Действующий
Предварительный национальный стандарт ПНСТ 562-2021 "Нефтяная и газовая промышленность. Системы подводной добычи. Провисающие трубопроводы. Методические указания" (утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2021 г. N 72-пнст)
3 Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2021 г. N 72-пнст
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.
В настоящем стандарте приведены описания основных гидродинамических явлений и принципов, методов анализа свободных пролетов трубопроводов, а также параметров динамического отклика свободных пролетов при действии нагрузок от волн и течений.
Целью разработки настоящего стандарта является обеспечение рациональных критериев проектирования и установление единых правил по оценке динамического отклика свободных пролетов трубопроводов при действии нагрузок от волн и течений.
1.1 Настоящий стандарт устанавливает технические требования к подводным трубопроводам круглого поперечного сечения. Применение стандарта для некруглых в поперечном сечении конструкций допускается при учете их гидродинамических особенностей.
1.2 Настоящий стандарт предназначен для применения как для однопролетных, так и для многопролетных трубопроводов различной длины, и с различными величинами зазоров между трубопроводами и морским дном.
1.3 При проектировании, строительстве и эксплуатации морских подводных трубопроводов под техническим наблюдением Российского морского регистра судоходства в дополнение к требованиям настоящего стандарта следует выполнять требования [1], [2], [3].
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.
В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 59304, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 взаимодействующие свободные пролеты: Пролеты, на которые оказывают влияние соседние пролеты трубопровода.
3.2 длина свободного пролета: Длина участка трубопровода, на котором имеется зазор между трубопроводом и морским дном.
3.4 изолированный свободный пролет: Свободный пролет, на который не оказывают влияние соседние пролеты трубопровода.
3.5 мода: Вид гармонического колебания трубопровода, которое характеризуется собственной частотой и формой.
3.6 модель отклика: Математическая модель, в которой отклик конструкции на вибрацию, вызванную вихреобразованием, определяется гидродинамическими параметрами.
3.7 модель усилий: Математическая модель, в которой внешняя нагрузка от действия окружающей среды описывается уравнением Морисона.
3.8 нестационарный свободный пролет: Свободный пролет, главные характеристики которого (длина и зазор) зависят от времени и могут изменяться в течение расчетного срока службы трубопровода (вследствие размывания морского дна, например).
3.9 основное предельное состояние: Состояние трубопровода, при котором происходит локальная потеря устойчивости.
3.10 предельная величина усталостной долговечности: Способность трубопровода в течение заданного срока эксплуатации выдерживать усталостное нагружение для конкретного состояния моря, которое характеризуется высотой волны, периодом и направлением течения.
3.11 свободный пролет: Участок трубопровода, на котором имеется зазор между трубопроводом и морским дном.
3.12 стационарный свободный пролет: Свободный пролет, главные характеристики которого (длина и зазор) остаются неизменными в течение расчетного срока службы трубопровода.
3.13 эффективная длина свободного пролета: Длина неподвижно закрепленного свободного пролета в теоретическом представлении, параметры отклика которого соответствуют параметрам отклика реального свободного пролета, опирающегося на грунт.
| е | - зазор; |
| L | - длина свободного пролета/длина формы колебаний; |
| L eff | - эффективная длина свободного пролета; |
| L k | - длина свободного пролета с номером k в многопролетном трубопроводе; |
| L sh | - длина плеча; |
| L sh, k | - длина плеча свободного пролета с номером k в многопролетном трубопроводе; |
| x | - координата вдоль оси трубы; |
| D | - гидродинамический диаметр трубопровода (внешний диаметр, включая покрытие); |
| U c | - нормальная к трубопроводу скорость потока; |
| U w | - амплитуда скорости волны по нормали к трубопроводу; |
| U c, i-лет | - i-летний период повторяемости перпендикулярной компоненты течения на уровне трубопровода; |
| U extreme | - условие потока для характерного события окружающей среды; |
| U w, i-лет | - i-летний период повторяемости перпендикулярной компоненты волны на уровне трубопровода; |
| f IL/CF,j | - собственная частота в продольном/поперечном направлении для j-й моды свободного пролета; |
 | - пониженная начальная скорость продольной вибрации; |
 | - пониженная начальная скорость поперечной вибрации; |
| T life | - предельная величина усталостной долговечности; |
| T exp | - расчетный срок службы или время действия нагрузки; |
| D fat | - накопленное усталостное повреждение; |
| n j | - общее число циклов нагружения, соответствующее размаху напряжений S i; |
| N i | - число циклов до разрушения, соответствующее размаху напряжений S i; |
| m | - экспонента усталости; |
 | - характерная константа усталостной прочности; |
| S sw | - значения напряжений в точке изменения наклона S-N кривой |
| N sw | - число циклов в точке изменения наклона S-N кривой |
| P i | - вероятность наступления события для i-го цикла; |
| f cyc,i | - частота подсчета циклов для i-го цикла; |
 | - максимальный изгибающий момент, вызванный действием продольных и поперечных вибраций или прямой волновой нагрузки; |
| D s | - внешний диаметр трубопровода; |
| t s | - толщина стенки трубопровода; |
| I | - момент инерции; |
| S comb, IL | - размах напряжений от вибраций в продольном направлении; |
| S comb, CF | - размах напряжений от вибраций в поперечном направлении; |
 | - максимальные напряжения окружающей среды, вызванные прямой волновой нагрузкой; |
| k p | - коэффициент амплитуды; |
| k M | - коэффициент, учитывающий нелинейность нагрузки от лобового сопротивления; |
 | - стандартное отклонение напряжений; |
 | - стандартное отклонение напряжений без учета нагрузки от лобового сопротивления; |
| f v | - характерная частота вибраций; |
| z 0 | - неровность поверхности морского дна; |
| U(z) | - профиль скорости течения над морским дном; |
| z | - координата над морским дном; |
| z r | - измеренная координата внешней зоны; |
| z m | - параметр неровности; |
| I c | - интенсивность турбулентности; |
 | - спектральная плотность волн; |
| T w | - период волны; |
| T p | - пиковый период; |
| g | - ускорение свободного падения; |
| S UU | - спектр скорости волны на уровне трубы; |
G( ) | - передаточная функция; |
| h | - глубина расположения рассчитываемого объекта; |
| d | - глубина траншеи; |
| k | - число волн; |
| M n | - спектральный момент порядка n; |
| U s | - характерная амплитуда скорости потока на уровне трубопровода; |
| T u | - средний период колебаний потока (период перехода через нулевое значение) на уровне трубопровода; |
| R c | - понижающий коэффициент; |
| R D | - понижающий коэффициент, характеризующий рассеивание волн; |
| w | - функция рассеивания волновой энергии; |
| s | - параметр рассеивания; |
| F X | - функция плотности; |
| H s | - характерная высота волны; |
| x c | - значение периода повторяемости; |
| N | - число независимых событий за период повторяемости/число мод, которые вносят незначительный вклад в повреждения; |
| V R | - пониженная скорость; |
| KC | - число Келегана - Карпентера (Keulegan - Carpenter number); |
| f j | - собственная частота стоячей воды для j-й моды; |
| f w | - характерная частота волны; |
| K s | - коэффициент устойчивости; |
| m e | - эффективная масса; |
 | - вероятность наступления одного состояния моря; |
 | - предельная величина усталостной долговечности для вибраций, вызванных вихреобразованием в продольном потоке; |
 | - предельная величина усталостной долговечности для вибраций, вызванных вихреобразованием в поперечном потоке; |
 | - предельная величина усталостной долговечности от действия прямой волновой нагрузки; |
| f cyc, CF | - частота подсчетов циклов поперечного потока; |
| f cyc, IL | - частота подсчетов циклов продольного потока; |
| p( ) | - плотность распределения вероятности; |
| x start, j | - начальная координата интервала участия формы колебаний j-й моды; |
| x end, j | - конечная координата интервала участия формы колебаний j-й моды; |
| A IL/СF, j | - амплитуда напряжений, приведенная для единичного диаметра, для j-й моды продольного или поперечного потока; |
 | - максимальная амплитуда напряжений, приведенная для единичного диаметра, для j-й моды продольного или поперечного потока; |
| (A z/D) j | - приведенная амплитуда вибраций в поперечном направлении для j-й моды; |
| (A z/D) max | - максимальная приведенная амплитуда вибраций в поперечном направлении для преобладающей моды; |
 | - предварительный размах напряжений для j-й моды продольного потока; |
| V Rd | - расчетное значение пониженной скорости; |
| K sd | - расчетное значение коэффициента устойчивости; |
| (e/D) | - относительный зазор; |
| S t | - число Струхаля; |
| k/D | - шероховатость трубопровода; |
 | - размах напряжений, вызванных поперечной модой с индексом j в модели отклика; |
| R k | - понижающий коэффициент, вызванный демпфированием; |
 | - комбинированный размах напряжений в модели отклика; |
 | - частота подсчета циклов для комбинированного размаха напряжений в модели отклика; |
| f CF-RES, j | - частота отклика поперечного потока для преобладающей моды; |
| C a, CF-RES | - коэффициент присоединенной массы, обусловленный откликом поперечного потока; |
| s g | - относительная плотность трубы; |
| q | - вес погруженной трубы/распределенная нагрузка от лобового сопротивления в горизонтальном направлении; |
| b | - плавучесть трубы/константа линеаризации; |
| C a | - коэффициент присоединенной массы; |
| f L | - частота пульсирующей нагрузки; |
| N L | - целые числа, которые для режима низких чисел Келегана - Карпентера могут принимать значения 1, 2, 3; |
| f r,KC | - координата, зависимая от чисел Келегана - Карпентера в модели отклика с низкими числами Келегана - Карпентера; |
| f rd | - расчетный коэффициент частоты; |
 | - размах напряжений от поперечных вибраций в модели отклика с низкими числами Келегана - Карпентера; |
 | - комбинированный размах напряжений в модели отклика с низкими числами Келегана - Карпентера; |
 | - частота подсчета циклов для комбинированного размаха напряжений в модели отклика с низкими числами Келегана - Карпентера; |
| (A y/D) j | - приведенная амплитуда вибраций в продольном направлении для j-й моды; |
 | - понижающий коэффициент, учитывающий интенсивность турбулентности и угол атаки потока; |
 | - максимальный размах напряжений от продольных вибраций; |
 | - собственная частота участвующей продольной моды в спокойной воде; |
 | - собственная частота участвующей продольной моды в спокойной воде после сортировки; |
 | - размах напряжений от продольных вибраций дополняющих мод; |
| S CF-IL | - размах напряжений от продольных вибраций, вызванных преобладающей модой поперечного потока; |
| S IL, j | - размах напряжений от продольных вибраций; |
| m aug | - число участвующих мод в случае продольных вибраций, вызванных поперечным потоком; |
| G | - неполная дополнительная гамма-функция; |
| a k | - параметр для определения коэффициента коррекции подсчета числа циклов методом "дождя"; |
| b k | - параметр для определения коэффициента коррекции подсчета числа циклов методом "дождя"; |
| S SS | - односторонняя спектральная плотность отклика на напряжение; |
| g D | - усилие лобового сопротивления; |
| g I | - силы инерции; |
| E | - модуль упругости; |
| r | - радиальная координата поперечного сечения трубопровода; |
| g c | - корректирующая функция, которая учитывает эффект постоянного течения; |
| P(x, t) | - усилие на единицу длины свободного пролета трубопровода; |
| U | - мгновенная скорость потока (зависящая от времени); |
| y | - боковое перемещение трубопровода; |
| C D | - коэффициент лобового сопротивления; |
| C M | - коэффициент инерции; |
| Re | - число Рейнольдса; |
 | - начальный коэффициент лобового сопротивления; |
| C M, 0 | - базовый коэффициент инерции для трубопровода, покрытого слоем бетона; |
| M static | - статический изгибающий момент; |
| S eff | - эффективное осевое усилие; |
| k c | - эмпирическая константа, учитывающая коррозию и растрескивание бетонного покрытия; |
| EI | - изгибная жесткость; |
| f cn | - конструктивная прочность бетона; |
| N tr | - истинное осевое усилие в стальной стенке трубопровода; |
| p i | - внутреннее давление; |
| p e | - внешнее давление; |
| A i | - внутренняя площадь сечения трубопровода; |
| A e | - площадь сечения трубопровода по внешнему диаметру; |
| H eff | - эффективное осевое усилие в трубопроводе при его прокладке; |
| A s | - площадь поперечного сечения трубопровода; |
| x 0 | - начальная координата формы колебаний  ; |
| x е | - конечная координата формы колебаний  ; |
| ЕА | - осевая жесткость; |
| m(s) | - погонная масса (масса на единицу длины трубопровода), включая непосредственно массу конструкции трубопровода, присоединенную массу и массу содержимого трубопровода; |
| L eff | - эффективная длина свободного пролета; |
| P cr | - критическая сила потери устойчивости; |
| С 1-С 6 | - коэффициенты граничных условий; |
| K | - жесткость грунта; |
| f BEF | - частота бесконечно длинной балки на линейно-упругом основании; |
| g f | - эмпирическая безразмерная поверхность частотного отклика; |
| g A | - эмпирическая безразмерная поверхность отклика максимальных модальных деформаций; |
| a A | - коэффициент для определения g A; |
| b A | - коэффициент для определения g A; |
| c A | - коэффициент для определения g A; |
| n IL | - число участвующих мод продольного потока; |
| n CF | - число участвующих мод поперечного потока; |
 | - число участвующих мод продольного потока для изолированного свободного пролета; |
 | - число участвующих мод поперечного потока для изолированного свободного пролета; |
 | - амплитуда напряжений, приведенная для единичного диаметра, j-й моды продольного или поперечного потока для изолированного свободного пролета; |
 | - собственная частота j-й моды продольного или поперечного потока для изолированного свободного пролета; |
 | - коэффициент скорости течения потока/обобщенная постоянная Филипса/параметр масштаба в распределении Вейбулла; |
 | - коэффициент запаса по частоте в продольном направлении; |
 | - коэффициент запаса по частоте в поперечном направлении; |
 | - коэффициент запаса в продольном направлении; |
 | - коэффициент запаса в поперечном направлении; |
 | - допускаемый коэффициент запаса по усталости/усталостная наработка на отказ; |
 | - максимальные напряжения от окружающей среды (в продольном и поперечном направлениях); |
 | - эмпирический многомодовый коэффициент; |
 | - коэффициент запаса по напряжениям; |
 | - коэффициент запаса по демпфированию грунта и конструкции; |
 | - коэффициент запаса по начальным вибрациям в продольном направлении; |
 | - коэффициент запаса по начальным вибрациям в поперечном направлении; |
 | - среднеквадратическое отклонение колебаний скорости; |
 | - угловая частота; |
 | - угловая спектральная пиковая частота; |
 | - параметр спектральной ширины/среднеквадратическое отклонение/напряжение; |
 | - коэффициент пикового усиления; |
 | - относительный угол между осью трубопровода и направлением течения; |
 | - гамма-функция; |
 | - параметр формы в распределении Вейбулла/безразмерный параметр жесткости грунта; |
 | - параметр сдвига в распределении Вейбулла; |
 | - среднее значение; |
 | - коэффициент асимметрии/статический прогиб; |
 | - направление течения; |
 | - плотность воды; |
 | - полный коэффициент модального демпфирования; |
 | - конструкционное демпфирование; |
 | - демпфирование грунтов; |
 | - гидродинамическое демпфирование; |
 | - гидродинамическое демпфирование для j-й моды; |
 | - коэффициент, учитывающий расстояние до морского дна; |
 | - коэффициент, учитывающий факт нахождения трубы в или над траншеей; |
 | - относительная глубина траншеи; |
 | - понижающий коэффициент, зависящий от числа Келегана - Карпентера; |
 | - понижающий коэффициент, зависящий от коэффициента устойчивости; |
 | - понижающий коэффициент размаха напряжений от продольных вибраций; |
 | - понижающий коэффициент для каждой дополняющей моды; |
 | - среднеквадратичное отклонение амплитуды напряжений; |
 | - коэффициент коррекции подсчета числа циклов методом "дождя"; |
 | - широкополосный параметр; |
 | - собственная угловая частота j-й моды в стоячей воде; |
 | - модальное напряжение для j-й моды; |
 | - полный коэффициент демпфирования для j-й моды; |
 | - весовой коэффициент формы колебаний j-й моды; |
 | - кривизна формы колебаний j-й моды; |
 | - форма колебаний j-й моды; |
 | - среднеквадратическое отклонение скорости потока; |
 ( ) | - плотность вероятности распределения Гаусса; |
| Ф( ) | - функция распределения Гаусса; |
 | - корректирующий коэффициент, учитывающий число Келегана - Карпентера и скорость течения потока; |
 | - корректирующий коэффициент, учитывающий расстояние до морского дна; |
 | - корректирующий коэффициент, учитывающий влияние траншеи; |
 | - коэффициент усиления, учитывающий вибрации потока в поперечном направлении; |
 | - корректирующий коэффициент, учитывающий шероховатость трубопровода; |
 | - корректирующий коэффициент, учитывающий расстояние до морского дна; |
 | - корректирующий коэффициент, учитывающий влияние траншеи; |
 (x) | - деформированное состояние трубопровода (статический прогиб); |
 | - перепад внутреннего давления при прокладке; |
 | - продолжительность шторма/перепад температуры трубопровода при его прокладке; |
 | - коэффициент температурного расширения; |
 | - безразмерный параметр эффективного осевого усилия; |
| CF | - поперечный поток (cross-flow); |
| CFD | - вычислительная гидродинамика (computational fluid dynamics); |
| CSF | - коэффициент жесткости бетона (concrete stiffness factor); |
| IL | - продольный поток (in-line); |
| LKCR | - режим потока с низким диапазоном чисел Келегана - Карпентера (low KC range); |
| RM | - модель отклика (response model). |
5.1.1 Целью классификации пролетов трубопроводов является определение различий между изолированными свободными пролетами и взаимодействующими пролетами трубопроводов. На рисунке 1 показан типичный изолированный свободный пролет.
5.1.2 Зазор е - это расстояние между нижней образующей трубопровода и морским дном, представляющее функцию от координаты х. Длина свободного пролета L определяется как длина непрерывной секции с положительным зазором е(х) > 0. Секции, имеющие непрерывную опору по обеим сторонам свободного пролета, где е(х) = 0, называются плечами свободного пролета с длинами L sh.
5.1.3 Свободный пролет называется изолированным, если он отделен от других пролетов значительными участками плеч.
5.1.4 Основное отличие однопролетных трубопроводов от взаимодействующих многопролетных трубопроводов заключается в следующем:
- свободный пролет является изолированным, если влияние на его статическое и динамическое состояние со стороны соседних свободных пролетов отсутствует или пренебрежимо мало;
- два или более свободных пролета являются взаимодействующими, если имеется взаимное статическое или динамическое влияние.
5.1.5 На рисунке 2 приведен пример двух изолированных пролетов, т.к. три моды для этих пролетов не влияют друг на друга в статическом и динамическом аспектах. Плечи и пролеты принято нумеровать слева направо: длине плеча и длине пролета с индексом k присвоены обозначения L sh,k и L k соответственно.