含内流深海立管涡激振动特性研究

发布时间：2020-04-14 02:08

【摘要】：经济的发展使得我国对油气资源的需求量与日俱增,为了满足日益剧增的油气需求量,海洋油气资源开发逐渐由浅海发展到深海领域。虽然深海油气资源开发解决了我国目前的能源需求,但是在其开发过程中,由于海洋环境及气候的复杂性,为深海油气勘探与开发带来了严峻的挑战。海洋立管在输送海洋油气资源的同时,极易受到海洋内部波流的影响,从而产生涡激振动现象,除此之外,海洋立管内部气液混合流动容易产生严重段塞流,这使得立管可能表现出更复杂的动力学特性。因此,研究内外流共同作用下海洋立管的涡激振动特性具有重要的科学意义与工程价值。有鉴于此,本文全面地回顾和总结了国内外关于严重段塞流和涡激振动的研究现状,选取深海油气开采工程中海洋立管为研究对象,基于尾流振子模型和半经验时域模型,数值研究了含均匀稳定内流和含严重段塞流的立管涡激振动响应特性;并且针对卧底管线-钢悬链线立管系统建立了一维瞬态分相理论模型,从而模拟了该系统内严重段塞流的流动参数变化规律,为今后研究含严重段塞流的悬链线立管系统的涡激振动特性奠定基础。本文的具体研究内容如下:第三章基于尾流振子模型,针对含均匀稳定内流的海洋立管模型,研究了不同内流速度下立管的涡激振动特性。运用Galerkin方法对含内流立管控制方程进行离散,通过四阶龙格库塔方法求解方程,分别研究了均匀稳定内流速度在亚临界和超临界区域内的海洋立管的一阶和二阶涡激振动特性。结果表明,含均匀稳定内流的立管在不同的内流速度下表现出更复杂的涡激振动现象。当立管内部流体速度处于亚临界区域时,立管在顺流向上出现两个共振区域,而横向上则只有一个共振区域;并且随着内流速度的增大,立管顺流向和横向上共振区域不断增大;在锁定区域内,立管的振幅随着内流速度的增大而减小;在锁定区域,立管的一阶响应主要为三维周期性和准周期振动,而二阶响应则为三维准周期和无规则振动。当立管内部速度处于超临界区域,在不同的一阶屈曲位移值下,立管表现出不同的振动特性。在不同的内流速度下,立管在顺流向和横向上的振动为周期性、准周期性和无规则振动;在锁定区域,立管的一阶和二阶响应都为周期性、准周期和无规则振动。第四章基于半经验时域模型,针对含均匀稳定内流的大长细比海洋顶张立管,研究了其在不同内流速度下的涡激振动响应,主要分析了立管在不同内流速度下的主导振动模态、主导振动频率、位移均方根(RMS)以及驻波和行波响应等涡激振动参数。运用有限元方法对含内流立管控制方程进行离散,使用newmark-?逐步积分法求解方程,并且将基于半经验时域模型的数值模拟结果与实验数据和基于尾流振子模型的结果进行了对比。结果表明,该半经验时域模型能够更好的模拟立管的涡激振动响应;当立管内部均匀稳定流速较小时,立管在顺流向和和横向上的振动主导模态基本不变,而随着内流速度的增大,立管在两个方向上的主导模态不断增大;但是研究还发现立管在顺流向和横向上的主导频率和位移均方根对内流速度的变化不敏感;而内流速度的变化在一定程度上影响了立管的驻波和行波响应。第五章基于半经验时域模型和有限元方法,针对含严重段塞流的海洋顶张立管涡激振动特性进行了数值模拟。运用垂直立管严重段塞流一维瞬态分相理论求得顶张海洋立管内部流体质量的非稳态变化,将非稳态变化的质量与立管动力方程耦合,研究了含严重段塞流I型和II型的顶张立管涡激振动响应。结果表明,立管在顺流向和横向上的振动平衡位置和振幅受到严重段塞流显著的影响,特别是在外流速度较小的时候,并且立管在严重段塞流的影响下在两个方向上出现多频率振动现象,而且大部分频率值与其主导频率相近;外部流速较小时,立管出现了一个受严重段塞流流动支配的振动频率;但是立管涡激振动响应的主导模态则不受严重段塞流的影响。第六章针对下倾管-悬链线立管系统内发生的严重段塞流现象,建立包含严重段塞流特性参数的瞬态理论模型和管道系统的相分布理论模型的一维瞬态理论预测模型,从而研究了卧底管线-悬链线立管系统内严重段塞流的流动特性,并将理论模型结果与实验结果进行了对比。该模型不但可以模拟管道内压力、周期、气液速度、含气率和折算速度等严重段塞流特性参数瞬态变化,而且能够预测不同气液流速下严重段塞流的发生流型,并能对管道系统内气液流态的变化进行实时判别,理论模型预测结果与实验吻合较好,从而为今后研究含严重段塞流悬链线立管系统的涡激振动特性奠定基础。
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油气田,对外依存度,快速发展

究背景及意义上油气资源的开发着我国工业、经济和社会的不断快速发展，经济社会发展以及人们源的需求量正持续快速增加，从而导致陆地上石油天然气资源不日益减少的石油资源使我国石油对外依存度也逐年增加，并且已经线[1]。由于石油在国民经济运行中起着重要的作用，其对外依存度够威胁我国能源安全，而且还会对我国经济的发展产生负面影响，，度上阻碍我国经济的正常发展[2]。因此，为了解决赖以生存的石油不足带来的问题，必须寻找新的途径来增加油气资源的产量，以保康快速发展。

油气开采,海洋油气,油气输送管,油气集输

图 1-2 海洋油气开发中所面临的挑战Fig.1-2 The challenges of the gas and oil exploration in the ocean（1）管线内流对油气开采和输送的影响在海洋油气资源开采过程中，油气集输是其过程中的一个重要环节，并且起着相当重要的作用，然而在油气集输过程中可能会出现安全问题[3]。为降低风险，我国采用通过混输管线系统将海底油田中的油气水混合物输送到海洋平台上的技术，该技术被称为油气集中输出技术。相较于传统的管线系统，该混合输送技术安全高效，通过减少了一根管道的建设缩短建设工期和减少经济成本，从而可以大幅度提高经济效益[4,5]。然而在油气输送过程中，由于气液两相介质间的相互作用以及复杂的海底地形的影响，在管道系统中极易形成危害油气输送管线及下游处理设备的严重段塞流，是我国在海洋油田开发中需要面临的新的挑战[6]。在深海油气资源开采过程中，油气输送管线作为连接海底井口与海上生产设备的重要部件，通常由海底管线和立管共同组成。海底地形的起伏不平容易导致
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P756.2

【参考文献】