海洋立管涡激振动及抑振技术的实验研究

发布时间：2020-11-10 02:19

　　 海洋立管是连接海面和海底井口的主要连接件,既可用于海洋平台,也可用于钻探船舶或采油船。海洋立管是海洋钻探和生产中不可或缺的重要元件,其内部一般有钻探泥浆或高压油气通过,外部则承受波浪、海流、冰以及船体运动等引起的荷载。当海流流经立管时,在一定的流速下会产生旋涡脱落,使立管发生涡激振动,当旋涡脱落频率与海洋立管自振频率接近时,振动会迫使旋涡脱落频率固定在结构自振频率附近,发生频率锁定(lock-in)现象,引起强烈的立管振动,加剧立管的疲劳破坏。 当内流流经挠曲的立管时,由于管道曲率的变化和管道的横向振动,流体发生加速,这些加速的力会反过来作用在管道上,引起管道的附加振动。顶张力的变化,会改变立管的结构刚度,进而改变立管的振动特性。研究内流和顶张力对立管动力特性的影响,有利于更加深入的了解立管的振动特性。另一方面,有效的抑振方案可以明显抑制立管的涡激振动,提高立管的疲劳寿命,因此,研究有效的抑振措施,具有很大的工程应用价值。 本文以有机玻璃作为模型材料,在风-浪-流联合作用水槽中分别进行了裸管实验和抑振管实验。裸管实验考虑了内流、顶张力及外流环境的变化,抑振管实验则对比了五种不同抑振形式的抑振效果。经分析,随着内流流速的增加,立管的振动幅值增加,频率降低,当外流速较大时,内流作用不明显;顶张力增加会明显提高立管的振动频率,而振幅降低;单螺旋、双螺旋和三螺旋月牙抑振装置均能起到很好的抑振效果,可明显减小立管振动;月牙八字形抑振装置也能起到较好的抑振效果,且基本不改变立管迎水面积。根据实验结果和已有成果,本文还对海洋立管设计规范中的相应内容提出了修改建议。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P756.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
1. 绪论
    1.1 选题背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 关于海洋立管的涡激振动
        1.2.2 关于海洋立管的抑振措施
        1.2.3 关于规范的研究
    1.3 本文的主要工作
2. 荷载及涡激振动理论
    2.1 荷载
        2.1.1 工作荷载
        2.1.2 环境荷载
        2.1.3 偶然荷载
    2.2 涡激振动理论
        2.2.1 描述涡激振动的几个参数
        2.2.2 旋涡形成及发放机理
        2.2.3 尾流区特征
        2.2.4 关于涡激振动
    2.3 抑振理论
        2.3.1 改变立管性能
        2.3.2 改变流场
3. 海洋立管涡激振动及抑振实验
    3.1 模型及抑振装置设计
        3.1.1 裸管模型
        3.1.2 抑振管
    3.2 实验条件及设备
        3.2.1 实验水槽
        3.2.2 多普勒测速系统
        3.2.3 模型固定支架
        3.2.4 施加内流设备
        3.2.5 顶张力施加设备
        3.2.6 数据采集系统
    3.3 实验方法及目的
        3.3.1 裸管实验
        3.3.2 抑振管实验
        3.3.3 实验目的
4. 实验数据分析
    4.1 数据分析方法
        4.1.1 幅值域分析法
        4.1.2 离散傅里叶变换（DFT）
        4.1.3 快速傅里叶变换（FFT）
        4.1.4 功率谱密度（PSD）
    4.2 裸管实验及分析
        4.2.1 立管动力特性分析
        4.2.2 内流对立管动力特性的影响
        4.2.3 顶张力对立管动力特性的影响
    4.3 抑振实验及分析
        4.3.1 动力特性分析
        4.3.2 抑振效果分析
    4.4 实验小结
5. 关于海洋立管设计标准的分析和探讨
    5.1 设计标准中对内流的描述
        5.1.1 API RP 2RD（1998）中关于内流的描述
        5.1.2 DNV-OS-F201（2001）中关于内流的描述
        5.1.3 两个标准的对比
    5.2 与研究成果的比较分析
        5.2.1 与理论研究成果的比较
        5.2.2 与实验研究成果的比较
    5.3 改进建议
    5.4 说明
6. 结论
    6.1 本文结论
    6.2 实验不足及改进建议
参考文献
致谢
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相关期刊论文 前1条

1 郭海燕,王树青,刘德辅;海洋环境荷载下输液立管的静、动力特性研究[J];青岛海洋大学学报(自然科学版);2001年04期

本文编号：2877318