考虑顺流向和横流向耦合作用的海洋立管涡激振动响应特性

海洋立管的涡激振动是导致海洋油气井事故的主要因素。笔者采用Hamilton变分原理考虑海洋立管内部流体和管外海洋环境载荷的联合作用下，建立了立管横流向和顺流向耦合振动模型，采用尾流振子模型模拟流体对大长径比立管横向和顺流向的涡激力。借助Newmark-β和4阶Runge-Kutta耦合迭代法，求解立管振动和涡激力计算模型，与现有文献实验数据结果对比验证了模型的有效性。在此基础上，系统地分析了不同均匀流和顶张力情况下立管横流向和顺流向涡激振动响应的特性。结果表明，横流向振动在剪切流和均匀流中都具有频率锁定效应，顺流向振动表现为均匀流中的频率锁定效应和剪切流中的多频效应；在高流速下，需同时重视顺流向和横流向的涡激振动影响。     

浮式装置升沉及横荡运动下海洋立管动力响应研究

考虑浮式装置升沉及横荡运动、立管内流体流动及立管外波浪荷载的共同作用,建立立管振动方程,采用有限元法进行求解,并分析升沉及横荡运动对海洋立管动力响应的影响规律。     

深海柔性立管涡激振动经验模型建立及应用

本文在借鉴以往研究成果的基础上,建立了能够预报深海柔性立管涡激振动的经验模型并独立开发了相应的计算程序。经与SHEAR7计算结果验证表明,经验模型准确可靠,可用于深海柔性立管涡激振动响应的分析、预测。并利用数学模型和计算程序,研究了立管结构顶部张力、水流速度、立管内外径以及管壁厚度等因素对深海柔性立管涡激振动动力响应特征的影响。     

一种基于ANSYS 和 FLUENT 的海洋立管的涡激响应分析方法

目前提出了一种包括CFD流场分析和结构有限元分析的迭代方法用于模拟海洋立管的涡激振动。在迭代过程中,依次对流场和立管进行分析。在分析过程中把直接导致涡激振动的水动力载荷由流场传递到立管,该水动力载荷包括周期性的升力和阻力。然后把立管的振动定义为一个函数,用来描述下一步计算中流场中立管边界的运动。计算过程中,采用FLU-ENT(6.1.22版本)分析流场和ANSYS(8.1版本)计算立管的涡激响应。     

海洋平台立管的涡激振动抑制研究

海洋平台立管在波浪的作用下易产生涡激振动现象(VIV),这会造成立管的疲劳损坏、缩短立管的使用寿命,还会严重威胁立管的安全稳定。为了抑制立管的涡激振动现象,提高立管的使用寿命和安全性,使用通用流体力学软件FLUENT中的动网格技术和用户自定义函数(UDF)进行造波,并采用流体体积法(VOF)监测波高建立数值波浪水池模型,基于此模型应用被动控制方法,即在立管前加一干扰柱研究海洋平台立管涡激振动抑制问题。研究表明:在立管前加一干扰柱,可以减小立管所受到的升阻力系数,从而达到抑制立管涡激振动现象;改变立管与干扰柱的距离(间距比),计算所得的立管的升阻力系数变化不大,说明改变间距比对立管的涡激振动现象没有影响。     

柔性立管涡激振动实验的数据分析

在对光纤光栅应变计（FBG）测量得到的柔性立管室内模型实验数据进行分析中,通过信号滤波、模态分解、频谱分析以及位移计算等得到立管涡激振动的共振模态、振动频率和位移变形等参数的变化规律。分析结果表明所采用的数据分析方法能够很好地分析出柔性立管涡激振动的基本特性,这对今后深入开展深海立管涡激振动问题的实验研究和现场原位测试提供了有益的借鉴。     

立管涡激振动的离散涡数值模拟

通过离散涡方法求解立管所受涡激升力,并与立管动力响应方程相耦合来对涡激振动问题进行时域内的数值模拟。通过在均匀来流和剪切来流下的模拟,所得的结论与其他文献中的结论比较吻合,较好地揭示了立管涡激振动的特征。     

基于光纤光栅传感器的细长柔性立管涡激振动响应实验

涡激振动是导致深海柔性立管发生疲劳破坏的重要因素。利用光纤光栅传感器进行了细长柔性立管涡激振动响应实验,并结合部分实验结果对应变信号的时间变化、应变频谱、位移时间历程及位移均方根的空间分布进行了分析,得出了细长柔性立管模型在均匀流作用下的一些重要涡激振动响应特性,可为今后进一步的研究工作提供参考。     

深水顶张式立管参数振动与涡激振动耦合振动分析方法研究

考虑浮式平台垂荡引起的顶张式立管参数振动对横向振动的影响及立管与流体的流固耦合作用,开展了深水顶张式立管参数振动与涡激振动耦合振动分析方法研究,提出了深水顶张式立管参数振动与涡激振动耦合的振动模型。利用耦合振动模型对1 500 m水深的顶张式立管进行了算例分析,结果表明:由平台垂荡引起的立管参数振动加剧了立管横向振动的幅值,并且在同一海流速度下沿不同轴向位置处立管的参数振动对立管横向振动幅值的影响不尽相同,立管的参数振动对顺流向振动幅值的影响大于对横流向振动幅值的影响。     

涡激振动抑制装置海上试验研究

采用涡激振动抑制装置是降低深水立管涡激振动响应,保证立管安全运行的有效措施之一。根据涡激振动抑制装置特点和深水海洋环境条件,提出了深水立管涡激振动抑制装置海上试验方案、样管尺寸、试验船舶机具及布置,并通过数值分析确定了拖曳速度、悬挂重物重量、拖曳钢缆等试验参数,对立管长度、外径及壁厚进行了校核。深水立管涡激振动抑制装置海上试验在我国东海海域已顺利实施,取得了满意的试验结果,抑制装置的抑制效率最高达到了89.1%。     

Strength and Stability Analysis of Deep Sea Drilling Risers

In order to analyze the influence of vortex-induced vibration on the strength and stability of marine drilling risers, a simplified analytical model was established and a method for calculating vortex-induced dynamic response was developed. A case study indicated that at primary resonance, first-order dynamic displacement response is greater than higher-order mode responses, but the influence of dynamic moment and shearing force of higher-order modes cannot be ignored. The natural frequency of risers decreased sharply with increasing length of the riser, but increased with increasing top tension. Various factors should be considered to avoid vortex-induced vibration in practical application, and the influence of vortex-induced vibration could be estimated by calculating the fatigue lifetime of riser.     

深水顶张式生产立管动力响应的有限元计算

利用有限元分析软件,计算了三种不同的运动边界条件下立管的非线性振动响应,考虑了管内流体的影响。通过实例对各条件下顶张式立管时域动态响应特性作了比较。计算结果表明,内流和上部平台的运动对立管的动态响应特性影响较大,能增大立管的位移和应力幅值,可以引起立管总体强度和疲劳性能的改变。计算结果可以指导立管的设计,这在工程实践中有重要意义。     

海洋钻井隔水管固有频率的简化计算

海洋钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要设备,当其固有频率与海流经过时产生的旋涡释放频率接近时,隔水管将发生涡激振动而使其疲劳寿命显著降低,因此精确计算隔水管固有频率对于预测其涡激响应和疲劳寿命是非常重要的。假定隔水管为小变形状态下承受一致张力的梁模型,基于能量守恒定律推导了隔水管固有频率的简化计算公式。实例分析结果表明,采用本文提出的简化公式得到的计算结果与有关文献给出公式的计算结果相吻合。     

24″隔水导管涡激效应分析及尺寸优化

为了更精确地评价隔水导管涡激效应,简化了隔水导管受力模型,并建立计算方法,结合现场工况对24in隔水导管进行了理论分析,综合静力与波流涡激振动分析结果,在满足海况条件的基础上,如果以50年为开发周期的油田,24in壁厚1in隔水导管在强度方面可以满足要求对现场作业,对井口稳定性分析具有一定的指导意义。     

海洋钻井隔水管-钻井液横向耦合振动特性

针对钻井隔水管与钻井液在上返流动状态下的震动问题,推导了横向耦合振动的微分方程,通过方程求解得出了耦合振动的动力响应表达式及耦合振动下隔水管最大振动位移,并讨论了顶张力、隔水管壁厚、钻井液上返流速、水深、波高、波浪周期对隔水管横向振动位移的影响。结果表明:考虑钻井液流动条件下得到的隔水管横向最大振动位移要大于不考虑钻井液流动时计算结果;最大横向振动位移随顶张力及水深的增大而减小,随环空钻井液返速及波高的增大而增大,当隔水管壁厚及波浪周期变化引起隔水管横向振动固有频率与波浪横向振动频率相接近时,隔水管的横向振动位移将急剧增大,对隔水管的安全设计与评估具有一定的参考价值。     

内外流体流动下隔水管横向振动模型的探讨

随着水深的增加,隔水管受力状态更加复杂,增加了强度和稳定性的分析难度。考虑了隔水管受到内外流体流动及轴力共同作用,并运用达朗贝尔原理对微元管段进行受力分析,导出隔水管的横向振动偏微分方程。分析了影响隔水管横向振动的因素,所得到的结论可为钻井隔水管的正确设计和使用提供参考。     

超深水钻井隔水管设计影响因素

超深水钻井隔水管设计的影响因素主要为环境因素与作业因素,前者主要包括水深、波浪、海流,后者主要包括钻井液密度,脱离后隔水管系统悬挂模式、浮力块分布、涡激抑制设备等.系统总结了超深水钻井隔水管设计影响因素.研究了各因素影响隔水管设计的机理.定性或定量分析了各因素对隔水管设计的影响.研究表明,水深和海流是隔水管设计最显著的影响因素,水深增加导致隔水管材料、结构,配置产生重大变化,海流导致隔水管产生涡激疲劳,并增加隔水管下放与收回的难度.悬挂模式影响隔水管系统的浮力系数和浮力块分布,涡激抑制设备造成隔水管作业困难,钻井液密度影响隔水管的有效张力和底部球铰转角进而影响隔水管系统的稳定性.相关结论可为超深水钻井隔水管设计、配置、作业、管理提供参考.     

海洋钻井隔水管的动力响应

海洋钻井隔水管在交变载荷波浪力作用下发生振动，从而偏离原来的位置，严重时可使钻具遭到破坏，造成钻井中断。采用泛函变分法导出了隔水管的振动微分方程。利用微分方程和边界条件可确定动力响应的通式，将通式代入泛函并求极值，即可得出具体条件下隔水管的动力响应。东海水深２００米，海浪最大波高１５米，周期１３秒。按这种极限海况，应用上述方法对在东海作业的“勘探３号”隔水管的动力响应进行了计算，结果表明，该隔水管中上部距海底１４２米处有最大振动位移３．０６米。