Menu

Статическое напряженно-деформированное состояние моноопоры, эксплуатируемой в проеме плавоснования

Моноопора, эксплуатируемая в проеме плавоснования, в отличие от эксплуатируемой вне плавоснования, может принимать множество существенно отличающихся друг от друга равновесных форм. Возможность возникновения той или иной равновесной формы моноопоры зависит от сочетания различных факторов и в первую очередь от гибкости моноопоры (сочетания ее высоты и геометрии сечения), величины и направления технологической силы.

Таблица 5.1

Характер напряженно-деформированного состояния моноопоры диаметром и направления технологической силы P при высоте морской волны 1,5 м

P = 60 кН

III(L = 22 м)

I(L = 17 м)

II(L = 34 м)

Характеристика

 

[image] [image] [image]

Форма изогнутой оси

[image] [image] [image]

Эпюра изгибающего момента

Координата допускаемого положения сечения моноопоры на уровне палу* Максимальные значения изгибающего момента в кН-м.

В качестве иллюстрации этого обстоятельства в табл. 5.1 изображены изогнутая ось и эпюра изгибающего момента в моноопоре диаметром 0,219 м в зависимости от ее расчетной высоты, величины и направления технологической силы п р и высоте морской волны 1,5 м. Изогнутые оси и эпюры в таблице построены с учетом действия сил тяжести моноопоры и буровых механизмов.

[image]

Здесь и далее в разделе 5 результаты расчетов, графические зависимости и данные в таблицах представлены для следующих условий: ширина проема плавоснования Dп = 1 м; толщина стенки направляющей трубы 6н = 0,01 м; максимально возможный дрейф плавоснования Amax = 1 м; масса платформы с буровыми механизмами 2500 кг. Волновая нагрузка на моноопору рассчитывается исходя из предположения, что плавос-

нование не защищает ее от волнового давления, т. е. волновая нагрузка принимается такой же, как и при отсутствии плавоснования.

Влияние внешней нагрузки и глубины акватории. Моноопора при эксплуатации на глубинах моря, относящихся к областям слева от точек А0 на кривых 1 и 2 (рис. 5.14), имеет форму изогнутой оси, соответствующую формам I и III, приведенным в табл. 5.1. Контакт моноопоры со стенками проема плавоснования при этом отсутствует, поэтому ее напряженно- деформированное состояние идентично случаю эксплуатации вне плавоснования.

Глубинам акваторий, при которых моноопора вступает в контакт с дальней по направлению движения волн стенкой проема плавоснования, соответствуют точки А0 на кривых 1 и 2 рис. 5.14. При эксплуатации вне плавоснования рационально спроектированной моноопоры ее худшее напряженно- деформированное состояние возникает при растягивающей технологической нагрузке (см. рис. 5.1). Поэтому при технологической силе, равной 60 кН и направленной вверх, контакт моноопоры с плавоснованием достигается на меньших глубинах, чем при технологической силе, равной 25 кН и направленной вниз.

При выполнении операций, связанных с использованием растягивающей моноопору технологической силы, переход от бесконтактного состояния моноопоры к контакту со стенкой проема плавоснования приводит к существенному улучшению ее напряженного состояния (кривая 1, справа от точки А0). При этом, с ростом глубины акватории в представляющем большой практический интерес диапазоне глубин 10-50 м такое улучшение носит монотонный характер.

При выполнении операций, приводящих к появлению сжимающей моноопору технологической силы, напряженное состояние моноопоры, находящейся в контакте со стенками проема плавоснования, не однозначно зависит от глубины акватории. Обусловлено это тем, что, форма изогнутой оси моноопоры здесь является функцией ее расчетной высоты, т.е. ее гибкости.

Изменение гибкости моноопоры, соответствующее изменению ее высоты в диапазоне между точками А0 и А, при сжатии технологической силой приводит не только к количественным, но и к качественным изменениям формы изогнутой оси. Сначала она соответствует форме IV из табл. 5.1 и имеет кривизну одного знака. Затем постепенно принимает вид, соответствующий форме V в этой же таблице, и знак кривизны перестает быть постоянным. Следом за изменением формы изогнутой оси изменяется и напряженное состояние моноопоры. Поэтому на участке глубин между точками А0 и А зависимость максимального напряжения в моноопоре от глубины не имеет монотонного характера.

[image]

Рис. 5.14. Зависимость напряжения о в моноопоре диаметром 0,219 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от высоты моноопоры L, величины и направления технологической силы Р:

1 - Р = 60 кН и направлена вверх; 2 - Р = 25 кН и направлена вниз; А0, В0 - вступление моноопоры в контакт с плавоснованием; А - отход моноопоры от плавоснования

На глубине, соответствующей точке А, гибкость моноопоры становится настолько большой, что она перестает касаться дальней по направлению движения волн стенки проема плавоснования (см. форму VI изогнутой оси в табл. 5.1). За этой точкой с ростом высоты моноопоры сначала, до точки В0, происходит некоторое падение максимальных напряжений в ней. Затем, после точки В0, наблюдается интенсивный рост напряжений, быстро приводящий к разрушению моноопоры. Причина изменения характера зависимости максимальных напряжений от расчетной высоты моноопоры (глубины акватории) в этой области - вступление моноопоры, в контакт (точка B 0) с ближней по направлению движения волн стенкой проема плавоснования (см. форму VII изогнутой оси в табл. 5.1).

Анализируя графические зависимости на рис. 5.14, можно сделать вывод, что с увеличением высоты моноопоры (глубины акватории) худшими условиями ее работы становятся те, когда

[image]

Рис. 5.15. Зависимость напряжения о в моноопоре диаметром 0,219 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от величины и направления технологической силы Р и высоты моноопоры L:

1 - L = 24 м; 2 - L = 36 м; 3 - L = 48 м

 

она подвергается воздействию сжимающей технологической силы. В качестве дополнительной наглядной иллюстрации этого на рис. 5.15 представлены зависимости максимального статического напряжения в моноопоре трех различных высот диаметром 0,219 м при высоте волн 1,5 м от величины и направления технологической силы Р (слева от оси ординат силы Р сжимающие, справа - растягивающие). Худшему нагруженному состоянию моноопоры соответствует и больший угол поворота 6L ее верхнего сечения (рис. 5.16).

В отличие от случая эксплуатации моноопоры вне плавос- нования высота морской волны не оказывает значительного влияния на напряженное состояние моноопоры, контактирующей со стенками проема плавоснования. Это видно по изображенным на рис. 5.17 зависимостям максимального напряжения от высоты морской волны h для моноопоры диаметром 0,219 м. Сравнив эти зависимости с зависимостями на рис. 5.14, можно установить, что ухудшение напряженного состояния с ростом высоты морской волны характерно только при эксплуатации моноопоры той высоты, при которой она не касается стенок проема плавоснования.

[image]

Рис. 5.16. Зависимость угла поворота QL верхнего сечения моноопоры диаметром 0,219 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от ее расчетной высоты L, величины и направления технологической силы Р:

1 - Р = 60 кН и направлена вверх; 2 - Р = 25 кН и направлена вниз; А0, В0, А - см. подрисуночную подпись к рис. 5.14

 

 

[image]

Рис. 5.17. Зависимость напряжения о в моноопоре диаметром 0,219 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН, от высоты морской волны h, высоты моноопоры L, величины и направления технологической силы Р:

а - Р = 60 кН и направлена вверх; • - Р = 25 кН и направлена вниз; 1 - L = 18 м; 2 - L = 24 м; 3 - L = 35 м; 4 - L = 46 м; А0, В0, A - см. подри- суночную подпись к рис. 5.14

При высотах волн, меньших, чем соответствующие точкам А0 графиков 1 на рис. 5.17, а и 2 на рис. 5.17, б, волновая нагрузка оказывается не достаточной для того, чтобы совместно с другими нагрузками заставить моноопору вступить в контакт со сдрейфовавшим плавоснованием. Поэтому зависимости на этих графиках слева от точек А0 идентичны зависимостям в случае эксплуатации моноопоры вне плавоснования.

При высотах волн, меньших, чем соответствующие точке А, но больших, чем соответствующие точке В0 (см. рис. 5.17, б, кривая 4), волновая нагрузка также не достаточна для того, чтобы совместно с другими нагрузками заставить моноопору вступить в контакт со сдрейфовавшим плавоснованием. Однако в этом случае изгиб оси моноопоры из-за большой гибкости соответствует уже форме VI в табл. 5.1. При высотах волн, меньших соответствующих точке В0 (см. рис. 5.17, б, кривая 4) моноопора находится в контакте с ближней по направлению движения волн (левой) стенкой проема (см. форму VII в табл. 5.1).

В целом из анализа зависимостей, представленных на рис. 5.14-5.17, можно сделать вывод, что работа в проеме плавоснования позволяет существенно расширить возможности бурения с моноопорных оснований и осуществить выход на значительно более глубоководные акватории, чем при работе по схеме вне плавооснования. При рациональном проектировании моноопорных оснований, позволяющем максимально использовать их прочностной ресурс, наихудшее статическое напряженно- деформированное состояние возникает, когда в составе внешней нагрузки присутствует сжимающая технологическая сила.

Влияние геометрии сечения моноопоры. На характер зависимости напряженного состояния моноопоры от ее диаметра при эксплуатации в проеме плавоснования существенное влияние оказывают ее высота, величина и направление технологической силы. При технологической силе, направленной вверх, эта зависимость имеет линейный характер, если моноопора касается стенок проема, и гиперболический - если она не достигает их (рис. 5.18). В последнем случае (участки кривых 1 и 2 справа от точек А0) зависимость максимальных напряжений в моноопоре от диаметра идентична зависимости в случае ее эксплуатации вне плавоснования.

 

Из анализа графиков на рис. 5.18 видно, что зависимости напряженного состояния моноопоры, нагруженной растягивающей технологической силой, при отсутствии контакта с плавоснованием и при наличии такого контакта прямо противоположны. В первом случае с увеличением диаметра напряженное
состояние улучшается, во втором - ухудшается. При проектировании моноопорных оснований на работу в проеме плавоснования эту особенность следует учитывать.

 

Зависимость напряжения в моноопоре от ее диаметра п р и технологической силе, направленной вниз, представлена на рис. 5.19. При сжимающей технологической силе Р = 25 кН и высоте волн 1,5 м в моноопоре высотой 54 м диаметром меньше 0,23 м возникают недопустимые по условию прочности напряжения (участок кривой 2 слева от точки В0). Изогнутая ось таких моноопор соответствует форме VII в табл. 5.1.

С, МПа

[image]

Рис. 5.18. Зависимость напряжения о в моноопоре, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН и направленной вверх технологической силой Р = 60 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от диаметра D и высоты L моноопоры:

1 - L = 32 м; 2 - L = 39 м; А0 - см. подрисуночную подпись к рис. 5.14

Моноопоры с диаметрами, соответствующими значениям между точками В0 и А на кривой 2, при эксплуатации в рассматриваемых условиях не имеют контакта с плавоснованием. Форма их изогнутой оси аналогична форме VI в табл. 5.1. На практике такое промежуточное состояние не является устойчивым. Поэтому использовать моноопоры диаметрами меньше, чем соответствующие точке А, на глубине акватории 50 м и более также не рекомендуется.

[image]

Рис. 5.19. Зависимость напряжения о в моноопоре, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН и направленной вниз технологической силой Р = 25 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от диаметра D и высоты L моноопоры:

1 - L = 34 м; 2 - L = 54 м; А0, В0, А - см. подрисуночную подпись к рис. 5.14

 

Моноопоры с диаметрами большими, чем соответствующие точке А (см. рис. 5.19), сохраняют контакт с плавоснованием и могут иметь формы изогнутой оси, аналогичные формам V и IV в табл. 5.1. Согласно участку кривой 2, расположенному справа от точки А, в зависимости от реализации той или иной из этих форм напряженное состояние с увеличением диаметра моноопоры может соответственно резко улучшаться и затем несколько ухудшаться.

Моноопоры высотой 34 м и диаметром свыше приблизительно 0,33 м при сжимающей технологической силе до 25 кН в процессе эксплуатации не достигают стенок проема плавоснования. Поэтому участок кривой 1 справа от точки А0 (см. рис. 5.19) будет идентичен зависимости максимального напряжения в моноопоре от ее диаметра для случая эксплуатации ее вне плавоснования. Гибкость моноопор с диаметрами меньшими, соответствующего точке А0, такова, что под действием внешней нагрузки они уже касаются стенок проема плавоснования.

На кривых 1 и 2 справа от точки А и слева от точки А0 существуют экстремумы. Следовательно, если под действием сжимающей технологической силы моноопора находится в контакте с плавоснованием, то существует оптимальный диаметр, при выборе которого в ней будет достигнуто наилучшее напряженное состояние.

Так как в процессе бурения скважины моноопора подвергается воздействию сжимающих и растягивающих технологических сил, окончательное решение по выбору ее диаметра п р и проектировании должно приниматься на основе комплексного анализа зависимостей на рис. 5.18 и 5.19.

Зависимость максимального напряжения в моноопоре от толщины стенки ее труб имеет более простой характер, чем от их диаметра. Для случая растягивающей технологической силы (рис. 5.20, а) практически можно говорить о независимости напряженного состояния моноопоры, находящейся в контакте со стенками проема, от толщины ее стенки.

При действии сжимающей технологической силы (рис. 5.20, •) с ростом толщины стенки труб в моноопоре, находящейся в контакте с дальней по направлению движения волн (правой) стенкой проема, напряжения падают (см. участки кривых 1 и 4 справа от точки А и слева от точки А0 соответственно, а также кривую 3). Интенсивность их падения тем больше, чем больше

[image]

Рис. 5.20. Зависимость напряжения о в моноопоре диаметром 0,219 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от толщины стенки моноопоры 6, ее высоты L, величины и направления технологической силы Р:

а - Р = 60 кН и направлена вверх; • - Р = 25 кН и направлена вниз; 1 - L = 46 м; 2 - L = 36 м; 3 - L = 35 м; 4 - L = 24 м; А0, В0, А - см. подрису- ночную подпись к рис. 5.14

гибкость (высота) моноопоры, т.е. чем более явно форма ее изогнутой оси соответствует форме V в табл. 5.1.

Участки справа от точки А0 на кривой 4 и между точками А и В0 на кривой 1 описывают зависимость напряжения от толщины стенки труб моноопоры при отсутствии контакта ее со стенками плавоснования. Моноопоры с относительно большой толщиной стенок, установленные на малых глубинах акваторий (см. рис. 5.20, б, кривая 4), могут не достигать контакта с правой стенкой проема плавоснования. Моноопоры, установленные на относительно больших глубинах акваторий (кривая 1), при большой гибкости, соответствующей малой толщине стенок, могут под действием сжимающей технологической силы отходить от этой стенки проема, принимая форму, аналогичную форме VI в табл. 5.1.

Моноопора расчетной высотой 46 м (кривая 1) с толщиной стенки труб менее 0,009 м касается левой стенки проема плавоснования. Форма ее изогнутой оси при этом становится аналогичной форме VII в табл. 5.1. Уменьшение толщины стенок моноопор от точки В0 на кривой 1 рис. 5.20, б влечет за собой стремительное ухудшение их напряженного состояния.

Из анализа зависимостей, представленных на рис 5.20, следует вывод, что при бурении на больших глубинах акваторий увеличение толщины стенки моноопоры, работающей в контакте со стенками проема плавоснования, может рассматриваться в качестве действенного инструмента для улучшения ее напряженного состояния.

Влияние установочного угла и эксцентриситета расположения буровых механизмов. Если моноопора вступила в контакт с правой стенкой проема, то независимо от ее высоты, величины и направления технологической силы в инженерных расчетах можно приближенно считать, что незначительные погрешности ее вертикальной установки существенного влияния на напряженное состояние не оказывают (рис. 5.21).

Значения максимальных напряжений зависят от величины установочного угла ф в тех случаях, когда дополнительные изгибающие моменты, возникающие при наклонной установке моноопоры, не достаточны для достижения ею контакта с плавоснованием (см. рис. 5.21, •). Во-первых, такая ситуация характерна для моноопор с очень малой гибкостью (малой расчетной высотой), когда при малых установочных углах она не достигает правой стенки плавоснования, что иллюстрирует участок кривой 3 слева от точки A0, во-вторых, - для моноопор с большой гибкостью, когда при малых установочных углах она под действием сжимающей технологической силы отходит от правой

[image]

Рис. 5.21. Зависимость напряжения о в моноопоре диаметром 0,219 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от установочного угла наклона ф моноопоры, ее высоты L, величины и направления технологической силы Р:

а - Р = 60 кН и направлена вверх; б - Р = 25 кН и направлена вниз; 1 - L = 46 м; 2 - L = 34 м; 3 - L = 22 м; А0, А - см. подрисуночную подпись к рис. 5.14

 

стенки проема. Этот случай иллюстрирует участок на кривой 1 слева от точки А. Форма изогнутой оси моноопоры в первом случае аналогична форме III, во втором - форме VI в табл. 5.1.

Максимальные напряжения в моноопоре, нагруженной растягивающей технологической силой (рис. 5.22, а) и касающейся стенок проема плавоснования, практически не зависят и от эксцентриситета е положения центра масс буровых механизмов на платформе (участок кривой 1 справа от точки А0 и кривые 2 и 3). Вместе с тем, если контакта с плавоснованием не произошло, что соответствует случаю эксплуатации моноопоры по схеме III, то с увеличением значения е наблюдается интенсивный рост напряжений (участок кривой 1 слева от точки А0).

Максимальные напряжения в моноопоре, нагруженной сжимающей технологической силой (рис. 5.22, б) и касающейся стенок проема плавоснования, с увеличением э ксцентр иситета положения центра масс буровых механизмов на платформе могут как практически не изменяться (участок кривой 2 справа от точки А 0), так и изменяться весьма существенно (участок кривой 5 слева от точки А). 

[image]

Рис. 5.22. Зависимость напряжения о в моноопоре диаметром 0,219 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = 24,5 кН при высоте морской волны h = 1,5 м, от эксцентриситета е положения центра масс механизмов на моноопоре, величины и направления технологической силы Р и высоты моноопоры L:

а - Р = 60 кН и направлена вверх; • - Р = 25 кН и направлена вниз; 1 - L = 18 м; 2 - L = 23 м; 3 - L = 29 м; 4 - L = 35 м; 5 - L = 47 м; А0, В0, А - см. подрисуночную подпись к рис. 5.14

 

Причина подобной неоднозначности - различие в форме изогнутой оси моноопоры при ее малой и большой гибкости.

Моноопора малой гибкости (высоты) при малых значениях эксцентриситета, приводящих к малым дополнительным изгибающим моментам от силы тяжести буровых механизмов, может не достигнуть стенок проема плавоснования. В этих условиях напряжения в моноопоре линейно растут с увеличением эксцентриситета (см., например, кривую 2 слева от точки А0). При величине е, соответствующей точке А0, моноопора вступает в контакт с плавоснованием. Дальнейшее увеличение эксцентриситета в исследуемом диапазоне к росту напряжений в моноопоре малой гибкости не приводит. Форма изогнутой оси моноопоры малой гибкости до и после достижения контакта с плавоснованием соответствует формам III и IV в табл. 5.1.

Моноопора большой гибкости (высоты) при малых значениях эксцентриситета, приводящих к малым дополнительным изгибающим моментам от силы тяжести буровых механизмов, касается стенок проема плавоснования. В этих условиях с увеличением эксцентриситета напряжения в моноопоре растут линейно и по сравнению с моноопорой малой гибкости, более интенсивно (см., например, участок кривой 5 слева от точки

А). При величине е, соответствующей точке А, моноопора под действием нагрузок, включающих сжимающую технологическую силу, отходит от стенки проема плавоснования. Дальнейший рост эксцентриситета до величины, соответствующей точке В0, приводит к падению напряжений в моноопоре. Форма изогнутой оси моноопоры большой гибкости до и после отхода от стенки проема плавоснования соответствует формам V и VI в табл. 5.1.

С увеличением эксцентриситета расположения центра масс механизмов от величины, соответствующей точке В0, максимальные напряжения в моноопоре высотой 47 м начинают резко расти (см. кривую 5). При таких значениях е моноопора уже находится в контакте с левой стенкой плавоснования и форма ее изогнутой оси аналогична форме VII в табл. 5.1. Таким образом, зависимость напряженного состояния моноопоры большой гибкости от эксцентриситета может иметь кусочно- линейный характер.

Кривая 4 на рис. 5.22, б иллюстрирует зависимость максимальных напряжений от эксцентриситета для моноопоры средней гибкости. В этом случае напряженное состояние моноопоры с увеличением эксцентриситета монотонно линейно возрастает.

Проанализировав зависимости на рис. 5.22, можно сделать следующий вывод. Если в процессе эксплуатации моноопоры в проеме плавоснования обеспечивается их контакт, то максимальные напряжения в ней в целом менее чувствительны к возможным погрешностям вертикальной установки и наличию эксцентриситета расположения центра масс буровых механизмов на платформе. Вместе с тем на больших глубинах акваторий (при большой гибкости моноопор) при действии направленных вниз технологических сил эксцентричное расположение компоновки буровых

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:3418 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:6481 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:3562 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Основные правила записи и обработки резу…

Записи измерений необходимо заносить в специальный журнал или в одну общую тетрадь с пронумерованными страницами. Запись должна вестись аккуратно, без помарок, исправлений, с полным отражением всей проделанной работы. Все записи...

19-03-2013 Просмотров:4422 Обследование и испытание сооружений

Определение напряжений по подошве сооруж…

Изгибаемые фундаментные части сооружений широко применяют в гидротехнике, промышленном и гражданском строительстве (рис. 4.2). Рассмотрим случай плоской задачи (рис. 4.3), т. е. вырезанный участок — полосу шириной Ь или 6=1, полагая...

25-08-2013 Просмотров:3234 Грунты и основания гидротехнических сооружений

4.8. Принципы создания КГХ-мифов

Настало время обратиться к вопросу о том, что же должно составлять КГХ-миф, служащую определенным целевым установкам в практической деятельности. Этому были призваны служить все наши предыдущие рассуждения, применившие наработки гуманитарных...

03-03-2011 Просмотров:3757 Комплексные географические характеристики