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深海输液立管涡激振动预报及抑振技术研究

张永波  
【摘要】: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。


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