复杂预应力对立管参激振动特性的影响分析

针对立管结构中存在着复杂预应力分布的现象,提出了立管在只考虑顶端平台升沉激励引起的纯参激振动问题。基于结构预应力理论,建立了含复杂预应力的立管结构运动控制微分方程,提出了一种可适用于含复杂预应力分布的立管参激振动特性分析方法。以此为基础,应用数值计算对比了复杂预应力对立管结构的自然频率、振型等振动特性的影响。计算结果表明,复杂预应力的存在对立管结构的动力特性有着重要的影响。     

参激振动对顺应式垂直通路立管涡激振动的影响

顺应式垂直通路立管(CVAR)是目前处于研究阶段的一种新型的立管类型,在海流作用下产生涡激振动,在平台垂荡运动作用下产生参数激励振动。为了研究参数激励的影响,本文引入尾流振子模型模拟漩涡脱落对立管的作用,同时考虑浮式平台升沉运动产生的参数激励,建立了CVAR参激-涡激联合振动方程,获取联合作用下的动力响应,并与纯涡激振动响应进行对比。结果表明,在相同的流速下CVAR中部涡激振动幅值最大,流速的增大会导致涡激振动的频率增大,发生高阶锁振,高阶锁振振动幅值比低阶锁振振动幅值小。考虑参数激励之后,较纯涡激振动而言,立管的振动幅值增大;当参激频率与涡激振动频率接近时,立管的振动幅值最大。     

深海立管系统参数激励试验模拟装置设计

深海海洋立管在海洋环境中，受到各种不同的破坏作用，其中以海水流动引起的涡激振动和平台垂荡产生的参数振动最为明显而备受关注。而对立管的作用更为复杂的是参激—涡激联合振动。为了便于对参数振动进行研究，以及参激—涡激联合振动的研究得以展开，设计了海洋立管参数激励装置。通过PLC控制两台双轴的步进电机分别来模拟平台的垂荡和海水流过立管的相对运动；通过改变装置上主动杆和从动杆的连接部位而调节平台的垂荡振幅。编写了PLC控制程序，绘制了控制部分硬件接线图。基本实现了平台的垂荡频率在0.4 rad/s～1.6rad/s，振幅在0～2m之间；海水的海面流速在0.1 m/s～1m/s，满足实验条件。     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明:立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响分析

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明：立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

光滑深海立管涡激振动 DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SSTk-ω湍流模型基础上的 DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定 DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

光滑深海立管涡激振动DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SST k-ω湍流模型基础上的DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

单频与多频激励下深海TTR立管参激特性分析

为深入研究深海TTR立管参激振动的本质特征,论文基于单自由度马修方程理论,利用摄动法研究了TTR立管在单频激励下的稳定性。基于复杂梁弯曲理论推导了希尔方程,分析对比了立管在单频和多频激励下的稳定性和各工况下的动态响应,以及极端海况下立管的振动特性,提出了一种引入额外阻尼来抑振的措施。得到了可以用来预报TTR参激稳定性的希尔稳定性图,立管在极端海况下希尔不稳定性可能会被激发,且激发的模态数增加。     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7 800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

深海立管涡激振动疲劳损伤影响因素分析

根据我国南海、墨西哥湾和西非海域的流速沿深度方向的分布规律,利用涡激振动预报程序计算了立管在不同参数下的动力响应.在此基础上计算了立管沿长度方向涡激振动引起的疲劳损伤.分别讨论了立管顶部预张力、管内流体密度、管外流速分布、立管外径、立管壁厚等参数的变化对疲劳损伤的影响.结果显示立管顶部预张力、管外流速分布、立管外径对疲劳损伤的影响非常明显,而管内流体密度和立管壁厚因其变化范围有限,对疲劳损伤的影响没有上述三个参数显著.     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤参数分析

针对钢悬链式立管的结构特性,采用了简化后的振动模型。先对立管进行了模态分析;再根据立管的模态特性结合环境水流参数,采用模态叠加法对立管进行了涡激振动疲劳损伤分析。分析过程中,通过改变流速大小、立管壁厚、立管外径、内部介质以及抑制立管涡激振动的螺旋列板长度等参数,对立管的涡激振动疲劳损伤进行了相应的参数分析。结果表明:立管疲劳损伤随水流速度的增大、立管外径的增大以及内部介质密度的降低呈现上升趋势,但是壁厚变化对立管疲劳损伤大小影响却不显著。     

两自由度不同截面形式柱体涡激振动的CFD数值模拟

文章采用计算流体力学（CFD）方法,结合SST k-棕湍流模型,对低质量比柱体进行两自由度涡激振动数值模拟,得到了柱体升力、曳力系数的时程曲线,并观察了柱体进入锁振状态的幅值变化,研究了不同截面形式柱体在外流速处于0.1-1.0 m/s范围内的振动响应。将圆柱体在不同流速下两向振动的CFD数值模拟与实验数据进行比较,得到了较为满意的结果。通过分析不同截面柱体在不同外流速下的振动幅值发现,带有抑振装置的柱体截面形式能够有效地减小涡激振动,其中,板状截面柱体抑振效果较好。     

并联布置立管涡激振动抑制装置试验研究

针对分隔板、控制杆和减振器3种涡激振动抑制装置,在波流水槽中进行不同间距下并联布置立管的裸管试验以及抑振管涡激振动试验研究,对比分析3种抑制装置的抑制效果。试验结果表明:在同一流速条件下,附加抑振装置后立管的振动振幅与裸管相比明显降低,所采用的3种抑振装置在不同程度上均抑制海洋立管的涡激振动;从横向振动最优抑制效果来讲,控制杆的效果最好;从顺流向振动最优抑制效果来讲,控制杆和分隔板的效果好,减振器的效果较弱。综合比较不同工况下各个间距和振动方向的最优抑制效果发现,控制杆的最优抑制效果最好,能够对并联立管横向和顺流向的振动起到很好的抑制效果。     

超深水钻井隔水管动力分析理论研究与数值模拟

随着钻井作业向深水(500～1 500m)和超深水(1 500m以上)发展,在交变海洋环境载荷波浪力、海流力和浮式钻井平台运动的共同作用下,隔水管的动态响应更加显著.文中探讨了隔水管侧向振动的数学模型、动态特性分析中的结构与环境载荷建模技术及其非线性动力分析方法,研究并对比了不同分析方法在计算效率、计算精度和工程适用性等方面的差异.介绍了时域内应用ABAQUS软件进行超深水钻井隔水管非确定性动力分析的算法与详细流程,算例比较了不同边界条件对深水钻井隔水管动态特性的影响.研究表明,时域非确定性分析最为精确但需要时间最长,且只能采用线性AIRY波浪理论;理论上,海流主要引起隔水管动态响应的时不变部分,但该时不变部分不等同于海流引起的隔水管静态响应,一种简化方法只将海浪与钻井船运动作为动载荷而不考虑海流对动态响应的贡献;钻井船运动和波浪载荷是隔水管动态响应分析主要的动载荷,对于超深水隔水管来说,钻井船运动是首要的动载荷,其慢漂运动对隔水管性能有重要影响,而波浪仅对隔水管局部产生作用.     

干涉对海洋立管涡激振动影响实验研究

文章进行了干涉对海洋立管涡激振动影响的实验研究,实验分为立管前后排列和并肩排列两部分。立管间距为3~10倍直径,模型材料采用有机玻璃,长1.5 m,外径18 mm,壁厚2 mm,边界条件均为铰接,外流速分别从0.3~0.8 m/s,每级增加0.1 m/s。通过在立管表面粘贴应变计获得动态应变数据,分别从立管的横向动态响应、振幅、频率等方面对前后排列、并肩排列立管以及和单独立管的实验数据进行对比研究。结果表明,当有外流通过时,立管会受到其他立管尾流的影响,漩涡脱落引起的振动由于间距及排列方式的不同而显著不同,使得立管的动力特性、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。     

Catenary riser sliding and rolling on seabed during induced lateral movement

Catenary risers have an interaction zone with the seabed, usually referenced as flowline. Movements in this region can be induced by sea currents and large offsets in floating unit, leading to touchdown position changes and affecting internal loads along riser length. In this work the contact flowline-seabed is modeled including sliding and rolling friction. Case studies involving large offsets in floating unit and lateral sea currents are solved to better understand the consequences of possible rolling and large sliding. The riser is modeled using a geometrically-exact finite element beam model. The contact is addressed with a new technique to include rotation movements from underlying beam models. This leads to global riser models including complex kinematics, being able to represent scenarios with alternating sliding/rolling and its consequences on internal loads of riser structure. A parametric study is performed to measure the influence of the friction coefficient in tension and torsion along typical flexible pipe and steel pipe catenary risers.     

深水钻井立管建模与角度安全控制

从水面钻井平台与水下立管联合作业的安全角度出发，提出一种将钻井立管的力学响应限制特性引入水面平台动力定位闭环控制中的位置保持方法，实现水面钻井平台（或船舶）基于立管角度响应的动态定位。利用有限元方法建立包括立管系统质量、系统刚度、结构阻尼和水动力载荷在内的立管运动控制模型。联合水面浮体和水下立管的低频运动特性建立水面浮体运动偏移与水下立管顶端角度及末端角度的相对运动关系模型。在此基础上，设计基于立管运行响应的动力定位控位方法，实现对立管顶端角度及末端角度的安全控制。仿真结果表明，所提出的方法可行，在外界突变的环境载荷瞬时作用于水面浮体时，能更快地跟踪新的期望最优位置，保证钻井立管运行在安全界限内。