"ПНСТ 684-2022. Предварительный национальный стандарт Российской Федерации. Нефтяная и газовая промышленность. Системы подводной добычи. Взаимодействие райзеров. Методические указания"
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 27.12.2022 N 151-пнст)

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 27 декабря 2022 г. N 151-пнст

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

Целью разработки настоящего стандарта является установление общих правил и методических указаний для оценки взаимодействия райзеров, применяемых в системах подводной добычи углеводородов.

Настоящий стандарт устанавливает общие правила и методические указания для оценки взаимодействия райзеров, применяемых в системах подводной добычи углеводородов.

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 16504 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения

ГОСТ Р 55311 Нефтяная и газовая промышленность. Сооружения нефтегазопромысловые морские. Термины и определения

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

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

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 16504, ГОСТ Р 55311, ГОСТ Р 59304, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 вихревые колебания (vortex induced vibrations): Колебания тела, взаимодействующего в жидкости с цепочками вихрей, которые наблюдаются при обтекании жидкостью или газом протяженных цилиндрических тел (или других линейно вытянутых плохо обтекаемых профилей) с продольной осью, перпендикулярной направлению движения сплошной среды.

3.2 вычислительная гидродинамика (computational fluid dynamics): Подраздел механики сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов.

3.3 коэффициенты гидродинамических сил (force coefficients): Безразмерные коэффициенты силы гидродинамического сопротивления и поперечной изгибающей силы в зависимости от относительного расстояния.

3.4 нагрузка (load): Физические воздействия, которые вызывают напряжения, деформацию, смещение, движение и т.д. в райзере.

3.5 общий расчет (global analysis): Расчет всей связки райзеров или единичной системы райзера с описанием общих статических и динамических конструктивных параметров при воздействии на систему стационарных условий нагружения окружающей среды.

3.6

3.7 относительное расстояние (relative distance): Отношение расстояния между взаимодействующими райзерами к диаметру райзера, создающего возмущение набегающего потока.

3.8 пояс наружной обшивки (strake): Спиральные конструктивные элементы, установленные снаружи райзера, чтобы гасить реакции, вызванные вихревыми колебаниями.

3.9 связка райзеров (riser array): Единая система райзеров, состоящая из двух и более независимых райзеров, примыкающих друг к другу и скрепленных через определенные интервалы.

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

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

C_D - коэффициент гидродинамического сопротивления;

C_DG - общий коэффициент силы гидродинамического сопротивления;

C_L - коэффициент изгибающей поперечной силы;

V₀ - скорость течения невозмущенного потока на райзере в невозмущенном потоке;

V_w - скорость потока в волновом следе;

V_d - сниженная скорость потока в волновом следе.

5.1 При анализе взаимодействия райзеров учитывают следующие факторы (см. также [1]):

- динамические нагрузки;

- расстояния между райзерами и подводными сооружениями и оборудованием;

- конфигурацию системы райзера и натяжение райзера;

- смещение морского нефтегазопромыслового сооружения или технологического судна;

- биологическое обрастание;

- гидродинамическое взаимодействие;

- использование устройств гашения вихревых колебаний, например поясов наружной обшивки;

- режимы эксплуатации системы райзера;

- аварийные нагрузки и состояния райзера (например, потеря натяжения или потеря плавучести);

- различные статические/динамические свойства системы райзера из-за различий в массе, диаметре и эффективной нагрузки.

5.2 Целью анализа взаимодействия райзеров является создание условий, не допускающих столкновения райзеров.

5.3 Для совместно расположенных райзеров необходимо рассмотреть следующие меры по ослаблению взаимодействия райзеров или уменьшению воздействий нагрузки:

- группирование райзеров с аналогичными статическими/динамическими характеристиками (например, соотношениями веса/диаметра);

- повышение износостойкости;

- проектирование конфигураций смежных систем, обеспечивающих прокладку райзеров с различными глубинами расположения;

- чередования горизонтального и вертикального расположения смежных райзеров;

- конструктивные средства недопущения соударений райзеров с различными вертикальными углами подвеса;

- конструктивные средства недопущения соударений райзеров с различными азимутальными углами подвеса;

- очистка райзеров при биологическом обрастании (при необходимости);

- регулировка жесткости конфигурации райзерной системы при воздействии бокового течения путем изменения фактического натяжения посредством распределения плавучести и/или веса.

5.4 Во избежание повреждения райзеров из-за отказа якорной системы удержания не допускается пересечение линии якорной системы удержания над райзером.

5.5 Райзеры с верхним натяжением рекомендуется устанавливать в связки вертикальных райзеров.

6.1.1 На райзер, расположенный в волновом следе от другого райзера, действуют дополнительные силы:

- сила, вызываемая набегающим турбулентным потоком и вихревым следом от другого райзера;

- сила периодического срыва вихревого следа;

- усредненное по времени среднее значение гидродинамических сил, которое изменяется в зависимости от местоположения в вихревом следе.

6.1.2 Силы, указанные в 6.1.1, зависят от числа Рейнольдса, а также от отношения среднего квадратического значения продольной составляющей пульсационной скорости средней скорости потока в потоке поступающей жидкости.

6.1.3 При оценке взаимодействия райзеров райзер, обтекаемый невозмущенным потоком, считается изолированным от сил взаимодействия райзера, находящегося в зоне возмущения потока, вызванного обтеканием ранее расположенного райзера.

6.1.4 Нелинейное распределение гидродинамических сил, создаваемых райзером, может привести к следующим эффектам гидродинамического взаимодействия:

- изменению формы провисания райзера;

- созданию нескольких положений статического равновесия райзера, обтекаемого потоком.

6.2.1 Коэффициенты среднего значения силы гидродинамического сопротивления и изгибающей силы зависят от относительного расстояния между райзерами. Рекомендуется использовать коэффициенты среднего значения гидродинамических сил в локальной системе координат, где ось x откладывается в направлении поступающего потока жидкости, а ось y - в перпендикулярном направлении. Начало координат расположено в центре райзера, обтекаемого невозмущенным потоком (см. рисунок 1).

6.2.2 Значительный эффект экранирования наблюдается при близком расположении райзеров друг к другу. Средняя изгибающая сила направлена к центральной линии волнового следа и пытается вытолкнуть райзер к центру волнового следа. Дополнительная информация приведена в [1].

6.3.1 Гидродинамическое сопротивление зависит от амплитуды A вихревых колебаний, нормализованных диаметром D. Увеличение коэффициента гидродинамического сопротивления при наличии вихревых колебаний рассчитывают по формуле [1]:

Выбор коэффициента C_D осуществляется на основе диаграммы, представленной на рисунке 2 (см. также [1]).

6.3.2 При оценке для райзера в невозмущенном потоке рекомендуется увеличение коэффициента в соответствии с утвержденными в организации методиками расчета. Для райзера, находящегося в потоке, возмущенном другим райзером, необходимо использовать уменьшенное значение коэффициента гидродинамического сопротивления вследствие вихревых колебаний.

6.3.3 Перед общим расчетом взаимовлияния райзеров необходимо выполнить оценку вихревых колебаний. Влияние вихревых колебаний на райзере обтекаемым возмущенным потоком следует оценивать по локальной скорости потока при среднем положении относительно возмущающего поток райзера.

6.3.4 Необходимо использовать ориентировочную нижнюю граничную оценку отклика вихревых колебаний для райзера ниже по потоку. При первичной оценке рекомендуется не рассматривать вихревые колебания на райзере ниже по потоку.

6.3.5 Типичная амплитуда отклонения райзеров от заданной формы прогиба, сформированной условиями нагрузок и точками закрепления, равна одному диаметру для райзера без поясов наружной обшивки; для райзеров с поясами наружной обшивки амплитуда отклонения может уменьшаться до 0,1 диаметра райзера.

6.4.1 Целью общего расчета системы райзера является прогнозирование общей реакции конструкции (изгибающие моменты, фактическое натяжение, смещение и кривизна в условиях стационарной нагрузки окружающей среды и пр.). Общий расчет необходимо выполнять в специализированных вычислительных компьютерных программах, основанных на методе конечных элементов.

6.4.2 Модели гидродинамического взаимодействия, рассматриваемые ниже, возможно реализовать с помощью горизонтальных сечений. Силы гидродинамического взаимодействия необходимо рассчитывать в ряде "горизонтальные сечения" от поверхности до точки закрепления на дне.

6.4.3 Для учета возможного влияния волн необходимо при расчетах использовать динамический подход.

6.5.1 Данный подход рекомендуется применять для первичной оценки, чтобы определить, является ли взаимовлияние райзеров потенциальной проблемой, при этом данный подход не учитывает гидродинамическое взаимодействие.

6.5.2 Модели невозмущенного потока жидкости рекомендуется применять, если участок гидродинамического взаимодействия крайне мал по сравнению с общей длиной райзера (например, взаимодействие между совместно расположенными райзерами с разными углами подвеса или взаимодействие с якорной системой удержания).

6.5.3 Модели невозмущенного потока жидкости не следует использовать для расчета взаимодействия связки райзеров с верхним натяжением, подвергаемых нагружению потоком.

Допускается применять вычислительную гидродинамику для расчета вязкого потока вокруг двух или более смежных райзеров в каждом плоском сечении. Численные модели потока жидкости позволяют получить точное описание гидродинамического нагружения, включая эффекты взаимодействия с соседними райзерами.

6.7.1 Для оценки гидродинамического взаимодействия между соседними райзерами необходимо учитывать среднее значение гидродинамических сил, действующих на райзер, находящийся в возмущенном потоке, в зависимости от расстояния до райзера, возмущающего поток.

6.7.2 Соответствующие коэффициенты гидравлических сил необходимо задать по результатам испытаний моделей или численными расчетами плоской модели методами вычислительной гидродинамики для фактической конфигурации поперечного сечения.

6.8.1 Данная модель основана на аналитическом выражении вихревого поля следа позади райзера в установившемся потоке. Поток к райзеру, расположенному в волновом следе, возможно рассчитать в любом месте. Сила гидродинамического сопротивления, действующая на райзер в возмущенном потоке, может быть рассчитана с учетом эффектов экранирования.

6.8.2 В отношении параметрической модели поля волнового следа для статического расчета рекомендуется использовать горизонтальные сечения.

7.1.1 На первом этапе оценки взаимодействия райзеров определяют вероятность соударения райзеров.

7.1.2 Для каждого райзера в связке необходимо рассчитать статический прогиб. При статическом прогибе райзера больше минимального расстояния между райзерами в номинальном статическом состоянии требуется оценка взаимодействия райзеров по 7.2 - 7.5.

7.2.1 Квазистатический расчет учитывает смещение морского нефтегазопромыслового сооружения или технологического судна. Возможные возникающие нагрузки от смещения морского нефтегазопромыслового сооружения или технологического судна необходимо прикладывать по азимуту, с шагом 5 град.

7.2.2 Динамический расчет необходимо провести для расчетного случая по азимуту, при котором выявлено наименьшее расстояние между райзерами.

7.2.3 В динамическом расчете необходимо учитывать возможное увеличение гидродинамического сопротивления, вызванного вихревыми колебаниями.

7.3.1 Статический расчет райзеров (возмущающего поток и находящегося в возмущенном потоке) следует выполнять отдельно для анализа невозмущенного потока.

7.3.2 Если результаты расчета невозмущенного потока показывают, что эффекты гидродинамического взаимодействия оказывают значительное влияние, то необходимо провести анализ экранирования.

7.4.1 При квазистатическом анализе экранирования необходимо выполнить статический расчет с использованием параметрической модели поля вихревого следа для описания гидродинамического взаимодействия.

7.4.2 Для упрощенных расчетов модель поля вихревого следа реализуется посредством программного обеспечения методом конечных элементов. Для нелинейного статического расчета конструкций, имеющих большое относительное удлинение, рекомендуется следующая последовательность расчетов для оценки эффектов экранирования:

а) расчет статической конфигурации райзера, возмущающего поток;

б) расчет статической конфигурации райзера при нагружении набегающим возмущенным потоком;

в) расчет результирующего потока на райзер в возмущенном потоке, учитывая эффекты экранирования от возмущающего поток райзера;

г) повторный расчет конфигурации райзера в возмущенном потоке, учитывая результирующий поток как нагрузку;

д) повтор шагов в), г) до достижения сходимости результатов.

7.4.3 Эффекты экранирования допускается учитывать путем изменения коэффициента гидродинамического сопротивления или результирующего потока (т.е. текущей нагрузки) на райзер в возмущенном потоке.

Оценка динамических эффектов вследствие движения волн и морского нефтегазопромыслового сооружения или технологического судна основывается на отдельном динамическом расчете райзеров.

В том случае, когда по результатам расчета квазистатического экранирования обнаружены эффекты гидродинамического взаимодействия вдоль значительной части райзеров, необходимо выполнять оценку вихревого следа.

7.7.1 Максимальное перемещение райзеров, вызванное вихревыми колебаниями, принимается равным 0,9 диаметра для каждого райзера.

7.7.2 Допустимое минимальное расстояние между райзерами должно учитывать возможные вихревые колебания.

7.7.3 Допустимое минимальное расстояние между райзерами - не менее суммы их наружных диаметров.

Для снижения взаимовлияния райзеров применяют следующие методы:

- группирование райзеров с аналогичными статическими/динамическими характеристиками;

- очистка райзеров от подводного обрастания;

- применение амортизаторов или покрытий на участках райзеров с возможным соударением для уменьшения воздействия нагрузки, вызванной столкновением;

- синхронизация устройств натяжения для всех райзеров в одной связке райзеров;

- применение распорных рам для удержания райзеров на расстоянии в местах возможного соударения.