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
Мурманск – 2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Мурманский государственный технический университет"
Научный консультант:
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 го сударственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государ ственного технического университета.
Автореферат размещен на сайте МГТУ www.mstu.edu.ru "_" октября 2011 года.
Автореферат разослан "_" октября 2011 года.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент Власов А. Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Обеспечение безопасности всех операций, свя занных с разведкой, добычей и транспортировкой углеводородов в аквато риях Мирового океана продолжает оставаться насущной проблемой.
Сложность технической оснащенности, трудоемкость процесса управления специализированными судами, используемыми при проведении исследо ваний и освоении природных запасов морских шельфов, диктуют необхо димость 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 пози ционирования (ДП). Воздействие внешних факторов специфично и связано с наличием на борту бурового оборудования. В первую очередь к нему от несем буровую вышку (надводное оборудование) и буровую колонну (под водное оборудование). Первая изменяет ветровое воздействие на судно, вторая – воздействие течения. Работа систем динамического позициониро вания 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 разра ботчиков проекта судна с системами ДП обычно содержит радиальные диаграммы скоростей ветра, при которых возможно удержание судна с по мощью его движительно-рулевого комплекса. Однако, как показывает практика эксплуатации буровых судов, предельные значения скоростей ветра, при которых возможна безаварийная работа бурового судна, суще ственно меньше устанавливаемых технической документацией разработ чиков 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 слож ные скосы потоков на них, и развиваемые ими усилия. Эту специфику су доводитель 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 вы полнения динамического позиционирования бурового судна может быть только математическое моделирование системы (модели судна, бурового оборудования, движителей, внешних воздействий, модели совместной ра боты) и компьютерное оценивание безопасности работы на основе таких моделей. Насущная необходимость такого моделирования гарантирует ак туальность 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 подрулива ющих 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 кор пуса судна с учетом буровой колонны;
на основании этих частных моделей создать комплексную модель системы, описывающую динамику бурового судна в режиме динамическо го позиционирования;
произвести оценку безопасности функционирования бурового судна в режиме динамического позиционирования по критерию норматив ной нагрузки судовой энергетической установки (СЭУ) судна при сово купности внешних воздействий.
Объектом исследования является буровое судно, снабженное систе мой 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 рабо те получены следующие основные результаты, определяющие её научную значимость:
структурирована и идентифицирована модель, описывающая ра боту носовых подруливающих устройств;
структурирована и идентифицирована модель, описывающая ра боту поворотных винтовых колонок;
смоделировано воздействие ветра на буровую вышку, располо женную на палубе судна;
смоделировано воздействие течения на буровую колонну, присты кованную к подводной части корпуса судна;
сведены частные модели элементов системы в комплексную мате матическую модель с возможностями оценки безопасности функциониро вания 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 экспе риментально-теоретический метод исследования. Для выполнения теоре тической части использовался аппарат дифференциальных уравнений, тео рии оптимального управления, математической статистики, теории аппроксимаций. Экспериментальная часть заключалась в обработке ре зультатов натурных экспериментов по отработке буровым судном ветро волновых воздействий с использованием специально созданного с участи ем автора комплекса программ для ЭВМ в системе программирования Visual Basic (VB6). На всех этапах работы широко использовалась вычис лительная техника, так, при аппроксимации всех аналитических зависимо стей применялся математический пакет MathCad 7.0.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты диссер тационной работы могут быть использованы при практической оценке безо пасности 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 ра боты 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 колон ками при оценке безопасности выполнения швартовных операций танке ров к борту ПНТ "Белокаменка" и вошли в эксплуатационные регламенты бурового судна "Бавенит" и ПНТ "Белокаменка". Результаты эксперимен тальных и теоретических исследований используются специалистами ком плекса судовых тренажеров НОУ "УТЦ Северного бассейна" при профес сиональной подготовке и переподготовке судоводителей при решении задач по управлению судном с учетом маневренных характеристик в кон кретных условиях плавания. Использование результатов диссертационной работы оформлено актами внедрения и справкой, представленными в При ложении 2 диссертации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци онной работы были представлены в виде четырех докладов на междуна родных научно-технических конференциях "Наука и образование" в Мур манском 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 авто ром, в том числе две статьи опубликованы в ведущем рецензируемом на учном журнале, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ для опублико вания основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, получено одно свидетельство о государственной регист рации программ для ЭВМ.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссер тации, обеспечивается с помощью вычислительных модельных процедур и сравнения их с результатами натурных испытаний в режиме производст венных процессов на буровом судне. При этом математические модели были построены на основе известных физических законов, которые описы вают 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 уст ройств.
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 литера туры и приложений. Общий объем диссертации 202 страницы, основной текст диссертации содержит 181 страницу, 39 таблиц и 53 рисунка. Биб лиография содержит 59 наименований на 6 страницах, включая работы ав тора, приложения на 21 странице, в том числе акт маневренных испытаний, два акта внедрения и справку об использовании результатов диссертацион ной работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность и необходимость решения задач, связанных с построением математической модели функционирова ния 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 сис тем динамического позиционирования и математического моделирования, а также показатели качества функционирования систем.
В частности определено, что система динамического позиционирова ния – это многоконтурная система управления активными средствами удержания (стабилизирующими движителями), обеспечивающая заданное положение судна или его перемещение по выбранной траектории при дей ствии внешних сил в виде волнения моря, ветра и течения. В системе ди намического позиционирования с целью повышения точности стабилиза ции положения непрерывно обрабатывается информация о внешних силах – скорости и направлении ветра и течения, вычисляются силы, воздейст вующие на судно в продольном и поперечном направлениях, а также вра щающий момент. Указанные силы и моменты используются при расчете необходимых для их компенсации упоров средств управления. Как прави ло, используется комбинированный способ управления – "по отклонению" и "по возмущению". Для функционирования системы динамического пози ционирования необходимо обеспечить определение местоположения объ екта управления, а также параметров внешних возмущений.
Сформулированы требования, предъявляемые к способам решения за дач управления в режиме динамического позиционирования и их алгорит мам, 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 количест венные соотношения, которые требуют широкого использования матема тического аппарата для обоснования оптимальности получаемых решений, что в свою очередь приводит к необходимости математического моделиро вания процессов позиционирования. С учетом этого сделан вывод, что ма тематическая модель является основным элементом системы, описыва ющим ее динамические свойства – вынужденное и свободное движение.
В качестве одного из путей уточнения математической модели использует ся натурный эксперимент. Подстройка результатов расчетов по математи ческой модели под натурный эксперимент связывается с задачей иденти фикации, которая понимается как способ восстановления или уточнения математической модели судна по результатам измерений его кинематиче ских параметров движения, полученным в процессе эксперимента. Таким образом, результаты проведенного натурного эксперимента играют важ нейшую роль в достоверном функционировании модели в целом и обеспе чивают наивысшую степень ее эффективности и достоверности, а следова тельно, точности и надежности работы судна в режиме ДП.
Во второй главе произведена общая характеристика средств управ ления движительно-рулевого комплекса (ДРК) бурового судна, разработа ны математические модели, описывающие работу поворотных винтовых колонок и носовых подруливающих устройств судна. Управление буровым судном типа "Бавенит" в режиме динамического позиционирования осу ществляется двумя носовыми подруливающими устройствами туннельного типа и двумя расположенными в кормовой части судна поворотными вин товыми колонками, угол поворота которых изменяется в пределах 0 – 360о.
ПВК и НПУ судна "Бавенит" объединены в так называемую инте гральную 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 – 360о и течения в направлении ± 20о относительно носа.
Для математического моделирования динамики работы ПВК при взаимодействии с корпусом бурового судна принят ряд допущений, позво ляющих приближенно, но в пределах заданной точности, определять зна чения параметров, характеризующих работу ПВК в режиме ДП. Для ис ходного расчета принято допущение, что ПВК работает вблизи изолированного корпуса судна.
При математическом моделировании работы ПВК во взаимодействии с корпусом судна учитывалось наличие достаточного количества теорети ческого и экспериментального материала, необходимого для получения ее адекватной математической модели. При выполнении математического моделирования в качестве основных параметров, характеризующих дина мику работы ПВК в свободной воде, приняты: упор Тnp;
упор гребного винта Тp;
упор направляющей насадки Тn. Упор, образуемый работой ПВК, представлен в виде суммы упоров, образуемых работающим гребным вин том и насадкой:
Tnp = Tp + Tn = Tp (1 + tn ), где tn = Tn Tp – коэффициент засасывания.
В математическом моделировании работы ПВК её гидродинамические характеристики представлены принятыми в теории движителей безразмер ными параметрами, а именно: коэффициентом упора Кp гребного винта;
коэффициентом упора насадки Kn;
коэффициентом упора комплекса винт – насадка Knp. В работе получены соответствующие аналитические зависи мости Kp = f(e), Kn = f(e), Knp = f(e).
В основу математического моделирования работы ПВК бурового суд на 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 данны ми натурных испытаний позволила определить наиболее приемлемые за висимости Knp = f(e), Kp = f(e), Kn = f(e):
K p = 0,1896 3 0, 4694 e + 0, 0061 e + 0, 2370;
e K n = 0, 2041 e 0, 4135 e + 0, 2014;
K np = 0,1445 3 0, 2132 e 0, 4250 e + 0, 4334, e где Кp – коэффициентом упора гребного винта;
Kn – коэффициентом упора насадки;
Knp – коэффициент упора комплекса винт – насадка;
е – относи тельная поступь ПВК.
При математическом моделировании работы ПВК принят во внима ние факт взаимного влияния гребного винта, насадки и корпуса колонки (гондолы и кронштейна).
Значение коэффициента упора ПВК с учётом влияния гондолы и кронштейна Knpn определялось по формуле K npn = n K n + p K p.
На основании результатов работ Э. П. Лебедева, Р. Я. Першица, А. Д. Гофмана коэффициенты p и n приняты постоянными: p = 1,12, n = 0,70.
При произвольном движении параметры, определяющие гидродина мические характеристики работы ПВК, изменяются по отношению к зна чениям тех же параметров, соответствующих установившемуся прямоли нейному движению.
Определение тяговых характеристик ПВК при известных параметрах криволинейного движения судна,,, n, производилось в два этапа.
На первом этапе определяются тяговые характеристики для условного ис ходного режим работы ПВК:
= / nD ;
K np ( ) ;
K ( ).
e e e p e На втором этапе с учётом взаимодействия корпуса бурового судна и ПВК определяются значения гидродинамических характеристик работы ПВК при произвольном движении корпуса K np = tnp K np ;
K p = t p K p ;
Tnp = K np n 2 D 4 ;
Tpr = K p n 2 D 4.
r r r r r Убедительным доказательством адекватности разработанной модели явились данные расчёта тяги ПВК на различных рабочих скоростях движения бурового судна, которые приведены на рис. 1.
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 – с 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 тя говые 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 Tepr = Tepr + Tepr.
Как принято, в расчётах гидродинамических характеристик бурового судна используется выражение Tepr = k k (1 + t pr ) t2 Ft (1 + t ) / 2, где tpr – коэффициент засасывания подруливающего устройства;
– массо вая плотность воды;
t – скорость потока в туннеле НПУ;
Ft – площадь гидравлического сечения туннеля НПУ;
t – коэффициент сопротивления тракта НПУ.
Значение коэффициента k влияния продольной составляющей ли нейной скорости судна в районе расположения НПУ на тягу НПУ находит ся в зависимости от направления движения судна:
– при движении судна передним ходом k = 1, 095 2,382 + 0, 283 ( ) + 0,853 ( ) ;
2 – при движении судна задним ходом k = 1, 03 + 1,856 + 4, 347 ( ) + 1,532 ( ), 2 где = xpr/t.
Конструктивные особенности корпуса бурового судна в районе уста новки ПУ учитываются при моделировании введением поправочного коэф фициента k, значение которого для ПУ с цилиндрической формой сечения туннеля определяется в соответствии с рекомендациями А. Д. Гофмана, т. е.
k = ( 0, 63 + 0,37 cos w ) ( 0, 63 + 0,37 cos f ), где w – угол наклона касательной к ватерлинии к ДП в районе входа в канал ПУ;
f – 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 Tepr = (1 + t pr ) 0,5Ft ypr ypr, где xpr, ypr – продольная и поперечная скорости в районе выходного кана ла 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 дифференци альных уравнения: два первых уравнения для скоростей продольного x и поперечного y перемещений объекта и одно – для угловой скорости поворота вокруг вертикальной оси судна. Система дифференциальных уравнений, представляющих модель, приводится ниже в соответствии с первоисточником:
d x ( m + 11 ) ( m + 22 ) y = X k + X a + Rx ;
dt d ( m + 22 ) y + ( m + 11 ) x = Yk + Ya + Ry ;
dt d ( I z + 66 ) = M k + M a + M z.
dt В правых частях уравнений показаны все силы и моменты, возника ющие в процессе работы бурового судна: X k, Yk, M k – составляющие гидро динамической силы на корпус судна и ее момент;
X a, Ya, M a – составля ющие аэродинамической силы на корпус судна и ее момент;
Rx, Ry, M z – составляющие равнодействующей тяги движителей и ее момент.
Полная скорость объекта находится с помощью естественной формулы = 2 + 2, x y а угол дрейфа определяется при известных скоростях как x arccos, если y 0;
= arccos x, если 0.
y В соответствии со структурой этой модели идентифицированы коэф фициенты гидродинамических усилий, коэффициенты аэродинамических усилий непосредственно для корпуса судна. Это сделано с использованием теоретического чертежа судна и разработанной при участии автора специ альной программы его обработки и расчета на этой базе коэффициентов модели. При этом произведен тщательный учет гидродинамических со ставляющих от волнения разного вида: постоянных составляющих воздей ствия от регулярного волнения, переменных составляющих воздействия от регулярного волнения и составляющих воздействия от нерегулярного вол нения.
Коэффициенты аэродинамических усилий рассчитывались с помощью формул Ишервуда, которые позволяют наиболее полно учесть характер, габариты и расположение надстроек судна:
2S dp Pdp 2S L l C ax = A0 + A1 2 + A2 2m + A3 max + A4 + A5 a + A6 M ;
B Lmax Lmax Lmax B 2S dp P dp S dp 2S m Lmax la C ay = B0 + B1 + B2 2 + B3 + B4 + B5 + B6 ;
L2 B Lmax Lmax S dp B max 2 S dp Pdp 2S m L l C am = C 0 + C1 + C2 + C3 max + C 4 + C5 a.
2 B Lmax Lmax L B max Сам расчет произведен путем сканирования сечения судна вдоль ДП и последующей оцифровки контура надводной части с помощью специ ально разработанной программы. Результаты оцифровки в виде файла ко ординат контура использовались для подсчета всех необходимых характе ристик корпуса судна, используемых в формулах Ишервуда.
Отдельно рассмотрены специфические воздействия, которые возни кают из-за наличия на борту судна специального бурового оборудования:
гидродинамические усилия, возникающие на буровой колонне, и аэроди намические воздействия на буровую вышку. При этом аэродинамические коэффициенты буровой вышки для двух ортогональных направлений взя ты по результатам продувок модели вышки, учтены габариты и конфигу рация отдельных элементов, составляющих ее конструкцию, а также рас положение вышки среди надстроек судна. Этот расчет контролировался косвенно результатами сдаточных испытаний по кренованию бурового судна с вышкой, приведенных в технической документации. Гидродина мические воздействия на буровую колонну рассчитаны с помощью гидро динамического коэффициента для обтекаемого цилиндра, а течение рас смотрено как постоянное или линейно убывающее до нуля до глубины 20 м (hт) при общей глубине моря 300 м (Н). Для вычисления реакции суд на буровая колонна рассматривалась как балка с шарниром на судовом конце и защемлением в грунте. Это дает силу, действующую со стороны стояка на судно:
Rs = 1 2CK uT hT DK ( H hT 2 ) / H, где СК – коэффициент гидродинамического усилия для цилиндрической колонны.
После идентификации этих частных моделей была сформирована комплексная модель внешних воздействий. С ее помощью были рассчита ны продольное, поперечное усилие и вращающий момент для наиболее опасных комбинаций внешних воздействий для всех возможных направле ний 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 q для скорости ветра 10 м/с (числовые данные приведены в табл. 1) Таблица Ma, тс м q, град Fax, тс Fay, тс 0 –1,231 0 10 –1,111 –0,606 –16, 20 –1,09 –1,359 –31, 30 –1,078 –1,164 –47, 40 –1,032 –2,939 –53, 50 –0,808 –3,742 –54, 60 –0,471 –3,935 –50, 70 –0,222 –3,93 –42, 80 –0,018 –3,914 –33, 90 0,08 –3,897 –25, 100 0,018 –3,816 –6, 110 –0,20 –3,777 –6, 120 0,315 –3,673 1, 130 0,607 –3,404 10, 140 0,802 –2,893 10, Окончание табл. Ma, тс м q, град Fax, тс Fay, тс 150 0,917 –2,27 8, 160 1,18 –1,423 6, 170 1,43 –0,632 2, 180 1.349 0 В четвертой главе проведен собственно анализ безопасности функ ционирования 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 результа тов исследований главы 2 найдены комбинации усилий, создаваемых сред ствами активного управления буровым судном. Сопоставление суммарных внешних воздействий и усилий средств активного управления дало воз можность выявить среди них наихудшие с точки зрения безопасности ра боты бурового судна.
Основные соотношения задачи для оценок безопасности получены как уравнения квазистатического равновесия из исходных уравнений динамики:
Rx = RПВК1 cos1 + RПВК2 cos2 ;
Ry = RПВК1 sin1 + RПВК2 sin2 + RНПУ1 + RНПУ2 ;
M z = RПВК1 cos1 y1 + RПВК2 cos2 y2 + RПВК1 sin1 x1 + + RПВК2 sin2 x2 + RНПУ1xНПУ1 + RНПУ2 xНПУ2, где Rx, Ry, Mz – равнодействующие внешних сил, приложенных к судну;
RПВК1, RПВК2 – усилия, развиваемые поворотными винтовыми колонками;
1, 2 – направления их действия согласно системе координат, отсчитываемые по часовой стрелке (нулевые 1, 2 соответствуют направлению тяги вдоль ДП в нос судна);
RНПУ1, RНПУ2 – усилия, развиваемые носовыми подрули вающими устройствами;
x1, y1;
x2, y2 – координаты размещения двух ПВК;
xНПУ1, 0;
xНПУ2, 0 – координаты размещения двух НПУ.
Настоящая система уравнений содержит шесть неизвестных (RПВК1, RПВК2, 1, 2, RНПУ1, RНПУ2) и только три уравнения. Следовательно, ее од нозначное 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 уста новленной нормы. При этом строились радиальные диаграммы ветровых нагрузок, из уравнений равновесия определялась загрузка движителей, ко торая корректировалась при превышении нормы уменьшением расчетной силы ветра. Например, при обработке радиальной диаграммы скоростей ветра из технической документации были получены радиальные диаграм мы действующих усилий и момента. Так, для поперечного усилия Fy по ложительные нагрузки изображены сплошной линией, отрицательные – точечной (рис. 3).
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 представ лены на рис. 4 и в табл. 2.
Рис. 4. Нагрузки на НПУ и ПВК, кН Таблица w 0 10 20 30 40 50 60 70 80 45,8 42,8 32,0 19,7 13,5 10,5 8,6 7,0 7,0 7, RПВК,% 0.0 62,4 96.8 79,7 67,4 54,2 39,1 33,6 31, RНПУ,% 104, w 90 100 110 120 130 140 150 160 170 7,6 9,9 15,2 19,4 29,4 42,0 51, 47,3 48,4 45, RПВК,% 31,0 35,6 48,4 54,3 66,6 82,2 85,5 56,3 25,3 0, RНПУ,% Простое рассмотрение результатов табл. 2 показывает, что при на правлении ветра 20° с носа от ДП судна нагрузка НПУ превышает допус тимые значения. Она достигает 104 % (показано жирным петитом в соот ветствующей 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 проблема тичные 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. Доба вив к ветровым нагрузкам еще примерно 10 % на действие течения в 1 уз, согласно расчетам, выполненным в главе 3, мы получаем следующую кар тину нагрузок группы движителей 1–4 (табл. 3).
Таблица w 0 10 20 30 40 50 60 70 80 22,4 21,0 15,7 9,6 6,6 5,1 4,2 3,5 3,4 3, RПВК,% 0.0 30,6 47.4 39,1 33,1 26,6 19,2 16,5 15, RНПУ,% 51, w 90 100 110 120 130 140 150 160 170 3,7 4,8 7,5 9,5 14,4 20,6 25.0 23,2 23,7 22, RПВК,% 15,2 17.5 23,7 26,6 32,6 40,4 41.9 27,6 12,4 0, RНПУ,% Такие нагрузки имеют хороший запас по мощности, поэтому этот вариант может быть принят за нормативный запас при работе одновремен но всех четырех движителей. Завершая рассмотрение данного варианта, приведем в табл. 4 предельные значения скоростей ветра для направле ний правого борта при выбранном уровне нагрузок (левый борт – симмет рично).
Таблица w 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Vr, 27,4 27,2 23,8 18,7 15,1 13,0 11,6 10,0 9,5 9, м/с w 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Vr, 9,6 10,6 12,8 14,4 17,4 21,4 24,3 25,0 25,9 26, м/с Скорости ветра, предлагаемые табл. 4, как раз соответствуют прак тике буровых работ и нашему интуитивному представлению как обобще нию опыта. Обратим также внимание на тот факт, что максимальная на грузка НПУ при этом равна 51 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе рассмотрены проблемы, связанные с оценкой безопасности функционирования бурового судна, что, в свою очередь, связано с по строением 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 ра боту носовых подруливающих устройств.
2. Структурирована и идентифицирована модель, описывающая ра боту поворотных винтовых колонок.
3. Смоделировано воздействие ветра на буровую вышку, располо женную на палубе судна.
4. Смоделировано воздействие течения на буровую колонну, при стыкованную 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 различ ных 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 факто ров 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 судово дителей. Кроме того, все результаты наших исследований могут приме няться при создании электронных тренажеров, отрабатывающих специфи ческое маневрирование в условиях бурения на континентальных шельфах.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Статьи в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ 1. Барахта, А. В. Расчет ветровых нагрузок на буровую вышку буро вого 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 бу рового 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 динамическо го 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 позицио нирования / А. В. Барахта, Ю. И. Юдин // Наука и образование – [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.
рег. НТЦ "Информрегистр" № 0321000362 от 12.08.2010 г.
5. Проблемы обеспечения безопасности судовождения при транспор тировке нефтепродуктов в районах Арктического шельфа России / Ю. И. Юдин, А. Н. Гололобов, А. Г. Степахно, А. В. 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 ап реля 2010 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. – Электр. текст. дан. (181 Мб). – Мурманск : МГТУ. – С. 261–270. – Гос. рег. НТЦ "Информрегистр" № 0321000362 от 12.08.2010 г.
7. Юдин, Ю. И. Методы управления судном в режиме динамического по зиционирования / Ю. И. Юдин, А. В. Барахта // Наука и образование – [Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1–9 апре ля 2009 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. – Электр. текст. дан. (181 Мб). – Мур манск : МГТУ, 2009. – 1 опт. компакт-диск (CD–ROM). – С. 998–1001. – Гос. рег. НТЦ "Информрегистр" № 0320900170 от 25.05. 2009 г.
8. Юдин, Ю. И. Проблемы обеспечения функционирования, безопас ности 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. рег.
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. – Мур манск, 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 подрулива ющих устройств бурового судна / Ю. И. Юдин, А. В Барахта, А. Н. Гололо бов ;
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 на точке :
св-во об офиц. рег. 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.