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防台钻井隔水管脱离状下的振动响应研究

周天成  
【摘要】:涡激振动是导致隔水管疲劳损伤及结构破坏的主要原因,随着我国海洋油气开发不断向深水、超深水海域发展,大长径比隔水管的涡激振动问题越发受到关注。隔水管涡激振动的研究主要针对其与海上平台正常连接的工作状态,而在平台防台撤离时,近海面处隔水管与平台脱离,通过浮力罐提供张紧力使脱离后的隔水管站立于海水中,释放了隔水管上端的自由度。此时的隔水管在海流冲击下自由摆动,呈现出刚性柱体一端固支一端自由时的振动特性,与此同时,上端浮力罐又多少给顶部施加了动约束,使隔水管同时具备近似两端约束的拟约束特征。因此,脱离后带浮力罐的隔水管振动响应更为特殊和复杂。本文通过模型实验和三维数值模拟具体分析了此特殊状态下隔水管的振动响应特性,主要工作和研究结果如下:(1)根据实验水槽流速条件设计加工隔水管模型,共进行了 15个工况下的振动测试。实验结果表明,流速较低时,隔水管表现为刚性柱体一端固支一端自由时的振动特性;随着流速的增大,隔水管出现近似两端约束时的振动特性,体现为多频参与振动;随着流速的进一步增大,从隔水管下部位置开始,近似两端约束时的振动逐渐占据主导地位,主次关系发生转变,隔水管的位形发生变化,但与垂直连接状态下相比,由于自由端顺流向的偏移,隔水管的最大振幅出现在中部偏上位置;而后,随着流速的增大,最大振幅出现的部位向上转移,直到整个隔水管呈现出近似两端约束时的振动特性;顺流向与横流向上的振动转变并不同步,顺流向上的振动转变需要更大的流速。(2)圆筒形浮力罐与周边海水的密度比低至1.3×10-3,因此有必要考虑其附加质量的影响。为此,实验中选用密度较小的树脂为材料,3D打印出5个等体积不同直径和高度的浮力罐模型,在静水中通过简单的振动衰减测试对各浮力罐模型的附加质量进行分析。分析结果表明,等排水体积的浮力罐提供同等张紧力时,过流截面越大,浮力罐附加质量越大,自由端也就越不易自由摆动(越趋近于连接状态),因而整个振动转变过程所需的流速就越小。(3)受实验条件限制,模型实验难以实现系统的外部流动相似与结构动力相似。为此,基于ANSYS数值模拟软件实现双向流固耦合数值模拟分析,在验证了数值模拟方案可行性的基础上,建立实尺寸三维数值模型,模拟了实际工况下隔水管的振动响应,给出了具有一定工程参考价值的振动响应数据,同时补充了模型实验未能实现的流场分析。


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