книги из ГПНТБ / Капустин, К. Я. Плавучие буровые установки и буровые суда

нем крайнем положении III. Естественно, для реакций якорных канатов выполняется следующее неравенство:

Н\" > Н[' > Н\ и Н¥‘ > H'J > Н'2

Следовательно, при z> 0 сопротивление бортовой качке как бы возрастает за счет увеличения всех реакций. Жесткостную харак­

теристику при этом примем

Qm (0) — а03.

Получаем несимметричные колебания с относительным смеще­ нием центра колебаний б.

При практических расчетах а может быть больше b на 20— 30%, в этом случае смещение центра колебания составит 5—7% от величины амплитуды. И если даже а>Ь на 50%, то величина сме­ щения будет не более 11%.

Таким образом, наложение одного вида колебаний на другое может вызвать некоторое смещение центра колебаний и появле­ ние несимметричных отклонений. Однако в практических расчетах в связи с небольшими значениями асимметрии эти отклонения можно не учитывать.

О КОЭФФИЦИЕНТАХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ

В предыдущих параграфах был приведен математический ап­ парат, с помощью которого можно решить дифференциальное уравнение колебаний и определить амплитуду вынужденных коле­ баний. Однако практический успех при расчетах может быть до­ стигнут только в том случае, если известны коэффициенты при чле­ нах дифференциального уравнения. Точность решения будет в большой степени зависеть от того, насколько правильно в соот­ ветствии с реальными условиями работы БС в море будут выбраны эти коэффициенты, особенно амплитуда внешней силы.

Расчетные величины внешних сил

При любых расчетах возмущающих сил, действующих на БС, сразу же появляется вопрос о величине расчетных характеристик внешних сил, т. е. возникает вопрос о высоте расчетной волны, ско­ рости ветра и течения, при которых возможна безопасная эксплуа­ тация БС. Исследование этого вопроса [20] основывается на спе­ циальном способе обработки метеорологических данных и графи­ ков скорости проходки скважины и дает возможность получить ха­ рактеристики расчетных внешних сил для любого морского бас­ сейна, исходя из допустимого времени простоя. Установлено, что для безопасного проведения буровых работ в зоне гидротехниче­ ского строительства на Каспийском море следует принимать ори­ ентировочно для БС глубокого бурения следующие расчетные ха­ рактеристики: скорость ветра (до 8 баллов) н=15,2 м / с , волнение моря (до 6 баллов) /гз% = 3,5 м и скорость течения цтеч = 0,35 м/с.

Буровое судно должно выполнять буровые работы при указан­ ных параметрах внешних сил и иметь перемещения не более до­ пустимых, исходя из расчета прочности бурильной колонны.

Если по условиям технологии бурения БС должно находиться все вре$1я над скважиной, то в расчет должны приниматься более

149

Следовательно, гидрометеорологические условия для бурения являются расчетными характеристиками, по которым опреде­ ляют смещения БС и все виды качки, а более жесткие метеороло­ гические характеристики необходимы для нахождения наиболь­ ших усилий, возникающих в конструктивных элементах судна, а также для определения горизонтального перемещения БС в слу­ чае, если водоотделяющая колонна во время шторма доходит до

корпуса БС.

Следует иметь в виду, что для более точного определения со­ стояния погоды в данном районе и ее действие на сооружение не­ обходимо вести непрерывное круглосуточное наблюдение с помо­ щью автоматических приборов за амплитудой всех видов колеба­ ний собственно БС и величиной внешних сил. Это дает возмож­ ность уточнять прогноз погоды с максимальным опережением и сводить вынужденные простои к минимуму.

Постоянная горизонтальная составляющая волнового давления

В соответствии с результатами опытов эта составляющая мо­ жет быть представлена в виде формулы

частота и высота волны.

Для некоторых типов БС в результате опытов получен коэф­

деления волнового давления на БС сквозной конструкции можно использовать нормы СН 92-60.

Переменная составляющая волнового давления

Эта составляющая может быть определена различными пу­ тями.

Практика строительства нефтепромысловых сооружений в море

150

накопила обширный материал по воздействию волнения на гидро­ технические сооружения. В результате теоретических разработок и опытных данных были составлены нормы на определение волно­ вых нагрузок СН 92-60.

Для БС сквозной конструкции расчет постоянной и перемен­ ной частей волнового давления можно выполнить по указанным нормам. При установившемся движении жидкости (течении), ког-

Рис. 65. Схема сил, действующих на поперечное сечение БС № 1 при волнении.

да скорость ее частиц считается постоянной в любой ее части, конструкцию БС разбивают на простейшие элементы и находят давление на каждый такой элемент. Все давления суммируют. В случае взволнованной поверхности, когда давления по глубине водоема и по длине вдоль волн распределены неравномерно, не­ обходимо выполнить расчет на волновую нагрузку. При этом обя­ зательно расчет вести при различных положениях гребня волны к сооружению, например, с интервалом А/10. Разница между наи­ меньшим и наибольшим значениями волновой нагрузки на БС равна амплитуде переменной части волнового давления, а наи­ меньшее значение давления при этом — постоянной части давле­ ния волн.

На рис. 65 показана переменная составляющая волнового дав­ ления для БС № 1 при высоте волны hB= 5 м. При сравнении ре­ зультатов расчетов с опытными данными разница составляет не более 7% (момент всех сил в условиях опыта 7400 тем, по расче­ ту — 6912 тем, в обоих случаях учтена и ветровая нагрузка).

151

В связи с малыми амплитудами колебаний по сравнению с высотой волны (для системы инженера С. П. Мессароша) БС сквозной конструкции можно уподобить по волновому действию неподвижной преграде. Подтверждением этому является удовлет­ ворительное совпадение результатов экспериментов и расчетных данных.

Для расчета судов обычного типа можно воспользоваться спо­ собом, предложенным А. М. Басиным [2]. В табл. 13 приведены формулы и результаты расчета амплитуды внешней силы при вер­ тикальной качке для БС № 2.

= 1,65 м, т. е. расхождение результатов опыта и указанного рас­ чета составляет 11%.

Подсчитанные характеристики амплитуд внешних сил для раз­ личных видов колебания БС дают удовлетворительные результаты при сравнении с опытными данными, погрешность, обычно в боль­ шую сторону, не превышает 10—16%, в отдельных случаях— до

21% .

можно считать приемлемым.

В работе Н. И. Вяземской «Практический метод расчета плаву­ чего волнолома в виде прямоугольного понтона с избытком плаву­ чести» (Труды ЛИВТ, 1960, вып. 8) на основе экспериментальных данных получены поправки к теоретическим формулам А. М. Баси­ на, позволяющие приближенно учесть влияние осадки понтона, ко­ нечное значение амплитуд волн и эффект отражения волн перед бортом понтона по всей его высоте. Эти поправки рекомендуется вводить особенно при расчете амплитуд бортовой качки. При расчете же амплитуд вертикальных колебаний указанные поправ­ ки можно не учитывать. Так, подсчитанное в ранее приведенном примере Рв=1440 тс, а с учетом поправок Р в=1454 тс.

Горизонтальная составляющая давления течения

Эта составляющая была определена в соответствии с форму­ лой:

153

где v — скорость течения; S — площадь смоченной поверхности корпуса БС, когда течение направлено вдоль судна, и площадь погруженной части диаметральной плоскости, когда течение на­ правлено поперек судна; с\ — коэффициент.

По результатам опытов коэффициент щ для различных судов прототипов БС будет следующим: 0,7-1-0,8— судно ориентировано поперек течения и 2,5 -10~3 — судно ориентировано вдоль течения.

Горизонтальная составляющая давления ветра

Эта составляющая определяется расчетным путем, т. е. сум­ мированием давления на отдельные элементы конструкций БС с использованием для определения давления ветра шкалы Бофор­ та [5] и учетом возвышения конструкций над поверхностью воды (шкала Лайхмана), а также коэффициентов обтекания конструк­ ций [5]. Более точные результаты могут быть получены продув­ кой модели БС в аэродинамической трубе. Так, в результате про­

Коэффициент сопротивления воды

Как отмечается в теории корабля, во многих случаях сопро­ тивление воды оказывает влияние на амплитуду вынужденных ко­ лебаний в узком спектре частот; для некоторых типов плавсредств это влияние вообще мало [14, 27].

По результатам экспериментов для судов прямоугольных обра­ зований безразмерный коэффициент бортовой качки va можно оп­

ния качки можно определить для различного вида колебаний так­ же по данным, приведенным в монографиях по качке [4, 32].

Инерционный коэффициент

Момент инерции собственно БС может быть вычислен спосо­ бами, изложенными в монографиях по качке; инерция их может быть также уточнена опытным путем. Якорные канаты безусловно увеличивают момент инерции и массу БС, однако их влияние не­ велико. Действительно, вес самого БС исчисляется тысячами тонн, вес всех якорных канатов (обычных тросовых) составляет всего несколько тонн, т. е. составляет примерно одну тысячную часть.

Наиболее существенное влияние оказывает присоединенная

154

масса воды при соответствующем колебании БС, величину ее мож­ но определить по рекомендованным формулам [4, 5, 32].

Для некоторых типов БС в табл. 14 подсчитаны коэффициенты присоединенных масс с использованием результатов опытов.

Т а б л и ц а 14

В

П р и м е ч а н и е . Т—осадка судна, В—ширина судна.

Известная формула М. Д. Хаскинда [49] для присоединенной массы воды при вертикальной качке

может быть применена, как это практикуется кафедрой теории ко­ рабля ЛКИ [27], и для определения присоединенной массы воды при горизонтальной качке. В этом случае необходимо только за­ менить В2 в формуле (129) на (2Т)2, т. е. заменить рабочую пло­ щадь. Тогда эта формула для горизонтальной качки примет вид:

где £ i— коэффициент, учитывающий влияние трехмерности расте­ кания жидкости в продольном направлении, определяемый по фор­ муле Пабста [4]; ^ — коэффициент, зависящий от отношения Т/В и определяемый по графикам [4]; £з— коэффициент, учиты­ вающий влияние угла килеватости днища, который находится по графику [4].

155

О П Е Р Е С Ч Е Т Е

НА Н Е Р Е Г У Л Я Р Н О Е В О Л Н Е Н И Е

Метод решения дифференциального уравнения качки и испы­ тания в бассейнах для опытов может дать представление лишь о поведении БС на гармоническом волнении. Так как реальное мор­ ское волнение обычно носит нерегулярный характер, то необходимо пересчитать результаты, полученные на регулярном волнении, на натурные условия.

В настоящее время общепринят спектральный метод пересче­ та, в основу которого положено представление о морском волне­ нии, как о стационарном случайном процессе. Методика этого расче­ та разработана А. И. Вознесенским и Г. А. Фирсовым [10, 11]. В настоящей работе при практических расчетах перевод с регу­ лярного волнения на нерегулярное сделан по указанной методике, при этом за расчетную волну была принята волна 3%-ной обеспе­ ченности. Пересчет ведется согласно основной теоремы стационар­ ных случайных процессов акад. А. Я. Хинчина:

где для случая колебания судна: S|/£(cr)—спектральная плотность входного процесса волнения; 5 г-(о) — спектральная плотность вы­ ходного процесса— качки судна; [Ф (ю )]— модуль передаточной функции колебательной системы.

Практический способ расчета состоит в преобразовании кри­ вых /(о)коэффициента динамичности различного вида качки к виду модулей передаточных функций путем умножения ординат этой кривой на величину

волнения, составленным Н. К. Бородаем и Н. Н. Рахманиным и приведенным в отчете ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. Кривые спектральной плотности волновых ординат приведены также в ра­ боте [51].

После построения кривой 5, (а) находят дисперсию процесса, связанную зависимостью с его спектральной плотностью:

оо

D t = [ S, (a) da.

о

Дисперсия на практике находится путем измерения площадей между кривыми Sj(cr) и осью а. Значение амплитуды А определя­ ется формулой

156

Значение &=1,25 соответствует среднему значению амплитуды Случайного процесса (при распределении по закону Релея 46,5%-ной обеспеченности). Графики, приведенные на рис. 59, 62, 63, вычислены при этом значении к.

Следует отметить, что при некоторых расчетах, например при расчете буровой вышки на инерцию при качке и др., необходимо определить амплитуду процесса, вероятность превышения которой практически равна была бы нулю, так как даже разовое откло­ нение конструкции от средней амплитуды в большую сторону мо­ жет вызвать значительное напряжение в ее элементах и привести к аварии.

Этому условию соответствует к = 3,7. Для определения ампли­

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ

Для выяснения вопроса, связанного с перемещениями БС, был проделан ряд экспериментов в бассейнах различных организаций. Эти эксперименты позволили получить ценные материалы по коле­ баниям БС и действующим на них внешним силам. Эти данные дают возможность проконтролировать результаты, полученные рас­ четным путем, и получить большую уверенность при проектирова­ нии реальных буровых судов.

Эксперименты были проведены в Московском инженерно-строи­ тельном институте им. Куйбышева, ЦНИИ им. акад. Крылова, ОИИМФ и др. над судами, выбранными в качестве прототипов при проектировании БС, включая суда сквозной конструкции, пло­ скодонные понтоны и суда нормальных образований с различными видами закрепления: свободно брошенные на грунт якорные ка­ наты и канаты, закрепленные в точке на дне водоема (к мертвому якорю).

Эксперименты проводились на регулярном волнении при раз­ личной его интенсивности и в некоторых случаях с учетом статиче­ ского действия ветра.

Моделирование воздействия волнения на БС производилось по Фруду с сохранением подобия линейных размеров, углов, частот, периодов, центров тяжести и инерции масс модели и судна. Пере­ счет с модели на судно в натурных условиях производился обще­ принятым способом [6]. Перемещения моделей фиксировались с помощью различных принятых в данном бассейне апробирован­ ных способов натяжения якорных канатов с помощью тензометри­ ческих датчиков.

157