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 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 "Арктикморнефтегазразведка" (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.

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, 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.

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 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 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.

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 динамического 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 – 360о.

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 – 360о и течения в направлении ± 20о 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 Тnp; упор гребного винта Тp; упор направляющей насадки Тn. Упор, образуемый работой ПВК, представлен в виде суммы упоров, образуемых работающим гребным винтом и насадкой:

где tn = Tn Tp – коэффициент засасывания.

В математическом моделировании работы ПВК её гидродинамические характеристики представлены принятыми в теории движителей безразмерными параметрами, а именно: коэффициентом упора Кp гребного винта;

коэффициентом упора насадки Kn; коэффициентом упора комплекса винт – насадка Knp. В работе получены соответствующие аналитические зависимости Kp = f(e), Kn = f(e), Knp = f(e).

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, ВанМанена 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 Knp = f(e), Kp = f(e), Kn = f(e):

где Кp – коэффициентом упора гребного винта; Kn – коэффициентом упора насадки; Knp – коэффициент упора комплекса винт – насадка; е – 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 Knpn определялось по формуле 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 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,,, n, 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 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 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 – ВанМанена, 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 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 Как принято, в расчётах гидродинамических характеристик бурового судна используется выражение где tpr – коэффициент засасывания подруливающего устройства; – массовая 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 линейной скорости судна в районе расположения НПУ на тягу НПУ находится в зависимости от направления движения судна:

– при движении судна передним ходом – при движении судна задним ходом где = xpr/t.

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

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 где xpr, ypr – 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 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:

В правых частях уравнений показаны все силы и моменты, возникающие в процессе работы бурового судна: X k, Yk, M k – составляющие гидродинамической силы на корпус судна и ее момент; X a, Ya, M a – составляющие 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 а угол дрейфа определяется при известных скоростях как 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:

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 (hт) при общей глубине моря 300 м (Н). 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:

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 q для скорости ветра 10 м/с (числовые данные приведены в табл. 1) В четвертой главе 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:

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 подруливающими 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 однозначное решение возможно лишь при трех дополнительных условиях, наложенных на искомые переменные. Эти дополнительные условия диктуются 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 Fy положительные 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 представлены на рис. 4 и в табл. 2.

RПВК,% RПВК,% RНПУ,% 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).

RПВК,% RПВК,% RНПУ,% 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).

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, 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.

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 – [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 транспортировке 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 движительнорулевого 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. рег. 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 – [Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1–9 апреля 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. рег. 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. 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. – 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 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.