Стійкість морських бурових платформ на м'яких та рухливих ґрунтах
Розробка математичної моделі тривимірної взаємодії хвильових і стаціонарних течій з просторовими конструкціями морських бурових платформ різного типу. Закономірності розмиву ґрунту поблизу та під опорною основою. Верифікація математичної моделі.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 20.10.2013 |
| Размер файла | 38,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Стійкість морських бурових платформ на м'яких та рухливих ґрунтах
Механіка та конструювання суден
Миколаїв - 2007
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Розробка родовищ нафти та газу на шельфі України є одним із найважливіших завдань розвитку паливно-енергетичного комплексу держави. На сьогодні країна видобуває самостійно 24…25% газу та близько 20% нафти від власної потреби. Рівень видобутку в Україні за 1998 рік склав 780,4 млн. м3 газу та 73,7 тис. тонн нафти і газоконденсату. У 2000 році рівень видобутку зменшився до 764,4 млн. м3 та 65,1 тис. тонн. Ресурси української частини Азово-Чорноморського басейну складають приблизно 1,3 трлн. м3 газу, 100 млн. тонн конденсату. За деякими оцінками розробка прогнозних ресурсів на акваторіях Азово-Чорноморського регіону складає усього 2,8%. Настільки низький показник свідчить про те, що подальший розвиток нафтогазової галузі має бути пов'язаний з розробкою шельфу на основі використання морських бурових платформ (МБП) різного типу. Висока вартість і потенційна небезпека для морської екології від пошкоджень та аварій МБП накладають особливі вимоги до їх безпеки при проектуванні та експлуатації.
Спеціальний розділ таких вимог стосується проблеми стійкості МБП на м'яких та рухливих (далі по тексту - слабконесучих) ґрунтах, які переважають на шельфі Азово-Чорноморського басейну. Ці вимоги обумовлюються особливостями експлуатації МБП, які тривалий час знаходяться у точці буріння, і на відміну від суден не можуть уникнути впливу жорстоких штормів, а також необхідністю їх жорсткої фіксації в точці буріння, щоб уникнути пошкодження бурильної колони та свердловини.
Забезпечення стійкості МБП на ґрунті пов'язане з вирішенням відносно складних і недостатньо вивчених питань оцінки екстремальних зовнішніх навантажень і перекидаючих моментів від дії хвиль, вітру, течій, розрахунків сил і моментів утримання платформи на ґрунті з урахуванням заглиблення в нього опорних основ, визначенням характеристик розмиву донного матеріалу під дією придонних хвильових і стаціонарних течій.
Основний комплекс вимог забезпечення стійкості МБП на ґрунті визначено у спеціальному розділі Правил Російського Морського Регістру Судноплавства (МРС), що офіційно діє в Україні, а також у нормативних документах аналогічних класифікаційних товариств. Проте ці документи не містять конкретних розрахункових методів, що також обумовлює актуальність розв'язання науково-прикладної задачі створення чисельних методів розрахунку умов і характеристик стійкості МБП на слабконесучих ґрунтах за широкої варіації зовнішніх умов та конструктивних особливостей бурових платформ на основі сучасних засобів гідродинаміки взаємодії складних конструкцій з хвильовими та стаціонарними течіями, розмиву ґрунту поблизу і безпосередньо під опорною основою МБП.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках цільової наукової програми «Наукові основи нарощування мінерально-сировинної бази України» фундаментальних досліджень НАН України (№ держ. реєстрації 0102U001482) і наукового напрямку кафедри Океанотехніки та кораблебудування Севастопольського національного технічного університету, в яких здобувач брала участь як виконавець.
Мета дисертаційної роботи і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення проектування МБП на м'яких та рухливих ґрунтах шляхом розрахунку зовнішніх гідродинамічних сил від дії морських хвиль і течій, а також сил утримання платформи з урахуванням розмиву ґрунту.
Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішені наступні наукові задачі:
1. Визначено загальні умови стійкості МБП на ґрунті на основі аналізу вимог МРС та оцінки сил зчеплення опорної основи платформи з різними ґрунтами.
2. Розроблено математичну модель тривимірної взаємодії хвильових і стаціонарних течій з просторовими конструкціями МБП різного типу.
3. Виконано верифікацію математичної моделі шляхом порівняння з результатами лабораторних експериментів.
4. Встановлено закономірності розмиву ґрунту поблизу та під опорною основою МБП.
5. Отримано залежності критеріїв стійкості МБП зі зсуву та перекиданню від параметрів зовнішніх впливів.
6. Реалізовано розроблені розрахункові методики і чисельні схеми при проектуванні МБП на слабконесучих ґрунтах.
Об'єктом дослідження є процес силової взаємодії морських хвиль і течій з МБП різного типу.
Предметом дослідження є вплив конструктивних параметрів МБП на їхню стійкість на слабконесучих ґрунтах за широкої варіації параметрів морських хвиль і течій.
Методи дослідження: метод кінцевих об'ємів, використаний для чисельного розв'язання системи рівнянь Нав'є-Стокса з осередненням за Рейнольдсом, що описують просторові розподіли швидкості і тиску під час обтікання конструктивних елементів МБП хвильовими та стаціонарними морськими течіями; метод чисельного розрахунку розмиву дна поблизу і під опорною основою МБП на основі статистичного узагальнення моделі В.О. Іванова та О.Є. Міхінова; метод кінцевих елементів, застосований для розрахунку напруженого стану і деформації опорних колон під дією зовнішніх сил.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Вперше складено і досліджено математичну модель взаємодії просторових конструкцій МБП з хвильовими та постійними течіями, яка описує тривимірний залежний від часу розподіл швидкостей і тиску, що дає змогу визначати діючі на МБП зовнішні сили за широкої варіації параметрів морських хвиль і течій.
2. Отримала подальший розвиток модель розмиву донного матеріалу, яка на відміну від існуючих враховує статистичний розподіл фракцій донного матеріалу за розмірами часток ґрунту, а також поле придонних течій з впливом на нього конструктивних елементів МБП, що дає змогу встановити основні закономірності розмиву ґрунту поблизу та під опорною основою МБП.
3. Удосконалено чисельні схеми розрахунку критеріїв стійкості МБП на м'яких та рухливих ґрунтах шляхом врахування спільної дії зовнішніх сил і моментів від впливу морських течій і хвиль (напрямку, висоти та періоду), а також сил і моментів утримання таких систем на ґрунті, що утворює базову технологію проектування МБП на м'яких та рухливих ґрунтах.
Достовірність результатів дисертаційної роботи. Достовірність теоретичних і прикладних результатів, висновків дисертаційної роботи підтверджується коректною постановкою задачі; коректним чисельним розв'язанням фундаментальних рівнянь гідромеханіки; відповідністю результатів чисельного моделювання даним лабораторних досліджень.
Практичне значення мають:
- методика і комп'ютерна програма розрахунку нестаціонарного просторового розподілу складових швидкості та тиску (зовнішніх сил) під час впливу морських хвиль і течій на МБП різного типу;
- методика розрахунку характеристик розмиву ґрунту поблизу та під опорною основою МБП;
- конструктивне рішення у вигляді додаткового укріплення заглибної бурової установи (ЗБУ), що забезпечує підвищення її стійкості на ґрунті зі зсуву.
Основні результати роботи використані наступними організаціями: ВАТ Центральне конструкторське бюро «КОРАЛ» (м. Севастополь) під час проектування МКСП «Шельф-7» (методика та програма розрахунку хвильової складової гідродинамічного навантаження на морську бурову установку); Морський гідрофізичний інститут Національної академії наук України під час виконання проекту «Ресурси шельфу» цільової наукової програми «Наукові основи нарощування мінерально-сировинної бази України», номер державної реєстрації 0102U001482 (аналіз і обґрунтування оптимальних характеристик бурових платформ і магістральних трубопроводів у шельфових зонах Азово-Чорноморського басейну). Методика та програма розрахунку зовнішніх гідродинамічних сил на МБП різного типу використовується в навчальному процесі, а також у науково-дослідній роботі кафедри Океанотехніки та кораблебудування Севастопольського національного технічного університету.
Конкретна особиста участь автора в одержанні наведених у дисертації наукових результатів полягає у створенні математичної моделі просторової структури нестаціонарних полів швидкості та тиску, які формуються під час впливу морських хвиль і течій на МБП; у розробці методики розрахунку характеристик розмиву та акумуляції ґрунту з урахуванням статистичного розподілу фракцій донного матеріалу і поля придонних течій; у встановленні залежностей критеріїв стійкості МБП зі зсуву та перекидання від параметрів зовнішніх впливів (морських течій і хвиль).
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були представлені і обговорені на науково-технічних конференціях Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України «Системи контролю навколишнього середовища» (Севастополь, 2001, 2002, 2004 р.); VII Севастопольській Міжнародній конференції «Фундаментальні та прикладні проблеми моніторингу і прогнозу стихійних, техногенних і соціальних катастроф» (Севастополь, 2004 р.); міжкафедральному семінарі факультету Морських технологій і судноплавства (Севастополь, 2004 р.); науковому семінарі кафедри морських технологій НУК ім. адмірала Макарова (Миколаїв, 2005 р.); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу НУК ім. адмірала Макарова (Миколаїв, 2004, 2006 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих праць, зокрема 5 статей у збірниках наукових праць, рекомендованих ВАК України для опублікування матеріалів дисертаційних досліджень.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 100 найменувань, 3-х додатків. Основний матеріал викладено на 113 сторінках машинописного тексту, з них 16 таблиць і 56 рисунків. Додатки представлено на 15 сторінках.
математичний морський буровий модель
Основний зміст роботи
Вступ містить обґрунтування актуальності дисертаційної роботи, її основну мету, вирішені задачі, отримані наукові результати, зв'язок з науковими програмами, наукову новизну і практичну цінність.
У першому розділі виконано аналіз основних факторів, що забезпечують стійкість морських бурових платформ на м'яких та рухливих ґрунтах відповідно до вимог МРС. Виділено основні фактори, що визначають умови стійкості МБП на ґрунті:
- механічні навантаження від впливу хвиль і течій;
- сили утримання МБП на морському дні;
- розмив донного матеріалу під дією хвиль і течій поблизу і під опорною основою МБП.
Розглянуті постановка завдання дослідження і стан проблеми.
Наведено огляд існуючих методів розрахунку стійкості МБП на ґрунті у вітчизняній і закордонній літературі. Роботи, присвячені питанням стійкості і міцності при проектуванні споруд морського шельфу, виконані: О.О. Алисейчиком, І.М. Галаховим, К.Я. Капустіним, В.О. Лобановим, Р.І. Вяхіревим, В.П. Шостаком. Однак, через істотні відмінності архітектури, режимів і умов експлуатації МБП, існуючі методи розрахунку умов стійкості МБП на ґрунті носять загальний характер і не враховують можливого різноманіття процесів їхньої взаємодії з морським середовищем. Необхідно відзначити роботи, присвячені вивченню питань визначення гідродинамічних навантажень на МБП від дії хвиль, вітру, течій (Л.Є. Анапольська, М.Ф. Барштейн, Б.Х. Глухівський, В.М. Кушнір, Д.Д. Лаппо, О.Є. Литонов, І.Ш. Халфін), вирішенню завдання розрахунку сил утримання МБП на ґрунті (Т. Доусон). В галузі теорії літодинамічних процесів на морському шельфі відомі дослідження В.О. Іванова, О.Є. Міхінова, В.М. Кушніра. Відомі методи розрахунку зовнішніх сил і моментів не враховують основні особливості й різноманіття процесів взаємодії конструкції платформ з морськими хвилями і течіями, зони концентрації перепадів тиску і пов'язаних із цим сил, а також не враховується вплив неоднорідності поля хвильових і стаціонарних течій на розмив ґрунту під опорною основою МБП. Досягнення закордонних фахівців знайшли відбиття в Правилах класифікаційних товариств, однак ці правила містять лише принципові вимоги до конструкцій, а конкретні методи розрахунку умов стійкості в них відсутні. Таким чином, у відомих роботах відзначена принципова важливість питання стійкості МБП на ґрунті, визначено основні напрямки вирішення цієї проблеми шляхом розрахунку зовнішніх сил і моментів, а також зіставлення їх з силами й моментами утримання установки.
Розроблено напрямки дослідження і технологічна карта дисертаційної роботи. Наведено класифікацію типів слабконесучих ґрунтів та їх фізико-механічних властивостей.
Розроблено чисельну схему розрахунку осідання в ґрунт і критичного зусилля зрушення опорної основи МБП. Як приклад, виконано розрахунки цих величин стосовно ЗБУ «Тазов-1» проекту ЦКБ «Корал» (м. Севастополь) при різних значеннях притискного навантаження і характеристик шарів ґрунту. Отримані результати показали, що величини заглиблення опорної основи відносно мало залежать від комбінації параметрів ґрунту і визначаються, в основному, характеристиками його верхнього шару й величиною притискного навантаження. Чисельні розрахунки показали також, що при характерних параметрах заглиблення 0,1…0,2 м, зусилля зсуву передньої крайки ґрунту стосовно зусилля тертя й зрушення є величиною біля одного відсотка.
У другому розділі побудована загальна теоретична база дисертаційної роботи.
Обґрунтовано методи розрахунку зовнішніх сил на складні конструкції МБП різного типу. Враховано імовірнісний розподіл зовнішніх сил на МБП залежно від швидкості вітру й напрямку поширення хвиль. Показано, що імовірнісні розподіли параметрів поверхневих хвиль (висоти, періоду, довжини) для хвиль малої амплітуди відповідають імовірнісному розподілу Вейбула.
Складено тривимірну математичну модель взаємодії хвильових і стаціонарних течій з просторовими конструкціями МБП на основі використання рівнянь Нав'є-Стокса з осередненням за Рейнольдсом.
Для замикання системи використовуються транспортні рівняння кінетичної енергії турбулентності і швидкості її дисипації в одиниці об'єму (k-е модель турбулентності).
Відповідно до k-е моделі турбулентності, визначається через величини кінетичної енергії турбулентності k і дисипації цієї енергії, де;,; - відстань від твердої поверхні стінки. Функція дає змогу врахувати перехід від ламінарного руху до турбулентного.
На поверхні моря дрейфова швидкість течії Up утворює з віссю кут . Складові швидкості поверхневої течії вздовж осей ox, oy залежно від швидкості вітру обчислюються з використанням відомих емпіричних співвідношень або гідродинамічних моделей, а також за даними кліматичних довідників.
2. Визначається геометрія МБП у заданій системі прямокутних декартових координат x, y, z. На поверхні конструкції МБП і на дні задається умова прилипання (складові вектора швидкості течії дорівнюють нулю, тобто ).
3. На бічній границі (стінка Ly2), яку хвиля й середня течія проходять після взаємодії з платформою, задається умова Зоммерфельда (умова не відбиття хвильових збурень).
Для розв'язання завдання необхідно завдати початкові умови. У розглянутому випадку, у початковий момент часу задається однорідний потік з постійною швидкістю й незбурене хвильове поле, а також, з огляду на турбулентний характер течії, задаються інтенсивність турбулентності It та шлях перемішування lp. Чисельне розв'язання завдання виконується методом кінцевих об'ємів, при якому дискретні рішення визначаються як середнє значення за обсягом чарунки і ці значення приписуються її центру. Використано наступні припущення: 1. Постійна глибина моря на відстані не менше 10 довжин хвиль. 2. Структура поверхневих хвиль відповідає моделі потенційних хвиль малої амплітуди, тобто амплітуда значно менше довжини хвилі і глибини моря. Можливість використання такої розрахункової схеми витікає з діаграми Доусона. 3. Відтворюються вихрові структури, сумірні з розмірами розрахункової сітки. Особливістю чисельних розрахунків є необхідність обґрунтування кроку розрахункової сітки на основі аналізу масштабу відтворених вихрів швидкості течії при обтіканні конструктивних елементів.
Виконано верифікацію математичної моделі шляхом порівняння з результатами лабораторних експериментів, які були проведені для елементів колони фермового типу триопорної самопіднімальної плавучої бурової установи (СПБУ) у масштабі 1:60 в дослідному басейні ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова (м. Санкт-Петербург). У ході досліджень експериментальним шляхом визначено коефіцієнти хвильового та інерційного опору фермових конструкцій, а також виконано аналіз хвильових навантажень для різних кутів б підходу хвиль до площини симетрії колони. Коефіцієнти опору визначалися за навантаженнями, обміряними на маятниковій установці.
Розроблено методику розрахунку величин розмиву та акумуляції донного матеріалу поблизу і безпосередньо під опорною основою МБП різного типу, на підставі статистичного узагальнення моделі В.О. Іванова та О. Є. Міхінова. Ця модель доведена до рівня розрахункової схеми. У ній враховано формування тангенціальних напруг на деформованому дні в умовах його рифельної будови під дією гідродинамічних процесів: вітрового хвилювання і течій, а також використано результати численних, аналітичних і експериментальних досліджень характеристик енергетичних втрат турбулентного потоку в береговій зоні відкритих водойм. Особливістю даної розрахункової схеми є те, що в ній фігурує середній діаметр часток донного матеріалу, у той час, коли реальний піщаний ґрунт містить частки розміром 0,05…10 мм.
При виконанні розрахунків враховується структура течій поблизу дна, сформована під час взаємодії фонового хвильового й стаціонарного потоків з опорною основою ПБУ. При цьому розв'язання рівнянь (1-3) виконується зі змінними, через певні інтервали розрахункового часу, крайовими умовами на дні з урахуванням зміни напрямку хвиль і течії.
У третьому розділі об'єктом дослідження є процес силової взаємодії морських хвиль і течій з МБП різного типу. Виконано аналіз стійкості ЗБУ «Тазов-1» від параметрів зовнішніх дій.
Розміри розрахункової області: Lx1= Lx2=100 м, Ly1= Ly2=100 м, Н=10 м. Вибір цих величин обумовлений, з одного боку, максимальною довжиною хвилі (43 м при швидкості вітру 40 м/с) і, з іншого, обмеженням можливості комп'ютера (кількості розрахункових чарунок). Центр координат знаходиться на поверхні моря, у центрі розрахункової області.
При виконанні розрахунків використовувались параметри поверхневих хвиль, що відповідають швидкості штормового вітру в діапазоні 20…40 м/с, обчислені для глибини Н = 10 м на основі напівемпіричних моделей, які застосовують для інженерних гідродинамічних розрахунків.
Дані обчислення тиску на поверхні опорної основи були використані для визначення горизонтальних гідродинамічних сил Fx, Fy за різних кутів поширення хвиль щодо осей опорної основи. Аналіз результатів досліджень показав, що при куті поширення хвиль б = 90є значення Fv є максимальним і приблизно в 1,5 рази перевищує значення сил при інших кутах і досягає величини 8000 кН.
Результати розрахунку просторового розподілу швидкості течії при обтіканні опорної основи ЗБУ були використані для визначення величини інерційної складової гідродинамічного навантаження Fі. За результатами розрахунків величина інерційної складової гідродинамічного навантаження досягає 216 кН, що складає 2,5% від величини сумарного гідродинамічного навантаження. У зв'язку з цим, при виконанні подальших розрахунків величина інерційного навантаження Fі обтікання понтона ЗБУ не враховувалася.
Виконані чисельні розрахунки основних складових коефіцієнта запасу стійкості kст проти зсуву ЗБУ для різних типів ґрунтів (мул, глина, пісок), швидкостей вітру і напрямку поширення хвиль показали, що в деяких випадках імовірні зсуви платформи (коефіцієнт запасу стійкості істотно менший критичного значення, що дорівнює 1,5). Така ситуація може, зокрема, виникнути, коли бурова установка встановлена на мулистому ґрунті, швидкість вітру досягає 40 м/с, напрямок поширення хвиль і течії становить кут 90є стосовно поздовжньої осі платформи, а притискне зусилля є мінімальним внаслідок витрати основних технологічних запасів бурової установки.
Отримані дані послужили підставою для додаткового зміцнення платформи на ґрунті за допомогою трьох масивних паль, що вдавлюються у ґрунт на глибину до 12 м і установки на корпусі конструкцій для кріплення таких паль.
Виконано чисельний розрахунок розмиву ґрунту дна, який показав, що за швидкості штормового вітру 40 м/с і куті поширення хвиль 45є поблизу опорної основи ЗБУ формуються локальні області розмиву донного матеріалу, причому максимальна величина розмиву досягає 2,0 м/доб. При зменшенні швидкості штормового вітру до 20 м/с і при тому ж куті поширення хвиль, величина розмиву зменшується приблизно в 4 рази і досягає 0,5 м/доб.
Досліджено питання забезпечення стійкості СПБУ на слабконесучих ґрунтах, стосовно двох типів: 1. Чотирьохопорна СПБУ типу «Каспій» з башмаком шестигранної форми і фермовою конструкцією опорної колони, квадратною в перетині; 2. Триопорна СПБУ типу «Арктична» з башмаком круглої форми й фермовою конструкцією опорної колони, трикутною в перетині.
Чисельний гідродинамічний розрахунок складової швидкості при обтіканні опори СПБУ типу «Каспій» виконано для гідрометеорологічних умов Чорного й Азовського морів при штормовій швидкості вітру 20…40 м/с. Гідродинамічний розрахунок поля швидкості течії при обтіканні опори СПБУ типу «Арктична» виконано при штормовій швидкості вітру 45 м/с і глибині моря 100 м, для трьох кутів поширення хвиль б = 0є, б = 90є, б = 180є.
Результати розрахунку просторового поля тиску для СПБУ «Арктична» при штормовій швидкості вітру W = 45 м/с і різних кутах набігання хвилі показали, що спостерігаються певні деформації природного хвильового поля тиску, обумовлені опорою СПБУ. Особливості просторового поля тиску полягають у наступному: значна неоднорідність у вигляді областей збільшення й зменшення тиску з характерними перепадами порядку 200…350 Па у вузлах фермової конструкції, 150…200 Па поблизу різних частин башмака основи. Особливо виражені області збільшення тиску перед опорою у напрямку поширення течії, де його швидкість зменшується.
Стосовно розглянутої СПБУ «Арктична» отримано наступні оцінки: на основі даних про параметри ґрунту в районі експлуатації СПБУ були обчислені залежності і відносні величини заглиблення основи СПБУ. Розрахунки показали, що за різних комбінацій властивостей ґрунту величина заглиблення опорної основи може змінюватися у межах 0,78…1,36 м, причому ці величини відносно мало залежать від комбінації параметрів ґрунту й обумовлюються, головним чином, характеристиками його верхнього шару та величиною притискного навантаження. Отримані оцінки можливого заглиблення основи використані для оцінок граничних горизонтальних навантажень на СПБУ. Ці навантаження визначаються, головним чином, значеннями притискних навантажень, площею основи та характеристиками верхнього шару ґрунту.
На основі використання тривимірної гідродинамічної моделі обтікання СПБУ «Арктична» хвильовими і стаціонарними течіями обчислено екстремальні сили зсуву та перекидні моменти. Ці величини зіставлені з величинами сил і моментів утримання установки, які враховують осідання опорних основ у ґрунт. У результаті отримані детальні залежності коефіцієнтів запасу стійкості СПБУ за різних умов. Значення розрахункових коефіцієнтів зсуву kзс перевищують нормативні і знаходяться у межах 4,75…5,25. Таким чином, вимоги МРС у частині стійкості щодо зсуву задовольняються. Розрахункові значення коефіцієнтів запасу щодо перекидання kпер перевищують нормативні kпер?1,5, аналогічно висновку щодо зсуву.
У четвертому розділі реалізовано розроблені розрахункові методики і чисельні схеми при проектуванні МБП на слабконесучих ґрунтах.
Отримано конкретні результати при розв'язанні наступних задач: 1. Результати чисельних розрахунків коефіцієнтів стійкості ЗБУ «Тазов-1» показали, що в деяких ситуаціях можливі зсуви платформи на слабконесучому мулистому ґрунті. Для виключення таких ситуацій по бортах ЗБУ передбачене розміщення 3-х паль, несуча здатність яких достатня для ліквідації дефіциту зі зсуву установки. Чисельне моделювання процесу розмиву донного матеріалу поблизу опорної основи бурової платформи й безпосередньо під нею, дає змогу завчасно виявити найнебезпечніші ситуації, пов'язані з нахилами та/або зсувом ЗБУ, а також здійснити різні заходи для запобігання втрати стійкості. 2. На основі використання тривимірної гідродинамічної моделі обтікання СПБУ хвильовими і стаціонарними течіями виконано розрахунок напруг і деформації металоконструкції опори СПБУ «Арктична» для найбільш несприятливого кута вітрохвильового впливу. Міцність металоконструкції опори перевірена при навантаженнях робочого режиму на глибині стоянки 100 м. Як розрахунковий метод при перевірці загальної міцності конструкції, використовується метод кінцевих елементів при стрижневій ідеалізації конструкції. Результати показали, що загальна міцність і стійкість опори в робочому режимі забезпечена відповідно до вимог Правил МРС. 3. Виконані чисельні розрахунки коефіцієнтів стійкості проти зсуву і перекидання для триопорної СПБУ «Арктична» і чотириопорної СПБУ «Каспій» при однакових впливах морського середовища показали, що запас стійкості чотириопорної установки в 1,5 рази вище ніж у триопорної.
У додатках наведені: верифікація чисельної схеми взаємодії стаціонарних течій з конструкціями циліндричної форми, розрахунок характеристик перенесення донного матеріалу в районах Чорного та Азовського морів, акти впровадження результатів дисертаційної роботи.
Висновки
1. У дисертаційній роботі розв'язано актуальну науково-прикладну задачу удосконалення проектування МБП на м'яких та рухливих ґрунтах шляхом розрахунку зовнішніх гідродинамічних сил від дії морських хвиль і течій, а також сил утримання платформи з урахуванням розмиву ґрунту. Актуальність поставленого наукового завдання обумовлена відсутністю досліджень стійкості МБП на слабконесучих ґрунтах на основі сучасних методів гідродинаміки взаємодії складних конструкцій з хвильовими і стаціонарними течіями, а також урахуванням розмиву ґрунту поблизу і безпосередньо під опорними основами МБП.
2. Визначено основні фактори, що забезпечують стійкість МБП на слабконесучих ґрунтах. До них належать: зовнішні сили на МБП від впливу хвиль і течій; сили утримання МБП на морському дні; розмив донного матеріалу під дією хвиль і течій поблизу і під опорною основою МБП.
3. Доведено, що механічні властивості ґрунту й структура його шарів значною мірою визначають параметри взаємодії опорної основи МБП з морським дном, тобто величину його заглиблення, силу опору зсуву установки, силу зчеплення з морським дном. Для визначення цих характеристик розроблено чисельну схему розрахунку величини осідання в ґрунт і критичного зусилля зрушення опорної основи МБП.
4. Вперше складено і досліджено математичну модель тривимірної взаємодії просторових конструкцій МБП з хвильовими та постійними течіями, яка описує тривимірний залежний від часу розподіл швидкостей і тиску на основі використання рівнянь Нав'є-Стокса з осередненням за Рейнольдсом і з параметризацією тензора підсіткових напружень на основі k-е моделі турбулентності. Це дало змогу обчислити нестаціонарні просторові розподіли швидкості і тиску. За результатами розрахованого поля тиску визначено зовнішні сили і моменти, що діють на елементи обтічних конструкцій МБП за широкої варіації параметрів морських хвиль і течій.
5. Виконано зіставлення результатів чисельних розрахунків з даними лабораторних експериментів. Відносне відхилення результатів теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень не перевищує 10…15%.
6. Отримала подальший розвиток модель розмиву донного матеріалу, яка на відміну від існуючих враховує статистичний розподіл фракцій донного матеріалу за розмірами часток ґрунту, а також поле придонних течій з впливом на нього конструктивних елементів МБП, що дає змогу встановити основні закономірності розмиву ґрунту поблизу та під опорною основою МБП.
7. Удосконалено чисельні схеми розрахунку критеріїв стійкості МБП на м'яких і рухливих ґрунтах шляхом врахування спільної дії зовнішніх сил і моментів від впливу морських течій і хвиль (напрямку, висоти та періоду), а також сил і моментів утримання таких систем на ґрунті, що утворює базову технологію проектування МБП на м'яких та рухливих ґрунтах.
8. Показано, що при хвильовому й стаціонарному обтіканні конструктивних елементів МБП формуються зони збільшення швидкості течії на 40…50% стосовно фонової величини і зони затінення. Поле тиску характеризується значною неоднорідністю із зонами концентрації до 300…400 Па поблизу різних частин конструкції.
9. Отримано загальні залежності швидкості розмиву ґрунту від зовнішніх умов, конструктивних параметрів МБП різного типу та імовірнісного розподілу розмірів часток ґрунту. Розрахунки розмиву ґрунту поблизу опорної основи ПБУ під дією хвиль і течій показали, що формується плямиста картина переміжних областей розмиву і акумуляції ґрунту з характерними розмірами цих областей 5…10 м уздовж напрямку поширення хвиль і 30…50 м уздовж їхніх гребенів. Максимальний розмив ґрунту може досягати 2 м/доб при безперервному і стійкому за напрямком вітру зі швидкістю 40 м/с.
10. Отримано детальні залежності коефіцієнтів запасу стійкості МБП проти зсуву та перекидання від параметрів зовнішніх впливів. У тому числі визначені найнебезпечніші режими стосовно ЗБУ, які відповідають наступним умовам: найбільш критичним є режим, коли бурова установка встановлена на мулистому ґрунті, у цьому випадку коефіцієнт запасу стійкості щодо зсуву може досягати значень порядку 1,5…2, за реальної величини осідання опорної основи в ґрунт.
11. Реалізація розроблених розрахункових методик і чисельних схем при проектуванні МБП на слабконесучих ґрунтах показана на прикладах підвищення стійкості на ґрунті ЗБУ «Тазов-1», розрахунку міцності металоконструкції опори СПБУ, а також за чисельного моделювання впливу морського середовища на МБП різного типу.
12. Практичне впровадження результатів дисертаційної роботи відображено в актах впровадження: ВАТ Центральне конструкторське бюро «КОРАЛ» (м. Севастополь), під час проектування МКСП «Шельф-7» (методика та програма розрахунку хвильової складової гідродинамічного навантаження на морську бурову установку); Морський гідрофізичний інститут Національної академії наук України під час виконання проекту «Ресурси шельфу» цільової наукової програми «Наукові основи нарощування мінерально-сировинної бази України», номер державної реєстрації 0102U001482 (аналіз і обґрунтування оптимальних характеристик бурових платформ і магістральних трубопроводів в шельфових зонах Азово-Чорноморського басейну). Результати досліджень впроваджені в навчальний процес, а також у науково-дослідну роботу кафедри Океанотехніки та кораблебудування Севастопольського національного технічного університету.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Проведення земельних робіт при влаштуванні перетину. Визначення обсягів земляних робіт із вилучення ґрунту для влаштування дорожніх одягів. Ступінь розпушування ґрунту залежно від типу, врахування його значень при влаштуванні дорожнього одягу.
реферат [9,8 K], добавлен 12.08.2009Особливості побудови кам’яних композицій. Роль альпінаріїв в зеленому будівництві. Технологія закладення рокаріїв - елементів оформлення території, композиційною основою, яких є камінь. Підбір декоративних елементів та рослин для альпінаріїв і рокаріїв.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 11.01.2012Розробка системи внутрішнього водопостачання та водовідведення двох житлових десятиповерхових будинків: проведення гідравлічного розрахунку мережі та перепадів тиску колодязного типу, підбір лічильників води, проектування каналізації і очисних фільтрів.
дипломная работа [475,0 K], добавлен 14.06.2011Аналіз послідовності робіт по підсиленню фундаментів в лесових ґрунтах. Вибір засобів механізації. Розробка технології підсилення стовпчастого фундаменту буроін’єкційними палями і ростверком. Калькуляція затрат праці і заробітної плати на 1 елемент.
контрольная работа [437,5 K], добавлен 06.02.2016Визначення об’ємів земляних робіт. Розбивка стін колодязя на яруси бетонування. Вибір крану для монтажу збірних конструкцій опускного колодязя. Технологія розробки та транспортування ґрунту. Вибір засобів комплексної механізації при розробці ґрунту.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.12.2014Розробка проекту благоустрою та озеленення саду у місті Миколаєві: підбір та обґрунтування асортименту рослин, агротехніка підготовки ґрунту під насадження. Схема влаштування системи автоматичного зрошення й освітлення. Кошторис витрат на виконання робіт.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 02.01.2014Завдання і функції дорожніх машин. Історія дорожнього будівництва. Методи ущільнення асфальтобетонного покриття. Класифікація катків. Сучасні катки країн СНД та світових виробників. Розрахунок та вибір основних параметрів, економічне обґрунтування моделі.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 10.10.2014Умови місцевості в зоні розташування будівельного майданчика. Підрахунок об’ємів земляних робіт і розподіл земляних мас. Вибір комплектів машин для розробки ґрунту при плануванні майданчика. Розробка технологічної карти на виконання земляних робіт.
контрольная работа [143,8 K], добавлен 24.07.2011Типи жорсткості елементів ферми і балки. Епюра поздовжніх сил у стержнях ферми. Деформована схема рами, статичний розрахунок плоскої рами. Побудова векторів вузлових навантажень. Вузлові переміщення як кінематичні характеристики дискретної моделі.
контрольная работа [544,0 K], добавлен 04.05.2015Методи організації будівельно-монтажних робіт. Вибір методів виконання робіт та визначення обсягів будівельно-монтажних робіт. Складання сітьової моделі будівництва теплотраси. Проектування будівельного генерального плану та основні вимоги до нього.
контрольная работа [96,8 K], добавлен 01.10.2013
