяющей временной интервал между последовательными пробками. Все эти величины вообще можно рассматривать как стохастические переменные. Кроме того, скорость, плотность и длина в общем случае будут меняться (согласно детерминированным вопросам), когда пробка проходит через райзер. Все соответствующие данные, характеризующие пробковый поток, вводятся в общий расчет откликов и обычно устанавливаются путем численного моделирования с несколькими потоками и/или лабораторных измерений, поддерживаемых опытом эксплуатации.

В.8.4.3 Модель нагрузки, учитывающая пробковый поток, в общем случае должна включать вклады, связанные с массой, весом, центробежным усилием и усилием кориолиса, когда пробки проходят через трубу (последний термин часто считается менее важным и, следовательно, опущен). Кроме того, предполагается, что движения пробкового потока и райзера могут обрабатываться независимо (т.е. поток пробки через трубу не зависит от движения райзера).

В.8.4.4 Динамические эффекты, обусловленные пробковым потоком, обычно наиболее выражены в областях вдоль райзера с высокой кривизной из-за компонента центробежной нагрузки (например, изгиб скребков/провисаний, вблизи опор, область касания морского дна). Прохождение больших пробок через газовый райзер также может привести к значительным квазистатическим изменениям конфигурации райзера из-за изменения действительного веса на массу конденсата. Кроме того, следует тщательно учитывать частоты пробок, близкие к управляющим собственным частотам системы райзера. Ожидается, что реакция из-за пробкового потока будет наиболее выраженной для конфигураций газового райзера, совместимого на глубине месторождения (например, металлических ленточных конфигураций). Поэтому возможное возбуждение пробкового потока должно всегда тщательно оцениваться для конфигураций райзеров на глубине месторождения.

В.9 Вынужденные движения плавучей установки

В.9.1.1 Вынужденные движения плавучей установки определяются как перемещения, наложенные на райзер из-за движений надводной плавучей установки. Эти принудительные перемещения могут быть введены на нескольких возвышениях на райзере в зависимости от типа плавучей установки (например, Semi, TLP, Spar, Ship).

В.9.1.2 Движения поддержки опоры могут быть получены несколькими способами, например с использованием временных рядов от испытания модели или связанных/несвязанных расчетов или результатов в частотной области. Наиболее подходящий метод (временная/частотная область) должен быть выбран в зависимости от системы райзера и плавучего объекта.

В.9.1.3 Решение в частотной области предполагает выбор подходящего квазистатического перемещения (среднее + медленно меняющееся) и пятки/наклона (например, Spar) и наложение движений частоты волны (WF). Движения WF плавучей установки обычно даются как RAO (амплитуда отклика и фазовый угол). Особое внимание должно быть уделено при передаче RAO, например, программы расчета движения в специально разработанную программу расчета райзера.

В.9.1.4 Если для определения результирующих откликов на восходящий поток важны перемещения/вращения LF, оптимальным решением является проведение расчета во временной области (включая WF и LF). Однако можно провести упрощенный расчет в частотной области для оценки откликов/значимости LF.

В.9.1.5 Высокочастотные (HF) движения (например, затухающие колебания и пружинистость для TLP) обычно не будут вызывать беспокойство для системы райзера. Это необходимо оценивать по отдельности. Как правило, высокие ускорения затухающих колебаний TLP, возможно, придется оценивать в случае тяжелых стоячих компонентов (арматур) на уровне палубы.

В.9.1.6 Наличие плавучей установки приводит к изменениям кинематики флюида (скорости, ускорения и направления). Это нарушение наиболее легко определяется с помощью программ расчета излучения/дифракции. Выходы из таких программ представляют собой RAO для кинематики от возмущения (компоненты скорости), согласующиеся с движением RAO. Для больших плавучих установок и райзеров большого объема, расположенных вблизи, например, колонн/понтонов, это возмущение должно определяться и учитываться при расчете.

В.10 Гидродинамическое нагружение в буровой шахте

В.10.1 Общие положения

В.10.1.1 Гидродинамические нагрузки на гибкие конструкции в буровой шахте буровой установки или судна должны учитываться.

В.10.2 Кинематика буровой шахты

В.10.2.1 Кинематику погребенной воды в области буровой шахты в принципе можно трактовать так же, как кинематику нарушенных волн. Такой подход требует, чтобы погребенная вода включалась в гидродинамическую модель, используемую для вычисления характеристик движения плавучей установки. Однако для таких расчетов потребуется очень тщательное моделирование для достижения реалистичной картины в случае сложной геометрии пространства буровой шахты и/или нескольких райзеров в буровой шахте. Особое внимание следует сосредоточить на возможных резонансных режимах погребенной воды.

В.10.2.2 Из-за сложности проблемы часто желательно применять упрощенную модель в практических расчетах.

Упрощенную модель кинематики буровой шахты можно получить, предположив, что погребенная вода жестко движется по корпусу. Скорость флюида и ускорение компонента затем могут быть найдены в любом месте в шахте путем несложных преобразований движений корпуса (т.е. сдвигов и поворотами в указанном месте на плавучей установке; центр тяжести, как правило, выбирают в качестве опорной точки движения). Эта формулировка применима для FD, а также для расчета TD. Последний подход позволяет обеспечить последовательную обработку кинематики буровой шахты из-за одновременных движений WF и LF плавучей установки.

Рекомендуется, чтобы модели кинематики буровой шахты проверялись на модельных испытаниях.

В.10.3 Гидродинамические коэффициенты

В.10.3.1 Неопределенность связана с гидродинамическими коэффициентами, применимыми в буровой шахте. Предполагая, что погребенная вода жестко движется по корпусу, гидродинамическая нагрузка в обычном направлении может быть выражена как:

f_{n} = \frac{1}{2} \rho C_{D}^{n}D_{h}|v_{H} - r_{n}|(v_{H} - r_{n}) + \rho \frac{\pi D_{b}^{2}}{4} \dot{v}_{H} + \rho \frac{\pi D_{b}^{2}}{4} (C_{M}^{n} - 1)(v_{H} - \dot{r}_{n}), (В.6)

где vH, \dot{v}_{H} — скорость и компоненты ускорения, обычные для райзера.

В.10.3.2 Движения райзера относительно буровой шахты в значительной степени регулируются тем, как райзер поддерживается внутри буровой шахты. Движение райзера в поперечном направлении буровой шахты, как правило, ограничивается в нескольких местах вдоль райзера (например, шпата оболочки). Поэтому сила возбуждения не очень чувствительна к значениям CD и CM из-за небольшого относительного движения между флюидом и райзером (см. уравнение выше). Для сил возбуждения регулируется вклад Froude Krylov, т.е. вклад инерции, обусловленный ускорением флюида. Поэтому точная оценка коэффициентов сопротивления и инерции может не потребоваться для адекватного моделирования гидродинамической нагрузки для этого условия поддержки. Однако значение CM влияет на собственные значения системы райзера.

В.10.3.3 Исследования чувствительности с учетом динамики райзера и собственных значений всегда должны выполняться для поддержки решений относительно выбора гидродинамических коэффициентов для получения консервативных оценок откликов. Следует также заметить, что термин «сопротивление» будет действовать как «затухание». В качестве консервативной оценки рекомендуется немного меньшее значение.

В.11 Конструкционное демпфирование

В.11.1 Общая модель демпфирования Рэлея

В.11.1.1 Модель демпфирования Рэлея, обычно принятая для описания конструкционного демпфирования:

C = \alpha_{1}M + \alpha_{2}K. (В.7)

Это означает, что общая матрица затухания (C) найдена как линейная комбинация матриц общей массы (M) и общей жесткости (K). Символами \alpha_{1} и \alpha_{2} обозначаются соответственно пропорциональные коэффициенты затухания массы и жесткости. Мотивация для принятия этой модели в основном обусловлена вычислительными удобствами. Одно из преимуществ заключается в том, что матрица затухания ортогональна по отношению к собственным векторам системы, что позволяет просто выразить коэффициент модального демпфирования \xi (т.е. демпфирование относительно критического) при угловой частоте \omega :

\xi = \frac{1}{2} (\frac{\alpha_{1}}{\omega} + \alpha_{1}\omega). (В.8)

В.11.1.2 В практических расчетах \alpha_{1} и \alpha_{2} могут быть выбраны для получения требуемых модальных коэффициентов демпфирования \omega_{i} и \omega_{j} при заданных угловых частотах \xi_{i} и \xi_{j} соответственно.

В.11.1.3 Видно, что пропорциональное демпфирование жесткости возрастает линейно с частотой. В практических приложениях \alpha_{2} выбирается так, чтобы дать реальный уровень демпфирования на доминирующей динамической частоте. Для комбинированного отклика WF и LF \alpha_{2} выбирается так, чтобы дать реалистичное демпфирование на доминирующей частоте волны (обычно пиковый период в волновом спектре). Таким образом, предлагаемая модель будет давать демпфирование в диапазоне частот волн (т.е. в динамическом диапазоне частот) и для всех практических целей не демпфирование в низкочастотном диапазоне (т.е. квазистатическом частотном диапазоне). Это считается реалистичной моделью, поскольку затухание не считается значимым для прогнозирования квазистатического низкочастотного отклика.

В.11.1.4 Модель демпфирования Рэлея применима ко всем соответствующим стратегиям глобального расчета (нелинейный и линеаризованный расчет во временной области и в частотной области). Однако применение в нелинейных расчетах во временной области требует особого внимания. Глобальные матрицы массы и жесткости будут в нелинейном расчете во временной области функцией мгновенных узловых положений и поворотов. Таким образом можно применить следующие реализации модели демпфирования Рэлея:

• обновленная формулировка, которая означает, что матрица демпфирования Рэлея основана на мгновенных матрицах массы и жесткости;
• постоянная формулировка, которая означает, что матрица демпфирования Рэлея основана на матрицах массы и жесткости в статическом положении равновесия (т.е. матрица демпфирования остается постоянной во время расчета).

В.11.1.5 Последний подход в целом рекомендуется в связи с более высокой производительностью относительно численной устойчивости и вычислительной эффективности. Это, в частности, относится к проблемам с низким эффективным натяжением с использованием модели пропорционального демпфирования жесткости. Для таких проблем обычно требуется демпфирование, чтобы стабилизировать решение, когда геометрическая жесткость теряется из-за низкого динамического эффективного натяжения. Таким образом, обновленная пропорциональная форма жесткости будет давать низкое демпфирование, когда это необходимо для стабилизации раствора.

В.11.2 Локальные демпфирующие рэлеевские модели

В.11.2.1 Глобальная модель демпфирования Рэлея, как обсуждалось в предыдущем разделе, применима ко всем общим степеням свободы и, следовательно, ограничивается определением общего реалистичного уровня конструкционного демпфирования. Однако для некоторых приложений желательно иметь более гибкие модели демпфирования. Были предложены следующие расширения модели Рэлея:

• локальное пространственное демпфирование, чтобы облегчить спецификацию различных уровней демпфирования в разных частях конструкции. В практической реализации это может быть достигнуто путем задания коэффициентов демпфирования для подмножеств элементов перед сборкой общих системных матриц;
• спецификация различных уровней демпфирования в разных локальных режимах деформации (т.е. осевые, изгибные и крутильные деформационные типы колебаний). В практической реализации это может быть достигнуто путем определения локальных коэффициентов демпфирования, связанных с осевыми, изгибными и крутильными деформациями в локальной элементной системе до преобразования и сборки глобальных системных матриц.

В.11.2.2 Локальные модели могут применяться в комбинации и использоваться в обновленных, а также постоянных демпфирующих составах, как описано в предыдущем разделе. Основным недостатком местных моделей демпфирования является то, что ортогональность по отношению к системным собственным векторам теряется. Поэтому простое выражение закрытой формы для модального демпфирования, представленное выше, формально неприменимо для определения уровня демпфирования.

Приложение Г (справочное)

ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ГЛОБАЛЬНОГО РАСЧЕТА

Г.1 Общие положения

Г.1.1 Цель

Г.1.1.1 Цель настоящего приложения — дать введение в принципы верификации компьютерной модели, применяемой в глобальном статическом и динамическом расчете конечных элементов (см. раздел 4).

Г.1.2 Введение

Г.1.2.1 Компьютерная модель системы райзера представляет собой два принципиально разных типа приближений к физической системе:

• теоретические модели;
• численные аппроксимации.

Г.1.2.2 Теоретические модели представляют собой фундаментальные предположения в отношении идеализированных моделей для физической системы. Примерами теоретических идеализаций являются модели окружающей среды (например, волновой спектр, кинематика волн Эйри и т.д.), модели нагрузки (например, уравнение Морисона, модель почвы и т.д.) и модели структурного поведения (например, модели общего поперечного сечения, структурное демпфирование Рэлея, стратегия решения и т.д.).

Г.1.2.3 Кроме того, для облегчения компьютерного решения необходимы численные аппроксимации теоретических моделей. Численное приближение обычно будет включать пространственную дискретизацию структуры в конечное число элементов, а также временную и/или частотную дискретизацию динамической нагрузки.

Г.1.2.4 Следовательно, ключевым вопросом, связанным с верификацией компьютерной модели, является обеспечение того, чтобы теоретические модели и численные аппроксимации представляли собой реальное физическое поведение системы райзера. Требуемая точность тесно связана с целью расчета (например, технико-экономические обоснования, начальное проектирование, детальное проектирование и окончательная верификация).

Г.2 Верификация теоретических моделей

Г.2.1.1 Общий расчет в целом должен проводиться с хорошо задокументированными и верифицированными компьютерными кодами для расчета гибкой конструкции. Кроме того, всегда следует сверяться с накопленным опытом, выраженным с точки зрения рекомендованной практики моделирования и расчета.

Г.2.1.2 Однако крайне важно иметь базовое физическое понимание применимости и ограничений в часто используемых теоретических моделях. Это имеет особое значение для критической оценки моделирования и расчета новых концепций и обеспечения получения адекватных результатов при применении упрощенных стратегий моделирования и расчета.

Г.2.1.3 Любое использование упрощенных стратегий расчета в целом потребует подтверждения эталона путем сравнения с более продвинутыми процедурами расчета. Примеры типичных ситуаций приведены ниже:

• следует учитывать динамические расчеты для верификации квазистатических предположений;
• линеаризованные расчеты во временной области следует подтверждать с помощью нелинейных расчетов во временной области;
• расчет в частотной области должен быть подтвержден на основе расчета во временной области;
• верификация комбинированного использования моделей глобальных и локальных квазистатических откликов по сравнению с полной моделью отклика (например, квазистатическая модель для отклика на усиление изгиба);
• эффекты сцепления с плавучей установкой/гибкой конструкцией всегда должны верифицироваться с помощью связанного расчета и/или модельных испытаний для систем швартовки на глубине месторождения. Это особенно важно для пришвартованных судов на глубоководных участках;
• несвязанный расчет движения плавучей установки должен поддерживаться связанным расчетом движения плавучей установки при выявлении значительных эффектов сцепления;
• эффекты от упрощенной обработки движений LF плавучей установки с точки зрения дополнительного перемещения должны оцениваться для концепций глубины месторождения. Статистическая корреляция, а также влияния от LF отклика на отклик WF (например, LF изменение эффективного натяжения). Такие исследования по меньшей мере должны проводиться для новых концепций глубины месторождения;
• регулярные расчеты волн должны всегда верифицироваться нерегулярным расчетом. Это особенно важно для систем, которые могут быть подвергнуты резонансной динамике;
• многие концепции райзеров чувствительны к волновой нагрузке в зоне всплеска. Влияние кинематики от возмущения из-за наличия плавучей установки должно быть тщательно оценено. Упрощенное моделирование с точки зрения корректировки гидродинамических коэффициентов должно оцениваться более совершенными методами, рассматривающими передаточные функции для кинематики волн, согласующиеся с движениями плавучей установки;
• любые упрощения моделирования конструкции для повышения вычислительной эффективности должны быть подтверждены более полной структурной моделью (например, отсутствие жесткости при изгибе, упрощенное моделирование компонентов, использование средних поперечных свойств, упрощенное моделирование граничных условий и т.д.).

Г.2.1.4 Аналитическая верификация должна проводиться, когда это возможно, для верификации моделирования и ввода параметров. Примеры простых аналитических проверок приведены ниже:

• верификация статического эффективного распределения натяжений райзеров верхнего натяжения. Эффективное распределение натяжения райзеров верхнего натяжения можно найти путем накопления действительного веса вдоль райзера. Эта проверка представляет собой верификацию массы (труба, компоненты, внутренняя жидкость и т.д.), моделирование плавучести (труба, дополнительные компоненты плавучести и т.д.) и моделирование натяжения системы;
• статическая конфигурация райзеров, совместимых с одной линией, может быть проверена с использованием уравнений контактных линий, не обращая внимания на влияние жесткости на изгиб. Решение для определения контактной конфигурации в большинстве ситуаций представляет собой близкое приближение, поскольку влияние жесткости на изгиб на общую статическую конфигурацию обычно незначительно. Однако требуется простая равновесная итерация при получении статической конфигурации (например, с использованием так называемого подхода «обстрела»). Основная цель этой проверки — верифицировать моделирование массы и плавучести, но она также даст возможность проверить форму статической конфигурации;
• собственные режимы райзеров верхнего натяжения могут быть верифицированы аналитическими расчетами. Приближенные решения даются с точки зрения выражений в конечном виде для натяжных балок и кабелей с равномерными поперечными свойствами.

Г.2.1.5 Многие ошибки моделирования можно проследить до нескольких общих проблемных областей. Ниже приводятся два важных примера:

• ввод функций переноса движения плавучей установки по амплитуде и фазовому углу (или альтернативно в сложной форме) в зависимости от частоты и направления волны, связанной с локальной системой координат плавучей установки. Определение амплитуды, фазового угла, направления волны и системы координат плавучей установки отличается от программы к программе. Обычно требуется преобразование между различными определениями для применения результатов гидродинамического расчета движения плавучей установки (например, метода дифракции/излучения) в качестве входных данных при глобальном расчете райзеров. Такие операции должны выполняться очень тщательно, с акцентом на тщательной проверке. Движение оконечной точки плавучей установки (т.е. перемещение точки на плавучей установке на некотором расстоянии от первоначальной системы координат судна), генерируемое в общем расчете райзера, должно, в частности, проверяться аналитическими расчетами для разных направлений волн и направлений плавучести. Анимация, показывающая движения плавучей установки, волны и отклонения райзера, — очень полезный инструмент для верификации движений плавучей установки;
• плавучесть можно рассматривать с точки зрения эффективного натяжения, как описано в приложении В, или, альтернативно, путем интеграции гидростатического давления, действующего на внешнюю поверхность райзера. Обе формулировки правильны и, следовательно, дают тот же отклик райзера при правильном применении. Однако последняя формулировка требует очень тщательного моделирования открытой наружной области для сложных райзеров с переменным внешним диаметром (например, спаренные райзеры, системы с прикрепленными элементами плавучести и т.д.). Поэтому рекомендуется, чтобы использование компьютерных программ, основанных на интеграции давления для представления гидростатического давления, было подтверждено на соответствие другим кодам с использованием эффективного состава натяжений.

Г.2.1.6 Независимый расчет выбранных критических условий дополнительно рекомендуется в качестве части процесса проектирования райзеров. Независимые расчеты должны в принципе всегда выполняться с использованием другой признанной компьютерной программы. Кроме того, крайне важно использовать информацию из модельных испытаний, а также полномасштабные измерения, когда это возможно, для подтверждения, калибровки и улучшения компьютерного расчета райзеров.

Г.2.1.7 Исследования чувствительности также рекомендуются для исследования воздействия неопределенных параметров системы (например, эквивалентной многотрубной модели, гидродинамических коэффициентов в буровой шахте, данных о почве и т.д.). Основная цель должна состоять в том, чтобы количественно определить неопределенности модели, поддержать рациональные консервативные предположения и определить области, где требуется более тщательное исследование для достижения приемлемого моделирования (например, калибровки по сравнению с модельным испытанием).

Г.3 Верификация численных процедур

Г.3.1 Общая часть

Г.3.1.1 Численные аппроксимации обычно включают пространственную дискретизацию структуры в конечное число элементов, а также временную и/или частотную дискретизацию динамической нагрузки. Исследование конвергенции в решении путем повторных расчетов, рассматривающих последовательное уточнение дискретизации, является основным принципом для верификации правильности дискретизации. Дискретизация считается правильной, если изменение отклика между двумя последовательными дискретизациями приемлемо для целей расчета. В этой ситуации практической выгоды от дальнейшего совершенствования дискретизации не будет.

Г.3.2 Пространственная дискретизация С 200

Г.3.2.1 Повторяющиеся статические и динамические расчеты с учетом последовательного уточнения сетки элементов могут применяться для оценки адекватности пространственной дискретизации. Особое внимание следует уделить следующим частям системы райзера:

• области с высокой кривизной (например, скребки и провисания);
• контактные области (опускание опоры корпуса);
• завершение работы с фиксированными структурами;
• области с высокой интенсивностью нагрузки (например, зона всплеска);
• области со значительным изменением свойств поперечного сечения (например, коническое соединение, элементы жесткости на изгиб и т.д.);
• области с изменением длины элементов. Относительное изменение длины между соседними элементами с равномерным поперечным сечением не должно превышать 1:2. В случае неравномерных свойств поперечного сечения может потребоваться более низкое относительное изменение.

Г.3.2.2 Конвергенция должна оцениваться для всех соответствующих количеств откликов. Это связано с тем, что скорость конвергенции обычно будет различной для разных величин откликов (например, медленная конвергенция обычно наблюдается для сдвиговых сил и изгибающих моментов по сравнению с эффективным натяжением).

Г.3.2.3 Исследование конвергенции должно выполняться для фактического элемента, используемого в расчетах. Это происходит потому, что, например, балки на основе обычной композиции перемещения могут иметь значительно отличающееся численное поведение по сравнению с гибридными элементами, используемыми в смешанном составе. Кроме того, в исследованиях оценки должны быть учтены статические и динамические расчеты.

Г.3.3 Частотная дискретизация

Г.3.3.1 Функции переноса движения плавучей установки представлены с точки зрения амплитуды и фазового угла как функция числа частот и направлений дискретных волн. Дискретные частоты и направления должны быть выбраны тщательно, чтобы получить адекватное описание движений плавучей установки:

• частоты следует выбирать, чтобы покрыть резонансные пики в функциях передачи движения плавучей установки (например, резонансные частоты вертикальной качки, бортовой качки и килевой качки);
• возможные частоты аннулирования должны быть идентифицированы и охватываться дискретным представлением (что касается, например, полупогружных устройств и TLP);
• частотный диапазон должен охватывать соответствующие частоты при возбуждении волны. Следует также уточнить, как фактическая компьютерная программа обрабатывает возможное возбуждение вне диапазона частот функции перемещения движения плавучей установки (это хорошо известный источник ошибочного возбуждения);
• дискретизация направления волны с интервалом в диапазоне 15 — 30°, как правило, достаточна, чтобы дать хорошее представление движений плавучей установки.

Г.3.3.2 Результаты расчета в частотной области приведены в терминах авто- и кросс-спектральных плотностей на ряде дискретных частот. Следовательно, интервалы частот будут решающими для дисперсии и ковариации, обнаруженных путем интегрирования соответствующих спектров отклика. Правильность частотной дискретизации может быть оценена путем повторного расчета с учетом последовательного более плотного интервала частот.

Г.3.4 Временная дискретизация

Г.3.4.1 Цифровая интеграция времени применяется в расчете во временной области для создания дискретных временных рядов. Безусловные стабильные одношаговые процедуры интеграции, такие как методы Ньюмарка и Хилбер-Хьюза, часто применяются. Последний подход обычно предпочтительнее в алгоритмах с переменным временным шагом из-за явного контроля численного демпфирования для подавления возможных высокочастотных шумов, возникающих при изменении шага времени. Выбор временного шага имеет решающее значение для стабильности и точности мод прямого интегрирования времени, некоторые аспекты обсуждаются в следующем ниже:

• временной шаг, необходимый для получения устойчивого численного решения, во многом определяется самой высокой собственной модой, присутствующей в дискретной структурной модели. Это связано с тем, что все собственные моды необходимо точно интегрировать для получения устойчивого решения (т.е. также моды, которые не имеют значения для описания отклика). Типичный временной шаг находится в диапазоне 0,1 — 0,4 с для систем с числовыми характеристиками;
• нелинейные расчеты обычно требуют более короткого временного шага для получения стабильного числового решения по сравнению с линеаризованными расчетами. Это, в частности, относится к числовым чувствительным системам, например системам со значительными нелинейными зависимостями, относящимися к перемещению, такими как проблемы с низким натяжением, включая мгновенную нагрузку, проблемы неустойчивости, контактные проблемы и существенное нелинейное поведение материала (например, гистерезис кривизны момента);
• методы интеграции с временным шагом могут вводить высокочастотный шум при применении к системам с численной чувствительностью. Поэтому при расчете систем с числовой чувствительностью рекомендуется применять алгоритмы постоянного времени. Использование процедур ступенчатого изменения переменной времени должно, по меньшей мере, проверяться по алгоритмам с постоянным временным шагом, когда в периоды времени отклика обнаруживается нефизический шум;
• проверки качества времени отклика всегда должны рассматриваться для определения возможного нефизического шума, отражающего неточное числовое решение. Обзорная статистика, обсуждаемая в приложении В, является очень полезным инструментом для обнаружения возможных нефизических пиков откликов. Выявленные подозрительные расположения вдоль райзера должны быть подвергнуты более близкому расчету спектральным и статистическим расчетом, а также визуальному осмотру истории времени отклика;
• исследование сходимости с учетом последовательных уточнений дискретизации времени является полезным упражнением для определения требуемого временного шага для получения правильного численного решения.

Г.3.4.2 Расчет во временной области, учитывающий стохастическую волновую нагрузку, как правило, требует генерации дискретных временных историй для движений плавучей установки и кинематики волн в соответствии с заданным спектром волн. Истории времени загрузки представлены с точки зрения конечного числа гармонических составляющих. Амплитуда каждой гармонической составляющей обычно вычисляется из указанного спектрального представления процесса нагрузки, а предполагается, что фазовый угол соответствует равномерному вероятностному распределению по интервалу (0 - 2\pi) .

Г.3.4.3 Генерация историй времени нагрузки может быть выполнена очень эффективно с использованием метода FFT (быстрое преобразование Фурье) с использованием равноотдачного частотного представления процесса нагрузки. Основное преимущество этого подхода состоит в том, что почти никакие дополнительные затраты не связаны с использованием многих частот для описания процессов нагрузки. Это особенно важно для описания соответствующего частотного содержания передаточной функции движения плавучей установки и спектра волн, а также процесса отклика в случае резонансной динамики. Период повторения созданной истории времени нагрузки также однозначно определяется расстоянием между гармоническими постоянными (см. приложение В). Однако главным недостатком является то, что временные ряды должны быть сформированы до моделирования в фиксированных местах вдоль райзера. Следовательно, во время моделирования требуется интерполяция во времени и пространстве. Пространственную интерполяцию следует, в частности, тщательно рассмотреть, чтобы получить надлежащее представление нагрузки вблизи морской поверхности. Как правило, считается, что переменный интервал точек интерполяции (то есть точек, где предварительно создаются истории времени нагрузки) вдоль райзера обычно считается эффективным расчетом. Для проверки пространственной интерполяции рекомендуется проверить подтверждение информации путем последовательного увеличения количества точек интерполяции. Временной шаг в диапазоне 0,25 — 1 с обычно достаточен для обеспечения надлежащей временной интерполяции возбуждения WF.

Г.3.4.4 Прямое накопление гармонических составляющих, представляющих движения плавучей установки и кинематику волн, альтернативно может быть выполнено во время моделирования для преодоления проблемы интерполяции, связанной с подходом FFT. Основное преимущество заключается в том, что волновая кинематика может быть рассчитана в мгновенном пространственном положении, что позволяет обеспечить согласованное представление кинематики волн в случае больших перемещений райзера (например, комбинированные движения LF и WF плавучей установки). Однако этот подход гораздо более трудоемкий, чем метод FFT, и будет применяться только в том случае, если для представления процессов загрузки (обычно 100 — 200) учитывается относительно небольшое количество частот. Поэтому эти частоты должны быть выбраны очень тщательно, чтобы обеспечить надлежащее представление нагрузки (например, резонансные пики в функции переноса движения плавучей установки и пиковый период в волновом спектре). Кроме того, использование разнесенного частотного интервала требуется для покрытия соответствующего частотного диапазона с максимально возможным количеством гармонических составляющих. Было предложено несколько стратегий. Рекомендуется провести подтверждение результатов путем последовательного увеличения количества частот.

Г.3.4.5 Дополнительная практическая проблема, связанная с использованием переменного частотного интервала, заключается в том, что сложнее оценить период повторения генерируемых временных периодов. Для некоторых алгоритмов доступны приближенные выражения конечного вида. Суждения, основанные на функции автокорреляции, оцененной по полученной реализации, могут альтернативно применяться для оценки периода повторения.

Г.3.4.6 Качество генерируемых движений плавучей установки и кинематика волн зависят от способности генератора случайных чисел производить статистически независимые фазовые углы. Численное поведение случайного генератора может зависеть от фактического компьютера, используемого в расчетах. Проверки качества генерируемых волновых реализаций рекомендуются в связи с новыми установками компьютера, чтобы гарантировать, что сгенерированные реализации являются гауссовыми. Статистические свойства процесса и отдельных пиков следует рассматривать для нескольких реализаций с довольно большой продолжительностью (например, 3 — 6 ч).

Приложение Д (справочное)

РУКОВОДСТВО ПО РАСЧЕТУ ВИБРАЦИЙ, ВЫЗВАННЫХ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЕМ

Д.1 Общие положения

Д.1.1 Цель

В этом приложении предлагается четырехступенчатый метод оценки амплитуд отклика райзера, вызванного вихреобразованием, и соответствующего усталостного повреждения. Эти этапы усложнения определяются следующим образом:

• упрощенная оценка усталостного повреждения;
• расчет мультимодального отклика на основе эмпирических гидродинамических коэффициентов (и испытаний);
• вычислительная гидродинамика, решающая уравнения Навье-Стокса;
• лабораторное испытание.

Д.1.1.1 Основной принцип заключается в том, что для случаев, когда вибрации, вызванные вихреобразованием (VIV), вероятно, представляют проблему проектирования, требуются уточненные методы оценки, предпочтительно дополненные испытаниями.

Часто основной задачей проектирования является оценка того, достаточна ли усталостная несущая способность. Соответственно, упрощенный (т.е. консервативный) расчет VIV будет достаточным, если результирующее усталостное повреждение находится в пределах допустимого предела. Если упрощенный расчет указывает на недостаточную усталость, следует применять более сложные методы. Метод следует выбирать в соответствии с конкретным исследованным случаем.

Д.2 Оценка усталости

Д.2.1 Упрощенная оценка усталостного повреждения

Д.2.1.1 Упрощенная оценка вызванного усталостного повреждения может быть вычислена путем пренебрежения влиянием волн, предполагая применение невозмущенных скоростей течения. В дальнейшем может быть использована следующая процедура (см. Д.2.1.2 - Д.2.1.6).

Д.2.1.2 Определите плоскости вибрации для соответствующих форм моды в зависимости от указанных направлений течения.

Для вращательно-симметричных систем райзера вибрация поперечного потока обычно будет перпендикулярна направлению течения. Для несимметричных систем предполагается, что вибрация поперечного течения происходит в плоскости соответствующих форм моды.

Д.2.1.3 Определите формы доминирующей моды и собственные частоты следующим образом:

а) определите собственные частоты и формы мод для изгиба в направлении поперечного потока на основе аналитических моделей или путем численного расчета МКЭ;

б) определите полосу локальных частот вихревых колебаний fs вдоль райзера, используя

f_{s} = S_{t} \frac{U}{D} , (Д.1)

где U — локальная тангенциальная скорость потока;

D — внешний диаметр райзера;

St — число Струхаля, где должны быть проверены значения верхней и нижней границ (обычно St = 0,14 — 0,25);

в) для каждой моды проверьте, для каких частей райзера естественная частота для режима находится в пределах локальной частоты сброса;

г) определите наиболее вероятные формы мод, которые будут возбуждаться VIV, и выберите ту, которая имеет самую высокую кривизну для модульной амплитуды. Как правило, это будет мода с самой высокой частотой среди «вероятных мод».

Д.2.1.4 Для данной скорости потока вычислите амплитуду колебаний для ожидаемой моды:

\frac{A}{\gamma D} = \frac{0,32}{\sqrt{0,06 + (2\pi \cdot S_{t}^{2} \cdot K_{s})}} , (Д.2)

где Ks — параметр стабильности;

\gamma — коэффициент участия моды.

Д.2.1.5 Вычислите соответствующий размах напряжений:

S = A \cdot SCF \cdot E \cdot K(D - t), (Д.3)

где E — модуль упругости;

SCF — коэффициент концентрации напряжений;

K — кривизна формы моды \varphi(s) в точке (s, \varphi(s) ), которая рассчитывается как:

K(x) = \frac{\partial^{2}\varphi}{\partial s^{2}} (1 + (\frac{\partial\varphi}{\partial s})^{2})^{- 3/2}. (Д.4)

Если применяется модель конечных элементов, сначала вычисляются напряжения, соответствующие амплитуде формы единичной моды на основе матрицы жесткости соответствующего элемента. Полученный размах напряжений затем получается путем умножения на 2 A SCF.

Д.2.1.6 Ущерб от усталости оценивается путем применения соответствующей кривой S-N как

D_{F} = \frac{f_{n} \cdot T_{L}}{\overline{a}} \cdot S^{m}, (Д.5)

где fn — частота соответствующей моды;

TL — расчетный срок службы райзера;

S — размах напряжений;

m и a — константы, определяющие S-N кривую (см. приложение Е).

Для целей скрининга однолетняя скорость с соответствующим профилем скорости считается консервативной. В противном случае необходимо провести взвешенное суммирование вычисленного повреждения по долгосрочному распределению течения для скоростей и направления.

Д.2.2 Расчет мультимодального отклика на основе эмпирических моделей

Д.2.2.1 Если вероятность значительного VIV вызвала усталостное повреждение, вероятнее всего, следует провести более тщательные расчеты. Следующий уровень уточнения — это, как правило, методы расчета мультимодального отклика, основанные на эмпирических или полуэмпирических значениях гидродинамических коэффициентов. Одним из способов достижения этого является применение обобщения описанной выше процедуры. Существуют также два других основных подхода для расчета отклика:

а) рассчитайте модальный отклик в частотной области. Этот подход может включать общие профили течения. Вводится корреляционная функция для процесса загрузки в двух точках вдоль райзера.

Впоследствии выполняется двойная интеграция. Параметры, входящие в расчет нагрузки и реакции, обычно требуют калибровки с данными полей модели;

б) рассчитайте отклик во временной области. Здесь необходимо иметь значительную базу данных поперечных испытаний, дающих коэффициенты усилия, частоты и фазовые углы для различной комбинации скорости набегания и поперечной вибрации. В конце концов, такая симуляция, возможно, стабилизируется или может повториться, и спектр отклика может быть восстановлен.

Могут произойти переходы из одной моды в другую. Собственные коэффициенты усилия для вибраций, включающих более одной частоты, все еще отсутствуют.

Д.2.3 Методы, основанные на решении уравнений Навье-Стокса

Д.2.3.1 Расчет, основанный на решении полных уравнений Навье-Стокса, влечет за собой набор двумерного расчета флюида для достаточно большого поперечного сечения вдоль райзера, включая также моделирование динамических граничных условий. Прямое решение полного уравнения потока до сих пор ограничивается низкими числами Рейнольдса (без турбулентности в ближнем следе). Однако для морских райзеров вихревой след будет турбулентным, требующим очень малых временных шагов или хорошей модели турбулентности. Даже если этот подход на современном этапе очень трудоемкий и, возможно, неправильно смоделирован для высокого Re, вполне вероятно, что в будущем этот подход будет осуществим.

Д.2.3.2 Для сложных многотрубных геометрий райзеров вычисления обычно становятся все более сложными и трудоемкими. Соответственно, необходимо провести валидацию численных результатов исследованиями чувствительности по ключевым параметрам. Сравнение с результатами, полученными из полномасштабных или модельных экспериментов, также необходимо для калибровки и точной настройки численных алгоритмов.

Д.3 Методы снижения вибраций, вызванных вихрем

Д.3.1 Общая часть

Д.3.1.1 Если задача заключается в вычислении VIV-отклика, существуют два основных подхода:

• изменять свойства райзера, т.е. натяжение, диаметр, структурное демпфирование;
• ввести устройства подавления вихрей.

Д.3.2 Модификация свойств райзера

Д.3.2.1 Существует несколько различных способов уменьшения амплитуды вибраций, вызванных вихреобразованием. Обычно можно избежать резонансной области поперечного течения, когда наивысшая приведенная скорость ниже 3, т.е. ниже резонансной области. Находиться выше резонансной области гораздо сложнее. Всегда будет более высокая естественная мода с частотой, соответствующей fs.

Д.3.2.2 Другой подход заключается в увеличении уменьшенного демпфирования.

Д.3.3 Устройства подавления вихрей

Д.3.3.1 Вторая возможность заключается в добавлении в цилиндр устройств подавления вихрей.

Приложение Е (справочное)

РАСЧЕТ УСТАЛОСТИ

Е.1 Общие положения

Е.1.1 Цель

Е.1.1.1 Цель настоящего приложения заключается в разъяснении 5.5 по оценке усталости райзеров, подвергнутых циклическим колебаниям, и предоставлении подробной информации о методах расчета усталости, рекомендованных в 4.3.2.

Е.1.2 Применение

Е.1.2.1 Процедура оценки предполагает, что райзер спроектирован в соответствии со всеми другими требованиями настоящего стандарта.

Е.1.3 Усталостная конструкция

Е.1.3.1 В общем, усталостная долговечность компонента может быть разбита на две фазы: инициирование и распространение трещин. В случае несварных компонентов (например, бесшовных труб и обработанных деталей) период инициирования трещины представляет собой основную часть общего срока усталости. Это особенно заметно при высокой усталости, когда период начала усталостной трещины может превышать 95% от усталостной долговечности. В случае обработанных компонентов, когда усталостная трещина выросла до определяемого размера, использование компонента практически заканчивается в течение срока его полезного использования и, как правило, он будет выведен из эксплуатации, если ремонт невозможен.

Е.1.3.2 В случае сварных соединений обычно присутствует пята сварные швы/корневые неоднородности. Они ведут себя как уже существующие трещины. Следовательно, основную часть усталостного срока службы сварного соединения можно отнести к распространению усталостной трещины.

Е.1.3.3 Различие в стадии инициирования трещины исходного материала и сварных соединений оказывает существенное влияние на общую усталостную характеристику. В общем, усталостная прочность несварного компонента возрастает с прочностью на растяжение материала из-за увеличенного срока службы, связанного с материалами с более высокой прочностью. Однако в случае сварных соединений усталостная прочность относительно не зависит от прочности на растяжение материала, потому что основная часть усталостного срока службы сварного шва проводится в фазе распространения. Хотя скорости распространения трещины могут меняться от одного материала к другому и из одной среды в другую, нет постоянной тенденции в отношении прочности на растяжение.

Е.1.4 Методы оценки усталостных повреждений

Е.1.4.1 Типичная последовательность в усталостной конструкции райзера показана в таблице Е.1.

Таблица Е.1

Краткая информация о типичной процедуре оценки усталости

Задача	Комментарии
Определите усталостную нагрузку	Исходя из эксплуатационных ограничений, включая WF, LF и возможные VIV эффекты нагрузки
Определите места для оценки	Структурные прерывистости, стыки (сварные швы, соединения, болты), сварные швы анода, ремонт и т.д.
Общий расчет усталостной стойкости	Рассчитайте распределение краткосрочных номинальных напряжений в каждом идентифицированном месте
Расчет локального напряжения звена	Определение SCF участков перегрева из параметрических уравнений или подробный расчет конечных элементов
Определите данные усталостной прочности	S-N кривая зависит от окружающей среды, деталей конструкции и производства
Определите коэффициент коррекции толщины	Примените поправочный коэффициент к напряжениям усталости
Расчет усталости	Рассчитайте накопленные деформации усталости от взвешенного кратковременного усталостного повреждения
Дальнейшие действия, если слишком короткий срок по усталости	Повысьте усталостную мощность, используя: - более точный расчет напряжения; - расчет механики трещин; - изменение геометрии деталей; - изменение расчета системы; - профилирование или шлифование швов; - улучшенная программа контроля/замены

Е.2 Процедуры расчета усталости

Е.2.1 Общие положения

Е.2.1.1 Следует учитывать три разных вклада в усталостное повреждение: вызванные волной, низкочастотные и вихревые циклы напряжений. Первые два рассматриваются далее, а последний описан в приложении Д.

Е.2.1.2 Общий подход для расчета вклада в удар волн и низких частот основан на применении следующей процедуры:

• диаграмма рассеяния волновой среды подразделяется на несколько репрезентативных блоков;
• в каждом блоке выбирается одно волнение моря для представления всех волнений моря внутри блока. Вероятности возникновения для всех волнений моря внутри блока сосредоточены в выбранном волнении моря;
• деформация утомления вычисляется для каждого выбранного краткосрочного волнения моря для всех блоков;
• накопление утяжеленных усталостных повреждений из всех волнений моря может быть выражено как

D_{L} = \sum_{i = 1}^{N_{s}} D_{i}P_{i}, (Е.1)

где DL — долговременное усталостное повреждение;

Ns — число дискретных волнений моря на диаграмме волнового разброса;

Pi — вероятность волнения моря. Обычно параметризуется с точки зрения высоты характерной волны, пикового периода и направления волны, т.е. P(H_{s},T_{p},\theta)_{i} ;

Di — краткосрочное усталостное повреждение.

Е.2.2 Методология базового усталостного повреждения

Е.2.2.1 Основная усталостная несущая способность дается с точки зрения S-N кривых, выражающих количество циклов напряжений до отказа, N, для заданного размаха постоянных напряжений, S:

N = \overline{a}S^{- m}, (Е.2)

или эквивалентно:

log(N) = log(\overline{a}) - mlog(S), (Е.3)

где \overline{a} и m — эмпирические константы, установленные экспериментами.

Е.2.2.2 Диапазон, который должен применяться при расчетах усталостных повреждений, определяется использованием коэффициента концентрации напряжений, а также коэффициента поправки толщины к номинальному размаху напряжений:

S = S_{o} \cdot SCF \cdot (\frac{t_{3}}{t_{ref}})^{k}, (Е.4)

где So — номинальный размах напряжений;

SCF — коэффициент концентрации напряжений.

Коэффициент поправки толщины.

Коэффициент поправки толщины применяется для труб с толщиной стенки t3, превышающей толщину эталонной стенки, tref = 25 мм. Показатель толщины, k, является функцией фактического расчета конструкции и, следовательно, также относится к S-N кривой, согласно [9] и Е.5 для получения дополнительной информации.

Е.2.2.3 Билинейные (двунаклонные) S-N кривые в логарифмической шкале также часто применяются для представления данных экспериментальной усталостной мощности, т.е.

(Е.5)

где m1 и m2 — показатели усталости (обратный наклон двулинейной S-N кривой);

\overline{a_{1}} и \overline{a_{2}} — характерная постоянная усталостной прочности, определяемая как кривая среднего минус два стандартных отклонения. Ssw — это напряжение при пересечении двух S-N кривых, заданных

S_{sw} = 10(^{\frac{log(\overline{a_{1}})log(N_{sw})}{m_{1}}}), (Е.6)

где Nsw — число циклов, для которых появляется изменение наклона. Log(Nsw) обычно равен 6 — 7.

Рисунок Е.1 — Основные определения для двунаклонных S-N кривых

Е.2.2.4 Правило Майнера-Пальмгрена принято для накопления усталостного повреждения из циклов нагрузок с переменным диапазоном:

D = \sum_{i} \frac{n(S_{i})}{N(S_{i})} , (Е.7)

где n(Si) — количество циклов напряжений с диапазоном Si и N(Si) — это число циклов напряжений до отказа, выраженное формулой (Е.3).

Ожидаемое усталостное повреждение в единицу времени для линейной S-N кривой в шкале логарифмической шкалы выражается как

(Е.8)

где f0 — среднее число циклов напряжения в единицу времени, а fs(s) — функция плотности вероятности (PDF) для циклов напряжений. Поэтому ожидаемое усталостное повреждение напрямую связано с моментом m-го порядка, E[Sm] (или \mu_{m} ) цикла напряжений PDF. Для билинейной S-N кривой в логарифмическом масштабе соответствующее выражение становится:

D = \frac{f_{0}}{\overline{a_{2}}} \int_{0}^{S_{sw}} s^{m_{2}}f_{s}(s)ds + \frac{f_{0}}{\overline{a_{1}}} \int_{S_{sw}}^{\infty} s^{m_{1}}f_{s}(s)ds. (Е.9)

Уравнение (Е.8) и уравнение (Е.9) составляют основную формулировку для оценки кратковременного усталостного повреждения в каждом стационарном состоянии окружающей среды, выраженного уравнением (Е.1).

Уравнение (Е.8) и уравнение (Е.9) также могут применяться для вычисления долгосрочного усталостного повреждения непосредственно из долгосрочного распределения циклов напряжений. Для ознакомления с методологией создания долгосрочных распределений откликов см. приложение Б.

Е.2.3 Процедуры глобального расчета усталости

Е.2.3.1 Основой расчетов усталостных повреждений является расчет глобальных нагрузочных эффектов для установления распределения напряжений в ряде стационарных краткосрочных условий окружающей среды. Общие принципы для выбора методологии расчета и проверка имитационной модели, как указано в приложениях В и Г, должны соблюдаться.

Е.2.3.2 Краткосрочные условия усталости следует тщательно выбирать, чтобы обеспечить надлежащее представление циклов напряжений для срока службы системы райзера. Выбор должен основываться на глубоких физических знаниях относительно статического и динамического поведения системы райзера с особым вниманием к моделированию КЭ, гидродинамической нагрузке, динамике резонанса и характеристикам движения плавучей установки. Исследования чувствительности должны проводиться для поддержки рациональных консервативных предположений относительно выявленных неопределенных параметров (например, свойств почвы для расчета усталости в области касания SCR).

Е.2.3.3 Расчет усталости обычно включает в себя глобальный расчет воздействия ряда нагрузок от низких до умеренных волнений моря. Это связано с тем, что основной вклад в общее усталостное повреждение в большинстве случаев приходится на волнение моря от низкого до умеренного, а не на несколько экстремальных волнений моря. По сравнению с экстремальным расчетом откликов степень нелинейности, как правило, меньше. Таким образом, во многих случаях точные результаты могут быть получены с использованием линеаризованных расчетов во временной области или частотной области. Однако любое использование упрощенной методологии расчета должно быть проверено на основе нелинейных расчетов во временной области.

Е.2.3.4 В усталостное повреждение обычно будет вносить вклад частота волны (WF), а также низкочастотные (LF) напряжения. Движения WF плавучей установки, а также прямая волновая нагрузка на райзер определяют усталостное повреждение WF, в то время как движения LF плавучей установки управляют усталостным повреждением LF. Относительная значимость усталостного повреждения WF и LF сильно зависит от системы и, кроме того, значительно отличается от расположения вдоль райзера. Всегда рекомендуется проводить оценку относительных дополнительных факторов от циклов напряжения WF и LF к усталостному повреждению для поддержки рациональных решений относительно выбора метода расчета. Усталостное повреждение LF может быть проигнорировано, если это документально подтверждено проведением надлежащих расчетов и доказано, что усталостное повреждение LF незначительно по сравнению с усталостным повреждением WF.

Е.2.3.5 Должна быть обеспечена надлежащая усталостная долговечность для всех частей системы райзера. Примеры критических областей по усталостным повреждениям металлических райзеров следующие:

• области, близкие к верхнему/нижнему концу райзеров верхнего натяжения, обычно испытывают значительное изменение динамического изгибающего напряжения. Усталость, близкая к верхней оконечной нагрузке, обычно регулируется циклами напряжений WF, в то время как LF-отклик может иметь значение, близкое к оконечному присоединению к морскому дну. Требуется точное моделирование граничных условий и свойств жесткости (например, конические соединения, характеристики жесткости гибких муфт и т.д.);
• зона заплеска воды обычно является критической областью для райзеров верхнего натяжения, а также совместимых конфигураций райзера в основном из-за циклов напряжения изгиба WF. Описание загрузки волны до фактической высоты волны имеет жизненно важное значение для точного прогнозирования усталостного повреждения. Следует также учитывать возможные нарушения кинематики волн, вызванные наличием плавучей установки. Рекомендуются расчеты во временной области, поддерживаемые исследованиями чувствительности для подтверждения правильности модели нагрузки (т.е. результаты чувствительны к размеру сетки, а также к кинематике волн);
• область касания морского дна — критическая область для стальных несущих райзеров и других предлагаемых согласованных конфигураций райзеров. Свойства почвы, размер сетки и средняя позиция плавучей установки важны для прогнозирования усталостного повреждения. Обычно рекомендуется проводить расчет во временной области вместе с исследованиями чувствительности для поддержки рациональных консервативных предположений относительно свойств почвы.

Адекватность сетки, применяемой в области касания морского дна, также должна подтверждаться исследованиями чувствительности;

• рекомендации относительно резонансной динамики и комбинированного усталостного повреждения WF и LF имеют особое значение для спаренных райзеров (в частности, для интегральных решений для воздуховодов). Критические положения, как правило, близки к опорам райзеров в корпусе. Особое внимание следует обратить на возможные циклы напряжения LF на килевом компоненте.

Е.3 Узкая полоса частот оценки усталостного повреждения

Е.3.1 Общие положения

Е.3.1.1 Основное предположение в узкой полосе частот оценки усталостного повреждения заключается в том, что циклы напряжений (S) можно определить непосредственно из максимумов напряжений (Sa). Предполагается, что каждый цикл представляет собой значение соответствующего значения локального максимального напряжения, дающее

S = 2·Sa. (Е.10)

Кроме того, количество циклов напряжения в единицу времени определяется непосредственно частотой пересечения нуля, f0 процесса отклика напряжений.

Е.3.2 Узкая полоса частот гауссовского усталостного повреждения

Е.3.2.1 Если предполагается, что процесс отклика напряжений является узкополосным и гауссовским, распределение локальных напряжений максимума, Sa, определяется плотностью вероятности Рэлея как

f_{S}(s_{a}) = (\frac{S_{a}}{\sigma^{2}})exp(\frac{- s_{a}^{2}}{2\sigma^{2}}), (Е.11)

где sa — максимум локальных напряжений, а \sigma — стандартное отклонение процесса отклика напряжения.

Е.3.2.2 Для линейной S-N кривой (в логарифмической шкале) усталостное повреждение за единицу времени может быть выражено так:

D = \frac{f_{0}}{\overline{a}} (2 \sqrt{2\sigma})^{m}\Gamma(\frac{m}{2} + 1), (Е.12)

где \Gamma( \cdot ) является гамма-функцией, данной как

(Е.13)

Е.3.2.3 Для S-N кривой, которая является билинейной в логарифмической шкале, усталостное повреждение становится

(Е.14)

где G1 и G2 — гамма-функция и неполная гамма-функция соответственно

(Е.15)

где \overline{a_{1}} и m1 являются отсекаемым отрезком и обратным наклоном правого отрезка билинейной S-N кривой, \overline{a_{2}} и m2 являются отсекаемым отрезком и обратным наклоном левого отрезка билинейной S-N кривой, а SSW — размах напряжений на изгибе билинейной S-N кривой.

Е.3.2.4 Усталостное повреждение, следовательно, напрямую выражается стандартным отклонением и частотой пересечения нуля процесса отклика напряжения. Эта формулировка имеет особое преимущество для расчета в частотной области, где результаты глобального расчета выражаются в терминах автоматической спектральной плотности S\sigma\sigma(\omega) процесса отклика напряжения.

Это стандартное отклонение, \sigma , и частота пересечения нулевого уровня f0 выражаются, следовательно:

\sigma = \sqrt{\lambda_{0}} , (Е.16)

f_{0} = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{\lambda_{2}}{\lambda_{0}}} . (Е.17)

Спектральный момент заданного n-го порядка отклика определяется следующим образом:

\lambda_{n} = \int_{0}^{\infty} \omega^{n}S_{\sigma\sigma}(\omega)d\omega. (Е.18)

Е.3.3 Узкая полоса частот негауссового усталостного повреждения

Е.3.3.1 Для расчета во временной области двухпараметрическая модель распределения Вейбулла часто используется как обобщение распределения Рэлея для локальных максимумов (т.е. для негауссовых процессов отклика напряжения). Функция плотности вероятности Вейбулла определяется следующим образом:

f_{s}(s_{a}) = \alpha^{- \beta}\beta s_{a}^{\beta - 1}exp(- (\frac{s_{a}}{\alpha})^{\beta}). (Е.19)

Распределение Рэлея в (В.11) получается при \beta = 2 :

\alpha = \sqrt{\sigma} .

Распределение Вейбулла можно адаптировать к краткосрочному (или долгосрочному) распределению локальных максимумов. Параметры распределения Вейбулла ( \alpha — масштаб, \beta — форма) связаны со статистическими моментами для локальных максимумов следующим образом:

\hat{\sigma} = \alpha \frac{\hat{\mu} = \alpha\Gamma(1 + \frac{1}{\beta}),}{\Gamma(1 + \frac{2}{\beta}) - \Gamma(1 + \frac{1}{\beta})2} . (Е.20)

Эти уравнения могут быть использованы, чтобы установить оценки момента распределения параметров с базисами в оценках выборки из моделирования во временной области.

Е.3.3.2 Усталостное повреждение в единицу времени в общем случае билинейной S-N кривой затем может быть выражено аналитически следующим образом:

(Е.21)

Е.4 Широкая полоса частот оценки усталостного повреждения

Е.4.1 Общие положения

Е.4.1.1 Для морских райзеров отклик напряжения обычно не является состоящим полностью из узкой или широкой полосы частот. В широкополосном отклике строгой связи между циклами напряжений и максимумами и минимумами напряжений не существует. По этой причине распределение напряжений не может быть точно оценено из распределения максимумов напряжений. Для описания усталостного повреждения для процесса с широкой полосой частот существуют следующие процедуры:

• алгоритмы подсчета циклов;
• полуэмпирические решения;
• упрощенные аналитические решения.

Е.4.1.2 Оценка усталости в широких полосах частот имеет особое значение для оценки усталости комбинированного WF/LF отклика напряжения. Он в целом применим к результатам расчета во временной области, но может также применяться в связи с расчетом в частотной области посредством преобразования результатов в частотной области во временную область (например, методом FFT-моделирования).

Е.4.2 Циклический подсчет

Е.4.2.1 Усталостное повреждение может быть получено путем подсчета циклов напряжений в реальных или смоделированных историях напряжений. Алгоритмы подсчета целевых назначений были разработаны с использованием методов, применимых к истории гауссовского времени напряжений. Рекомендуемым методом является подсчет числа циклов методом «дождя» (RFC).

Е.4.2.2 Метод RFC обеспечивает оценку функции плотности вероятности напряжения (например, оценку образца fs(S) и среднего числа циклов напряжения в единицу времени). Для линейной S-N кривой в дальнейшем может быть применено (В.8) для оценки усталостного повреждения в каждом стационарном кратковременном состоянии. Расширение до более общих S-N кривых (например, билинейное) является простым.

Е.4.2.3 Процесс реакции, вызванный объединенным возбуждением с волной и низкой частотой, обычно широкополосный. Соответственно, будут учитываться моделирование во временной области и процедуры подсчета циклов.

Е.4.2.4 Методы подсчета циклов представляют временные оценки усталостного повреждения. Следовательно, статистические неопределенности всегда будут присутствовать в оценках. Поэтому исследования чувствительности должны проводиться, чтобы задокументировать получение адекватных оценок усталостного повреждения. Это имеет особое значение для объединенной истории времени напряжений WF/LF или в случаях с S-N кривыми с большим (обратным) наклоном (т.е. большим «m»).

Е.4.3 Полуэмпирические решения

Е.4.3.1 В литературе был предложен ряд полуэмпирических выражений для корректировки расчета узкой полосы частот усталостных повреждений для воздействия широкой полосы пропускания. Часто используемый подход основан на предположении, что истинное повреждение DRFC (т.е. использование подсчета числа циклов методом «дождя») может быть установлено из скорректированного узкополосного результата:

DRFC = DNBkRFC, (Е.22)

где DNB — узкая полоса частот гауссовского усталостного повреждения, определенная с помощью С 200;

kRFC — коэффициента коррекции. Wirshing и Light, см., например, Barltrop и Adams предложили следующее выражение:

k_{RFC}(m) = a + (1 - a)(1 - \epsilon)b, (Е.23)

где a = 0,926 — 0,033 м;

b = 1,587 м — 2,323,

\epsilon — параметр ширины полосы, определенный как (заметим, что \epsilon = 1 — для широкополосного процесса, и \epsilon = 0 — для процесса узкой полосы частот):

\epsilon = \sqrt{1 - \frac{\lambda_{2}^{2}}{\lambda_{0}\lambda_{4}}} . (Е.24)

Е.4.4 Аналитические решения для бимодальных спектров

Е.4.4.1 Точные аналитические решения для оценки усталостных повреждений могут быть получены для хорошо разделенных бимодальных спектров напряжений (например, процесса с комбинацией низкочастотной и частотной гауссовской составляющей).

Е.4.4.2 В случае, если можно предположить, что процесс состоит из двух независимых процессов гауссовского отклика напряжения, верхняя граница оцененного усталостного повреждения может быть получена путем непосредственного добавления дисперсий дополнительных факторов. Частота пересечения нуля может быть выражена как комбинация соответствующих частот пересечения нуля на основе выражений для суммы двух независимых гауссовских процессов.

Е.5 S-N кривые степени усталости

Е.5.1 Общие положения

Е.5.1.1 Конструкция усталости основана на использовании S-N кривых, полученных при испытании на усталость. Для практической усталостной конструкции сварные соединения разделены на несколько классов, каждый из которых имеет соответствующую S-N кривую. Данные об усталостной несущей способности для совместных классификаций, имеющих отношение к райзерам, приведены в таблице Е.2. Совместные классификации относятся к типичным звеньям/деталям для циклического изгибающего момента и натяжения.

Таблица Е.2

S-N кривые для райзеров

Описание		Требования к допускам <2>	S-N кривая согласно [[9]](#p102794)	Показатель толщины k	SCF
Сварка	Геометрия и критическая точка
Односторонняя		e <= мин (0,1t3, 3 мм)	F1	0	1
		e > мин (0,1t3, 3 мм) e <= мин (0,1t3, 5,4 мм)	F3	0	1
Односторонняя на подложке		e <= мин (0,1t3, 2 мм)	F	0	1
		e > мин (0,1t3, 2 мм) e <= мин (0,15t3, 4 мм)	F1	0	1
Односторонняя		e <= мин (0,15t3, 4 мм)	D	0,15 <1>	Уравнение (Д.1)
Двусторонняя		e <= мин (0,15t3, 4 мм)	D	0,15 <1>	Уравнение (Д.1)
Бесшовная труба	-	-	B1	0,00	1,0
Механически обработанный компонент	-	-	B1	0,00	Расчет МКЭ
Автоматические продольные сварные швы		-	B2	0,00	1,0
Стальные болты и резьбовые соединения в натяжении		-	F1 (холоднокатаный) W3 (нарезанные резьбы)	0,40 <1>	1,0
<1> Предел толщины применяется только для значений более 25 мм. Нет смысла использовать секции толщиной менее 25 мм. Для болтов эталонная толщина представляет собой диаметр напряжения. <2> При нецентрированности круговых сварных швов более чем 0,15 t3 или 4 мм, в зависимости от того, какое из значений меньше, применяются специальные рассмотрения, например, инженерная оценка критичности дефекта.

Е.5.1.2 S-N кривые следует разрабатывать путем испытания, использования оценки механики трещинообразования или использования нижних границ S-N кривых. Особое внимание должно быть уделено химическим средам, не охваченным стандартом [9].

Е.5.1.3 Коэффициент концентрации напряжений (SCF) применяется к возможному увеличению напряжения из-за несовершенной геометрии двух смежных компонентов (например, из-за производственных допусков и процедур установки). SCF может быть рассчитан путем детального расчета КЭ или выражений в конечном виде для деталей конструкции. Следующее выражение в конечном виде относится к сварным компонентам райзера:

SCF = 1 + \frac{3e}{t_{3}} exp(- D/t_{3})^{- 0,5}, (Е.25)

где e — типичный эксцентриситет из-за геометрических недостатков, которые должны применяться в конструкции усталости. Оценка репрезентативного эксцентриситета должна основываться на подробной информации о производственных допущениях и процедурах установки/сварки, которые поддерживаются рациональными консервативными предположениями, подходящими для фактического расчета.

БИБЛИОГРАФИЯ

[1]	Правила классификации и постройки подводных добычных комплексов, 2017, Российский морской регистр судоходства
[2]	Правила классификации и постройки морских подводных трубопроводов, 2020, Российский морской регистр судоходства
[3]	Руководство по техническому наблюдению за постройкой и эксплуатацией морских подводных трубопроводов, 2020, Российский морской регистр судоходства
[4]	DNVGL-RP-C211	Анализ надежности конструкции (structural reliability analysis)
[5]	ИСО 2394:2015	Общие принципы обеспечения надежности конструкций (General principles on reliability for structures)
[6]	DNVGL-RP-C205-2019	Условия окружающей среды и нагрузки на окружающую среду (Environmental conditions and environmental loads)
[7]	DNVGL-ST-F101-2017	Подводные трубопроводные системы (Submarine Pipeline Systems)
[8]	API STD 2RD (R2020)	Динамические райзеры для плавучих производственных систем (Dynamic Risers for Floating Production Systems)
[9]	DNVGL-RP-C203-2019	Анализ усталостной прочности морских стальных конструкций (Fatigue design of offshore steel structures)
[10]	BS 7910:2019	Руководство по методам оценки приемлемости дефектов в металлических конструкциях (Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures)
[11]	ИСО 19902:2020	Нефтяная и газовая промышленность. Стационарные стальные морские сооружения (Petroleum and natural gas industries — Fixed steel offshore structures)
[12]	ИСО 13628-7:2005	Нефтяная и газовая промышленность. Проектирование и эксплуатация систем подводной добычи. Часть 7. Системы райзера для заканчивания/ремонта скважин (Petroleum and natural gas industries — Design and operation of subsea production systems — Part 7: Completion/workover riser systems)
[13]	DNV-RP-B401	Проектирование катодной защиты (Cathodic Protection Design)
[14]	АСТМ Д1418-17	Стандартная практика для резины и резиновых латексов — Номенклатура (Standard Practice for Rubber and Rubber Latices — Nomenclature)
[15]	NACE MR0175-2009	Промышленность нефтяная и газовая — Материалы для использования в средах, содержащих сероводород, при нефте- и газодобыче (Petroleum and natural gas industries — Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production)
[16]	ДИН ЕН 1993-1-1-2010	Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1-1. Общие правила и правила для зданий (Eurocode 3: Design of steel structures — Part 1-1: General rules and rules for buildings; German version EN 1993-1-1:2005/A1:2014)
[17]	API RP 2SK (R2015)	Рекомендуемое руководство для проектирования и анализа систем управления станциями для плавучих конструкций, первое издание (Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures, Third Edition (Includes 2008 Addendum))
[18]	DNVGL-ST-F201-2018	Динамические райзеры (Dynamic Risers)

УДК 622.276.04	ОКС 75.020
Ключевые слова: нефтяная и газовая промышленность, системы подводной добычи, динамические райзеры, проектирование, изготовление, испытания, эксплуатация

---