Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Существующие методы анализа якорных связей и райзеров морских плавучих сооружений 19
1.1 Типы морских плавучих сооружений, использующих в своем составе якорные связи и раизеры 19"
1.2 Конструкции якорных связей и райзеров морских плавучих сооружений 25
1.2.1 Конструкции якорных связей 25
1.2.2 Конструкции морских райзеров 33
1.2.3 Проблемы анализа статики и динамики плавучих сооружений, оценки их долговечности с учетом реакции якорных связей и райзеров 43
1.4 Статический анализ якорных связей и райзеров морских плавучих сооружений 57
1.4.1 Методы статического анализа якорных связей 57
1.4.2 Методы статического анализа жестких райзеров 61
1.4.3 Методы статического анализа гибких райзеров 62
1.5 Динамический анализ якорных связей и райзеров морских плавучих сооружений 65
1.5.1 Динамический анализ якорных связей 65
1.5.2 Динамический анализ райзеров 67
1.5.3 Учет влияния взаимодействия с дном на процедуру анализа динамики якорных связей и райзеров 78
1.6 Анализ усталостной прочности якорных связей и райзеров 79
1.6.1 Анализ усталостной прочности при линейной реакции конструкций на волновую нагрузку 79
1.6.2 Анализ усталостной прочности при нелинейной реакции конструкций на волновую нагрузку 84
1.7 Задачи исследования 92
Глава 2 Разработка модели для анализа динамики якорных связей и райзеров сооружений континентального шельфа 93
2.1 Модель якорных связей и райзеров 93
2.2 Уточнение внутренних усилий 100
2.2.1 Определение опасных сечений при действии максимальных нагрузок 111
2.3 Учет движения жидкости, находящейся под давлением 113
2.4 Сила, вызывающая вибрации при срыве вихрей воды 117
2.4.1 Направление движения 117
2.4.2 Собственные частоты движения райзера 118
2.4.3 Частота срыва вихрей 120
2.4.4 Определение силы, действующей на райзер при срыве вихрей 123
2.5 Моделирование взаимодействия якорной связи или райзера и дна 130
2.6 Уравнение движения якорных связей и райзеров, с учетом дополнительных сил 132
Глава 3: Инженерная методика анализа долговечности якорных связей и райзеров 134
3.1 Применение «метода дождя» для анализа долговечности якорных связей и райзеров 134
3.2 Применение спектрального метода для анализа долговечности якорных связей и райзеров 140
Глава 4: Расчеты статики и динамики якорных связей и райзеров 145
4.1 Верификационный расчет статики и динамики гибкого райзера на примере исследования, проведенного Carl М. Larsen 146
4.2.1 Статическая задача при наличии продольного течения 152
4.2.2 Статическая задача при наличии поперечного течения 154
4.2.3 Результаты динамических расчетов 156
4.2 Расчет опор стационарной морской платформы в программах Ansys и Anchored Structures 158
4.3 Расчет морской опоры под ветрогенератор в программах Ansys и Anchored Structures 161
4.4 Исследование работы системы «стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал - танкер - буксир» 165
Глава 5: Расчет долговечности бурового райзера 168
5.1 Верификационный расчет методом «дождя» на примере полигармонической синусоидальной функции 168
5.1.1 Полигармоническая синусоидальная функция 169
5.1.2 Спектральное представление функции 170
5.1.3 Подсчет циклов колебаний 171
5.2 Расчет долговечности бурового райзера 177
5.2.1 Характеристики судна Noble Leo Segerius 178
5.2.2 Характеристики бурового райзера 180
5.2.3 Внешние условия 184
5.2.3 Результаты моделирования 186
Заключение 190
Список литературы 191
Содержание 206
- Конструкции якорных связей и райзеров морских плавучих сооружений
- Уточнение внутренних усилий
- Моделирование взаимодействия якорной связи или райзера и дна
- Расчет долговечности бурового райзера
Введение к работе
Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью научного обоснования проектных решений при обустройстве углеводородных месторождений российского континентального шельфа. Актуальность данной работы также связана с необходимостью определения погодных условий, при которых обеспечивается безопасная эксплуатация морских сооружений, оборудованных якорными системами удержания, буровыми или добычными райзерами.
Райзер соединяет шельфовое сооружение с устьем скважины находящейся на дне. Соответствующие типы райзеров используются для бурения скважин и транспортировки углеводородов из скважины на сооружение.
Основными целями данной работы являются:
Разработка методики совместного трехмерного моделирования поведения морских платформ, якорных связей и райзеров;
Разработка методики моделирования динамики якорных связей и райзеров;
Разработка инженерной методики оценки прочности и долговечности якорных связей и райзеров.
Для реализации этих целей были поставлены следующие задачи:
Разработка методики, позволяющей достаточно точно и быстро оценивать напряженно-деформированное состояние якорных связей и райзеров с учетом: возможности значительных изменений конфигурации; влияния движения жидкости, находящейся под давлением внутри райзера; срыва вихрей; взаимодействия якорных связей и гибких райзеров с дном.
Разработка методики моделирования совместной динамики сооружения и якорных связей и райзеров, с учетом вышеперечисленных особенностей.
Разработка методики анализа долговечности якорных связей и райзеров на основании вероятностного моделирования их поведения под действием внешних нагрузок.
Достоверность результатов обуславливается использованием известных физических закономерностей и апробированных методик, а также подтвержда-
і... '*
ется сопоставлением с результатами расчета в программных продуктах, использующихся при проектировании морских сооружений. Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана процедура вычисления внутренних усилий в элементах якорных связей, раизеров, позволяющая достаточно точно и быстро получить данные о напряженно-деформированном состоянии.
Разработан упрощенный способ учета влияния жидкости, движущейся под давлением внутри райзера, на его поведение, что особенно актуально для гибких добычных раизеров.
Разработана методика математического моделирования трехмерной совместной динамики сооружения, якорных связей и раизеров, с учетом особенностей якорных связей и раизеров, таких как взаимодействие с грунтом, влияние внутренней жидкости и срыва вихрей.
Разработана методика анализа долговечности якорных связей и раизеров с применением метода «дождя» для определения усталости с учетом нелинейности реакции якорных связей и раизеров и полигармоническом характере нагружения.
На защиту выносится:
Процедура вычисления внутренних усилий в якорных связях и райзе-рах.
Способ учета влияния внутренней жидкости, движущейся под давлением, на поведения райзера.
Методика математического моделирования трехмерной совместной динамики сооружения, якорных связей и раизеров, с учетом их особенностей.
Методика анализа долговечности якорных связей и раизеров с применением метода «дождя» для определения усталости при полигармоническом нагружении.
Практическая значимость работы подтверждается тем, что проблемы расчета динамики жестких и гибких раизеров неоднократно обсуждались в материалах международных конференций, но до сих пор нет единой устоявшейся
методики анализа их динамических свойств. Настоящая работа позволяет подготовить методики для инженерного анализа динамики якорных связей и рай-зеров, которые затем могут быть интегрированы в различные программные комплексы, и использоваться при реализации отечественных проектов обустройства месторождений континентального шельфа.
Результаты исследования реализованы при выполнении четырех НИР по заказу ОАО ЦКБ МТ Рубин, ОАО ЦКБ «Коралл» и ООО «Морские нефтегазовые проекты».
Апробация результатов исследования. По теме настоящего исследования были сделаны доклады на следующих конференциях:
Международные конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа СНГ RAO-2003, RAO-2005, RAO-2007, Санкт-Петербург;
Политехнический симпозиум: Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона, 2004 г., Санкт-Петербург;
Международная молодежная конференции Гагаринские чтения, 2006 г., Москва;
Результаты исследования отмечены премией конкурса в области энергетики и смежных наук «Новая генерация 2008» проводимого совместно Российской Академией Наук и ОАО РАО «ЕЭС России».
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 10 печатных работах, а также в ходе работы над диссертацией был разработан алгоритм программы для электронных вычислительных машин SpectRain, реализованный совместно с Фроловым С.А.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Список литературы содержит 150 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Общий объем работы составляет 206 страниц печатного текста, 57 рисунков, 22 таблицы.
Автор выражает искреннюю благодарность кандидату технических наук С.А. Фролову и доктору физико-математических наук А.Д. Сергееву за внимание к работе, ценные советы и консультации.
Конструкции якорных связей и райзеров морских плавучих сооружений
Существующие конструкции связей весьма разнообразны. Это, в первую очередь, стальные цепи, стальные и нейлоновые тросы, различающиеся погонным весом, модулем упругости Юнга, предельными допустимыми и разрывными натяжениями. Связи подразделяются на якорные, т.е. заканчивающиеся якорным устройством на дне акватории, и швартовые, заканчивающиеся на другом плавучем или стационарном сооружении. Мы будем рассматривать, в первую очередь, якорные связи, хотя принципиального различия при расчете этих вариантов нет. На якорные связи могут быть прикреплены массивы и плавучести для придания связи необходимых геометрических и жесткостных характеристик. Применяют также комбинированные якорные связи, где, например, одна и та же якорная линия состоит из нескольких участков по длине - якорных цепей и стальных тросов в соответствии с рисунком 1.7 [17].
Промышленность выпускает многочисленные виды стальных канатов тросовой работы, которые характеризуются диаметрами, погонной массой, разрывными усилиями, временным сопротивлением проволок разрыву, формой поперечных сечений, числом прядей и количеством проволок в прядях, видом свивки, типом сердечников. По конструктивному признаку различают стальные проволочные канаты одинарной свивки (спиральные), двойной свивки и тройной свивки [18]. Диаметры проволок нормированы, при этом в одном и том же тросе диаметры проволок могут быть одинаковыми или разными. При свивке проволок применяется точечное, линейное и комбинированное (точечное и линейное) касание проволок между слоями в прядях. В соответствии с этим различают типы прядей и канатов: ТК - с точечным касанием проволок; ЛК-О -с линейным касанием проволок при одинаковых диаметрах последних; ЛК-Р - с линейным касанием проволок при различных диаметрах последних и т.п. Сердечники канатов изготавливаются из органических материалов (пеньки, льна, манилы), мягкого металла или из синтетических материалов. Сердечники сохраняют смазку в тросах и делают их более гибкими. В якорных системах удержания применяются круглые стальные тросы из канатной стальной оцинкованной проволоки (покрытие цинком, алюминием) и с органическими сердечниками [18]. Одним из свойств стальных проволочных канатов является их гибкость, по которой принимаются диаметры барабанов лебедок, блоков и других устройств. Канаты характеризуются: коэффициентом гибкости kg, представляющим собой величину отношения диаметра каната к диаметру проволок; коэффициентом плотности кр1, представляющим собой величину отношения суммарной площади поперечных сечений всех проволок в канате к общей площади каната.
Для применяемых в морском деле проволочных канатов характерными величинами отмеченных коэффициентов являются =28,0-15,5; =0,51-0,42 [19]. Разрывное усилие для стального проволочного каната в целом меньше суммы разрывных усилий для всех входящих в канат проволок и составляет 82-90% от суммарного разрывного усилия проволок. Это объясняется неравномерным распределением усилий между проволоками в канате, наличием свивки проволок и прядей. В ГОСТах для стальных канатов приводятся расчетные разрывные усилия: «суммарное всех проволок в канате» и «каната в целом». Стальные тросы как элементы якорных систем обычно находятся в воде. Принято учет силы взвешивания в воде производить снгокением силы тяжести каната. Поэтому при расчетах следует иметь в виду, что вследствие взвешивания сила тяжести (вес) стального каната в воде уменьшается на 15% по сравнению с силой тяжести в воздухе. Стальные проволочные канаты являются упругими. Под действием растягивающего усилия удлинение стального троса больше, чем было бы удлинение пучка входящих в канат стальных проволок, если бы последние имели вид прямых. Поэтому модуль упругости проволочного каната имеет меньшую величину, чем модуль упругости стали, из которой изготовлены проволоки. Здесь имеют значение вид свивки, углы наклона проволок к осям прядей, углы наклона прядей к оси каната, отношение суммы площадей поперечных сечений всех проволок в канате к общей площади поперечного сечения каната, тип сердечников и др. При действии растягивающей нагрузки происходят спрямления проволок прядей, общая площадь поперечного сечения троса уменьшается, а модуль упругости увеличивается. Рекомендуется считать, что при равной половине от разрывной нагрузки на трос, модуль упругости последнего больше в среднем на 65% от первоначального значения [19]. Находившиеся в эксплуатации проволочные канаты имеют модули упругости больше чем новые (по некоторым рекомендациям, больше чем новые в 1,5-2,0 раза). Именно для новых канатов характерны значительные остаточные удлинения в начальный период времени их эксплуатации. Это приводит, например, к ослаблению якорной системы удержания в
Уточнение внутренних усилий
Для описания напряженно-деформированного состояния райзера автором была разработана кусочно-линейная модель, которая позволяет провести уточнение внутренних усилий. Заменяем два стержня модели райзера между любыми узлами I и III упругой линией, т.е. считаем, что нет узла II. Узлы I и III соединяются виртуальным стержнем, длиной L, в соответствии с рисунком 2.2, для которого рассчитываются значения изгибающего момента и перерезывающей силы, в том числе в точке, совпадающей с узлом II, и определяются опасные сечения. В программе это проделывается для каждого узла, кроме первого и последнего. Таким образом, происходит уточнение внутренних усилий по всему райзеру. Из решения уравнения (2.1) известны перемещения узловых точек I и III на конце стержня I-III. В соответствии с теорией стержней определяются усилия в середине стержня I-III, при помощи уравнения изгиба упругой линии (2.14). где \i = EI- изгибная жесткость стержня, Е- модуль Юнга, /- момент инерции сечения стержня, w - прогиб стержня. Стержень I-III является растяжимой балкой Бернулли-Эйлера. В этой модели растягивающие усилия определяется по закону Гука, а поперечная сила определяется через изгибающий момент. Считаем, что торцы стержня закреплены в сферических шарнирах и движение этих шарниров известно. где RjH Rm - радиус-векторы узлов /и III, отсчитываемые от произвольной опорной точки в соответствии с рисунком 2.2.
Имея известные касательные к упругим линиям, которые являются моделями стержней, можно получить тензоры поворота, которые связаны с упругими деформациями. Для этого найдем неподвижные векторы тензоров поворота, обеспечивающие совмещение т с т7_7/ на торце s-О (вектор и7), и совмещение т с т/7_777 на торце s = L(вектор пш). Здесь s - обобщенная координата, отсчитываемая вдоль сечения в недеформированной конфигурации. Зная неподвижные векторы тензоров поворота, сами тензоры восстановить достаточно просто. В Эйлеровом представлении они имеют вид [127]: где, ф0-угол, на который необходимо повернуть т до совмещения С Xj_u на торце 5 = 0, фй - угол, на который необходимо повернуть т до совмещения с хп_ш на торце s = L, и0- орт направления нормальной нагрузки при s=0, nL— орт направления нормальной нагрузки при s=L; Q (ф0«7)- тензор поворота стержня I - II; Q (ФІ«/я)- тензор поворота стержня II - III. Поскольку повороты предполагаются малыми, то тензоры поворота могут быть переписаны следующим образом: редполагаем, что направление внешней нагрузки нормальной к стержню / монотонно меняется вдоль длины стержня в соответствии с рисунком 2.3 и ее можно записать следующим образом: 109 По первому закону динамики Эйлера для закрытых тел (уравнению баланса количества движения): скорость изменения количества движения тела А равна внешней силе F_, действующей на тело со стороны окружения. где Кх - количество движения тела-точки. Для упругого безинерционного стержня, для которого величина продольной силы является постоянной, первый закон динамики Эйлера принимает вид: Определим значение поперечной силы, при помощи интегрирования выражения баланса сил (2.52): Перепишем выражение для внешней нагрузки в виде Разложим в ряд функции cos vs и sin vs, и пренебрегая величинами второго и третьего порядка малости, проинтегрируем выражение (2.54): ПО Подставим выражение (2.55) в (2.53): По определению второго закона динамики Эйлера для закрытых тел (уравнению баланса кинетического момента): скорость изменения кинетического момента тела А, вычисленного относительно опорной точки Q, равна моменту AQ. где К_2 - кинетический момент тела-точки, вычисленный относительно опорной точки Q, зафиксированной в данном теле отсчета. Для упругого безинерционного стержня, для которого величина продольной силы является постоянной, второй закон динамики Эйлера принимает вид [127]: M = -I0xg (2-58) Подставим выражение (2.56) в выражение (2.58): М ( ) = -1хб(0) + — SVTXW0+ X(TXW0), (2.59) — v v 2 Применим свойство двойного векторного произведения, проинтегрируем и,пренебрегая величинами второго и третьего порядка малости, получим: Таким образом, при помощи выражений (2.61) (2.62) можно определять внутренние усилия в райзерах, что позволяет уточнить напряженно-деформированное состояние райзера под воздействием динамических нагрузок.
Для проверки прочности и надежности райзера необходимо знать величины экстремальных нагрузок и сечения, которые подвергаются воздействию таких нагрузок. В данном случае необходимо найти значение обобщенной координаты s, для которой изгибающий момент и поперечная сила между узлами I и III принимают максимальные по модулю значения. 112 Для этого надо найти квадрат модуля, как функцию s и проверить на экстремум (производная должна быть равна нулю). В точках st и s t вычисляются напряжения. Так как известны выражения для M_(s) и Q(s), то при помощи необходимых преобразований получаем из выражений (2.64) и (2.65) выражения для st и s»: Таким образом, в рамках существующей модели была разработана процедура уточнения определения значений перерезывающей силы и изгибающего момента в узловых точках модели якорных связей и райзеров; предложен способ поиска опасных сечений при действии перерезывающей силы и изгибающего момента. Это позволит оценить напряжения, возникающие в якорных связях и райзерах под действием внешних нагрузок, выявить напряжения, превышающие предельные, и оценить накопление усталостных повреждений за время эксплуатации.
Моделирование взаимодействия якорной связи или райзера и дна
В первой главе было обосновано применение метода «дождя» для схематизации процесса нагружения якорных связей и райзеров. Рассмотрим этот метод подробнее. Пример схематизации по методу «дождя» приведен на рисунке 3.1. При схематизации удобно представить, что ось времени направлена вертикально вниз. Пусть линии, соединяющие соседние экстремумы - это последовательность крыш, по которым стекают потоки дождя [122]. -40-30-,0-1р135 Траектории потоков определяют в соответствии со следующими правилами приведенными в ГОСТ 25.101-83 [123]: - Потоки начинаются с внутренней стороны экстремумов. последовательно. Каждый поток определяет полуцикл нагружения. Величину размаха определяют проекцией траектории потока на ось нагрузки. - Поток, начавшийся в точке минимума, прерывается, когда встретится минимум меньший, чем исходный (т.е. расположенный левее исходного). Например, поток из минимума Г стекает до тех пор, пока не достигнет точки А, лежащей напротив минимума 3 , и в этой точке останавливается т.к. минимум 3 является первым по прядку минимумом, который оказался левее минимума Г. - Поток, начавшийся в точке максимума, прерывается в тот момент, когда встретится максимум больший, чем исходный (более правый максимум). Например, поток из максимума 1 прерывается сразу после точки Г, так как в этом месте он пришел в точку, лежащую напротив максимума 3 - первого по порядку максимума, лежащего правее исходного максимума 1. - При встрече на одной из крыш нескольких потоков движение продолжает тот, который берет начало в экстремуме с меньшим номером, а остальные прерываются. Например, поток, начавшийся с минимума 5 , останавливается в точке под максимумом 5, так как в этом месте он встречается с потоком, стекающим с минимума 3 через точки 4, 5, 6 и т.д. - Поток, не встретивший препятствий, падает на землю.
Например, поток из минимума8 , падает на землю с максимума 11. - Каждая часть осциллограмм должна быть пройдена струями только один раз. После того, как струи проведены, подсчитывают полуциклы, соответствующие размахам напряжений цикла, определяемым началом и концом струи. Иначе говоря, размах, соответствующий некоторому потоку дождя, равен расстоянию, пройденному потоком по горизонтали (проекции потока на горизонтальную ось от начала до конца струи). Размах напряжений равен удвоенной амплитуде 2 ха, где та - амплитуда напряжения. Каждый размах соответствует одному полуциклу напряжений. Амплитуды напряжений в данной работе предлагается определять по условию Губера-Мизеса для плоского напряженного состояния. Однако как было сказано в первой главе, в некоторых случаях гипотеза Треска - Сен-Венана или условие постоянства максимальных напряжений может лучше подходить для описания напряженно-деформированного состояния, но этот вывод можно сделать только на основе экспериментальных исследований конкретного материала. Общий алгоритм обработки диаграммы напряжений по методу «дождя», предлагаемый автором, представлен на рисунке 3.2. Представленный алгоритм метода «дождя» был разработан автором и реализован в программе SpectRain совместно с Фроловым С.А. Для статистического представления результатов схематизации используют различные функции распределения [123]: h(x) - распределение частот повторения х. Н(х)- распределение накопленных частот повторений х. F3(x) - эмпирическая функция распределениях. f (х) - эмпирическая функция плотности распределениях. Где х - значение случайной величины та. Для выполнения расчетов эмпирические функции распределения амплитуд описывают каким-либо аналитическим законом или осуществляют ступенчатую аппроксимацию. 3.1.1 Расчет долговечности якорных связей и райзеров
Под долговечностью при циклическом нагружении понимается число циклов до разрушения - Np, в некоторых работах - число циклов до зарождения трещины [134]. В соответствии с формулой Мэнсона (линейная гипотеза суммирования усталостных напряжений) суммарное усталостное повреждение за сложный цикл [135] имеет вид: где п - число видов простых циклов; N; — число циклов с одинаковой амплитудой нагрузки; Npj - соответствующее число циклов до разрушения, определяемое по кривой усталости материала труб. По правилам РМРС [36] усталостная прочность трубопровода должна проверяться также на базе линейной гипотезы суммирования усталостных напряжений, однако необходимо использовать коэффициент запаса, равный десяти. Обычно суммарное усталостное повреждение не должно превышать единицы, однако в зависимости от количества данных, используемых в расчетной кривой усталости, могут использоваться различные коэффициенты запаса, при выборе которых необходимо руководствоваться соответствующими нормативными документами и экспериментальными данными. Оценка усталостной прочности трубопровода должна учитывать асимметрию циклических напряжений и двуосность напряженного состояния материала трубы.
Кривая усталости материала труб может быть получена путем специальных испытаний или взята из применимого международного или национального стандарта. В данной работе определения долговечности якорных связей или райзеров предлагается применить численное полновероятностное моделирование. Это предлагается сделать по следующей методике: а) Сначала вся совокупность ветро-волновых режимов в заданной акватории разделяется на ряд краткосрочных стационарных режимов. Для каждого принятого у-го режима (/-1,2,...,JV) задается вероятность его возникновения Pj, направление распространения, спектр волнения, направление и скорость ветра и течения. Далее решается динамическая задача поведения сооружения и связей на волнении. В результате решения определяются эквивалентные напряжения в соответствии с формулой (1.6), возникающие в связях, с определенным временным шагом.
Расчет долговечности бурового райзера
При ручном подсчете числа циклов колебаний с различным размахом в периодическом процессе, изображенном на рисунке 5.1 за период, равный тысяче секунд, непосредственно по графику колебаний в соответствии с ГОСТ 25.101-83 [123], получились результаты, приведенные в таблице 5.3. Из данных, приведенных в таблицах 5.2 и 5.3 можно сделать вывод, что при сложении нескольких синусоид возникают колебания с теми амплитудами, которые были в исходных синусоидах, а также возникают колебания с другими амплитудами, равными различным вариациям суммы амплитуд исходных функций. Число циклов также не равно простой сумме циклов отдельных функций с заданными амплитудами. В целом получается, что суммарное число колебаний меньше, однако появляется большее количество колебаний с большей амплитудой. Из этого следует, что при обработке случайной периодической функции опасно раскладывать ее на простые синусоиды и работать только с ними, необходимо учитывать особенности всего процесса. 70 Суммарное число циклов 199 При обработке колебаний компьютерным расчетом по методу «дождя» и спектральному методу, были получены результаты, приведенные в таблице 5.4. Таблица 5.4. Число колебаний за тысячу секунд, полученное при обработке колебаний при помощи метода «дождя» и спектрального метода. Размах колебаний, МПа Число циклов по методу «дождя» Число циклов по спектральному методу 14 1 Таблица 5.4.
Продолжение. Размах колебаний, МПа Число циклов, по методу «дождя» Число циклов по спектральному методу 16 0 18 20 20 0 22 19 24 0 26 0 28 0 30 0 32 0 34 1 36 0 38 0 40 0 42 0 44 0 46 0 48 0 50 0 52 0 54 0 56 0 58 0 60 0 62 0 70 10 0 Суммарное число циклов 199 175 Из данных, приведенных в таблице 5.4, следует, что результаты, полученные при помощи компьютерного расчета по методу «дождя», сходятся с результатами, полученными при ручной обработке графика колебаний в соответствии с таблицей 5.3. Однако, результаты, полученные при использовании спектрального метода, не согласуются с результатами, приведенными в таблице 5.3. Причина расхождений очевидна - закон распределения амплитуд напряжений не соответствует закону распределения Рэлея, который используется в спектральном методе. Таким образом, этот пример наглядно показывает, что спектральный метод не подходит для обработки процессов с ярко выраженными регулярными составляющими. Такие процессы не характерны для волнения, однако, регулярные колебания могут возникнуть и превалировать при колебании райзера или жесткой опоры на собственных частотах. Также такие нагрузки могут возникнуть в связях плавучей платформы, подвергающейся воздействию ровного льда. Пример моделирования взаимодействия ровного льда и плавучей платформы приведен на рисунке 5.3.
В результате моделирования было выявлено, что максимальные значения ледовых нагрузок возникали в моменты, предшествующие очередному циклу излома льда и зависели от его прочности, толщины, скорости движения, объема ранее отколовшихся льдин, которые находились под текущей поверхностью, взаимодействующей с корпусом льдины и.т.п. В результате указанных причин временная диаграмма ледовой нагрузки представляла собой последовательность пиков, амплитуда которых была распределена в достаточно широком диапазоне. Типичный пример подобной зависимости представлен на рисунке 5.4. В тоже время диаграмма изменения силы натяжения одной из связей платформы имеет совершенно другой характер, в соответствии с рисунком 5.5. Очевидно, что временная изменчивость силы натяжения в основном связана с колебаниями заякоренного сооружения на собственной частоте, развивающимися под действием льдов. В январе 2003 года корпорация Noble успешно установила первый алюминиевый райзер на буровом судне Noble Leo Segerius, работающем на глубине 3040 футов (927 м) в Бразилии. Этот райзер позволяет проводить буровые работы и на большей глубине [142]. Сплав из алюминия, магния и цинка, названный «Сплав 1980Т1» был продуктом военно-морской программы Советского Союза. Этот сплав стал предметом многолетнего исследования корпорации Noble, с бюджетом в несколько миллионов долларов. Сейчас буровой райзер из алюминиевого сплава является основой развития технологий бурения на шельфе. Советские исследователи разработали один из самых прочных алюминиевых сплавов в мире, а также технологии для сварки и обработки для его использования. Сплав 1980Т1, созданный для космических и военно-морских целей, с заявленным пределом текучести в 350 МПа и предельной прочностью на разрыв в 400 МПа, сравним со многими углеродистыми сталями, но весит на 40 процентов меньше. Сейчас, корпорации Noble имеет работающие буровые райзеры из алюминиевого сплава на шельфе Бразилии и в Мексиканском заливе. А также планирует использовать этот материал в нескольких глубоководных проектах в будущем [143]. Проведем расчет долговечности бурового райзера, использующегося на буровом судне Noble Leo Segerius методом «дождя», по алгоритму разработанному автором. И сравним результаты с результатами расчета того же райзера по общепринятому спектральному методу. Судно Noble Leo Segerius (бывшее Polly Bristol), изображенное на рисунке 5.6 было спроектировано компанией GustoMSC и построено ШС Gusto Shipyard и Boele Shipyard в соответствии с требованиями Det Norske Veritas. Это судно относится к буровым судам с системой динамического позиционирования класса Pelican [144].
