脉动顶张力作用下输流立管涡激振动主共振研究

为定量描述海洋工程中输流立管受脉动顶张力作用时的涡激振动响应,本文研究了海洋输流立管受到内部流体、脉动顶张力和涡流激励作用时的参数主共振问题。首先建立了该问题的数学模型,运用Galerkin法和多重尺度法对其进行求解,引入调谐参数描述输流立管第一阶固有频率同顶张力脉动频率和涡流频率的接近程度,通过改变调谐参数,研究输流立管的动力学响应。结果表明:定常顶张力作用下,立管的振幅为单值,随着调谐参数增大,立管振幅先增大后减小,且出现明显的跳跃现象,内部流体速度和张力幅值的竞争机制也会影响立管振幅;脉动顶张力作用时,在一阶锁频的条件下,随着调谐参数变化,立管的振幅呈现“多值—单值—多值”的变化规律,顶张力均值或脉动幅值越大,立管振幅的变化范围越宽。

多频参激—涡激联合作用下顶张力立管分岔分析

复杂海洋环境中,顶张力立管顶部平台受到不同分量叠加的波浪作用,导致其轴向张力与多个频率相关,系统产生多频参激与涡激的联合振动,其动力学行为变得更为复杂,尤其是分岔和混沌等非线性振动特性有待进一步分析。首先,基于欧拉—伯努利梁理论,引入范德波尔尾流振子,建立和推导受多频参激—涡激联合作用下立管的动力学模型及其运动微分方程;接着,利用伽辽金法得到离散后的常微分方程组,采用多尺度法得到系统共振响应的调谐方程;最后,通过数值算例探究系统在多源和多频载荷联合作用下的共振响应。结果表明:对于多频参数激励,其中一个参数激励幅值在立管振动中起主导作用,而另一个会引起分岔的位置、数量和性质发生改变;随质量—阻尼参数增大,系统共振响应幅值整体先增大后减小,各分岔点出现的位置整体先向泄涡频率较大处移动,随后向泄涡频率较小处移动;质量—阻尼参数的变化还可能诱使系统发生倍周期分岔和混沌现象,危害结构安全。此外,采用直接数值积分求解微分方程组,验证近似分析结果,两者吻合较好。

ABAQUS在深水顶张力生产立管模态分析中的应用

简要介绍了综合有限元分析软件ABAQUS并概述了结构模态分析理论。用ABAQUS对深水顶张力生产立管进行建模,并提取了其固有频率,对其进行了模态分析。研究了不同的立管顶张力对其固有频率的影响。

基于小波变换的顶张力立管涡激振动规律实验研究

为研究顶张力立管在海流作用下的涡激振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验中立管竖直固定于实验支架上,外部承受不同速度的流体作用,上端施加变化的顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换方法对实验数据进行时间频域分析,得到立管涡激振动频率和振动幅值以及来流向与横向的耦合振动规律,考察顶张力变化对立管自振频率以及涡激振动的影响。

深水钻井隔水管顶张力计算方法

通过隔水管受力分析,提出了既能保证隔水管稳定性又能满足底部过提力要求的深水钻井隔水管顶张力计算方法,以南中国海某超深水井为例对其进行验证,并与两种常用计算方法进行了对比。基于管柱力学原理,分析了真实轴向力与有效轴向力对隔水管力学行为的影响,结果表明:真实轴向力决定隔水管底部对隔水管总成的拉力,有效轴向力决定隔水管稳定性。通过隔水管在内、外压作用下的受力分析,建立相应的力学模型,推导出新的顶张力计算方法,弥补了美国石油协会(API)算法和法国石油学院算法的不足。现场应用实例分析结果表明:采用该方法计算的顶张力设置值与现场实际作业时顶张力值基本一致,且计算结果优于API算法及法国石油学院算法的计算结果,可以用于指导隔水管设计及施工。

超深水钻井作业隔水管顶张力确定方法

对于深水和超深水钻井作业,确定钻井隔水管系统顶张力是钻前设计非常重要的工作。研究三种隔水管系统顶张力确定方法,分别是理论方法、基于隔水管系统底部残余张力方法和基于下放隔水管系统的最大钩载方法。算例计算与超深水钻井实践对比表明,在相同的隔水管系统配置下,三种方法计算结果都接近于实际钻井作业时的顶张力设定值。但研究认为,基于下放最大钩载的顶张力计算方法简单实用,推荐作为优选方法。

南海内孤立波作用下顶张力立管极值响应研究

内孤立波能够引起强剪切流和巨大的冲击荷载,对海洋平台和海洋立管等海上结构物会构成危险,而关于内孤立波对海洋立管作用的研究很少。根据描述内孤立波的KdV-mKdV方程,结合改进的Morison公式,采用有限单元法在时域内对内孤立波作用下顶张力立管的极值响应进行了数值模拟,并就内波振幅、立管内流、顶张力、弹性模量和壁厚的变化对极值响应的影响进行了探讨。结果表明,内孤立波会引起立管较大的极值响应,在立管的分析计算中应该加以考虑。

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。

基于向量式有限元的深水顶张力立管动力响应分析

向量式有限元法亦称有限质点法是以向量式力学与数值计算为基础的一种结构行为分析的创新性方法。该方法将结构离散为一系列质点的集合,质点间采用单元连接,单元没有质量,只承受内力,质点的运动则直接采用牛顿第二定律来表达,采用中央差分的显式积分法求解质点群各时刻运动方程。首次将该方法应用于顶张力立管的动力行为分析中,采用平面弯曲杆件元模拟质点间的相互作用力,推导了立管质点运动公式,编制相应Matlab求解程序,计算了立管在海流、波浪作用下的动力响应特性并与基于传统有限元法的结果进行了对比分析,表明该方法在立管行为分析中的正确和有效性,并指出了该方法在处理其它立管形式行为分析中的优势。

内流对顶张力立管动力响应影响分析(英文)

文章分析了内流对顶张力立管在波浪和海流激励下的动力响应的影响。考虑内部流动流体的动能采用功能原理建立了立管的运动控制方程。然后采用伽辽金有限元法得到了非线性矩阵方程,并在时域内编制了相应的求解程序。最后对立管的动力特性和动力响应进行了详细分析,主要分析了内流等对其的影响。结果发现内流对动力响应有重大影响,其影响在分析中不可忽略。

内流对立管顶张力影响规律的试验研究

通过大长细比海洋立管物理模型试验,研究内流对其顶张力的影响。在不同的外流流速下用电子流量计读出内流流速,用动态电阻应变片测试得到顶端张力;然后直接分析内流对顶张力的影响规律。试验研究表明:内流的增加会使顶张力减小;施加的初始顶张力较大时,内流的影响较小;施加的外流较小时,内流对顶张力的影响较大。

深水钻井隔水管顶张力最优化设计

运用COMSOL软件对深水钻井隔水管进行了系统的分析研究。主要分析了隔水管系统的顶张力、船体位移、泥浆密度和海洋环境载荷（海流速度、波高等）对隔水管变形的影响。并通过这些研究得到的规律，对深水钻井隔水管的顶张力进行最优化设计。

顶张力立管三维涡激振动研究

为研究深水顶张力立管的三维涡激振动(VIV)响应特性,本文基于向量式有限元法(VFIFE),采用弹簧模型模拟张紧器对立管的作用,考虑立管轴向变形对立管涡激振动的影响,建立深海立管的三维非线性振动模型,并结合Modified-Rayleigh尾流振子模型,对立管顺流向、横向和垂向三维涡激振动进行了分析。通过与试验对比,本文模型能够较准确地预报立管的涡激振动动力响应。分析结果表明:立管轴向变形会引起立管轴向张力的明显增大,在立管分析中,轴向变形引起的轴向张力变化是不可忽略的。

深海实尺寸顶张力立管固有振动特性分析

为了研究深海实尺寸顶张力立管的固有振动特性,建立了立管固有振动分析模型,并通过有限单元法编程求解,计算分析了立管顺流向及横流向振动固有频率及振型,同时分析了顶张力、海流流速及内流密度的变化对立管固有振动特性的影响规律。研究结果表明:立管顺流向振动固有频率高于横流向;立管顺流向与横流向振动固有振型不同,且均不是标准正弦曲线;顶张力的变化对立管振动固有频率及振型具有较大影响;海流流速的变化主要影响立管顺流向振动固有频率及振型;内流密度的变化主要影响立管振动固有频率及顺流向振动固有振型。研究结果可为深海顶张力立管复杂动态分析及精确设计提供参考。

一种隔水管-导管顶张力优选方法

随着深水勘探向超深水发展,海洋的环境越发恶劣,隔水管-导管系统易发生屈曲和交变应力疲劳等稳定性问题。鉴于此,建立了考虑钻井液上返条件下的隔水管-井口-导管的整体有效轴向力方程,对系统轴向力进行精确计算;并将陆地钻井的中性点概念引入海洋钻井,保证隔水管-导管系统的中性点落在BOP上,然后综合考虑张力设备能力和立管强度等因素对顶张力进行优选。该方法分析了钻井液密度与返速对轴向力分布的影响,提升了系统有效轴向力的计算精度,能够优选出符合实际工况的顶张力值,保证了隔水管-导管系统的稳定。研究结果可为工程实际应用提供参考。

顶张力立管涡激振动抑振装置性能比较(英文)

为降低甚至消除漩涡脱落引起的顶张力立管振动响应从而提高其疲劳寿命,设计了五种型式的涡激振动抑振装置, 并在中国海洋大学物理海洋实验室对装有抑振装置的模型立管进行了实验研究。得到了模型立管在几种不同流速下顺流向和横向涡激振动应变时程曲线,同时为了对比分析也测量了没有安装抑振装置的裸管的响应曲线。对比分析了三种外流流速下抑振装置对立管涡激振动响应的影响,结果表明各种抑振装置对立管顺流向和横向涡激振动幅值和频率都有不同程度的降低,但其影响和有效性各不相同。

顶张力立管强度计算关键参数研究

本文对顶张力立管(TTR)强度分析中张力及张紧器的建模方法进行了研究,给出TTR强度分析中张力的计算及张紧器的建模理论。介绍了TTR强度分析建模的主要方法,对1000年、100年重现期海况下TTR的强度进行分析,使用API-RP-2RD规范进行了校核。

涡激致顶张力立管双频参量共振研究

研究了涡激力作用导致顶张力立管基于双频激励的参量共振机理。随着海洋油气开发走向深水,参量共振成为深海立管设计面临的挑战之一。立管系统一旦发生参量共振,将因应力过大或疲劳损伤而发生破坏,造成油气泄漏从而带来环境污染和重大经济损失。顶张力立管受涡激力作用产生横向运动,引起轴向张力波动,满足一定条件时,立管将发生参量共振。目前研究多以单频外激励探讨立管的马修不稳定性,而实际激励为多频叠加,因此双频外激励被提出并被应用于对立管参量稳定性的探讨。研究建立了顶张力立管非线性耦合的运动方程,并推导了多频激励马修方程,采用布勃诺夫-伽辽金法求解有阻尼马修方程,对比分析了单频和双频激励对顶张力立管参量稳定性的影响,探讨了双频激励马修方程设计深海顶张力立管参量稳定性的应用。研究表明:涡激致顶张力立管产生轴向应力波动,进而导致立管系统发生参量共振的现象值得设计人员关注;此外,实际工程设计中激励函数的选取,对被研究系统参量稳定性特性以及阻尼特性的预测具有决定性影响。

基于进化策略的顶张力立管海底井口布置方法研究

顶张力立管(TTR)在使用过程中,由于恶劣的工作环境,由多根立管构成的立管束容易发生立管间的碰撞。碰撞一旦发生将对立管的性能产生严重影响。立管在海底井口的合理布置可以有效地减少立管间碰撞的发生。进化策略(Evolution Strategy,ES)是一种快速可靠的遗传算法。考虑到当前进行端口布置时计算量大、计算时间长的问题,将ES应用于顶张力立管海底端口布置的问题上,采用简化模型进行端口布置优化设计,同时对于立管数目较多时,提出将立管进行分组计算的方法,在保证结果正确性的基础上提高计算的快速性。将计算结果与lingo软件计算结果进行了对比,证实了方法的有效性。

上凸型内孤立波场中顶张力立管极值响应分析

为研究上凸型内孤立波作用下立管的响应问题,建立了顶张力立管在上凸型内孤立波场中的运动方程,流体作用力通过Morison方程求解,上凸型内孤立波引起的速度和加速度用两层流体KdV方程计算;采用有限元法离散控制方程,并用Newmark-β法在时域内求解。通过数值模拟探索上凸型内孤立波作用下顶张力立管的位移、弯矩、应力、顶底端转角等极值响应规律,并分析内孤立波幅值、上下两层流体密度差、顶部张力及壁厚对立管响应的影响。研究结果表明,上凸型内孤立波会引起顶张力立管的位移、弯矩、应力及顶底端转角显著增大;由于上凸型内孤立波引起的海水剪切作用剧烈,导致上下两层流体中立管位移反向。