Лаб 4

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА

Кафедра «Аэрогидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов»

Курс «Океанотехника»

Отчёт по лабораторной работе №4

Статические характеристики якорных связей плавучих полупогружных буровых установок и морских сооружений

Выполнил:
Группа:
Проверил:	Савинов В. Н.

Нижний Новгород

2022 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.

Статический расчет двусторонней якорной связи

При расположении цепей с двух бортов рассматриваются 2 положения сооружения: при отсутствии (начальное) и при действии (конечное) внешних нагрузок. На рис. 4 показано морское сооружение с двусторонней ЯС. В на­чальном положении (сплошная линия) обе ЯС симметричны, для них одинако­вы: усилия натяжения F₀, распор F_x0, горизонтальная проекция расстояния от клюза до точки касания цепью дна x_к0, длина провисающих участков цепи S₀ и f₀ - расстояния от точки касания N₀ до якоря.

Рис. 4. Двусторонняя якорная связь

В конечном положении (пунктирная линия) под действием внешней на­грузки f_x произошло смещение сооружения на величину х, причем левая цепь вытянулась, а провисающая часть правой цепи - укоротилась.

Нахождение суммарной жесткостной характеристики (СЖХ) двусторон­ней ЯС в аналитическом виде не обладает наглядностью, поэтому рассмотрим графический метод ее определения на основе уже известной ЖХ односторон­ней ЯС.

Рис. 5. ЖХ двухсторонней ЯС

Описание лабораторной установки

Установка состоит из двух цепей, каждая из которых имеет следующие параметры: длина L = 6.3 м; погонный вес q = 3.4 Н/м (здесь Н - ньютон силы). В качестве измерительных приборов используются динамометры, линейки и от­вес.

Построение ЖХ одиночной якорной связи (Рисунок 6)

Верхний конец ЯС удерживается на высоте H = 1.26 м, что соответствует соотношению L/H = 5. При этом параметр qH = 43 Н.

Таблица 2. Измерение жёсткостной характеристики одиночной якорной связи.

№ замера	x, м	Fx, Н	Fz, Н	Н	F – Fx, Н
1	0	0	7,0	7,0	7
2	0,1	2,0	8,0	8,24	6,24
3	0,2	2,0	9,0	9,21	7,21
4	0,3	4,0	10,0	10,77	6,77
5	0,4	6,0	11,0	11,66	5,66
6	0,5	15,0	15,0	19,2	4,2
7	0,6	34,0	20,0	39,44	5,44

Рис. 6 – Эксперементальная ЖК одиночной ЯС

Построение ЖХ двусторонней якорной связи

Схема проведения экспе­римента для получения ЖХ двусторонней ЯС показана на рис.8. Опыт выполняется ана­логично п.4. В качестве на­чального принимается положе­ние, соответствующее симмет­ричности правой и левой цепей. Вертикальное усилие F_z не регистрируется. С целью анализа влияния глубины моря на дер­жащую способность ЯС опыт проводится дважды:, для H₁ = H = 1.26 м и для H₂ = H/2 = 0.63 м. Результаты измерений зано­сятся в табл. 3 и строятся на графике рис. 8 (нижняя часть графика строится антисимметрично его верхней половине ввиду симметричности цепной связи).

Рис.7 Испытание двусторонней якорной связи.

Таблица 3. Измерение жёсткостной характеристики двусторонней якорной связи.

№ замера	H1 = H = 1.26 м			H2 = H/2 = 0.63 м
	x, м	Fx, Н	x, м		Fx, Н
0	0	0	0		0
1	0,05	8	0,05		2
2	0,1	15	0,1		3
3	0,15	22	0,15		5
4	0,2	33	0,2		7
5	-	-	0,25		10
6	-	-	0,3		21
Сл1 = 283				Сл2 = 116

С_л вычисляется по формуле:

, где J₁ = 1,76; J₂ = 5,79

Рис. 8 - ЖХ двухсторонних ЯС для глубин моря Н1, Н2 и их линеаризация

Вывод: С увеличением Δx_к равнодействующая сил становится ближе по значению к горизонтальной составляющей F_x (при односторонней ЯС). Для двусторонней ЯС, при уменьшении глубины моря, F_x - увеличивается.