Нижегородский Государственный Технический Университет
им. Р. Е. Алексеева
Кафедра теории корабля
Отчёт по лабораторной работе:
Статические характеристики якорных связей плавучих полупогружных буровых установок и морских сооружений
Выполнил:
Долгополова Н. С.
Проверил:
Савинов В. Н.
Нижний Новгород
2012 год
Ц ель 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
Н а 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);
хк- 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 = Fx = aq;
вертикальная составляющая Fz = qS;
полное натяжение
возвышение клюза у = а + Н;
абсцисса клюза
длина цепи
П рименим 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.