Нижегородский Государственный Технический Университет

Кафедра теории корабля

Доц. Грамузов Е. М.

Отчёт по лабораторной работе:

Статические характеристики якорных связей плавучих полупогружных буровых установок и морских сооружений

Выполнил:

Захаров А. К.

Проверил:

Савинов В. Н.

Нижний Новгород

2009 год

Цель работы

Ознакомление с физической природой и теоретическими осно­вами статического расчета якорных связей различных типов, с методами теоре­тического и экспериментального определения их основных параметров, а так­же ознакомление с методикой постановки эксперимента по определению их жесткостных характеристик.

Краткие сведения из теории

Якорные системы (ЯС) плавучих полупогружных буровых установок (ППБУ) должны ограничивать горизонтальные перемещения ППБУ в пределах, допустимых с точки зрения условий обеспечения работы бурового оборудова­ния. Ограничения, накладываемые на горизонтальные перемещения ППБУ, за­висят от эксплуатационного режима:

1) режим бурения - до 0.04·H (обычно это соответствует высоте волнения до 6 м и скорости ветра до 18 м/с);

2) режим штормового отстоя - до 0.08·H (волнение до 12 м и ветер до 30 м/с; в этом режиме бурение просто приостанавливается);

3) режим ежегодного шторма-до 0.12·H (волнение до 16 м и ветер до 46 м/с; в этом режиме комплекс подводного устьевого оборудования (КПУО) или так называемый "морской стояк" отсоединятся от устья подводной скважины);

4) режим столетнего (жестокого) шторма, который еще называется режи­мом выживания, когда прогнозируемое волнение и ветер могут превосходить указанные выше величины; КПУО в этих условиях может быть даже заранее поднят и разобран на палубе, допускается сброс ЯС с подветренной стороны с целью облегчения установки.

Важнейшим параметром, позволяющим приспособить работу ЯС к изме­няющимся режимам эксплуатации ППБУ, является их начальное натяжение. Кроме того, цепные связи (ЦС) сопротивляются перемещениям ППБУ благода­ря своему весу.

Статический расчет одиночной якорной связи

Важнейшим параметром расчета любой ЯС является ее жесткостная ха­рактеристика (ЖХ) - зависимость между горизонтальным смещением клюзовой точки и горизонтальным держащим усилием (распором). Для получения этой характеристики рассмотрим равновесие депи как тяжелой нерастяжимой нити в поле сил тяжести. На рис.1,а представлена схема симметричной свободно про­висающей цепной связи общего вида, которая в дальнейшем будет трансфор­мирована в ЯС корабельного типа.

Рис. 1. Схема симметричной якорной связи:

а - равновесие элемента цепи; б - усилия в клюзах

На схеме обозначено: а - некоторый вспомогательный размер, геометри­ческий смысл которого будет рассмотрен ниже; Н - возвышение клюза над крайней нижней точкой цепи (эта точка имеет горизонтальную касательную);

х_к- абсцисса клюза; 2S - длина удвоенной цепной связи.

Рассмотрим условие равновесия элемента цепи длиной dS в пиле сил тя­жести. С обоих его сторон будут действовать усилия натяжения F и F₁, а вер­тикально - сила тяжести qdS (здесь q - погонный вес цепи в воде).

В векторной форме уравнение равновесия запишется в виде F + F₁ + qdS = 0.

Обозначим F₁ - F = dF = dF, где  - единичный вектор (орт), касатель­ный к цепной линии с проекциями на оси координат,

Здесь dS одновременно рассматривается и как дуговая координата:

Тогда векторное уравнение равновесия элемента цепи в проекциях на оси координат можно записать в виде

(1)

Длину элемента цепи выразим через проекции

, где (2)

Первое из уравнений (1) дает F(dx/dS) = const, следовательно, F = F₀(dS/dx), т.е. проекция натяжения на горизонтальную ось F₀ постоянна. Усилие F₀ в дальнейшем будем называть распором цепи. Именно оно и определяет ее дер­жащую способность.

Подставляя это условие во второе уравнение (1), получим

или, заменив dS через (2), , откуда:

Интегрируя, находим:

Выполнив дальнейшие расчёты, в итоге получаем следующие результирующие зависимости для усилий и размеров цепной связи:

распор F₀ = F_x = aq;

вертикальная составляющая F_z = qS;

полное натяжение

возвышение клюза у = а + Н;

абсцисса клюза

длина цепи

Применим полученные зависимости .для конкретной ЯС ППБУ типа "Шельф". Для нее характерны следующие параметры: общая длина L = 1075 м, глубина моря H = 200 м, длина свободно провисающего участка S = 600м (S = 3H), калибр цепи 76 мм, что соответствует погонному весу цепи в воде q = 0.95 кН/м. На рис. 2 пропорционально изображена такая ЯС, на нем также обозначено Я -якорь, N - точка касания цепи и грунта, клюз, f=(L-S) - длина участка цепи на грунте.

Рис. 2. Односторонняя якорная связь морского сооружения

Рис. 3. Жесткостная характеристика одиночной якорной связи

Из рассмотрения рис.3 можно сделать следующие выводы:

- ЖХ одиночной якорной связи обладает существенной нелинейностью:

сначала смещение клюзовой точки не вызывает какого-либо сопротивления со стороны цепи, зато потом распор в ней (а следовательно, и усилие, удержи­вающее заякоренный объект от сноса, т.е. держащая способность цепи) резко возрастает;

- натяжение ЯС ППБУ "Шельф" в основном эксплуатационном режиме значительно меньше предельно допустимого F^m ;

- наличие существен­ных запасов вызвано опасностью возможного резкого возрастания натяжения в ЯС при дополнительных перемещениях корпуса ППБУ при качке;

- усилия в ЯС возрастают с увеличением глубины моря. Поэтому диапа­зон глубин эксплуатации таких ППБУ ограничен пределами от 120 до 200 м.