Морева И.Н., Криворчук Л.И.

Севастопольский национальный технический университет

Расчет ветровых нагрузок, действующих на полупогружную плавучую буровую установку

Перед расчетом проектируемого сооружения необходимо получить количественные оценки для всех основных нагрузок, которым оно может быть подвергнуто со стороны окружающей среды в море. В инженерных расчетах воздействия окружающей среды характеризуется в основном ветром в приводном слое атмосферы, поверхностными волнами и течениями, возникающими в условиях жесткого шторма.

Штормовой ветер играет существенную роль в расчете морского гидротехнического сооружения, поскольку он оказывает значительное силовое воздействие на надводную часть сооружения.

Ветровые нагрузки, действующие на морское сооружение, зависят от формы и площади парусности его элементов, а также от скорости ветра. В расчетах скорость ветра представляют в виде суммы средней и пульсационной составляющих, т. е.

(1)

Средняя скорость определяет статическую составляющую ветровой нагрузки на морское сооружение. Она зависит от состояния атмосферы, характера поверхности границы раздела (воздух-вода или воздух-земля) по трассе распространения ветра, высоты точки наблюдения над поверхностью.

В случае, когда границей раздела является открытое море, распределение средней скорости ветра по высоте представляется в виде

, (2)

где – средняя скорость на высоте 10 м; z – высота над границей раздела

Ветровая нагрузка, действующая на полупогружную плавучую буровую установку (ППБУ), определяется в соответствии с правилами Регистра по следующему соотношению:

, (3)

где - массовая плотность воздуха; W – расчетная скорость ветра на высоте 10 метров от уровня тихой воды при десятиминутном осреднении; S_vi - площадь парусности i-го элемента, м²; С_zi - коэффициент, учитывающий изменение скорости ветра по высоте; C_xi - коэффициент сопротивления формы i-го элемента конструкции.

Для определения коэффициента C_zi необходимо вначале определить высоту центра парусности i-го элемента конструкции относительно расчетной высоты 10 м. Для конструкций прямоугольной или близкой к ним центр парусности совпадает с геометрическим центром и в этом случае коэффициент C_zi определяется на основе следующей зависимости изменения скорости ветра с высотой:

, (4)

где z_i - высота центра парусности i элемента относительно высоты 10 м над уровнем моря.

Для тел более сложной формы высоту центра парусности z_v определяем по соотношению:

, (5)

где z_i – высота центра парусности прямоугольного элемента сложной конструкции относительно высоты 10 м над уровнем моря. Величина коэффициента C_zv определяется по соотношению (4) при подстановке значения z_v.

Ветровые нагрузки, действующие на морское гидротехническое сооружение, складываются из ветровых нагрузок, приходящихся на отдельные его части. Для каждой части сооружения, т.е. элементов опорного оснавания, резервуаров, жилого блока, ветровая нагрузка обусловлена вязким трением потока воздуха при обтекании преграды. В связи с этим, в практических расчетах для различного вида преград принимаются следующие значение C_xi:

Преграда	Cxi
Балка прямоугольного сечения	1,5
Круговой цилиндр	0,62
Стена жилого блока	1,5
Выступающие части платформы	1,0

Ветровые нагрузки, действующие на ППБУ, рассчитываются для трех различных режимов: выживания, эксплуатационного и транспортировки. Для сравнения рассчитываются ветровые нагрузки, действующие под различными углами по отношению к диаметральной плоскости ППБУ (0°, 45°, 90°) (рисунок 1).

а)	б)	в)

Рисунок 1 – Направление ветра по отношению к диаметральной плоскости

а) ветер под углом 90°; б) ветер под углом 45°; в) ветер под углом 0°

Для расчета была взята буровая установка "Шельф-1". Она имеет следующие основные элементы и характеристики:

Верхнее строение
Длина, м	62,4
Ширина, м	49,2
Высота, м	6,0
Понтоны
Длина наибольшая, м	92,0
Ширина, м	15,0
Высота, м	6,0
Стабилизирующие колонны
Диаметр, м	9,8
Высота, м	18,5
Осадка
В режиме выживания, м	12
Эксплуатационная, м	14,3
При буксировке, м	5,6

На рисунке 2 представлены полученные результаты (сплошной линией обозначены результаты, полученные для 0°; штрихпунктирной – для 45°; штриховой – для 90°).

Рисунок 2 – Общие ветровые нагрузки, действующие на ППБУ

Полученные данные могут быть полезны при наводке ППБУ на точку бурения. При наводке установку располагают таким образом, чтобы направление максимальной удерживающей силы системы удержания совпадало с направлением максимальных внешних воздействий окружающей среды.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что наибольшее значение ветровых нагрузок наблюдается в режиме буксировки при 0°.

Библиографический список

1. Галахов И.Н. Плавучие буровые платформы / И.Н. Галахов, О.Е. Литонов, А.А. Алисейчик. – Л.: Судостроение, 1973. – 300 с.

2. Доусон Т. Проектирование сооружений морского шельфа / Т. Доусон. – Л.: Судостроение, 1986. – 288 с.