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。     

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。     

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。     

海洋立管横流向与双向涡激振动研究

深海装备多以圆柱形结构物为主,涡激振动现象是其研究的热点。对质量比为2和5的立管进行横流向及双向涡激振动数值模拟,研究不同质量比条件下顺流向振动对横流向最大振幅和锁定区间的影响,以及圆柱振动轨迹变化规律。研究结果表明,在锁定区间内、2种质量比条件下,双向涡激振动的横流向振幅明显大于单向涡激振动的横流向振幅;顺流向振动也存在锁定区间,质量比为2的圆柱锁定区间与横流向锁定区间相同,锁定区间内顺流向振幅较大,质量比为5的圆柱在横流向的锁定区间内,顺流向振幅很小,横流向振幅与顺流向振幅之比很大;质量比为2的圆柱体在研究范围内振动轨迹皆为"8"字形,在锁定区间更明显。所得结果可为我国海洋立管的涡激振动分析提供参考。     

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。     

深海立管涡激振动被动抑制措施的研究

总结了被动控制型抑制措施的研究成果以及各自的优缺点,介绍了目前研究与应用比较广泛的螺旋条纹、控制杆和整流罩抑制措施,并给出了深海立管涡激振动抑制措施的发展趋势和今后的研究重点。     

海洋立管涡激振动与疲劳寿命影响因素分析

大尺寸的立管涡激振动三维数值模拟的代价大,计算效率低,为此,采用一种基于弹簧-质量模型的等效二维模型,通过二维数值模拟求解三维问题中管道的振幅和频率,进而对立管疲劳寿命的影响因素进行分析。二维模型中,应用弹簧-质量模型,利用胡克定律和简支梁的挠度方程对弹性系数进行推导;数值模拟中,利用ANSYS软件对流体与结构进行耦合求解,对不同海流流速、管长、壁厚条件下的立管中点的振幅和频率进行计算;基于Miner疲劳损伤累积理论和S-N曲线对立管疲劳寿命进行计算,对疲劳寿命的影响因素进行分析。分析结果表明,在2.5×10~4≤Re≤2.5×10~5范围内,随着海洋流速的增加,立管振幅和频率增大,疲劳寿命缩短;随着立管长度的增加,振幅增大,疲劳寿命缩短;随着管道壁厚增加,立管振幅减小,疲劳寿命延长。研究结果可为立管的疲劳寿命预测与抑振设计提供指导。     

尾流干涉下立管涡激振动试验研究

为探究立管在不同排列方式下的响应特性随来流速度的变化关系,对比分析了不同工况下流动干涉效应,采用模型试验的方法对刚性立管模型和柔性立管模型的涡激振动问题进行了系统研究。选取不同材质的立管模型模拟实际工程中的柔性立管与刚性立管,采用不同测试原理的采集仪器获取立管模型的振动响应信息,确保试验数据的准确性。研究结果表明：刚性孤立立管在“锁定”区间内横流向振动幅值变大,横流向振动幅值沿管长方向呈现出两端小、中间大的分布特征,在约化速度为12时可观察到2阶振型;在双刚性立管试验中,来流角度对下游刚性立管具有显著的干涉作用,当来流角度α=0°时,下游立管模型的“锁定”区间相比孤立立管存在滞后现象,随着来流角度的不断增大,下游立管所受流动干涉作用逐步减弱;柔性顶张力立管的振动特性与刚性立管相似,悬链线立管由于其构型独特,导致在来流作用下多阶振动模态共存,不同位置处的振动特性差别较大;在柔性串联立管尾流干涉试验中,上游顶张力立管与下游悬链线立管不同位置处水平间距不同,致使下游悬链线立管受上游立管的干涉效应影响存在差异。所得结果可为进一步研究立管的涡激振动提供参考。     

深水立管涡激振动抑制装置的研制

深水立管在海流作用下易产生涡激振动而加速立管的疲劳破坏。研制了涡激振动抑制装置———螺旋列板,通过室内试验确定了螺旋列板的主要结构参数(螺距17.5 D、螺高0.25 D、螺头数3),海上实尺寸试验验证所研制的螺旋列板抑制效率达到80%以上。     

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。     

深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型

隔水管作为深水钻井的关键设备,国内外均对其涡激振动开展了大量的理论与实验研究,但都主要针对隔水管在横向的涡激振动,并没有考虑隔水管同时受到横向以及流向的耦合作用。为此,利用旋涡动力学理论,建立了同时考虑流向静态变形以及流向与横向耦合作用下的深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型,采用有限单元法结合Newmark-β法对模型进行求解,并在深水试验池开展了相似实验对模型进行验证,编制了计算分析程序,模拟了不同海流流速下隔水管涡激振动模态以及三维空间形态,探索了三维空间下隔水管涡激振动响应机理。模拟结果表明:①随着表面流速的增大隔水管横向以及流向的振动模态分别增大,且流向振动模态阶次大于横向振动模态阶次,横向振动幅值远大于流向振动幅值;②隔水管流向的静态变形远大于流向涡激振动变形,流向的变形形态主要受静态变形的影响;③隔水管在横向以及流向涡激振动耦合作用下,空间形态变得扭曲,在进行隔水管组合配置设计时应该同时考虑来自横向和流向的影响。     

自升式钻井平台横向振动特性研究

将自升式钻井平台(简称钻井平台)桩腿简化为悬臂梁力学模型,研究了钻井平台横向振动特性,建立了较为简便的钻井平台横向振动周期、频率及振幅计算方法;利用得到的钻井平台横向振动特性计算式,对海洋石油钻井作业所用三桩腿、四桩腿钻井平台进行了横向振动特性值计算,并对振动周期、频率计算结果进行了分析;研究了钻井平台横向振动影响因素,并且提出了相应的改进思路及措施,这对指导海上钻井平台操船作业具有重要意义。     

海洋深水立管的疲劳断裂与可靠性评估研究进展

针对海洋深水刚性立管、钢质悬链式立管和柔性立管的疲劳、断裂及可靠性问题,评述了近10年国内外在这方面研究的成果.给出了一些用于深水立管疲劳寿命预测及可靠性评估的实用理论和计算方法,特别是对基于断裂力学和可靠性检测技术而发展起来的缺陷损伤容限、带内部缺陷和表面裂纹的疲劳强度等问题给予了足够的关注.文章最后对导致深水立管疲劳断裂的涡激振动及其抑制方法进行了讨论,并结合我国海洋石油的发展提出了若干建议.     

超深水钻井隔水管-井口系统涡激振动疲劳分析

超深水钻井作业经常发生隔水管涡激疲劳问题,而由隔水管涡激振动(VIV)引起的井口系统疲劳可能更为严重。根据超深水隔水管-井口系统VIV疲劳分析算法与计算流程,建立隔水管-井口系统整体有限元模型,通过模态分析提取各阶模态下所有节点的振型、斜率和曲率,应用SHEAR7程序进行详细疲劳分析,识别系统关键疲劳部位,评估系统的VIV疲劳寿命,并研究顶张力、防喷器(BOP)、导管结构尺寸及井口出泥高度对井口系统VIV疲劳特性的影响规律。针对南海某超深水井的隔水管-井口系统进行实例分析,结果表明,超深水隔水管 井口系统容易发生多阶模态振动,系统最大疲劳损伤位于导管上,系统疲劳寿命满足作业要求,适当提高顶张力、采用小型化的BOP、增大导管抗弯刚度以及降低井口出泥高度均可有效改善井口系统的VIV疲劳性能。     

海洋钻井隔水管适用性评价技术研究

根据海洋钻井隔水管自身特点,采用基于断裂力学的单根适用性评价方法,考虑隔水管疲劳载荷特点和海浪的随机载荷影响,通过分析和控制缺陷扩展可以避免疲劳失效,并进行剩余疲劳寿命预测。计算实例表明,波浪载荷是造成海洋钻井隔水管疲劳损伤的重要原因,海洋钻井隔水管的初始裂纹尺寸a0越小,其疲劳寿命越长,反之,则寿命越短。因此,提高裂纹检测水平,以及尽早发现细小缺陷对延长钻井隔水管的剩余寿命至关重要。     

不同预紧力时隔水管涡激振动特性三维数值模拟研究

涡激振动是导致隔水管疲劳损坏甚至断裂的主要诱因,它会影响海洋作业,甚至会造成严重的工程和海洋环境事故.通过流体场、固体场求解器的耦合求解完成了隔水管涡激振动的三维数值模拟,模拟结果与实验结果吻合良好,同时进行振型分析解释了多阶振动模态的现象.探讨了不同预紧力时的涡激振动特性,结果表明预紧力增大,隔水管振动幅度减小,可激发的模态阶数降低,体现出预紧力对涡激振动的抑制效果.     

井下温度对钻柱横向振动固有频率的影响

在钻柱横向振动固有频率一般表达式的基础上，研究了井下温度对钻柱横向振动固有频率的影响，结果表明：随着温度的逐渐升高，钻往横向振动的固有频率逐渐降低。给出了按常温算得的钻柱横向振动因有频率加上一个修正项来计算井下高温条件下钻柱横向振动段固有频率的具体公式及计算实例。