Статья: Влияние гигантских волн на безопасность морской добычи и транспортировки углеводородов
Сергей Бадулин, к.ф.-м.н.,Андрей Иванов, к.ф.-м.н., Александр Островский, к.г.н., Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Бурное развитие космических и информационных технологий последних лет позволило получить неопровержимые свидетельства, подтверждающие существование гигантских волн (или так называемых «волн-убийц») в океане. География распространения, частота появления и большая разрушительная способность гигантских волн могут в корне изменить подходы к стандартам безопасности строительства и эксплуатации морских нефтяных платформ и танкеров.
В 1-й части статьи специалисты Института океанологии анализируют случаи наблюдения и последствия воздействия указанных волн на объекты морской добычи и транспортировки УВС, обсуждают физические механизмы, приводящие к их появлению, приводят результаты математического моделирования. На основе этой информации можно будет разработать методы прогнозирования образования таких волн, выработать действенные меры по минимизации рисков их воздействия на морские платформы и суда.
В 1840 г. во время своей экспедиции в Южный океан французский мореплаватель Дюмон Дюрвиль наблюдал необычную гигантскую волну высотой около 35 м. Его сообщение на заседании французской академии вызвало дружный смех. Никто из академиков не мог поверить в то, что такие волны могут существовать.
Бурное развитие мореплавания и морского строительства в последующие полтора века предоставило многочисленные свидетельства существования необычных гигантских волн, подобных той, что наблюдал Дюрвиль, — волн-убийц. Волны-убийцы всерьез заинтересовали исследователей после исчезновения британского 295-метрового сухогруза «Дербишир» и всего его экипажа в составе 44 человек у берегов Японии в 1980 г. Некоторые случаи появления волн-убийц были описаны в [1] и в популярном американском журнале «New Scientist» [2].
Только за 25 лет (1969-1994 гг.) в Тихом и Атлантическом океанах 22 супертанкера были потеряны или серьезно повреждены при встрече с волнами-убийцами (см. фото 1 и 2). При этом погибли 525 человек. 12 аналогичных случаев было зарегистрировано в Индийском океане [3]. По данным агентства Ллойда, с 1973 г. по 1989 г. потерпели крушение 495 танкеров, из которых 86 водоизмещением более 100 тыс. т, при этом в 25,6 % случаев причиной аварий была штормовая погода [4].
Морские нефтяные платформы также подвержены рискам воздействий аномальных волн. Эксперты полагают, что именно волна-убийца разрушила буровую вышку компании Mobil Oil в районе Большой Ньюфаундлендской банки в 170 милях от порта Сент-Джонс (Канада) 15 февраля 1982 г. Гигантская волна разбила иллюминаторы и затопила пульт управления, после чего вышка перевернулась и затонула, унеся жизни всех 84 буровиков. В 1995 г. плавучая буровая «Веслефрик В» компании Statoil была серьезно повреждена волной-убийцей. Прочный корпус морской платформы «Шихальон» (компания BP Amoco), конструкция которой по расчетам должна была выдерживать удары стихии при скорости ветра 130 км/ч, был сильно поврежден волной 9 ноября 1998 г. при скорости ветра 110 км/ч.
Недавно Европейское космическое агентство (ESA) подготовило доклад, в котором утверждается, что волны-убийцы встречаются в океане значительно чаще, чем это предполагалось ранее. Этот вывод, подтвержденный независимыми измерениями волн в Южной Атлантике [5], может в корне изменить подход к стандартам безопасности строительства и эксплуатации морских нефтяных платформ и танкеров. По мнению известного норвежского эксперта С. Хавера [1], высота волны-убийцы может на 10-20% превышать порог, заданный статистическими данными о волнении, который учитывается при строительстве нефтяных платформ. Еще более категорично высказался авторитетный британский эксперт в области судостроения Д. Фолкнер, утверждая, что часто используемые при постройке судов критерии экстремальной высоты линейной волны в 10,75 м и максимальной нагрузки в 26-60 кН/мм2 совершенно неадекватны и не обеспечивают безопасность на море в условиях воздействия катастрофических волн.
Волны-убийцы стали предметом внимания для многих международных организаций, занимающихся проблемами безопасности судов и морских сооружений, таких как International Association of Classification Societies [6]. Технические нормы и стандарты безопасности, разрабатываемые этими организациями, носят, как правило, рекомендательный характер для соответствующих национальных институтов. Вместе с тем некоторые национальные организации в последние годы пересматривают свои подходы к проблемам безопасности в море и переходят от стандартов «наиболее вероятная опасность» к стандартам «возможный риск» [6]. Комитет по науке и технологиям Палаты лордов Великобритании принял решение «следовать по мере возможности прежде всего эксплуатационным (в расчете на максимально возможные эксплуатационные нагрузки. — Прим. авт.) стандартам, но не предписывающим (основанным на прецеденте. — Прим. авт.)».
Прогнозируемый на ближайшие 25 лет существенный рост объема морских перевозок и морского строительства (US Department of State, Blue Water Project-2003) предъявляет особые требования к качеству прогноза состояния моря и оценке рисков для стационарных морских сооружений и морских судов.
Волны-убийцы — попытка дать определение
Сам термин «волна-убийца» и его аналоги в других языках (англ. «rogue wave» — волна-разбойник, «freak-wave» — волна-придурок, отморозок; фр. — «onde scеlеrate» — волна-злодейка, «galеjade» — дурная шутка, розыгрыш) дают хорошее представление о существенных чертах этого природного явления, передают чувство ужаса и обреченности при встрече с такой волной. По крайней мере эмоциональное определение выглядит более точным и более содержательным с практической точки зрения, чем формальное определение, которое принято приводить в научной литературе.
Волны-убийцы часто определяются как волны, высота которых более чем в два раза превышает значимую высоту Hs (Hs — средняя высота одной трети самых высоких волн). Предполагая, что вероятность случайных возвышений морской поверхности P(H) подчиняется Рэлеевскому распределению:
P(H) = exp(-2H/Hs) , нетрудно показать, что такие волны могут появляться довольно часто. Волной-убийцей, для которой:
Hf > 2Hs , (1)
будет примерно каждая из 3000 волн. При характерном периоде ветровых волн это соответствует примерно 8-9 часам. Вероятность аномальных волн сильно зависит от их амплитуды и уже для:
Hf > 3Hs (а наблюдаются и гораздо более высокие волны) время ожидания составляет более 20 лет.
Приведенное определение относится скорее к волнам аномально большой амплитуды (по сравнению со средней). «Настоящие» волны-убийцы, представляющие опасность для судов и морских сооружений, имеют большие абсолютные амплитуды. Но и это уточнение не является окончательным. Некоторые эксперты [1] предлагают выделять «классические аномальные» волны, т.е. волны больших амплитуд, которые могут быть предсказаны в рамках теории однородных квазистационарных квазигауссовых случайных процессов и, собственно, волны-убийцы, вероятность появления которых может быть существенно выше и не описывается существующими теориями случайных процессов.
Большинство исследователей и экспертов по вопросам безопасности в море следуют подобному разделению волн большой амплитуды на «классическое волновое население» и особую «популяцию морских волн-убийц». «Классические» экстремальные волны не представляют особой проблемы, поскольку их вероятность может быть предсказана. При общепринятых стандартах безопасности допустимым считается превышение расчетных нагрузок 1 раз в 25 лет для морских судов и 1 раз в 100 лет для стационарных морских сооружений (см. [1,6]). Соответственно, допустимая вероятность встречи с «классическими» волнами аномально больших амплитуд принимается при проектировании равной 10-4-10-5 (один инцидент за 10-100 тыс. лет). Недавние исследования показывают, что вероятность появления «неклассических», «настоящих» волн-убийц при этом может быть на порядок выше (1 инцидент в 1000 лет). В связи с этим предлагается пересмотреть существующие критерии безопасности судов и сооружений. Такие критерии не могут быть получены «в лоб» по данным наблюдений (очевидно, никто не располагает экспериментальными волновыми записями длиной «хотя бы» 1000 лет). Основой могут служить либо теоретические модели, либо альтернативные методы наблюдений волн-убийц, прежде всего спутниковые, позволяющие получать данные высокого качества на больших акваториях.
Исследовательская функция морских платформ. «Новогодняя волна»
Серьезные трудности исследований волн-убийц связаны с недостатком или низким качеством данных наблюдений. Весьма вероятно, французские академики, смеявшиеся над сообщением Дюмон Дюрвиля, были отчасти правы, не поверив в существование 35-метровой волны. Измерения, произведенные с судов, содержат большие погрешности, связанные с качкой и неожиданностью появления волн-убийц. Масштабное строительство морских буровых платформ сделало возможным проведение систематических, долговременных и более точных измерений морского волнения. Более того, проведение таких измерений и свободный доступ к результатам жестко предписывался правительственными контролирующими органами для всех нефтедобывающих компаний. Это правило строго соблюдалось до 80-х годов. По мере совершенствования технологий проектирования и строительства исследовательская функция морских платформ забывалась. В настоящее время доступ к волновым записям на морских платформах затруднен; соответствующая информация является собственностью компаний.
Именно благодаря наблюдениям с нефтяной платформы удалось получить первые точные измерения волны-убийцы — знаменитой волны «Дропнер», или «Новогодней волны» [7,8]. Измерения волнения производились на нефтедобывающей платформе «Дропнер» компании Statoil в Северном море с помощью стандартного лазерного волномера, измерявшего колебания уровня моря с частотой 2,33 Гц; 20-минутный фрагмент записи показан на рис. 3. Волномер был установлен на необитаемой вспомогательной вышке, соединенной мостом с обитаемой частью платформы (рис. 3, врезка).
В условиях сильного шторма в течение нескольких часов после полудня 1 января 1995 г. наблюдались волны со значимой высотой 11-12 м. В соответствии с известными статистическим теориями, при таком волнении можно было бы ожидать, что максимальный перепад между гребнем и впадиной волны составит примерно 20 м (около двух значимых высот волны). Однако внезапно на платформу обрушилась значительно более мощная волна, возвышение которой над средним уровнем моря составило 18,6 м, а размах (перепад впадина-гребень) превысил 25 м.
Весьма показательно, что персонал платформы во время шторма строго следовал всем правилам безопасности. На платформе была временно прекращена добыча нефти, прекращены палубные работы. Около полудня на необитаемую вышку, где было установлено измерительное оборудование, была организована вылазка для того, чтобы решить вопрос о необходимости дополнительной защиты или демонтажа этого оборудования на время шторма. В совещании участвовал эксперт Statoil С.Хавер, который провел оценку вероятности повреждения оборудования для условий шторма с учетом действующих норм строительства и эксплуатации морских платформ [9]. На основании этой оценки и было принято решение оставить оборудование на платформе. Через 3 часа оборудование было смыто другой волной-убийцей. Сама вышка не пострадала, поскольку была рассчитана на максимально возможные высоты волн (19,5 м) и существенно более суровые погодные условия. Оказалось, что никто из экспертов не ожидал появления такой большой волны при наблюдавшейся значимой высоте волн менее 12 м.
Пример «Новогодней волны» иллюстрирует ненадежность действующих методик оценки безопасности в отношении волн-убийц. Полученная запись (рис. 3) показывает некоторые характерные черты этого природного явления. Наблюдавшаяся волна была вертикально ассиметричной: высота гребня 18,6 м существенно превышала глубину впадины (чуть более 7 м). Эта волна была несколько короче (длина волны около 220 м) и существенно круче, чем среднее волнение. К сожалению, волномер не позволял определить направление волны, но по сообщениям очевидцев, это направление существенно отличалось от направления ветра. Те же визуальные наблюдения и математическое моделирование события показали, что эта волна была короткоживущей, т.е. ее амплитуда была существенно выше фонового волнения на расстоянии менее 1 км, т.е. на масштабах 3-4 длин волн [10]. Иными словами, такая волна была особенно опасной для судов, поскольку времени на уклонение от встречи с нею практически не было.
Физические механизмы появления волн-убийц
Как отмечалось выше, значительные усилия прилагаются для того, чтобы усовершенствовать вероятностные модели появления волн-убийц и, таким образом, улучшить качество прогнозов их появления. Основной рабочей гипотезой при этом является гипотеза о существенно большей вероятности появления волн-убийц, чем это предсказывается существующими статистическими моделями. Возникает естественный вопрос о возможных причинах этой повышенной вероятности, а следовательно, о физических процессах, скрывающихся за грозным природным явлением. Связь с определенными физическими процессами позволяет объяснить некоторые характерные черты волн-убийц: их большую крутизну, неожиданность появления и т.п.
Важное обстоятельство, которое позволяет выделить феномен волн-убийц в отдельную научную и практическую тему и, соответственно, отделить от других явлений, связанных с волнами аномально большой амплитуды (например, цунами), — появление волн-убийц из «ниоткуда». В отличие от цунами, возникающих в результате подводных землетрясений и оползней, появление волн-убийц не связано с катастрофическими геофизическими событиями. Эти волны могут появляться при малых ветрах и относительно слабом волнении, что приводит к идее о том, что само явление волн-убийц связано с особенностями динамики самих морских волн и их трансформации при распространении в океане. Следовательно, вопрос о вероятности появления этих волн может быть сформулирован как вопрос о физических механизмах, повышающих эту вероятность. Закономерно возникает и следующий вопрос — на какие физические процессы образования волн-убийц следует прежде всего обратить внимание?
Простейший физический механизм формирования волн-убийц может быть исследован довольно просто в рамках линейной теории поверхностных волн. Линейность задачи, в частности, означает, что результатом совпадения двух независимых возмущений будет сумма этих возмущений (принцип линейной суперпозиции). Поверхностные волны (волны на воде) являются диспергирующими волнами, т.е. скорости их распространения зависят от их периода (длины волны). В глубоком океане (длина волны много меньше его глубины) фазовая скорость С волны длиной l дается выражением:
С = (gλ/(2))1/2 .
Поэтому гребни волн с различными периодами (длинами), распространяясь с разными скоростями, могут совпасть в определенный момент в некоторой точке пространства и дать, в принципе, сколь угодно большой всплеск (рис. 4). Вероятность такого события ничтожно мала и очень сильно зависит от некоторого начального распределения амплитуд (энергий) отдельных волновых компонент. Именно с помощью задания граничных условий определенного вида такая волна-убийца может быть легко получена в лабораторных условиях — частота волнопродуктора уменьшается по специальному закону таким образом, чтобы быстрые низкочастотные волны догнали высокочастотные относительно медленные волны в нужной точке — точке фокусировки [12]. Максимальная высота волны в точке фокусировки в рамках линейной теории ничем не ограничена, ограничения связаны с нелинейными процессами, в частности с обрушением достаточно крутых волн.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--