波流耦合作用下的立管涡激振动分析研究

利用有限元软件ABAQUS中的AQUA海工模块对立管进行了数值模拟计算.在分析计算过程中,利用Morison方程求出波流耦合力,然后将水动力载荷由流场传递到立管进行动力分析.在频域和时域的振动分析中,每一步的计算结果作为下一步的初始条件进行迭代分析.分析结果表明,经过数次迭代立管的模态响应更加接近实际情况.     

海洋并列立管涡激振动参数分析

利用流体动力学（CFD）方法,分析并列布置立管流场的特征;研究雷诺数和并列立管间距对流场的影响;分析上下侧立管流场参数,包括升力系数、曳力系数、斯特劳哈数等变化规律,并与孤立立管流场参数进行对比,为并列布置立管涡激振动分析提供必要的流场参数,同时为立管群涡激振动分析提供参考。分析发现,并列立管之间的相互作用会使漩涡泄放增强,导致两管柱升、曳力系数升高。因此海洋多立管常规分析方法中,忽略管柱相互影响计算的升曳力是不准确的,具有一定的风险性。     

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。     

深水混合立管基础跨接管设计中的关键问题

总结了立管基础跨接管设计需要考虑的关键问题,包括几何形状、静态极限强度和疲劳寿命等。研究了静态极限强度的载荷种类、边界条件和校核标准。探讨了立管涡激振动、海底底流涡激振动、段塞流、循环热载荷等对跨接管疲劳寿命的影响。在此基础上,提出了立管基础跨接管优化设计的数学模型。     

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。     

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。     

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。     

海底管线管跨段涡激振动下模糊可靠性评估

针对海底管线管跨的振动特性,与来自于海水运动的水动力载荷均具有模糊性的特点,应用模糊数学理论、系统分析理论和可靠性理论,对管跨段在涡激振动下的模糊可靠性评估方法进行了分析和研究。建立了其模糊可靠性的计算方法和评估模型。     

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。     

深水钻井隔水管与防喷器紧急脱离后的反冲响应分析

深水钻井中,若底部隔水管总成与防喷器紧急脱离,隔水管会反冲,易导致钻井事故。为了解隔水管紧急脱离后的反冲响应规律,分析了隔水管反冲产生的原因及反冲响应过程,明确了隔水管反冲响应的机理和关键影响因素。在此基础上,建立了隔水管张紧器及钻井液下泄分析模型,以探究张紧力随活塞冲程变化的规律及钻井液下泄时作用在隔水管上的摩擦力随时间变化的规律。综合考虑各关键影响因素,基于ANSYS有限元分析软件,建立了隔水管反冲响应分析模型,并以1 500 m水深钻井中的隔水管为例,计算、分析了不同紧急脱离时刻和顶部张紧力条件下的反冲响应。分析结果表明,与防喷器紧急脱离后,隔水管在顶部张紧力作用下加速向上反冲,伸缩节冲程减小。研究认为,紧急脱离的时间与顶部张紧力的大小对隔水管反冲响应有重要影响,因此应合理选择紧急脱离时刻和顶部张紧力,以保证紧急脱离条件下深水钻井隔水管系统的作业安全。      

波状圆柱绕流流场CFD分析

波状圆柱是一种新型涡激抑制装置,对海流方向不敏感,可应用在海流变化频繁的海洋环境中。为研究其在海流中的涡激抑制性能,基于流体动力学方法,利用Fluent软件对波状圆柱进行三维绕流流场分析和流场参数计算,对比分析钝体隔水管,明确表面结构对波状圆柱减振功效的影响,提出波状圆柱在海洋环境中涡激抑制方面的优势。结果表明,波状圆柱具有稳定的涡激抑制性能,横向升力显著减小,轴向曳力虽有增加,但幅度较小,有望应用于深水隔水管的涡激抑制。     

隔水管接头密封圈有限元分析

针对海洋石油开采不断向超深水发展,隔水管长度增加导致钻井液压力急剧增大的问题,对隔水管接头密封展开研究。以隔水管接头主管和辅助管线密封圈为研究对象,利用大型有限元分析软件ABAQUS建立其密封有限元模型,对密封圈在不同工作压力下的变形与受力情况进行了分析研究。结果表明,随着工作压力的增加,主管和辅助管线密封圈的接触应力都相应增加,辅助管线密封的应力峰区位置随工作压力的变化而变化;随着工作压力的增加,密封圈的最大剪切应力增大。分析结果可为隔水管接头密封圈的优化设计提供参考。     

水下管汇阻力系数和附加质量系数的CFD计算

深水管汇下放是水下生产系统安全工作的关键技术之一。针对深水管汇下放时受到的水动力,即阻尼力和附加质量力进行分析研究。通过CFD软件Fluent建立管汇水动力计算模型和水下作业环境中绕流场的模型,计算管汇下放3个方向阻尼力及其阻力系数; 利用动网格技术模拟管汇在流场中的加速运动,求得管汇在水中的变速运动带动周围的流体一起做不定常运动所形成的附加质量系数。通过与现有DNV经验数据对比,计算结果误差较小,从而验证了此计算方法的正确性,为船-缆-体的耦合分析计算及下放安装的仿真控制提供参考。     

环空响应段流体流动特性数值模拟

基于物理法进行随钻防漏堵漏，其技术核心是利用侧向射流的水力能量在漏失层快速形成薄而高强度的“人造井壁”。钻遇漏层时，部分流体从专门设计的井下工具中喷出，直接射向井壁，给新形成的井壁一个合适有效的作用力，将混入钻井液中的堵漏材料推进漏失层岩石的孔、洞和裂缝，在漏失层井壁迅速形成一层致密的、可以承受一定压差的滤饼屏蔽环，从而增大井壁的承压能力或钻井液密度窗口，达到随钻防漏堵漏目的。由于环空响应段的侧向射流与上返流体具有一定的干扰，采用流体力学软件（CFD）对环空响应段的流体流动特性进行分析，弄清了上返流体对侧向射流的干扰。模拟结果表明，在现有应用的环空返速下，对侧向射流干扰很弱，基本没有影响。     

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。     

泥浆立管系统振动仿真分析

泥浆立管在工作时会产生较大振动,分析了引起振动的主要原因。采用有限元方法计算了立管系统的固有频率,并使用CFD方法分析了泥浆自身脉动激励现象。通过对比计算,确定了大涡湍流模拟方法适用于流体脉动现象仿真。计算结果表明:泥浆自身脉动激励不是立管振动的主要因素,同时提出了有效遏制立管振动的方法和建议。     

浮力块对深水钻井隔水管主要性能的影响

采用ABAQUS软件对带浮力块的深水钻井隔水管的静态性能进行了分析,定量分析了浮力块直径和长度对隔水管的弯曲应力、横向变形、底部柔性接头转角和等效应力的影响;采用Shear7软件对裸隔水管、浮力块交错分布隔水管和全浮力块隔水管的涡激振动性能进行了分析,定量分析了不同浮力块分布方案下隔水管的固有频率、均方根位移、均方根应力响应以及疲劳损伤。通过增加浮力块的直径和长度增加隔水管的浮力,有助于改善隔水管的各种静态性能,降低对顶张力的要求,但是在下部安装浮力块对隔水管的悬挂、安装及回收不利,因此需要综合考虑。全浮力块分布方案会造成隔水管水动力外径增大,外部流体对隔水管的输入能量会大幅度提高,从而导致隔水管疲劳损伤进一步增加;浮力块交错分布方案可降低隔水管的疲劳损伤,但位移响应偏大;综合考虑推荐采取浮力块交错布置方案。     

多因素影响下Y型管内流动状态数值模拟研究

Y型管在油气集输管道中应用广泛,但容易发生应力集中而引起腐蚀泄漏事故,因此有必要对其影响因素进行研究。基于流体动力学原理,借助CFD软件对油气集输管网中Y型管件进行流场和应力分析。结果表明:Y型管道剪切力受到流体流速、黏度以及气含率等多种因素影响;管道内部流速升高以及黏度增大均会增强Y型管道最大剪切力;增大气含率和支管管径会减轻Y型管道最大剪切力。该研究结论可为管道冲刷腐蚀的防护提供一定的理论依据。