ПНСТ 525-2021 Нефтяная и газовая промышленность. Системы подводной добычи. Система райзеров. Технические требования

        ПНСТ 525-2021

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Нефтяная и газовая промышленность

СИСТЕМЫ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ

Система райзеров. Технические требования

Petroleum and natural gas industry. Subsea production systems. Riser systems. Technical requirements

ОКС 75.020

Срок действия с 2021-08-01

до 2024-08-01

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 9 февраля 2021 г. N 17-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: [email protected] и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112 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 ()

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 стандартов и предварительных национальных стандартов, областью применения которых являются системы подводной добычи углеводородов.

Целью разработки настоящего предварительного национального стандарта является установление единых правил и общих технических требований к проектированию, типам расчетов, изготовлению, испытаниям, контрольной проверке разработанного проекта, сертификации и монтажу на море динамических райзеров в системах подводной добычи углеводородов.

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на динамические райзеры.

1.2 В настоящем стандарте приведены технические требования по разработке систем динамических райзеров. В систему динамических райзеров могут входить следующие элементы:

- металлические райзеры (т.е. стальные, титановые);

- райзеры из композитных материалов;

- гибкие трубы;

- шлангокабели (имеются в виду отдельно располагающиеся динамические шлангокабели, а также шлангокабели, прикрепленные к райзерам);

- наливные шланги.

1.3 Настоящий стандарт включает в себя технические рекомендации в области научных исследований, проектирования, установки и эксплуатации систем динамических райзеров, а также информацию по контрольной проверке системы райзеров и сертификации продукции.

1.4 Настоящий стандарт не распространяется на стационарные райзеры.

2 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 55311, а также следующие термины с соответствующими определениями:

2.1 буровой райзер (drilling riser): Райзер, используемый при буровых операциях и капитальном ремонте скважины, который предназначен для изолирования скважинного флюида от окружающей среды.

Примечание - Основные функции систем буровых райзеров заключаются в транспортировании скважинного флюида к скважине и от нее, обеспечении несущей опоры для вспомогательных линий, райзер служит как направляющая для различных инструментов и колонн бурильных труб, а также обеспечивает спуск и подъем противовыбросового оборудования (ПВО). Буровые райзеры также могут применяться для заканчивания и испытания скважины.

2.2

2.3 временный райзер (temporary riser): Райзер, который периодически используется для задач, ограниченных по времени (таких как заканчивание, капитальный ремонт и сервисное обслуживание скважин), и который может быть извлечен при тяжелых условиях окружающей среды.

Примечание - Главным образом, к ним относятся морские буровые райзеры и райзеры для заканчивания и капитального ремонта.

2.4 гибридный райзер (hybrid riser): Комбинация райзера натяжения и гибкого райзера с растяжками.

2.5 гибкая структура (slender structures): Используется в качестве общего термина, обозначающего райзер, натяжные элементы и якорные оттяжки.

2.6 гибкий райзер (flexible riser): Гибкая труба, соединяющая платформу/модуль плавучести/судно с выкидным трубопроводом, морским подводным оборудованием или другой платформой, где райзер может быть свободно подвешен (свободный, провисающий), закреплен в нескольких точках (модули плавучести, цепи), закреплен по всей длине или заключаться в трубу (I- или J-трубы).

2.7 гибкий райзер с растяжками (compliant riser): Райзер, предназначенный для компенсации перемещения плавучей установки путем изменения геометрии без использования систем для компенсации вертикальной качки.

2.8 гибкое соединение (flex joint): Многослойный металло-эластомерный узел, имеющий центральный сквозной канал, диаметр которого равен или превышает отверстие сопрягаемой трубы, и устанавливаемый в секции райзера для снижения локальных изгибающих напряжений (обычно устанавливается в месте соединения с плавучей установкой или морским дном).

2.9 звено райзера (riser joint): Звено райзера состоит из центральной трубной части и концевых соединителей с каждой стороны.

Примечание - Обычно длина звена райзера составляет от 9,14 до 15,24 м. Для обеспечения надлежащей длины райзера также используются патрубки и укороченные звенья.

2.10 компенсирующее звено (stress joint): Специальное звено райзера, спроектированное с поперечным сечением такой формы, чтобы обеспечивать снижение локальных изгибающих напряжений, а также концентраторов напряжений.

2.11 компонент райзера (riser component): Любая часть системы райзера, которая может подвергаться давлению внутренней жидкости.

2.12 контрольная проверка: Верификация разработанного проекта системы райзеров, выполняемая с целью подтверждения того, что система райзеров удовлетворяет требованиям проекта к конкретному местоположению и методам установки и эксплуатации с учетом особенностей конструкции, включая выбор материалов и защиту от коррозии, а также используемые методы расчетов.

2.13 модуль плавучести (buoyancy modules): Структура из легкого материала, обычно вспененных полимеров, обвязанных или зажатых на внешней стороне звеньев райзера, для уменьшения веса погруженного райзера.

2.14 монтаж (installation): Операция, связанная с использованием райзерной системы, такая как спуск, посадка и соединение, или укладка, крепление и так далее для динамического райзера.

2.15 общий расчет (global analysis): Расчет всей райзерной системы с описанием общих статических и динамических конструктивных параметров при воздействии на систему стационарных условий нагружения окружающей среды.

2.16 овализация (ovalisation): Процесс возникновения отклонения профиля поперечного сечения райзера от круглой формы, при котором он имеет форму эллипса.

Примечание - Числовое определение отклонения от крутости и овальности одинаково.

2.17 отклик низкочастотный (low frequency response): Отклик на движение, частота которого ниже или приближена к собственным периодам продольных колебаний, поперечных колебаний и колебаний рысканья плавучей установки.

Примечание - Периоды низкочастотных движений обычно составляют от 30 до 300 с.

2.18 отчет о верификации проекта; ОВП (design verification): Документ, выпущенный в целях подтверждения соответствия изделия или процесса заданным требованиям.

2.19 плавучая установка (floater): Плавучая установка, которая удерживается на одном месте за счет активных систем позиционирования, или прикрепляется к морскому дну системами швартовки на временной или постоянной основе.

Примеры - Платформа с натяжными опорами; судно; полупогружная плавучая буровая установка; платформа на натяжных связях с цилиндрическим корпусом типа "spar"; плавучая буровая установка, предназначенная для проведения работ на большой глубине и т.д.

2.20 постоянный райзер (permanent riser): Райзер, который находится в постоянной эксплуатации (подсоединенный к подающему и принимающему устройству и транспортирующий флюид) в течение длительного периода времени, независимо от условий окружающей среды.

2.21 предельное состояние (limit state): Состояние струны райзера с такими параметрами внешних и внутренних нагрузок, а также с такими показателями технического состояния самого райзера, что малейшее изменение хотя бы одного из них в сторону ухудшения эксплуатационных условий работы райзера приведет к тому, что райзер или его часть больше не смогут удовлетворять требованиям, предъявляемым к функционированию или эксплуатации райзера.

Примечание - Частными случаями результатов выхода райзера за предельное состояние являются: поломка одного или нескольких элементов райзера (разрыв, локальный изгиб) или эксплуатационные ограничения (ход или зазор).

2.22 пробковый режим потока (slug flow): Режим потока, характеризующийся последовательным чередованием пробок газа и жидкости, размеры которых определяются количественным соотношением газа и жидкости.

2.23 проверки конструкции (design checks): Исследования конструкционной безопасности райзера под воздействием нагрузки (случаев расчетных нагрузок) в отношении заданных критических состояний, приводящих к одному или нескольким видам отказа, с точки зрения сопротивления соответствующих конструкционных моделей, полученных согласно указанным в данном стандарте принципам.

2.24 проектирование по коэффициентам нагрузок и сопротивления; ПКН (load and resistance factor design): Способ расчета, основанный на методе предельного состояния и частном коэффициенте запаса прочности.

Примечание - Методика частного коэффициента запаса прочности - это подход, при котором для каждого влияния нагрузки (чувствительности) и срока восприятия нагрузки применяются отдельные коэффициенты.

2.25 промышленная сборка (fabrication): Действия по сборке различных деталей для заданной цели.

2.26 протокол согласования результатов верификации (verification comments sheets): Документ, содержащий информацию о согласовании решений участвующих сторон по результатам верификации разработанной системы райзеров.

2.27 райзер (riser): Трубопровод или связка промысловых трубопроводов, которые соединяют морскую плавучую производственную установку или буровую установку с подводным устьевым или коллекторным оборудованием, а также с надводными морскими объектами и сооружениями для производственных целей добычи, перемещения или нагнетания агента в продуктивный пласт, либо для целей бурения, заканчивания и капитального ремонта скважин.

2.28 райзер для заканчивания и капитального ремонта скважин; райзер C/WO: (completion and workover riser): Временно установленный райзер, используемый для операций по заканчиванию или капитальному ремонту и включающий в себя любое оборудование между морской донной фонтанной арматурой или трубной головкой и системой натяжения плавучей установки.

2.29 райзер подачи или приема (export or import riser): Райзер подачи или приема предназначен для транспортировки добываемых жидкостей от или к плавучим установкам от или к другим объектам, таким как другие платформы, плавучие установки или трубопроводы.

2.30 райзер натяжной (tensioned riser): Райзер, который преимущественно остается в прямом состоянии и все части которого натянуты при приложении к нему усилия натяжения.

2.31 расчет по допустимому напряжению (working stress design): Метод расчета, при котором запас прочности выражается одним средним коэффициентом запаса для каждого предельного состояния. Средний коэффициент запаса - это отношение допустимых предельных нагрузок на оборудование к воздействию нагрузки.

2.32

2.33 система натяжения райзера (riser tensioner system): Устройство, создающее натяжение трубы райзера с компенсацией относительного вертикального перемещения (хода) между плавучей установкой и райзером. Изменение степени натяжения определяется жесткостью системы.

2.34 система райзера (riser system): Система, состоящая из райзера, всех связанных компонентов райзера и системы защиты от коррозии.

2.35 технический отчет (technical report): Документ, содержащий общие сведения, теорию, методологию, исходные данные и результаты расчета или других проведенных работ.

2.36

2.37 частотный отклик волны (wave frequency response): Отклик на частотах воздействующих волн.

2.38

Примечания

1 Шлангокабель применяется, например для подводной системы управления, обмена данными и транспортировки рабочих жидкостей систем добычи, а также подачи энергоносителей.

2 Шлангокабель состоит из группы кабелей (например, электрических, оптоволоконных) и шлангов, связанных для гибкости.

3 Шлангокабель может быть армированным, а также обшитым для повышения механической прочности.

2.39 этап проектирования (design phase): Начальный этап жизненного цикла райзера, заключающийся в комплексной разработке технических условий, чертежей и других документов, выполненной таким образом, чтобы гарантировать, что райзер отвечает заданным требованиям (включая проверки результатов проекта на соответствие исходным требованиям).

2.40 эффективное натяжение (effective tension): Осевое усилие в стенке (осевое напряжение в стенке трубы, умноженное на площадь), учитывающее воздействие на трубу внешнего и внутреннего давления.

3 Сокращения

В настоящем документе применены следующие сокращения:

ВВВ - вибрации, вызванные вихреобразованием;

ВГД - вычислительная гидродинамика;

ВО - временная область;

ДЧ - диапазон частот;

ККН - коэффициент концентрации напряжений;

КРР - количественный расчет рисков;

КСМ - коэффициент совокупности моментов;

КЭ - конечный элемент;

КЭА - конечный элемент анализа;

ЛВИ - линеаризированный временной интервал;

НБВК - нижний блок водоотделяющей колонны;

НВИ - нелинеаризированный временной интервал;

НЧ - низкая частота;

ОВП - отчет о верификации проекта;

ПКН - проектирование по коэффициентам нагрузок и сопротивления;

ПНО - платформа с натяжными опорами;

ПСП - предельное состояние по прочности;

ПСР - предельное состояние по ремонтопригодности;

ПСУ - предельное состояние по усталости;

РВОП - расчет видов отказов и их последствий;

РКН - расчет конструктивной надежности;

СКР - стальной катенарный райзер;

СУВ - степень участия высокая (контрольная проверка и сертификация на базе рисков);

СУН - степень участия низкая (контрольная проверка и сертификация на базе рисков);

СУС - степень участия средняя (контрольная проверка и сертификация на базе рисков);

ЧВ - частота волны;

ASME - Американское общество инженеров-механиков (The American Society of Mechanical Engineers);

API - Американский институт нефти (American Petroleum Institute);

BS - Британский стандарт (British standard);

HAZID - выявление источника опасности (hazard identification study);

HAZOP - расчет опасности и работоспособности (hazard and operability studies).

4 Основные положения

4.1 Общий расчет

4.1.1 Общий расчет воздействия нагрузки

4.1.1.1 Общий расчет воздействия нагрузки является базой для проектирования всех типов райзера (металлического, гибкого, шлангокабелей, с верхним натяжением, гибридного, наливных шлангов и т.д.).

4.1.1.2 Задача общего расчета райзера заключается в моделировании общих статических и динамических конструктивных параметров при воздействии на систему стационарных условий нагружения окружающей среды. При этом производится общее перекрестное моделирование с учетом результирующих зависимостей перемещения от усилия. Следующие ответные характеристики получают непосредственно в виде результатов общего расчета райзера:

- усилия и моменты в поперечном сечении;

- прогиб райзера;

- перемещение райзера;

- усилия опоры (реакции) в оконечных устройствах опорной конструкции;

- допускаемое перемещение райзера т.д.

4.1.1.3 Внешние нагрузки, учитываемые в общем расчете воздействия нагрузки:

1) функциональная нагрузка, связанная с собственным весом, плавучестью, приложенным верхним натяжением в номинальном положении плавучей установки;

2) нагружение райзера от потока флюида;

3) прямая волновая нагрузка на райзер. Также может быть включен эффект дифракции, связанный сдвижением плавучей установки, если применимо (например, райзеры ПНО);

4) гидродинамическое нагружение в буровой шахте (применительно к райзеру с платформы на натяжных связях с цилиндрическим корпусом типа "spar");

5) вынужденное движение плавучей установки (среднее положение и динамическое перемещение). Динамическое перемещение, как правило, выражается через функцию преобразования колебаний плавучести установки, полученное по итогам гидродинамического расчета испускания и огибания в ДЧ. В качестве альтернативы могут быть использованы временные ряды комбинированного перемещения плавучей установки ЧВ/НЧ, полученные в результате, например связанного расчета. Если применимо, могут быть рассмотрены одновременные возбуждения для нескольких плавучих установок (например, наливных шлангов или выкидных линий между двумя плавучими установками).

Примечание - Перечисления 1) и 2) описывают схемы статической нагрузки, а перечисления с 3) по 5) - комбинированной статической (усредненной) нагрузки, а также динамической нагрузки на систему райзера.

4.1.1.4 Базовое понимание основных нелинейных характеристик системы райзера является жизненно важным для моделирования системы, а также для выбора надлежащего подхода для общего расчета. Ниже приведены важные характеристики нелинейности:

- гидродинамическое нагружение (сила сопротивления, влияние зоны заплескивания);

- геометрическая жесткость;

- сложнопрогнозируемые перемещения в пространстве;

- нелинейность материала;

- вопросы контакта, например контакт с морским дном и контакт с корпусом или гибкой структурой.

Относительная значимость этой нелинейности существенно зависит от системы райзера и возбуждения, вызывающего смещение райзера. Внешнее гидростатическое давление не считается нелинейным воздействием, поскольку оно учитывается в концепции эффективного натяжения или эффективного веса с помощью компьютерной программы, специально созданной для расчета гибкой структуры.

4.1.1.5 Для статического и динамического расчета используют метод КЭ. КЭ-моделирование и верификацию модели (т.е. сетки, временного интервала, представления нагрузки и т.д.) рекомендуется проводить с учетом [2]*.

4.1.1.6 Рекомендуется использовать методы расчета, позволяющие выражать гидростатическое давление через эффективное натяжение или эффективный вес.

4.1.1.7 Расчет воздействия статический нагрузки с учетом постоянно приложенных к системе райзеров усилий (т.е. вес, плавучесть, приложенное верхнее натяжение, среднее положение плавучей установки) выполняют по всей схеме решения нелинейной зависимости.

4.1.1.8 Способы обработки нелинейности отличаются в зависимости от методов динамического расчета. Широко распространенные методы динамического расчета КЭ, обработки нелинейности и основные области применения:

- расчет НВИ: учитывает последовательную обработку нелинейности нагрузки и конструкции. Нелинейное моделирование, как правило, потребуется для систем, подвергающихся большим отклонениям, вращению или колебаниям натяжения, а также в тех случаях, когда важную роль играет описание различных точек касания или нелинейности материалов;

- расчет ЛВИ: основан на структурной линеаризации в статическом положении равновесия. Однако здесь учитывается нелинейное гидродинамическое нагружение по формуле Морисона. Областью применения является расчет райзера натяжения с умеренным поперечным перемещением;

- расчет ДЧ: основан на линеаризации конструкции и нагрузки в статическом положении равновесия (т.е. линеаризации конструкции и нагрузки). Расчет ДЧ всегда дает гауссовское распределение, поэтому не рекомендуется для прогнозирования предельных характеристик чувствительности. Основная область применения - усталостные вычисления и расчеты, предназначенные для выявления потенциальных проблемных мест в системе райзеров.

4.1.1.9 Возможность применения упрощенных методов расчета необходимо проверить посредством расчета НВИ для выбранного числа характерных режимов нагружения.

4.1.1.10 Более подробные сведения о методологии общего расчета воздействия нагрузки приведены в [2].

4.1.2 Расчет собственных значений

4.1.2.1 Расчет собственных значений служит для определения собственных частот и собственных колебаний системы райзера. Этот расчет отражает общую проверку динамических свойств райзера, поэтому всегда должен учитываться на первом этапе динамического расчета системы. Расчет собственных значений должен основываться на полной КЭ модели системы райзера, используемой для общего расчета воздействия нагрузки.

4.1.2.2 Расчет собственных значений является особенно важным при определении возможных резонансных динамических характеристик. Особое внимание уделяют глубоководным райзерам с верхним натяжением, управляемым с платформ на натяжных связях с цилиндрическим корпусом типа "spar" и платформ с натяжными опорами со сложными условиями опирания.

4.1.2.3 Расчет собственных значений также образует базу для оценки возможных ВВВ. Рассчитанные колебания и собственные частоты могут быть использованы в качестве исходных данных для последующего расчета ВВВ, основанного на модальных методиках решения ДЧ.

4.1.3 Комплексный расчет

4.1.3.1 Плавучая установка, райзер и якорные оттяжки образуют интегрированную динамическую систему, реагирующую на комплексную окружающую нагрузку, вызванную ветром, волнами и течением. Вынужденное перемещение плавучей установки может быть разложено на следующие составляющие:

- статическую (среднюю) характеристику в результате стационарного течения, среднего ветра и влияния волны;

- НЧ характеристику, связанную с ветром, волновым возбуждением 2-го порядка и смещения, вызванного вязкими силами;

- ВВВ корпуса, связанные со стационарным течением (с платформ на натяжных связях с цилиндрическим корпусом типа "spar");

- характеристику ЧВ, связанную с волновым возбуждением 1-го порядка на плавучей установке;

- ВЧ характеристику, связанную с волновым нагружением высокого порядка (например, колебания натяжных опор и вибрации ПНО).

4.1.3.2 На движение плавучей установки для глубоководного применения обычно воздействуют эффекты взаимного влияния (т.е. возврат в изначальное состояние, инерция и демпфирование) гибких структур. Текущая нагрузка и демпфирование, связанные с гибкими структурами, могут сильно влиять на НЧ движения плавучей установки для глубоководных плавучих сооружений. Последовательная обработка этих эффектов взаимного влияния является решающей при прогнозировании движения плавучей установки и характеристик гибких структур для глубоководной обстановки.

4.1.3.3 Значимость взаимного влияния существенно зависит от общей компоновки системы, а также от интенсивности воздействия различных факторов окружающей среды.

4.1.3.4 Главная цель комплексного расчета заключается в точном прогнозировании движения плавучей установки с соответствующим подходом к эффектам взаимного влияния плавучей установки и гибкой структуры.

4.1.3.5 Записи движения плавучей установки, полученные в результате комплексного расчета, могут быть использованы как данные вынужденного движения при последующем местном расчете выбранных якорных оттяжек и райзеров. В качестве альтернативы, непосредственно в расчетную модель включают компонентные модели предполагаемых нагруженных до предельного состояния якорных оттяжек и райзеров. Этот подход носит название селективного моделирования гибких структур.

4.1.3.6 Все основные эффекты взаимного влияния могут быть последовательно представлены посредством комплексного расчета, при котором в компонентную КЭ модель всей гибкой структуры, включая якорные оттяжки и райзеры, вводится модель усилий плавучей установки. Обычно требуется выполнить расчет НВИ с учетом неравномерных нагрузок от воздействия окружающей среды, чтобы получить надлежащее представление связанной характеристики плавучей установки и гибкой структуры. Данный подход обеспечивает динамическое равновесие всех усилий, действующих на плавучую установку и гибкую структуру в любой момент времени. Эффекты взаимного влияния плавучей установки и гибкой структуры таким образом будут автоматически включены в схему решения.

4.1.3.7 Комплексный расчет выполняется применительно ко всем типам плавучих систем. К ним относятся комплексные системы, содержащие несколько плавучих установок, соединенных между собой, например швартовыми тросами, наливными шлангами или линиями перекачки жидкостей. Эффекты проявления взаимного влияния характерны для установок, работающих на большой глубине (например, ПНО, платформы на натяжных связях с цилиндрическим корпусом типа "spar", полупогружные платформы, плавучие установки для добычи, хранения и отгрузки нефти и т.д.).

4.1.3.8 При комплексном расчете необходимо всегда учитывать одновременное нагружение ЧВ и НЧ. Дополнительно в комплексный расчет платформы на натяжных связях с цилиндрическим корпусом типа "spar" могут быть включены ВВВ корпуса. Для ПНО также может быть рассмотрено высокочастотное возбуждение.

4.1.3.9 Более подробные сведения о связанном расчете приведены в [2].

4.1.4 Расчет вибраций системы райзеров

4.1.4.1 Системы райзеров, подвергающиеся морскому течению, могут испытывать продольные и поперечные ВВВ. К основным последствиям ВВВ на конструкцию райзера относятся:

- система райзера может испытывать усталостные напряжения по причине ВВВ, снижающих срок службы райзера ниже требуемого;

- ВВВ может привести к повышению среднего коэффициента сопротивления, используемого при общем расчете воздействия нагрузок и расчете взаимовлияния райзеров;

- ВВВ могут влиять на КВВС, для группы райзеров (начало и амплитуда КВВС);

- ВВВ могут значительно влиять на относительную скорость соударения двух соседних райзеров (только в том случае, если при разработке возник вопрос взаимовлияния конструкций райзеров).

4.1.4.2 Оценка ВВВ имеет особую важность для глубоководных райзеров с верхним натяжением.

4.1.4.3 Расчет усталостных повреждений, вызванных ВВВ, может быть проведен при помощи современного специализированного программного обеспечения для инженерно-технического применения. Основными особенностями такого программного обеспечения являются следующие:

- полуэмпирическое параметрическое выражение поперечных нагрузок и чувствительности по результатам испытаний модели;

- модель конструкции для линейного расчета;

- прямое ДЧ решение, разработанное на линеаризованных динамических уравнениях равновесия в статическом положении равновесия (т.е. на динамических уравнениях равновесия, описывающих линейную систему, подобную в статическом положении равновесия реальной нелинейной системе);

- модальное решение на базе собственных колебаний и собственных частот, вычисленных по КЗ модели системы райзера (т.е. представление механической динамической системы, которой является райзер, в виде совокупности связанных между собой подсистем с одной степенью свободы и выбора в качестве образца таких подсистем модели линейного механического осциллятора с демпфирующим компонентом, определяющим затухание колебаний, и получения частотной передаточной функции для отношения перемещения к силе);

- расчет ДЧ усталостных повреждений.

4.1.4.4 Основные ограничения при использовании современных подходов:

- модель конструкции для линейного расчета (например, постоянное эффективное натяжение) может давать неточные результаты, например зон приземления для СКР;

- линейные ВВВ не учитываются, что, как правило, дает неконсервативные результаты оценки усталостных повреждений (в частности, если ВВВ вызывают высокие линейные колебания);

- осевые напряжения в результате поперечных ВВВ не учитываются (для этого необходимо выполнить расчет НВИ для ВВВ).

4.1.4.5 Численное ВО моделирование турбулентного потока среды вокруг одной или нескольких труб теоретически используют для оценки детальной ВВВ. Данный подход обычно носит название ВГД. Применение ВГД для оценки ВВВ в настоящее время серьезно ограничено вычислительными мощностями, необходимыми для выполнения:

- трехмерной ВГД модели, связанной со структурной моделью ЛВИ или НВИ. В настоящее время не применяется по причине необходимости выделения для решения данной задачи очень больших вычислительных мощностей;

- упрощенного двухмерного ВГД подхода (например, метод "вихрь в ячейке"), применяемый в качестве зонной модели в модели конструкции ЛВИ или НВИ. Может применяться для контрольной проверки выбранных критических условий для некоторых систем райзеров. Для получения достаточного представления о нагрузке и чувствительности потребуется рассмотреть случаи, когда высокие колебания вызваны ВВВ (например, глубоководные райзеры) для получения большого числа полос;

- двухмерных и трехмерных ВГД моделей, применяемых для одной и нескольких цилиндрических секций с гибкими опорами, а также для скрининга.

4.1.5 Взаимовлияние и соударение

4.1.5.1 Взаимовлияние райзеров в группе райзеров верхнего натяжения, управляемых с ПНО и платформ на натяжных связях с цилиндрическим корпусом типа "spar", которые подвергаются воздействию морских течений, является ключевым вопросом проектирования глубоководных сооружений. Во избежание соударения райзеров может быть увеличено верхнее натяжение и шаг между райзерами. Тем не менее, эти действия могут привести к недопустимым условиям эксплуатации плавучей установки. Конструкция, более приемлемая с точки зрения затрат, может быть получена в том случае, если компенсировать некоторое взаимовлияние райзеров (например, при аварийных сценариях). Для этого требуется выполнить специальный расчет, чтобы подтвердить достаточный запас прочности райзера, чтобы выдержать возможное столкновение.

4.1.5.2 Основные требования к расчету столкновения райзера:

- расчет взаимовлияния райзеров должен базироваться на КЭ модели двух соседних (критических) райзеров. При этом необходимо использовать подход НВИ;

- необходимо рассмотреть последствия при взаимовлиянии конструкции;

- локальное напряжение и деформацию труб в результате соударения следует определять в ходе отдельного расчета методом КЭ. Локальное напряжение и деформация труб может выражаться как функция относительной скорости трубы при ударе. Такие конструктивные детали, как соединители, покрытие и так далее, могут быть рассмотрены как относящиеся к каждому конкретному случаю;

- необходимо рассмотреть последствия гидродинамического взаимодействия (экранирование, ВВВ, КВВС, эффект близости и т.д.);

- усредненные коэффициенты уменьшения хода райзера и сопротивления формы должны быть получены по испытаниям моделей или с помощью ВГД расчета для конкретного типа трубы и числа Рейнольдса;

- необходимо оценить последствия ВВВ и учесть их при расчете консервативным способом. Необходимо также рассмотреть вопрос увеличения усредненных коэффициентов сопротивления формы в результате ВВВ (особенно для верхнего цилиндра).

4.1.5.3 Более подробные сведения, включая приемочные критерии для оценки соударений райзеров, приведены в [3].

4.1.6 Расчеты бесперебойности

4.1.6.1 Нормальная эксплуатация морских сооружений возможна только в пределах ограничивающих условий, которые могут быть связаны:

- с условиями окружающей среды (например, высота волны, скорость течения);

- чувствительностью системы (например, ход, перемещение плавучей установки, вертикальные и поперечные колебания и т.д.);

- комбинированными критериями окружающей среды и критерием чувствительности системы.

4.1.6.2 К типовым примерам морских систем с эксплуатационными ограничениями относятся комплексы систем для бурения и доступа в скважину, прокладки труб и т.д.

4.1.6.3 Главная задача расчета бесперебойности (или расчета на бесперебойность работы системы райзеров) заключается в прогнозировании работоспособности системы, т.е. процента времени, в течение которого система способна выполнять штатные операции.

4.1.6.4 Расчет бесперебойности базируется на общих продолжительных статистических данных основных параметров, описывающих состояние окружающей среды. Могут учитываться ежегодные или сезонные условия в зависимости от запланированной продолжительности работы. Могут применяться измеренные или полученные статистическим или расчетным путем данные прогнозов.

4.1.6.5 Расчет бесперебойности в отношении единичного ограничения окружающей среды может основываться на долговременном распределении соответствующей переменной.

4.1.6.6 Расчет бесперебойности применительно к нескольким ограничениям окружающей среды требует организации проверок в полном диапазоне кратковременных условий окружающей среды (т.е. в течение времени, в которое система выполняет соответствующие операции, для которых делается данный расчет) с последующей интеграцией долговременной работоспособности. Интеграция может быть обеспечена путем свертывания уравнений дисперсии, методиками Монте-Карло или методами расчета конструктивной надежности, в зависимости от конкретной задачи.

4.1.6.7 Расчет бесперебойности в отношении ограничений характеристики системы требует проведения анализа воздействия нагрузки в полном диапазоне кратковременных условий окружающей среды. Если требуется рассчитать чувствительность, эффективным способом может стать интерполяция расчетных кривых для ограниченного набора кратковременных условий по методике Бокса-Вилсона.

4.2 Детальный расчет компонентов

4.2.1 Примеры типовых конструктивных компонентов систем райзера, требующих детального проектирования и расчета:

- системы натяжения;

- спускные блоки;

- конусные секции, килевые секции;

- натяжные секции, натяжные кольца;

- телескопические секции;

- соединители и муфты;

- гибкие соединения, шаровые соединения;

- приемники;

- J-образные замки и ограничители смятия;

- плавучие банки и модули;

- подводные направляющие;

- устройства подавления ВВВ (например, обшивка);

- l-образные трубы и J-образные трубы;

- колоколообразные расширения;

- страховочные тросы, анкеровочные элементы;

- хомуты;

- головка оконечного устройства и подтягиваемая головка;

- слабые звенья;

- ограничители изгиба и жесткие накладки для гибких райзеров и шлангокабелей.

4.2.2 Подходящие методы детального расчета компонентов начинаются от простого аналитического подхода (например, ручных расчетов, электронных таблиц) и заканчиваются расширенным расчетом по методу КЭ в зависимости от сложности рассматриваемого компонента.

4.2.3 Расчет КЭ выполняют с применением программы КЭ с возможностью необходимого моделирования (например, элементы оболочек, твердотельные и балочные элементы, точки присоединений, модели материалов и т.д.).

4.2.4 Следует пользоваться общепринятыми принципами моделирования и верификации модели КЭ (например, моделирование неоднородностей структуры материала, контрольная проверка сетки и т.д.). Руководство по расчету и моделированию КЭ компонентов райзера приведено в [4] и [5] для ККН при расчете усталостных повреждений.

4.2.5 При проведении расчета КЭ для оценки прочности, утечек и усталости ККН рассматривают наихудшую комбинацию установленных допускаемых значений.

4.2.6 Расчетное напряжение по расчету КЭ может быть оценено по приемочным критериям, описанным в [2].

4.2.7 Напряжение в наиболее критических поперечных сечениях должно быть линеаризованным при выполнении оценки по приемочным критериям (см. также [6], часть 2, приложение 4).

4.2.8 Местный расчет КЭ применяется для:

- расчета предельных напряжений и деформаций с учетом нагрузок по результатам общего расчета воздействия нагрузок в качестве граничных условий;

- определения прочности компонента в условиях максимальных прилагаемых внешних нагрузок и деформации (например, момент, натяжение, внутреннее и внешнее давление, радиус изгиба, угловая деформация и т.д.);

- определения поверхностей чувствительности отражающих характеристики локальных компонентов в зависимости от приложенных нагрузок (например, оценка усталости путем выражения напряжений в критических зонах в виде функции приложенных изгибающих моментов и натяжения);

- оценки ККН, используемых при общем расчете усталостной прочности (например, ККН в связи с перемещением соседних звеньев райзера), и расчете механики разрушений при распространении трещин;

- оценки последствий ударного нагружения (например, падающих предметов на плавучие банки, подводные арочные конструкции и т.д.).

4.2.9 Влияние локальных неоднородных характеристик материала (например, дефекты сварки) рассчитывают при помощи локального КЭА и детерминированного расчета или расчета вероятностей механических разрушений при распространении трещин и разрушения без увеличения нагрузки. Для оценки дефектов под влиянием нагрузок, вызывающих пластическую деформацию, рекомендуется использовать расчет уровня 3 по [7].

4.3 Расчет конструктивной надежности

4.3.1 РКН используется для расчета коэффициента нагрузки и сопротивления (ПКН), который является предпочтительным согласно [2].

4.3.2 Расчет конструктивной надежности позволяет сравнивать альтернативные конструкции. Он может быть использован напрямую при проектировании и эксплуатации оборудования, использующего новейшие конструктивные решения или для уточнения частных коэффициентов запаса в расчетных формулах. Основными областями применения РКН являются следующие:

- разработка конструкции, оптимальной с точки зрения затрат;

- разработка новейшей конструкции при отсутствии действующих эмпирических принципов проектирования и с учетом ограниченного опыта разработки месторождений;

- применение новейших материалов при отсутствии достаточных эмпирических данных об их свойствах;

- комплексный расчет с помощью точного моделирования предполагаемых проблемных мест критических компонентов исходя из предполагаемых видов отказа;

- разработка конструкции с требуемой надежностью;

- планирование контроля и технического обслуживания для рационального распределения ресурсов.

4.4 Специальные виды расчета

4.4.1 Расчет компоновки "труба-в-трубе"

4.4.1.1 При проведении операций часто применяется система райзеров, состоящая из двух-трех соосных металлических труб. Для обеспечения требуемого зазора между трубами в ряде случаев применяют распорки.

4.4.1.2 При общем расчете воздействия нагрузки используют модель эквивалентной балки с поперечным сечением компоновки "труба-в-трубе".

4.4.1.3 Современный упрощенный подход при моделировании компоновки "труба-в-трубе" в рамках общего расчета воздействия нагрузки может быть описан следующим образом:

- эквивалентная осевая жесткость определяется путем суммирования осевой жесткости всех трубных изделий. Следовательно, подразумевается, что все трубные изделия подвергаются одинаковой осевой деформации;

- эквивалентная жесткость при изгибе определяется путем суммирования жесткости при изгибе всех отдельных трубных изделий в поперечном сечении. Для этой модели подразумевается, что поперечное сечение компоновки "труба-в-трубе" при изгибе остается соосным.

Соответственно, существуют принципы моделирования восстановления конструкции после приложения нагрузок, полученных по результатам общего расчета райзера с применением эквивалентной балочной модели:

- результирующая (фактическая) осевая сила составной балочной модели распределяется по каждому трубному изделию в соответствии с осевой жесткостью каждого трубного изделия;

- результирующий изгибающий момент составной балочной модели распределяется по каждому трубному изделию в соответствии с жесткостью при изгибе каждого трубного изделия. Для внутренней трубы может быть применен коэффициент совокупности моментов КСМ (как правило, равный 1,2), учитывающий возможное взаимодействие труб.

4.4.1.4 Специальный расчет компоновки "труба-в-трубе" применяют для более глубокой оценки характеристик поперечного сечения компоновки "труба-в-трубе". Такой расчет выполняют с помощью КЭ компьютерного кода, обеспечивающего компонентное моделирование взаимодействия труб. КЭ модель должна сочетать компонентное моделирование всех трубных изделий и возможных распорок для репрезентативной секции райзера. Должное внимание следует уделить моделированию граничных условий, а также возможному предварительному натяжению отдельных труб. Расчет компоновки "труба-в-трубе" применяется для:

- расчета эквивалентных свойств жесткости для использования при общем расчете воздействия нагрузок;

- восстановления конструкции после приложения нагрузок, полученных по результатам общего расчета;

- оценки взаимодействия труб (например, относительное перемещение, КСМ, локальные напряжения на распорках и т.д.).

4.4.2 Расчет эрозии трубы

4.4.2.1 Местный расчет эрозии с применением рекомендованного практического руководства [8] обеспечивает безопасные критерии эксплуатации без наложения излишних ограничений на скорость потока. [8] рассматривает широкий диапазон материалов и является мировым стандартом по проектированию с учетом требований безопасности и эрозийного износа. Для деталей сложной геометрии моделирование эрозии может быть выполнено методом ВГД.

4.4.3 Коэффициенты теплопередачи и тепловые потери

4.4.3.1 Падение температуры на всем протяжении трубы зависит от степени изоляции и характеристик многофазного потока.

4.4.3.2 Влияние изоляции характеризуется общим коэффициентом теплопередачи.

4.4.3.3 Для трубных изделий с соосной изоляцией общий коэффициент теплопередачи следует определять по стандартным справочным формулам.

4.4.3.4 Для более сложных геометрических форм (например, поперечные сечения компоновки "труба-в-трубе") следует выполнять КЭ расчет и определять общие коэффициенты теплопередачи.

4.4.3.5 Для новых изоляционных материалов или новой области применения известных изоляционных материалов следует выполнить аттестацию. Аттестация должна включать анализ следующих факторов:

- теплопроводности;

- влияния внешнего давления;

- длительно сохраняемых свойств;

- прочности соединений и сварных швов;

- комбинации вышеперечисленного.

4.4.3.6 В рамках аттестации, для получения информации по вышеприведенным факторам, проводятся соответствующие испытания.

4.4.4 Расчет пробкового режима потока

4.4.4.1 Пробковый режим потока, характеризующийся чередованием жидких пробок и газовых пузырей, может создавать значительные динамические нагрузки на гибкие глубоководные райзеры.

4.4.4.2 Общий расчет воздействия нагрузки с учетом влияния пробкового режима потока требует наличия специального программного обеспечения для проведения КЭ расчета райзера. Описание параметров пробкового режима потока выполняется через скорость, длину и плотность каждой пробки, а также временных интервалов между пробками. При этом необходимо использовать расчет НВИ.

4.4.4.3 Подробная методика расчета приведена в [2].

4.5 Расчет усталостной прочности

4.5.1 Как правило, для расчета усталостной прочности металлических райзеров используют методы оценки усталости, основанные на SN кривых.

4.5.2 Общее усталостное разрушение по этим методам определяют путем разложения всех наблюдаемых условий окружающей среды за планируемый период эксплуатации оборудования на характерные типы, после чего высчитывают частные усталостные разрушения от воздействия каждого типа климатических условий и суммируют их общий результат. Для получения данных о характерных типах климатических условий, наблюдаемых в данной местности и в данный интервал времени, следует использовать консервативный подход.

4.5.3 При расчете усталостного разрушения рассматривают все соответствующие последствия циклического нагружения. Расчет усталостных напряжений должен основываться на достаточном расчете воздействия нагрузки для каждого кратковременного условия.

4.5.4 Следует выполнять оценку применяемой SN кривой и ККН для конкретного конструктивного компонента.

4.5.5 Оценку усталостного разрушения ВО следует базировать на общепринятом подходе подсчета циклов, как правило, это подсчет числа циклов методом "дождя".

4.5.6 Расчет усталостных напряжений основывают на общем расчете воздействия нагрузок NLBO с учетом влияния внешней среды. Применение упрощенного подхода для оценки усталостных разрушений ЧВ и НЧ (например, ДЧ, ЛВИ) проверяют посредством расчета НВИ с учетом подсчета числа циклов методом "дождя" для суммирования усталостных разрушений.

4.5.7 Совместная оценка усталостных разрушений в результате ЧВ, НЧ и ВВВ корпуса требует связанного расчета.

4.5.8 Усталостное разрушение, связанное с ВВВ райзера, оценивают в рамках отдельного расчета.

4.5.9 Расчет усталостной прочности компонентов, содержащих дефекты, выполняют путем расчета механических усталостных повреждений при распространении усталостных трещин.

4.5.10 Усталостная прочность новейших материалов устанавливается путем испытаний.

4.5.11 Более подробные сведения о расчете усталостных повреждений приведены в [2].

4.6 Бурение, заканчивание и капитальный ремонт скважины

4.6.1 Помимо технического подхода, описанного в данном разделе, общий расчет воздействия нагрузки также должен учитывать статическое и динамическое поведение конструкции, вызванное следующими рабочими и случайными схемами нагружений в процессе бурения, заканчивания и капитального ремонта:

- отсоединением НБВК (аварийное или плановое);

- ситуацией сноса или смещения плавучей установки от точки бурения (бурение с динамическим позиционированием и системы доступа в скважину);

- потерей якорей (при бурении с установки, позиционируемой над скважиной с помощью якорной системы);

- вывешиванием систем райзера;

- операциями заканчивания и капитального ремонта внутри бурового райзера;

- влиянием противооткатных систем райзера;

- потерей системы натяжения или системы верхнего натяжения райзера;

- заклиниванием верхнего привода;

- удельным весом бурового раствора и жидкостей для заканчивания скважины;

- спуском и подъемом противовыбросового превентора, устьевой елки и НБР и НБВК.

4.6.2 Оценка общего усталостного разрушения, описанная в 4.5, должна учитывать нагрузки, связанные со спускоподъемными операциями, а также режимами вывешивания.

5 Гибкие райзеры и шлангокабели

5.1 Общие положения

5.1.1 Гибкие райзеры (гибкие трубы) представляют собой трубы со связанными слоями или трубы с несвязанными слоями. Оба типа труб состоят из гибких секций с концевыми фитингами, установленными на обоих концах трубы. Оба типа труб объединяет тот факт, что они представляют собой многослойные конструкции, в которых каждый слой выполняет свою роль.

5.1.2 Отдельные слои гибкого райзера наносятся друг на друга, начиная с внутреннего слоя и заканчивая внешним слоем для полной защиты райзера. В трубах с несвязанными слоями не обеспечивается сцепление между различными слоями, а трубы со связанными слоями состоят из слоев, сцепленных с помощью связующих материалов или за счет приложения тепла или давления для сплавления слоев в единую структуру. Трубы с несвязанными слоями в настоящее время являются наиболее предпочтительными для гибких райзеров.

5.1.3 Под шлангокабелем обычно подразумевается изделие в виде пучка оптоволоконных, гидравлических и электрических проводников малого диаметра, намотанных спиралью или двойной спиралью, для передачи энергии и управляющих сигналов систем. Шлангокабели могут применяться только для обеспечения подачи отдельно электричества, гидравлических жидкостей или сигналов, передающихся по оптоволоконным линиям, или для их комбинации. Также они могут выполнять другие функции, например газлифт и волоконно-оптическая система передачи данных.

5.2 Критерии проектирования гибких райзеров

5.2.1 Критерии проектирования для гибких райзеров выражают через следующие проектные параметры:

- деформацию (полимерная оболочка, труба с несвязанными слоями, эластомерные слои, труба со связанными слоями);

- ползучесть (внутренняя оболочка давления, труба с несвязанными слоями);

- напряжение и нагрузка (упрочняющие слои и каркас, труба со связанными слоями);

- напряжение (металлические слои и концевые фитинги);

- гидростатическое смятие (критическая продольная нагрузка);

- механическое смятие (напряжения, вызванные армирующим слоем);

- скручивание;

- смятие и овализацию (при установке);

- сжатие (осевое и эффективное);

- коэффициенты срока службы.

5.2.2 Указанные критерии применяют для материалов, в настоящее время используемых для гибких райзеров. Если предлагается использовать новые материалы, критерии проектирования новых материалов должны давать не меньший уровень безопасности, чем указанный в действующих стандартах, например в [9] (несвязанные слои) или в [10] (связанные слои). Критерии проектирования должны учитывать все характеристики материалов (например, чувствительность к ползучести, усталость, чрезмерная деформация, растрескивание, старение и т.д.).

5.3 Критерии проектирования для шлангокабелей

5.3.1 Критерии проектирования для шлангокабелей управления приведены ниже:

- деформация (эластомерные шланги, стальная труба);

- напряжение и нагрузка (упрочняющие слои и каркас, стальная труба, концевой фитинг);

- гидростатическое смятие (критическая продольная нагрузка);

- механическое смятие (напряжения, вызванные каркасом);

- разрушающее смятие и овализация (при установке);

- сжатие (осевое и эффективное);

- коэффициенты срока службы.

5.3.2 Указанные критерии применяются для материалов, в настоящее время используемых для подводных шлангокабелей управления. Если предлагается использовать новые материалы, критерии проектирования новых материалов должны давать не меньший уровень безопасности, чем указанный в действующих стандартах (например, в [11]). Критерии проектирования должны учитывать все характеристики материалов, например старение, усталость, чрезмерная деформация и т.д.

5.4 Схемы нагружения

5.4.1 Гибкие райзеры и шлангокабели должны проектироваться в соответствии с функциональными требованиями при условиях нагружения, отвечающих внутренней среде, внешней среде, требованиям к системе и сроку службы, установленным исходя из места и условий их эксплуатации.

5.4.2 Все возможные схемы нагружения для трубопроводных систем, включая производство, хранение, транспортировку, испытание, операции по установке, эксплуатацию и аварийные ситуации, должны быть определены производителем в качестве исходных данных. Исходные данные должны задавать матрицу схем нагружения, определяющую все штатные, нештатные условия нагружения, нагрузки при установке и усталостные нагрузки в соответствии с требованиями для систем райзеров, установленным исходя из места и условий их эксплуатации.

5.5 Расчет напряженно-деформированного состояния в локальном поперечном сечении

5.5.1 По причине многослойной структуры гибких райзеров и шлангокабелей вопрос расчета локального поперечного сечения является сложным, особенно для комбинированных нагрузок. Локальный расчет необходим для получения зависимости напряжений и деформаций от общего нагружения в различных слоях поперечного сечения райзера или шлангокабеля. Затем расчетные напряжения и деформации сравниваются с заданными критериями расчета для схем нагрузки, установленных на этапе проектирования.

5.5.2 Общий расчет воздействия нагрузки на гибкие райзеры и шлангокабели определяется с применением подхода, описанного выше в разделе 4.

5.5.3 Для предварительного сравнения расчетных нагрузок с критериями расчета могут применяться упрощенные методики.

5.5.4 Для детального расчета требуются более точные методы расчета, которые учитывают все основные воздействия. Все выбранные программы для этой цели должны предусматривать возможность надлежащего моделирования райзера и шлангокабеля (включая, при необходимости, осевые, изгибающие усилия и кручение) и верификацию результатов. Программа должна учитывать взаимодействие и распределение нагрузки между различными слоями и компонентами. Существует ряд запатентованных компьютерных программ для расчета гибкого райзера, но количество аналогичных программ для расчета шлангокабелей ограничено.

5.5.5 Воздействие нагрузки на стенки райзера или шлангокабеля может быть задокументировано посредством испытания опытных образцов. Результаты числового расчета могут быть проверены с помощью испытаний опытных образцов. Из-за ограниченного количества программ испытание является наиболее важным подходом при расчете шлангокабелей. Испытания могут выполняться с разными целями:

- полномасштабные испытания поперечного сечения, включая оконечные устройства, для определения характеристик трубы и напряжений и деформаций в различных слоях или материалах райзера или шлангокабеля;

- испытание компонентов поперечного сечения (например, бронированная проволока, шланг) с целью определения, например характеристик материала, кривых усталости;

- полномасштабные испытания гибкого райзера и шлангокабеля для временных этапов (например, при установке намотанных труб).

5.5.6 Расчет окружающей среды вокруг стенки трубы гибкого райзера является важным аспектом, в частности, для определения требований к выбросу газов и видов отказов металлических материалов. Стенка гибкого райзера для связанных или несвязанных конструкций представляет собой пространство, в котором располагаются первичные упрочняющие элементы. При расчете гибкой трубы следует учитывать следующие окружающие условия гибкого райзера:

- рабочие газы и жидкости;

- попадание жидкостей из внешней среды (морской воды).

5.5.7 Гибкие райзеры и шлангокабели являются сложными конструкциями, особенно с точки зрения усталости и износа. Существует несколько возможных механизмов усталостного разрушения и износа, которые могут быть критическими. Поэтому каждую область применения следует тщательно исследовать. Усталостные расчеты для гибких райзеров и шлангокабелей заключаются в поиске значимой неопределенности, связанной с упрощением данных долговременного нагружения и математических моделей, а также сложностью процессов износа и усталости.

6 Материаловедение и исследование отказов

6.1 Выбор материалов

6.1.1 Выбранные материалы должны соответствовать требованиям условий эксплуатации и срока службы.

6.1.2 Во избежание повторения нештатных ситуаций в будущих конструкциях систематически регистрируются и применяются опытные данные по отказам компонентов. Опыт по результатам расчета отказов и испытания компонентов должен использоваться для определения видов отказов при новых разработках.

6.2 Научно-исследовательские организации

6.2.1 Научно-исследовательские организации для подтверждения характеристик материалов и оборудования должны иметь возможность осуществлять:

- исследования и разработки;

- полномасштабные испытания конструкции;

- испытания механического оборудования;

- аттестацию материалов;

- контроль коррозии;

- поиск и устранение неисправностей;

- контрольную проверку соответствия целевому назначению;

- исследование отказов;

- исследование потока и многофазного потока.

6.3 Испытания

6.3.1 Испытания проводят для контроля райзеров и их компонентов. При этом необходимо выполнить испытания общей и локальной прочности, степени усталости в сочетании с оценкой материалов и коррозии. Также может быть выполнено обнаружение повреждений (разрывов, утечек и т.д.) для определения видов отказов. Потенциально слабыми зонами гибких труб являются оконечные устройства и концевые фитинги, которые необходимо проверить и исследовать в реальных условиях.

6.4 Исследования отказов

6.4.1 Исследования охватывают широкий диапазон, начиная от серьезных повреждений вплоть до отказа или растрескивания мелких отдельных компонентов. Практически представлена каждая техническая область с особым вниманием к выбору материалов, коррозии, сварке и т.д.

6.4.2 Исследования включают в себя расчет разрушений для обнаружения типа, характера и возможной причины разрушения. Для выявления микроструктуры и состояния термообработки материала выполняется металлографическое исследование и испытания на твердость. В объем работ также входит оценка вида и характера коррозии, а также аномального износа компонентов. Расчеты по механике разрушений используются для определения схем нагружения перед и в момент начала разрушения.

6.5 Механика разрушений

6.5.1 Испытания материалов выполняют для определения механических характеристик (особенно прочностных) в условиях определенной окружающей среды. Расчет выполняют для оценки влияния дефектов, оптимизации периодичности контроля, увеличения срока службы или пригодности для производственного расчета и для определения вероятности распространения трещин или неустойчивого разрушения.

6.5.2 Расчеты проводят с помощью детерминированных или вероятностных методов.

6.6 Определение пригодности к эксплуатации

6.6.1 Оценку пригодности к эксплуатации выполняют для того, чтобы убедиться, что компонент или система отвечают общим требованиям к надежности и вероятности отказа в условиях, когда одно или несколько требований к проекту не были выполнены, о чем составляется соответствующий документ.

6.6.2 Исследуемое изделие может не отвечать установленным кодам, стандартам и требованиям, а условия эксплуатации могут отличаться от заданных проектных условий. К типичным условиям относятся: наличие дефектов или трещин, ухудшение свойств материалов, изменение воздействия окружающей среды, повторная аттестация после возникновения случайных нагрузок.

6.6.3 Оценка пригодности к эксплуатации может включать в себя все перечисленные аспекты:

- контроль качества материала;

- оценку коррозии и коррозионной защиты;

- испытания материалов;

- контроль и измерения вибраций и контроль состояния материала в условиях эксплуатации;

- линейный и нелинейный расчет по методу КЭ;

- расчеты механики разрушений вероятностным и детерминированным методом.

7 Проведение морских работ

7.1 Общие положения

7.1.1 Проведение морских работ планируют и подготавливают таким образом, чтобы перевести объект из одного безопасного состояния в другое в соответствии с надлежащей безопасной инженерно-технической практикой, действующими кодами и стандартами.

7.1.2 Комплексные морские работы целесообразно выполнять в соответствии с [12].

7.1.3 Анализ и оценку рисков при морских операциях целесообразно выполнять с учетом [13].

7.2 Аспекты эксплуатации и граничные условия

7.2.1 Важным аспектом при проведении морских работ являются граничные условия, при которых может быть осуществлена эксплуатация. Граничные условия для морских работ задаются в виде погодного окна для заданного периода времени (т.е. допустимая волна, ветер и течение).

7.2.2 При проведении морских работ в течение контрольного периода менее 72 ч начало работы обусловлено приемлемым прогнозом погоды. Операции по установке динамических райзеров выполняют в течение этого контрольного периода.

7.2.3 При проведении работ в течение длительного контрольного периода требуются более точные расчеты и расчет с целью нахождения приемлемого погодного окна и времени начала работ. Эти расчеты основываются на статистических данных об окружающей среде по месту установки.

7.2.4 Примеры задач, выполняемых при проверке и расчете граничных условий для окружающей среды:

- проверка производственных процедур;

- расчеты по формулам и методам, приведенным в [12];

- расчет операций по монтажу (см. 8.3);

- статистический расчет окружающей среды;

- расширенный расчет по методу вероятностей (например, расчет вероятности волн, превышающих предельное значение в ходе проведения работ с учетом состояния поверхности моря в начале проведения операций).

7.2.5 Должна использоваться комбинация расчетов для контроля соответствия оборудования граничным условиям (см. также [12]).

7.3 Анализ операций по монтажу

7.3.1 Основные задачи анализа операций по монтажу:

- проверка целостности конструкции на всех важных этапах операций по монтажу и разработка соответствующей документации;

- определение граничных условий (например, волны, течение, перемещение) при операциях по монтажу;

- определение остаточной несущей способности конструкций по месту (например, усталостная несущая способность с учетом усталостных повреждений в ходе установки, например буксировка) и разработка соответствующей документации;

- необходимая оценка морских работ в процессе монтажа.

7.3.2 Примеры типовых сценариев расчета операций по монтажу:

- расчет операций по монтажу гибких райзеров и СКР;

- расчет осадки (платформа на натяжных связях с цилиндрическим корпусом типа "spar", колонна райзера);

- расчет буксировки на поверхности и под водой, например сборки элементов райзера;

- спуск подводных модулей от судна-трубоукладчика до конечного места на морском дне;

- детальный расчет напряжений, деформаций и овальности труб и так далее в результате монтажа намотанных труб;

- расчет операций по монтажу райзера (например, перемещения райзера от судна-трубоукладчика к месту постоянной дислокации);

- расчет подъема (например, l-образной трубы и J-образной трубы);

- разработка процедур оценки критичности для прочностного расчета характерных размеров дефектных сварных швов при всех методах установки с возникновением суммарной деформации не менее 0,3%. Может выполняться в соответствии с [2].

7.3.3 В ряде случаев расчет операций по монтажу требует наличия нескольких программных пакетов, например, общий расчет воздействия нагрузки, расчет комплексных морских работ, универсальный метод КЭ; более подробные требования к программному обеспечению приведены в приложении А.

7.4 Проведение испытаний

7.4.1 Для операций, для которых отсутствуют эмпирические данные, в ряде случаев требуется выполнить испытания и определить условия работы с райзером или шлангокабелем (например, при установке намотанных труб).

8 Проектирование и разработка

8.1 Аттестация новой технологии

8.1.1 Новая концепция систем райзеров может представлять собой проект разработки месторождения, в которой система райзера является частью комплексной системы, либо может представлять собой разработку новой системы райзера (например, тип, область применения, материалы и т.д.).

8.1.2 К новой технологии относится проверенная технология в новых условиях окружающей среды и непроверенная технология в известных условиях окружающей среды.

8.1.3 Рекомендуемые правила по разработке процедур аттестации новой технологии [14] описывают систематический подход к аттестации новой технологии, обеспечивающий надежное функционирование технологии в установленных пределах. Рекомендуемые правила регламентируют основные положения, принципы и методы, используемые в процессе подтверждения соответствия технологии ее назначению.

8.1.4 Оценка концепции включает в себя этапы двойной оценки технологических решений и необходимые работы по их аттестации. Программа аттестации концепции содержит следующие этапы:

- выявление и определение альтернативных концепций;

- оценка концепции в отношении доходов, составляющих капитальные расходы и эксплуатационные расходы;

- выявление основных видов отказов и их последствий (т.е. выполнение оценки рисков);

- определение меры по усовершенствованию и оценка последствий этих мер (повышение надежности, экономичности, расчет чувствительности);

- разработка программы испытаний и измерений;

- выполнение испытания ключевых компонентов.

8.1.5 Результатом схемы аттестации может быть декларация или акт подтверждающий соответствие полученных характеристик требуемым параметрам.

8.1.6 Результаты аттестации могут быть использованы для:

- приемки и внедрения новой технологии;

- сравнения альтернативных технологий в качестве исходных данных при оценке надежности более комплексной системы, частью которой может быть вновь аттестованная технология.

8.2 Оценка рисков

8.2.1 Для определения критических сценариев и оценки последствия единичного отказа или серии отказов систем райзера следует выполнять систематические проверки. Методикой систематической проверки для оценки общих рисков для здоровья человека и безопасности окружающей среды и активов является КРР, в состав которого входит:

- выявление опасностей (HAZID/HAZOP) или РВОП для оценки возможных причин и последствий опасных событий;

- оценка вероятности отказов;

- схемы развития аварийных ситуаций;

- оценка последствий и рисков.

8.2.2 Расчет рисков проводится с точки зрения:

- оценки приемочных критериев;

- схем аттестации;

- оценки аварийных ситуаций и критических сценариев в совокупности с общей картиной рисков для установки;

- оценки концепции и конструкции;

- расчета экономической эффективности;

- производственных аспектов;

- определения мер и рекомендаций по снижению рисков в тесном взаимодействии с заказчиком.

8.3 Оценка технических рисков

8.3.1 Оценка технических рисков - это разновидность общего расчета рисков с целью определения и классификации видов отказов по рискам в зависимости от вероятности отказа и последствий отказа.

8.3.2 Вероятность отказа компонента системы (или всей системы) может быть основана на статистических данных об отказах или определена путем расчета конструктивной надежности с применением естественных знаний и математических формул для видов отказа и связанных с ними неопределенностей.

8.4 Повторная оценка

8.4.1 В ряде случаев изделия не соответствуют техническим условиям, кодам или стандартам. Компонент также может иметь повреждения, полученные в случае превышения его срока службы или при изменении условий работы. Оценка пригодности для эксплуатации позволяет определить, может ли быть продолжена безопасная эксплуатация компонента в зависимости от факторов, таких как остаточная прочность, наличие дефектов, ухудшения свойств материала и условий эксплуатации. В качестве инструмента для документирования общего уровня безопасности используется вероятностный расчет.

8.4.2 Для продления срока службы может быть использован РКН для разработки отчета о соответствии степени надежности.

9 Контрольная проверка

9.1 Общие положения

9.1.1 Рекомендуется привлекать третью сторону к процессу контрольной проверки на ранних этапах проектирования, чтобы исключить серьезные последствия для затрат и графиков работ при обнаружении ошибок или отказов.

9.1.2 Контрольная проверка представляет собой систематическое и независимое исследование различных этапов жизненного цикла системы райзера для понимания того, что она обладает достаточной целостностью в соответствии с ее назначением.

9.1.3 Действия по контрольной проверке выполняют с целью обнаружения ошибок или отказов в работах, связанных с системой райзера, и снижения рисков для эксплуатации системы райзера и безопасности персонала, работающего вблизи системы.

9.1.4 Контрольная проверка прежде всего направлена на надежность и безопасность эксплуатации оборудования для человека, но также должна учитывать бизнес-риски (затраты и сроки работ).

9.1.5 Контрольную проверку выполняют дополнительно к плановым работам по проектированию, изготовлению и эксплуатации, но она не является их заменой.

9.1.6 Контрольную проверку разрабатывают и реализуют таким образом, чтобы уменьшить объем дополнительных работ и затрат, но повысить эффективность. Разработка контрольной проверки должна зависеть от результатов исследования систем менеджмента качества, изучения документов и производственного процесса.

9.2 Уровни контрольной проверки

9.2.1 Уровень работ по контрольной проверке отличается в зависимости от характерных рисков для райзера и платформы или плавучей установки. Если риски (т.е. вероятность наступления отказа, а также тяжесть последствий отказа) для райзера высоки, уровень контрольной проверки будет выше. И наоборот, если риски для райзера низкие, уровень контрольной проверки может быть ниже без ущерба для его эффективности.

9.2.2 Контрольная проверка систем райзера делится на низкий, средний и высокий уровни (см. [15]). Краткая информация об уровнях участия приведена в таблице 1. Стандартным уровнем работ по контрольной проверке считается средний, который применяется для большинства райзеров. Высокий уровень контрольной проверки применяется в том случае, если риски по отношению к райзеру достаточно высоки, например по причине неизвестных условий окружающей среды, технических нововведений или недостаточно опытных подрядчиков для проектирования и изготовления аналогичных райзеров. Низкий уровень контрольной проверки применяется в том случае, когда риски по отношению к райзеру низкие, например в случае установки райзера в благоприятных и хорошо известных условиях окружающей среды или наличия достаточно опытных подрядчиков для проектирования и изготовления аналогичных райзеров.

Таблица 1 - Уровни контрольной проверки

9.2.3 Владельцу системы райзера предоставляется право выбора уровня контрольной проверки. При выборе следует учитывать факторы, указанные в данном разделе.

9.2.4 Для разных этапов проекта системы райзера и даже в рамках одного этапа могут быть выбраны различные уровни контрольной проверки. Например, конструкция райзера может быть инновационной и может отличаться высокими рисками, в то время как метод установки является хорошо известным и характеризуется низкими рисками.

9.2.5 Для разных компонентов системы райзера также могут быть выбраны различные уровни контрольной проверки. Например, компонент может быть инновационным и характеризоваться высоким риском, а труба райзера и другие компоненты могут быть стандартными и характеризоваться низким риском.

9.2.6 Уровень контрольной проверки может быть уменьшен или увеличен на конкретном этапе, если первоначально выбранный уровень считается крайне жестким или крайне мягким, по мере появления новой информации о рисках в отношении системы райзера.

9.2.7 Контрольную проверку необходимо планировать в тесном взаимодействии с заказчиком и каждым из его подрядчиков, чтобы определить индивидуальный объем работ в соответствии с графиком каждого производственного процесса, т.е. применительно к действиям по контрольной проверке, точкам мониторинга и контроля, совместным действиям и безотлагательным действиям.

9.2.8 При контрольной проверке наибольшие усилия затрачиваются на такие элементы системы райзера, отказ или снижение производительности которых будет в большей степени влиять на безопасность, а также на риски по проекту.

9.3 Выбор уровня контрольной проверки

9.3.1 Выбор уровня контрольной проверки должен зависеть от степени критичности каждого из элементов, который оказывает влияние на управление опасностями и уровнями соответствующих рисков для системы райзера. Это показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Выбор требуемого уровня контрольной проверки

9.3.2 Участие каждого элемента необходимо оценить количественным и качественным образом, при этом по возможности следует использовать количественные результаты оценки рисков для создания обоснованной базы при принятии каких-либо решений (см. таблицу 1).

9.3.3 К факторам выбора уровня контрольной проверки относятся следующие:

- общие цели безопасности для системы райзера. Владелец должен определить общую задачу безопасности на всех этапах системы райзера, начиная от проектирования и заканчивая эксплуатацией. Задачи безопасности должны описывать основные цели по безопасности, а также определять критерии приемки уровня рисков, приемлемого для владельца;

- оценка рисков, связанных с райзером, и меры по уменьшению этих рисков. Необходимо систематически выполнять проверку для определения и оценки вероятности и последствий отказов системы райзера. Объем проверки должен отражать степень критичности системы райзера, планируемые работы и предыдущий опыт для аналогичных систем райзера. Результат систематической проверки рисков (например, КРР, РВОП, HAZOP) измеряется по отношению к задачам безопасности и используется для выбора подходящего уровня контрольной проверки;

- степень технических нововведений в систему райзера. Должна учитываться степень технических нововведений в систему райзера. Скорее всего риски будут выше для райзера с высокой степенью технической новизны по сравнению с райзером, спроектированным, изготовленным и установленным по хорошо известным критериям в известных водах;

- опыт подрядчиков, выполняющих аналогичные работы. Следует принять во внимание степень риска по отношению к системе, если подрядчики являются неопытными или график работ достаточно жесткий;

- системы менеджмента качества владельца и его подрядчиков. Необходимо внедрить подходящие системы менеджмента качества, чтобы ограничить суммарную погрешность при разработке конструкции, изготовлении и эксплуатации системы райзера.

9.4 Контрольная проверка проекта

9.4.1 Контрольная проверка проекта выполняется с целью контроля соответствия полученных характеристик системы райзера заданным требованиям.

9.4.2 Объем работ при контрольной проверке проекта по взаимному согласованию между организацией, сертифицированной на проведение контрольной проверки, и заказчиком может включать в себя задачи, приведенные:

- в таблице 2 применительно к проверке;

- таблице 3 применительно к независимому расчету;

- таблице 4 применительно к проверке конструкции металлических райзеров;

- таблице 5 применительно к проверке конструкции гибких райзеров;

- таблице 6 применительно к проверке конструкции шлангокабелей.

9.4.3 Объем работ описан для каждого уровня - СУН, СУС и СУВ согласно таблице 1.

Таблица 2 - Объем работ по контрольной проверке проекта - расчет

Таблица 3 - Объем работ по контрольной проверке проекта - независимый расчет

Таблица 4 - Объем работ по контрольной проверке проекта - проверка конструкции, металлические райзеры

Таблица 5 - Объем работ по контрольной проверке проекта - поверка конструкции, гибкие райзеры

Таблица 6 - Объем работ по контрольной проверке проекта - поверка конструкции, шлангокабели

9.5 Контрольная проверка изготовления

9.5.1 Контрольную проверку в процессе изготовления выполняют посредством надзора, аудитов, контроля или выборочных проверок работ, при необходимости, с достаточной степенью детализации с целью контроля соответствия заданным требованиям системы райзера.

9.5.2 Объем работ контрольной проверки технических условий и процедур по изготовлению и производству может включать задачи, перечисленные в таблице 7 для каждого уровня - СУН, СУС и СУВ.

Таблица 7 - Объем работ по контрольной проверке процесса производства и изготовления

9.6 Контрольная проверка монтажа

9.6.1 Объем работ при контрольной проверке процесса монтажа системы райзера может включать задачи, перечисленные в таблице 8 для каждого уровня - СУН, СУС и СУВ.

Таблица 8 - Объем работ по контрольной проверке процесса установки

9.7 Отчетная документация

9.7.1 Уровень отчетности зависит от выполняемых задач при контрольной проверке проекта. В качестве отчетной документации о проведенных работах по контрольной проверке могут быть выданы следующие типы отчетов.

9.7.2 Технический отчет содержит описание независимых работ, выполняемых в ходе контрольной проверки. Отчет содержит описание используемых моделей, допущений и упрощений, методологий, полученных результатов и комментариев.

9.7.3 Отчеты о контрольной проверке выдаются для подтверждения того, что соответствующие изделия или услуги были выполнены с соблюдением установленных требований. ОКПП должен быть датирован и подписан двумя лицами: разработчиком и заказчиком проекта. Также необходимо указать имя внутреннего проверяющего лица от организации, сертифицированной на проведение контрольной проверки. Данный отчет содержит следующую информацию:

- описание изделия;

- область применения (эксплуатационные ограничения и условия применения), на которые рассчитано изделие или услуга;

- коды и стандарты, по которым проводилась контрольная проверка изделия или услуги;

- четкие выводы по контрольной проверке (отвечает ли установленным требованиям);

- коды и стандарты, используемые в качестве ссылочных;

- документация, по которой был составлен отчет о контрольной проверке (документы, чертежи, переписка, включая количество доработок);

- любые комментарии;

- описание выявленных несоответствий.

9.7.4 Протокол несоответствий по результатам контрольной проверке: отчет о проверке документов может быть оформлен в виде листов комментариев к контрольной проверке. Эти документы содержат подробную информацию для заказчика об особенностях конструкции райзера, которые:

- не отвечают установленным требованиям;

- не дают достаточно информации для принятия решения;

- позволяют выдать рекомендации, исходя из собственного опыта.

Приложение А

(справочное)

Рекомендуемое программное обеспечение

А.1 Общие положения

А.1.1 Данное приложение приводит обзор программного обеспечения, используемого для расчета различных райзеров.

А.2 Движение и позиционирование плавучей установки

А.2.1 Для измерения движения плавучей установки, используемого в качестве граничных условий при общем расчете райзера, используется следующее программное обеспечение:

- программный пакет Sesam: (Prefem, Preframe, Wadam/Wamit);

- Simo: имитационное моделирование комплексных морских работ и общих эксплуатационных параметров плавучих сооружений;

- MIMOSA: расчет позиционирования пришвартованных морских сооружений;

- Swim-Motion-Lines (SML): пространственно-временная программа для расчета общей эксплуатационной эффективности плавучих сооружений с учетом ветра, волн и течений;

- программное обеспечение DeepC от DNV GL/Marintek: аналитический инструмент для оценки общих эксплуатационных характеристик плавучих сооружений путем связанного или несвязанного пространственно-временного расчета (продукт SESAM на базе RIFLEX/SIMO).

A.3 Общий расчет воздействия нагрузки

А.3.1 Общий расчет райзера выполняется для определения результирующих поперечных усилий, общей величины отклонения райзера, общего положения райзера, реакций опоры в концевой заделке жестких конструкций, хода и так далее используется следующее программное обеспечение:

- программное обеспечение Freecom-3D от MCS: программа трехмерного расчета частотной области по методу КЭ;

- программное обеспечение Flexcom-3D от MCS: программа трехмерного пространственно-временного расчета по методу КЭ;

- программное обеспечение Rifex от Marintek: вычислительная программа по методу КЭ для расчета гибкой структуры;

- Deep С (см. А.2).

А.4 Расчет вибраций, вызванных вихреобразованием

А.4.1 Используется следующее программное обеспечение для расчета ВВВ:

- Shear-7: инструмент для прогнозирования реакции на ВВВ для райзеров по методу наложения колебаний;

- VIVANA: программа ВВВ для морских конструкций, представляющих собой тонкое тело, по эмпирическим гидродинамическим коэффициентам.

А.5 Расчет взаимовлияния

А.5.1 Используется следующее программное обеспечение для проверки взаимовлияния швартовых канатов и райзеров, а также взаимовлияния двух и более райзеров друг на друга:

- MCS Clear-3D: трехмерный расчет зазоров райзера (совместимо с FLEXCOM-3D);

- Deep С (см. А.2).

А.6 Расчет компонентов и местный расчет

А.6.1 Использует следующее программное обеспечение для расчета компонентов:

- Ideas;

- Advance/abaqus: универсальная программа нелинейного структурного расчета по методу КЭ;

- программа для оценки свариваемости и растрескивания сварных швов;

- CRACKWISE и FATIGUEWISE для оценки механики разрушений;

- электронная таблица для расчета схемы катодной защиты;

- программа COMCAPS для расчета эксплуатационных показателей разработанных систем катодной защиты;

- программа CORROLINE для прогнозирования потерь материала в трубопроводе.

А.7 Расчет конструктивной надежности

А.7.1 Для расчета конструктивной надежности используется следующее программное обеспечение:

- Proban;

- Proinsp.

А.8 Проверка несущей способности стальных райзеров

А.8.1 Используются следующие постпроцессоры для расчета ресурса и усталостной долговечности:

- постпроцессор Riser life от DNV GL (ПСП, ПСУ);

- постпроцессор Casper от DNV GL (проверка несущей способности на базе [2]);

- база данных MCS Flexcom-3D /постпроцессор Timetrace;

- MCS Life-3D (ПСУ, диапазон частот).

А.9 Проверка несущей способности гибких райзеров или шлангокабелей

А.9.1 Расчет поперечного сечения выполняется с помощью следующего программного обеспечения:

- Caflex: расчет многослойных поперечных сечений (гибкие райзеры, шлангокабели, проволочные канаты и т.д.).

Библиография