ГОСТ Р 58772-2019 (ИСО 19901-6:2009). Национальный стандарт Российской Федерации. Нефтяная и газовая промышленность. Сооружения нефтегазопромысловые морские. Морские операции

19.3 Воздействия и эффекты воздействий

19.3.1 Общие сведения

В соответствии с общей терминологией в области надежности конструкций, используемых в комплексе стандартов по морской нефтегазодобыче, базовые переменные назначаются номинальными, репрезентативными и расчетными значениями.

Репрезентативные воздействия (нагрузки) на гак грузоподъемного крана и репрезентативные эффекты воздействий (усилий) в стропах и точках подъема определяют в соответствии с 19.3.2 - 19.3.7. Расчетные значения воздействий и эффектов воздействий представлены в 19.3.8.

Усилие в точке подъема определяется номинальной подъемной массой W_lw, в то время как усилия в стропах и нагрузка на гак определяются номинальной нагрузкой на гак F_hl. Разницей между этими двумя значениями является масса такелажа W_rw. Подъемная масса и нагрузка на гак подвержены динамическому воздействию в результате движений поднимаемого груза и/или грузоподъемного крана. Таким образом, подъемные массы и нагрузки на гак в статическом и динамическом состоянии различны. В настоящем стандарте подъемная масса применяется в динамическом состоянии, является полной массой груза (без учета массы такелажа) с учетом коэффициента динамичности и называется номинальной подъемной массой W_lw. Нагрузка на гак также применяется в динамическом состоянии, является суммой подъемной массы и массы такелажа с учетом коэффициента динамичности и называется номинальной нагрузкой на гак F_hl.

Репрезентативные значения воздействий (действующих нагрузок) и эффектов воздействий (реакций сопротивления) получены из статически определенных номинальных значений усилий и нагрузок путем умножения их на множество коэффициентов, которые учитывают неопределенности в геометрии, неопределенности в положении центра тяжести, непредвиденные обстоятельства и другие обстоятельства. Эти коэффициенты одинаково применяют в методах PFD и WSD. Коэффициент надежности по нагрузке является исключением из этого правила. Этот коэффициент является частью метода WSD и используется для корректировки значений сопротивления (прочности) при проектных расчетах с целью выборочного повышения запаса прочности для критических конструктивных элементов; они не применяются к петлевым и кольцевым стропам и такелажным скобам. В методе PFD значения сопротивления (прочности) при проектных расчетах не корректируются и вместо этого коэффициент надежности по нагрузке применяется в качестве частных коэффициентов действия усилий; рассмотрение применения предельной рабочей нагрузки (WLL) приведено в 19.4.1 и в 19.5.4.3 при структурном анализе методом WSD.

В методе PFD репрезентативные значения усилий и нагрузок умножают на частные коэффициенты частичного действия усилий, чтобы получить расчетные значения (см. 3.90) этих усилий и нагрузок. В методе WSD репрезентативные значения усилий и нагрузок являются непосредственно расчетными значениями этих усилий и нагрузок без учета частных коэффициентов действия усилий. Определение расчетных значений усилий и нагрузок для обоих методов приведены в 19.3.8.

19.3.2 Коэффициенты надбавки на неучтенные массы и резервы по массе

19.3.2.1 Классы контроля нагрузки масс МНГС определены в ГОСТ Р 58036 и приведены в 9.2.

19.3.2.2 При контроле нагрузки масс по классу A необходимо применять коэффициенты надбавки на неучтенные массы и резервы по массе к следующим массам:

a) к значению собственной массы W_cw коэффициент в размере k_wcf >= 1,05. При этом необходимо учитывать критические положения центра тяжести (если это применимо);

b) к значению взвешенной массы W_ww коэффициент в размере k_wcf >= 1,03. Полученное значение допускается уменьшать при наличии соответствующего документа о точности (погрешности) взвешивания, которая не превышает 3% для конкретного рассматриваемого взвешивания.

Полная масса - это собственная или взвешенная масса с коэффициентами надбавки на неучтенные массы и резервы по массе в соответствии с a) или b). Полную массу W рассчитывают по формуле (8) из собственной массы W_cw с коэффициентом k_wcf >= 1,05 или по формуле (9) из взвешенной массы W_ww с коэффициентом k_wcf >= 1,03:

W = W_cw·k_wcf, (8)

W = W_ww·k_wcf. (9)

19.3.3 Коэффициенты динамичности

19.3.3.1 Общие сведения

Полная масса, обозначаемая W в формуле (8) или (9), является статической массой поднимаемой конструкции в состоянии покоя.

Однако подъемная масса, обозначаемая W_lw, испытывает во время подъема краном динамические воздействия, вызванные движениями поднимаемой конструкции и/или крана, поэтому она определяется умножением полной массы, обозначаемой W, коэффициент динамичности k_DAF. Значения коэффициента динамичности k_DAF зависят от обстоятельств и применяются к грузоподъемным операциям, выполняемым в воздухе. Значения коэффициента динамичности k_DAF для грузоподъемных операций, выполняемых одним краном, установленным на судне, приведены в 19.3.3.2.

Для грузоподъемных операций, выполняемых одновременно двумя кранами на одном и том же судне, значения коэффициента динамичности k_DAF, приведенные в 19.3.3.2, могут использоваться в качестве руководства, но их следует увеличить, если необходимо, на коэффициент, зависящий от сложности операции. Значения коэффициента динамичности k_DAF для грузоподъемных операций, выполняемых несколькими кранами, расположенными при этом на отдельных судах, рассмотрены в 19.3.3.3.

Если какая-либо часть грузоподъемной операции включает подъем или опускание конструкции в воду, включая прохождение через зону поверхности воды, расчеты должны быть выполнены по одному из двух методов PFD или WSD, в которых:

- либо должно быть показано, как рассчитывается суммарное воздействие при спуске и подъеме груза из воды с учетом массы, плавучести, присоединенных масс воды, скорости и ускорения нока стрелы крана, гидродинамической инерции и аэродинамического сопротивления;

- или же должны быть рассчитаны динамические нагрузки в стропах и на гаке крана, чтобы документально подтвердить, что не возникает состояния, когда из-за провисших в воде стропов не будут превышены ограничения для морской операции по состоянию моря.

19.3.3.2 Подъем одним краном, установленным на судне

Для морских грузоподъемных операций с участием одного крана следует применять коэффициент динамичности k_DAF для учета динамических эффектов (нагрузок) при подъеме конструкций, а также при движении крана и поднимаемой конструкции во время подъема. Если конкретные операции не требуют иного, номинальную подъемную массу W_lw рассчитывают по формуле (10) с коэффициентом динамичности k_DAF, значения которого приведены в таблице 14.

W_lw = k_DAF·W. (10)

Таблица 14

Коэффициент динамичности

для одного грузоподъемного крана на судне

Масса поднятого груза, т	Полная масса W, т	Коэффициент динамичности k_DAF в воздухе
		в море	у берега	на берегу
		в море	у берега	перемещение	статичный
<= 100	W <= 100	1,30	1,15	1,15	1,00
От 100 до 1000	100 < W <= 1000	1,20	1,10	1,10	1,00
От 1000 до 2500	1000 < W <= 2500	1,15	1,05	1,05	1,00
От 2500	2500 < W	1,10	1,05	1,05	1,00

Для береговых грузоподъемных средств, у которых кран может перемещаться горизонтально, следует применять графу "перемещение" в таблице 14. Графу "статичный" следует применять, если нет горизонтального движения крана, но может осуществляться изменение вылета стрелы и поворот крана.

Определения движения подъемного крана с подвешенным грузом следующие:

a) "перемещение" - горизонтальное перемещение всего крана с помощью привода или других средств, без подъема груза и поворота стрелы крана;

b) "изменение вылета стрелы" - подъем стрелы крана вверх и вниз, без перемещения крана и поворота стрелы;

c) "поворот" - вращение крана на поворотном столе, без перемещения крана, без изменения вылета стрелы и подъема груза.

19.3.3.3 Подъем кранами, установленными на двух или более судах

Если конкретные расчеты не показывают иного, для морских грузоподъемных кранов на двух или более аналогичных судах коэффициенты динамичности k_DAF, значения которых приведены в таблице 14, следует умножать на дополнительный коэффициент 1,1. Если краны судов отличаются друг от друга и имеют разные характеристики, должны быть выполнены специфические для этой операции расчеты.

Для прибрежных грузоподъемных кранов на двух или более судах в полностью защищенных водах коэффициенты динамичности k_DAF, значения которых приведены в таблице 14, следует применять без учета дополнительного коэффициента для нескольких судов.

Для двух или более береговых грузоподъемных кранов коэффициенты динамичности k_DAF, значения которых приведены в таблице 14, следует применять без учета каких-либо дополнительных коэффициентов для нескольких кранов.

19.3.4 Репрезентативная нагрузка на гак

19.3.4.1 Подъем одним гаком одного крана

Усилия в точке подъема поднимаемой конструкции определяются как номинальная подъемная масса W_lw и рассчитываются по формуле (10) с учетом коэффициента динамичности k_DAF, приведенного в 19.3.3. Однако усилия в стропах и общая нагрузка на гак определяются номинальной нагрузкой на гак F_hl и рассчитываются по формуле

F_hl = W_lw + k_DAF·W_rw, (11)

где W_lw - номинальная подъемная масса;

W_rw - масса такелажа.

Масса такелажа W_rw включает массу всех элементов между точками подъема и гаком крана, включая стропы, такелажные скобы и траверсы, а также другие детали, предусматриваемые в случае непредвиденных обстоятельств.

Для грузоподъемных операций с подъемом конструкций одним гаком одного крана репрезентативная нагрузка на гак крана F_rhl равна рассчитанной по формуле (11) номинальной нагрузке на гак крана F_hl:

F_rhl = F_hl. (12)

19.3.4.2 Подъем двумя гаками одного или двух кранов

Для грузоподъемных операций с подъемом конструкций двумя гаками репрезентативная нагрузка на крюк F_rhl [см. формулу (12)] представляет общую суммарную репрезентативную нагрузку на крюки двух кранов. Репрезентативная нагрузка на каждый крюк грузоподъемных кранов определяется путем статического распределения общей номинальной нагрузки F_hl между двумя крюками, исходя из положения центра тяжести поднимаемой конструкции и расстояния между крюками кранов. Репрезентативная нагрузка на каждый гак обозначается F_srhl, _i, где индекс i, равный 1 или 2, указывает на количество гаков крана или кранов.

Подъем двумя гаками выполняется с двумя грузоподъемными кранами на одном судне или двумя грузоподъемными кранами на двух судах (по одному крану на каждом судне) в морских, прибрежных и береговых условиях. Количество гаков выбирается исходя из условий безопасности операции. Во всех этих ситуациях коэффициент смещения центра тяжести k_sf и коэффициент наклона k_tf применяются к репрезентативной нагрузке на гак F_srhl, _i.

Коэффициент смещения центра тяжести k_sf и коэффициент наклона k_tf при подъеме груза двумя гаками учитывают неопределенность в положении центра тяжести поднимаемой конструкции, возможных неравных высот положения гаков кранов и/или неравных скоростей при спуске/подъеме.

Репрезентативную нагрузку на гак i крана при подъеме двумя гаками F_rhl, _i для i, равного 1 или 2, рассчитывают по формуле

F_rhl, _i = k_sf·k_tf·F_srhl, _i, (13)

где F_srhl, _i - репрезентативная нагрузка на гак F_rhl, равная номинальной нагрузке на гак F_hl [(см. формулу (11)], статически распределенной между гаками i крана (i = 1, 2);

k_sf - коэффициент смещения центра тяжести, значение которого отражает неопределенность положения центра тяжести при статическом распределении общей нагрузки между двумя гаками; принимается k_sf = 1,03;

k_tf - коэффициент наклона, значение которого отражает влияние неравных высот подъема гаков крана и/или неравных скоростей подъема/спуска груза при статическом распределении общей нагрузки на гаки между двумя гаками кранов, принимается k_tf = 1,03.

19.3.5 Репрезентативная подъемная масса в каждой точке подъема

19.3.5.1 Подъем одним гаком

Для грузоподъемных операций с подъемом конструкций одним гаком номинальная подъемная масса W_lw [(см. формулу (10)]. Распределение нагрузки между точками подъема получают, статически распределяя W_lw между точками подъема, с которыми стропами связан гак крана. Результат обозначается W_srlw, _j - статически допустимая подъемная масса, действующая на точку подъема j, где j, равный 1 или 2, указывает на номер точки подъема. Наибольшее значение статически допустимой подъемной массы для каждой точки подъема равно max(W_srlw, _j).

Статическое распределение полной подъемной массы учитывает только геометрию грузоподъемного оборудования и положение центра тяжести поднимаемой конструкции. Для учета изменения в положении центра тяжести применяют коэффициент k_CoG. Если подъем конструкции осуществляется при крестообразном или подобном, правильной геометрической формы расположении стропов, при котором обеспечивается устойчивое (без смещения) положение центра тяжести, применяется коэффициент положения центра тяжести k_CoG = 1,0. Если положение центра тяжести поднимаемой конструкции не определено, применяется коэффициент k_CoG = 1,02.

При подъеме конструкций грузоподъемным краном с одним гаком репрезентативную подъемную массу в каждой точке подъема (W_rlw)_{one crane} рассчитывают по формуле

(W_rlw)_{one crane} = k_CoG·max(W_srlw, _j), (14)

где k_CoG - коэффициент положения центра тяжести, значение которого отражает неопределенность в положении центра тяжести при статическом распределении массы поднимаемого груза между точками подъема;

max(W_srlw, _j) - наибольшее значение статистически допустимой подъемной массы для всех точек подъема j.

19.3.5.2 Подъем двумя гаками

Для грузоподъемных операций с подъемом конструкций двумя гаками одного или двух кранов статически допустимая подъемная масса W_srlw, _i для гака i крана или кранов, где индекс i, равный 1 или 2, указывает на номер гака крана, может быть получена из формулы (11), аналогично примененной к нагрузке на гак и массе такелажа, действующим на гак i крана, как показано в следующей формуле

W_srlw, _i = F_rhl, _i - k_DAF·W_rw, _i, (15)

где F_rhl, _i - репрезентативная нагрузка на гак i при подъеме двумя гаками (i = 1, 2), рассчитанная по формуле (13);

W_rw, _i - масса такелажа, связанная с гаком крана i;

k_DAF - коэффициент динамичности, указанный в 19.3.3.

Статически допустимая подъемная масса для гака i W_srlw, _i затем распределяется между точками подъема j, к которым подсоединен гак подъемного крана i. Наибольшее значение статически допустимой подъемной массы для гака i, действующая на точку подъема j, определяется как (W_srlw, _i_, _j).

В дополнение к неопределенности, описанной в 19.3.5.1, при подъеме конструкций двумя гаками также необходимо учитывать рыскание (раскачивание) поднимаемой конструкции, которое вызывает увеличение нагрузки на отдельные точки подъема. Чтобы учесть это, статически допустимая подъемная масса для гака i, действующая на каждую точку подъема j, должна быть умножена на коэффициент рыскания k_yaw.

Для грузоподъемных операций с подъемом конструкций двумя гаками двух кранов с двумя стропами на каждом гаке, репрезентативная подъемная масса в точке подъема при подъеме груза двумя гаками двух кранов (W_rlw)_{two cranes} рассчитывается по формуле

(W_rlw)_{two cranes} = k_CoG·k_yaw·max(W_srlw, _i_, _j), (16)

где k_yaw - коэффициент рыскания, значение которого отражает эффект рыскания (раскачивания) при подъеме груза двумя кранами при статическом распределении массы поднимаемой конструкции между точками подъема; принимается для всех точек подъема k_yaw = 1,05;

max(W_srlw, _i_, _j) - наибольшее значение статически допустимой подъемной массы для гака i, действующей на точку подъема.

Значение коэффициента рыскания k_yaw может быть уменьшено, если другие значения обеспечат аналогичные уровни безопасности.

Значения коэффициента рысканья при подъеме двумя гаками с использованием другой схемы навески стропов, отличающейся от схемы с использованием двух строп для каждого крюка, требуют специального рассмотрения.

19.3.6 Номинальные усилия в точках подъема

19.3.6.1 Номинальные вертикальные усилия

Подъемная масса в каждой точке подъема - это вертикальное усилие, действующее в точке подъема. Номинальное вертикальное усилие в точке подъема равно репрезентативной подъемной массе W_rlw, определенной по формуле (14) или формуле (16), умноженной на коэффициент неравномерности нагрузки k_skl, значение которого при подъеме груза неизвестной массы отражает неравномерное распределение нагрузки между стропами, которые отличаются по длине в результате производственных допусков.

Репрезентативное вертикальное усилие, действующее в точке подъема P_rvf рассчитывают по формуле (17) при подъеме конструкций одним гаком одного крана или по формуле (18) при подъеме конструкций двумя гаками одного или двух грузоподъемных кранов:

P_rvf = k_skl·(W_rlw)_{one crane}, (17)

P_rvf = k_skl·(W_rlw)_{two cranes}. (18)

Различие в длине для подобранной пары стропов не должно превышать 0,5d, где d - диаметр петлевого или кольцевого стропа, см. IMCA M179 [27]. Значение коэффициента неравномерности нагрузки k_skl зависит от того, содержит ли такелаж элементы, обеспечивающие перераспределение разных нагрузок в стропах из-за отклонения длин, например траверсы или распорки.

При подъеме груза неизвестной массы, в котором для минимизации наклона поднимаемой конструкции используются четыре петлевых стропа с двумя подобранными противоположно располагаемыми парами стропов, к каждой противоположно расположенной по диагонали паре точек подъема в соответствии с руководством [19] необходимо применять коэффициент неравномерности нагрузки k_skl = 1,25.

При подъеме груза известной массы допускается применять коэффициент неравномерности нагрузки k_skl = 1,05, если подтверждено, что отклонения в распределении сил в подъемной системе незначительны.

Для подъемной системы, включающей один или более таких компонентов, как распорки, действующих как система уравнивания нагрузок в стропах, применяется коэффициент неравномерности нагрузки k_skl = 1,1.

При использовании в одной операции новых и использованных ранее стропов необходимо применять более высокие значения коэффициента неравномерности нагрузки k_skl для учета разного удлинения стропов.

19.3.6.2 Репрезентативные усилия, действующие вдоль оси стропа

Репрезентативное значение усилия в точке подъема, действующее вдоль оси стропа, P_rdf рассчитывают по формуле

(19)

где P_rvf - репрезентативное вертикальное усилие в точке подъема, рассчитываемое по формуле (17) или (18);

- угол между стропом и горизонтальной плоскостью, обычно этот угол ограничен (минимум) 60°.

19.3.6.3 Репрезентативные боковые усилия

По возможности, взаимное расположение точек подъема должно быть таким, чтобы они находились на одной оси с соответствующими подъемными стропами. Непреднамеренные отклонения во взаимном расположении точек подъема и осей стропов, возникающие вследствие допусков при изготовлении конструкций, необходимо учитывать применением коэффициента бокового усилия k_lf.

В некоторых случаях имеющиеся отклонения во взаимном расположении точек подъема и осей стропов не представляется возможным исключить при проектировании конструкций. В таких случаях отклонения считаются известными. Расчетное боковое усилие P_cfl, возникающее вследствие известных неточностей, должно быть рассчитано и приложено к точке подъема.

Для учета известных и неизвестных отклонений в расположении точек подъема относительно фактического положения осей стропов репрезентативное боковое усилие P_rlf, действующее в точках подъема и прикладываемое перпендикулярно к точке подъема, рассчитывают по формуле

P_rlf = k_lf·P_rdf + P_clf, (20)

где k_lf - коэффициент бокового усилия, k_lf = 0,05;

P_rdf - репрезентативное усилие в точке подъема, действующее вдоль оси стропа и рассчитываемое по формуле (19);

P_clf - расчетное боковое усилие в точке подъема при известном отклонении между расположением точек подъема и осями стропов.

Предполагается, что расчетное боковое усилие P_clf действует через центр и вдоль оси отверстия в обухе или в геометрическом центре цапфы или обуха.

В подъемных системах с одним и более обухами или траверсами значение коэффициента бокового усилия k_lf необходимо увеличивать с 0,05 до 0,08 для учета горизонтальной динамической нагрузки. В подъемных системах, где траверсы непосредственно связаны с точками подъема, допускается использовать значение коэффициента бокового усилия k_lf = 0,05.

Значение коэффициента бокового усилия k_lf может приниматься меньшим, если его более меньшее значение обеспечивает требуемый уровень безопасности.

19.3.7 Номинальные усилия в петлевых и кольцевых стропах

Репрезентативное усилие в одноветвевом петлевом стропе F_rsf и репрезентативное усилие в кольцевом стропе F_rgf рассчитывают по формуле

(21)

где P_rdf - репрезентативное усилие в точке подъема, действующее вдоль оси стропа и рассчитываемое по формуле (19);

k_DAF - коэффициент динамичности, рассчитанный в 19.3.3.3;

W_s - масса стропа;

- угол между стропом и горизонтальной плоскостью.

Если двухветвевой строп (строп, состоящий из двух параллельных ветвей) или кольцевой строп проходит вокруг или через обух, цапфу, такелажную скобу или гак крана, репрезентативные значения усилия в двухветвевом петлевом стропе или кольцевом стропе, рассчитываемые по формуле (21), должны быть распределены между каждой ветвью стропа в соотношении 45:55 с учетом потерь на трение в точке изгиба стропов. Репрезентативное усилие в каждой ветви двухветвевого петлевого стропа F_{rsf, 2parts} и репрезентативное усилие в одной ветви кольцевого стропа F_{rgf, 1} следует принимать в соответствии с формулой

F_{rsf, 2parts} = F_{rgf, 1} = 0,55F_rsf, (22)

где F_rsf - репрезентативное усилие в одноветвевом петлевом стропе и рассчитываемое по формуле (21).

19.3.8 Определение расчетных значений воздействий и эффектов воздействий

Если используется метод расчета по частным коэффициентам (PFD), расчетные значения воздействий (действующих усилий) и эффектов воздействий (реакций) получают путем умножения репрезентативных значений действующих усилий, указанных в 19.3.4 - 19.3.7, на коэффициенты частичного действия, как это указано в формулах (23) - (31):

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

где индекс P у частных коэффициентов представляет собой одно из трех различных значений в зависимости от элемента, к которому применяются воздействия (действующие усилия) или эффекты воздействия (реакции):

a) с индексом _lp - применяется к точкам подъема и креплению точек подъема к конструкции;

b) с индексом _mf - применяется к элементам конструкции, непосредственно поддерживающим или обрамляющим точки подъема;

c) с индексом _m - применяется к другим элементам конструкции.

Если используется метод расчета по допустимым напряжениям (WSD), расчетные значения действующих усилий принимаются равными репрезентативным значениям, как указано в формулах (32) - (40):

(F_dhl)_WSD = F_rhl, (32)

(F_dhl, _i)_WSD = F_rhl, _i, (33)

(F_dsf)_WSD = F_rsf, (34)

(F_{dsf, 2parts})_WSD = F_{rsf, 2parts}, (35)

(F_{dgf, 1})_WSD = F_{rgf, 1}, (36)

(F_dgf)_WSD = F_rgf, (37)

(P_dvf)_WSD = P_rvf, (38)

(P_ddf)_WSD = P_rdf, (39)

(P_dlf)_WSD = P_rlf, (40)

где определение указанных в формулах (23) - (40) величин приведено в разделе 4.

Если в расчетах по допустимым напряжениям (WSD) не указано иное, необходимо применять частные коэффициенты, приведенные в таблице 15.

Таблица 15

Частные коэффициенты в методе расчета по допустимым

напряжениям (WSD)

Назначение коэффициента	Значение коэффициента
Для нагрузки на гак крана
Для стропов и такелажных скоб
Для точек подъема
Для элементов закрепления точек подъема в конструкциях
Для элементов, непосредственно поддерживающих или обрамляющих точки подъема
Для проектирования других конструктивных элементов