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%。     

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.     

深水钻井隔水管涡激振动特性的数值模拟研究

深水钻井隔水管作为深水油气开发的关键部件必然面临涡激振动及其疲劳损坏这一重大安全问题,正受到广泛关注。基于精细流场模拟并耦合结构动力响应的流固耦合方法是准确分析隔水管涡激振动特性的必然趋势。文中总结了"十一五"期间和正在进行的"十二五"课题在数值模拟方面的部分研究成果,针对简化的和实际尺寸的隔水管所涉及的涡激振动问题,提出高精度流固耦合分析技术,建立了隔水管涡激振动分析可靠的物理模型、数学模型和数值模拟方法。通过对比实验验证了模型的可靠性。基于简化和实际情况下(海况、结构、尺寸等)钻井隔水管涡激振动进行了大量的数值模拟研究,给出了高雷诺数下具有实际海况的几种典型洋流条件,如剪切流、亚临界和临界流条件下实际尺寸隔水管的涡激振动特性,以及顶部张力控制隔水管涡激振动的效果。     

3根附属杆对海洋立管涡街抑制效果的研究

升力波动产生的涡激振动会大大影响弹性支撑及细长柔性结构物的寿命。通过数值模拟的方法在不同来流角度及多个间隙比条件下,针对3根附属杆抑制装置对立管所受流体力的抑制效果、泄涡模式及抑制机理进行深入研究。研究结果表明,附属杆对立管涡街及其产生的拖曳力系数平均值和升力系数均方根值有较好的抑制效果,对立管的泄涡有较好的抑制效果。当间隙比为0.7~0.8时,对于不同的来流角度均有较好的抑制效果,此时对升力系数均方根值CRMSL的抑制率可以超过75%;间隙比和来流角度对附属杆的抑制效果影响较大,间隙比过小或过大都不能达到较好的抑制效果。所得结论可为我国海洋立管的涡激振动抑制装置研究提供参考。     

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。     

基于正交试验设计的盘球附体抑涡试验研究

为探究盘球附体尺寸和布置形式对海洋立管涡激振动的影响,对盘球附体这一新型海洋立管涡激振动抑制装置进行了试验研究。考虑盘球附体布置的螺距、螺纹数、盘球附体直径及1个螺距内的盘球数量等4个因素,每个因素设计了3种水平。采用正交试验设计法生成了9组立管试验模型,测量了9组立管模型的横流向应变RMS值、顺流向应变平均值以及横流向振动频率,并将这些结果与不带附体的裸管模型试验结果进行比较。研究结果表明,合理布置的盘球附体能够降低立管模型横流向应变RMS值和频率,但不会增加阻力。利用正交试验表评判了盘球附体布置的各因素对涡激振动横向振幅的影响,发现螺距是影响盘球附体抑涡效果最重要的因素,当螺距较小、1个螺距内盘球的数量较多时,盘球附体可能达到较好的抑涡效果。研究结果可为盘球附体优化设计及提高盘球涡激抑制效果提供一定的参考。     

海底管线管跨的安全可靠性评估

海底管线的管跨在稳定海流的作用下，可能发生涡旋激振。石油大学（北京）海洋石油工程研究室受中国海洋石油总公司的委托，设计了模型实验，以研究管跨涡激振动的规律。文中介绍了该实验研究的概况，并对实验数据进行了分析。其结果表明，管跨的同向涡激振动一般不会对管线系统的正常运行构成威胁，而管跨的横向共振则必须予以消除     

考虑管土作用海底管线涡激振动分析

将VIVANA模型与梁单元结合建立海底管线悬跨段涡激振动(VIV)数值模型,利用弹簧模拟管土作用,采用频域和时域非线性相结合的方法对涡激振动问题进行求解,计算在土壤非线性边界条件下的海底管线悬跨段涡激振动响应.采用三种不同的弹簧进行计算,弹簧具有不同的P-δ曲线.本文对求解方法的有效性进行考察,研究了土壤非线性对涡激振动的影响.     

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。     

深水细长柔性立管涡激振动响应形式判定参数研究

利用有限元数值模拟方法研究了深水细长柔性立管在正弦形式涡激升力作用下的动响应,并通过量纲分析结合函数拟合方式给出了判定立管涡激振动响应形式的无量纲参数的表达式和临界值,该参数与系统阻尼(包括流体阻尼和结构阻尼)、结构模态阶数及结构长度等有关。在实际海洋工程中,当设计或监测人员在预测立管的涡激振动响应时,可以先利用本文方法判定振动响应形式,然后根据响应形式选择合适的预报模型。     

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。     

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。     

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.     

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。     

悬跨海底管道疲劳寿命分析研究

海底管道在服役期间由于各种原因会在某些管段形成悬跨。这些悬跨在海流力作用下,将产生涡激振动。这种涡激振动最终可能导致管道疲劳失效。管道在海流力作用下发生的涡激振动是管道振动和漩涡尾流振动耦合的结果。在建立管道振动模型和Matteoluca尾流振子模型基础上,对管道涡激振动动力响应特性进行分析。依据Miner线性损伤累积理论,采用S-N曲线法分析计算管道疲劳寿命。最后,针对海洋油气开发与生产,提出延长海底管道疲劳寿命的方法和措施。     

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。     

考虑温度应力的海洋输液立管动力特性及涡激振动研究

考虑海洋立管管内外温差产生的温度应力以及管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用,建立了立管的涡激振动微分方程,采用伽辽金法对输液立管的动力特性进行分析,给出了有管内流体和温度应力时的海洋立管动力特性的表达式。结合典型平台输油立管的设计参数,分析了在百年一遇海况条件下立管的涡激振动状态和振动幅值。管内流体流动和管内外温差会降低立管的固有频率。对于有可能发生锁频共振的管段,应该采取一定的措施予以避免。     

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。