Влияние внешней нагрузки и глубины акватории. Оценку влияния отдельных факторов на статическое напряженно- деформированное состояние моноопоры целесообразно начать с определения худших условий ее нагружения. Очевидно, что чем больше волнение, тем больше статические напряжения в моноопоре. Поэтому ее напряженное состояние исследуется для предельных значений волновых нагрузок и различных условий нагружения ее верхнего конца, характерных для каждого периода эксплуатации. Анализ результатов этих исследований позволяет сделать следующие выводы.

С ростом высоты моноопоры и величины воздействующих на нее внешних нагрузок возникающие в ней напряжения увеличиваются (рис. 5.1). С увеличением диаметра и толщины стенки моноопоры напряжения в ней уменьшаются (рис. 5.2).

В период подъема бурового снаряда из скважины приложенная к моноопоре технологическая сила Р направлена вниз. При этом она приводит к возникновению в сечениях моноопоры изгибающего момента, направленного противоположно изгибающим моментам от остальных нагрузок (рис. 5.3, •). Поэтому в таком случае ее напряженно-деформированное состояние менее опасно, чем даже при отсутствии технологической силы.

Рис. 5.1. Зависимость напряжения о в моноопоре диаметром 0,324 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р₁ = 24,5 кН при высоте морской волны h = 1,5 м от разных факторов:

а - расчетной высоты L моноопоры: 1 - Р = 60 кН и направлена вверх; 2 - Р = 0; 3 - Р = 25 кН и направлена вниз; б - величины и направления тех - нологической силы Р: 1 - L = 14 м; 2 - L = 23 м; 3 - L = 32 м

Для моноопоры высотой 30 м и диаметром 0,324 м, эксплуатируемой при высоте морской волны 1,5 м, построены эп ю р ы напряжений для различных значений и вариантов направления технологической силы (рис. 5.4). Вид формы изогнутой

Рис. 5.2. Зависимость напряжения о в моноопорах разных диаметров D и толщин стенки 6 в период отстоя (Р = Р₁ = 0) при высоте морской волны 3 м от расчетной высоты L моноопоры:

Номер кривой на рисунке 12 3 4

D, м 0,219 0,219 0,324 0,324

6, м 0,01 0,014 0,01 0,014

оси моноопоры от величины и направления силы Р существенно не меняется. Для случая, когда сила Р = 60 кН и направлена вверх, форма изогнутой оси моноопоры изображена на рис. 5.5.

Худшему напряженному состоянию моноопоры соответствуют максимальные углы поворота ее верхнего сечения (рис. 5.6). В подтверждение справедливости высказанного выше утверждения об ухудшении напряженного состояния моноопоры с ростом высоты морской волны, на рис. 5.7 представлена зависимость максимальных напряжений в моноопорах различных диаметров и высот от высоты волны.

Следовательно, для определения наихудшего статического напряженно-деформированного состояния моноопоры ее р асчет должен выполняться для условий предусмотренных максимально возможных высот волн и нагружения ее верхнего конца силами тяжести буровых механизмов и растягивающей технологической. В дальнейшем в этом разделе анализ влияния на статическое напряженное состояние моноопоры остальных рассматриваемых факторов выполнен для следующих условий (если специально не оговаривается): эксплуатации ее при высоте морской волны 1,5 м; нагружения ее верхнего конца силой тяжести буровых механизмов Р₁ = 24,5 кН, соответствующей их массе в 2500 кг, и растягивающей технологической силой Р = 60 кН.

л /

Рис. 5.3. Схемы к оценке влияния действия технологической силы Р, направленной вверх (а) и вниз (б), на напряженно-деформированное состояние моноопоры

Однако в общем случае нельзя утверждать, что изменения напряжений изгиба в моноопоре строго обратно пропорциональны квадрату изменения диаметра и толщине их стенки труб.

Во-первых, изменение параметров D и 6 приводит к изменению момента инерции I = nD ³6/8 сечения моноопоры. П р и продольно-поперечном изгибе момент инерции сечения оказывает влияние на величину внутреннего изгибающего момента. Как следует, например, из формулы (4.44), с ростом момента инерции I уменьшается значение второго слагаемого в скобках и, следовательно, уменьшается изгибающий момент от сил тяжести моноопоры.

X, м

Рис. 5.4. Эиюры напряжений в моноопоре диаметром 0,324 м, эксплуатируемой на глубине акватории 26 м (расчетная высота моноопоры 30 м) при высоте морской волны 1,5 м, в зависимости от величины и направления технологической силы Р:

1 - Р = 25 кН и направлена вниз; 2 - Р = 0; 3 - Р = 60 кН и направлена вверх

Во-вторых, при изменении внешнего диаметра моноопоры изменяются равнодействующая волнового давления Q, и для

большинства высот волн координаты точки а ее приложения к моноопоре (см. табл. 3.4). Соответственно изменяется и изгибающий момент в опасном сечении от этой силы.

В-третьих, от параметров D и 6 моноопоры зависит распределенная сила ее тяжести:

q = уF « ynD 6,

где у - плотность материала моноопоры в воде. Сила собственной тяжести при изгибе моноопоры приводит к возникновению дополнительных изгибающих моментов. Поэтому изменение величины q также будет влиять на напряжения в моноопоре.

Рис. 5.7. Зависимость напряжения о в моноопорах разных диаметров D и высот L из труб с толщиной стенки 0,01 м при Р = 0 и Р₁ = 0 от высоты морской волны h:

Номер кривой на рисунке 12 3 4

D, м 0,273 0,273 0,324 0,324

L, м 24 19 24 19

Составной, хотя в большинстве случаев незначительной, частью общих напряжений в моноопоре являются напряжения растяжения-сжатия. Площадь поперечного сечения F моноопоры пропорциональна ее диаметру и толщине стенки, а сила тяжести собственно моноопоры - ее площади. Если вер х ний конец моноопоры не нагружен, то изменение ее диаметра и толщины стенки не влияет на возникающие напряжения растяжения-сжатия. В случае присутствия в составе внешней нагрузки приложенных к верхнему концу моноопоры продольных

Рис. 5.8. Зависимость напряжения а в моноопоре, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р_± = 24,5 кН и технологической растягивающей силой Р = 60 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от различных факторов:

а - диаметра D моноопоры; • - толщины 6 стенки моноопоры диаметром D = = 0,324 м; 1 - L = 19 м; 2 - L = 29 м

Таким образом, при эксплуатации моноопоры вне плавоснования увеличение диаметра и толщины стенки труб положительно влияет на ее напряженное состояние. Зависимость максимальных напряжений в моноопоре от параметров D и 6 имеет ярко выраженный гиперболический характер. Поэтому оптимальный выбор этих параметров для конкретной глубины акватории, волнового режима и диапазона изменения технологической нагрузки - одна из основных задач создания моноопоры, рациональной по прочностным характеристикам.

Влияние установочного угла и эксцентриситета р асполо- жения буровых механизмов. В общем случае центр масс буровых механизмов, установленных на верхнем конце моноопоры, может располагаться эксцентрично относительно центра ее сечения, а сама моноопора может быть установлена с отклонением от вертикали. В случае совпадения линии эксцентриситета е центра масс механизмов и плоскости установочного угла

Рис. 5.9. Зависимость напряжения о в моноопоре, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р₁ = 24,5 кН и технологической растягивающей силой Р = = 60 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от установочного угла ф наклона моноопоры (а) и эксцентриситета е положения центра масс механизмов на моноопоре (б):

Номер кривой на рисунке 12 3 4

L, м 29 29 19 19

D, м 0,324 0,377 0,324 0,377

ф с направлением волновой нагрузки напряженное состояние моноопоры заметно ухудшается, особенно с ростом глубины акватории. Причиной этого является возникновение дополнительных изгибающих моментов, сонаправленных с суммарным изгибающим моментами от основной нагрузки. Зависимость роста максимальных напряжений в моноопоре от параметров е и ф имеет практически линейный характер (рис. 5.9). Оценивая полученные графические результаты, можно сделать следующее заключение.

При проектировании механизмов для бурения с моноопоры и выбора схемы их компоновки на ее платформе нельзя допускать большого эксцентриситета центра масс этих механизмов.

При стабилизации моноопоры в грунте морского дна и в процессе бурения с нее необходимо контролировать допустимое значение ее установочного угла наклона.