автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Оценка безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна методами математического моделирования

На правах рукописи

Барахта Александр Владимирович

ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ БУРОВОГО СУДНА МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.22.19 - эксплуатация водного транспорта, судовождение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з КОЯ 2011

Мурманск-2011

4858847

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Мурманский государственный технический университет"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Юдин Юрий Иванович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Клементьев Александр Николаевич; кандидат технических наук, доцент Позняков Сергей Иванович

Ведущая организация - открытое акционерное общество "Арктикмор-нефтегазразведка" (ОАО "АМНГР")

Защита диссертации состоится 16 ноября 2011 года в 10 ч 00 мин на заседании диссертационного совета К 307.009.02 при Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета

Автореферат размещен на сайте МГТУ www.mstu.edu.ru октября

2011 года.

Автореферат разослан" " октября 2011 года.

и

м

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

Власов А. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение безопасности всех операций, связанных с разведкой, добычей и транспортировкой углеводородов в акваториях Мирового океана продолжает оставаться насущной проблемой. Сложность технической оснащенности, трудоемкость процесса управления специализированными судами, используемыми при проведении исследований и освоении природных запасов морских шельфов, диктуют необходимость совершенствования судовых систем управления.

При анализе работы бурового судна, позиционирующего в заданной точке, главное внимание исследователя вызывают воздействия со стороны внешних факторов и их отработка судовой системой динамического позиционирования (ДП). Воздействие внешних факторов специфично и связано с наличием на борту бурового оборудования. В первую очередь к нему отнесем буровую вышку (надводное оборудование) и буровую колонну (подводное оборудование). Первая изменяет ветровое воздействие на судно, вторая - воздействие течения. Работа систем динамического позиционирования также специфична и не всегда прозрачна для судоводителя. Опыт работы с системой приобретается не сразу и требует вдумчивого анализа эксплуатационных случаев, требующих человеческого вмешательства, на что способен не каждый судоводитель. Техническая документация разработчиков проекта судна с системами ДП обычно содержит радиальные диаграммы скоростей ветра, при которых возможно удержание судна с помощью его движительно-рулевого комплекса. Однако, как показывает практика эксплуатации буровых судов, предельные значения скоростей ветра, при которых возможна безаварийная работа бурового судна, существенно меньше устанавливаемых технической документацией разработчиков проекта систем динамического позиционирования. Поэтому оценка безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна является актуальной проблемой.

Свою специфику имеют также движители, которые работают при удержании бурового судна на точке: носовые подруливающие устройства (НПУ) и поворотные винтовые колонки (ПВК), которые работают в группе, что существенно изменяет условия их обтекания, создавая сложные скосы потоков на них, и развиваемые ими усилия. Эту специфику судоводитель может осваивать интуитивно в рабочем режиме, последова-

тельно накапливая и совершенствуя опыт работы с системой, что требует значительного времени и определенных практических навыков.

Альтернативой субъективности в вопросе оценки безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна может быть только математическое моделирование системы (модели судна, бурового оборудования, движителей, внешних воздействий, модели совместной работы) и компьютерное оценивание безопасности работы на основе таких моделей. Насущная необходимость такого моделирования гарантирует актуальность настоящего исследования.

Целью диссертационного исследования является оценка безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна методами математического моделирования. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

- разработать модель, описывающую работу носовых подруливающих устройств;

- разработать модель, описывающую работу поворотных винтовых колонок;

- разработать модель воздействия ветра на надводную часть корпуса судна с учетом буровой вышки;

- разработать модель воздействия течения на подводную часть корпуса судна с учетом буровой колонны;

- на основании этих частных моделей создать комплексную модель системы, описывающую динамику бурового судна в режиме динамического позиционирования;

- произвести оценку безопасности функционирования бурового судна в режиме динамического позиционирования по критерию нормативной нагрузки судовой энергетической установки (СЭУ) судна при совокупности внешних воздействий.

Объектом исследования является буровое судно, снабженное системой динамического позиционирования, работающее в режиме удержания судна в точке бурения при изменяющихся внешних условиях.

Предметом исследования является оценка возможности безопасного удержания судна на точке с помощью имеющихся на борту движителей -двух носовых подруливающих устройств и двух поворотных рулевых ко-

лонок при их нормативных нагрузках. В основу такой оценки положен критерий нормативной нагрузки судовой энергетической установки.

Научная значимость результатов работы. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, определяющие её научную значимость:

- структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу носовых подруливающих устройств;

- структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу поворотных винтовых колонок;

- смоделировано воздействие ветра на буровую вышку, расположенную на палубе судна;

- смоделировано воздействие течения на буровую колонну, пристыкованную к подводной части корпуса судна;

- сведены частные модели элементов системы в комплексную математическую модель с возможностями оценки безопасности функционирования судна в различных районах Мировою океана;

- произведена оценка безопасности функционирования бурового судна с системой ДП при совокупности внешних воздействий, в основу которой положен критерий нормативной нагрузки СЭУ судна.

Методы исследования. При выполнении работы применялся экспериментально-теоретический метод исследования. Для выполнения теоретической части использовался аппарат дифференциальных уравнений, теории оптимального управления, математической статистики, теории аппроксимаций. Экспериментальная часть заключалась в обработке результатов натурных экспериментов по отработке буровым судном ветро-волновых воздействий с использованием специально созданного с участием автора комплекса программ для ЭВМ в системе программирования Visual Basic (VB6). На всех этапах работы широко использовалась вычислительная техника, так, при аппроксимации всех аналитических зависимостей применялся математический пакет MathCad 7.0.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты диссертационной работы могут быть использованы при практической оценке безопасности функционирования буровых судов подобного типа в различных районах мирового океана с учетом их гидрометеорологической специфики. Они могут быть использованы и шире, например, для описания процессов швартовки крупнотоннажных танкеров, снабженных движителями типа НПУ

и ПВК. Все это в совокупности может использоваться в процессе подготовки инженеров-судоводителей в морских учебных заведениях.

Реализация работы. Результаты исследований диссертационной работы использованы в качестве рекомендаций по обеспечению безопасной эксплуатации бурового судна при выполнении производственных работ в ОАО "АМИГЭ", использованы при математическом моделировании и швартовных операциях буксиров с поворотными винторулевыми колонками при оценке безопасности выполнения швартовных операций танкеров к борту ПНТ "Белокаменка" и вошли в эксплуатационные регламенты бурового судна "Бавенит" и ПНТ "Белокаменка". Результаты экспериментальных и теоретических исследований используются специалистами комплекса судовых тренажеров НОУ "УТЦ Северного бассейна" при профессиональной подготовке и переподготовке судоводителей при решении задач по управлению судном с учетом маневренных характеристик в конкретных условиях плавания. Использование результатов диссертационной работы оформлено актами внедрения и справкой, представленными в Приложении 2 диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде четырех докладов на международных научно-технических конференциях "Наука и образование" в Мурманском государственном техническом университете (2008-2010 гг., г. Мурманск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, общим объемом более 4,4 п. л., из них более 2,8 п. л. написаны лично автором, в том числе две статьи опубликованы в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, получено одно свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается с помощью вычислительных модельных процедур и сравнения их с результатами натурных испытаний в режиме производственных процессов на буровом судне. При этом математические модели были построены на основе известных физических законов, которые описывают характер функционирования исследуемой системы. Хорошее совпа-

дение таких результатов дает возможность считать построенные модели адекватными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика расчета тяговых усилий носовых подруливающих устройств.

2. Методика расчета тяговых усилий поворотных винтовых колонок.

3. Способ расчета ветровых нагрузок на буровую вышку.

4. Способ расчета гидродинамических нагрузок на буровую колонну.

5. Комплексная модель работы бурового судна в режиме ДП.

6. Методика оценки безопасности при удержании бурового судна на точке.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 202 страницы, основной текст диссертации содержит 181 страницу, 39 таблиц и 53 рисунка. Библиография содержит 59 наименований на 6 страницах, включая работы автора, приложения на 21 странице, в том числе акт маневренных испытаний, два акта внедрения и справку об использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и необходимость решения задач, связанных с построением математической модели функционирования бурового судна, определяются цель и основные задачи исследования для ее достижения.

В первой главе проведено исследование и анализ проблем освоения углеводородов на арктических шельфах, комплекса технических средств, применяющих системы динамического позиционирования, структуры систем динамического позиционирования и математического моделирования, а также показатели качества функционирования систем.

В частности определено, что система динамического позиционирования - это многоконтурная система управления активными средствами удержания (стабилизирующими движителями), обеспечивающая заданное положение судна или его перемещение по выбранной траектории при действии внешних сил в виде волнения моря, ветра и течения. В системе ди-

намического позиционирования с целью повышения точности стабилизации положения непрерывно обрабатывается информация о внешних силах -скорости и направлении ветра и течения, вычисляются силы, воздействующие на судно в продольном и поперечном направлениях, а также вращающий момент. Указанные силы и моменты используются при расчете необходимых для их компенсации упоров средств управления. Как правило, используется комбинированный способ управления - "по отклонению" и "по возмущению". Для функционирования системы динамического позиционирования необходимо обеспечить определение местоположения объекта управления, а также параметров внешних возмущений.

Сформулированы требования, предъявляемые к способам решения задач управления в режиме динамического позиционирования и их алгоритмам, которые должны отражать комплекс закономерностей, характерных в первую очередь для процесса удержания судна в заданной точке или на заданной траектории. В основу этих закономерностей положены количественные соотношения, которые требуют широкого использования математического аппарата для обоснования оптимальности получаемых решений, что в свою очередь приводит к необходимости математического моделирования процессов позиционирования. С учетом этого сделан вывод, что математическая модель является основным элементом системы, описывающим ее динамические свойства - вынужденное и свободное движение. В качестве одного из путей уточнения математической модели используется натурный эксперимент. Подстройка результатов расчетов по математической модели под натурный эксперимент связывается с задачей идентификации, которая понимается как способ восстановления или уточнения математической модели судна по результатам измерений его кинематических параметров движения, полученным в процессе эксперимента. Таким образом, результаты проведенного натурного эксперимента играют важнейшую роль в достоверном функционировании модели в целом и обеспечивают наивысшую степень ее эффективности и достоверности, а следовательно, точности и надежности работы судна в режиме ДП.

Во второй главе произведена общая характеристика средств управления движительно-рулевого комплекса (ДРК) бурового судна, разработаны математические модели, описывающие работу поворотных винтовых колонок и носовых подруливающих устройств судна. Управление буровым судном типа "Бавенит" в режиме динамического позиционирования осуществляется двумя носовыми подруливающими устройствами туннельного

типа и двумя расположенными в кормовой части судна поворотными винтовыми колонками, угол поворота которых изменяется в пределах 0 - 360°.

ПВК и НПУ судна "Бавенит" объединены в так называемую интегральную систему управления и являются исполнительными устройствами системы динамического позиционирования. Система предназначена для обеспечения удержания бурового судна в заданной точке в соответствии с принятыми нормами, при загрузке генераторов не более 70 % и при влиянии ветра, волнения в направлении 0-360° и течения в направлении ± 20° относительно носа.

Для математического моделирования динамики работы ПВК при взаимодействии с корпусом бурового судна принят ряд допущений, позволяющих приближенно, но в пределах заданной точности, определять значения параметров, характеризующих работу ПВК в режиме ДП. Для исходного расчета принято допущение, что ПВК работает вблизи изолированного корпуса судна.

При математическом моделировании работы ПВК во взаимодействии с корпусом судна учитывалось наличие достаточного количества теоретического и экспериментального материала, необходимого для получения ее адекватной математической модели. При выполнении математического моделирования в качестве основных параметров, характеризующих динамику работы ПВК в свободной воде, приняты: упор Тпр, упор гребного винта Тр\ упор направляющей насадки Т„. Упор, образуемый работой ПВК, представлен в виде суммы упоров, образуемых работающим гребным винтом и насадкой:

Т„р=Тр+Тп=Тр(1 + а

где /„ = Тп]Тр — коэффициент засасывания.

В математическом моделировании работы ПВК её гидродинамические характеристики представлены принятыми в теории движителей безразмерными параметрами, а именно: коэффициентом упора Кр гребного винта; коэффициентом упора насадки К„\ коэффициентом упора комплекса винт -насадка К„р. В работе получены соответствующие аналитические зависимости Кр =ЛК), К, =ЛК), к„р =АК).

В основу математического моделирования работы ПВК бурового судна положены результаты серии модельных экспериментов, выполненных как в отечественных (исследования В. К. Турбалла и Е. Н. Воеводской,

Л.А. Эпштейна), так и в зарубежных (исследования Е.Мюллера, Ван-Манена и А. Суперина) опытовых бассейнах.

Оценка результатов моделирования работы ПВК с использованием данных указанных выше модельных экспериментов в сравнении с данными натурных испытаний позволила определить наиболее приемлемые зависимости К„р =/{К), Кр =АЮ, Кп =/(Хе):

Кр = 0,1 896а;! - 0,4694л;; +0,006Гле+0,2370;

Кп = 0,2041^ -0,4135^ + 0,2014;

К11р = 0,1445).' -0,2132^ -0,4250^ +0,4334,

где Кр - коэффициентом упора гребного винта; К„ - коэффициентом упора насадки; К„р - коэффициент упора комплекса винт - насадка; К - относительная поступь ПВК.

При математическом моделировании работы ПВК принят во внимание факт взаимного влияния гребного винта, насадки и корпуса колонки (гондолы и кронштейна).

Значение коэффициента упора ПВК с учётом влияния гондолы и кронштейна К„рп определялось по формуле

К„р„ = к, А, + к,*,.

На основании результатов работ Э. П. Лебедева, Р. Я. Першица, А. Д. Гофмана коэффициенты кр и к„ приняты постоянными: = 1,12, к„ = 0,70.

При произвольном движении параметры, определяющие гидродинамические характеристики работы ПВК, изменяются по отношению к значениям тех же параметров, соответствующих установившемуся прямолинейному движению.

Определение тяговых характеристик ПВК при известных параметрах криволинейного движения судна (й, р, п, У производилось в два этапа. На первом этапе определяются тяговые характеристики для условного исходного режим работы ПВК:

На втором этапе с учётом взаимодействия корпуса бурового судна и ПВК определяются значения гидродинамических характеристик работы ПВК при произвольном движении корпуса

К = Л; К='Л;т:,=; К=

и

Убедительным доказательством адекватности разработанной модели явились данные расчёта тяги ПВК на различных рабочих скоростях движения бурового судна, которые приведены на рис. 1.

25 24 23 22 21 20 19 18 17 16

м/с

0

0,5 1

1,5

г

2,5

4 эксперимент

Рис. 1. Значения тяги ПВК при различных значениях скорости бурового судна и фиксированном значении оборотов винта

На этом рисунке в форме диаграмм представлены значения тяги ПВК при различных значениях скорости бурового судна и фиксированном значении оборотов винта, при этом расчет тяги производился с использованием данных испытаний ПВК: 1 - В. К. Турбала, 2 - Ван-Манена, 3-е гребными винтами серии "В", 4 - Е. Мюллера. Здесь же представлена диаграмма изменения тяги ПВК бурового судна, полученная по результатам проведения ряда натурных экспериментов на буровом судне.

Математическое моделирование работы НПУ выполнено с учётом их геометрических и технических параметров и влияния корпуса судна на тяговые характеристики. Величина тяги НПУ с учётом гидродинамического взаимодействия потока, вытекающего из НПУ, и потока, набегающего на корпус судна в результате его движения, определялась по формуле

Т' =7" +АТ

ерг ерг ерг •

Как принято, в расчётах гидродинамических характеристик бурового судна используется выражение

где £рг - коэффициент засасывания подруливающего устройства; р - массо-

вая плотность воды; V, - скорость потока в туннеле НПУ; F, - площадь гидравлического сечения туннеля НПУ; - коэффициент сопротивления тракта НПУ.

Значение коэффициента к„ влияния продольной составляющей линейной скорости судна в районе расположения НПУ на тягу НПУ находится в зависимости от направления движения судна:

- при движении судна передним ходом

jfc„ = 1,095 - 2,382t>'+ 0,283(»')2 + 0,853(u')3;

- при движении судна задним ходом

= 1,03 +1,856и' + 4,347 (и')2 +1,532 (и')3, где -о' = и^Л),.

Конструктивные особенности корпуса бурового судна в районе установки ПУ учитываются при моделировании введением поправочного коэффициента ка, значение которого для ПУ с цилиндрической формой сечения туннеля определяется в соответствии с рекомендациями А. Д. Гофмана, т. е.

ка = (0,63 + 0,37 cos aw) (0,63 + 0,37 cos a,),

где aw - угол наклона касательной к ватерлинии к ДП в районе входа в канал ПУ; щ- угол наклона касательной к шпангоуту к ДП в том же месте.

Величина изменения тяги ПУ из-за влияния поперечного движения бурового судна определяется в соответствии с зависимостью

где v>xpr, \ЗуРг - продольная и поперечная скорости в районе выходного канала НПУ.

В третьей главе для описания маневрирования объекта в процессе динамического позиционирования выбрана наиболее адекватная модель в перемещениях. Условно она названа моделью А. П. Тумашика, который одним из первых использовал ее для решения задач движения судна с большими углами дрейфа. Модель представляет собой три дифференциальных уравнения: два первых уравнения для скоростей продольного и* и поперечного Dj, перемещений объекта и одно - для угловой скорости

поворота ю вокруг вертикальной оси судна. Система дифференциальных уравнений, представляющих модель, приводится ниже в соответствии с первоисточником:

(т + + X22)uJ,ca = Хк + Х„+ Rx\

, . dx>v , .

{1г+Ю^ = Мк+Ма+М,

В правых частях уравнений показаны все силы и моменты, возникающие в процессе работы бурового судна:хк, Yt, Mt - составляющие гидродинамической силы на корпус судна и ее момент; Ха, Ya, Ма - составляющие аэродинамической силы на корпус судна и ее момент; Rx, Ry, М, -составляющие равнодействующей тяги движителей и ее момент.

Полная скорость объекта находится с помощью естественной формулы

u = »

а угол дрейфа определяется при известных скоростях как

Vx А

arceos—, если и <0;

Р =

и

-arceos—, если и > 0.

D

В соответствии со структурой этой модели идентифицированы коэффициенты гидродинамических усилий, коэффициенты аэродинамических усилий непосредственно для корпуса судна. Это сделано с использованием теоретического чертежа судна и разработанной при участии автора специальной программы его обработки и расчета на этой базе коэффициентов модели. При этом произведен тщательный учет гидродинамических составляющих от волнения разного вида: постоянных составляющих воздействия от регулярного волнения, переменных составляющих воздействия от регулярного волнения и составляющих воздействия от нерегулярного волнения.

Коэффициенты аэродинамических усилий рассчитывались с помощью формул Ишервуда, которые позволяют наиболее полно учесть характер,

габариты и расположение надстроек судна:

¿max " D max

¿max ° Lmax Чах

C„ = C„ + С, ^ + C2 Щ- + C} bss. + c4 A. + c5 .

i) Ir 2 z tj2 3 T) T г

Чи й й Lffli max

Сам расчет произведен путем сканирования сечения судна вдоль ДП и последующей оцифровки контура надводной части с помощью специально разработанной программы. Результаты оцифровки в виде файла координат контура использовались для подсчета всех необходимых характеристик корпуса судна, используемых в формулах Ишервуда.

Отдельно рассмотрены специфические воздействия, которые возникают из-за наличия на борту судна специального бурового оборудования: гидродинамические усилия, возникающие на буровой колонне, и аэродинамические воздействия на буровую вышку. При этом аэродинамические коэффициенты буровой вышки для двух ортогональных направлений взяты по результатам продувок модели вышки, учтены габариты и конфигурация отдельных элементов, составляющих ее конструкцию, а также расположение вышки среди надстроек судна. Этот расчет контролировался косвенно результатами сдаточных испытаний по кренованию бурового судна с вышкой, приведенных в технической документации. Гидродинамические воздействия на буровую колонну рассчитаны с помощью гидродинамического коэффициента для обтекаемого цилиндра, а течение рассмотрено как постоянное или линейно убывающее до нуля до глубины 20 м (At) при общей глубине моря 300 м (Я). Для вычисления реакции судна буровая колонна рассматривалась как балка с шарниром на судовом конце и защемлением в грунте. Это дает силу, действующую со стороны стояка на судно:

Rs = \/2pCKi4hTDK (Н - hTj2)IH, где Ск - коэффициент гидродинамического усилия для цилиндрической колонны.

После идентификации этих частных моделей была сформирована комплексная модель внешних воздействий. С ее помощью были рассчитаны продольное, поперечное усилие и вращающий момент для наиболее

опасных комбинаций внешних воздействий для всех возможных направлений полного круга. Поскольку наибольшие усилия и вращающий момент происходят от воздействия ветра, именно они приводятся ниже как пример в графической (рис. 2) и табличной (табл. 1) формах.

Рис. 2. Аэродинамические усилия и момент как функции курсового угла ветра д для скорости ветра 10 м/с (числовые данные приведены в табл. 1)

Таблица 1

ь град Рах, тс Рау, тс Ма, тс • м

0 -1,231 0 0

10 -1,111 -0,606 -16,19

20 -1,09 -1,359 -31,57

30 -1,078 -1,164 -47,66

40 -1,032 -2,939 -53,19

50 -0,808 -3,742 -54,19

60 -0,471 -3,935 -50,07

70 -0,222 -3,93 -42,61

80 -0,018 -3,914 -33,20

90 0,08 -3,897 -25,87

100 0,018 -3,816 -6,25

110 -0,20 -3,777 -6,94

120 0,315 -3,'673 1,63

130 0,607 -3,404 10,04

140 0,802 -2,893 10,20

Окончание табл. 1

q, гряд /дат, ТС Лу, тс Ма, тс • м

150 0,917 -2,27 8,84

160 1,18 -1,423 6,27

170 1,43 -0,632 2,86

180 1.349 0 0

В четвертой гляве проведен собственно анализ безопасности функционирования бурового судна. После того как в главе 3 смоделированы все виды воздействий на буровое судно как функции направления их действия и интенсивности, появилась возможность комбинировать ими для создания экстремальных суммарных воздействии. Затем с использованием результатов исследований главы 2 найдены комбинации усилий, создаваемых средствами активного управления буровым судном. Сопоставление суммарных внешних воздействий и усилий средств активного управления дало возможность выявить среди них наихудшие с точки зрения безопасности работы бурового судна.

Основные соотношения задачи для оценок безопасности получены как уравнения квазистатического равновесия из исходных уравнений динамики:

К =лгтви «я а, +НШК2 соэа2;

К = Япви втс^ +/^вК2 вта2

К = /?ПВК! ««О!' У\ +ЛПВК2 °°8а2 ' Уг +Л1ШК15'ПаГ-*1+

+ ^1ВК2 5та2'Х2 +ЛнПУ1ХНПУ\ + ^НПУ2',"НТт'

где Ех, Яу, М, — равнодействующие внешних сил, приложенных к судну; /?пвкь/?ппк2 - усилия, развиваемые поворотными винтовыми колонками; а,, а2 — направления их действия согласно системе координат, отсчитываемые по часовой стрелке (нулевые аь а2 соответствуют направлению тяги вдоль ДП в нос судна); Лцпуь ^нпу2 - усилия, развиваемые носовыми подруливающими устройствами; хь ух; х%, уг - координаты размещения двух ПВК; Хнпуъ 0; хНПу2,0 - координаты размещения двух НПУ.

Настоящая система уравнений содержит шесть неизвестных (Лпвкь У?пвк2, ОС1, а2, Лнпуь ^нпуг) и только три уравнения. Следовательно, ее однозначное решение возможно лишь при трех дополнительных условиях, наложенных на искомые переменные. Эти дополнительные условия дик-

туются главной целью функционирования системы ДП и могут выражаться в симметричности нагрузок ПВК и равенстве нагрузок НПУ.

Рассмотрено четыре варианта работы групп движителей: одно НПУ + + одна ПВК, два НПУ + одна ПВК, одно НПУ + две ПВК и два НПУ + две ПВК. Для всех этих вариантов рассчитаны допустимые ветровые нагрузки каждого направления так, чтобы загрузка движителей не превышала установленной нормы. При этом строились радиальные диаграммы ветровых нагрузок, из уравнений равновесия определялась загрузка движителей, которая корректировалась при превышении нормы уменьшением расчетной силы ветра. Например, при обработке радиальной диаграммы скоростей ветра из технической документации были получены радиальные диаграммы действующих усилий и момента. Так, для поперечного усилия ^ положительные нагрузки изображены сплошной линией, отрицательные -точечной (рис. 3).

270

- Ршг Р1ив

- Мкня

Рис. 3. Радиальная диаграмма поперечного усилия, тс

По этим усилиям рассчитывались загрузки всех четырех движителей при условии равенства тяг НПУ и асимметрии работы ПВК. Они представлены на рис. 4 и в табл. 2.

Рис. 4. Нагрузки на НПУ и ПВК, кН

Таблица 2

р». 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Япвк,% 45,8 42,8 32,0 19,7 13,5 10,5 8,6 7,0 7,0 7,6

Днпу,% 0.0 62,4 104,0 96.8 79,7 67,4 54,2 39,1 33,6 31,0

р». 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Лпвк,°/о 7,6 9,9 15,2 19,4 29,4 42,0 51, 47,3 48,4 45,5

Днпу,% 31,0 35,6 48,4 54,3 66,6 82,2 85,5 56,3 25,3 0,0

Простое рассмотрение результатов табл. 2 показывает, что при направлении ветра 20° с носа от ДП судна нагрузка НПУ превышает допустимые значения. Она достигает 104 % (показано жирным петитом в соответствующей ячейке табл. 2). Хотя в этом направлении техническая документация приводит не самую большую скорость ветра - 35,7 м/с (в сравнении с максимумом в 41 м/с чисто встречного ветра), следует учесть, что при таком ветре приходится компенсировать и вращающий момент, которого нет при чисто встречном ветре. Это -весьма проблематичные для буровых работ скорости ветра, и их можно рассматривать только как умозрительные. Нам не известны случаи работы буровых судов при таких штормовых ветрах.

Если предположить более реальную ситуацию, то, уменьшив скорости ветра в 1,5 раза, мы получим максимально допустимую скорость ветра в 27,3 м/с, т. е. также весьма высокую. При этом все ветровые нагрузки, которые пропорциональны квадрату скорости, снизятся в 2,25 раза. Добавив к ветровым нагрузкам еще примерно 10 % на действие течения в 1 уз, согласно расчетам, выполненным в главе 3, мы получаем следующую картину нагрузок группы движителей 1-4 (табл. 3).

Таблица 3

К 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ЛПвк,% 22,4 21,0 15,7 9,6 6,6 5,1 4,2 3,5 3,4 3,7

Янпу>% 0.0 30,6 51,0 47.4 39,1 33,1 26,6 19,2 16,5 15,2

Р» 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

йпвк-,% 3,7 4,8 7,5 9,5 14,4 20,6 25.0 23,2 23,7 22,3

Днпу,% 15,2 17.5 23,7 26,6 32,6 40,4 41.9 27,6 12,4 0,0

Такие нагрузки имеют хороший запас по мощности, поэтому этот вариант может быть принят за нормативный запас при работе одновременно всех четырех движителей. Завершая рассмотрение данного варианта, приведем в табл. 4 предельные значения скоростей ветра для направлений правого борта при выбранном уровне нагрузок (левый борт - симметрично).

Таблица 4

Р„ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Уг, м/с 27,4 27,2 23,8 18,7 15,1 13,0 11,6 10,0 9,5 9,6

р„ 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Уг, м/с 9,6 10,6 12,8 14,4 17,4 21,4 24,3 25,0 25,9 26,4

Скорости ветра, предлагаемые табл. 4, как раз соответствуют практике буровых работ и нашему интуитивному представлению как обобщению опыта. Обратим также внимание на тот факт, что максимальная нагрузка НПУ при этом равна 51%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены проблемы, связанные с оценкой безопасности функционирования бурового судна, что, в свою очередь, связано с построением и идентификацией математической модели взаимодействия с внешней средой самого судна, его движителей и бурового оборудования.

В рамках диссертационной работы были решены следующие задачи:

1. Структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу носовых подруливающих устройств.

2. Структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу поворотных винтовых колонок.

3. Смоделировано воздействие ветра на буровую вышку, расположенную на палубе судна.

4. Смоделировано воздействие течения на буровую колонну, пристыкованную к подводной части корпуса судна.

5. Разработана комплексная математическая модель, описывающая динамику бурового судна в режиме динамического позиционирования, с возможностями оценки безопасности функционирования судна в различных районах Мирового океана;

6. Произведена оценка безопасности функционирования бурового судна в режиме динамического позиционирования при совокупности внешних воздействий, в основу которой положен критерий нормативной нагрузки СЭУ судна. В частности, показана опасность работы бурового судна при некоторых комбинациях воздействия на судно внешних факторов в противоречии с техническими рекомендациями судостроителей.

Все полученные результаты легко обозримы, имеют аналитическую, графическую или табличную формы, и могут быть применены в реальных судовых условиях или в рамках учебных занятий при подготовке судоводителей. Кроме того, все результаты наших исследований могут применяться при создании электронных тренажеров, отрабатывающих специфическое маневрирование в условиях бурения на континентальных шельфах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАКМинобрпауки РФ

1. Барахта, А. В. Расчет ветровых нагрузок на буровую вышку бурового судна / А. В. Барахта, Ю. И. Юдин, С. В. Пашенцев // Эксплуатация морского транспорта. - 2010. - № 3 (61). - С. 40-42.

2. Барахта, А. В. Расчет силовых нагрузок на буровой инструмент бурового судна / А. В. Барахта, Ю. И. Юдин, С. В. Пашенцев // Эксплуатация морского транспорта. - 2010. -№ 1 (59). - С. 67-69.

Статьи в сборниках научных трудов

3. Барахта, А. В. Структура и принципы работы систем динамического позиционирования / А. В. Барахта, Ю. И. Юдин // Вестн. МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. - 2009. - Т. 12, № 2. - С. 255-258.

4. Барахта, А. В. Типы движителей системы динамического позиционирования / А. В. Барахта, Ю. И. Юдин // Наука и образование - 2010 [Электронный ресурс] : юбил. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 60-летию МГТУ, Мурманск, 5-9 апреля 2010 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. -Электр, текст, дан. (181 Мб). - Мурманск : МГТУ. - С. 1157-1159. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0321000362 от 12.08.2010 г.

5. Проблемы обеспечения безопасности судовождения при транспортировке нефтепродуктов в районах Арктического шельфа России / Ю.И. Юдин, А.Н. Гололобов, А.Г. Степахно, A.B. Барахта // Вестн. МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. - 2009. - Т. 12, № 1. - С. 13-16.

6. Юдин, Ю. И. Математическое моделирование работы движительно-рулевого комплекса (ДРК) бурового судна / Ю. И. Юдин, А. Н. Гололобов, А. В. Барахта // Наука и образование - 2010 [Электронный ресурс] : юбил. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 60-летию МГТУ, Мурманск, 5-9 апреля 2010 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. - Электр, текст, дан. (181 Мб). -Мурманск: МГТУ. - С. 261-270. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0321000362 от 12.08.2010 г.

7. Юдин, Ю. И. Методы управления судном в режиме динамического позиционирования / Ю. И. Юдин, А. В. Барахта // Наука и образование - 2009 [Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1-9 апре-

ля 2009 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. - Электр, текст, дан. (181 Мб). - Мурманск: МГТУ, 2009. - 1 опт. компакт-диск (CD-ROM). - С. 998-1001. -Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0320900170 от 25.05. 2009 г.

8. Юдин, Ю. И. Проблемы обеспечения функционирования, безопасности и качества при эксплуатации судов с динамическими системами управления / Ю. И. Юдин, А. В. Барахта // Вестн. МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. - 2009. - Т. 12, № 2. - С. 259-262.

9. Юдин, Ю. И. Судовые системы динамического позиционирования / Ю. И. Юдин, А. В. Барахта // Наука и образование - 2008 [Электронный ресурс]: междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 2-10 апреля 2008 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. - Электрон, текст, дан. (20 Мб). - Мурманск: МГТУ, 2008. - 1 опт. компакт-диск (CD-ROM). - С. 784-787. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0320800238 от 21.01.2008 г.

10. Юдин, Ю. И. Математическое моделирование работы поворотной винтовой колонки бурового судна при прямолинейном движении / Ю. И. Юдин, А. В. Барахта, А. Н. Гололобов; Мурм. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2010. - 27 с. - Библиогр.: 19 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 30.09.2010, № 566-В2010.

11. Юдин, Ю. И. Математическое моделирование работы поворотной винтовой колонки бурового судна при произвольном движении / Ю. И. Юдин, А. В. Барахта, А. Н. Гололобов; Мурм. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2010. - 16 с.: ил. - Библиогр.: 19 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 30.09.2010, № 568-В2010.

12. Юдин, Ю. И. Математическое моделирование работы подруливающих устройств бурового судна / Ю. И. Юдин, А. В Барахта, А. Н. Гололобов ; Мурм. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2010. - 15 с: ил. - Библиогр.: 19 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 30.09.2010, № 567-В2010.

13. Оценка безопасности функционирования буровых судов наточке: св-во об офиц. per. прогр. для ЭВМ № 2011610166. Рос. Федерация / С.В. Пашенцев, А.В. Барахта, А.Ю. Юдин; правообладатель ФГОУ ВПО "Мурман. гос. техн. ун-т".-№2011610166; зарег. 11.01.2011.

Издательство МГТУ. 183010, Мурманск, Спортивная, 13. Сдано в набор 10.10.2011. Подписано в печать 11.10.2011. Формат 60х84'Лб Бум. типографская. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 0,88. Заказ 377. Тираж 100 экз.

Введение.;.

Глава 1. Анализ структуры, принципов работы систем динамического позиционирования и области их применения.

1.1. Проблемы освоения углеводородов на арктических шельфах.

1.2. Комплекс технических средств систем динамического позиционирования.

1.3. Структура систем динамического позиционирования.

1.4. Движительно-рулевые комплексы системы динамического позиционирования.

1.5. Показатели качества функционирования судовых динамических систем управления.

Глава 2. Математическое моделирование работы движительно-рулевого комплекса (ДРК) бурового судна.

2.1. Общая характеристика средств управления ДРК бурового судна.

2.2. Математическое моделирование работы ПВК бурового судна при прямолинейном движении.

2.3. Математическое моделирование работы ПВК бурового судна при произвольном движении.

2.4. Математическое моделирование работы НПУ бурового судна.

2.5. Определение равнодействующей тяги средств управления

ДРК бурового судна.

Глава 3. Построение математической модели внешних воздействий.

3.1. Общий вид модели.

3.2. Гидродинамические усилия.

3.2.1. Гидродинамические усилия корпуса судна.

3.2.2. Программная реализация расчета гидродинамических коэффициентов.

3.2.3. Расчет гидродинамических параметров и усилий.

3.2.4. Гидродинамические усилия, возникающие на буровом инструменте.

3.3. Усилия на руле.:.

3.4. Аэродинамические воздействия.

3.4.1. Аэродинамические воздействия на корпус судна.

3.4.2. Аэродинамические воздействия на буровую вышку.

3.5. Воздействия на судно морского волнения.

3.5.1. Постоянные составляющие воздействия от регулярного волнения.

3.5.2. Переменные составляющие воздействия от регулярного волнения.

3.5.3. Составляющие воздействия на судно от нерегулярного волнения.

Глава 4. Оценка безопасности функционирования бурового судна.

4.1. Общие уравнения позиционного равновесия судна.

4.2. Постановка задачи по выбору усилий активных средств управления.

4.2.1. Упрощения задачи.

4.2.1.1. Одно НПУ + одна ПВК.

4.2.1.2. Одно НПУ + одна ПВК.

4.2.1.3. Одно НПУ + одна ПВК.

4.2.1.4. Одно НПУ + одна ПВК.

4.2.2. Оптимизационный подход.

4.3. Расчет нагрузок на исполняющие устройства ДП с помощью радиальных диаграмм предельного ветра.

4.3.1. Группа движителей 1-4.

4.3.2. Группа движителей 1-3.

4.3.3. Группа движителей 2-4.

4.4. Итоговые оценки безопасности функционирования судна.

4.5. Сравнительные оценки расчетов и экспериментальных данных.

4.5.1. Расчет равнодействующих сил и вращающего момента с помощью опытных данных.

Актуальность темы, Обеспечение безопасности всех операций, связанных с разведкой, добычей и транспортировкой углеводородов в акваториях Мирового океана продолжает оставаться насущной проблемой. Сложность технической оснащенности, трудоемкость процесса управления специализированными судами, используемыми при проведении исследований и освоении природных запасов морских шельфов, диктуют необходимость совершенствования судовых систем управления.

При анализе работы бурового судна, позиционирующего в заданной точке, главное внимание исследователя вызывают воздействия со стороны внешних факторов и их отрабртка судовой системой динамического позиционирования (ДП). Воздействие внешних факторов специфично и связано с наличием на борту бурового оборудования. В первую очередь к нему отнесем буровую вышку (надводное оборудование) и буровую колонну (подводное оборудование). Первая изменяет ветровое воздействие на судно, вторая - воздействие течения. Работа систем динамического позиционирования также специфична и не всегда прозрачна для судоводителя. Опыт работы с системой приобретается не сразу и требует вдумчивого анализа эксплуатационных случаев, требующих человеческого вмешательства, на что способен не каждый судоводитель. Техническая документация разработчиков проекта судна с системами ДП обычно содержит радиальные диаграммы скоростей ветра, при которых возможно удержание судна с помощью его движительно-рулевого комплекса. Однако, как показывает практика эксплуатации буровых судов, предельные значения скоростей ветра, при которых возможна безаварийная работа бурового судна, существенно меньше устанавливаемых технической документацией разработчиков проекта систем динамического позиционирования. Поэтому оценка безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна является актуальной проблемой.

Свою специфику йдоеют также движители, которые работают при удержании бурового судна на точке: носовые подруливающие устройства (НПУ) 5 и поворотные винтовые колонки (ПВК), которые работают в группе, что существенно изменяет условия их обтекания, создавая сложные скосы потоков на них, и развиваемые ими усилия. Эту специфику судоводитель может осваивать интуитивно в рабочем режиме, последовательно накапливая и совершенствуя опыт работы с системой, что требует значительного времени и определенных практических навыков.

Альтернативой субъективности в вопросе оценки безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна может быть только математическое моделирование системы (модели судна, бурового оборудования, движителей, внешних воздействий, модели совместной работы) и компьютерное оценивание безопасности работы на основе таких моделей. Насущная необходимость такого моделирования гарантирует актуальность настоящего исследования.

Рассматриваемая в настоящей работе проблема создания комплексной математической модели функционирования бурового судна естественным образом погружается в общую проблему моделирования и идентификации моделей. Первый этап построения математической модели (ММ) любого процесса состоит в выборе общей структуры модели и класса уравнений, которыми предполагается описывать наблюдаемый процесс. Это составляет так называемую задачу структурной идентификации. После выбора структуры модели и класса уравнений встает задача оценки числовых значений констант модели, которые не измеряются непосредственно. Они определяются с помощью имеющихся экспериментальных данных, т. е. по ряду значений измеряемых в эксперименте переменных. Этот этап и принято называть задачей параметрической идентификацией модели. В рамках создания общей (комплексной) модели сложного процесса приходится производить его декомпозицию, т. е. разбиения на более т простые составляющие с последующей разработкой их частных моделей. В финале частные модели сводятся в комплексную модель, описывающую работу системы в целом.

Неоспоримо общее мнение по поводу необходимости создания адекватной математической модели конкретного судна. Когда сама модель уже выбрана тем или иным способом, возникает проблема определения параметров — коэффициентов моделей. На этом этапе предпочтение отдается не теоретическому вычислению параметров модели, а их определению на основе натурных испытаний судна в различных рабочих режимах. Особенно перспективна эта идея, если идентификация проводится в реальном масштабе времени, когда найденные параметры могут сразу же использоваться для прогнозирования ближайших состояний судна. Изменение внешних воздействий непосредственно скажется на идентифицируемых параметрах и, следовательно, на качестве предсказаний поведения судна. Именно это составляет главный интерес практического моделирования.

Целью диссертационного исследования является оценка безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна методами математического моделирования. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

- разработать модель, описывающую работу носовых подруливающих устройств;

- разработать модель, описывающую работу поворотных винтовых колонок;

- разработать модель воздействия ветра на надводную часть корпуса судна с учетом буровой вышки;

- разработать модель воздействия течения на подводную часть корпуса судна с учетом буровой колонны;

- на основании этих частных моделей создать комплексную модель системы, описывающую динамику бурового судна в режиме динамического позиционирования;

- произвести оценку безопасности функционирования бурового судна в режиме динамического позиционирования по критерию нормативной нагрузки судовой энергетической установки (СЭУ) судна при совокупности внешних воздействий.

Объектом исследования является буровое судно, снабженное системой динамического позиционирования, работающее в режиме удержания судна в точке бурения при изменяющихся внешних условиях.

Предметом исследования является оценка возможности безопасного удержания судна на точке с помощью имеющихся на борту движителей - двух носовых подруливающие устройств и двух поворотных рулевых колонок при их нормативных нагрузках. В основу такой оценки положен критерий нормативной нагрузки судовой энергетической установки.

Научная значимость результатов работы. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, определяющие её научную значимость:

- структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу носовых подруливающих устройств;

- структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу поворотных винтовых колонок;

- смоделировано воздействие ветра на буровую вышку, расположенную на палубе судна;

- смоделировано воздействие течения на буровую колонну, пристыкованную к подводной части корпуса судна;

- сведены частные модели элементов системы в комплексную математическую модель с возможностями оценки безопасности функционирования судна в различных районах Мирового океана;

- произведена оценка безопасности функционирования бурового судна с системой ДП при совокупности внешних воздействий, в основу которой положен критерий нормативной нагрузки СЭУ судна.

Методы исследования. При выполнении работы применялся экспериментально-теоретический метод исследования. Для выполнения теоретической части использовался аппарат дифференциальных уравнений, теории оптимального управления, математической статистики, теории аппроксимаций. Экспериментальная часть заключалась в обработке результатов натурных экспериментов по т отработке буровым судном ветроволновых воздействий с использованием специально созданного с участием автора комплекса программ для ЭВМ в системе программирования Visual Basic (VB6). На всех этапах работы широко использовалась вычислительная техника, так, при аппроксимации всех аналитических зависимостей применялся математический пакет MathCad 7.0.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты диссертационной работы могут быть использованы при практической оценке безопасности функционирования буровых судов подобного типа в различных районах мирового океана с учетом их гидрометеорологической специфики. Они могут быть использованы и шире, например, для описания процессов швартовки крупнотоннажных танкеров, снабженных движителями типа НПУ и ПВК. Все это в совокупности может использоваться в процессе подготовки инженеров-судоводителей в морских учебных заведениях.

Реализация работы. Результаты исследований диссертационной работы использованы в качестве рекомендаций по обеспечению безопасной эксплуатации бурового судна при выполнении производственных работ в ОАО "АМИГЭ", использованы при математическом моделировании и швартовных операциях буксиров с поворотными, винторулевыми колонками при оценке безопасности выполнения швартовных операций танкеров к борту ПНТ "Белокаменка" и вошли в эксплуатационные регламенты бурового судна "Бавенит" и ПНТ "Белокаменка". Результаты экспериментальных и теоретических исследований используются специалистами комплекса судовых тренажеров НОУ "УТЦ Северного бассейна" при профессиональной подготовке и переподготовке судоводителей при решении задач по управлению судном с учетом маневренных характеристик в конкретных условиях плавания. Использование результатов диссертационной работы оформлено актами внедрения и справкой, представленными в Приложении 2 диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде четырех докладов на международных научно-технических конференциях "Наука и образование" в Мурманском государственном техническом университете (2008 - 2010 гг., г. Мурманск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, общим объемом более 4,4 п. л., из них более 2,8 п. л. написаны лично автором, в том числе две статьи опубликованы в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, получено одно свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается с помощью вычислительных модельных процедур и сравнения их с результатами натурных испытаний в режиме производственных процессов на буровом судне. При этом математические модели были построены на основе известных физических законов, которые описывают характер функционирования исследуемой системы. Хорошее совпадение таких результатов дает возможность считать построенные модели адекватными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика расчета тяговых усилий носовых подруливающих устройств.

2. Методика расчета тяговых усилий поворотных винтовых колонок.

3. Способ расчета ветровых нагрузок на буровую вышку.

4. Способ расчета гидродинамических нагрузок на буровую колонну.

5. Комплексная модель работы бурового судна в режиме ДП.

6. Методика оценки безопасности при удержании бурового судна на точке.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 202 страницы, основной текст диссертации содержит 181 страницу, 39 таблиц и 53 рисунка. Библиография содержит 59 наименований на 6 страницах, включая работы автора, приложения на 21 странице, в том числе акт маневренных испытаний, два акта внедрения и справку об использовании результатов диссертационной работы.

Основные результаты испытаний по определению коэффициентов сопротивления буровой вышки приведены на рис. 3.9 [13], и определены как справочные. Они получены для буровой вышки, расположенной на понтоне. Поэтому данные результаты можно перенести на БП на судне только с оговорками. Однако других аналогичных результатов нам не известно.

Рис. 3.9. Осевое и поперечное усилия, действующие на буровую вышку

Наиболее важным результатом выполненных исследований является установление факта зависимости сопротивления БП от ее положения на морском объекте. Значение коэффициента сопротивления БП, близкое к значению коэффициента Сха при изолированном обтекании, наблюдается только при расположении надстройки в плоскости передней грани объекта. По мере удаления надстройки от передней грани к середине коэффициент ее сопротивления резко падает и восстанавливается до своего исходного значения только при ее приближении к дальнему торцу объекта, и то при условии, что протяженность надстройки по потоку невелика. Если надстройка имеет достаточно большой размер вдоль потока, то ее коэффициент сопротивления сильно уменьшен при любом положении БВ, кроме переднего.

Такой результат можно объяснить, основываясь на исследованиях структуры обтекания морского объекта. Схема обтекания при его расположении вне влияния свободной поверхности воды, полученная путем визуализации течения в аэродинамической трубе. Около половины поверхности платформы занимает отрывная зона высотой 1,0-1,5 Н, начинающаяся от ее передней кромки. Длина отрывной зоны, максимальная в средней части, постепенно убывает к краям. Внутри отрывной зоны или отрывного пузыря наблюдаются застойные явления, и даже обратное течение. В кормовой части объекта скорость потока возрастает и приближается по своему значению к скорости невозмущенного потока.

Очевидно, что все надстройки, расположенные внутри пузыря отрыва, будут иметь заниженные' коэффициенты аэродинамического сопротивления. Уменьшенным окажется и суммарный коэффициент сопротивления комбинации "борт судна - надстройки". Следовательно, при расчете ветровой нагрузки, действующей на судовые надстройки (если их несколько), необходимо учитывать их " - расположение по длине судна, учитывая при этом направление скорости ветра.

Сопротивление буровой вышки и решетчатых опорных колонн. Опорные колонны СПБУ и буровые вышки являются достаточно сложными ферменными конструкциями, включающими элементы различной конфигурации, профиля сечения и удлинения. Кроме того, на буровой вышке устанавливаются буровое оборудование и обшивка 'промежуточных площадок. Как показали эксперименты, выполненные с моделями секций опорных колонн СПБУ "Каспий", буровых вышек и некоторых других ферменных конструкций, полученные результаты могут отличаться на 25-30 % от результатов расчета, выполненных по существующим методикам. Это объясняется многими причинами, среди которых основной является неправильный учет интерференции элементов фермы. Поэтому представляет интерес определение среднего коэффициента интерференции для наиболее типичных ферменных конструкций ПБУ. Были испытаны

Возможны два варианта расчета аэродинамического сопротивления БВ. Для этого приведено два значения аэродинамического коэффициента Сх, равные 1,315 и 0,513. В первом случае в качестве характерной (определяющей) ветровой площади берется суммарная площадь элементов наветренной грани, во втором — суммарная площадь проекции всех элементов, на плоскость, перпендикулярную воздушному потоку. Коэффициент заполнения модели БВ был равен 0,3.

Аэродинамическое усилие, как обычно, находится по формуле Ха=0,5р (3.19) где под Б имеется в виду характерная площадь в зависимости от выбора Сх.

В нашем конкретном случае морского бурового судна "Бавенит" имеет и фронтальная проекция (справа)

На нем показаны две проекции — боковая проекция слева и фронтальная проекция справа. Для каждой из проекций в среде MathCad рассчитаны поэлементно площади и их статические моменты, которые сведены в табл. 3.7. Зная эти геометрические характеристики, можно найти усилия, действующие на буровую вышку при произвольных углах атаки ветра а.

При этом угол атаки будем отсчитывать от ДП судна в направлении от носа к корме со знаком "+" на правый борт и со знаком на левый. Для этого скорость ветра и представим в виде проекций вдоль ДП и* = и cos а и поперек ДП Uy = и sin а. Используя эти проекции скорости, находим аэродинамические усилия, действующие вдоль указанных осей, где Сх = Су= 1,315, а £фргр = 47,9 м , $бок. гр = 3 5,6 м2:

Xa=0,5pfl(ucosa

5ра (vsin a)2 CyS6oK ^. (3-20)

Поскольку конструкция вышки симметрична относительно ее центральных осей, то ветровой момент относительно вертикальной оси оказывается малым и его можно не учитывать. Ниже приведены результаты расчета ветровой нагрузки вдоль осей Ох и Оу для ветра со скоростью 10 м/с при круговом изменении направления ветра с учетом принятых традиционно знаков действующих сил. Они представлены в графической форме рис. 3.10.

В соответствие с рекомендациями [13] при углах атаки от 0° до ±45° к усилию Fx придан редукционный коэффициент интерференции, равный 0,43. Это вызвано тем, что буровая вышка на судне "Бавенит" расположена за надстройкой в передней части судна и находится в ее ветровой тени. На других уг-* лах атаки буровая вышка обтекается ветром свободно.

В формулах (3.20) взята истинная скорость ветра, так как буровое судно на рабочей позиции за счет действия системы динамического позиционирования перемещается с малыми скоростями.

Окончание табл. 3.7

Фронтальный вид Длина ЦТх Поперечная Площадь наветренной грани Момент элемента Ь СТХ В М

1 2386,646 -737,304 25 59666,15 -4,4Е+07

2 2385,927 776,7016 25 59648,17 46328827

3 . 1218,747 -529,057 15 18281,21 -9671810

4 1197,661 534,6858 15 17964,92 9605587

5 1069,938 -430,563 15 16049,08 -6910135

6 1030,08 464,3325 15 15451,19 7174491

7 929,2319 -351,767 15 13938,48 -4903097

8 925,3074 402,4215 15 13879,61 5585454

9 811,8234 -264,529 15 12177,35 -3221260

10 817,435 323,6256 15 12261,52 3968144

11 703,5399 -678,207 15 10553,1 -7157184

12 636,001 650,0655 15 9540,015 6201634

13 1778,536 5,6283 15 26678,04 150152

14 1502,773 19,69895 15 22541,59 444045,7

15 1187,596 19,699 20 23751,92 467889

16 900,5236 22,5131 49 44125,66 993405,3

17' 681,021 -216,688 49 33370,03 -7230902

18 2318,894 -309,555 15 34783,41 -1ДЕ+07

19 2316,056 332,0681 15 34740,84 11536326

I 47,94023 -1,39788

Из рис. 3.10 видно, что максимальные усилия при скорости ветра 10 м/с невелики и не превышают 0,31 тс. Если скорость ветра увеличить вдвое, то эти усилия возрастут примерно до 1,2 тс. При этом основное аэродинамическое усилие на корпус судна также возрастет в четыре раза, так что усилие, приходящееся на БВ, по сравнению с ним по-прежнему останется малым.

Величины коэффициентов сопротивления, в которых за характерную площадь приняты &яГр — площадь всех элементов наветренной грани и St — суммарная площадь проекции всех элементов на плоскость, перпендикулярную к набегающему потоку. Коэффициент интерференции Аи вычисляется как отношение полного сопротивления ферменной конструкции к произведению qCxlS¡, где q — скоростной напор, Cxi и S¡ - соответственно коэффициент сопротивления и лобовая площадь z-го элемента конструкции, расположенного боком или под углом к потоку. Для испытанной модели буровой вышки было получено значениями, равное 0,43.

Можно оценить правильность расчета самого важного из коэффициентов С^ при направлении ветра под курсовым углом 90°, для этого использованы результаты сдаточных испытаний судна по кренованию. На их основе рассчитан кренящий момент М (в тм) при действии ветра со скоростью 44,54 м/с в зависимости от осадки судна Т (в м) и приведен в технической документации Stability Manual (page 16). Часть этих данных представлена в табл. 3.8.

Заключение

В работе рассмотрены проблемы, связанные с оценкой безопасности функционирования бурового судна, что, в свою очередь, связано с построением и идентификацией математической модели взаимодействия с внешней средой самого судна, его движителей и бурового оборудования.

В рамках диссертационной работы были решены следующие задачи: I

1. Структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу носовых подруливающих устройств.

2. Структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу поворотных винтовых колонок.

3. Смоделировано воздействие ветра на буровую вышку, расположенную на палубе судна.

4. Смоделировано воздействие течения на буровую колонну, пристыкованную к подводной части корпуса судна.

5. Разработана комплексная математическая модель, описывающая динамику бурового судна в режиме динамического позиционирования, с возможностями оценки безопасности функционирования судна в различных районах Мирового океана;

6. Произведена оценка безопасности функционирования бурового судна в режиме динамического позиционирования при совокупности внешних воздействий, в основу которой положен критерий нормативной нагрузки СЭУ судна. В частности, показана опасность работы бурового судна при некоторых комбинациях воздействия на судно внешних факторов в противоречии с техни ческими рекомендациями судостроителей.

Все полученные результаты легко обозримы, имеют аналитическую, графическую или табличную формы, и могут быть применены в реальных судовых условиях или в рамках учебных занятий при подготовке судоводителей. Кроме того, все результаты наших исследований могут применяться при создании электронных тренажеров, отрабатывающих специфическое маневрирование в условиях бурения на континентальных шельфах.

176

1. Артюшков, Л. С. Судовые движители: учебник / Л. С. Артюшков, А. Ш. Ачкинадзе, А. А. Русецкий. - Л. : Судостроение, 1988. - 296 с.: ил.

2. Барахта, А. В. Расчет ветровых нагрузок на буровую вышку бурового судна / А. В. Барахта, Ю. И. Юдин, С. В. Пашенцев // Эксплуатация морского транспорта. 2010. - № у (61). - С. 40^2.

3. Барахта, А. В. Расчет силовых нагрузок на буровой инструмент бурового судна / А. В. Барахта, Ю. И. Юдин; С. В. Пашенцев // Эксплуатация морского транспорта. 2010. - № 1 (59). - С. 67-69.

4. Барахта, А. В. Структура и принципы работы систем динамического позиционирования / А. В. Барахта, Ю. И. Юдин // Вестн. МГТУ : Труды Мур-ман. гос. техн. ун-та. 2009. - Т. 12, № 2. - С. 255-258.

5. Басин, А. М. Гидродинамика судна / А. М. Басин, В. Н. Анфимов.

6. Л.: Речной транспорт, 1961. 684 с.

7. Басин, А. М. Расчет и проектирование гребных винтов судов внутреннего плавания / А. М. Басин, В. Н. Анфимов, Ю. Н. Мамонтов // Труды ЦНИИРФ. Вып. XXXVII. -1958.

8. Басин, А. М. Теория и расчёт гребных винтов / А. М. Басин, И. Я. Ми-ниович. Л. : Судпромгиз, 1963. - 760 с.

9. Буровое оборудование : справочник. В 2 т. Т. 2. Буровой инструмент. -М.: Недра, 2003. 494 с.

10. Волков, С. Д. Особенности аэродинамики плавучих морских установок / С. Д. Волков, Ю. Ц. Мирошнике // Вопросы судостроения : науч.-техн. сборник. Вып. 24, ЦНИИ "Румб", 1980. - С. 57-64. - (Сер. "Проектирование судов").

11. Вопросы сооружения и эксплуатации плавучих буровых установок: Тр. ин-та / ВНИИ экономики, орг. пр-ва и техн.-экон. информ. в газовой промети ; Редкол. : А. М. Джафаров (гл. ред.) и др.. М. : ВНИИЭгазпром, 1980.

12. Галахов, И. Н. Плавучие буровые платформы. Конструкция и прочность / И. Н. Галахов, О. Е. Литонов, А. А. Алисейчик. — JI. : Судостроение, 1981.-224 с.

13. Гофман, А. Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. Справочник / А. Д. Гофман. — Л. : Судостроение, 1988. — 360 с.

14. Девнин, С. И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций : Справочник / С. И. Девнин. Л. : Судостроение. - 1983. - С. 332.

15. Исследования морских гидротехнических сооружений для освоения шельфа : межвуз. сб. / Ленингр. политехи, ин-т им. М. И. Калинина : Редкол.: Г. И. Сиваков (отв. ред.) и др.. Л. : ЛПИ. 19080.

16. Кузнецов, Б. И. Аэродинамическое исследование цилиндров / Б. И. Кузнецов // Труды'ЦАГИ. 1931. - Вып. 98.

17. Куриленко, А. М. Качество судовых динамических систем управления / А. М. Куриленко, А. Д. Ледовский. Спб. : Судостроение, 1994. - 176 с.

18. Методика расчета нормативных показателей надежности судовых технических средств : РД 15-127-90. Л. : Гипрорыбфлот, 1990. - 81 с.

19. Михайлов, Л. В. Суда для освоения континентального шельфа / Л. В. Михайлов // Судостроение. 2005. - № 4. - С. 27-29.

20. Новые технические средства для освоения континентального шельфа / Горьков. обл. совет НТО ; Отв. ред. А. В. Васильев, И. Л. Колюжный. Горький : [Б. и.], 1987.

21. Особенности развития техники освоения шельфа: Сборник. / ВСНТО, Крым. обл. совет НТО, НТО им. А.Н. Крылова, Секция проектирования судов. Севастополь : [Б. и.], 1984.

22. Петров, Ю. П. Системы стабилизации буровых судов / Ю. П. Петров, В. В. Червяков. Л. : Судостроение, 1985. - 216 с. - (Сер. "Техника освоения океана").7

23. Плавучие буровые платформы: (Конструкция и прочность) / И. Н. Галахов, О. Е. Литонов, А. А. Алисейчик. Л. : Судостроение, 1981.

24. Проблемы исследования и освоения Мирового океана / под ред. А. И. Вознесенского. Л. : Наука, 1979. - 406 с. - (Сер. "Техника освоения океана").

25. Проектирование техники освоения шельфа : Сб. ст. / Крым. обл. совет НТО, НТО им. А.Н. Крылова, Крым. обл. правл., Секция проектирования судов ; [Отв. ред. А. И. Раков]. Севастополь : [Б. и.], 1987.

26. Руководство по расчёту и проектированию гребных винтов судов внутреннего плавания / под. ред. А. М. Басина и Е. И. Степаника. Л. : Транспорт, 1977.

27. Савинов, В. И. Океанотехника. Технические средства освоения континентального шельфа : учеб. пособие / В. И. Савинов. — Н. Новгород : Нижегор. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева, 2008.

28. Семенов, Ю. Н. Технические средства освоения ресурсов Мирового океана : учеб. пособие / Ю. Н. Семенов, А. С. Портной; С.-Петерб. гос. мор. техн. ун-т. Спб.: Изд. центр Мор. техн. ун-та, 1995.

29. Скрыпник, С. Г. Техника для бурения нефтяных и газовых скважин на море / С. Г. Скрыпник. М. : Недра, 1989.

30. Справочник по теории корабля. В 3 т. Т. 1 / под ред. Я. И. Войт-кунского. Л. : Судостроение, 1985. - 768 с.

31. Справочник по теории корабля. В 3 т. Т. 2 / под ред. Я. И. Войт-кунского. Л. : Судостроение, 1985.-440 с.

32. Справочник по теории корабля. В 3 т. Т. 3 / под ред. Я. И. Войткунского. Л. : Судостроение, 1985. - 544 с.

33. Средства активного управления судами / Э. П. Лебедев и др. ; под общ. ред. А. А. Русецкого. Л. : Судостроение, 1969. - 345 с.

34. Технические средства освоения шельфа : межвуз. сб. науч. тр. / Ни-жегор. гос. техн. ун-т; Редкол. : А. В. Васильев (отв. ред.) и др. Н. Новгород : НГТУ, 1995.

35. Технические средства освоения шельфа : сб. науч. тр. / Нижегор. гос. техн. ун-т. Вып. 3. - Н. Новгород, 2001.

36. Тумашик, А. П- Математическая модель бурового судна, удерживаемого в заданной точке моря / А. П. Тумашик ; ЦНИИ "Румб" // Вопросы судостроения : науч.-техн. сб. 1980. - Вып. 24. - С. 44—56. - (Сер. "Проектирование судов").

37. Тумашик, А. П. Расчет гидродинамических характеристик судна при маневрировании / А. П. Тумашик // Судостроение. 1978. - № 5. - С. 13-16.

38. Устинов, А. А. Математическая модель бурового судна как объект управления динамическим позиционированием : дис. . канд. техн. наук.: 05.13.06 / Алексей Александрович Устинов. СПб., 2003. - 234 с.

39. Хаскинд, М. Д7 Гидродинамическая теория качки корабля / М. Д Хас-кинд. М.: Наука, 1973. -327 с.

40. Хаскинд, М. Д. Теория сопротивления при движении судна на волнении / М. Д. Хаскинд // Изв. АН СССР. 1959. - № 2. - С. 46-56.

41. Хаустов, А. Н. Специальные суда для российского шельфа / А. Н. Ха-устов, С. В. Дерюгин // Судостроение. 2005. - № 4. - С. 29-33.

42. Хертсилл, Д. Динамическое позиционирование и проблемы двухствольного бурения на глубоководном буровом судне / Д. Хертсилл, Э. Рат //

43. Нефтегазовые технологии. 2005. — № 5. - С. 50-55.

44. Ходкость и управляемость судов: учеб. пособие для вузов водн. транспорта / под ред. А. М. Басина. М.: Транспорт, 1977. - 456 с.

45. Храпатый, Н. Г. Гидротехнические сооружения на шельфе / Н. Г. Храпатый, А. Т. Беккер, Е. А. Гнездилов. Владивосток : Изд-во Дальневост. ун-та, 1983.

46. Шапочников, И. Г. Оценка взаимодействия подруливающего устройства с корпусом судна / И. Г. Шапочников // Труды НТО им. А. Н. Крылова-JI. : Судостроение, 1981. Вып. 358. - С. 61-79.

47. Юдин, Ю. И. Проблемы обеспечения функционирования, безопасности и качества при эксплуатации судов с динамическими системами управления / Ю. И. Юдин, А. В. Барахта // Вестн. МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. унта. 2009. - Т. 12, № 2. - С. 259-262.

48. Юдин, Ю. И. Теоретические основы безопасных способов маневрирования при выполнении точечной швартовки / Ю. И. Юдин, С. В. Пашенцев, Г. И. Мартюк, А. Ю. Юдин. Мурманск : Из-во МГТУ, 2009. - 152 с.: ил.

49. Юфа, A. JI. Автоматизация процессов управления маневрирующими надводными объектами / A. JL Юфа. JT.: Судостроение, 1987. - 288 с.

50. Chislett, М. S. Influence of ship speed on the effectiveness of a lateral-thrust unit / M. S. Chislett // HA Report. 1979. - N 8.

51. Martin, L. L. Ship Manoeuvring and Control in Wind / L. L. Martin. // SNAME Tr. -1980. V. 88. - P. 257-281.

52. Muller, E. Results of open water tests with ducted and nonducted propellers with angel of attack from 0 to 360 deg. / E. Muller // Polish Acad, of Sei., Proc. of Simposium "Advance in propeller research and design". Gdansk, 1881. -N12.

53. Taniguchi, K. Investigations into the Fundamental Characteristics and Operating Performances of Side Thruster / K. Taniguchi, K. Watanabe and H. Kasai // Mitsubishi Technical Bulletin. 1966. - N 35.

54. Van Manen, J. D. Effect of radial load distribution on the performance of shrouded propellers / J. D. Van Manen // Int Shipbuilding Progress. 1962. - V. 9, N93.-P. 192-196.

55. Van Manen, J. D. Neuere Fortschritte in der Forschung über Dusen-propeller / J. D. Van Manen // Schiff und Hafen. 1957. - N. 2.

56. Van Manen, J. D. The Design of Screw-Propellers in Nozzles / J. D. Van Manen, A. Superina //1. S. P. 1959. - V. 6, N 55.