深海输液立管涡激振动预报及抑振技术研究

发布时间：2020-11-13 11:52

　　 海洋立管是连接海面浮式装置和位于海床上石油井口的主要设备,用于石油、天然气的钻探和生产。特别是深海输液立管上端受控于浮体提供的顶张力,底部与井口柔性铰接。立管内部有高压的油或气流过,外部承受波浪、海流作用,在一定的流速下会产生漩涡脱落,使立管发生涡激振动。当漩涡脱落频率与结构自振频率接近时发生“锁振”,振动幅值则明显增加,导致立管疲劳破坏。 涡激振动是一种复杂的流体与固体耦合振动现象,目前国内外的研究较为广泛,但是由于该现象影响因素比较多,如雷诺数、顶张力、内流、结构本身特性等,特别是耦合海洋环境荷载作用后,立管涡激振动的动力响应分析更加困难。本文通过试验的手段在大型水槽中进行了输液立管涡激振动研究,并将结果与数值模拟方法进行对比。主要研究工作如下: (1)本文建立一套利用Morlet小波的连续变换对涡激振动信号进行时频分析的方法,直观得到涡激振动频率在不同外流速频率随时间的连续变化规律,详细诠释了涡激振动的物理现象。通过小波阈值法对试验数据进行去噪处理,利用振型分解法求解立管各点涡激振动位移。采用Palmgren-Miner理论,对海洋立管模型的疲劳寿命进行分析。 (2)在大型波浪流水槽中对顶张力立管和柔性立管模型进行了涡激振动试验研究。研究表明,顶张力立管存在明显的“锁振”区间,且在这个区间内振动剧烈,幅值放大;来流向振动对涡激振动疲劳贡献不能忽略;横向振动与来流向振动有非常强的振动耦合,立管涡激振动呈“8”字形运动轨迹。试验考察了顶张力变化、内流作用、质量比变化对顶张力立管自振频率以及涡激振动的影响。柔性立管模型试验得到了多模态共同参与的振动现象,并且随流速增加立管发生模态跳跃。 (3)针对干涉现象,对前后排列和并肩排列两种布置方式的海洋立管涡激振动进行了试验研究。结果表明,立管的振动会受到其它立管尾流的干涉影响,干涉由于间距的不同而有显著改变,其动力特性、动力响应以及漩涡的脱落形式同单个立管相比均有较大的变化。 (4)利用有限布置测点所得试验数据,计算得到不同时刻立管结构位移时程曲线。假设微小时间段内流体作用力线性变化,采用时域的精细积分法识别水动力荷载,得到测试各时间点上作用在结构上的流体力。将得到的结果与采用尾流振子模型求解流体与结构耦合振动方程的结果进行比较,验证了立管流固耦合振动数值模拟结果。 (5)设计一种月牙扰流肋抑振装置,布置在模型上并进行多级外流速下涡激振动模型试验。通过时频分析得到安装抑振装置后模型频率变化规律,从振动动力特性方面分析该装置抑制振动机理,并对立管的疲劳寿命进行计算。结果表明,月牙扰流肋抑振装置能较好抑制涡激振动,有效提高立管的疲劳寿命。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【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、目的和研究意义
        1.1.1 选题背景
        1.1.2 研究目的和研究意义
    1.2 涡激振动的关键参数和基本特征
        1.2.1 海洋立管涡激振动机理
        1.2.2 描述涡激振动的关键参数
        1.2.3 涡激振动的基本特征
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 试验研究
        1.3.2 数值模拟
        1.3.3 抑振方法研究
    1.4 本文主要研究内容和创新点
        1.4.1 本文主要研究内容
        1.4.2 本文主要创新点
2 振动信号分析与立管响应重建
    2.1 信号处理方法
        2.1.1 傅立叶变换
        2.1.2 小波变换
        2.1.3 基于小波变换的时间-频率分析
    2.2 结构振动响应重建方法
        2.2.1 有限测点计算结构立管各点位移
        2.2.2 结构振动响应重建算例
        2.2.3 结构响应重建过程中的关键问题
    2.3 信号去噪方法
        2.3.1 小波去噪方法
        2.3.2 阈值法小波去噪应用
    2.4 立管疲劳寿命计算
        2.4.1 雨流计数法
        2.4.2 S-N 曲线
        2.4.3 疲劳计算算例
    2.5 误差分析
3 涡激振动试验方法
    3.1 试验目的
        3.1.1 涡激振动规律研究方法
        3.1.2 立管干涉研究方法
    3.2 试验模型设计
        3.2.1 相似准则
        3.2.2 立管模型设计
        3.2.3 考虑顶张力、内流的立管试验设计
        3.2.4 柔性立管模型
        3.2.5 不同质量比模型设计
    3.3 试验支架设计
    3.4 试验设备
        3.4.1 实验水槽
        3.4.2 顶张力施加与两端固定方式
        3.4.3 光纤光栅应变计与采集系统
        3.4.4 电阻应变计与数据采集系统DASP-ET
        3.4.5 多普勒流速测量仪
4 立管振动数据分析
    4.1 顶张力立管涡激振动试验研究
        4.1.1 立管动力特性分析
        4.1.2 涡激振动规律分析
        4.1.3 渐变外流作用下立管振动规律
        4.1.4 顶张力对涡激振动影响
        4.1.5 输流立管中内流作用
    4.2 柔性立管涡激振动规律
        4.2.1 立管动力特性分析
        4.2.2 柔性立管涡激振动规律
        4.2.3 顶张力对柔性立管动力特性以及振动响应影响
        4.2.4 来流向与横向振动耦合
    4.3 不同质量比的立管模型涡激振动
        4.3.1 不同质量比动力特性分析
        4.3.2 不同质量比振动幅值分析
        4.3.3 不同质量比模型疲劳分析
    4.4 立管干涉试验研究
        4.4.1 两立管前后排列干涉研究
        4.4.2 两立管并肩干涉研究
5 流体力识别与涡激振动预报方法实现
    5.1 精细积分方法
    5.2 流体力识别方法
    5.3 基于尾流阵子方程的数值预报方法
    5.4 试验与数值模拟对比
6 抑振装置与抑振方法试验研究
    6.1 抑振装置设计
    6.2 月牙扰流肋试验
        6.2.1 扰流肋布置方案设计
        6.2.2 抑振效果
        6.2.3 抑振后涡激振动动力特性分析
        6.2.4 疲劳寿命计算
    6.3 螺旋导板试验
        6.3.1 螺旋导板方案设计
        6.3.2 抑振效果分析
        6.3.3 螺旋导板覆盖率研究
    6.4 导流板尾翼试验
        6.4.1 导流板方案设计
        6.4.2 抑振效果分析
7 研究结论与展望
    7.1 本文结论
    7.2 进一步研究的建议
参考文献
致谢
个人简历
发表的学术论文以及学术成果

【引证文献】

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本文编号：2882157