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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

海洋立管涡激振动计算方法进展

针对海洋立管的涡激振动的计算问题,评述了近年来国内外研究进展,并对未来的发展趋势进行展望.     

海洋钻井隔水管系统配套技术研究

分析研究了海洋钻井隔水管技术的发展现状、钻井隔水管系统组成及其单元部件功能和结构特点,并从3个方面分析了海洋钻井隔水管的发展趋势。     

海洋立管两相流动及管道振动特性试验研究

为了识别海洋立管系统中可能出现的各个流型及考察立管系统在各流型作用下的动态响应,利用室内试验装置模拟海洋立管系统,对立管中两相流动压力波动及其引起的管道振动位移进行测试。试验中共观测到7种流型,提取了不同流型下压力波动的时频域特征值和振动响应的时频域特征值。对气液两相流流动特征及其引起的立管振动特性进行对比分析。研究结果表明,可通过时域信号结合功率谱密度特征对立管中流型进行判别;在具有明显周期性的内部流动的激励下,立管的振动频率与内部压力波动频率相等;强烈段塞流Ⅰ、强烈段塞流Ⅲ和水力段塞流对立管振动影响较大,强烈段塞流Ⅰ下立管产生的位移最大,水力段塞流下立管的振动频率最高。研究结果对保证海洋立管的安全运行具有一定的参考作用。     

海洋隔水管灌注阀技术分析研究

隔水管灌注阀是海洋隔水管系统配套的关键设备之一,是隔水管系统的安全保障设备。首先介绍了隔水管灌注阀的功能,并在此基础上重点介绍了Cameron公司的灌注阀以及Hydrill公司的外置式灌注阀和弹性元件式灌注阀的结构特点,同时给出了灌注阀配置的计算方法。最后分析了隔水管灌注阀国产化研究面临的技术难点,并提出了隔水管灌注阀国产化建议:充分调研国内外现状,采用多种设计手段联合攻关;大力扶持基础行业,降低海洋产品国产化研发的难度;设立目标平台,为隔水管灌注阀工业性试验提供技术支撑。     

崖城13—1井口平台隔水套管修补方法与应用

海洋平台生产井隔水套管位于海水飞溅区的部分由于常年冲刷,普遍出现了锈蚀,由于环境恶劣,修补施工难度大,对于很多油气田都是一个棘手的问题.根据在崖城13-1井口平台的实际作业,详细阐述了隔水套管的修补方法与装置,对海洋油气田的开发具有很好的参考价值.     

DR-E60FF型海洋钻井隔水管浮筒设计研究与试验

开发了一种适应1 000 m水深的海洋钻井隔水管浮筒。分析了设计需考虑的因素,创新开发了浮筒主体胚料模块化成型,柔性装夹加工技术,组合涂层技术等关键技术。强度试验和碰撞试验研究结果表明,开发的浮筒满足额定水深耐压要求,吸水率和浮力系数满足设计要求,抗冲击性和耐磨性能优于同级别国外产品。国产化的浮筒产品具有强度高、密度低、吸水率低、防腐性能好等特点,产品性能较优,市场应用前景广阔。提出了浮筒进一步发展的研究建议,对产品开发经验和市场应用前景等方面进行了总结。     

海洋立管全尺寸疲劳试验方法研究及标准化应用

为了定量评价海洋立管产品的疲劳寿命,对海洋立管共振弯曲疲劳试验的力学模型进行理论研究,得到该模型的应力幅和固有频率,为海洋立管全尺寸疲劳试验标准化提供理论依据。同时开发了共振弯曲疲劳试验平台,制订了SY/T 7605—2020《海洋立管全尺寸疲劳试验方法》等2项标准,进一步阐述了该标准的主要技术内容,规范了海洋立管全尺寸疲劳试验装置、试样设计与制备、试验结果处理等方面的具体技术要求。根据标准完成了20多组疲劳寿命测试,结果表明,立管系统的疲劳试验方法及焊接工艺较为合理,有助于提升海洋立管产品的质量。     

基于磁偶极子的隔水管疲劳裂纹检测试验研究

为了获得隔水管疲劳裂纹长度并判定其疲劳损伤状态,采用金属磁记忆检测法对隔水管用X80管线钢在疲劳裂纹萌生、扩展及断裂阶段的磁记忆信号进行检测,研究磁记忆检测信号随疲劳裂纹长度变化的关系,采用磁偶极子理论建立了疲劳裂纹萌生直到断裂过程的磁场分布模型,通过对比分析验证了模型的正确性。分析结果表明:伴随着疲劳裂纹长度增加,磁场切向分量具有极大值,且极大值不断增大,磁场法向分量过零点,且零点两侧峰值不断增大;磁场切向分量峰值及法向分量峰峰值随着疲劳裂纹长度增加近似呈线性增大,通过提取磁记忆检测信号特征参数变化可以判定疲劳裂纹长度的变化。所得结论为磁记忆检测技术应用于隔水管疲劳损伤检测提供了技术支撑。     

速度梯度对立管涡激振动疲劳损伤影响分析

将钢悬链式立管SCR(Steel Catenary Riser)简化为索模型,首先对立管进行了模态分析,并通过模态叠加法计算了涡激振动响应。然后基于瑞利分布,对立管进行了疲劳损伤分析,得到了立管的年疲劳损伤率。以1 500 m水深Spar平台相连接的钢悬链式立管为例,通过改变剪切流的来流梯度来研究其对疲劳损伤产生的影响。计算结果表明,立管最大疲劳损伤通常出现在边界区域,并且随着来流速度梯度的减小,立管的能量激励区域增大,疲劳损伤也随之变大。     

径向夹持载荷作用下海洋柔性管骨架层的静力特性研究

骨架层径向压缩失效是海洋柔性管的主要失效形式之一。为了分析海洋柔性管骨架层在径向夹持载荷作用下的力学特性,基于ABAQUS建立了考虑材料非线性的骨架层数值模拟模型,得到了层间相互作用和压块数量对骨架层径向压缩时力学特性的影响。计算发现:当施加相同载荷时,考虑骨架层层间滑动将增大骨架层径向压缩位移;压块数量是骨架层径向压缩特性的重要影响因素,压块数量越多,骨架层径向压缩刚度越大,许可径向压缩力越大,但许可径向压缩位移越小;压块数量超过4个时,压块数量对骨架层径向压缩特性的影响逐渐减小。研究结果表明,给出的数值方法能有效计算柔性管通过不同压块数量的张紧器时,柔性管不发生过度变形的最大加载位移和最大夹持力。      

海洋立管全尺寸共振疲劳试验机理研究与应用

针对海洋立管全尺寸共振弯曲疲劳试验机理与应用方面研究的瓶颈问题,建立了偏心激励式海洋立管共振弯曲疲劳试验的力学模型,综合应用振动力学微分方程、材料力学弯矩与挠度关系式以及理论力学达郞伯原理等对该模型进行理论研究,得到应力幅和固有频率。研究了立管疲劳试验设计曲线、平均曲线和目标曲线3种曲线的关系。研制了海洋立管共振弯曲疲劳试验装置,对2台样机共4条焊缝进行全尺寸疲劳试验。试验结果表明理论计算值、有限元解和试验检测值基本一致,验证了理论推导的正确性。研究结果为海洋立管疲劳试验及评价提供了理论依据。