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

тяжести ПБУ колонну во время бортовой качки будут действо­ вать два вида ускорения: тангенциальное и центростремительное.

Тангенциальное ускорение любой точки колонны:

Сила инерции любого элементарного участка с массой dm, как известно, определяется зависимостью dP = dmW. Тангенциальное ускорение, а следовательно, и сила инерции направлены по каса­ тельной к окружности вращения, т. е. перпендикулярно радиусу вращения. Нормальное ускорение направлено к центру вращения вдоль радиуса. Если спроектировать силы инерции на оси коорди­ нат, то получим усилия для элементарной массы. Вдоль оси:

dPy = dmWxsin а — dmWпcos (93° — а) =

проинтегрировать любое число участков с различными весовыми показателями.

I—,z„

63

Пнтегоицование этого уравнения дает

Вертикальная составляющая сил инерции на ось направлена вдоль оси колонны и в зависимости от фазы колебания направ­ лена вверх или вниз. При направлении усилия вниз эта составляющая"как бы увеличивает вес

(29)

где Q — вес всей колонны.

При орбитальном движении ПБУ все точки обладают одина­ ковым с центром тяжести ПБУ центростремительным ускорением. Центр же тяжести, согласно принятым в теории корабля пред­ ставлениям, равномерно движется по кругу, равному эффектив­ ному радиусу орбиты волны гт. Величина гт может быть вычис­ лена по справочнику теории корабля [5] в зависимости от разме­ ров ПБУ; эта величина обычно меньше полувысоты расчетной волны h/2.

Для приближенных расчетов можно принять (с запасом в без­ опасную сторону), что rm = h/2.

Центростремительное ускорение любой точки колонны равно

Ускорение при орбитальном движении может быть направлено, при различных фазах движения в различную сторону. Направим его перпендикулярно колонне, так кац этот случай наиболее опа­ сен с точки зрения прочности колонны.

Элементарная сила, действующая на колонну:

64

Момент сил инерции от орбитального движения:

где Pi и Р% полный вес соответствующих участков колонны. Собственный вес колонны дает два вида нагрузки от борто­

вой качки при накреиении. Вычислим эти силы в месте защемле­ ния колонны, где они Наибольшие.

Вертикальная нагрузка:

h

Момент вокруг точки защемления колонны:

Силу ветра на колонну нетрудно определить, исходя из зави­ симости:

где До — удельное давление ветра на единицу площади колонны: согласно существующим нормам прочности эту величину можно брать равной 0,2 т/м2; 5 — площадь обдуваемой части колонны.

Момент от сил давления ветра вокруг защемления равен

По вышеприведенному способу можно вычислить изгибающий момент и вертикальное сжимающее колонну усилие в любом се­ чении колонны. Однако достаточно для расчета знать наиболь­ шие нагрузки, которые, естественно, находятся у точки защемле­ ния колонны. Поэтому приведем суммарные нагрузки у корпуса колонны, на которые надлежит рассчитывать колонну.

Вертикальное усилие, направленное по оси колонны:

По этим значениям М и Р необходимо и рассчитать сечение колонны у корпуса с моментом сопротивления WK и площадью се­ чения FKпо известной зависимости:

Американские правила в отношении расчета конструкции опор самоподъемных установок требуют, чтобы при коротком переходе5

(до 12 ч) колонны противостояли изгибающему моменту, создавае­ мому бортовой или килевой качкой с амплитудой в шесть граду­ сов на собственной частоте колебаний ПБУ, плюс 120% момента от динамической нагрузки, создаваемой углом наклона опор. При транспортировке во время перегона конструкция опор должна обеспечить сопротивление изгибающему моменту, равному 110% максимального изгибающего момента при фактической амплитуде качки, плюс 120% момента от динамической нагрузки, создавае­ мой углом наклона опор.

ЯКОРНОЕ, ШВАРТОВНОЕ И БУКСИРНОЕ УСТРОЙСТВА

Якорное устройство на ПБУ может понадобиться в двух слу­ чаях: для обеспечения безопасности сооружения на плаву во вре­ мя перехода с одной точки бурения на другую и для наводки ПБУ на точку бурения во время подъема корпуса.

В первом случае при переходе морем ПБУ рассматривается как обычная плавучая единица, и назначение якорного устройства не отличается,от назначения его на любом морском несамоходном судне. Это устройство удерживает сооружение в море в случае непогоды или в аварийном состоянии, например, при обрыве бук­ сирного троса.

Для наводки ПБУ во время установки на точку бурения и для вывода обустроенного устья скважины из прорези ПБУ после окончания бурения, чтобы не повредить это устье навалом на него корпуса сооружения, применяют специальное якорное устройство. Это устройство представляет собой несколько заякоренных буев, устанавливаемых вблизи точки бурения. Буи устанавливают зара­ нее до прихода ПБУ на точку. Сооружение с помощью папильонажных лебедок, находящихся на ПБУ, подтягивают в любом направлении и закрепляют на буях.

Как видим, назначение и конструкция этих якорных устройств различное. На ПБУ применяется как то, так и другое устройство или оба вместе. Большинство из построенных ПБУ имеет якорные устройства судового типа, однако вместо якорных цепей чаще при­ меняют тросы, что позволяет уменьшить габарит и вес этих устройств. Такое якорное устройство часто используют и для установки ПБУ на точке бурения, особенно в сравнительно защи­ щенных акваториях моря. За рубежом для установки ПБУ на точку бурения применяют в основном якорное устройство судо-' вого типа, а иногда используют заякоренные буи, устанавливае­ мые со вспомогательных судов.

Конструктивно якорное устройство судового типа устанавли­ вают или в носовой части ПБУ, или у бортов. В качестве рабоче­ го каната в зарубежной практике используют тросы на лебедках большой канатоемкости, на отечественных — цепи с приводом от якорных шпилей. При цепных канатах применяют всегда якори

66

Холла, при тросовых якорных канатах иногда и адмиралтейский якоря. Вообще в выборе элементов якорного устройства сущест­ вует большое разнообразие, объясняющееся в основном отсутст­ вием сложившихся традиций и требований классификационных обществ.

т г „ Г-ГГ-Л) 1800

На рис. 23 показано якорное устройство на ПЬУ - —— , состоя-

О -5- 10

щее из якоря 1 массой 1,5 т, шпиля типа ШЭР-35 2 и якорной цепи 3 калибра 37 длиной 250 м. Якорь входит в специальный

Рис. 23. Схема якорного устройства ПБУ «Апшерон».

клюз в корпусе ПБУ. Для стопорения цепи установлены винто­ вые стопоры 4. Якорное устройство расположено у носового тран­ ца ПБУ по одному с каждого борта.

На рис. 24 показано якорное устройство на одной американ­ ской ПБУ, состоящее из лебедки 1 с тросом 2 диаметром 38 мм и длиной 800 м, якорей 3 массой до 5 т, установленных в специаль­ ном клюзе 4 с каждого борта ПБУ.

На рис. 25 показана схема якорного устройства, применяемого на ПБУ «Хазар» при установке и снятии с точки бурения. Якорное устройство включает шесть буев 3, заякоренных с помощью пяти­ тонных якорей 1 Холла и цепи 2 калибра 52 мм, установленных в носовой и кормовой частях ПБУ и позволяющих перемещать с помощью лебедок 4 и тросов 5 ПБУ вдоль своей оси, отклоняя прорезь влево или вправо.

Судовое якорное устройство может быть выбрано с использова­ нием для этой цели «Норм» Регистра СССР. Однако ввиду специ­ фичности конструкции ПБУ выбор якорного устройства обосно­ вывается расчетом. Данные, полученные при определении букси-

5* 67

ровочного сопротивления, могут быть использованы, для расчета якорного устройства и в частности для определения необходимой удерживающей силы якорей. При нахождении ПБУ в транспорт­ ном положении при нулевой скорости хода, во время непогоды внешней нагрузкой на сооружение является буксировочное сопро-

Рис. 24. Схема бортового тросового якорного устройства.

тивление. Эта нагрузка будет состоять всего из двух составляю­ щих Ря к ~~~Рв о л + Р Ве т - Однако при вычислении волнового давления необходимо учесть реакцию якорного устройства на переменную составляющую волнового давления. Для этой цели можно восполь­ зоваться .зависимостью:

68

где £>кан — дисперсия натяжения каната от переменной составляю­ щей давления волн; т — вероятность превышения амплитудного значения переменной части натяжения.

Для ПБУ понтонного типа по результатам испытания диспер­

Удерживающую силу якорного устройства при обычной его конструкции, принятой для судов, можно вычислить по рекомен-

Рис. 25. Схема якорного устройства ПБУ «Хазар».

дациям, приведенным в различной литературе. Для стальных морских якорей тина Холла или адмиралтейских с цепью В. А. Поздюниным [40] указываются следующие рекомендации.

Удерживающая сила якорного устройства определяется по за­ висимости:

где Р — удерживающая сила якорного устройства; £ — коэффици­ ент удерживающей силы якоря; G — вес якоря; f — коэффициент трения якорной цепи о грунт; р' — вес 1 м цепи в воде; а — общая длина якорной цепи на грунте.

Коэффициент удерживающей силы якоря В. А. Поздюнин ре­

69

трения якорной цепи о грунт [40] рекомендуется принимать /=1. Формула действительна только в том случае, если на грунте находится якорная цепь; т. е. до тех пор, пока на якорь не дей­ ствует вертикальная сила. Для определения глубины стоянки ПБУ или длины необходимого якорного каната можно воспользо­

ваться упрощенной зависимостью [40],

удерживающую силу можно определить по рекомендациям, приве­ денным в проекте технических условий оградительных сооруже­ ний, подверженных воздействию волн, под редакцией П. П. Куль-

где k„ — коэффициент удерживающей силы якоря, выбираемый по табл. 7; k3— коэффициент запаса, принимаемый в пределах

1,2-М ,4.

Под коэффициентом распластанности понимается отношение высоты якоря к длине стороны (квадратного) основания якоря. Для плотных грунтов принимаются нижние пределы коэффициента удерживающей силы, для средней плотности — средние и для рых­ лых— верхние. Для особо плотных песков, глин и скальных по­ род под коэффициентом удерживающей силы следует понимать коэффициент трения бетона по грунту в месте установки якоря.

Швартовное и буксирное устройства в принципе не отличаются от подобного устройства на любом судне. Швартовное устройство состоит из кнехтов, киповых планок и вьющек с швартовым тросом.

70

Буксировка ПБУ производится за буксирные битенги, располо­ женные в носовой части сооружения. Трос к битенгу протягивают через ограничительные киновые планки. Для буксировки иногда используют буксирную брагу с трехзвенником, что позволяет бук­ сировать ПБУ транцем. В практике часто производят буксиров­ ку углом за один угловой битенг, что несколько снижает букси­ ровочное сопротивление и ощутимо уменьшает удар волн о носо­ вой транец.

РАСЧЕТ ПБУ НА ПРОЧНОСТЬ, ОПРОКИДЫВАНИЕ И СДВИГ ПРИ СТОЯНКЕ НА ГРУНТЕ

Установленная на точку бурения ПБУ представляет собой платформу, возвышающуюся над уровнем воды вне действия мор­ ских волн, на опорных колоннах (ног). В рабочем положении это гидротехническое сооружение в принципе не отличается от ста­ ционарных непередвижных гидротехнических сооружений, исполь­ зуемых в морском бурении. Отличие состоит лишь в конструкции основания и в способе крепления опор к грунту. В случае стацио­ нарных морских оснований опора с помощью специальных анкер­ ных связей крепится к грунту. Крепление получается жесткое. При опрокидывании основания опора работает на разрыв.

ПБУ может устанавливаться на любой относительно плотный грунт, в том'числе и на скальный. При этом колонны ПБУ сво­ бодно опираются на дно без крепления. В скальном грунте колон­ ну ПБУ можно считать шарнирно-опирающуюся на морское дно. В более рыхлом грунте опора погружается на определенную глу­ бину, в результате чего нижний конец колонны не может свобод­ но поворачиваться, т. е. появляется какой-то коэффициент заделки. Однако для расчета прочности сооружений на колоннах нет необ­ ходимости рассматривать этот последний случай, достаточно рас­ смотреть случай шарнирного крепления ПБУ к грунту, при кото­ ром в элементах конструкций ПБУ возникают изгибающие момен­ ты и напряжения большие, чем в случае, когда нижний конец за­ делан.

ПБУ представляет собой пространственную конструкцию с опорами, свободно установленными на морское дно. Нами будет рассмотрено лишь ПБУ четырехугольной и треугольной формы с опорами по углам, так как подавляющее количество ПБУ по­ строено и строится именно такой фо^мы.

Как показали практические расчеты, наихудшее действие внеш­ ние силы оказывают в том случае, когда их направление совпа­ дает с осями симметрии сооружения, т. е. с осями прямоугольни­ ка или треугольника. Это обстоятельство позволяет свести прост­ ранственную задачу действия сил на ПБУ к более простой пло­ ской задаче, когда ПБУ рассматривается как рама, состоящая

71

из двух стоек (опорных колонн), жестко заделанных в ригеле (кор­ пусе).

Размеры всех колонн принимаются одинаковыми по прочно­ сти, поэтому для прямоугольной ПБУ момент инерции стоек рамы одинаков. Момент инерции одной стойки рамы в треуголь­ ной платформе в два раза больше, чем другой, так как корпус в этом случае опирается с одной стороны рамы на одну опору, с другой — на две.

При стоянке на грунте в рабочем положении на ПБУ дейст­ вуют внешние природные силы: ветер, морское течение и волны.

Нагрузка от действия ветра на возвышающиеся над морем кон­ струкции ПБУ подсчитывается по известным строительным нор­ мам СНиП П-А, П—62. Для этого вычисляют площадь парусно­ сти отдельных элементов ПБУ и умножают на давление ветра, которое принимается в зависимости от возвышения центра парус­ ности над уровнем моря по таблицам из «Норм». Находится об­ щий центр парусности всего сооружения и общее давление на него. Считается, что на раму действует общее усилие от ветра, равное суммарному действую ветра на отдельные его части и приложенное в центре парусности силуэта. При расчете ПБУ на одновременное действие волновой, ветровой и вертикальной на­ грузки нормами СН 288-64 допускается снизить одну из наименее опасных горизонтальных нагрузок на 20%, т. е. ввести пони­ жающий коэффициент 0,8. Этой нагрузкой рекомендуется брать ветровую нагрузку, которая учитывается в расчете более точно.

Морское течение действует на опорные колонны ПБУ, являю­ щиеся преградой на пути распространения движущейся во время течения массы воды.

Давление на колонны от морского течения можно определить путем использования расчетных формул из норм СН 92-60. Более подробно об этом написано в гл. 8. Следует отметить, что вели­ чина этой нагрузки невелика по сравнению с другими внешними нагрузками и без ущерба для выводов о прочности ПБУ может быть опущена.

Волновая нагрузка возникает в результате действия на колон­ ны морских волн.

Выбор параметров морского волнения и расчет действия волн

и для любого района моря. При этом следует заметить, что по указанным нормам произведены многочисленные расчеты на мор­ ские основания, установленные в море и выдержавшие испытание временем.

В настоящее время разработаны новые нормы, облегчающие численные инженерные расчеты и, по мнению составителей, более точно отображающие современное состояние вопроса. При выбо­ ре расчетной волны рекомендуется руководствоваться тем, что ПБУ относится к уникальным дорогостоящим сооружениям пер­

72