Способ разделения на части трубчатых металлоконструкций под водой и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к областям техники, связанным с решением вопросов вторичного использования металла крупных морских сооружений из трубчатых элементов типа оснований стационарных буровых или добычных платформ, а также с созданием технологии и технических средств для этих целей. В способе, предусматривающем захолаживание зоны разрушения и инициирование локального хрупкого разрушения точечным динамическим воздействием, перед захолаживанием разрушаемую зону изолируют от воды и создают в ней растягивающие напряжения. Инициирование хрупкого разрушения производят преимущественно в одной точке зоны разрушения. В устройстве, состоящем из внутреннего и наружного элементов, внутренний элемент включает два механизма типа разжимной цанги, соединенных между собой через силовой линейный привод. Наружный элемент охватывает конструкцию и имеет жесткие кольца по торцам. Он отделяет внешнюю сторону разрушаемого конструктивного элемента от воды и обеспечивает жесткий упор для цанговых устройств, действующих изнутри конструкции. В разъемном цилиндрическом элементе размещен кольцевой распределитель для подачи хладагента к поверхности конструкции. В нем имеется по крайней мере одна прочная камера для заряда взрывчатого вещества. Изоляция захолаживаемой области от воды с внутренней стороны конструкции производится с помощью сменных эластичных надувных оболочек или ампул со вспенивающимся агентом. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в резком (до двух порядков) снижении необходимой мощности зарядов ВВ и уменьшении в 3-5 раз расхода хладагента. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к областям техники, связанным с разрешением вопросов вторичного использования металла крупных морских сооружений из трубчатых элементов типа оснований стационарных буровых или добычных платформ, а также с созданием технологии и технических средств для этих целей.

В настоящее время демонтаж фундаментов морских оснований производится преимущественно с использованием взрывной технологии, а собственно разделка на скрап - традиционными газопламенными способами. Разделение оснований на транспортабельные фрагменты необходимо, так как вес и габариты целой конструкции велики, и операции с ними часто требуют уникальных по грузоподъемности подъемно-транспортных средств.

Взрывная технология применяется в основном для разрушения свай, к которым крепится большинство оснований платформ. При демонтаже свайных оснований важно, чтобы кромки линии реза не имели значительных искривлений и отгибов, однако традиционная взрывная технология приводит именно к таким последствиям, что затрудняет выполнение операции разборки. Избавиться от этого до некоторой степени можно за счет применения удлиненных кумулятивных зарядов, но они значительно дороже обычных шпуровых зарядов, а их применение вызывает те же поражающие факторы, что и любой мощный подводный взрыв, в том числе и химическое загрязнение среды. Широкое применение этих технологий для разделки не только свай, но и самих оснований вызывает затруднения из-за большой опасности и дороговизны работ. Расширение применения взрывных технологий связано с пропорциональным увеличением экологического ущерба, так как веса необходимых шпуровых зарядов могут достигать несколько десятков килограмм.

Применение подводной газовой резки также достаточно сложно и подобно взрывной технологии приводит к вредным воздействиям на окружающую среду, а также необходимости длительного пребывания под водой водолазов или необитаемого телеуправляемого аппарата.

Сравнительно новым направлением развития технологий демонтажа морских оснований является применение необитаемых подводных аппаратов (НПА), оснащенных гидрорезательным оборудованием. Использованием НПА обходится дешевле водолазного судна. Эта технология имеет определенные преимущества перед газопламенными и традиционными взрывными технологиями, однако, она обеспечивает скорость резания порядка 100 мм в минуту, поэтому при диаметре трубчатого элемента несколько метров время разрезки одного элемента составит десятки минут. Кроме того, гидрорезательное оборудование имеет высокую стоимость, а некоторые его элементы, например сопла, быстро изнашиваются.

Определенную сложность при демонтаже морских сооружений представляет вопрос поддержания отсекаемой части, поскольку демонтаж, как правило, связан с потерей герметичности отсекаемой части. Принципиально эта проблема может быть решена либо с помощью плавучего крана, либо с помощью понтонов. Все перечисленные выше способы резки, очевидно, не предполагают возможности создания необходимой поддерживающей силы.

Известно техническое решение, патент США N 4808037 (аналог), которое предусматривает разделение на части с целью дальнейшего подъема на поверхность объектов, находящихся под водой. Аналог предусматривает локальное криогенное захолаживание зоны разрушения конструкции и взрывное воздействие на эту зону. Способ позволяет избежать больших деформаций металла и отгибов в зоне разрушения, что выгодно при демонтаже морских оснований, так как не осложняет извлечение свай из опорных колонн основания. Металл в зоне разрушения охлаждают ниже температуры хрупкости, что обеспечивает хорошую фрагментацию и при достаточной мощности зарядов гарантирует 100% разрушение конструкции в нужном районе. С другой стороны, он имеет существенные недостатки.

При понижении температуры большинство конструкционных материалов, становясь хрупкими, в то же время повышают свои прочностные характеристики и сопротивление пластическим деформациям. Это приводит к тому, что мощность заряда, необходимая для разрушения материала, может возрасти. Разрушение при низкой температуре становится квазихрупким и работа собственно разрушения снижается, но одновременно увеличивается работа деформации, предшествующей разрушению. При использовании кумулятивных зарядов понижение температуры зоны разрушения также приводит к снижению их эффективности. Таким образом, само по себе захолаживание до закритических температур гарантированно может дать лишь увеличение фрагментации и устранение отгибов и деформаций металла в зоне разрушения.

Аналог имеет еще один существенный недостаток. Принятое в нем техническое решение подразумевает большой расход жидкого азота для захолаживания разрушаемого участка конструкция. Это связано с тем, что теплоприток в охлаждаемую зону из соседних областей конструкции, находящихся в воде, резко увеличивается за счет их подогрева окружающей средой. Кроме того, сам способ охлаждения конструкции струей жидкого азота под давлением, истекающей в открытый зазор между охлаждаемой стенкой конструкции и наружной поверхностью емкости с криоагентом, не продуктивен. Более того, возможное наличие ребер жесткости на охлаждаемой поверхности конструкции делает указанный способ еще более проблематичным.

Наконец, аналог не предполагает создание необходимых тензотемпературных условий для развития одной магистральной режущей трещины. Лишь в частном случае демонтажа морских оснований при разрушении свай предлагается компенсировать вес наседающей массы с целью устранения сжимающих напряжений в разрушаемой области и облегчения фрагментации. Понятно, что в случае применения этого способа для крупных конструкций (не свай) основания платформы, количество и общая масса зарядов делаются значительными. В связи с тем, что при разрушении элементов собственно основания (джекета) не так уж важны деформации и отгибы в зоне разрушения, захолаживание, как фактор, приводящий к устранению этих эффектов, не имеет существенного значения, более того, оно становится фактором неоправданного усложнения технического решения. В связи с изложенным, техническое решение, предложенное в аналоге, устраняя остаточные перемещения краев в зоне разрушения, одновременно ухудшает экономические (из-за большого расхода хладагента) и экологические (из-за большой мощности зарядов) параметры возможной технологии демонтажа морских оснований из трубчатых конструкций ферменного типа.

Более совершенным является способ, защищенный патентом РФ N 20411773 (принят за прототип), который также включает процессы локального охлаждения конструкции в зоне, содержащей сечение разделки, и последующее динамическое воздействие. Одним из существенных его отличий от аналога является то, что динамическое воздействие используется только для инициирования в сечении разделки локального хрупкого разрушения (микровзрыв, удар бойка и т.п.) с использованием либо собственных концентраторов, как правило, имеющихся в конструкции, либо созданных специально каким-либо известным способом, либо концентратора, формирующегося непосредственно под воздействием контактного взрыва ВВ, что возможно в некоторых случаях, например, при малых толщинах разрушаемого элемента. Неограниченный рост магистральной хрупкой режущей трещины в конструкции обеспечивается за счет создания необходимых тензотемпературных условий. В зависимости от типа конструкции способ реализуется с применением или без применения дополнительных нагружающих устройств.

Способ обеспечивает высокую производительность (сходную с производительностью взрывного). Для большинства крупногабаритных конструкций он предполагает использование зарядов ВВ массой порядка нескольких граммов, что резко повышает экологические качества процесса и обеспечивает возможности широкого применения, в том числе в условиях производственных цехов. Применение способа попутно исключает остаточное деформации и отгибы краев в зоне разрушения, так как оно сопровождается предельной локализацией пластических деформаций в вершине хрупкой трещины. В то же время в отношении подводных конструкций способ имеет ряд недостатков. При использовании его под водой происходит многократное возрастание расхода криоагента (жидкого азота или воздуха). При больших габаритах конструкции важным становится не только общий расход хладагента, но и темп его подачи в зону охлаждения, так как от этого зависит достижимый уровень температуры, соответствующий тепловому балансу зоны охлаждения.

При разделении элементов металлоконструкций, охлаждение которых не приводит к возникновению достаточно высоких средних растягивающих напряжений, действующих по всему сечению разрушаемого элемента, для их создания необходимо некоторое технологическое нагружение.

В сообщении [Proceedings of the Fifth (1995) International Offshore and Polar Engineering Conferece, The Netherlands, June, 1995 г.] описано устройство ILT (INTERNAL LIFTING TOOL), предназначенное для захвата и подъема отделенной каким-либо известным способом трубчатой части основания морской платформы, принятое в качестве прототипа. Это устройство позволяет прикладывать значительные осевые нагрузки к трубчатому элементу и тем самым создавать необходимые растягивающие средние напряжения. По принципу действия оно представляет собой разжимную цангу. Применение устройства для растяжения разрушаемой зоны конструкции требует использования крана большой грузоподъемности, поскольку необходимо не только компенсировать собственный вес отделяемой части основания, но и создать растягивающие напряжения порядка 0,01-0,1 номинального предела текучести материала конструкции в нормальных физических условиях. Для больших платформ, вес оснований которых исчисляется десятками тысяч тонн, это практически не реально. В то же время компактность и высокая эффективность одного из вариантов устройства - "ILT" + наружное жесткое кольцо" позволяет использовать его в качестве основы для создания устройства, с помощью которого под водой может быть реализован способ разделения на части трубчатых конструкций, основанный на техническом решении по патенту РФ N 2041773.

Предлагаемое изобретение направлено на создание способа и устройства для разделения на части трубчатых металлоконструкций, устраняющих указанные недостатки и ограничения аналога и прототипа, и обеспечивающих резкое (до двух порядков) снижение необходимой мощности зарядов ВВ и уменьшение в 3-5 раз расхода хладагента.

Достижение такого технического результата обеспечивается тем, что в способе, предусматривающем захолаживание зоны разрушения, в которой находится сечение разделки, и инициирование локального хрупкого разрушения путем точечного динамического воздействия на конструкцию в этой зоне, перед захолаживанием разрушаемую зону конструкции изолируют от воды и с помощью силового устройства в сечении разделки создают растягивающие напряжения. Инициирование хрупкого разрушения производят преимущественно в одной точке сечения разделки.

Устройство для разделения на части трубчатых металлоконструкций, включающее разжимной механизм с коническим центральным телом и расположенные по его периметру клиновидные упорные элементы, дополнено вторым разжимным механизмом, соединенным с первым через силовой линейный привод для взаимного их перемещения вдоль оси разделяемой трубчатой конструкции. Кроме того, устройство оснащено охватывающим трубчатую конструкцию разъемным цилиндрическим элементом с патрубком для ввода в его полость жидкого криоагента и клапаном для сообщения этой полости с окружающей средой. Охватывающий цилиндрический элемент имеет по торцам жесткие кольца, на наружной и внутренней поверхности которых размещены устройства для герметизации зазоров в местах контакта жестких колец с наружной поверхностью конструкции и внутренней поверхностью охватывающего цилиндрического элемента. На внутренней поверхности разъемного цилиндрического элемента размещено охватывающее трубчатую конструкцию разъемное кольцевое распределение устройство для подачи криоагента к поверхности конструкции, которое имеет, по крайней мере, одну прочную камеру для размещения заряда взрывчатого вещества и соединено с патрубком для подачи криоагента.

Для изоляции захолаживаемой области от воды в пространстве, образованном линейным приводом и внутренней поверхностью разрушаемой трубчатой конструкции, может быть размещена сменная надувная оболочка из эластичного материала, сообщенная с источником сжатого газа, или ампула, содержащая вспенивающийся агент, с устройством приведения ее в действие.

Изоляция места захолаживания от воды позволяет резко сократить расходы хладагента. Известно, что лед, который возникает на поверхности конструктивного элемента, имеет достаточно низкую теплопроводность. Однако специфика процесса такова, что рост области, покрытой льдом, происходит медленнее, чем распространение границы захоложенной области конструкции. В связи с этим влияние льда на процесс весьма незначительно, а теплоотвод в прилегающие области конструкции под водой достаточно велик и определяется в основном теплоемкостью воды. Предварительная теплоизоляция с помощью емкости, заполненной воздухом, или газонаполненного пенистого материала позволяет отдалить границу соприкосновения конструкции с водой от места подачи криоагента и создать на некоторое время в ограниченной области конструкции наилучшие условия охлаждения.

Разрушение материала происходит при определенных тензотемпературных условиях, когда уровень напряжений достаточен для того, чтобы работа сопротивления разрушению была меньше работы активных (по отношению к области разрушения) сил. При разрушении большое значение имеет запас упругой энергии. В условиях статического нагружения закритический уровень напряжений сохраняется тем дольше, чем больше запас упругой энергии конструкции.

Осесимметричное локальное охлаждение трубчатого конструктивного элемента приводит к возникновению лишь самоуравновешенных изгибных напряжений в оболочке. Средние растягивающие напряжения при этом практически нулевые. В конечном счете это приводит к тому, что фронт трещины может затормозиться в сжатой зоне сечения стенки. Кроме того, для распространения трещины необходима свобода перемещений ее берегов. Траектория режущей трещины пролегает в зоне действия растягивающих напряжений от термоупругого осесимметричного изгиба стенки по линии наименьшего сопротивления, но при условии наличия в этом же сечении необходимой свободы перемещений берегов трещины. Для обеспечения условий распространения трещины способ предполагает создание минимально необходимых средних растягивающих напряжений, что гарантирует удержание трещины вблизи заданного сечения разрушаемого элемента. Из опыта известно, что величина этих напряжений, как правило, весьма незначительна по сравнению с номинальным пределом текучести материала, что создает практическую основу для реализации способа.

Способ реализуется с помощью устройства, включающего разжимной механизм - 1, содержащий коническое центральное тело - 2 и расположенные по его периметру клиновидные упорные элементы - 3. Отличия предлагаемого устройства в том, что устройство дополнено вторым разжимным механизмом - 1, соединенным с первым через силовой линейный привод - 4 для взаимного их перемещения вдоль оси разделяемой трубчатой конструкции. Кроме того, устройство включает охватывающий трубчатую конструкцию разъемный цилиндрический элемент - 5 с патрубком - 6 для ввода в его полость жидкого криоагента и клапаном - 7 для сообщения этой полости с окружающей средой. Цилиндрический элемент - 5 имеет по торцам жесткие кольца - 8. Кольца оснащены устройствами для уплотнения - 9 для герметизации зазора в месте их контакта с поверхностью конструкции и устройствами уплотнения - 10 на наружной поверхности жестких колец - 8 для герметизации полости - 11, образованной трубчатой конструкцией - 12 и охватывающим ее цилиндрическим элементом - 5. На внутренней поверхности разъемного цилиндрического элемента - 5 размещено охватывающее трубчатую конструкцию разъемное кольцевое распределительное устройство - 13 для подачи криоагента к поверхности конструкции, которое имеет, по крайней мере, одну прочную камеру - 14 для размещения заряда взрывчатого вещества. Распределительное устройство - 13 соединено с патрубком - 6.

В тех случаях, когда вода находится не только за пределами трубчатой конструкции - 12, но и внутри нее, устройство дополнительно отличается тем, что в пространстве, образованном линейным приводом - 4 и внутренней поверхностью трубчатой конструкции - 12, размещена сменная надувная оболочка - 15 из эластичного материала, сообщения с источником сжатого газа (на рисунке не показан), преимущественно воздуха.

При сложном рельефе внутренней поверхности конструкции - 12, например при наличии подкрепляющих ребер, в пространстве между линейным приводом - 4 и внутренней поверхностью трубчатой конструкции - 12 может быть помещена ампула - 15, содержащая вспенивающий агент, с устройством дистанционного приведения ее в действие, например, пиротехнического типа.

Реализация предлагаемого способа и работа устройства осуществляется следующим образом.

Намеченную зону конструкции изолируют от воды. Далее с помощью гидравлического силового линейного привода или пиротолкателя в сечении разделки создают растягивающие напряжения (При разделении конструктивных элементов, сжатых собственным весом конструкции, что имеет место в вертикально стоящих сооружениях, мощность линейного привода должна быть достаточной для преодоления веса наседающей части конструкции. В связи с этим может оказаться выгодным поддержание отсекаемой части конструкции с помощью дополнительных технических средств, например понтонов). Затем путем подачи жидкого азота или воздуха в распределительной устройство захолаживают цилиндрический пояс трубы, содержащий сечение разделки. Затем с помощью точечного заряда ВВ инициируют локальное хрупкое разрушение преимущественно в одной точке сечения разделки.

Очевидно, что детали реализации способа зависят от конкретного технического исполнения всех необходимых операций. Функционирование устройства происходит следующим образом.

К разрушаемому трубчатому элементу конструкции - 12 с наружной (гладкой) стороны подводят разъемный охватывающий цилиндрический элемент - 5, распределительное устройство - 13 которого через патрубок - 6 соединено с источником криоагента (на рис. не показан). В прочной взрывной камере - 14 заранее устанавливают заряд ВВ, снабженный дистанционным взрывателем (на рис. не показан). Параллельно внутрь трубчатого элемента - 12 опускают разжимной механизм - 1 с размещенным на корпусе силового линейного привода - 4 устройством - 15 для изоляции внутренней поверхности элемента конструкции - 12 от воды. Разжимной механизм устанавливают так, чтобы жесткие кольца - 8 цилиндрического элемента - 5 оказались напротив клиновидных упорных элементов - 3. Замыкают охватывающий цилиндрический элемент - 5, приводят в действие линейный привод - 4 (происходит фиксация трубчатого элемента 12 между упорными элементами - 3 и жесткими кольцами 8, создается растяжение в сечении разделки). На этом заканчивается подготовительная стадия функционирования устройства. Из источника сжатого воздуха (на рис. не показан), расположенного на надводном носителе, в полости между линейным приводом - 4 и трубчатым элементом - 12 наддувают эластичную - 15 (или дистанционно приводят в действие ампулу со вспенивающимся продуктом). После этого в патрубок - 6 подают жидкий криоагент, который с помощью распределительного устройства - 13 подается на охлаждаемую поверхность трубчатого элемента - 12. Вода и продукты газификации криоагента выводятся из полости - 11 через клапан - 7 в окружающее пространство (продукты газификации могут быть использованы, например, для создания пузырьковой защиты от действия ударной волны на окружающее пространство или продувки поддерживающих понтонов). В течение необходимого времени производится охлаждение кольцевой полосы трубчатого элемента - 12, содержащей сечение разделки. По достижении необходимой температуры с помощью дистанционного взрывателя производится подрыв заряда ВВ в камере - 14. Происходит разделение элемента - 12.

Основание, длительное время находившееся в море, может быть покрыто слоем обрастания. Это потребует очистки разрушаемой зоны конструкции.

Формула изобретения

1. Способ разделения на части трубчатых металлоконструкций под водой, предусматривающий захолаживание зоны разрушения, содержащей сечение разделки, и инициирование локального хрупкого разрушения путем точечного динамического воздействия на конструкцию в этой зоне, отличающийся тем, что перед захолаживанием разрушаемую зону конструкции изолируют от воды и с помощью силового устройства в сечении разделки создают растягивающие напряжения, а инициирование хрупкого разрушения производят преимущественно точечным взрывом по крайней мере в одной точке сечения разделки.

2. Устройство для разделения на части трубчатых металлоконструкций, включающее разжимной механизм, содержащее коническое центральное тело и расположенные по его периметру клиновидные упорные элементы, отличающееся тем, что устройство дополнено вторым разжимным механизмом, соединенным с первым через силовой линейный привод для взаимного их перемещения вдоль оси разделяемой трубчатой конструкции, и включает охватывающий трубчатую конструкцию разъемный цилиндрический элемент с патрубком для ввода в его полость жидкого криоагента и клапаном для сообщения этой полости с окружающей средой, имеющий по торцам жесткие кольца, на наружной и внутренней поверхностях которых размещены устройства для герметизации зазора в местах контакта жестких колец с наружной поверхностью конструкции и внутренней поверхностью охватывающего цилиндрического элемента, причем на внутренней поверхности разъемного цилиндрического элемента размещено охватывающее трубчатую конструкцию разъемное кольцевое распределительное устройство для подачи криоагента к поверхности конструкции, которое имеет по крайней мере одну прочную камеру для размещения заряда взрывчатого вещества и соединено с патрубком для подачи криоагента.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в пространстве, образованном линейным приводом и внутренней поверхностью трубчатой конструкции, размещена сменная надувная оболочка из эластичного материала, сообщенная с источником сжатого газа, преимущественно воздуха.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в пространстве между линейным приводом и внутренней поверхностью трубчатой конструкции помещена ампула, содержащая вспенивающийся агент с устройством приведения ее в действие.

РИСУНКИ

Рисунок 1