ВведениеРазвитие нефтяных проектов на шельфе Российской Федерации в большинстве районов сталкивается с рисками разрушающего ледового воздействия на гидротехнические сооружения (ГТС). Появляются первые подводные добычные комплексы (Южно-Киринское газовое и газоконденсатное месторождение на шельфе острова Сахалин), которые в полной мере защищены от негативных факторов внешней среды замерзающих морей. Вместе с тем остаются вопросы безопасной организации перегрузочных комплексов (терминалов), где речь идет о взаимодействии с надводными элементами транспортной системы – танкерным флотом. Варианты нефтяных перегрузочных терминалов В незамерзающих морях ГТС создаются в соответствии с планируемым объемом перевалки грузов, размерами танкеров, гидрологическими, навигационными условиями и др. В таких условиях можно встретить разнообразные конструкции причальных сооружений [1]:– эстакадные причалы;– причалы типа набережной (стенка, эстакада);– пирсы разной конструкции (рис. 1);– рейдовые перегрузочные комплексы;– одноточечные причалы.Авторами был проведен анализ существующих 180-и терминалов по перегрузке нефти или нефтепродуктов [2] и рассмотрены перспективы их применения в условиях замерзающих морей.В результате анализа сделаны следующие выводы:1. Нефтяные терминалы на основе причальных сооружений (пирсы и набережные) в условиях, где может формироваться ледовый покров, встречаются только вблизи крупных инфраструктурных узлов: порты Козьмино, Приморск, Ванино, Находка, Владивосток, Санкт-Петербург и др.2. Имеется опыт эксплуатации стационарных причалов при наличии сложных ледовых условий: порты Сабетта, Приморск, Козьмино, Эльга, Владивосток и др. Однако сочетание тяжелой ледовой обстановки с ограничением глубин (например, Сабетта, Эльга) сильно усложняет процесс швартовки.  3. В местах, где имеются ограничения по строительству крупных терминалов по перегрузке нефти, или в труднодоступных районах предпочтение отдается одноточечным причалам (Single Point Mooring – SPM). Это обусловлено сочетанием относительно невысокой стоимости строительства таких ГТС и возможностью доставки к SPM нефти или нефтепродуктов по подводному трубопроводу.В рамках статьи предметом исследований являются SPM и решение проблемы их безопасной эксплуатации в ледовых условиях шельфа России, в том числе и арктического.   Рис. 1. Пирс с технологической эстакадой (порт Козьмино)Fig. 1. Pier with technological overpass (Kozmino port) В целом анализ мировой практики строительства и эксплуатации SPM для проведения грузовых операций с нефтью и нефтепродуктами свидетельствует о том, что выбор типа ГТС, в первую очередь, основывается на следующих технологических показателях планируемого терминала:– количество и объем перегружаемых нефтепродуктов; – разновидности обрабатываемых грузов; – характеристики обрабатываемых танкеров; – геологические, гидрологические и метеорологические условия места строительства [3]. В мире существует более 1 660 сооружений для перегрузки жидких грузов на морские суда и приема таких грузов с танкеров [4]. В подавляющем большинстве портов, производящих перегрузку нефтепродуктов, используются пирсы с технологической эстакадой, соединенной с берегом, по которой проложены трубопроводы [5].В качестве альтернативного варианта наливного терминала весьма успешно используются одноточечные швартовные системы SPM, среди которых наиболее распространенной является много-якорная система швартовки (Catenary Anchor Leg Mooring – CALM). Такого рода ГТС является относительно недорогим, позволяющим работать с танкерами практически любых размеров (рис. 2). Наиболее широкое распространение SPM в виде причального буя и подводного продуктопровода получило в портах Персидского залива. Всего удалось насчитать около 40 таких нефтяных терминалов [6]. Нефть на танкер подается с помощью плавающего шланга, идущего от SPM, изготовленного в соответствии с отраслевыми стандартами [7–9]. Характеристики шланга зависят от масштабов перевалки груза [8]. Существенной особенностью грузовых операций на SPM является необходимость удерживать носовой бридель в натяжении во избежание опасного сближения танкера с SPM. Для этого привлекается вспомогательное судно или используется силовая установка танкера.Серьезные сложности представляет и тот факт, что танкер с присоединенным к нему шлангом и буксиром будет вращаться вокруг SPM под действием ветра и течений [5], что делает необходимым создание зоны отчуждения вокруг SPM. Из 185 нефтяных терминалов только в порту Новороссийск (Россия) и порту Циньхуандао (Китай) используются SPM типа CАLM c конвенционной шланголинией. Однако эти порты можно отнести к категории портов с «условной» ледовой опасностью. В районе SPM лед не наблюдался в течение многих десятков лет. В Новороссийске в районе нахождения SPM возможно небольшое обледенение конструкций шланга в зимнее время, но это не несет серьезных угроз целостности шланголинии и ее плавучести [10].    Рис. 2. Погрузка танкера у SPM типа CALM компании «Каспийский трубопроводный консорциум»Fig. 2. Loading of a tanker at the CALM-type SPM of the Caspian Pipeline Consortium company Единственным вариантом SPM для работы на шельфе России в условиях замерзающих морей является вариант башенного типа (рис. 3), который появился в качестве альтернативы системе CALM для использования в сложных ледовых условиях, когда для доставки груза на танкер применяется не плавающая, а подвесная шланголиния – альтернативный вариант (порты Де-Кастри, Пригородное, «Ворота Арктики», «Варандей»).   Рис. 3. Погрузка специализированного танкера у SPM башенного типа «Варандей»Fig. 3. Loading of a specialized tanker at SPM tower type Varandey При этом предъявляются особые требования к оборудованию танкеров носовой загрузочной системой (НЗС). Такие танкеры могут производить грузовые операции как стандартным (конвенционным) методом через манифольды, так и через НЗС. Использование подвесных шлангов позволяет уйти от основных рисков, связанных с воздействием ледовых полей на объекты, находящиеся на поверхности воды. Обеспечивается безопасная швартовка, стоянка и проведение грузовых операций со специализированными танкерами дедвейтом до 150 тыс. т. Отмечается устойчивое применение таких систем в ледовых условиях при толщине консолидированного льда до 2,0 м [11].  Риски, связанные с эксплуатацией нефтеналивных одноточечных терминалов в ледовых условияхРабота со специализированными танкерами, оборудованными НЗС, накладывает ряд ограничений на нефтяные компании, поскольку количество таких танкеров (которые, помимо всего прочего, должны иметь специальный ледовый класс) невелико, что сужает выбор перевозчиков и создает уязвимости для санкционных действий недружественных государств. На некоторых SPM предусмотрен конвенционный вариант погрузки танкеров с использованием плавающего на поверхности воды шланга через манифольды стандартного танкера (см. рис. 3). В этом случае плавающая шланголиния крепится к поворотной платформе, а основная ее часть находится в свободном плавании вблизи SPM. С точки зрения авторов настоящей статьи, такой вариант имеет неплохие перспективы использования в районах с продолжительным безледовым периодом, однако на шельфе Арктики это вряд ли будет целесообразным с учетом весьма затратных процедур по установке плавающей шланголинии, организации ее хранения и содержания в условиях низких температур.Проблемы, связанные с использованием плавающих шлангов, позволяющих производить погрузку танкеров «конвенционным» способом, в условиях замерзающих морей можно связать с неприемлемыми рисками от воздействия дрейфующих или формирующихся вблизи SPM стационарных ледовых полей, особенно если грузовые операции осуществляются с перерывами в несколько дней. Такого рода риски возникают при подвижках льда в процессе проведения грузовых операций или при высвобождении плавающего шланга из ледового поля, когда он вмерзает в него.При проектировании перспективных терминалов, способных выполнять круглогодичную загрузку танкеров в конвенционном режиме, следует найти защиту от опасных ситуаций (ОС), которые могут возникнуть в процессе его эксплуатации [12]:– ОС-1 – повреждение узлов и элементов шланга дрейфующими полями льда в период погрузки;– ОС-2 – нарушение функциональности элементов шланга в результате брызгового и/или атмосферного обледенения;– ОС-3 – повреждение каркаса шланга (излома) в результате потери эластичности из-за переохлаждения его тела; – ОС-4 – повреждение каркаса шланга (излом) в результате разнонаправленных нагрузок при относительном движении SPM и ледового покрова с вмороженным шлангом;– ОС-5 – повреждения обшивки шланга при маневрировании вспомогательного судна из-за неопределенного его положения в массиве льда.Для этих целей рассмотрим принципиально иной вариант, отличающийся и от системы CALM, и от морской подводной платформы башенного типа, который позволит производить круглогодичную погрузку танкеров конвенционным способом на замерзающих акваториях.Сформулируем комплекс задач, которые должны быть решены при реализации такого проекта:1. Защитить/увести грузовой шланг от механического контакта с ледовыми полями.2. Защитить грузовой шланг от воздействия экстремально низкой температуры воздуха.3. Сохранить простоту и надежность швартовки танкера к SPM при условии защиты шланга от механического контакта с вспомогательным судном.4. Обеспечить безопасность обнаружения и доставки хвостовой части шланголинии на танкер (даже в условиях сплошного ледового поля).Для лучшего понимания сути предлагаемых идей следует остановиться на существующих шлангах, использующихся при грузовых операциях танкеров [13]. Все они исполняются в соответствии с международными стандартами The Oil Companies International Marine Forum (OCIMF). Их плавающие варианты характеризуются достаточно большим запасом плавучести. Авторы считают, что именно этот параметр делает плавающие шланги уязвимыми к приведенным выше опасностям, в том числе и по причине потери ими эластичности от чрезмерного охлаждения при низкой температуре воздуха. Требования к плавучести оговорены в стандарте GMPHOM 2009 [7]. Она должна составлять не менее 20 % от общей массы шланга, заполненного водой: где DH – вес морской воды, вытесняемой шлангом при полном погружении, включая морскую воду, вытесняемую встроенными поплавками, и с учетом морской воды внутри шланга; WH – вес пустого шланга в воздухе и вес любого оборудования, которое должно быть прикреплено к шлангу в процессе эксплуатации; WW – масса морской воды, содержащейся в шланге. Варианты снижения рисков при использовании плавающего шланга в ледовых условияхРасчеты и экспериментальные исследования подтверждают, что уход от чрезмерной (20-процентной) к околонейтральной положительной плавучести в значительной степени снижает риски ОС-1, ОС-2, ОС-3, ОС-4. Под околонейтральной положительной плавучестью понимается такая конструкция шланга, при которой положительная плавучесть Q сохраняется в условиях максимальной возможной плотности продукта внутри шланга (может колебаться при изменении температуры продукта) [14] и минимальной плотности поддерживающей среды (морской воды в условиях временного распреснения). Для формирования простейшего варианта модели шланговой линии, вытянутой вдоль горизонтальной оси х, в качестве функции рассматривается вертикальное смешение ее точек u = u(x) под действием сил тяжести или плавучести. Потенциальная энергия линии складывается из потенциальной энергии изгибных деформаций.Форма шланголинии u(x) представляется непрерывной гладкой функцией – кубическим сплайном, параметры которого рассчитываются по координатам узлов (хi, ui) стандартной программой сплайновой интерполяции. Используемая здесь конкретная программа сплайновой интерполяции дает в узлах вторые производные, значения которых используются в расчетах потенциальной энергии изгиба. Таким образом, в вариационной постановке задача определения изгиба шланголинии сводится к определению таких значений ui, при которых разность потенциальной энергии Пi и работы, производимая силой, определяемой плавучестью, достигает минимального значения. Возникающая задача минимизации функции сравнительно небольшого числа аргументов ui решается методами покоординатного спуска.В результате решения задачи можно определить форму шланголинии, подобрав параметры плавучести шлангов и изгибной жесткости, которая показана на рис. 4.   Рис. 4. Предлагаемый вариант одноточечного терминала по отгрузке нефтиFig. 4. The proposed version of a single-point terminal for oil shipment Между грузовыми операциями шланг наматывается на катушку, похожую на стандартный вариант, только на вертикальной оси. В верхней части неподвижной вертикальной оси-опоре закреплена цепь, к которой крепится плавающая швартовая бочка для танкеров. Кроме вертлюжного швартового рыма, на бочке крепится и проводник, идущий к хвостовой части шланга. В условиях установившегося ледового припая вокруг бочки создается незамерзающая полынья за счет подъема из придонных слоев воды с повышенной температурой к поверхности (такие способы достаточно хорошо отработаны и применяются на практике).При подходе под погрузку танкера носовой бридель заводится на швартовую бочку, и с помощью проводника вспомогательное судно подводит хвостовую часть шланга к манифольдам в стандартном режиме. При проведении грузовых операций шланг полностью погружен под воду за исключением хвостовой части, поднимаемой на палубу танкера.По завершении грузовых операций шланг наматывается на барабан, а его проводник крепится на швартовой бочке. Малая остаточная плавучесть при наматывании шланга не будет препятствовать его равномерной укладке на барабане.Такой терминал может быть установлен на глубинах, достаточных для погрузки самых крупных танкеров, запитываться продуктом может как от береговых, так и подводных нефтехранилищ. Подобные терминалы могут специализироваться и на обеспечении завоза нефтепродуктов в прибрежные населенные пункты Арктики. Разумеется, предстоит решить (и уже решаются) задачи управления, обеспечения надежности и безопасности такого рода терминалов, проведения профилактических мероприятий для агрегатов и др.  ЗаключениеПриведенные выше аргументы наглядно демонстрируют, что вариант снижения негативных последствий в результате ледового воздействия на шланг при конвенционной погрузке танкера следует искать в отклонении шланга от этого воздействия путем его погружения под лед в случае возникновения их движения относительно друг друга. Результаты расчетов и экспериментальных исследований, которые будут представлены в последующих публикациях, свидетельствуют о том, что достижение этого результата невозможно при той остаточной плавучести, которая традиционно, в соответствии с отраслевыми стандартами [7], обеспечивается конструкцией применяемых в настоящее время шлангов.