硬悬挂钻井隔水管涡激振动特性研究

针对深水钻井过程中遭遇强台风,基于安全性考虑要求钻井平台悬挂隔水管提前撤离的问题,采用软件SHEAR7针对HYSY981钻井平台硬悬挂隔水管系统避台风撤离作业过程中,受南海一年一遇海流作用时诱发涡激振动(VIV)的情况,研究航速与悬挂长度对VIV特性的影响。研究表明,浮力块覆盖率越高,隔水管系统张力越小;浮力块分布对隔水管系统VIV响应影响较大,25%交错布置方案VIV响应最弱。隔水管并非越短越好,要综合考虑洋流剖面、隔水管配置和平台航行的影响;在不同悬挂长度及航行条件下的VIV响应,在撤离作业前应尽量避免在高流速区布置浮力单根,撤离作业时应尽量采用顺流而避免平台逆流航向。     

海洋温差能发电装置中冷水管动力性能分析

不考虑波浪、海流以及平台运动的作用,研究管内流动对冷水管动力性能的影响。基于悬臂输液管道梁模型,通过轴向流速比α、流速角比ψ和切向流速比φ三个进流口流场参数描述自由端边界条件,获得冷水管在内流作用下的控制方程。从流体动力项对管道做功的角度分析发现,φ对管道失稳的临界流速有很大的影响,并且φ=0被认为是对进流口流场的正确描述;然而,通过Galerkin法分析发现,φ=0的进流口流场模型不能解释进流口压降Δp对动态失稳基本没有影响的试验现象。相反,φ≠0的进流口流场模型在使得进流口压降Δp的影响几乎为零的同时,还能够获得较大的临界流速,与Kuiper观察的试验现象相符。切向流速比φ的正确评估是准确预测临界流速的前提条件。     

深海吸力锚承载特性与稳定性研究

深海吸力锚基础的极限承载能力是海洋工程结构设计中的一个关键问题.基于Coulomb摩擦对原理,给出了一种精确模拟吸力锚承载能力的有限元模型.在该数值模型基础上,利用通用有限元分析软件ABAQUS研究系泊点位置对吸力锚极限承载力的影响,并给出深海吸力锚失稳模式.结果表明,系泊点位置极大地影响着吸力锚的极限承载力与稳定性,系泊点位置的变化会导致吸力锚出现前倾转动、平移滑动和后仰转动失稳模式.当系泊点位置在吸力锚入泥深度3/5左右处,更能发挥深海吸力锚的承载能力.     

平台运动下悬垂立管动力响应及疲劳损伤特性试验研究

悬垂立管因其经济性被广泛应用在深海油气开发中。悬垂立管在顶端平台运动作用下,会不断产生横流向以及顺流向动力响应,循环累积造成疲劳损伤。为了研究悬垂立管在平台运动作用下的疲劳损伤特性,开展了大尺度悬垂立管模型试验。采用小波分析、模态分析、雨流计数法等方法处理分析试验数据。分析平台运动下无内流作用下大尺度悬垂立管动力响应及疲劳损伤特性,发现横流向弯曲应变结果较为复杂,局部呈现行波特性,主导频率具有时变性。相比之下,顺流向弯曲应变结果比较有规律性,整体呈现行波特性,主导频率不具有时变性,并始终保持与顶端平台运动频率相同。平台运动引发的悬垂立管涡激振动疲劳损伤和KC数有关。各点面内疲劳损伤值延管长分布趋势和面内应变RMS延管长分布趋势相似。横流向(CF方向)的疲劳损伤的数量级为顺流向(IL方向)的10-2倍左右。     

深海浮式结构物锚泊阻尼参数研究

阐述了锚泊阻尼定义以及当前各种研究方法,选取一组用于实际工程中的锚泊线参数.通过改变预张力、振幅、振荡频率、轴向刚度、法向拖曳力系数和表面流速等参数,研究各参数对锚泊水平阻尼及垂向阻尼的影响.为使研究一般化,文中锚泊阻尼以及预张力等参数采取无量纲形式.     

深海下储油器系统的压力补偿动态特性研究

对深海3 000m液压源储油器,采用兼具压力补偿和体积补偿的胶囊作为其压力补偿器.针对动态运行时可能存在的补偿量不足的问题,提出了储油器系统不失稳时的压力动态补偿设计准则,然后择选一组优化参数设计出储油器系统样机,分别完成在模拟执行元件和环境压力变化时的高压舱下的实验测试,结果表明在两种变工况下储油器内压力均能很好地跟随环境压力的变化,验证了该结构及其设计准则是合理的,为水下液压源储油器系统的压力自平衡设计及可靠运行提供了相应的理论依据和技术支撑.     

深海能源土含气储层力学特性三轴试验研究

为研究深海能源土在负压开采过程中含气储层的力学特性,基于含气土赋存理论,提出一种能够控制含气量及气泡大小的制样方法,通过GDS标准应力路径三轴试验系统,开展深海能源土含气储层的固结排水试验研究,分析深海能源土在不同黏土含量及不同含气量下的力学响应规律。研究结果表明：围压变化对深海能源土含气储层的抗剪强度峰值大小影响显著,围压越大抗剪强度峰值越高;黏土含量是决定应力应变曲线变化趋势的关键影响因素,黏土含量越高试样抗剪强度越低,试样抵抗应变软化效应的能力越强;含气土比饱和土体承载能力更低,且承载能力随含气量的增大呈衰减趋势;黏土含量和含气量是深海能源土含气储层抗剪强度指标的重要影响因素,黏土含量、含气量越高,土体自身的总抗剪强度值越低。     

渤海冰期溢油特性变化规律研究

当溢油事件发生在有冰覆盖海域时,海面油膜的各项特性的变化规律将发生显著变化。针对这一问题,采用室内试验的方法对渤海可能发生的冰期溢油事件进行了模拟,重点针对溢油在有冰覆盖海面上的特性变化进行了详细观测,并依据观测数据对相关变化规律进行了探讨。试验中分别对轻质原油和重质原油试样进行了测试,并针对渤海常年遇冰条件进行了模拟。试验内容包括:油膜厚度、油膜蒸发率以及乳化黏度在不同冰块覆盖率下随时间的变化情况。试验测试结果表明,溢油的各项风化进程均将受到海冰的影响。     

考虑浮体升沉及张紧环运动深海立管固有振动特性研究

研究深海顶张力立管(TTR)的固有振动特性。通过考虑两种不同的分析模型,研究沿水深变化的轴力以及张紧环运动对于立管固有振动频率和振型的影响。考虑立管顶端动边界条件及立管轴力随水深变化,提出了计算深水顶张力立管固有振动频率的方法,给出考虑浮体升沉及张紧环运动时顶张力立管的固有振动特性。结果表明,考虑变轴力和张紧环的影响是计算立管固有频率需要考虑的;立管浮体的运动,导致立管频率显著变化,从而改变立管的共振特性。     

大型涉水群桩桥基局部冲刷特性试验研究

利用正态宽水槽研究梅花形大型涉水群桩基础的局部冲刷特性,得到最大冲深、最深点位置以及桩群内垂向和顺水向的冲刷形态,并与常规形群桩布置引起的冲刷进行了试验对比.其中梅花形群桩局部冲刷的特性和试验结果在苏通长江大桥建设中得到较好地验证.     

Experimental study and numerical simulation on vortex-induced vibration of flexible riser

In order to study the effect of internal flow on vortex-induced vibration of flexible riser, the experiment on the vortex-induced vibration of flexible riser transporting fluid in the current was conducted in the physical oceanography laboratory of Ocean University of China. Considering the internal flowing fluid and external marine environment, the dynamic response of the flexible riser was measured. The corresponding numerical simulation was performed using the wake oscillatory model considering the extensibility of the riser system. Both the experiment and the numerical simulation indicated that with the increase of internal flow speed, the response amplitude increases, while the response frequency decreases.     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

大长细比柔性杆件涡激振动实验

涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)是导致深海细长柔性立管发生疲劳破坏的重要因素。采用实验观测手段研究了长细比为1 750的柔性立管多模态涡激振动特性。实验中,通过采用拖车拖拉立管模型在水池中匀速行进来模拟均匀流作用下的涡激振动响应。利用光纤光栅传感器测量立管模型在横流向(cross-flow,CF)和顺流向(in-line,IL)的应变,进而通过模态分解的方法,获得立管模型涡激振动的位移。在此基础上,研究了CF以及IL方向的响应频率、位移标准差的平均值和最大值等随流速的变化规律,并分析了立管模型上测点的运动轨迹及其影响因素。     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

弯曲柔性立管举升气液两相流时的流固耦合效应研究

海洋油气混输时,气液两相流与混输立管之间的双向流固耦合作用机理十分复杂.针对柔性立管与气液两相流的流固耦合响应问题,在气液两相循环试验装置中开展了不同流型两相流流动特性及柔性立管振动响应的测试,利用高速摄像非介入测试技术同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的流型演变过程,对比了不同流型气液两相流诱导的立管振动响应特性,通过对比固定和振动立管内的气液两相流动特性,辨析了振动对管内两相流动的影响.结果表明:柔性立管中出现了泡状流、泡状—段塞流、段塞流、段塞—搅拌流和搅拌流五种流型,不同流型的气液两相流诱导立管振动的机理不同,在段塞—搅拌流作用时立管的振动响应最剧烈.与固定立管相比,强烈的振动不同程度地改变了气液两相流的流动特性,振动立管中部分两相流流型转变的临界条件有明显地调整,相对而言,振动对搅拌流和泡状流的影响较小.     

舟山LNG取水流道泥沙淤积试验研究

液化天然气(LNG)接收站取水流道内水流形态十分复杂,泥沙淤积问题往往难以避免,特别是在含沙量较高水域,流道内回淤泥沙可能威胁接收站的正常运营。结合现场实测资料,建立取水泵站流道内泥沙物理模型试验,模拟了位于含沙量较高海域的舟山LNG取水流道内泥沙淤积强度及其分布特征。研究结果表明,取水泵站内主要淤积部位发生在前池、过滤池末端、吸水间进口和中部以及应急消防泵附近。在LNG运营和停机期间,消防泵和位于吸水间的海水泵均有埋淤风险。结合试验结果和周边已运营LNG取水泵站泥沙淤积及清淤情况,建议在关注区设立射流冲刷装置,可减少人工清淤频次,提高取水安全保证率,从而增加运营效益。     

非黏结柔性立管疲劳损伤特性分析

对柔性立管的疲劳损伤特性进行分析,探究抗拉层与抗压层的疲劳特性,并分析弯曲加强器的存在与否对柔性立管疲劳损伤的影响。研究表明:柔性立管最内层抗拉层上的疲劳损伤最大,从内到外,抗拉层的疲劳损伤依次减小;抗压层受到的疲劳损伤远小于抗拉层的疲劳损伤;弯曲加强器的存在可以减小立管的疲劳损伤,并改变抗拉层疲劳危险点的位置。     

平台运动下深水钻井隔水管非线性动力响应研究

建立深水钻井隔水管在波、流和平台运动的联合作用下的运动方程,模拟1 000 m深水钻井隔水管的非线性动力响应.分析在波、流作用下钻井液密度和顶部张力比等因素对隔水管振动频率的影响,研究平台的静偏移和动态运动对隔水管最大弯矩分布的影响.结果表明,平台运动对深水钻井隔水管的动力响应有较大影响,使隔水管上部最大弯矩峰值增加了1倍多.     

Experimental investigation of the effects of the coverage of helical strakes on the vortex-induced vibration response of a flexible riser

The effects of different helical strake coverage on the vortex-induced vibration (VIV) of a model flexible riser were studied experimentally, with the aim of further improving the understanding of VIV responses. Uniform and linearly sheared currents were simulated to study response parameters such as non-dimensional displacement, fatigue damage, suppression efficiency, and the comprehensive evaluation is further studied. Test results of the bare model for a uniform current showed that the behavior of both the standing wave and traveling wave dominated VIV displacement. However, for a linearly sheared current, traveling wave behavior dominated VIV displacement in the high-velocity range. The results of the straked model tests indicated that the response was strongly dependent upon the amount of coverage of helical strakes. The flexible riser with 75% strake coverage gave the best comprehensive evaluation in a uniform current, and 50% strake coverage gave the best comprehensive evaluation in a linearly sheared current.