научная статья по теме АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ БУРОВЫХ ТРУБ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БУРОВОГО СУДНА Машиностроение

Текст научной статьи на тему «АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ БУРОВЫХ ТРУБ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БУРОВОГО СУДНА»

СУДОСТРОЕНИЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ

литуд выходного процесса выражается формулой (законом Рэлея) р(°|) = (о/О,) ехр( - а¡2/2D¡) .

Таким образом, при переходе от нелинейной системы к линейной зависимости предложенного метода трансформируются к известным соотношениям статистической динамики линейных систем.

2. Рассмотрим нелинейную безынерционную систему. В этом случае частота входного процесса не влияет на амплитуды выходного процесса, зависящие только от амплитуд входного процесса При воздействии на такую систему входного процесса (3) выходной процесс будет иметь дисперсию = о2(гк). Следовательно, к,(гк) = о,(Гк)/Гк, а отыскание плотности распределения вероятностей амплитуд (5) будет представлять собой построение некоторой функции г = ^а), обратной по отношению к а(г), и последующее функциональное преобразование в соответствии с формулой (6).

Таким образом, предложенный метод решения нелинейных задач статистической динамики можно трактовать как обобщение известного подхода к исследованию безынерционных систем на случай динамических систем, обладающих инерционными свойствами. Метод базируется на вероятностном анализе процессов качки и силовых воздействий на корпус в частотной облас-

В рамках разработанной концепции проектирования буровых судов1 выбор и обоснование технических решений базируется на результатах технико-экономического анализа, а также оценки надежности наиболее ответственного комплектующего оборудования и рекомендаций по его эффективной эксплуатации. Надежность работы целого ряда специфического оборудования (например,

Рис. 3. Отличия в результатах оценки ПРВ при использовании детерминированного 1 и вероятностного 2 подходов к определению коэффициентов полинома

ти. В отличие от методов, ориентированных на исследовании этих процессов во временной области, он очень экономичен в отношении затрат машинного времени и хорошо приспособлен к существующим способам определения гидродинамических усилий при колебаниях судна и соответствующих гидродинамических коэффициентов в уравнениях качки, сильно зависящих от частоты волнения. Достоинством метода является возможность его использования для прогнозирования параметров качки и величин нагрузок, реализуемых в условиях эксплуатации судна на нерегулярном волнении, на основе данных модельных испытаний на регулярном волнении в условиях опытовых бассейнов. Метод позволяет повысить

буровой колонны)буровых судовте-сно связана с морскими эксплуатационными условиями и качествами судна в целом.

Оптимальность решений рассматривается в единстве двух сфер — техники и эргономики. Поэтому общая концепция проектирования дополняется постановкой и решением задач, связанных с выходом из аварийных ситуаций с минимальными

точность расчетных оценок нагрузок, определяющих прочность судовых конструкций, и, тем самым, обеспечить их оптимальное проектирование и весовое совершенство, а также повысить эксплуатационную надежность и безопасность судов. Можно полагать, что этот метод найдет широкое применение при решении задач статистической динамики высокоскоростных судов и судов новых типов, а также при решении проблемы внешних сил в строительной механике корабля.

Литература

1. Расщепляев Ю. С., Фандиенко В. Н. Синтез моделей случайных процессов для исследования автоматических систем управления. М.: Энергия, 1981.

2. Астапов Ю. М, Медведев В. С. Статистическая теория систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1982.

3. Чернецкий В. И. Анализ точности нелинейных систем управления. М.: Машиностроение, 1968.

4. Крыжевич Г. Б. Способ оценки вероятностных распределений амплитудных значений параметров качки и нагрузок, действующих на судовые конструкции при их нелинейной связи с амплитудами волн//Судостроитель-ная промышленность. Сер. «Проектирование судов». 1990. Вып. 15.

5. Бородай И. К. и др. Прикладные задачи динамики судна на волнении. Л.: Судостроение, 1989.

6. Крыжевич Г. Б. Учет энергообмена с внешней средой при расчете общей вибрации судна, движущегося в условиях волнения//Труды научно-технической конференции, посвященной памяти И. Г. Бубнова. СПб.: ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 1998.

потерями, разработкой соответствующей эксплуатационной документации, инструкций и программ для бортового компьютера.

Бурильная колонна, проходя через направляющий раструб2, испытывает несимметричные нагрузочные циклы, происходящие от деформаций растяжения при действии силы веса и от изгибных — при угловых перемещениях судна (рис. 1). Уровень напряжений зависит от массы колонны М, кривизны поверхности направляющего раструба 1/?. С увеличением угловых перемещений 0 растет протяженность участка раструба I = на котором буровая труба находится в контакте с ним, повторяет его кривизну и подвергается цикли-

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ БУРОВЫХ ТРУБ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БУРОВОГО СУДНА

В. П. Шостак, докт. техн. наук, В. И. Голиков, канд. техн. наук (УГМТУ, Николаев) удк 622.24.053:539.4

1Шостак В. П. Концепция проектирования судов глубоководного исследовательского бурения//Сб. научн. трудов УГМТУ Николаев, 1998. № 10 (358).

2А. с. 1670078. Направляющий раструб судна глубоководного исследовательского бурения/Авт. изобретен. Б. В. Емец, В. П. Шостак. Заявл. № 460 6211/03. Приоритет изобретения 17 ноября 1988 г. Опубл. в БИ 15.08.91. Бюл. 30.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ

СУДОСТРОЕНИЕ 6'1WV

График распределения высот случайных волн для h3% = const представлен на рис. 2.

Верхняя граница случайных волн устанавливается статистическим соотношением hmax/h3% = 1,3...1,4. Если на графике выделить некоторый диапазон высот случайных волн h, ...h2, границам которого соответствуют обеспеченности m, и m2, то для средних высот волн в этом диапазоне h = (h, + h2)/2 их пов-

торяемость n

m

m,. Повторяе-

Рис. 1. Схема определения длины I контактного участка бурильной колонны, проходящей через направляющий раструб:

I — палуба судна; II — внутренняя стенка раструба; III — днище судна; 0 — угол наклонения судна; R = const — радиус кривизны раструба; L = R0 — длина контактного участка колонны

ческим воздействиям с напряжением

а = Mg/F + Мизг /W,

где F — площадь; J — момент инерции; W — момент сопротивления, зависящий от геометрических характеристик поперечного сечения буровой трубы в составе колонны; Мизг= EJ/R — изгибающий момент.

Число циклов, которым подвержена каждая буровая труба, проходящая через раструб, определяется протяженностью контактного участка /, периодом колебаний судна t , временем существования участка I именно такой протяженности за время t пребывания трубы в раструбе и средней скоростью проходки скважины У6ур.

В отечественной практике принято характеризовать интенсивность волнения высотой волны 3%-ной обеспеченности h3%. Согласно закону Рэлея высоты волн различной обеспеченности в общей массе волн конкретного шторма описываются выражением hm = RmVo^, где Dh— дисперсия волновых ординат; Rm = V2 Inl/m — коэффициент, зависящий от обеспеченности m (в относительных единицах) случайной волны.

Для волнения заданной интенсивности

мость п характеризует временную продолжительность существования соответствующего участка раструба /.

Согласно гидродинамической теории волн с малой амплитудой на глубокой воде элементы волны связаны следующими соотношениями:

д 2пг

= — ^ « 1,56/2 фв = агс1д-,

2п ^

где — длина волны; t — период; г = И/2 — полувысота волны; ф — угол волнового склона.

При этом крутизна волн теоретически может достигать значения Ьв/Х = 1/7. Практически же волны с крутизной больше 1/10 встречаются крайне редко. В связи с этим при назначении величин ф, соответствующих ряду случайных Ьв, следует учитывать это ограничение. Имея распределение ф и передаточные функции процесса качки судна, можно получить представление и о распределении амплитуд 0.

В процессе эксплуатации бурильной колонны происходят усталостные изменения металла буровых труб, поэтому с целью предупреждения аварийных ситуаций на судне выполняется ультразвуковая дефектоскопия труб, когда они размещены в стеллажах. Как правило, дефекто-

Voh = ■

h

3%

1

R3% 2,648

h3%.

Рис. 2. График обеспеченности высот случайных волн для волнения заданной интенсивности Ьзд = 5,0 м

скопия выполняется выборочно, и всегда существует опасность аварийной ситуации из-за позднего обнаружения начальных проявлений усталостного разрушения. В связи с этим целесообразно организовать и вести на судне более тщательный контроль фактического состояния труб, т. е. каждая труба должна иметь свой технический паспорт, в котором отражались бы результаты оперативного контроля ее состояния с учетом участия в тех или иных процессах бурения и конкретных эксплуатационных условиях. Расход запаса усталостной прочности характеризуется интегрированной характеристикой Хпц/Ы, где пц — число нагрузочных циклов при заданном уровне напряженно-деформированного состояния, N — соответствующее число разрушающих циклов, заимствованное из прочностного эксперимента. Приближение показателя Ёпц/^ к единице (условие прочности лnц/N < 1 или с запасом Xnц/N < 0,6 для особо ответственных изделий) свидетельствует о необходимости более тщательной дефектоскопии трубы. Задача сводится к четкой регистрации этих величин с помощью бортового компьютера. При этом функция ввода в программу исходных данных для каждой трубы, вступающей в работу в составе бурильной колонны, должна быть возложена на оператора центрального поста управления буровыми работами. Алгоритм расчета числа нагрузочных циклов (расчет амплитуд качки для упрощения опущен) сводится к следующим положениям.

1. Опасным в бурильной колонне считается сечение 0—0 в районе бурового замка. Время прохождения этим сечением пути /растр, равного длине раструба, вычисляется по

формуле ^0—0 = /раст/уб*ур.

2. Ряду назначенных высот случайных волн Ь|,(м), т. е. Ь2, Ь3, данного шторма (с охватом всего диапазона волн) соответствует их повторяемость ц (%) — п^ п2, п3 и соответственно распределение времени /0—0 по периодам Т; = п^0—0 (г) — Т„ Т2, Т3 (Т0)—0 = ХТ|), углы волнового склона ф| (рад) — ф,, ф2, ф3, амп

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком