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

вого класса с большим периодом эксплуатации. Поэтому согласно строительным нормам СН 288-64 расчетную волну следует брать 1%-ной обеспеченности, а при расчете возвышения днища ПБУ над уровнем моря следует брать гребень волны 0,1%-ной обес­ печенности.

Вычисленная волновая нагрузка представляет собой распреде­ ленную вдоль колонн горизонтальную нагрузку с наибольшим давлением в верхней части колонны и с быстрым уменьшением эпюры давления к нижней опоре у морского дна. Закон измене­ ния этой эпюры приближается к экспоненциальному с высокой степенью затухания.

При расчете волновой нагрузки следует иметь в виду, что при движении волны вдоль или поперек ПБУ колонны могут нахо­ диться в различном фазовом положении по отношению к гребню и подошве волны. Для того чтобы выбрать наибольшую расчет­ ную нагрузку на ПБУ, необходимо рассчитывать действие волн при различном фазовом положении колонн по отношению к про­ филю волны. Например, совместить гребень волны с передней ко­ лонной, вычислить нагрузки на обе колонны. Затем передвинуть профиль расчетной волны вдоль сооружения на 1/10 или на 1/5 ее длины, и вновь рассчитать нагрузку на обе колонны. И так про­ изводить расчет, пока фазы не начнут повторяться.

Как говорят, необходимо прогнать волну вдоль или поперек ПБУ. Для расчета выбирают наибольшую величину нагрузки. Если же это установить по каким-либо причинам затруднительно, тогда следует произвести расчет прочности для нескольких случаев на­ грузок.

Для упрощения расчета рамы можно заменить действие рас­ пределенной вдоль колонн волновой нагрузки на сосредоточен­ ную нагрузку, равную по величине суммарному значению эпюры и приложенную в центре тяжести эпюры. Это не вносит сущест­ венной ошибки в расчет.

При расчете необходимо учесть динамический характер волно­ вой нагрузки. Обычно для этого увеличивают расчетную волно­ вую нагрузку на коэффициент динамичности kR. Так как ПБУ представляет собой упругую систему, которая подвержена колеба­ ниям при приложении к ней циклической нагрузки, какой яв­ ляется волнение, то этот коэффициент связывают с собственными упругими колебаниями системы. Чем ближе частота собственных колебаний ПБУ к частоте возмущающей силы (волнению), тем выше коэффициент ka, и наоборот. Для морских нефтепромысло­ вых сооцужений стационарного типа (свайные) этот коэффици­ ент принимается по государственным нормам СН 288-64 в зависи­ мости от соотношения периодов 77тср, где Т — период собственных колебаний основания и тср— средний период волны, равный для Каспийского моря 9. Зависимость kR= f(T/r) приведена на рис. 26; величина этого коэффициента, по-видимому, несколько завышена.

73

С учетом коэффициента обтекания /е0б в расчетах принимается волновая нагрузка Рв, равная

где Рен — волновая нагрузка, вычисленная по нормам СН 92-60. Частота собственных колебаний рамы может быть рассчитана различными рекомендованными в справочной литературе спосо­

бами.

Волновую нагрузку на нерегулярном волнении можно рассчи­ тать по нормам Миннефтепрома [48]. Период собственных коле­ баний ПБУ по этим нормам может быть рассчитан по следующей формуле

опорную раму, загруженную, помимо сил собственного веса, гори­ зонтальными силами от давления ветра и морских волн. На рис. 27 показана схема рамы, нагруженной внешними силами и весом ПБУ.

Расчет такой рамы известен из литературы. В табл. 8 приве­ дены формулы, с помощью которых можно определить основные расчетные данные для рамы: опорные реакции и наибольший из­ гибающий момент в колонне, который, естественно, находится в месте жесткой заделки в корпусе.

74

Нагрузку на ригель (корпус) от собственного веса для прибли­ женных расчетов можно принять равномерно распределенной q,

т. е. q = — . Для более точного расчета нагрузку на ригель мож-

но определить в виде ряда п сосредоточенных сил Pi, расположен­ ных на равных расстояниях между собой по длине. Чем больше

Рис. 27. Схема нагрузки на раму.

число п, тем точнее можно отобразить характер нагрузки Q. Во

всех случаях

<=1,2,3

23 р * = ь

п

Для практических расчетов достаточно разбить нагрузку на ПБУ на 10—20 отсеков, т. е. п= 10-4-20.

При расчете треугольной ПБУ считается, что корпус (ригель) обладает одинаковой жесткостью по длине. Хотя это предполо­ жение и условно, оно не лишено некоторой связи с действитель­ ностью. Дело в том, что при проектировании треугольного корпу­ са чаще всего используют такую конструкцию его продольных и поперечных связей, которая обеспечивает ему одинаковое участие в изгибе во всех сечениях за счет балок особо высокой жесткости.

Хотя конструкция каждой колонны для треугольной ПБУ оди­ накова, при плоской постановке задачи количество колонн, на ко­ торые опирается ПБУ, различное. В носовой части ПБУ опи­ рается на две колонны, в кормовой— на одну, поэтому соответст­ венно момент инерции опорных стоек рамы различен: на перед­ нем / 1, на заднем /3. При этом /i = 2/3.

Нагрузка на ригель для приближенных вычислений взята в

виде треугольной эпюры интенсивностью q, где Q= q-^-. Для бо-

75

лёё точных подсчетов нагрузка Q разбивается на п сосредоточен­ ных сил Ри как и в случае с четырехугольной ПБУ.

Изгибающие моменты по табл. 8 даны для наиболее характер­ ных точек в местах заделки колонн с корпусом. Совсем нетрудно построить эпюру изгибающих моментов для любого сечения рамы.

Для этого достаточно любой стержень рамы рассчитать как

здесь V — опорная реакция; Fк — площадь поперечного сечения ко­ лонны; М„з— изгибающий мо­ мент в сечении; WK— момент

сопротивления колонны. Срезывающее напряжение расчитывается общепринятым методом. Величина Qn — собственный вес колонны с учетом его потери при погружении в воду. В различных сечениях этот вес будет различный: у корпуса он равен нулю, у дна наи­ больший.

При расчетах следует учитывать наибольшие напряжения в колонне, возникающие в месте крепления колонны в корпусе. Ис­ ходя из этих напряжений, выбирают размеры колонны по прочно­ сти. Вообще можно было бы в нижней части размеры колонны уменьшить, так как здесь обычно напряжения меньше. Однако вследствие больших напряжений, которые возникают в нижних сечениях колонны в транспортном положении ПБУ из-за инер­ ционных нагрузок при качке, этого делать не следует. Поэтому

80

для глубоководных ПЁУ чаще всего колонну сооружают равно­

прочной по длине.

Что касается допускаемых нагрузок на колонны и корпус при расчете ПБУ на грунте, то здесь необходимо прежде всего отме­ тить отсутствие каких-либо регламентов и норм. Логично исполь­ зовать для выбора допускаемых напряжений те же нормы прочно-, сти, которые используются для ПБУ в плавучем состоянии. Что касается колонн, то при выборе допускаемых напряжений могут быть следующие соображения.

Нагрузка, на которую рассчитывается ПБУ, может возник­ нуть весьма редко, возможно один раз за весь срок ее службы.

подверженных коррозии элементов колонн, или уменьшение соот­ ветственно допускаемых напряжений. Нами рекомендуется прини­ мать для колонн допускаемые нормальные суммарные напряжения от общего изгиба ПБУ как рамы и местных нагрузок на его элемен­ ты до 80% от предела текучести. Особо следует остановиться на опорах ПБУ, выполненных в виде пространственных ферменных конструкций. Расчет таких колонн в отличие от колонн балочной конструкции имеет, естественно, свои особенности. К ним прежде всего относится способ отыскания усилий в стержнях ферм.

Ферма рассматривается как консольная, жестко заделанная в корпусе конструкции, нагруженная на конце консоли реакция­ ми НА или # в, а в промежутке пролета усилием от волновой на­ грузки Р 1 или Р2, как это показано на рис. 29. Расчет такой фер­ мы не представляет затруднения.

Вообще расчет ферменных рам весьма трудоемок, хотя и опи­ сан в литературе. Нами рекомендуется заменить в расчете фер­ менную опору на эквивалентную ей по жесткости балку. Для это-6

го ферму одним концом жестко заделывают в корпусе, а к сво­ бодному концу прикладывают единичную силу, по которой нахо­ дят перемещение свободного конца. Вычислив момент инерции условной балки с таким же перемещением, его вводят в формулы

табл. 8.

Помимо напряжений, полученных в результате расчета всего сооружения, необходимо определить еще местные напряжения от действия на стержни поперечных сил под влиянием волновой на­ грузки. Волновую нагрузку на стержень можно вычислить по нор­ мам СН 90-62, а сам стержень, который, как правило, представ­ ляет собой однопролетную балку, жестко заделанную по концам, рассчитать по формулам сопромата. Нормальные напряжения, полученные в результате расчета нагрузки на стержни, склады­ ваются с напряжениями от общего изгиба.

Для определения технической характеристики ПБУ при буре­ нии необходимо знать смещение платформы (корпуса) в горизон­ тальном направлении. Способ определения смещения рам приво­ дится к различной справочной литературе. Для случая смещения

Особый интерес для ПБУ в рабочем положении представляет величина удельного давления на грунт под опорами, так как она позволяет судить о возможности установки сооружения на различ­ ном по составу грунте. Определить эту величину нетрудно, исходя из известных расчетных реакций колонн на дно VА и VB и площа­ ди опоры Fon на грунт. Так как при штормовых условиях наи­ большее давление приходится всегда на заднюю пару колонн, то для расчета служит простейшая зависимость:

(49)

7Д.гр

При задавливании колонн в грунт во время установки ПБУ на точку необходимо следить, чтобы удельное давление при этом было не меньше, чем вычисленное по зависимости (49), ибо в против­ ном случае во время шторма возможны просадки сооружения в грунт, что весьма опасно.

Помимо расчета на прочность ПБУ на колоннах проверяется также на опрокидывание и сдвиг от внешних сил.

При действии на ПБУ внешних горизонтальных сил их вели­ чина может быть такой, что момент сил от веса задней, со сто­ роны действия внешней силы, колонны станет меньше, чем мо­

82

мент внешних сил в точке опоры задней колонны. Для устойчи­ вого равновесия необходимо выполнение такого неравенства

доизмещения части колонн в морской воде; d — отстояние центра тяжести полного веса D от оси задней колонны; П\ — коэффицициент запаса на опрокидывание, принимаемый обычно в преде­ лах 1,5—2,0.

Указанная выше зависимость, как и последующая, даны в пред­ положении небольшого загрубления колонн в грунт, когда сила сцепления грунта с колонной невелика, например, на скальном грунте. Это будет самым опасным в расчетном отношении случаем.

Чтобы избежать возможности сдвига сооружения горизонталь­

где ti2 — коэффициент запаса против сдвига, который можно при­ нять в пределах 1,2—1,5.

Величина 0,3 в формуле (51) является минимальным коэффи­ циентом силы трения опоры о грунт при перемещении.

6*

ГЛАВА VI

БУРОВЫЕ СУДА (БС)

И ПОЛУПОГРУЖНЫЕ УСТАНОВКИ

БС представляет собой обычное морское судно, имеющее пло­ щадь палуб и грузоподъемность, достаточные для размещения на нем необходимого технологического оборудования и запас раз­ личных материалов. Часто под БС переоборудуются обычные транспортные и даже военные суда, однако в последнее время наметилась тенденция строить специализированные корпусы под БС. Это объясняется некоторыми требованиями, которые предъ­

являются к этим судам.

Для уменьшения амплитуды бортовой качки требуются как можно большая ширина БС и достаточная высота борта, так как большая надстройка предохраняет рабочую палубу от заливания во время работы. Исходя из этих соображений, построено катамаранное судно, которое увеличивает ширину сооружения.

БС с обычным судовым корпусом плавает на поверхности во­ ды, причем вся его водоизмещающая часть расположена в зоне, наибольшей интенсивности волнового давления, а ширина такого БС всегда ограничена конструктивными соображениями опреде­ ленной величиной. Из-за этих обстоятельств колебания БС на волнении относительно велики, несмотря на различные техниче­ ские мероприятия. Поэтому в последние годы инженерная мысль была направлена на конструирование такого БС, которое в наи­ меньшей мере было бы подвержено качке. Таким БС является ориентируемое по направлению действия волн и ветра судно с якорной и безякорной системой удержания. На рис. 30 показано самоходное буровое судно «Пеликан» с динамической безъякорной системой стабилизации.

Буровая установка судна рассчитана на бурение скважин глубиной до 4500 м и оборудована вышкой 4 высотой 48 м и гру­ зоподъемностью 630 т; лебедкой 10 с приводом от электромото­ ров постоянного тока мощностью 2400 л. с., расположенной на подвышенном портале 5; двумя буровыми насосами 18, располо­ женными в насосном отделении 15. Запасы сухих реагентов для

84