Menu

Расчет моноопоры по допускаемым напряжениям и предельным состояниям

В конечном итоге в результате расчетов необходимо получить ответ на вопрос, удовлетворяет или нет моноопорное основание при заданных условиях эксплуатации тем требованиям надежности, которые к нему предъявляются. Без этого анализ напряженного состояния сам по себе не имеет целевого назначения.

Наиболее часто расчеты на прочность выполняют по допускаемым напряжениям [о]. В расчетах на статическую и динамическую прочность стальных конструкциИ допускаемое напряжение представляет собоИ частное от деления предела текучести материала конструкции от на коэффициент запаса Ко. В расчетах на выносливость величина [о] устанавливается относительно предела выносливости материала. При необходимости контроля значениИ линеИных или угловых перемещениИ расчеты выполняют в соответствии с допускаемыми перемещениями.

Расчеты на статическую прочность выполняют для большинства конструкциИ. При этом рассматриваются худшие экстремальные условия эксплуатации, а внешним силовым факторам присваиваются максимально возможные их значения.

Если внешняя нагрузка переменна во времени и частота ее изменения достаточно близка к частоте собственных колебаниИ конструкции, то ее напряженно-деформированное состояние значительно ухудшается. Сделать правильное заключение о надежности в этом случае можно только, произведя расчет на динамическую прочность.

Расчет на выносливость (усталостное разрушение) выполняют, если конструкция воспринимает многократно повторяющиеся нагрузки с количеством циклов нагружения 100 тыс. и более [27]. Необходимость таких расчетов при переменных напряжениях обусловлена эффектом понижения прочности из- за прогрессивно развивающихся микротрещин в конструктивно ослабленных зонах и опасных сечениях.

Для моноопоры повторяющеИся переменноИ во времени на- грузкоИ является волновое давление. ПериодическиИ характер волнового давления может стать причиноИ возникновения в моноопорах колебаниИ напряжениИ, амплитуда которых в 10 раз больше значениИ напряжениИ, полученных в результате статического расчета (см. раздел 4. 5). Поэтому расчет ди- намическоИ прочности для моноопор обязателен.

Число циклов Ын нагружения моноопоры связано с периодом Т, волновоИ нагрузки соотношением Ын = Тэв, где Тэ - время эксплуатации моноопорного основания. В диапазоне высот волн от 0,25 до 3 м их период составляет от 2 до 7 с (см. табл. 3.2) и с ростом высоты волн увеличивается. Время с момента установки моноопоры до окончания буровых работ обычно не превышает 1-2 световых днеИ. С учетом темного времени суток можно считать, что нахождение моноопоры на точке акватории ограничено в большинстве случаев 36 часами. За 36 ч при высоте волн 0,25 м волновая нагрузка произведет

около 65 тыс. циклов нагружения моноопоры, а при высоте волн 3 м - около 18,5 тыс. И в том и другом случаях число циклов нагружения меньше, чем то, по достижении которого предусмотрено выполнение расчетов на выносливость.

Однако при многократном повторном использовании труб моноопоры общее число циклов нагружения, воспринятых ими от волновоИ нагрузки, может превысить порог 100 тыс. (хотя при различноИ ориентации труб моноопоры относительно движения волн, меняющихся гидрологических условиях и тех- нологическоИ нагрузке простое суммирование циклов нагружения неприемлемо).

При расчетах на усталостное разрушение в качестве напряжения предельного состояния принимается предел выносливости, значение которого будет уменьшено за счет коэффициентов, учитывающих концентрацию напряжениИ, размеры конструкции, асимметрию цикла нагружения и некоторые другие факторы. Значение предела выносливости для сталеИ примерно в 2 раза меньше предела текучести. Очевидно, что необоснованное решение о необходимости расчета моноопор на выносливость приведет к значительному снижению допускаемых напряжениИ. Это сузит область практического применения моноопор или потребует их изготовления из дорогостоящих высокопрочных сталеИ.

Представляется, что в настоящее время для моноопор следует ограничиваться расчетами только по динамическоИ прочности. Располагая методиками динамического расчета напряженного состояния моноопор, для расчета прочности по допускаемым напряжениям остается решить только вопрос о назначении коэффициента запаса.

Коэффициент запаса прочности Ко учитывает влияние тех факторов, которые оказывают существенное влияние на надежность эксплуатации конструкции. К этим факторам относятся следующие: неоднородность механических своИств материала; наличие местных напряжениИ; неточности при определении значениИ и характера деИствия внешних нагрузок; приближенность методов расчета напряжениИ; специальные требования по ответственности и безопасности и т.п.

Правильно оценить и учесть при расчетах долю влияния каждого перечисленного фактора в отдельности часто сложно. Поэтому обоснованный выбор коэффициента запаса является очень важноИ задачеИ. Занижение его величины способно повлечь разрушение конструкции. Увеличение этого коэффициента сверх необходимого значения ведет к возрастанию массы, габаритов, стоимости изготовления и эксплуатации моноопоры.

Таким образом, требование по надежности вступает в противоречие с требованием по экономичности.

При выборе коэффициентов запаса для проектируемых конструкций целесообразно сравнивать условия их эксплуатации с условиями эксплуатации конструкций, подобных им и удовлетворительно работающих. Руководствуясь этим соображением, при выборе коэффициента запаса для моноопор рекомендуется обратить внимание на большой накопленный опыт эксплуатации на шельфе бурильных колонн.

Анализ специальной литературы по теории и практике работы бурильных и обсадных труб, в том числе эксплуатируемых при бурении нефтегазовых скважин с плавоснований, показывает, что в расчетах на прочность бурильных и обсадных колонн коэффициенты запаса по динамической прочности отдельно не вводят. Динамический характер нагрузок, включая волновое давление, учитывают, увеличивая в 1,2-1,3 раза их максимальные значения, а общий коэффициент запаса прочности устанавливают в диапазоне 1,3-1,5 [22, 31].

Из анализа результатов, полученных в разделе 4 и разделах 5.1-5.5 настоящей главы, следует, что механическое распространение такого подхода к расчетам моноопорных оснований неприемлемо. Коэффициент динамичности по изгибающим моментам для моноопор может быть существенно больше, чем 1,2-1,3.

Определяющее значение для напряженного состояния моноопоры имеют напряжения от продольно-поперечного изгиба, а влиянием напряжений кручения практически можно пренебречь. Поэтому условие прочности для моноопор можно представить в виде

[image]

где о - напряжение в моноопоре только от продольно- поперечного изгиба.

Существенным недостатком метода расчета по допускаемым напряжениям и допускаемым угловым перемещениям является то, что многообразие факторов, влияющих на прочность, учитывается только одним общим коэффициентом запаса. Часто это приводит к тому, что прочностная способность спроектированных конструкций используется далеко не полностью, т.е. наибольшие рабочие напряжения в них оказываются значительно ниже опасных. С точки зрения экономической эффективности такие конструкции не являются оптимальными. Применительно к моноопорным основаниям существенное занижение рабочих напряжениИ по сравнению с пределом текучести материала означает, что для работы в заданных условиях могла бы быть использована моноопора из труб меньшего диаметра. Следовательно, меньше были бы затраты материальных и финансовых средств на изготовление, транспортировку, монтаж моноопоры и т.п.

Устанавливая единый для всех случаев коэффициент запаса, судить о прочности моноопоры сложно. Проанализируем, например, влияние на напряженное состояние в моноопоре возможных перегрузок по волновой нагрузке и технологической силе.

Величина волновой нагрузки QB и координата а точки ее приложения к моноопоре являются функциями непосредственно высоты h морской волны и сразу нескольких параметров, которые изменяются с изменением h (см. раздел 3). Зависимость о от h при эксплуатации моноопоры вне плавоснования близка к линеИноИ (см. рис. 5.7), а при эксплуатации в его проеме она практически кусочно-линейна (см. рис. 5.17). Однако коэффициент пропорциональности между величинами о и h (угол наклона кривых на рисунках) не является постоянным для моноопор с разными характеристиками и установленных на акваториях с разными глубинами. Следовательно, для различных условиИ эксплуатации зависимость коэффициента запаса по напряжениям Ко от коэффициента запаса по высоте морскоИ волны неоднозначна. Увеличение высоты волны от одного и того же значения на одну и ту же величину может в различных условиях привести к росту напряжения в различное количество раз.

Зависимость напряжений от величины и направления тех- нологическоИ силы в целом имеет нелинеиный характер (см. рис. 5.1, б и 5.15). При этом чем более экономически эффективна конструкция моноопоры для работы на акватории заданной глубины (чем меньше ее диаметр при соблюдении условия прочности), тем нелинейность этой зависимости более выражена. Очевидно, что для различных условий эксплуатации зависимость Ко от коэффициента запаса по технологическоИ силе, так же как и от коэффициента запаса по высоте волны, не будет однозначной.

Выполненный анализ зависимости напряженного состояния моноопоры от высоты морскоИ волны и технологической силы позволяет заключить, что из-за неопределенности зависимости коэффициента запаса по напряжениям Ко от коэффициентов запаса по технологической силе и высоте волны сделать корректный вывод о возможности восприятия моноопорой перегрузок без нарушения ее работоспособности затруднительно. Поэтому на практике при расчете моноопор более целесообразно использовать дифференциальныИ метод выбора коэффициентов запаса. В нем возможность отклонения в неблагоприятную сторону влияющих на напряженное состояние факторов учитывают путем введения коэффициентов запаса по каждому из них отдельно.

Введем обозначения: К01 - коэффициент запаса, учитывающий неоднородность свойств (надежность) материала и отступления, допущенные в процессе изготовления моноопоры, от заданноИ геометрии; К02 - коэффициент запаса, учитывающий упрощения и допущения, введенные в расчетные схемы и методы определения волновоИ нагрузки и максимальных напряжениИ в моноопоре; К1 - коэффициент запаса, отражающий достоверность определения величины технологической силы и возможность перегрузок для нее; К2 - коэффициент запаса, отражающий возможность образования морских волн с высотой больше максимальноИ нормативной, соответствующей гидрологическим режимам волнения, при которых возможна эксплуатация моноопоры. Коэффициент К2 используется при расчете равнодействующей волновой нагрузки QB и координаты точки ее приложения.

К силам тяжести буровых механизмов и моноопоры понятие перегрузок неприменимо. Они постоянны и могут быть рассчитаны с высокой точностью.

Влияние на напряженное состояние моноопоры местных напряжений незначительно, так как появление локальных пластических деформациИ не представляет опасности для прочности стальных конструкций в целом. Поэтому коэффициент запаса по местным напряжениям для моноопоры можно не вводить.

Специфических требований по безопасности для бурения с моноопоры по схеме с дистанционным управлением не предъявляется, условия ее эксплуатации не относятся к особым и неблагоприятным. Поэтому коэффициент запаса по назначению моноопоры также не вводится.

Коэффициенты К01 и К02 учитывают, уменьшая предел текучести материала, в результате чего получают так называемый расчетныИ предел текучести материала. Возможность превышения своих нормативных значений технологической силой Р в К1 раз и высотоИ h волны в К2 раз учитывается умножением этих коэффициентов соответственно на нормативную величину силы Р и параметра h. Максимальные напряжения в моноопоре, рассчитанной с учетом введения коэффициентов К1 и К2, должны оставаться меньше расчетного предела текучести материала.

При кратковременных перегрузках, незначительно превышающих предел текучести, возникающие в моноопоре пластические деформации достаточно малы и не приводят к потере ее несущей способности и разрушению. Поэтому при достаточноИ точности методов расчета напряжениИ коэффициенты запаса К1 и К2 для моноопоры можно устанавливать минимальными.

Коэффициент перегрузки по технологическим силам при проектировании морских стационарных буровых платформ рекомендуется принимать равным 1,2. Столь высокое его значение обусловлено тем, что необходимо учесть динамическую составляющую вертикальных нагрузок от двигателей и механизмов, которая возникает в пусковых режимах и при внезапном изменении сопротивления пород на забое.

При бурении разведочных скважин с моноопорных оснований для создания технологических усилий используют преимущественно гидравлическое оборудование. Создаваемые им усилия даже при внезапном возрастании сопротивления пород на забое в процессе бурения практически не приводят к динамическим эффектам. Принимая решение при выборе коэффициента запаса по технологическоИ силе целесообразно разделять случаи эксплуатации моноопоры вне плавоснования и внутри его проема.

Для рационально спроектированных моноопор, эксплуатирующихся вне плавоснования, напряженное состояние в период деИствия сжимающеИ технологическоИ силы неопасно. Перегрузки в силе Р в этот период наоборот приводят к уменьшению максимального сжимающего напряжения в моноопоре (см. рис. 5.1). Поскольку для схемы III величина и направление технологической силы оказывают незначительное влияние на собственную частоту колебаниИ моноопоры, то здесь использование коэффициента запаса по сжимающей технологической силе теряет физический смысл и для статического, и для динамического расчета.

Коэффициент К1 запаса по технологической силе для моноопор, эксплуатирующихся вне плавоснования, следует устанавливать только при расчетах напряженного состояния, когда эта сила направлена вверх. Особенности бурения на базе гидравлического оборудования позволяют выбрать этот коэффициент минимальным, например, равным 1,05.

Как следует из графиков, представленных на рис. 5.14 и 5.15, при эксплуатации моноопор в проеме плавоснования напряженное состояние в период деИствия сжимающей технологическоИ силы может быть более опасным, чем в период действия растягивающей силы. Поэтому здесь коэффициент запаса по технологической силе необходимо вводить в расчеты в обоих случаях. Значение коэффициента К1 по возможным перегрузкам в растягивающеИ технологической силе может быть выбрано таким же, как и в случае эксплуатации вне плавоснования. При выборе коэффициента К1 по перегрузкам в сжимающей технологической силе целесообразно ориентироваться на рекомендации нормативных документов, т.е. устанавливать К\ = 1,2.

При выборе коэффициента К2 запаса по высоте морской волны следует учитывать результаты многочисленных наблюдений за характеристиками элементов волн. Согласно сведениям, приведенным в работе [19], отдельные волны могут иметь высоту на 20-30 % больше той, которая нормативно соответствует волнению. Поэтому, при расчете статического напряженно-деформированного состояния моноопоры, следует назначать К2 = 1,2+1,3. Значения нормативных высот волн можно принимать по табл. 3.2.

Для моноопор необходимо выполнять динамический расчет прочности. В инженерных расчетах максимального динамического напряжения допустимо возникающие в опасных сечениях моноопор напряжения от внутренних продольных сил суммировать с напряжениями от статических внутренних изгибающих моментов, которые определяются с учетом введения коэффициентов К1 и К2 и умножаются на коэффициент динамичности [см. выражения (4.96) и (4.97)].

В период бурения скважины возможно изменение режима волнения в диапазоне высот волн от 0 до 1,5 м. Частота ю волновой нагрузки с изменением высоты волны существенно меняется. Это приводит к изменению значения коэффициента динамичности Кд. Интенсивность роста коэффициента Кд с изменением величины ю в области, где эта величина близка к значению первой собственной частоты колебаний моноопоры, чрезвычайно высокая. Поэтому для оценки возможности возникновения резонансных режимов необходимо исследовать динамическое напряженное состояние в моноопоре во всем диапазоне возможного изменения высот волн. В противном случае расчет моноопорного основания будет некорректным (см., например, результаты, представленные графически на рис. 5.11).

Государственным стандартом введены достаточно жесткие требования по предельным отклонениям в геометрии обсадных буровых труб, допускаемым при их изготовлении. Например, отклонения величины внешнего диаметра могут составлять не более 1 %. Высокие требования предъявляются и к однородности материала труб [27]. Поэтому для моноопор можно принять К01 = 1,05.

В соответствии с нормами проектирования гидротехнических сооружениИ при определении максимального значения равнодействующей QB волнового давления по методике [25] коэффициент запаса (надежности) по точности этого расчета разрешено принимать равным 1. Учитывая введение ряда допущениИ при выборе расчетных схем и методов определения внутренних силовых факторов в моноопоре, значение К02 следует выбирать не ниже 1,2.

При расчете напряженно-деформированного состояния моноопоры в решении целесообразно сразу использовать значения нагрузок, умноженные на их коэффициенты запаса, а вычисленное в опасном сечении динамическое напряжение сравнивать с пределом текучести, деленным на произведение коэффициентов К01 и К02. Аналогичным образом следует проверять моноопоры на допустимость угла поворота ее верхнего сечения. Вычисленное в результате расчета значение этого угла следует сравнивать с его нормативно допустимым значением, также деленным на произведение коэффициентов К01 и К02.

Дифференциальный подход при выборе коэффициентов запаса позволяет проектировать более рациональные по прочности, жесткости и экономичности моноопоры. По существу он идентичен методу расчета по предельным состояниям, который используется при оценке эксплуатационной пригодности конструкциИ в строительстве и признан наиболее прогрессивным в настоящее время.

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:2652 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:5351 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:2571 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Умови стійкості стінок свердловини

УМОВИ СТІЙКОСТІ СТІНОК СВЕРДЛОВИНИ   Втрата стійкості і руйнування гірських порід, з яких складені стінки свердловини, є небажаним ускладненням при бурінні. Це може статися у випадку, коли напруження в породі досягнуть граничного...

25-09-2011 Просмотров:2971 Механіка гірських порід

Сценарии развития сейсмотектонического п…

Результаты моделирования сейсмического процесса и жизни одного очага сильного землетрясения на основе ФПУ представлений качественно отражают геотектоническую ситуацию, и показывают, что реальная ситуация является весьма неопределенной. Фактически речь идет о...

15-11-2010 Просмотров:3837 Сейсмический процесс

Монтаж центробежных компрессоров

Конструкция и монтажные характеристики Центробежные компрессоры изготовляют преимущественно с горизонтальным разъемом корпуса и используют для сжатия и подачи воздуха и...

12-08-2009 Просмотров:11629 Монтаж компрессоров, насосов и вентиляторов