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 установокКорпус плавучей буровой установки 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 ПБУСамоподъемные плавучие буровые установки, 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.

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).

«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

$h = r + z_c – z_g,$

• где r = lγ/Δ — поперечный метацентрический радиус, м;
• l — момент инерции площади ватерлинии относительно продольной оси, м⁴;
• Δ/γ — объемное водоизмещение ПБУ, м³;
• z_c — возвышение центра подводного объема над основной линией (линией, проходящей по наружной кромке днища), м;
• z_g — 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.

 
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.

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 размеренийОпределение главных размерений и водоизмещения буксирных судов, 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.

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

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

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

$К = {М}_{опр}/{М}_{кр} \ge 1,4. Форм. 2$

• Здесь М_опр — опрокидывающий момент;
• М_кр — условный расчетный динамически приложенный кренящий момент;
• Θ_з — угол заливания, т. е. угол крена, при котором происходит заливание водой внутренних помещений ПБУ через отверстия в корпусе, считающиеся открытыми (Θ_з 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.

Непотопляемость

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

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.

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

$Т = 2\pi \sqrt{\frac{А + △А}{△ (r – \alpha )}}, Форм. 3$

• 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.

$А = {А}_{п} + n{А}_{к},$

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

${А}_n = \frac{△}{12g} ({В}^2 + D^2). Форм. 4$

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

${А}_{к} = m_{к} \frac{h_{к}^2}{12} + mкz_{gк}^2, Форм. 5$

• где m_к — масса опорной колонны, т;
• h_к – длина колонны, м;
• z_gк — возвышение центра тяжести колонны над центром колебаний, м.

Момент инерции присоединенной массы воды для прямоугольного понтона по

$△А = \mu \rho L{B}^4/81,5, Форм. 6$

• 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.

 
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 Т_к собственных колебаний колонна рассчитывается как консольный жестко защемленный в корпусе стержень

$\omega = \frac{3,515}{{\left(h_p^{‘}\right)}^2} \sqrt{ \frac{E{I}_{пр}^{‘}}{q}}; Форм. 7$

${Т}_{к} = 2\pi /\omega .$

• где h — расчетная длина опорной колонны, м;
• Е — модуль упругости материала колонны, П_а;
• 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:

 
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.

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 h_в (h_в — 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.

$P_z = G_{к}\eta ; \eta = 1 + \frac{2{\pi }^2}{g{\tau }^2} h_{в}, Форм. 8$

• где Р_z — усилие, передаваемое на опору, H;
• G_к — 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.

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

Уравнение движения при бортовой качке

$\theta = {\theta }_0 \sin \frac{2\pi t}{\tau } Форм. 9$

• Θ₀ — угол максимального крена в рад)

$\frac{d\theta }{dt} = \frac{2\pi {\theta }_0}{\tau } \cos \frac{2\pi t}{\tau };$

$\frac{d^2\theta }{d{t}^2} = – \frac{4{\pi }^2{\theta }_0}{{\tau }^2} \sin \frac{2\pi t}{\tau }. Форм. 10$

Тангенциальное и нормальное ускорения при бортовой качке

${\omega }_{\tau } = – \frac{4{\pi }^2{\theta }_0}{{\tau }^2} \rho \sin \frac{2\pi t}{\tau };$

${\omega }_{п} = – \frac{4{\pi }^2{\theta }_0^2}{{\tau }^2} \rho {\cos }^2 \frac{2\pi t}{\tau }. Форм. 11$

• (р — радиус колебаний).

Инерционные усилия на единицу длины колонны от бортовой качки

${Р}_1 = m{\omega }_n \sin \alpha – m{\omega }_{\tau } \cos \alpha + q_{к}\eta \cos \theta ;$

${Р}_2 = m{\omega }_n \cos \alpha + m{\omega }_{\tau } \sin \alpha + q_{к}\eta \sin \theta .$

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

${Р}_1 = \frac{2{\pi }^2{\theta }_0^2{G}_{к}^{‘}{h}_{к1}}{{\tau }^{2}g} {\cos }^2 \frac{2\pi t}{\tau } + \frac{4{\pi }^2{\theta }_0{G}_{к}^{*}{y}_0}{{\tau }^{2}g} \sin \frac{2\pi t}{\tau } + G_{к}^{‘} \eta \cos ({\theta }_0 \sin \frac{2\pi t}{\tau }); Форм. 12$

• усилие, нормальное к оси колонны,

${Р}_2 = \frac{4{\pi }^2{\theta }_1^2{G}_{к}^{‘}{y}_0}{{\tau }^{2}g} {\cos }^2 \frac{2\pi t}{\tau } – \frac{2{\pi }^2{\theta }_0{G}_{к}^{‘}{h}_{к1}}{{\tau }^{2}g} \sin \frac{2\pi t}{\tau } + G_{к}^{‘} \eta \cos ({\theta }_0 \sin \frac{2\pi t}{\tau }); Форм. 13$

• (у₀ — расстояние между диаметральной плоскостью ПБУ и вертикальной осью колонны).

Изгибающий момент в колонне

${М}_{изг} = \frac{2{\pi }^2{\theta }_0^2{G}_{к}{y}_0{h}_{к1}}{{\tau }^{2}g} {\cos }^2 \frac{2\pi t}{\tau } – \frac{4{\pi }^2{\theta }_0{G}_{к}^{‘}{h}_{к1}^2}{3{\tau }^{2}g} \sin \frac{2\pi t}{\tau } + 0,5G_{к}^{‘}\eta h_{к1} \sin ({\theta }_0 \sin \frac{2\pi t}{\tau }) Форм. 14$

• (G’_к и h_кl — 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.

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 Θ_max в таком расчете принимается условной; по правилам максимальная амплитуда качки, при которой должна быть обеспечена прочность опорных колонн на плаву, Θ_max = 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 ρ_i 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 υ_i и линейное ускорение ω_i колебательного движения участка колонны

${\upsilon }_i = {\rho }_i \frac{2\pi }{\tau } {\theta }_{max} \cos \frac{2\pi t}{\tau } \cos \phi ;$

${\omega }_i = – {\rho }_i \frac{4{\pi }^2}{{\tau }^2} {\theta }_{max} \sin \frac{2\pi t}{\tau } \cos \phi , Форм. 15$

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

Сопротивление воды колебательному движению опущенной колонны

$P_i = P_{ск i} + P_{ин i}, Форм. 16$

• где Р_скi, P_{ин i} — скоростная и инерционная составляющие, Н/м;

$P_{ск i} = Сх\frac{\rho }{2}d{\upsilon }_i^2;$

${Р}_{ин i} = {С}_m\rho F{\omega }_i. Форм. 17$

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

${Р}_i = \frac{4{\pi }^2}{{\tau }^2} {\theta }_{max}{\rho }_i \cos \phi (C_x \frac{\rho }{2} d{\rho }_i{\theta }_{max} {\cos }^2 \frac{2\pi t}{\tau } \cos \phi – C_m\rho F \sin \frac{2\pi t}{\tau }). Форм. 18$

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.

Буксировочная мощность N прямо пропорциональна буксировочному сопротивлению R_букс, которое складывается из сопротивления движению на тихой воде Rт. в, сопротивления движению при волнении R_волн и воздушного сопротивления R_возд,

$N\approx 0,01R_{букс}, Л. С.$

$R_{букс} = R_{т. в} + R_{волн} + R_{возд}, Н. Форм. 19$

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

$R_{т. в} \approx 705Вd{\upsilon }_m^{1,83} + 107Вd{\upsilon }_m^{1,7+0,15{\upsilon }_m}, Форм. 20$

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

Волновое сопротивление

$R_{волн} \approx 6,4 \frac{{В}^2}{L} h_{в}^2,$

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

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

$R_{возд} = \rho F_p \frac{{\upsilon }^2}{2}, Форм. 21$

• 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,

$\upsilon = \sqrt{{\upsilon }_m^2 + {\upsilon }_{н}^2 + 2{\upsilon }_m{\upsilon }_{в} \cos \alpha }.$

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

${\upsilon }_{в} = {\upsilon }_6 \frac{In{\displaystyle \frac{z}{z_0}}}{In{\displaystyle \frac{z_6}{z_0}}}, Форм. 22$

• 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 z_{0 ≈} 0,002 м.

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

$F_p \approx 2,05F_{кор} + 0,8F_{в} + {С}_{х}{F}_{к}, Форм. 23$

• где F_кор = BD — площадь поперечного сечения корпуса ПБУ, м²;
• D — высота борта, м;
• F_в — 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 С_в = 0,8;
• С_х — аэродинамический коэффициент обтекания колонны;
• F_к = 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 R_т.в/R_букс 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=R_т.в/R_букс для различных ПБУ и осреднив их. Была получена эмпирическая формула для определения буксировочного сопротивления при транспортировке ПБУ.

$R_{букс} \approx КВd, Форм. 24$

• где К — коэффициент, определяемый по рис. 5.

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

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.