海洋立管涡激振动及抑振技术的实验研究

论文摘要

海洋立管是连接海面和海底井口的主要连接件,既可用于海洋平台,也可用于钻探船舶或采油船。海洋立管是海洋钻探和生产中不可或缺的重要元件,其内部一般有钻探泥浆或高压油气通过,外部则承受波浪、海流、冰以及船体运动等引起的荷载。当海流流经立管时,在一定的流速下会产生旋涡脱落,使立管发生涡激振动,当旋涡脱落频率与海洋立管自振频率接近时,振动会迫使旋涡脱落频率固定在结构自振频率附近,发生频率锁定（lock-in）现象,引起强烈的立管振动,加剧立管的疲劳破坏。当内流流经挠曲的立管时,由于管道曲率的变化和管道的横向振动,流体发生加速,这些加速的力会反过来作用在管道上,引起管道的附加振动。顶张力的变化,会改变立管的结构刚度,进而改变立管的振动特性。研究内流和顶张力对立管动力特性的影响,有利于更加深入的了解立管的振动特性。另一方面,有效的抑振方案可以明显抑制立管的涡激振动,提高立管的疲劳寿命,因此,研究有效的抑振措施,具有很大的工程应用价值。本文以有机玻璃作为模型材料,在风-浪-流联合作用水槽中分别进行了裸管实验和抑振管实验。裸管实验考虑了内流、顶张力及外流环境的变化,抑振管实验则对比了五种不同抑振形式的抑振效果。经分析,随着内流流速的增加,立管的振动幅值增加,频率降低,当外流速较大时,内流作用不明显;顶张力增加会明显提高立管的振动频率,而振幅降低;单螺旋、双螺旋和三螺旋月牙抑振装置均能起到很好的抑振效果,可明显减小立管振动;月牙八字形抑振装置也能起到较好的抑振效果,且基本不改变立管迎水面积。根据实验结果和已有成果,本文还对海洋立管设计规范中的相应内容提出了修改建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 关于海洋立管的涡激振动
• 1.2.2 关于海洋立管的抑振措施
• 1.2.3 关于规范的研究
• 1.3 本文的主要工作
• 2. 荷载及涡激振动理论
• 2.1 荷载
• 2.1.1 工作荷载
• 2.1.2 环境荷载
• 2.1.3 偶然荷载
• 2.2 涡激振动理论
• 2.2.1 描述涡激振动的几个参数
• 2.2.2 旋涡形成及发放机理
• 2.2.3 尾流区特征
• 2.2.4 关于涡激振动
• 2.3 抑振理论
• 2.3.1 改变立管性能
• 2.3.2 改变流场
• 3. 海洋立管涡激振动及抑振实验
• 3.1 模型及抑振装置设计
• 3.1.1 裸管模型
• 3.1.2 抑振管
• 3.2 实验条件及设备
• 3.2.1 实验水槽
• 3.2.2 多普勒测速系统
• 3.2.3 模型固定支架
• 3.2.4 施加内流设备
• 3.2.5 顶张力施加设备
• 3.2.6 数据采集系统
• 3.3 实验方法及目的
• 3.3.1 裸管实验
• 3.3.2 抑振管实验
• 3.3.3 实验目的
• 4. 实验数据分析
• 4.1 数据分析方法
• 4.1.1 幅值域分析法
• 4.1.2 离散傅里叶变换（DFT）
• 4.1.3 快速傅里叶变换（FFT）
• 4.1.4 功率谱密度（PSD）
• 4.2 裸管实验及分析
• 4.2.1 立管动力特性分析
• 4.2.2 内流对立管动力特性的影响
• 4.2.3 顶张力对立管动力特性的影响
• 4.3 抑振实验及分析
• 4.3.1 动力特性分析
• 4.3.2 抑振效果分析
• 4.4 实验小结
• 5. 关于海洋立管设计标准的分析和探讨
• 5.1 设计标准中对内流的描述
• 5.1.1 API RP 2RD（1998）中关于内流的描述
• 5.1.2 DNV-OS-F201（2001）中关于内流的描述
• 5.1.3 两个标准的对比
• 5.2 与研究成果的比较分析
• 5.2.1 与理论研究成果的比较
• 5.2.2 与实验研究成果的比较
• 5.3 改进建议
• 5.4 说明
• 6. 结论
• 6.1 本文结论
• 6.2 实验不足及改进建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文