.

Расчет ПБУ как плавающего сооружения

Плавучая буровая установка — гидротехническое сооружение для проведения буровых работ на водных акваториях, имеющее водоизмещающие конструкционные (понтоны) для обеспечения необходимой плавучести и остойчивости.

Основные размеры ПБУ

Основные размеры самоподъемных плавучих буровых установок выбираются из условий обеспечения:

  • рационального размещения технологического оборудования, запасов, жилых и производственных помещений;
  • остойчивости и непотопляемости установки на плаву с поднятыми колоннами;
  • устойчивости установки в рабочем положении (на опорных колоннах) при различных грунтах;
  • предельной осадки ПБУ и необходимого запаса плавучести при выдергивании опорных колонн из грунта;
  • возможности прохождения ПБУ по внутренним водным путям (целиком или посекционно) от места постройки к месту эксплуатации.

Из условий обеспечения устойчивости установки при воздействии внешних нагрузок (ветра и волнения) любого направления оптимальное

С увеличением глубин моря, для которых предназначаются самоподъемные ПБУ, увеличивается длина их опорных колонн. Поэтому для обеспечения достаточных остойчивости в транспортном положении и устойчивости в рабочем необходимо увеличивать размеры корпуса ПБУ в плане.

Высота борта плавучих буровых установок растет с увеличением основных размеров и глубины бурения (табл. 1). На рис. 1 и 2 представлены характерные для ПБУ теоретический чертеж и кривые его элементов.

Табл. 1 Высота борта ПБУ
Данное ПБУПлавучая буровая установка
«Апшерон»«Азербайджан»«Хазор»«Бакы»«Марлин-6» *«Пенрод-61»«Запата-Нордик»
Глубина моря, м1520607591,410490
Глубина скважины, м1 8003 0006 0006 0009 1009 0007 500
Число колонн4444333
Форма корпусаПрямоугольнаяТреугольная
Длина корпуса L, м32,754,050,557,6617072
Ширина корпуса, В, м17,827,045,047,45361,072
Высота борта D, м4,35,57,27,27,07,97,9
Осадка d, м2,53,14,5
Отношение:
L/B2,092,001,121,211,151,151,00
B/D4,144,906,256,587,571,729,11
B/d7,128,71
Водоизмещение Δ, т1 6084 2508 16010 40011 00011 000
* Корпус ПБУ «Марлин-6» в плане представляет собой прямоугольник с тремя полукруглыми кринолинами для прохождения опорных колонн

 

Теоретический чертеж ПБУ
Рис. 1 Теоретический чертеж ПБУ с четырехгранными пространственными колоннами L, В, D — длина, ширина и высота борта корпуса ПБУ; l, l’ — расстояние между осями опорных колонн в продольном и поперечном направлениях; lп, lп — длина и ширина прорези в корпусе под буровой портал; lc — длина скоса в носовой части корпуса; а — размер выреза в корпусе под опорную колонну

Чертеж корпуса ПБУ
Рис. 2 Кривые элементов теоретического чертежа корпуса ПБУ в зависимости от осадки: R, р — кривые продольного и поперечного мета центрических радиусов, м; хc, хƒ — кривые абсцисс центра величины и центра тяжести площади ватерлинии, м; zc — кривая ординаты центра величины, м; V — кривая объемного водоизмещения, м³; s — кривая площади ватерлинии, м²

Остойчивость ПБУ

В транспортном положении ПБУ, как и любые другие плавучие средства, должна обладать достаточными плавучестью и остойчивостью. Ниже приведены некоторые понятия и зависимости теории корабля применительно к остойчивости ПБУ.

Под остойчивостью понимается способность ПБУ, выведенного воздействием внешних сил из положения равновесия, возвращаться к нему после прекращения этого воздействия. Величина остойчивостиПродольная остойчивость и дифферент плавучих сооружений зависит от размеров, формы обводов и положения центра тяжести. При исследовании остойчивости ПБУ достаточно рассмотреть ее величину лишь при поперечных наклонениях.

Остойчивость при малых наклонениях называется начальной. Величина момента, стремящегося возвратить ПБУ в первоначальное положение равновесия, характеризует статическую остойчивость ее. Величина работы восстанавливающего момента при отклонении ПБУ от первоначального положения равновесия характеризует ее динамическую остойчивость. Графическая зависимость восстанавливающего момента от углов крепа называется диаграммой статической остойчивости (рис. 3).

Статическая остойчивость ПБУ
Рис. 3 Диаграмма статической остойчивости ПБУ: 1 — опрокидывающий момент; 2 — кренящий момент; а — угол заваливания; b — второй отрезок: А, В и С — площади

«Закат» диаграммы статической остойчивости — пересечение кривой с осью абсцисс — наступает при крене, соответствующем полной потере остойчивости.

Одним из важнейших показателей остойчивости сооружения является его метацентрическая высота

h = r + zc  zg,

  • где r = lγ/Δ — поперечный метацентрический радиус, м;
  • l — момент инерции площади ватерлинии относительно продольной оси, м4;
  • Δ/γ — объемное водоизмещение ПБУ, м³;
  • zc — возвышение центра подводного объема над основной линией (линией, проходящей по наружной кромке днища), м;
  • zg — возвышение центра тяжести ПБУ над основной линией, м;
  • γ — удельный вес морской воды, кН/м³;
  • Δ — весовое водоизмещение, кН.

Во время пребывания ПБУ на плаву могут быть значительные свободные поверхности жидких и сыпучих грузов в отсеках, цистернах и бункерах (запасы воды, топлива, глинистого раствора с большой плотностью и т. д.), которые отрицательно влияют на остойчивость. Поэтому при определении метацентрической высоты обязательно должна быть определена поправка на свободные поверхности.

Самоподъемные ПБУ отличаются от обычных судов большой шириной при относительно малых осадке и надводном борте и очень высоким расположением центра тяжести. Высокие опорные колонны, портал с буровой вышкой, развитые надстройки и т. д. создают большую площадь парусности при любом направлении ветра, а центр площади парусности (ц. п.) у таких сооружений располагается очень высоко над плоскостью ватерлинии (табл. 2). Это обусловливает большие кренящие моменты при действии ветра на ПБУ. Поэтому вопрос обеспечения остойчивости является одним из важнейших вопросов проектирования и эксплуатации ПБУ.

Табл. 2 Центр тяжести ПБУ
Данные по ПБУПлавучая буровая установка
«Апшерон»«Азербайджан»«Бакы»
Глубина моря, м152060
Площадь парусности, м²4657252 900
Возвышение ц. п. над уровнем моря, м16,720,238

 
Соотношение основных размеров ПБУ обусловливает с одной стороны большую начальную остойчивость, т. е. большие восстанавливающие моменты при малых углах крена, а с другой стороны — малые углы входа в воду палубы и выхода из воды днища. Таким образом, максимум и «закат» диаграммы статической остойчивости ПБУ наступают при предельных углах крена, значительно меньших, чем для обычных судов. Для всех ПБУ характерны сравнительно короткие и высокие диаграммы статической остойчивости.

Плавучая буровая установка Полярная звезда
Плавучая полупогружная буровая установка Полярная звезда

Предельные углы крена и начальная остойчивость являются дополняющими друг друга показателями остойчивости. Поэтому к оценке достаточности остойчивости ПБУ следует подходить иначе, чем к остойчивости обычных судов, при этом должно быть учтено следующее.

  • ПБУ в плавучем состоянии пребывают во время переходов — перемещений в пределах района разведки за короткий промежуток времени. Переходы совершаются лишь несколько- раз в году, причем только при благоприятном прогнозе погоды, т. е. когда ветер и волнение не могут:
    • вызывать сильную качку, существенно влияющую на остойчивость сооружения и инерционные усилия в его опорных колоннах;
    • препятствовать операциям, связанным с установкой сооружения на точку бурения, т. е. фиксированию на точке, опусканию опорных колонн, подъему корпуса над водой.
  • При необходимости буксировки ПБУ в другие районы бурения с длительным пребыванием в условиях открытого моря (это может быть лишь разовый, эпизодический случай), при перегонах в каждом конкретном случае составляется специальный проект перегона установки, предусматривающий следующие дополнительные мероприятия, которые повышают остойчивость ПБУ и безопасность плавания:
    • грузы и их расположение приводятся в наиболее благоприятное для остойчивости состояние;.
    • все отверстия, через которые вода может попасть внутрь корпуса, надежно закрываются;
    • иногда предусматривается частичное опускание опорных колонн или транспортировка ПБУ с частично демонтированными колоннами с последующим наращиванием снятых секций непосредственно на точке бурения.

На время перегона и перехода сокращается до минимума число людей, находящихся на борту ПБУ.

Ввиду отсутствия в РФ специальных правил в качестве критериев достаточности остойчивости принимаются критерии, установленные Регистром для плавучих кранов при переходах, так как крановые суда наиболее близки к ПБУ по соотношениям главных размерений, парусности, высокому расположению центров тяжести.

Предлагается к прочтению: Статическая остойчивость судна

Плавучие буровые установки должны быть остойчивы во всех условиях буксировки и маневров при установке их в рабочее положение. При анализе остойчивости строят интерполяционные кривые плеч остойчивости формы и кривые ветровых кренящих моментов, охватывающие весь диапазон рабочих осадок установки; учитывают изменения остойчивости во время спуска и подъема опорных колонн.

Плавучая буровая установка Северное сияние
Плавучая полупогружная буровая установка Северное сияние

По зарубежным данным, остойчивость установок должна быть обеспечена при действии ветра со скоростью 100 узлов (50 м/с) для установок с неограниченным районом плавания и 50 узлов (25 м/с) для установок с ограниченным районом плавания. В качестве критериев достаточности остойчивости ПБУ рекомендуются следующие.

В диаграмме статической остойчивости (рис. 3) должно быть соблюдено условие

площадь А + В  1,4 (площади В +С). Форм. 1

Выбирается меньшая из площадей, ограниченных кривой опрокидывающего момента Мопр и углом заливания Θз; или кривой I и вторым отрезком. Другими словами, коэффициент запаса остойчивости

К = Мопр/Мкр  1,4.   Форм. 2

  • Здесь Мопр — опрокидывающий момент;
  • Мкр — условный расчетный динамически приложенный кренящий момент;
  • Θз — угол заливания, т. е. угол крена, при котором происходит заливание водой внутренних помещений ПБУ через отверстия в корпусе, считающиеся открытыми (Θз должен быть определен без учета дифферента).

Не допускается наклонение ПБУ более чем на 10°.

Наименьшее значение надводного борта ПБУ при наклонениях от внешних нагрузок должно быть не менее 30 см.

Все отечественные установки спроектированы так, что их остойчивость обеспечивается при силе ветра до 7 баллов и волнении моря до 5 баллов. При этом метацентрические высоты и минимальные плечи статической остойчивости намного превосходят требуемые Регистром минимальные значения. Коэффициенты запаса остойчивости приведены в табл. 3.

Максимумы и «закаты» диаграмм статической остойчивости наступают при углах, значительно меньших, чем того требует Регистр для обычных судов. Если во время перегона установка попадает в больший шторм, чем расчетный, то для обеспечения ее остойчивости в период штормового отстоя рекомендуется частичное опускание опорных колонн.

Табл. 3 Коэффициент запаса остойчивости ПБУ
Показатели остойчивостиПлавучие буровые установки
«Апшерон»«Азербайджан»«Бакы»
Водоизмещение, т1 6084 25010 442
Осадка, м2,553,104,19
Метацентрическая высота, м5,0414,8825,58
Коэффициент запаса остойчивости без учета качки
К1 = М1опр/М1кр (из 28 К1  2)210,23,4
Коэффициент запаса остойчивости с учетом качки
К2 = М2опр/М2кр (из 28 К2  1)1,615,91,3

 

Непотопляемость

Под непотопляемостью понимается свойство ПБУ оставаться на плаву и сохранять в достаточной мере мореходные качества при затоплении одного или нескольких отсеков.

 Плавучая буровая установка Арктическая
Самоподъемная плавучая буровая установка Арктическая

Специфика эксплуатации ПБУ предусматривает наличие на них отсеков с очень большими (более 200 м²) площадями (например, отсек буровых насосов, отсек приготовления бурового раствора, отсек машинного отделения и т. д.). Затопление одного или нескольких таких больших отсеков вызывает большие изменения осадки, крена и дифферента и, следовательно, уменьшение остойчивости ПБУ в поврежденном состоянии.

Ниже приведены рекомендации зарубежных классификационных обществ к непотопляемости ПБУ. При конструировании ПБУ определяют наибольшие расстояния между продольными и поперечными водонепроницаемыми переборками с таким расчетом, чтобы при затоплении одного любого отсека при любой нагрузке и в любых условиях движения или маневра установка оставалась на плаву, сохраняя достаточную остойчивость.

Затем выполняется проверочный расчет непотопляемости. ПБУ должна обладать достаточным запасом плавучести и аварийной остойчивости, чтобы выдерживать при повреждении любого отсека воздействие ветра и волн. Зарубежные Правила рекомендуют в данном случае вести расчет на ветер со скоростью 50 узлов (25 м/с). Конечная ватерлиния при этом должна проходить ниже нижнего края любого отверстия, через которое может произойти заливание внутренних помещений.

Обычно у ПБУ предусматривается второе дно на значительной части длины корпуса. На ПБУ должны быть предусмотрены средства для ликвидации последствий аварии — откачка воды, балластировка других отсеков и т. д.

Период качки ПБУ на тихой воде

При определении параметров качки ПБУ рассматривается как абсолютно твердое тело, совершающее колебания вокруг продольной или поперечной оси. Принимаем, что центр колебаний совпадает с центром величины, т. е. с центром тяжести подводного объема.

Плавучая буровая установка Амазон
Самоподъемная плавучая буровая установка Амазон

Качка может повлечь за собой ряд вредных, а иногда и катастрофических последствий, особенно опасных для таких сооружений, как самоподъемные ПБУ, имеющие опорные колонны и буровую вышку, которые обязательно должны быть рассчитаны с учетом динамических нагрузок от качки.

Наибольшее отклонение ПБУ от положения равновесия называется амплитудой качки. Время, за которое совершается полное колебание, называется периодом качки. Для ПБУ (вследствие их большой ширины и близости отношения L/B к единице) характерны малые амплитуды бортовой и килевой качек.

Вопрос определения периода качки имеет очень важное значение, так как период качки сильно влияет на величину динамических нагрузок.

Так как для корпуса ПБУ применима метацентрическая формула остойчивостиМетацентрическая формула начальной поперечной остойчивости (т. е. метацентрическая высота всегда положительна, а амплитуды колебаний достаточно малы), величина периода бортовой качки Т в с определяется по формуле

Т = 2π А + А (r  α),   Форм. 3

  • где А — момент инерции массы ПБУ относительно главной центральной продольной оси, т•м²;
  • ΔА — момент инерции присоединенной массы воды относительно той же оси, т•м²;
  • Δ — водоизмещение, т;
  • г — поперечный мета центрический радиус, м;
  • а — возвышение центра тяжести ПБУ, м.

А = Ап + nАк,

Момент инерции массы понтона относительно центральной продольной оси Ап для ориентировочных расчетов может быть определен по приближенным формулам. Для прямоугольного понтона по формуле Дуайэра

Аn = 12g (В2 + D2).   Форм. 4

  • Здесь D и В — высота борта и ширина корпусами;
  • м; п — число опорных колонн;
  • g — ускорение свободного падения, м/с²;
  • Aк — момент инерции массы колонны относительно центральной продольной оси, т•м²

Ак = mк hк212 + mкzgк2,   Форм. 5

  • где mк — масса опорной колонны, т;
  • hк — длина колонны, м;
  • z — возвышение центра тяжести колонны над центром колебаний, м.
Плавучая буровая установка Обский-1
Плавучий буровой комплекс Обский-1

Момент инерции присоединенной массы воды для прямоугольного понтона по

А = μρLB4/81,5,   Форм. 6

  • где р — плотность воды, т/м³;
  • р — коэффициент, при B/d > 4 μ = 1;
  • d — осадка, м.

Элементы качки для различных ПБУ приведены в табл. 4. Значения амплитуд качки получены при модельных испытаниях ПБУ. Периоды качки получены расчетным путем.

Табл. 4 Элементы качки для различных ПБУ
Элементы качкиПлавучие буровые установки
«Апшерон»«Азербайджан»«Бакы»
Период качки на тихой воде, с8,27,511
Средние амплитуды при волнении5,3º5,2º≈6º

 
В реальных условиях из-за большой ширины ПБУ при сравнительно небольшой осадке свободные колебания ПБУ быстро угасают. При волнении период качки фактически будет равен периоду возмущающей силы, т. е. периоду волны. Для получения уточненных параметров качки на тихой воде и при волнении обязательно проведение модельных и натурных испытаний.

Периоды собственных колебаний опорных колонн в транспортном положении

При определении частоты ω и периода Тк собственных колебаний колонна рассчитывается как консольный жестко защемленный в корпусе стержень

ω = 3,515(hp)2  EIпрq;   Форм. 7

Тк = 2π/ω.

  • где h — расчетная длина опорной колонны, м;
  • Е — модуль упругости материала колонны, Па;
  • l’пр — приведенный момент инерции поперечного сечения опорной колонны, м4;
  • q — масса единицы длины опорной колонны, кг/м.

Ниже приведены периоды собственных колебаний опорных колонн для различных ПБУ в транспортном положении:

Период собственных колебаний ПБУ
ПБУ«Апшерон»«Азербайджан»«Бакы»
Период собственных колебаний, с1,571,252,34

 
Таким образом, при буксировке опорные колонны совершают вынужденные колебания с частотой колебания корпуса при качке в процессе волнения.

Определение инерционных усилий в опорной колонне от качки ПБУ

Для расчетов прочности опорных колонн при транспортировке ПБУ в условиях волнения обязательно следует учитывать увеличение вертикального усилия и изгибающего момента в колонне от инерционных усилий при качке ПБУ.

Нептун
Транспортно-буксирное судно Нептун

На ПБУ, как и на всякое плавучее сооружение, действуют одновременно три вида качки: вертикальная, бортовая и килевая. Рассмотрим влияние вертикальной качки, т. е. поступательных колебаний в вертикальном направлении.

Предполагаем при этом, что:

  • вертикальная качка ПБУ совершается независимо от других видов качки;
  • колебания носят гармонический характер;
  • волнение регулярное, с амплитудой 0,5 hв (hв — высота расчетной волны) и периодом т.

Сила инерции, вызванная вертикальной качкой, может уменьшать или увеличивать давление на опору колонны в зависимости от фазы качки. В расчет принимается фаза, при которой вертикальная составляющая сил инерции увеличивает вес колонны, т. е. направлена вниз. Максимальную силу инерции, вызванную вертикальной качкой, можно учесть коэффициентом перегрузки η.

Pz = Gкη;   η = 1 + 2π2gτ2 hв,   Форм. 8

  • где Рz — усилие, передаваемое на опору, H;
  • Gк — вес колонны, Н.

Рассмотрим влияние бортовой качки (т. е. вращательных, колебаний ПБУ около продольной горизонтальной оси), оставляя в силе допущения, принятые для учета вертикальной качки. Расчетная схема для определения инерционных усилий при бортовой качке приведена на рис. 4. Центр обобщенных координат совмещен с центром тяжести ПБУ, направление оси оу перпендикулярно к диаметральной плоскости. Колонна разбивается на ряд элементарных участков с постоянными (в пределах участка) жесткостью и массой m.

Инерционные усилия в колонне ПБУ
Рис. 4 Расчетная схема для определения инерционных усилий в колонне при качке на волнах

Считаем, что силы инерции распределяются равномерно по длине каждого участка колонны, а их равнодействующая приложена в центре каждого участка.

Уравнение движения при бортовой качке

θ = θ0 sin 2πtτ   Форм. 9

  • Θ0 — угол максимального крена в рад)

dθdt = 2πθ0τ cos 2πtτ;

d2θdt2 =  4π2θ0τ2 sin 2πtτ.   Форм. 10

Тангенциальное и нормальное ускорения при бортовой качке

ωτ =  4π2θ0τ2 ρ sin 2πtτ;

ωп =  4π2θ02τ2 ρ cos2 2πtτ.   Форм. 11

  • (р — радиус колебаний).

Инерционные усилия на единицу длины колонны от бортовой качки

Р1 = mωn sin α  mωτ cos α + qкη cos θ;

Р2 = mωn cos α + mωτ sin α + qкη sin θ.

Для колонны, имеющей постоянную массу, находим: усилие, направленное по оси колонны,

Р1 = 2π2θ02Gкhк1τ2g cos2 2πtτ + 4π2θ0Gк*y0τ2g sin 2πtτ + Gк ηcos (θ0 sin 2πtτ);   Форм. 12

  • усилие, нормальное к оси колонны,

Р2 = 4π2θ12Gкy0τ2g cos2 2πtτ  2π2θ0Gкhк1τ2g sin 2πtτ + Gк ηcos (θ0 sin 2πtτ);   Форм. 13

  • 0 — расстояние между диаметральной плоскостью ПБУ и вертикальной осью колонны).

Изгибающий момент в колонне

Мизг = 2π2θ02Gкy0hк1τ2g cos2 2πtτ  4π2θ0Gкhк123τ2g sin 2πtτ + 0,5Gкηhк1 sin (θ0 sin 2πtτ)   Форм. 14

  • (G’к и hкl — вес и длина части колонны, расположенной выше линии ее крепления в корпусе).

Аналогичные формулы справедливы и для килевой качки.

Величины изгибающих моментов в колонне от качки довольно значительны и составляют: для ПБУ «Апшерон» — 100 тс•м; для ПБУ «Бакы» — 8 000 тс•м.

Сатурн
Транспортно-буксирное судно Сатурн

Изгибающие моменты от инерционных усилий при качке суммируются с изгибающими моментами от давления ветра на колонну и воспринимаются опорным сечением колонны, которое, в свою очередь, передает их на конструкции подкреплений в районе колонн.

Определение изгибающего момента в приспущенной колонне

В процессе проектирования ПБУ может оказаться необходимой проверка прочности опорных колонн в случае, когда установка находится на плаву и часть опорных колонн находится ниже уровня днища. Такой случай может быть во время штормового отстоя, т. е. если установка попадет в шторм, не предусмотренный прогнозом. Для обеспечения ее остойчивости и безопасности появится необходимость спустить опорные колонны на 10 м и более. При этом на колонну будут воздействовать инерционные усилия от качки на волнах и дополнительная нагрузка от скоростной и инерционной составляющих сопротивления волны. Так как мы не располагаем методикой определения амплитуды качки на волнах для сооружений типа ПБУ (а тем более с опущенными колоннами), расчет производится со следующими допущениями:

  • предполагаем, что колебания сооружения с опущенными колоннами происходят вокруг общего центра тяжести подводного объема;
  • максимальная амплитуда качки Θmax в таком расчете принимается условной; по правилам максимальная амплитуда качки, при которой должна быть обеспечена прочность опорных колонн на плаву, Θmax = 6°;
  • период колебаний τ принимается равным периоду расчетной волны.

Определяют массу и объем опущенной части колонны и новое положение центра величины (центра подводного объема) относительно основной линии. Опущенная часть колонн разбивается на ряд участков одинаковой длины. Радиусом колебаний для каждого участка ρi служит расстояние между центром величины сооружения и центром массы участка.

Читайте также: Требования регистра к непотопляемости морских судов

Пользуясь уравнениями качки (9) и (10), получаем линейную скорость υi и линейное ускорение ωi колебательного движения участка колонны

υi = ρi 2πτ θmax cos 2πtτ cos φ;

ωi =  ρi 4π2τ2 θmax sin 2πtτ cos φ,   Форм. 15

  • где φ — угол между вертикальной осью колонны и линией, соединяющей центр массы участка с центром величины.
Дунай
Транспортно-буксирное судно Дунай

Сопротивление воды колебательному движению опущенной колонны

Pi = Pск i + Pин i,   Форм. 16

  • где Рскi, Pин i — скоростная и инерционная составляющие, Н/м;

Pск i = Схρ2dυi2;

Рин i = СmρFωi.   Форм. 17

  • Здесь ρ — плотность морской воды, кг/м³;
  • d — поперечный размер элемента колонны, м;
  • F — площадь поперечного сечения элемента колонны, м²;
  • Сx — коэффициенты обтекания;
  • Сm = 2 — коэффициент присоединенной массы.

Рi = 4π2τ2 θmaxρi cos φ (Cx ρ2 dρiθmax cos2 2πtτ cos φ  CmρF sin 2πtτ).   Форм. 18

Силы сопротивления воды колебательному движению опущенной колонны суммируются по длине по всем элементам колонны, определяется изгибающий момент от них, который суммируется с изгибающим моментом от волновой и инерционной нагрузок.

Буксировочные сопротивления

Особенности эксплуатации самоподъемных ПБУ, заключающиеся в необходимости длительного пребывания на одной точке во время бурения, в сравнительно редких переходах и еще более редких перегонах, предопределили их конструирование чаще всего в несамоходном исполнении.

Высокое расположение центра тяжести ПБУ и их большая парусность требуют тщательного анализа погодных условий, при которых возможна буксировка, а также подбора необходимой мощности буксировщиков. Различают два вида буксировки ПБУ: перегоны и переходы.

Для перегона в каждом конкретном случае составляют специальный проект, в котором разрабатывают маршрут буксировки и выбирают мощность и число буксировщиков. Не исключено, что во время перегона установка попадет в шторм в открытом море. В этом случае опорные колонны могут частично опускаться для обеспечения необходимой остойчивости ПБУ, а буксировщики должны обеспечить удержание установки на месте.

Для переходов ПБУ, как правило, выбирают хорошую погоду (ветер до 5 баллов, волнение до 3 баллов). При этих условиях буксировщики должны обеспечить скорость транспортировки ПБУ при встречном ветре до 6 узлов.

Десна
Транспортно-буксирное судно Десна

Буксировочная мощность N прямо пропорциональна буксировочному сопротивлению Rбукс, которое складывается из сопротивления движению на тихой воде Rт. в, сопротивления движению при волнении Rволн и воздушного сопротивления Rвозд,

N 0,01Rбукс, Л. С.

Rбукс = Rт. в + Rволн + Rвозд, Н.   Форм. 19

Демонтаж части секций опорных колонн перед буксировкой ПБУ, произведенный в целях повышения ее остойчивости, одновременно снижает и буксировочное сопротивление, так как уменьшаются парусность и осадка ПБУ. Необычность соотношений основных размеров и наличие больших площадей транцев у ПБУ вызывает повышенное сопротивление воды движению, которое растет с увеличением скорости буксировки.

Экспериментальные исследования буксировочного сопротивления ряда ПБУ показали, что около 80% от общего сопротивления воды приходится на сопротивление формы, около 20% — на волновое сопротивление и незначительную величину составляет сопротивление трения. Сопротивление на тихой воде можно определить по приближенной формуле

Rт. в 705Вdυm1,83 + 107Вdυm1,7+0,15υm,   Форм. 20

  • где В и d — соответственно ширина и осадка корпуса ПБУ, м;
  • υm — скорость буксировки, м/с.

Волновое сопротивление

Rволн  6,4 В2L hв2,

  • где L и В — соответственно длина и ширина ПБУ, м;
  • hв — высота волны, м.

Наличие на ПБУ высоких колонн и буровой вышки создает значительное воздушное сопротивление, которое возрастает пропорционально балльности ветра и скорости буксировки,

Rвозд = ρFp υ22,   Форм. 21

  • где ρ — плотность воздуха, кг/м³;
  • Fp — площадь парусности ПБУ, м²;
  • υ — суммарная скорость ветра и буксировки; в общем случае, когда направление движения ПБУ составляет угол α с направлением ветра,

υ = υm2 + υн2 + 2υmυв cos α.

Наибольшее воздушное сопротивление при встречном ветре υ = υm + υв. Скорость ветра на высоте свыше 6 м над уровнем моря находится по специальным графикам или рассчитывается по известной формуле Д. Л. Лайхтмана.

υв = υ6 Inzz0Inz6z0,   Форм. 22

  • где υ6 — скорость ветра на высоте z6 = 6 м над поверхностью моря;
  • z — высота над поверхностью моря центра площади парусности, м;
  • z0 — характеристика шероховатости подстилающей поверхности; для моря z0 0,002 м.
ПБУ Hakuryu-5
Плавучая буровая установка Hakuryu-5

Для оценки площади парусности ПБУ во время буксировки можно пользоваться следующей приближенной эмпирической формулой, полученной на основании результатов продувок, нескольких моделей ПБУ в аэродинамической трубе

Fp  2,05Fкор + 0,8Fв + СхFк,   Форм. 23

  • где Fкор = BD — площадь поперечного сечения корпуса ПБУ, м²;
  • D — высота борта, м;
  • Fв — площадь парусности буровой вышки башенного типа, м²; она может быть определена приближенно, как площадь боковой ее грани с коэффициентом заполнения φ = 1 и аэродинамическим коэффициентом обтекания Св = 0,8;
  • Сх — аэродинамический коэффициент обтекания колонны;
  • Fк = nah’к — площадь парусности опорных колонн, м²;.
  • n — число опорных колонн;
  • α — наибольший поперечный размер колонны в плоскости, параллельной плоскости мидельшпангоута, м;
  • h’к — длина колонны, считая от ватерлинии, м.

Расчеты показали, что отношения Rт.в/Rбукс практически одинаковы для различных ПБУ и зависят только от типа опорных колонн, балльности ветра и скорости буксировки. Это дало возможность упростить расчеты, определив значения коэффициентов К=Rт.в/Rбукс для различных ПБУ и осреднив их. Была получена эмпирическая формула для определения буксировочного сопротивления при транспортировке ПБУ.

Rбукс  КВd,   Форм. 24

  • где К — коэффициент, определяемый по рис. 5.
Зависимость скорости буксировки
Рис. 5 График для определения коэффициента К в зависимости от скорости буксировки: I — ПБУ с пространственными колонками; II — ПБУ с цилиндрическими колоннами; 1, 2, — встречный ветер 5 и 3 балла; 3, 4 — попутный ветер 3 и 5 баллов

Для каждого ПБУ строят кривые зависимости буксировочной мощности от скорости буксировки и балльности ветра (рис. 6), по которым определяется необходимая мощность буксиров.

Зависимость буксировочной мощности
Рис. 6 Зависимость буксировочной мощности от скорости буксировки и балльности встречного ветра: 1, 2, 3 — соответственно 0, 3, 5 баллов; I — «Хазар»; II — «Азербайджан»; III — «Апшерон»

В последние годы за рубежом наметилась тенденция сооружения самоходных ПБУ, что улучшает их маневренность и автономность, уменьшает простой, упрощает установку на точку бурения, уменьшает необходимую мощность буксиров при перегонах. В случае необходимости самоходная ПБУ может без посторонней помощи уйти с точки бурения.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Октябрь, 05, 2019 51 0
Читайте также