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

опрокидывания внешними силами (ветром и волнением), эти раз­ меры обычно обеспечивают остойчивость ПБУ и в плавучем со­ стоянии в соответствии с указанными «Нормами» для крановых судов. Только для ПБУ, предназначенных для бурения в глубоко­ водных районах моря (60 м и выше) остойчивость не всегда удается обеспечить и требуется увеличение ширины корпуса пон­ тона. Однако, чаще идут не по пути увеличения размеров корпу­ са, а по пути уменьшения высоты колонны. Это достигается сня­ тием нескольких верхних секций на время транспортировки ПБУ морем. Эти секции переводятся либо специальным судном, либо укладываются на палубе ПБУ.

Нужно добавить, что для перегона ПБУ на другую точку сле­ дует произвести дополнительно ряд мероприятий, увеличивающих безопасность сооружения: частичный демонтаж или опускание ко­ лонн, а также раскрепление их оттяжками из-за значительных воз­ никающих в них инерционных усилий при качке, освобождение ПБУ от запасов и ряд других мероприятий.

В отношении остойчивости на больших углах крена правила постройки и классификации морских передвижных буровых уста­ новок Американского бюро судоходства указывают следующие. Плавучие установки с неограниченным районом эксплуатации рас­ считываются на действие ветра со скоростью 51,6 м/с, с ограни­ ченным районом — на действие ветра 25,8 м/с. В отношении диа­ граммы остойчивости указано, что для самоподъемных ПБУ ми­ нимальный предел диаграммы статической остойчивости должен быть не менее 36°. Площадь под кривой восстанавливающего момента до точки пересечения со вторым отрезком или углом за­ ливания (выбирается наименьший) должна превышать не менее чем на 40% площадь под кривой ветрового кренящего момента до ее пересечения с тем же предельным углом.

Для буровых установок, стабилизируемых с помощью колонн, площадь под кривой восстанавливающего момента при угле кре­ на, соответствующем погружению в воду края палубы, должна не менее чем на 30% превышать площадь под кривой ветрового кре­ нящего момента до пересечения ее с этим предельным углом.

Аварийная остойчивость считается удовлетворительной, если при затоплении одного отсека и скорости ветра 25,8 м/с не про­

ляемости ПБУ до сих пор не сформулированы. Корпус ПБУ по соображениям размещения различного оборудования и запасов, как правило, имеет многочисленные непроницаемые отсеки и вто­ рое дно. Это позволяет без установки специальных переборок обе­ спечить непотопляемость ПБУ по крайней мере при затоплении любого одного отсека, чаще при затоплении двух и более отсеков. Поэтому требования, предъявляемые к морским транспортным судам, также выполняются и ПБУ,

54

БУ К С И РО В К А П БУ М О РЕМ

Плавучие буровые установки чаще являются несамоходными и для их буксировки используют специальные буксирные суда. Для безопасной буксировки в море с определенной скоростью необхо­ димо указать мощность и число буксирных судов, для чего рас­ считывается буксировочное сопротивление ПБУ. Такие требования предъявляются к любому морскому судну, различие состоит лишь в количественных показателях величин сопротивления судов и

ПБУ.

При движении в море ПБУ испытывает сопротивление со сто­ роны находящейся в покое жидкости, так называемое буксировоч­ ное сопротивление и воздушное сопротивление, возрастающее с увеличением встречного ветра, а при возникновении морского вол­ нения—дополнительное сопротивление, вызванное взаимодейст­

вием волн с ПБУ.

Рассмотрим последовательно все три составляющие общего сопротивления хода ПБУ.

Буксировочное сопротивление на тихой воде можно определить двумя путями: путем теоретического расчета и экспериментальным путем — буксировкой модели ПБУ в опытовом бассейне. Укажем на некоторые соображения по теоретическому расчету буксиро­ вочного сопротивления на тихой воде.

Сопротивление любого судна слагается из трех составляющих: сопротивления трения Дтр, волнового сопротивления RB и сопро­ тивления формы Яф.

Экспериментальные исследования буксировочного сопротивле­ ния ряда плавучих буровых установок показали, что на долю со­ противления формы приходится около 80% от общего сопротив­ ления воды, 20% приходится на волновое сопротивление и незна­ чительную величину составляет сопротивление трения, которое в расчетах можно не учитывать.

Аналогичные выводы получены 3. В. Богдановой и Г. К. Авде­ евым, проводившие серию испытаний речных несамоходных судов с плохо обтекаемой формой корпуса. Сопротивление формы подоб­ ных судов, буксируемых со скоростью, при которой волнообразо­ вание мало (число Фруда Fr^0,10), преобладает над другими ви­ дами сопротивлений и определяется в основном вязкостью жид­ кости.

Здесь £ф, £в —■безразмерные коэффициенты обтекания; F№— пло­ щадь погруженной части поперечного сечения судна (миделя); й — площадь смоченной поверхности; v — скорость судна; п — сте-

55

пень, указывающая на соотношение между скоростью и сопро­ тивлением.

Используя приведенную выше формулу для расчета сопротив­ ления и экспериментальные данные, получим эмпирическую зави­ симость между сопротивлением и скоростью буксировки.

Здесь ф— коэффициент обтекания, п и k — коэффициенты.

Для ПБУ в виде прямоугольного понтона эти коэффициенты можно принять ф= 30, п = 1,7 и &= 0,15, для ПБУ треугольной фор­ мы ф=21.

Эта формула в основном применима при малых скоростях в пределах 0—6 узлов.

Нужно отметить некоторые особенности буксировки ПБУ. При буксировке углом сопротивление снижается на 36—45% по срав­ нению с обычно практикуемой буксировкой носом. Подрез носо­ вой части почти не влияет на сопротивление воды.

Сопротивление ветра определяется по общепринятому в прак­ тике судостроения методу по 12-балльной шкале Бофорта, а дав­

где су — коэффициент обтекания надводных конструкций. Давление ветра на высоте свыше 6 м находится по специаль­

ным графикам [5] или по известной формуле Лайтмана:

моря; z — возвышение центра парусности площади над морем, м. Расчет удобно вести в табличной форме по приведенной ран­ нее зависимости (формула 17), разбив парусность ПБУ на от­

дельные родственные по строению участки.

При определении величины воздушного сопротивления следует иметь в виду, что, помимо абсолютной скорости ветра, принимае­ мой по шкале Бофорта как на неподвижную преграду, следует учитывать и скорость движения ПБУ при буксировке. Скорость ветра ив и движения v при этом складываются геометрически.

Вобщем случае, когда направление движения ПБУ по отношению

кнаправлению ветра составляет угол а, суммарная скорость воз­

душного потока равна

56

Результаты обдувки моделей ПБУ и БС в аэродинамической трубе показывают, что коэффициент су для надводных строений составляет 1,3. Для буровой вышки и опорных колонн в виде ферменных конструкций с учетом коэффициента заполнения и об­ текания су = 4. Буксировочное сопротивление в условиях волнения значительно возрастает, особенно при длинах волн, близких к длине сооружения, т. е., по-видимому, в условиях резонанса киле­ вой и вертикальной качки ПБУ. Экспериментальные исследова­ ния в бассейне показали, что сопротивление на волнении может возрасти в 2—3 раза по сравнению с сопротивлением на спокой­ ной воде. В действительных условиях в море волнение обычно не­ регулярное, поэтому намного уменьшается его влияние на буксиро­ вочное сопротивление.

Наибольшую трудность представляет определение дополни­ тельного сопротивления, вызванного поступательным движением волн при ходе ПБУ на волнении. Эта величина, вследствие коле­ бательного характера волнового движения, является величиной пе­ ременной, изменяющейся в соответствии с частотой волны. Однако величина давления волн имеет и составляющую, которая не зави­ сит от времени, так называемую постоянную составляющую вол­ нового давления. При расчете сопротивления ПБУ принимается во внимание лишь эта составляющая.

В результате экспериментов над моделями, корпус которых прямоугольной формы, получена следующая зависимость для определения дополнительного сопротивления на нерегулярном вол­ нении при 3%-ной обеспеченности:

ментов для корпуса прямоугольной формы сУф = 0,28; р—плотность воды (р = 103,5 г/см3); FM— площадь погруженной части попереч­ ного сечения ПБУ, м2; h — высота волны при 3%-ной обеспеченно­ сти, м; тк — кажущийся период волны, с; RB— волновое сопротив­ ление, кгс.

Кажущийся период волны может быть определен с учетом ско­ рости хода ПБУ v и угла ср встречи корпуса с набегающей вол­

57

Буксировочное сопротивление ПБУ вследствие плохой обте­ каемости корпуса и большой парусности обычно весьма велико. Это делает необходимым для транспортировки ПБУ применять мощные буксирные суда. Поэтому при назначении необходимых средств для буксировки следует исходить из минимально возмож­

ных скоростей хода ПБУ. Эко­ номическая сторона вопроса в данном случае не играет су­ щественной роли, так как ПБУ совершает переходы весьма редко. Считается, что наи­ большая скорость хода ПБУ в пределах 4—6 узлов вполне достаточна.

При переходах на малые расстояния, когда гарантиро­ ван прогноз погоды, для транс­ портировки ПБУ допустимо применение буксирных судов меньшей мощности, при боль­ ших же переходах (свыше су­ ток) необходимо обеспечить ПБУ буксирами достаточно большой мощности. Ориенти­ ровочно можно назвать такие цифры, принимаемые в прак­ тике эксплуатации.

При коротких переходах с гарантированным прогнозом погоды можно ограничиться мощностью буксира, способно­ го передвигать ПБУ с мини­ мальной скоростью (1—2 узла) при погоде 5—6 баллов. Для длинных переходов, например, перегон через море, следует использовать буксир, способ­ ный без применения якорных

устройств удержать ПБУ против сноса (при нулевой скорости

хода) при 9—10 баллах.

Мероприятия, которые проводят перед буксировкой ПБУ, обыч­ но снижают сопротивление установки. К этим мероприятиям от­ носятся: уменьшение парусности за счет снятия секций опорных колонн и снижение осадки путем уменьшения запасов.

В качестве примера на рис. 20 приведены результаты расчета

угольным понтоном, имеющего следующие исходные данные:

58

Г Л A B A V

РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ПБУ

РАСЧЕТ ОБЩЕЙ И МЕСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ПБУ НА ПЛАВУ

Расчет общей продольной прочности ПБУ на волнении в прин­ ципе не отличается от аналогичного расчета для любого морско­ го судна. Способ такого расчета описан в специальной литерату­ ре (44) и основан на статической постановке судна на стандарт­ ную волну. В техническом отношении расчет состоит из построе­ ния ступенчатой эпюры нагрузки вдоль ПБУ путем разбивки ве­ совой нагрузки на 10 или 20 отсеков и вычисления в табличной фор­ ме сил поддержания при нахождении ПБУ на взволнованной по­ верхности. Разница между эпюрами сил поддержания и сил веса дает нагрузку на корпус ПБУ, как на балку на упругом осно­ вании. Интегрирование нагрузки позволяет получить величины из­ гибающих моментов и перерезывающих сил.

Расчет ПБУ производится по нормам прочности морских су­ дов [34], где расчетная высота волны h0 определяется через длину судна L по зависимости

Указанные нормы требуют также для морских судов произво­ дить расчет и проверку на действие динамических изгибающих моментов при ходе или буксировке судна, которые учитывают удар волн о носовую часть судна, так называемое явление «слеминга». В связи с тем, что указанные «Нормы» разрабатывались лишь для судов с обычными судовыми образованиями, приме­ нение их для ПБУ оказывается весьма затруднительным. Значе­ ния применяемых в «Нормах» коэффициентов выходят за преде­ лы различных служебных графиков и не позволяют произвести расчет. Помимо этого, существует ряд соображений, не позволяю­ щих применение этих норм для ПБУ, а именно: большое отличие

60

главных размеров, формы и распределения массы сооружений по длине и высоте от принятых в нормах. Полученные по нормам изгибающие моменты не будут соответствовать действительным.

Регистр СССР, контролирующий проектирование и постройку ПБУ, разрешил не производить для ПБУ расчет на «слеминг» и ограничиться лишь статическим расчетом. Это решение Регистра служит лишь для временного облегчения проектирования ПБУ,

,<ь,кгс1смг

но не может решить вопрос о роли «слеминга» в прочности со­ оружения. Специальные испытания, произведенные в опытном бас­ сейне с моделью ПБУ, показали на сравнительно небольшие на­ пряжения, возникающие в корпусе ПБУ при его буксировке. Во всех случаях напряжения в корпусе не превосходили 300 кгс/см2.

На рис. 21 показан один из графиков зависимости напряжения в корпусе от скорости буксировки ПБл ^ ^ для различных

значений крутизны волны h/k при длине волны Я = 75 м. Расшифровка осциллограмм показала, что дополнительные

напряжения от удара волн о носовую часть не превышают 25— 30% от величины основных нагрузок.

Однако из-за неполадок в постановке опытов не удалось прий­ ти к окончательным выводам.

Момент инерции и сопротивление корпуса эквивалентного бру­ са определяются так же, как и обычного судна. Корпус ПБУ имеет

61

продольную систему набора палубы и днища, что исключает практически необходимость редуцирования их и отыскание на­ пряжений в жестких связях во втором приближении.

При расчетах прочности отдельных элементов конструкции особое внимание уделяют определению напряжений в опорных колоннах во время транспорта-

ровки ПБУ на плаву.

При нахождении ПБУ во время шторма на плаву на опорные колонны действуют следующие внешние силы: соб­ ственный вес колонны; силы инерции, вызванные колеба­ нием ПБУ на волнении, давле­ ние ветра на поверхность ко­ лонны во время шторма.

Самыми сложными по ха­ рактеру силами являются си­ лы инерции. Эти усилия вызы­ ваются, как известно из теории корабля, в основном двумя ви­ дами колебания судна: бор­ товой качкой судна и орби­ тальным движением корабля.

Примем два основных допу­ щения при вычислении нагру­ зок: судно во время бортовой качки находится в гармониче­ ском движении, при вычисле­ нии сил инерции стержень счи­

поперечное сечение ПБУ; опорная колонна расположена с одного борта установки и защемлена в корпусе ПБУ в точке «b». Враще­ ние колонны при бортовой качке происходит вокруг общего центра тяжести установки О.

Согласно законам механики на вращающуюся вокруг центра

62