深水钻井隔水管柱自激振动响应分析

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深水钻井隔水管脱开模式下纵向动态行为研究

ｑｎｃｆｒｓｒｖｉｒｔｄｉｒｅｗａｏｎｔｄｉａｌｓｆｎｄｕｓｎｕｎｄｒｏｉｉｎｂｙｎｕｅｙｏｉｅｂａｅｎｆｅｙｌｇｉｕｎｌｙｗａｏｕｉｇｂｏａｙｃｎｄｔｏｕｍｅｉａｔｒｃｌｍｅｈ— ｏＡｙｍｉｏｄｏｉｅｓｃｌｕａｅｏｉｒｎｇｄｎａｃｍａｎｉｙｉｇｆｃｏｒＲｅｕｔｈｏｔａｒｖｉｙｄ．ｄｎａｃｌａｆｒｓｒｗａａｃｌｔｄｃｎｓｄｅｉｙｍｉｇｆｎａｔ．ｓｌｓｓｗｈｔｇａｔ
第３８卷第４期２）０年７月（１
石
油
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技
术
ＶＯ１．３８ＮＯ．４
ＰＩ）ＥＵＭＤＲＵＩＩ；ｒＣＨＮ１ＥＲ（ＩＮ（ＥＱＵＥＳ
＿Ｌ．，Ｉ１２０ｌＪ０
“ ６ ” 划专栏８３计
ｄｉ１．９９ｊｉｓ．０１０９．０００．０ｏ：０３６／．ｓｎ１０ — ８０２１．４０２
隔水管纵向振动波动方程。把隔水管的纵向振动视为自由振动，据边界条件，用数值方法，出了隔水管纵向根利求
自由振动的固有频率。考虑动态放大系数计算了隔水管的动态载荷。计算结果表明，水管的自身重量影响其纵隔向振动的固有频率和动态载荷，根据此提出了避免隔水管与波浪发生共振，少其动态栽荷的方法。并减

深水钻井隔水管-防台风悬挂系统耦合动力响应机理与控制策略

深水钻井隔水管-防台风悬挂系统的耦合动力响应机理是一个相对复杂的过程，但可以通过一些关键要素来理解。

首先，该系统是基于深海油气开发环境条件设计的，特别是针对台风等恶劣海况。

悬挂隔水管可以适应极端海洋环境条件，这是通过在线监测悬挂钻井隔水管水下装备载荷和运动状态来实现的。

这样，可以及时掌握系统的安全状态，从而采取相应的控制措施。

在恶劣环境条件下，隔水管可能会受到强烈的动载荷作用。

为了降低这种动态载荷，提高隔水管在台风等极端工况下的安全性，研制团队创新性地设计了一套主动节流动载控制液压系统。

这种系统可以有效控制隔水管的动态响应，降低其受到的应力，从而防止可能的损坏。

深水钻井隔水管-防台风悬挂系统的控制策略主要依赖于实时监测和主动控制。

通过实时监测，可以及时了解隔水管的运动状态和载荷情况，这是制定有效控制策略的基础。

主动控制则通过调节液压系统的参数，实现对隔水管动态响应的精确控制。

这种控制策略不仅可以提高隔水管的安全性，还可以优化整个钻井作业的效率。

此外，该系统装备可大大提高深海浮式钻井平台及隔水管系统对台风等恶劣海况的应对能力。

它能够在水深为1000至3000米的深海钻井作业中发挥作用，提供更长的井筒处置时间，提高钻井水下设备的安全性。

在遭遇台风等恶劣海况时，该系统可以显著降低深海油气田开发成本，并有望带动我国深海油气大型高端装备的发展。

总的来说，深水钻井隔水管-防台风悬挂系统的耦合动力响应机理与控制策略是一个综合性的研究领域，涉及海洋工程、机械工程、控制工程等多个学科。

通过不断的研究和创新，我们可以进一步提高该系统的性能和可靠性，为深海油气开发提供更有力的技术支持。

深水钻井隔水管动力特性及涡激振动响应实验与理论

在深水钻井过程中，隔水管能够承受高水压、抵抗外部扰动、保持结构稳定，是保障钻井作业顺利进行的关键因素。
由于深海环境的复杂性和不确定性，隔水管的性能和质量对于整个钻井作业的成败具有至关重要的影响。
深水钻井隔水管的背景和历史
深水钻井技术是随着石油工业的发展而逐步发展起来的，隔水管作为其中的重要设备之一，也经历了从传统材料到高性能材料、从简单结构到复杂结构的演变过程。
涡激振动理论
当流体流经隔水管时，可能会产生涡旋脱落，进而引发隔水管的振动。涡激振动理论可以预测这种振动行为的频率和幅度。
数值模拟方法
通过数值模拟，可以对基于流体动力学的理论模型进行求解，预测隔水管的动力特性及涡激振动响应。
基于结构动力学的理论模型
结构动力学基础
深水钻井隔水管具有复杂的结构，包括管体、加强筋和连接部分等。基于结构动力学的理论模型可以描述这些结构的振动特性和响应。
03
涡激振动响应实验
实验设计
实验目的
研究深水钻井隔水管的涡激振动响应特性，探究不同因素对振动响应的影响，为优化隔水
管设计提供依据。
实验模型
根据实际隔水管尺寸和结构，设计制作一定比例的简化模型流等自然环境条件下的深水海域进行模拟实验。
实验过程和数据分析
设计参数对动力特性的影响
风浪流等环境条件
01
风浪流等环境条件对隔水管的动力特性产生显著影响，包括频
率、振幅和相位等参数。
隔水管结构形式
02
不同结构形式的隔水管具有不同的动力特性，如柔性隔水管具
有较好的频率响应，刚性隔水管则具有较好的振幅响应。
连接方式与接头类型
03
连接方式与接头类型对隔水管的固有频率和阻尼比等动力特性

深水自升式钻井平台动静响应分析及疲劳寿命预测

深水自升式钻井平台动静响应分析及疲劳寿命预测一、引言深水自升式钻井平台是一种高度集成化和自动化的海洋工程设备，具有较强的在深水环境下进行海洋石油勘探和开发的能力。

深水自升式钻井平台平台静角响应、动态响应和疲劳寿命预测是平台设计和安全运行的关键问题之一，本文着重探讨动静响应分析及疲劳寿命预测。

二、动静响应分析动静响应是深水自升式钻井平台设计和运行过程中需要重视的重要问题。

平台的静响应指平台在不受到任何外界力的作用下所发生的形变；平台的动态响应指平台在受到外界力的作用下所发生的变形和震动。

对于平台的动静响应分析，可以通过有限元方法进行仿真模拟分析，同时考虑海浪和风载荷，得出平台的动静响应特征。

三、疲劳寿命预测疲劳问题是平台设计和运营过程中的另一个重要问题。

深水自升式钻井平台长时间处于海洋环境中，会受到海浪、风、潮流等各种外界环境因素的影响，长期以来会引起平台材料的疲劳损伤。

疲劳寿命预测可以根据平台的载荷情况、材料强度和裂纹扩展等因素，对平台的疲劳寿命进行预测。

预测平台疲劳寿命对于平台的安全运营和维护具有重要意义。

四、结论深水自升式钻井平台具有强大的在深水环境下进行海洋石油勘探和开发的能力，在设计和运行过程中需要注意动静响应和疲劳问题。

通过动静响应分析和疲劳寿命预测，可以为深水自升式钻井平台的安全运营提供重要的技术支持。

在平台的设计中需要注意平台结构的稳定性和疲劳寿命预测等问题，确保平台的顺利运作。

在深水自升式钻井平台的动静响应和疲劳寿命预测中，需要考虑以下相关数据：1.颠簸指数颠簸指数是指平台在海面上的运动量，也称为六自由度运动抖振指数。

通常情况下，设计要求颠簸指数不应超过3-4。

如果颠簸指数较高，则需要加强平台结构的稳定性。

2.载荷载荷包括风载荷、海浪载荷等，是平台受力的主要来源。

需要对平台的各个部位进行载荷分析，得出最大载荷和平均载荷。

通过载荷分析可以指导平台结构的设计和优化。

3.材料强度平台结构材料强度是平台疲劳寿命预测的重要因素之一。

深水钻井隔水管＂三分之一效应＂的发现——基于海流作用下深水钻井隔水管变形特性理论及实验的研究

周守为刘清友姜伟毛良杰杨秀夫刘正礼
王国荣黄鑫石晓兵付强柳军
（１．中国海洋石油总公司；２西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室）
摘要深水钻井隔水管是连接平台和水下井口的关键设施，其在海水中既受到海流等海洋环境的影响，同时也受到各种深水钻井Ｚ－．程因素的影响。深水钻井隔水管的受力和变形规律
深海环境中海流类型大多为剪切流，因此研究真实剪切海流作用下隔水管的形变特性将对隔水管的设计、张紧力的优化、浮力块的配置、钻井参数的
优选等具有更加重要的指导意义。笔者以理论模型
是均匀来流下的立管涡激振动特性，且没有考虑钻井工况。此外，国外学者采用最小势能原理，通过建
管形变特性研究，在实验研究中以“ 海洋石油９８１ ”
＊国家自然科学基金 “ 基于钻井系统动力学的深海钻井升沉补偿系统机理研究（编号：５１２７４１７１） ” 、国家科技重大专项 “ 大型油气田及煤层气开发——海洋深水工程重大装备及配套工程技术（编号：２００８ＺＸ０５０２７、２０１１ＺＸ０５０２７） ” 部分研究成果。第一作者简介：周守为，男，中国工程院院士，教授级高级工程师，海洋石油开发工程专家。

深水钻井隔水管涡激振动预报及抑制关键技术创新与应用

深水钻井隔水管涡激振动预报及抑制关键技术创新与应用深水钻井隔水管涡激振动预报及抑制技术，这听起来像是一门高深莫测的学问对吧？但别急，我们一起来聊聊这个问题，看看它究竟是怎么回事，为什么又这么重要。

想象一下，你站在海边，看到那些巨大的钻井平台在海上漂浮，远远望去就像一座座小岛。

那里面的钻井设备可不是简单的东西，它们正在进行的，正是深水钻井作业，虽然看起来很平静，背后却有着千层浪。

你可能会问，这些平台上到底发生了什么？怎么和“涡激振动”扯上关系了呢？别急，我们慢慢来。

深水钻井可不是玩笑。

它是在几百米、上千米的海水下进行的作业，钻井平台就像是悬浮在水面上的“巨大浮筒”。

为了支撑这些平台稳定，平台上的设备都需要一种叫“隔水管”的东西。

隔水管就像一个长长的管道，穿过海水，从平台到海底，连接着钻井工具和平台上的设备。

这个东西看似简单，实际上却隐藏着一个大麻烦——涡激振动。

涡激振动是什么？用通俗的话说，就是水流过隔水管时，水流会在管子周围产生涡流，这些涡流会像顽皮的孩子一样，一阵风吹来就跟着管子摇晃，造成不小的震动。

你想象一下，水流一波接一波地“拍打”着隔水管，久而久之，这些振动就会传递到平台上，影响钻井作业的精度和安全性，甚至可能导致一些设备损坏。

问题来了，咱们怎么解决这个问题？怎么让这些涡流不再像个捣蛋鬼一样对设备进行“骚扰”呢？我们得从预报开始，了解这些涡激振动什么时候、以什么样的频率来袭，怎么预测这些振动的变化。

就像是打台风预报一样，搞清楚了风的方向和强度，你才能做好防范措施。

为了预测这些振动，科学家们运用了先进的数学模型和计算机模拟技术，通过海水流速、管道形状、海洋环境等多种因素的综合分析，建立了一个比较准确的涡激振动预报系统。

通过这个系统，操作人员可以在钻井作业之前就预测到涡激振动的发生时机和强度，然后提前做出调整。

预报只是第一步，接下来就得想办法抑制这些涡激振动了。

要知道，涡激振动是一种比较复杂的现象，解决起来也不是一蹴而就的事儿。

基于有限元的深水隔水管涡激振动分析

基于有限元的深水隔水管涡激振动分析沈国华;王儒朋【摘要】深水隔水管是深海石油钻采作业中的一项关键装备,其技术与产品一直被国外专业公司所垄断,国内尚无国产化产品成功应用的案例.在工程现场应用过程中,涡激振动是导致隔水管疲劳损伤乃至井口破坏严重的主要原因之一.采用有限元分析方法,模拟深水隔水管在深海环境下的工作状态,结合控制变量法,应用模态分析和涡激振动理论,分析了涡激振动对深水隔水管强度和疲劳寿命的影响,并且从理论上给出了降低隔水管疲劳破坏的方法和建议.【期刊名称】《天津科技》【年(卷),期】2018(045)003【总页数】3页(P43-45)【关键词】有限元;深水隔水管;模态分析;涡激振动【作者】沈国华;王儒朋【作者单位】中海油能源发展装备技术有限公司天津300452;中海油能源发展装备技术有限公司天津300452【正文语种】中文【中图分类】TE9510 引言随着海洋石油的勘探和开发逐渐进军深水领域，深水钻井船和平台的使用量也将不断增长。

隔水管作为水下井口和钻井平台之间的重要部件，其主要功能是隔离海水、引导钻具、循环钻井液等[1]。

在海水流经隔水管时，可能产生周期性的振动，即涡激振动，易导致隔水管疲劳损伤乃至井口破坏等严重后果[2]。

在深水海域，由于隔水管泥线以上长度的增加，隔水管相对刚度降低，海流对钻井隔水管强度和稳定性影响加剧。

当隔水管的固有频率与海流产生的涡激频率相近时，将导致隔水管振幅加大[3]，因此，对深水隔水管进行模态分析是对涡激振动开展研究的第一步。

本文采用有限元分析软件ANSYS对深水隔水管的模态进行分析，进而对涡激振动开展研究并得出结论，将有助于在施工中选择合理的入泥深度和隔水管尺寸，为工程上的应用提供理论支撑和科学依据。

1 深水隔水管有限元分析的基本假设由于隔水管在深水条件下受力情况复杂，在建立模型之前，有必要做出一些假设：隔水管不考虑压井、阻流线等影响，认为均质、各向同性、线弹性材料；隔水管简支，上端与浮式钻井装置相连；自重、外载作用下属于小应变大变形问题，不考虑连接处的影响；管内充满钻井液，不考虑钻柱对隔水管抗弯刚度的影响；洋流力、波浪力作用在同一平面内，即假设隔水管受力为最危险的情况。

辅助管线对深水钻井隔水管涡激振动影响分析

关键
０引言
随着海洋油气勘探开发进入深水和超深水领域，钻井隔水管作业遭遇高流速海流的几率大大增加，由此引起的隔水管ＶＩＶ疲劳问题更加严重…。若在流速较大的海面附近布置浮力块，显著增大的拖曳力外径将导致隔水管产生大的弯曲应力和横向变形Ｌ，对于钻井操作非常不利，同时也会引起更２Ｊ剧烈的隔水管系统涡激振动，从而减小隔水管的疲劳寿命，因此深水钻井隔水管系统上部需要配置隔
辅助管线对深水钻井隔水管涡激振动影响分析
殷志明鞠少栋，，陈国明，畅元江
（．中海油研究总院，北京，００７；．中国石油大学（１１０２２华东）海洋油气装备与安全技术研究中心，东营２７６）５０１
摘
要
基于Ｒ－湍流模型与动网格技术，针对钻井隔水管在海洋环境中的实际雷诺数范围，考虑辅助管线ＮＧｋｅ的作用对管柱涡激振动进行数值模拟，研究带辅助管线的深水钻井隔水管涡激振动响应特性，并与单个圆
ｋ（）＝＋
体中的固有频率；为振子的结构阻尼比；凡为作用在管柱上的升力。
ｆ３１
式中，ｍ为管柱质量：ｍＡ为流体附加质量；ｃ、ｋ分别为振子的阻尼系数与刚度系数；（ＯＤ为振子在流
图３弹黄振子模型
（０Ｘ００６０１２ｌＺ５２－０）１－
５２卷
增刊２
殷志明，等：辅助管线对深水钻井隔水管涡激振动影响分析

钻井液中钻柱振动分析

第３９卷第１期
２０１７年１月
能源与环保
ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
Ｖ０ｌ＿３９Ｎｏ．１
Ｊａｎ．
２０１７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｒｉｌｌｉｎｇｓｔｉｒｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｄｉｒｌｌｉｎｇｌｆｕｉｄｈａｓｂｅｅｎａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄｉｎｄｉｌｒｌｉｎｇ，ｉｔｗｉｌｌｃａｕｓｅｔｈｅｄｉｒｌｌｓｔｉｒｎｇｆａ — ｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ，ｒｅｄｕｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｌｉｆｅ，ｂｕｔｌｓａｏｗｉｌｌｂｉｎｒｇｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄｂｅｎｅｉｆｔｓｔｏｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎｎａｋｅｄｗｅｌｌｓ，ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｕｅｔｏｖｉ — ｂｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｒｌｌｓｔｉｎｒｇａｎｄｗｅｌｌｂｏｒｅｗｉｌｌｅｎｌａｒｇｅｂｏｒｅｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ｏｒｃａｎｆｏｒｍｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｈｏｌｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｒｉｎｇｇｒｅａｔｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｎｌａｔｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎ．Ｂｕｔｉｎｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎｏｒｌａｒｇｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｗｅｌｌｓａｎｄｗｅｌｌｓｗｉｔｈｌａｒｇｅｉｎ — ｃｌｉｎｅｄａｎｇｌｅ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｌｒｌｉｎｇｓｔｉｎｒｇｃａｎｐｒｏｐｅｒｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｂｏｔｔｏｍｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｉｒｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｌｓｏｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｈｏｌｅｃｌｅａｎｉｎｇ，ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｇｒｉｔａｎｄａｖｏｉｄａｌｏｔｏｆｃｏｍｐｌｅｘａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｒｌｌｓｔｉｎｒｇｉｎｔｈｅｗｅｌｌｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔ，ｔｈｅｖｉｓｃｏｕｓｄａｍｐｉｎｇｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒｌａｒｅｆｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｅｘ — ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｃａ￣ｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｌｓｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄａｌｓｏｈａｓａｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅｆｏｒｆｕｔｕｒｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎ．

钻井平台隔水管地震响应分析

钻井平台隔水管地震响应分析随着海洋石油工业的不断发展，隔水管已成为钻井平台的必备设备。

在抗震设计中最常用的振型分解反应谱法的基础上，对钻井平台隔水管的地震响应进行了理论分析，把离散系统的有关抗震计算公式推广到隔水管连续系统。

分析计算了地震发生时隔水管所受的地震作用力，推导出了隔水管在地震作用下每个横截面上的剪力、弯矩和弯曲变形计算公式，为隔水管考虑地震作用时的工程设计提供一定的理论参考。

标签：钻井平台；隔水管；地震响应；反应谱法钻井平台隔水管是浮式钻井船或半潜式钻井平台的水下装置之一，主要功能是隔离海水、引导钻具和循环钻井液。

目前国内外很多学者对隔水管的静力学、动力学和疲劳问题进行了很多研究[1-4]，但尚未看到对隔水管在地震作用下的力学行为进行分析的有关文献。

由于我国沿海地区处于地震活跃区域，因此对海洋钻井隔水管进行抗震设计就显得非常必要。

隔水管所受的地震作用是通过海底地面运动而将地震力传给隔水管，它与隔水管的动力学特性直接相关而且与具体的海底场地类型有关。

采用抗震分析应用广泛的振型分解反应谱法分析计算地震发生时隔水管所受的地震力，导出了隔水管在地震作用下每个横截面上的剪力、弯矩和弯曲变形计算公式，为隔水管考虑地震作用时的工程设计提供一定的理论参考。

1 隔水管动力学特性4 地震作用力引起的隔水管总内力和总弯曲变形根据振型分解法，隔水管在任一时刻所受到的地震作用为该时刻各振型地震作用之和，并且所求得的相应于各振型的地震作用力Fi（x）均为最大值，依据Fi（x）求得的地震作用引起的隔水管内力和变形也是最大值。

但是，各振型地震作用引起的隔水管内力和变形并非一定同时达到最大值，这就出现了如何利用各振型的最大地震作用内力和变形来总和隔水管总的最大地震作用内力和变形问题。

一般情况下，各个振型在地震总反应中的贡献将随着其频率的增加而迅速减小，所以频率低的几个振型往往控制着结构的最大地震响应。

因此在实际计算中，一般采用前2～3个振型即可。

深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析

◀海洋石油装备▶深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析∗田得强1㊀李中1㊀许亮斌1㊀盛磊祥1㊀樊洪海2㊀李朝玮1㊀王金龙1(1.中海油研究总院有限责任公司㊀2.中国石油大学(北京))田得强,李中,许亮斌,等.深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析.石油机械,2022,50(7):63-71.摘要:当波浪㊁洋流流经钻井隔水管或生产立管时,管体和附近的流体会发生强烈的相互干涉作用,使其振动特征远比单管或者双管情况更为复杂㊂目前针对大雷诺数条件下,实尺寸钻井隔水管和生产立管群之间双自由度耦合干涉振动问题的研究还未见相关报道㊂为此,利用ANSYS-Fluent 平台建立二维实尺寸钻井隔水管和生产立管群数值模型,采用SST k-ω模型和嵌套网格技术对流场域进行求解,并运用四阶Runge-Kutta 法求解多管柱系统动力响应控制方程,通过自编流固耦合求解程序,实现流体与管柱之间相互耦合计算㊂研究结果表明:约化速度对钻井隔水管与生产立管群系统的干涉振动响应影响显著,在实际工程中,可以通过调节钻井隔水管或生产立管顶张力大小等方式改变其固有频率,或调节外形尺寸等方式改变约化速度,从而使管体脱离锁振状态,降低振动幅度;井槽间距的变化对柱群动态干涉响应的影响较小;立管群之间的干涉效应较双立管系统干涉效应有所差别,体现在中心位置的隔水管振动特性介于孤立状态和串列状态之间㊂所得结论可为海洋平台钻井隔水管与生产立管之间的干涉振动分析提供理论依据㊂关键词:钻井隔水管;生产立管群;尾流干涉;横流向;约化速度中图分类号:TE951㊀文献标识码:A㊀DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2022.07.009Interference Vibration Analysis of Drilling Riser-Production Riser Clusters in Deep WaterTian Deqiang 1㊀Li Zhong 1㊀Xu Liangbin 1㊀Sheng Leixiang 1㊀Fan Honghai 2㊀Li Chaowei 1㊀Wang Jinlong 1(OOC Research Institute Co.,Ltd.;2.China University of Petroleum (Beijing ))Abstract :As waves and ocean currents flow through drilling risers or production risers,there will be stronginterference between risers and nearby fluid,resulting in more complicated vibration characteristics than isolatedriser or dual-riser system.There is no relevant report on the research of the two-degree-of-freedom interference vi-bration between full-size drilling riser and production riser clusters under the condition of large Reynolds number.Therefore,the ANSYS-Fluent platform was used to establish a two-dimensional full-size numerical model of drilling riser and production riser clusters,SST k-ωmodel and nested grid technology were used to solve the flow field,and the fourth-order Runge-Kutta method was used to solve the dynamic response control equation of multi-riser system.A self-programmed fluid-solid interaction solution program was used calculate the interference between fluid and ris-ers.The results show that the reduced velocity has a significant influence on the interference vibration response of drilling riser and production riser cluster system.In practice,the vibration amplitude of risers can be reduced by adjusting the top tension of drilling riser or production riser to change its natural frequency or adjusting the dimen-sions of riser to change its reduced velocity so as to make the riser get out of the locked vibration state.The change36 ㊀㊀2022年㊀第50卷㊀第7期石㊀油㊀机㊀械CHINA PETROLEUM MACHINERY㊀㊀㊀㊀㊀㊀∗基金项目:国家自然科学基金青年基金项目导管架平台隔水导管群干涉振动机理与安全控制原理研究 (52004325);中海油有限公司科研项目深水轻型㊁中型修井系统设计与关键技术研究 (YXKY -ZX042020)的部分研究成果㊂of well spacing has little influence on the dynamic interference response of riser clusters.The interference effect be-tween riser clusters is different from that of dual-riser system,and the vibration characteristics of risers in the center are between isolated state and tandem state.The conclusions provide a theoretical basis for interference vibration a-nalysis between drilling riser and production riser of offshore platform.Keywords:drilling riser;production riser cluster;wake interference;flow-induced vibration;cross-flow;re-duced velocity0㊀引㊀言钻井隔水管和生产立管是深水油气钻采的重要附属设备㊂当波浪和洋流流经钻井隔水管或生产立管时,管体由于受到周期性变化的流体力作用,会出现不同程度的流致振动现象[1],长期持续振动会使管体出现疲劳,严重时发生破坏,危及深水油气钻采作业安全[2]㊂此外,由于平台空间有限,立管之间排布紧密,某些生产平台上还同时配备有钻井隔水管系统,使得原本狭窄的空间变得更为紧凑㊂当海流流经间距较小的隔水管和立管束时,管体和附近的流体会发生强烈的相互干涉作用,使其振动特征远比单管或者双管情况复杂㊂从20世纪初开始,学者们就对圆柱绕流干涉问题进行了研究和分析[3-5]㊂M.M.ZDRAVKOVICH 等[6-9]总结了不同时间段内双圆柱绕流问题,并开展了大量试验研究,为该领域的发展奠定了重要理论基础㊂S.MITTAL等[10]采用有限元法分析了雷诺数为100和1000时,串列和错列双圆柱的绕流问题㊂GU Z.F.等[11]采用风洞试验对高亚临界雷诺数下的双圆柱绕流问题进行了研究,得到了不同流向角和间隙比下圆柱上的压力分布情况㊂T.K.PRASANTH等[12]研究了串列圆柱在Re=100时的涡激振动,并对两圆柱在不同约化速度下的振动响应进行了计算分析㊂陈文曲[13]研究了低雷诺数下二维串列和并列双圆柱的绕流和涡激振动问题,分析了圆柱振动对流场涡动力学特性的影响㊂盛磊祥等[14]采用CFD方法研究了不同间距情况下固定的海洋串列立管干涉绕流,重点分析了立管升力系数㊁拖曳力系数及St数的变化规律㊂黄维平等[15]对不同排列方式的两圆柱在Re=200下的涡激振动和流固耦合问题进行了数值模拟研究,发现下游圆柱涡激升力和脉动拖曳力比孤立圆柱体大2~8倍㊂李小超等[16]将上游柱体固定,下游柱体可在横流向自由振动,开展了不同间距比情况下的尾流激振数值模拟㊂总体而言,虽然国内外对圆柱绕流和干涉问题的研究已经取得了较为丰富的成果[17-19],但目前大部分研究都集中在单体涡激振动或双圆柱系统不同排列方式下的绕流干涉等方面,且假设柱体固定或只沿某个方向振动,流固耦合考虑不全面㊂而针对大雷诺数条件下,实尺寸钻井隔水管和生产立管群之间双自由度耦合干涉振动问题的研究还未见有相关报道㊂为此,本文利用ANSYS-Fluent平台建立二维实尺寸的钻井隔水管和生产立管群数值模型,采用SST k-ω模型和嵌套网格技术对流场域进行求解,并运用四阶Runge-Kutta法求解多管柱系统动力响应控制方程,通过自编流固耦合求解程序,实现流体与管柱之间相互耦合计算,以期为海洋平台钻井隔水管与生产立管之间的干涉振动分析提供理论依据㊂1㊀模型建立1.1㊀分析模型为了研究钻井隔水管与生产立管群之间的干涉振动响应特征,建立了如图1所示的分析模型㊂图中,uɕ为来流速度,k为管体刚度系数,c为管体阻尼比,G为两管中心点之间的距离;D p表示生产立管直径,D d表示钻井隔水管直径㊂下标p和d 分别表示生产立管和钻井隔水管㊂生产立管1至生产立管4等间距排列,钻井隔水管位于4根生产立管的中心位置,选取钻井隔水管横截面的圆心位置为系统坐标原点㊂将隔水管和生产立管束简化为质量-弹簧-阻尼系统,使隔水管和生产立管可在横流向和顺流向独立地发生二自由度耦合振动㊂假设来流速度uɕ=0.5m/s,大小和方向不变,通过改变生产立管和钻井隔水管固有频率的方式来调节约化速度U r的大小㊂管体材料均选用X80钢材,密度为7850kg/m3,暂不考虑立管内部管柱和流体产生的影响㊂由于平台空间有限,将立管间距的变化范围限制在(4~6)D p之间㊂1.2㊀动网格划分由于钻井隔水管和生产立管群在流体的作用及流场干涉的影响下会发生耦合振动,且一旦被46 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2022年㊀第50卷㊀第7期图1㊀深水钻井隔水管与相邻生产立管群的干涉振动模型Fig.1㊀Interference vibration model between deepwater drillingriser and adjacent production riser cluster锁振 ,管体振动幅度还会大幅增加㊂本文研究涉及管柱较多,且均为实际尺寸的大直径管柱,在数值模拟过程中若采用常规动网格方式极易出现网格扭曲变形,导致网格质量下降㊂为了保证计算精度和计算效率,本文采用嵌套网格技术研究钻井隔水管与生产立管群干涉振动响应,具备如下优势:①钻井隔水管㊁生产立管以及背景网格单独生成,且可以根据不同情况直接组合使用,简化网格生成工作量;②解除了部件与网格之间在拓扑结构上的约束关系,当多根立管同时运动时,各部件可以独立地在计算域上自由运动,不受网格结构影响,且运动过程中网格不会发生变形㊁扭曲或者出现负体积现象,始终保持较高网格质量㊂图2为钻井隔水管与生产立管群系统嵌套网格划分图㊂图2㊀钻井隔水管与生产立管群系统嵌套网格划分Fig.2㊀Nested grid division of drilling riser and production riser cluster system㊀㊀为减小干涉振动响应的计算结果受流体域边界的影响,需保证尾流区长度大于25D p ,计算域整体高度大于20D p ㊂流体域计算背景网格的整体尺寸设置为30D p ˑ50D p ,采用非均匀结构网格对钻井隔水管和生产立管周边以及尾流泄放区域进行局部加密,以提高计算精度㊂对钻井隔水管和生产立管单独划分组分网格,组分网格整体尺寸设置为4D p ˑ4D p ,且对于近壁区域的第一层网格高度均满足y +ʈ1㊂2㊀计算求解2.1㊀控制方程采用雷诺平均数值模拟法(RANS)研究干涉振动过程中流场域变化,流场域的控制方程为黏性非定常,用涡黏模型求解雷诺应力,得到不可压的雷诺平均N-S 方程,具体如下:56 2022年㊀第50卷㊀第7期田得强,等:深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀u -ix i=0(1)u -it+u -j u -i ()x j=-1ρ p- x i +υ 2u -i x j x j+1ρx j2μt S ij -23ρkδij()(2)式中:u -i ㊁u -j 为雷诺平均速度分量;i ㊁j 为指标记法,i ㊁j =1㊁2,分别表示顺流向和横流向;x i 为流体质点位移分量;t 为时间;ρ为流体密度;p -为平均流体压力;υ表示流体运动黏度系数;S ij =12u -i x j +u -jx i(),为时均应变率张量;μt 为湍流黏度系数;k 为湍流动能;δij 为Kronecker 符号㊂为保证流动控制方程的封闭性,本文采用剪切压力传输SST k-ω湍流模型进行求解㊂由于隔水管和立管束均可独立发生二自由度耦合振动,其截面横流向和顺流向的结构振动控制方程可表示为:[M ]{x ••}+[C ]{x •}+[K ]{x }={F x }(3)[M ]{y ••}+[C ]{y •}+[K ]{y }={F y }(4)式中:[M ]为管柱质量矩阵,[C ]为结构阻尼系数矩阵,[K ]为结构刚度系数矩阵,{x }㊁{y }分别为管体顺流向和横流向位移矩阵,{F x }和{F y }分别为作用在单位长度管体边界上的顺流向和横流向流体力矩阵㊂采用四阶Runge-Kutta 法求解结构控制方程,得到隔水管和生产立管耦合振动时的瞬时位移㊁速度和加速度㊂2.2㊀流固耦合根据流固交界面上流体和结构运动连续性及受力平衡,建立流固耦合方程:u Γ=d s Γd t(5)σS Γ㊃n =σF Γ㊃n(6)式中:u Γ为交界面上流体质点的运动速度,s Γ为结构边界面位移,σS Γ和σFΓ分别为结构和流体边界所受应力,n 为边界面的法向向量㊂当钻井隔水管和生产立管束发生干涉振动时,流固耦合计算流程如图3所示㊂首先基于ANSYS-Fluent 平台利用SST k-ω模型对流场域进行求解;其次计算并获取流体作用在隔水管和立管表面的升力和拖曳力,采用四阶龙格-库塔方法求解结构控制方程,得到管体运动边界位移㊁速度和加速度;再次将管体运动参数传递至流场边界,并通过嵌套动网格技术进行网格迭代更新;最后待整个流场更新完毕后,进入下一个时间步长进行计算㊂图3㊀流固耦合求解流程Fig.3㊀Fluid-solid interaction solution procedure2.3㊀方法验证由于孤立圆柱绕流和涡激振动的研究已经十分成熟,而本文研究涉及的多柱体之间干涉耦合振动与单柱体涡激振动属于同一研究范畴,所以将本文模型和算法计算的单圆柱涡激振动结果与文献中的单圆柱涡激振动试验和数值计算结果[20-22]进行对比验证㊂图4是根据国外试验条件进行模拟计算得到的孤立圆柱涡激振动横向振幅随约化速度U r 的变化曲线㊂图4㊀孤立圆柱涡激振动横向振幅随约化速度的变化曲线Fig.4㊀Variation curve of transverse amplitude of vortex-induced vibration of isolated cylinder with reduced velocity计算中m ∗=3.3,ζ=0.00394,Re =10000,m ∗为质量比,ζ为阻尼比㊂从图4可以看出,本文66 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2022年㊀第50卷㊀第7期的计算结果呈现出了经典的单圆柱涡激振动横向振幅随约化速度变化的三段特征,且计算结果与文献[20-22]结果比较接近,验证了本文数值模型和求解算法的可靠性㊂3㊀计算结果分析本文进行数值模拟计算时选用的钻井隔水管和生产立管束的具体结构参数如表1所示,假设所有生产立管的材料和规格尺寸均保持一致㊂表1㊀生产立管与钻井隔水管结构参数Table 1㊀Structural parameters of3.1.1㊀横流向和顺流向振幅变化为了研究约化速度对管群之间干涉振动响应特性的影响,对初始间距G =5D p 的隔水管和立管群进行模拟计算,计算结果如图5所示㊂从变化趋势来看大致可以将其分为3类:第Ⅰ类为处于上游位置的生产立管1和生产立管3;第Ⅱ类为处于中间位置的钻井隔水管;第Ⅲ类则是处于下游位置的生产立管2和生产立管4㊂立管群之间的干涉效应对第Ⅰ类立管影响很小㊂第Ⅱ类立管处在中央位置,同时受到邻近4根生产立管的干扰,顺流向无量纲振幅变化与第Ⅰ类立管类似,在U r =5时达到阶段性峰值,但要略小于第Ⅰ类立管的峰值,之后随着约化速度的增加而增加;横流向无量纲振幅介于第Ⅰ类和第Ⅲ类立管振幅之间,普遍小于孤立状态时钻井隔水管的横流向振动幅值,最大幅值出现在U r =5时㊂第Ⅲ类立管由于同时位于第Ⅰ类立管和第Ⅱ类立管的下游位置,因此在尾流干涉的作用下,其横流向和顺流向振幅均出现了较大程度的提升㊂3.1.2㊀振动频率比的变化图6描述了钻井隔水管与生产立管群横流向㊁顺流向振动频率比(f y /f n ㊁f x /f n ,其中f y 为横流向振动频率,f x 为顺流向振动频率,f n 为管体固有频率)随约化速度的变化规律㊂管群之间的干涉效应对第Ⅰ类立管的泄涡频率影响较小㊂对于处于中心位置的钻井隔水管,由于受到上游第Ⅰ类立管的干扰,其涡脱频率变化特征不再与孤立钻井隔水管类似,在U r =5时进入锁振区间,而后在U r =9时出现短暂回归之后,其漩涡脱落频率再次被锁定在1.5倍隔水管固有频率附近,出现了频率二次锁定的现象㊂对于处于下游区域的第Ⅲ类立管,其涡脱频率呈现二次锁定的特点更为明显,且第Ⅲ类立管要比前两类立管更早地进入锁定状态,如在U r =3时其涡脱频率就已经与立管固有频率相等了㊂值得注意的是:第Ⅲ类立管和第Ⅰ类立管拥有相同斜率St 的趋势线㊂图5㊀钻井隔水管与生产立管群横流向和顺流向振幅随约化速度的变化规律Fig.5㊀Change rule of cross-flow and downstream amplitude of drilling riser and production riser cluster with reduced velocity3.2㊀管体所受水动力将钻井隔水管和各生产立管管体所受的拖曳力和升力无量纲化处理,得到平均拖曳力系数C d 和最大升力系数C l 随约化速度的变化规律,如图7所示㊂由图7可知:钻井隔水管和第Ⅰ类立管的水动力系数变化规律基本类似,仅在U r =5时出现较细微的差别;由于受到第Ⅰ类立管和第Ⅱ类立管双重尾流遮蔽效应的影响,第Ⅲ类立管平均拖曳力系数明显小于前两类立管,在U r =5时最大升力系数的峰值也明显低于第Ⅰ类和第Ⅱ类立管,但U r >7时第Ⅲ类立管最大升力系数幅值要略大于前两类立管㊂76 2022年㊀第50卷㊀第7期田得强,等:深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀3.3㊀管柱的运动轨迹图8展示了钻井隔水管和生产立管群在不同约化速度下的运动轨迹㊂图8中的位移均为无量纲位移㊂由图8可以看出,在约化速度较小的情况下,如U r =3时,处于中心位置的钻井隔水管与四周的生产立管运动轨迹较小,横向振动无量纲位移为1左右,顺流向振动无量纲位移为0.5左右,但基本保持较为明显的 8 字形㊂图6㊀钻井隔水管与生产立管群振动频率比随约化速度的变化规律Fig.6㊀Change rule of vibration frequency ratio between drilling riser and production riser cluster with reduced velocity图7㊀钻井隔水管与生产立管群水动力系数随约化速度的变化规律Fig.7㊀Change rule of hydrodynamic coefficient of drilling riser and production riser cluster with reduced velocity图8㊀不同约化速度下钻井隔水管与生产立管群质心运动轨迹Fig.8㊀Trajectory of centroid of drilling riser and production riser cluster at different reduced velocities86 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2022年㊀第50卷㊀第7期㊀㊀随着约化速度增加至U r=5时,各管柱均已进入锁振状态,横流向和顺流向振动最为激烈,此时处于上游的生产立管1和生产立管3均出现了非常明显且向右略微拉伸的较大的 8 字形态;中心位置的钻井隔水管渐渐脱离 8 字形态,有向半月形态转换的趋势;对于下游的生产立管2和生产立管4,由于同时受到上游生产立管1㊁生产立管3和钻井隔水管较强烈的干扰作用,其运动轨迹较为混乱㊂当约化速度继续增加时,各立管的振动轨迹再次缩小,生产立管1和生产立管3依旧为 8 字形态不变;钻井隔水管由半月形态向 8 字形态转变;生产立管2和生产立管4则画出了加粗的 1 字形态㊂图9为不同间距条件下钻井隔水管与生产立管群质心运动轨迹㊂由图9可知:间距的变化对生产立管1和生产立管3的运动轨迹几乎不产生影响,对钻井隔水管运动轨迹稍有影响,使其呈现由半月形向 8 字形过渡的趋势;间距对下游的生产立管2和生产立管4影响显著,生产立管2和生产立管4由原本混乱的运动轨迹逐渐有了半月形和 8 字形的轮廓㊂图9㊀不同间距条件下钻井隔水管与生产立管群质心运动轨迹Fig.9㊀Trajectory of centroid of drilling riser and production riser cluster at different spacings3.4㊀柱群流场结构分析图10和图11分别展示了约化速度U r和立管间距G对钻井隔水管和生产立管群漩涡泄放的影响㊂图10㊀不同约化速度下钻井隔水管与生产立管群干涉振动涡量云图Fig.10㊀Cloud chart of interference vibration vorticity between drilling riser and production riser cluster at different reduced velocities ㊀㊀由图10可以看出:在约化速度很小,如U r=1,或者很大,如U r=13时,立管尾涡的脱落模式分为明显的上㊁中㊁下3层,各层之间互不干扰;第Ⅰ类立管(生产立管1和生产立管3)在立管间96 2022年㊀第50卷㊀第7期田得强,等:深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀隙中形成了稳定的 2S 模式的尾涡泄放,并间歇性地撞击在第Ⅲ类立管(生产立管2和生产立管4)上,之后与第Ⅲ类立管泄放的漩涡融合,在第Ⅲ类立管尾迹区域形成稳定的 2S 模式;处于中间的钻井隔水管单独泄放漩涡,尾涡脱落模式也同样遵循 2S 模式;当约化速度处于锁振区间时,钻井隔水管和生产立管群的振动幅度都相对很大,因此尾流区域不再出现近乎平行的分层现象,而是变得相对混乱和复杂㊂对于第Ⅰ类立管和钻井隔水管,当U r=5和9时,会泄放出一对方向相反的漩涡,形成 2P 脱落模式㊂而后脱落的漩涡或与第Ⅲ类立管表面撞击,或绕过第Ⅲ类立管继续往下游移动㊂由图11可知:当立管排列间距较小,如G=4D p时,第Ⅰ类立管在间隙区域尚未形成离散的漩涡,即黏附在第Ⅲ类立管表面㊂中间钻井隔水管泄放的漩涡也会由于间距过小而直接与第Ⅲ类立管脱离的漩涡发生融合;当立管间距较大时,如G=6D p,中间钻井隔水管的漩涡脱落受到邻近立管的影响较小,尾涡模式为 2P ;第Ⅰ类立管的漩涡在间隙区域以 2S 模式脱落为主㊂图11㊀不同间距条件下钻井隔水管与生产立管群干涉振动涡量云图Fig.11㊀Cloud chart of interference vibration vorticity between drilling riser and production riser cluster at different spacings 4㊀结㊀论基于ANSYS-FLUENT平台及自编流固耦合求解程序集,应用嵌套动网格技术,对大雷诺数条件下实尺寸钻井隔水管与四周环绕生产立管群之间的干涉耦合振动进行数值模拟计算和分析,研究结果表明:(1)约化速度对钻井隔水管与生产立管群系统的干涉振动响应影响显著,在实际工程中,可以通过调节钻井隔水管或生产立管顶张力大小等方式改变其固有频率,或调节外形尺寸等方式改变约化速度,从而使管体脱离锁振状态,降低振动幅度㊂(2)在实际生产平台井槽间距可调节的范围内,井槽间距的变化对柱群动态干涉响应的影响较小;立管群之间的干涉效应较双立管系统干涉效应有所差别,体现在中心位置的钻井隔水管振动特性介于孤立状态和串列状态之间,而下游管柱表现与双立管系统类似,同样出现了振幅放大以及频率二次锁定等特征㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀BLEVINS R D.Flow-induced vibration[M].Malabar:Kreger Publishing Company,2001.[2]㊀TEBBETT I E.The last five years experience in steelplatform repairs[C]ʊOffshore 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[20]㊀王嘉松,蒋世全,许亮斌.深水钻井隔水管涡激振动特性的数值模拟研究[J].石油钻采工艺,2015,37(1):30-35.WANG J S,JIANG S Q,XU L B.Numerical simula-tion of drilling riser vortex induced vibration character-istics in deepwater[J].Oil Drilling&ProductionTechnology,2015,37(1):30-35. [21]㊀MENEGHINI J R,SALTARA F,FREGONESI R D A,et al.Numerical simulations of VIV on long flexiblecylinders immersed in complex flow fields[J].Euro-pean Journal of Mechanics-B/Fluids,2004,23(1):51-63.[22]㊀KHALAK A,WILLIAMSON C H K.Dynamics of ahydroelastic cylinder with very low mass and damping[J].Journal of Fluids and Structures,1996,10(5):455-472.㊀㊀第一作者简介:田得强,工程师,生于1993年,2020年毕业于中国石油大学(北京),获博士学位,现从事深水钻完井方面的研究工作㊂地址:(100028)北京市朝阳区㊂电话:(010)89913622㊂E-mail:tiandq3@㊂㊀收稿日期:2022-02-12(本文编辑㊀王刚庆)172022年㊀第50卷㊀第7期田得强,等:深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀。

钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究

第53卷第10期 2023年10月中国海洋大学学报P E R I O D I C A L O F O C E A N U N I V E R S I T Y O F C H I N A53(10):063~073O c t .,2023钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究❋李效民,柳润波,顾洪禄,李福恒,郭海燕(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)摘要: 为研究海流作用下钻井立管在下放安装过程中的涡激振动(V o r t e x -i n d u c e d v i b r a t i o n ,V I V )响应特性,本文基于光纤光栅应变传感器技术,考虑立管下部组件(L o w e r m a r i n e r i s e r s p a c k a ge ,L M R P )设计制作了多种钻井模型立管,对其下放安装过程中自由悬挂状态下的动力响应进行了水槽实验研究㊂实验制作了具有移动滑轨的下放装置,测试得到了0.4m /s 的均匀水流下模型立管动态应变响应时程曲线,并基于有限元法求得立管模型的固有频率和振型函数,再利用模态叠加法重构了立管模型位移响应㊂分析结果表明:立管在横流向(C r o s s -l i n e ,C F )的应变大于顺流向(I n -l i n e ,I L )的应变,但两个方向的频率相同;自由端顺流向位移随L M R P 质量增大而减小,但当质量超过管重时位移变化趋于稳定;自由端最大振幅受底部L M R P 质量的影响较小,约为立管最大振幅的十分之一㊂关键词: 钻井立管;安装下放;立管下部组件;模态叠加法;涡激振动中图法分类号: T U 311.3 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)10-063-11D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20230005引用格式: 李效民,柳润波,顾洪禄,等.钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(10):63-73.L i X i a o m i n ,L i u R u n b o ,G u H o n g l u ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y o n v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n r e s p o n s e o f d r i l l i n g r i s e r d u r i n gl o w e r i n g a n d i n s t a l l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o f O c e a n U n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(10):63-73. ❋ 基金项目:国家自然科学基金项目(51979257);山东省自然科学基金项目(Z R 2019M E E 032)资助S u p p o r t e d b y t h e N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (51979257);t h e S h a n d o n g Pr o v i n c i a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n ,C h i n a (Z R 2019M E E 032)收稿日期:2023-01-07;修订日期:2023-02-20作者简介:李效民(1982 ),男,博士,副教授,主要研究方向为海洋工程结构动力分析㊂E -m a i l :l x m 0318@o u c .e d u .c n海洋立管是连接海洋平台和海底设备的纽带,是深水油气资源开发的核心构件㊂深海钻井立管力学性能特殊,是薄弱易损构件之一㊂在安装过程中立管底部处于悬空状态,水下长度随着立管下放逐渐变长,且下端没有任何约束限制㊂此时,相比于已经安装完成的立管,悬挂式立管更脆弱㊁不稳定,下放过程中产生的涡激振动也会加速立管的疲劳破坏,这导致其在复杂海洋环境下的安装窗口时间大大缩短,因此必须保证立管在安装时的整体稳定性㊂如何在复杂海况下安全㊁快速地安装钻井立管已经成为海洋立管研究中的关键问题之一㊂当前关于立管安装过程的研究主要集中在数值模拟方法上㊂林秀娟等[1]开发了一个用于深海采油树下放安装的分析模型,可以分析立管的动态响应㊂龚铭煊等[2]考虑不同边界条件建立了悬挂立管力学模型,使用有限元方法对下放到不同水深时立管的力学特性进行了研究㊂H u 等[3]基于有限差分法将立管近似离散成多个刚性段,建立了不同边界条件㊁不同水深下的动力模型,分析了安装下放时不同长度立管的动态响应㊂W a n g 等[4-6]采用变分法分析了立管安装过程中的应力㊁变形和振动特性,并基于立管安装时的力学行为,给出了立管安装时的安全操作窗口㊂W a n g 等[7]把水下集束管汇的安装分成3个阶段,并用O r c a F l e x 软件对其安装过程进行了建模分析㊂L i u 等[8]建立了一个有限元模型,用于研究紧急疏散条件下深水钻井平台立管系统的动态行为㊂T i a n 等[9]通过有限差分法建立了一个双立管模型,将生产立管和安装钻井立管串联布置,考虑生产立管干扰效应,研究了水深㊁立管壁厚和水下防喷器质量对钻井立管安装的影响㊂L i u等[10]建立了一个考虑复杂边界条件的数学模型,将立管简化为弹性杆和块体的组合,研究了深水钻井立管在提升工况下的轴向振动㊂而当前相关的实验研究还仅限于软㊁硬悬挂立管以及相关模型的动力响应,并未考虑立管的下放过程㊂G a o 等[11]对均匀流中自由悬挂圆柱体的轨迹和流态进行了实验研究,探究了外部流速对圆柱体轨迹响应和尾流模式的影响㊂W a n g 等[12]对深水井中自由悬挂式立管在船舶运动下的动力响应进行了实验研究,研究表明船舶运动引起的涡激振动导致立管受到的阻力显著增大㊂M a o 等[13]基于应变仪测试技术对悬挂式疏散Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年立管进行了模型实验,考虑轴向拉力和立管下部组件(L o w e r m a r i n e r i s e r s p a c k a ge ,L M R P )质量等因素的影响,采用有限元特征值法分析了悬挂立管的固有频率和振型㊂J u n g 等[14]对自由悬挂立管在静水中的受迫振动进行了数值和实验研究㊂F r a n z i n i 等[15]研究了倾斜圆柱体在水流中的动力响应,得出了一定雷诺数范围内倾斜圆柱体的涡激振动新测量值㊂综上所述,国内㊁外学者大多是对下放到特定阶段的立管进行研究,并未对立管安装下放的连续过程进行实验研究,也没有深入了解安装下放时立管的涡激振动特性,对带有重型L M R P 的悬挂式立管在安装下放过程中变形机制和振动特性的了解还远远不够㊂为进一步探究钻井立管下放时的动力响应,本文基于光纤光栅技术设计了悬挂立管模型的安装下放实验,通过有限元法分析了模型的固有频率和振型函数,再通过模态叠加法重构立管位移,研究并分析了底部悬挂不同质量的L M R P 对立管安装下放过程中动力响应的影响㊂1 实验描述1.1实验装置实验在中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室波流水槽进行,水槽长60m ㊁宽3m ㊁深1.5m ㊂在实验过程中,水流发生器模拟了流速为0.4m /s 的均匀水流,并在实验支架前2m 处安装了多普勒测速仪,用来实时监测立管下放过程中的水流速度,实验装置如图1所示㊂在开始下放前,立管完全露在水面以上,立管模型上端通过万向节连接到可以上下滑动的支架顶板上,立管底部是自由端,通过万向节悬挂着不同质量的柱型铁块,用于模拟L M R P 重物,铁块底部紧贴水面,如图2所示㊂实验支架和实验槽之间通过夹紧装置固定,防止在水流作用下支架与模型之间的耦合振动㊂图1 实验装置图F i g .1 S k e t c h o f e x pe r i m e n t a l d e v i ce 图2 立管模型图F i g .2 D e t a i l d r a w i n g of r i s e r m o d e l 等到多普勒测速仪显示水流速度稳定时立管开始下放㊂实验通过绞盘来控制绞线实现立管的匀速下放,开始下放的同时采集应变传感器数据,待立管底部触底时停止采集㊂由于支架上顶板的重力远大于滑轨的摩擦力,故绞盘绞线的释放速度可以看作是顶板的下放速度㊂定制绞盘的小齿轮每转动10齿,支架上顶板就会下降0.03m ㊂水槽的水深控制在1.2m ,实验保持每秒一齿的下放速度,400s 后立管下放到水槽底部,实验工程设置如表1所示㊂表1 工况设置T a b l e 1 W o r k i n g c o n d i t i o n d e s i gn 参数①工况②1234L M R P 质量③/k g0.50.81.11.4水流速度④/(m /s )0.40.40.40.4下放速度⑤/(m /s )0.0030.0030.0030.003下放时间⑥/s400400400400N o t e :①P a r a m e t e r ;②C o n d i t i o n ;③L M R P m a s s ;④W a t e r v e l o c i t y;⑤L o w e r i n g s p e e d ;⑥L o w e r i n gt i m e 1.2立管模型设计在测试了各种类型管道的机械性能并考虑了刚度46Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究和模态要求之后,选择透明有机玻璃管作为立管模型材料㊂立管模型主要参数如表2所示,横截面和应变传感器布置如图3所示㊂立管模型由有机玻璃管和紧贴在管上的光纤光栅应变传感器组成,沿立管长度均匀布置6个应变测试点,其中1号测试点的一端为立管模型顶部,6号测试点的一端为立管模型底部㊂每个测试点(绕管一圈)布置4个应变传感器,2个在横流(C r o s s-l i n e,C F)方向,2个在顺流(I n-l i n e,I L)方向,测试点间距为0.30m,立管顶端和底端留有0.25m的边距,应变仪的采样频率为1000H z㊂表2立管模型的主要参数T a b l e2 M a i n p a r a m e t e r s o f t h e r i s e r m o d e l 参数P a r a m e t e r数值V a l u e 长度L e n g t h L2.0m 水深W a t e r d e p t h Z1.2m 泊松比P o i s s o n's r a t i oν0.32立管密度R i s e r d e n s i t yρ0.31k g/m 外径E x t e r n a l d i a m e t e r D o16m m 内径I n t e r n a l d i a m e t e r D i14m m 弹性模量E l a s t i c m o d u l u s E1.5G Pa图3应变传感器布置示意图F i g.3 A r r a n g e m e n t o f s t r a i n s e n s o r s2位移重构2.1模态叠加法实验使用光纤光栅应变传感器测量立管的应变响应㊂根据L i等[16]的数据处理方法,V I V在C F方向和I L方向引起的弯曲应变可以写成:εV I V-C F=εC F1-εC F22,(1)εV I V-I L=εI L1-εI L2-εI L1-εI L22㊂(2)式中:εV I V-I L和εV I V-C F分别是涡激振动在I L和C F方向上引起的平均应变;εC F1㊁εC F2㊁εI L1和εI L2分别表示在位置C F1㊁C F2㊁I L1㊁I L2的原始应变采样数据㊂为了消除环境噪声对测量应变的影响,本文使用带通滤波对实测应变进行滤波,滤波范围为0.5~19H z㊂基于应变数据,根据模态叠加法可以获得立管的V I V位移响应㊂只要沿立管布置足够数量的传感器,且位置合理,就可以通过模态叠加法得到任意位置的位移响应㊂根据模态叠加法,立管位移响应y为不同模态函数的线性叠加:y(z,t)=ðN n=1ωn(t)φn(z),zɪ(0,L)㊂(3)式中:ωn(t)是模态权重;φn(z)是模态函数;z是沿立管轴向位置,单位是m;t是立管下放时间,单位是s㊂对于本文中的立管模型,弯曲应变ε和曲率κ之间的关系可以表示为:κz,t=εz,t/R㊂(4)式中R是立管模型的外半径㊂根据几何关系,曲率值可近似为位移相对于空间变量的二阶导数:2yz2ʈκ(z,t)㊂(5)通过将式(5)代入式(4),可以得到式(6):56Copyright©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年εz,t/RʈðN n=1ωn(t)φᵡn(z),zɪ(0,L)㊂(6)式中N是立管模型振动涉及的最高振型数㊂2.2频率及振型分析使用有限元法对立管模型的前6阶固有频率和振型进行计算,计算结果如表3㊁4和图4所示㊂由于几何对称性,立管模型在I L和C F这两个方向上的固有频率和模态相同㊂表3展示了没有悬挂重物和底部悬挂不同重物时立管模型的前六阶频率㊂悬挂重物的立管模型频率要明显低于普通立管模型频率,且重物质量越大,频率降低的幅度越小㊂表4展示了考虑水流附加质量影响的悬挂0.8k g重物立管模型在下放过程中的频率变化,随着立管的下放,附加质量逐渐增大导致了立管的振动频率逐渐变小㊂图4(a) (f)展示了悬挂立管模型和普通悬臂模型的前六阶振动模式㊂悬挂重物不会影响立管振型的振幅,只会影响立管振型底部的位移,立管底部悬挂的重物相当于给立管增加了一个约束,限制了立管底部的位移,变成了类似于简支梁的振型㊂表3立管模型的前六阶固有频率T a b l e3F i r s t s i x n a t u r a l f r e q u e n c i e s o f r i s e r m o d e l阶数O r d e r无重物N o w e i g h tL M R P质量L M R P m a s s0.5k g0.8k g1.1k g1.4k g 12.391.671.651.601.58 27.736.276.216.196.17 316.1313.9113.8513.8213.81 427.5924.6024.5824.5224.50 542.1038.3538.2938.2638.25 659.6755.1658.1155.0755.05表4悬挂0.8k g重物立管模型下放过程中的频率变化T a b l e4F r e q u e n c y v a r i a t i o n o f0.8k g h e a v yr i s e r m o d e l d u r i n g l o w e r i n g阶数O r d e r未下放N o t l o w e r e d下放时间L o w e r i n g t i m e100s200s300s400s 11.651.641.611.541.45 26.216.135.785.655.59 313.8513.4012.9512.6112.07 424.5823.5123.1022.0921.48 538.2936.6835.5334.7133.65 658.1153.0351.2349.4847.85图4悬挂0.8k g重物立管模型与无重物悬挂立管模型的前六阶振型比较F i g.4C o m p a r i s o n o f t h e f i r s t s i x m o d e s o f t h e0.8k g h e a v y r i s e r m o d e l a n d t h e w e i g h t l e s s r i s e r m o d e l66Copyright©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3 结果与讨论3.1立管模型V I V 特性结合上述方法分析当流速为0.4m /s㊁立管底部重物为0.8k g 时立管模型下放安装过程中的振动特性㊂图5为立管模型下放到100和300s 左右时1~6号应变测试点的应变特性㊂图5 下放到100s 和300s 左右时立管6个实验段的应变特性F i g .5 S t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f s i x e x pe r i m e n t a l s e c t i o n s of r i s e r w h e n l o w e r e d t o a b o u t 100s a n d 300s 76Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年在图5(a)列中每个应变测试点随时间都呈现出周期性的往复振动模式,且6个应变测试点在C F 方向上的应变幅值略大于I L 方向的应变幅值㊂立管的最大振动幅度出现在节点4附近,离节点4越远,振动幅度越小,符合立管的一阶振动特性㊂这是由于实验用以模拟L M R P 的重物有不可忽略的长度,导致立管的中心点更接近节点4导致㊂在图5(b)列中立管的1~5号应变测试点在C F 和I L 方向上的主频均为2.3H z,略高于立管的一阶固有频率,因此在下放到100s 左右时立管以一阶振动模态为主㊂每个应变测试点的主频都相同,频率响应在C F 和I L 方向上的分布几乎相同,原因可能是实验采用的立管长细比不够大,在恒定的低速水流下,导致悬挂立管的自由端的两个方向频率相同,这种现象同M a o 等[13,17]的研究结果相吻合㊂立管的第六应变测试点在I L 方向上出现了一个7.2H z的高频响应,这是因为当立管开始下放时,立管底端先浸入水面,底部悬挂物受到水流的冲击发生剧烈振动,因此在立管底部会出现以二阶频率为主的局部振动㊂从图5(c )列中可以看出当立管下放到300s 左右时,立管的最大振动幅度出现在节点2和节点5附近,立管的中心节点4的振幅最小,每个应变测试点都呈现出应变随时间周期性的往复振动模式,且6个应变测试点上C F 方向的应变幅值均明显大于I L 方向的应变幅值,立管整体表现出以二阶模态为主导的振动,C F方向各实验断面的应变幅值远大于I L 方向,I L 方向的振动明显受到C F 方向振动的干扰和控制㊂在图5(d)列中,在C F 和I L 方向上,立管的应变测试点(节点)1㊁2㊁3㊁4㊁5和6的主频均为6.1H z,与立管在水流中的二阶振动频率非常接近,因此立管在下放后期以二阶振动模态为主㊂除了节点4之外,每个应变测试点的主频都相同,且I L 方向上的振幅要弱于C F 方向,I L 方向上的振动明显受到C F 方向上振动的干扰和控制㊂立管的应变测试点4在C F 方向上的主频为2.3H z,在I L 方向上的主频为1.9H z,这是因为应变测试点4位于立管正中间,立管处于二阶振动时节点4的振动幅度最小,而一阶振动幅度最大,因此表现出局部一阶模态的振动特性㊂图6分析了立管模型的位移时空云图㊂图6(a) (b )分析了立管模型下放到100s 左右时在I L 和C F 方向上5个运动周期的弯曲应变分布㊂从图6中可以看出,立管在C F 和I L 方向上的应变都是非常规则并具有周期性的,表现出典型的行波特征,响应以第一种模式为主㊂另一方面,与C F 方向上的响应相比,I L 方向响应的规则性略差,且C F 方向的应变要略大于I L 方向应变㊂图6(c ) (d )展示了立管下放到300s 左右时的弯曲应变的分布,从图中可以看出,立管下放到300s 左右时应变响应变为典型的驻波特征,响应以第二种模式为主,且立管表现出来的规律与下放到100s 左右时一致,即在C F 方向上响应的规律性要好于I L 方向㊂图6 下放到100s 和300s 左右时立管位移时空云图F i g .6 T e m p o r a l a n d s p a t i a l n e p h o g r a m o f r i s e r d i s p l a c e m e n t w h e n l o w e r i n gt o a b o u t 100s a n d 300s 86Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3.2立管下放时间对立管位形的影响基于上述的位移重构方法分析立管沿长度方向上的振幅大小,每隔20s 绘制一次立管位形图(见图7)㊂从图中可以看出,当立管刚开始下放时,立管在两个方向上的振幅几乎相同,均表现出一阶模态㊂在下放过程的前160s 里,立管振幅变化很小,最大值约为0.02D ,最小值约为-0.02D ,立管底部位移约为0.003D ,立管的最大振幅总是出现在立管的中点㊂随着立管模型的继续下放,振幅急剧增大㊂当立管下放到240s 时开始在C F 方向上表现出明显的二阶模态,此时模型的振幅最大值为0.11D ,最小值为-0.11D ,最值点出现在x /L =0.3处,并且在I L 方向上的振幅明显小于C F 方向,立管底部位移约为0.01D ㊂当下放进行到340s 时,振幅增加的速度逐渐变缓㊂下放到400s 时立管振幅约为0.31D ,最小值为-0.30D ,底部位移约为0.033D ㊂由图7分析可得立管模型在下放到180~320s 时振幅的增长速度最为剧烈,刚下放和即将完成下放时振幅变化较为平缓㊂立管底部自由端的振幅约为最大振幅的十分之一㊂立管模型在I L 方向上的振幅曲线看起来不像C F 方向那样对称,这与两个方面有关:1.V I V 具有随机性;2.在立管下放过程中会受水流冲击从而在I L 方向上产生一个较大的位移,这就导致立管在I L 方向上的运动平面是一个倾斜平面,因此会出现振幅曲线不对称的现象㊂图7 立管下放过程中的位形变化F i g .7 C o n f i g u r a t i o n c h a n g e d u r i n g r i s e r l o w e r i n g3.3下放时间对立管振幅的影响图8分析了当流速为0.4m /s,立管底部重物为0.8k g 时,立管模型的振动幅值随下放时间的变化趋势㊂图8(a)为立管模型在安装下放过程中立管振动最96Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年大幅度,图8(b)为立管底部自由端的振动幅度㊂立管模型的最大振幅的下放时间在0~150s 时稳定在0.01D 左右,且在两方向上表现得非常接近㊂下放到150s 后,C F 方向上的振动幅度开始缓慢变大,在经历了50s 的过渡期后振幅增速加快,在400s 时达到0.3D ㊂I L 方向上的最大振幅则在250s 时出现增大趋势,并一直保持缓慢增加的速度直到下放结束,最大值约为0.09D ㊂立管底部的振动幅度在前150s 一直保持稳定,下放到150s 时开始缓慢增大,直到下放结束,且在C F 方向上的振幅一直大于I L 方向㊂图8 立管安装下放过程中的振幅分析F i g .8 A m p l i t u d e a n a l y s i s d u r i n g r i s e r i n s t a l l a t i o n a n d l o w e r i n g3.4L M R P 质量对立管频率的影响图9显示了在下放到100和300s 且立管底部L M R P 质量分别为0.5㊁0.8㊁1.1和1.4k g 时第四应变测试点(z /L =0.575)的频率响应㊂可以看到刚开始下放时(100s 以前),立管模型以一个相对稳定的幅度低频振荡㊂频率响应由稳定的主频和一部分高频响应组成,且底部重物的质量越大,高频振动的参与越明显㊂不同L M R P 质量对应的立管在C F 方向上的主响应频率依次为2.49㊁2.29㊁2.44和2.59,在I L 方向上的主响应频率依次为2.34㊁2.32㊁2.54和2.59㊂I L 方向上的振动频率略大于C F 方向,且立管底部悬挂的重物越大,振动频率越大,而振动幅度越小㊂当立管下放到300s 左右时,悬垂立管在C F 方向上的主频显著增大,但在I L 方向上的主频没有太大变化㊂不同工况下的立管在C F 方向的振动幅度总是远大于I L 方向,底部的重物质量越大,立管模型越偏向于高阶振动㊂不同质量的立管在C F 方向上的主响应频率依次为5.42㊁5.28㊁5.28和5.16,立管的响应频率随着L M R P 质量的增大而减小㊂图9 100s (a )和300s (b)时各个工况下第四测试截面的振动响应F i g .9 V i b r a t i o n r e s po n s e o f t h e f o u r t h s e c t i o n a t 100s (a )a n d 300s (b )07Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3.5L M R P质量对立管振幅和位移的影响图10给出了考虑底部悬挂不同质量重物时立管模型的振动幅度,显示了悬挂立管的振动模型形状㊂当立管下放到100s 时,立管主要表现出一阶振动模态,此时立管的振动幅度随着底部悬挂重物质量的减小而增大,且I L 方向上的振幅要略小于C F 方向㊂最大振幅均出现在立管中部x /L =0.5处㊂当m =0.5k g时振动幅度最大,达到了0.02D ㊂当m =0.8k g 时,由于底部质量的增加,立管的振动幅度大幅度减小,随着悬挂重物质量逐渐增大,底部重物的质量已经大大超过了立管本身的质量(0.8k g),此时相当于立管模型由上端铰接下端自由转变成两端铰接,底部重物质量的增加(m =1.1k g 或m =1.4k g)对立管振动幅度的影响已经微乎其微㊂当立管下放到300s 时,立管在I L 方向上仍表现为一阶振动,底部重物对立管的影响与立管刚开始下放时一样,振动幅度随着底部悬挂重物质量的减小而增大,当m =0.5k g 时振动幅度最大,达到了0.06D ㊂在C F 方向上主要表现出二阶振动模态,当m =0.5k g时,最大振幅点在x /L =0.275处,随着底部质量的增大,立管最大振幅点会而出现下移现象㊂当m =0.8k g时立管的振动幅度最大,达到了0.2D ,此时L M B P 质量近似于立管质量,最大振幅出现在x /L =0.3处㊂当底部L M B P 质量大于立管自重时,立管的振动幅度大幅降低㊂当立管模型处在二阶振动模态时,底部质量的增大对自由端的振动幅度影响很小,4种工况下立管底部自由端的振动幅度均在0.02D 左右㊂图10 100s (a )和300s (b)时四组工况下立管模型的振动响应比较F i g .10 C o m p a r i s o n o f v i b r a t i o n r e s p o n s e s o f r i s e r m o d e l s u n d e r f o u r w o r k i n g co n d i t i o n s a t 100s (a )a n d 300s (b ) 图11(a)分析了在考虑了底部悬挂不同质量重物时立管模型的最大振幅㊂立管底部重物的质量大小对立管的最大振动幅度几乎没有影响,且C F 方向上的振幅一直大于I L 方向㊂立管模型的最大振幅的下放时间在0~150s 内表现出趋于稳定的极小值,且在两方向上表现得非常接近㊂下放到150s 后,C F 方向上的振动幅度开始增大,在经历了50s 的过渡期后振幅突然增大,在400s 时达到0.3D ㊂I L 方向上的振幅最大值则在280s 左右时开始出现增大趋势,并一直保持缓慢的速度增加,直到下放结束,最大值约为0.08D ㊂图11(b)分析了悬挂不同质量重物的立管模型在I L 方向上受水流拖曳力引起的位移,最大位移点始终位于立管模型底部㊂当重物m =0.5k g 时,立管底部的位移要远大于其他三种工况,当完成立管下放时,底部位移达到最大,约为5.0D ㊂当底部悬挂的重物达到0.8k g 时,位移出现与立管振动相似的规律,由于重物质量已经接近管体本身质量(m =0.8k g),底部重物质量的增加(m =1.1k g 或m =1.4k g)对立管振动幅度17Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年的影响已经微乎其微,故当完成立管下放时,底部重物质量为0.8㊁1.1和1.4k g 对应的底部位移分别为2.5D ㊁2.1D 和1.8D㊂图11 安装下放过程中四组工况下立管模型的最大振动幅度和最大位移F i g .11 M a x i m u m v i b r a t i o n a m p l i t u d e a n d m a x i m u m d i s p l a c e m e n t o f r i s e r m o d e l u n d e r f o u r w o r k i n gc o nd i t i o n s d u r i n g i n s t a l l a t i o n a n d l o we r i n g4 结论(1)采用有限元法分析了考虑轴向拉力和L M R P质量的立管的固有频率㊂数值模拟结果表明,随着L M R P 质量的增加,立管的固有频率逐渐减小,且质量越大,减小的幅度越小㊂(2)立管在C F 方向的涡旋脱落产生了很大的升力,I L 方向上的振动频率受C F 方向支配,但两个方向的频率相同㊂在立管安装下放过程中,C F 方向上的应变始终大于I L 方向上的应变,且当立管处于二阶模态时这种情况更为明显㊂(3)底部L M R P 质量的大小对自由端的最大振幅影响较小,其值约为立管最大振幅的十分之一㊂由于立管的结构特性,立管在I L 方向上的位移受拖曳力引起的大位移支配,自由端的大位移会随着立管的下放逐渐增大,还会随着L M R P 质量的增大而减小,但当L M R P 质量超过管重时位移变化趋于稳定㊂需要指出的是本文只分析了某一流速下悬挂立管下放安装过程的振动特性,同时由于实验测试条件的限制和测试模型支架的限制,也仅测试了某一特定长度立管的下放过程㊂后续还需要对不同环境参数条件下立管下放安装全过程的动力响应特性进行深入研究㊂参考文献:[1] 林秀娟,肖文生,王鸿雁.深水采油树下放过程钻柱力学分析[J ].中国石油大学学报(自然科学版),2011,35(5):125-129.L i n X J ,X i a o W X ,W a n g H Y .D r i l l s t r i n g m e c h a n i c a l a n a l ys i s o f r u n n i n g d e e p w a t e r o i l t r e e [J ].J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y of P e -t r o l e u m ,2011,35(5):125-129.[2] 龚铭煊,刘再生,段梦兰,等.深海水下采油树下放安装过程分析与研究[J ].石油机械,2013,41(4):50-54.G o n g M X ,L i u Z S ,D u a n M L ,e t a l .R e s e a r c h o n t h e r u n n i n gi n -s t a l l m e n t p r o c e s s o f d e e ps e a u n d e r w a t e r c h r i s t m a s t r e e [J ].C h i n a P e t r o l e u m M a c h i n e r y,2013,41(4):50-54.[3] H u Y ,C a o J ,Y a o B ,e t a l .D yn a m i c b e h a v i o r s o f a m a r i n e r i s e r w i t h v a r i a b l e l e n g t h d u r i n g th e i n s t a l l a t i o n o f a s u b s e a p r o d u c t i o n t r e e [J ].J o u r n a l o f M a r i n e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2018,23(2):378-388.[4] W a n g Y ,G a o D .O n t h e s t a t i c m e c h a n i c s o f t h e t u b u l a r s ys t e m d u r i n g i n s t a l l a t i o n o f t h e s u r f a c e c a s i n g i n d e e p w a t e r d r i l l i n g [J ].A p pl i e d O c e a n R e s e a r c h ,2021,110:102599.[5] W a n g Y ,G a o D ,F a n g J .S t u d y o n l a t e r a l v i b r a t i o n a n a l ys i s o f m a -r i n e r i s e r i n i n s t a l l a t i o n -v i a v a r i a t i o n a l a p p r o a c h [J ].J o u r n a l o f N a t u r a l G a s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2015,22:523-529.[6] W a n g Y ,G a o D ,F a n g J .M e c h a n i c a l b e h a v i o r a n a l ys i s f o r t h e d e -t e r m i n a t i o n o f r i s e r i n s t a l l a t i o n w i n d o w i n o f f s h o r e d r i l l i n g [J ].J o u r n a l o f N a t u r a l G a s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,2015,24:317-323.[7] W a n g Y ,T u o H ,L i L ,e t a l .D yn a m i c s i m u l a t i o n o f i n s t a l l a t i o n o f t h e s u b s e a c l u s t e r m a n i f o l d b y d r i l l i n g p i p e i n d e e p wa t e rb a s e d o n O rc a F l e x [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a nd E n g i ne e r i n g,2018,163:67-78.[8] L i u J ,W a n g P,G u o X ,e t a l .N o n l i n e a r v i b r a t i o n m o d e l a n d r e -s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c o f d r i l l i n g r i s e r s i n d e e p-s e a u n d e r s o f t s u s -p e n s i o n e v a c u a t i o n c o n d i t i o n [J ].M e c h a n i c a l S y s t e m s a n d S i g n a l P r o c e s s i n g,2022,169:108783.[9] T i a n D ,F a n H ,L e i r a B J ,e t a l .S t u d y on t h e s t a t i c b e h a v i o r o f i n s t a l l i n g a d e e p -w a t e r d r i l l i n g r i s e r o n a p r o d u c t i o n p l a t f o r m [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2020,185:106652.[10] L i u J ,M a X ,Z h a n g X ,e t a l .A x i a l v i b r a t i o n o f d e e p-w a t e r d r i l l -i n g r i s e r s u n d e r l i f t i n g c o n d i t i o n s [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i -e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2022,209:109903.[11] G a o Y ,T a n D S ,Z h a n g B ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y on o r b i t a l r e s p o n s e a n d f l o w b e h a v i o r b e h i n d a f r e e l y s u s p e n d e d c y l i n d e r [J ].O c e a n E n g i n e e r i n g,2015,108:439-448.[12] W a n g J ,X i a n g S ,F u S ,e t a l .E x p e r i m e n t a l i n v e s t i ga t i o n o n t h e 27Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究d y n a m i c re s p o n s e s of a f r e e-h a ng i n g w a t e r i n t a k e r i s e r u n d e r v e s-s e l m o t i o n[J].M a r i n e S t r u c t u r e s,2016,50:1-19.[13] M a o L,Z e n g S,L i u Q.E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n v o r t e x-i n-d u ce d v i b r a t i o n s of a h a n g-o f f e v a c u a t e d d r i l l i ng r i s e r[J].N o n l i n-e a r D y n a m i c s,2020,102(3):1499-1516.[14]J u n g D,P a r k H,K o t e r a y a m a W,e t a l.V i b r a t i o n o f h i g h l y f l e x i-b l e f r e e h a n g i n g p i p e i nc a l m w a t e r[J].O c e a n E n g i n e e r i n g,2005,32(14):1726-1739.[15]F r a n z i n i G R,F u j a r r a A L C,M e n e g h i n i J R,e t a l.E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o f V o r t e x-I n d u c e d V i b r a t i o n o n r i g i d,s m o o t h a n di n c l i n e d c y l i n d e r s[J].J o u r n a l o f F l u i d s a n d S t r u c t u r e s,2009,25(4):742-750.[16]L i F,G u o H,L i X,e t a l.E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n f l o w-i n d u c e d v i b r a t i o n c o n t r o l o f f l e x i b l e r i s e r s f i t t e d w i t h n e w c o n f i g u-r a t i o n o f s p l i t t e r p l a t e s[J].O c e a n E n g i n e e r i n g,2022,266: 112597.[17] H u e r a-H u a r t e F J,B e a r m a n P W.W a k e s t r u c t u r e s a n d v o r t e x-i n d u c e d v i b r a t i o n s o f a l o n g f l e x i b l e c y l i n d e r P a r t1:D y n a m i cr e s p o n s e[J].J o u r n a l o f F l u i d s a n d S t r u c t u r e s,2009,25(6):969-990.E x p e r i m e n t a l S t u d y o n V o r t e x I n d u c e d V i b r a t i o n R e s p o n s e o fD r i l l i n g R i s e r D u r i n g L o w e r i n g a n d I n s t a l l a t i o nL i X i a o m i n,L i u R u n b o,G u H o n g l u,L i F u h e n g,G u o H a i y a n(C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g,O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o s t u d y t h e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s o f v o r t e x-i n d u c e d v i b r a t i o n(V I V)d u r i n g t h e i n s t a l l a t i o n o f d r i l l i n g r i s e r u n d e r s e a c u r r e n t,s e v e r a l d r i l l i n g m o d e l r i s e r s w e r e m a d e b a s e d o n t h e f i b e rB r a g g g r a t i n g s t r a i n s e n s o r t e c h n o l o g y a n d c o n s i d e r i n g t h e l o w e r m a r i n e r i s e r p a c k a g e(L M R P),a n d t h e d y n a m i c r e s p o n s e u n d e r f r e e s u s p e n s i o n d u r i n g t h e i n s t a l l a t i o n p r o c e s s w a s s t u d i e d b y f l u m e e x p e r i-m e n t.A l o w e r i n g d e v i c e w i t h a m o v i n g s l i d e r a i l w a s m a d e i n t h e e x p e r i m e n t.T h e d y n a m i c s t r a i n r e-s p o n s e o f m o d e l r i s e r u n d e r u n i f o r m f l o w o f0.4m/s i s o b t a i n e d.T h e n a t u r a l f r e q u e n c y a n d v i b r a t i o n m o d e f u n c t i o n o f t h e r i s e r m o d e l w e r e o b t a i n e d b a s e d o n t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d,a n d t h e d i s p l a c e-m e n t r e s p o n s e o f t h e r i s e r m o d e l w a s r e c o n s t r u c t e d u s i n g t h e m o d e s u p e r p o s i t i o n m e t h o d.T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r a i n o f t h e r i s e r i n t h e c r o s s-l i n e(C F)i s g r e a t e r t h a n t h a t i n t h e i n-l i n e(I L),b u t t h e f r e q u e n c y o f t h e t w o d i r e c t i o n s i s t h e s a m e;T h e d o w n s t r e a m d i s p l a c e m e n t o f t h e f r e e e n d d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e L M R P m a s s,b u t t h e d i s p l a c e m e n t c h a n g e s t e n d t o b e s t a b l e w h e n t h e m a s s e x-c e e d s t h e p i p e w e i g h t;T h e m a x i m u m a m p l i t u d e a t t h e f r e e e n d i s i n d e p e n d e n t o f t h e L M R P m a s s a t t h e b o t t o m,w h i c h i s a b o u t o n e t e n t h o f t h e m a x i m u m a m p l i t u d e o f t h e r i s e r.K e y w o r d s:d r i l l i n g r i s e r;l o w e r i n g a n d i n s t a l l a t i o n;t h e l o w e r m a r i n e r i s e r p a c k a g e(L M R P);m o d a l s u p e r p o s i t i o n m e t h o d;v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n(V I V)责任编辑高蓓37Copyright©博看网. 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深水钻井隔水管涡激振动特性的数值模拟研究

深水钻井隔水管涡激振动特性的数值模拟研究王嘉松;蒋世全;许亮斌【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2015(000)001【摘要】深水钻井隔水管作为深水油气开发的关键部件必然面临涡激振动及其疲劳损坏这一重大安全问题，正受到广泛关注。

基于精细流场模拟并耦合结构动力响应的流固耦合方法是准确分析隔水管涡激振动特性的必然趋势。

文中总结了“十一五”期间和正在进行的“十二五”课题在数值模拟方面的部分研究成果，针对简化的和实际尺寸的隔水管所涉及的涡激振动问题，提出高精度流固耦合分析技术，建立了隔水管涡激振动分析可靠的物理模型、数学模型和数值模拟方法。

通过对比实验验证了模型的可靠性。

基于简化和实际情况下（海况、结构、尺寸等）钻井隔水管涡激振动进行了大量的数值模拟研究，给出了高雷诺数下具有实际海况的几种典型洋流条件，如剪切流、亚临界和临界流条件下实际尺寸隔水管的涡激振动特性，以及顶部张力控制隔水管涡激振动的效果。

【总页数】6页(P30-35)【作者】王嘉松;蒋世全;许亮斌【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240;中海油研究总院，北京100028;中海油研究总院，北京100028【正文语种】中文【中图分类】TE21【相关文献】1.深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型 [J], 付强;毛良杰;周守为;王国荣2.深水钻井隔水管“三分之一效应”的发现——基于海流作用下深水钻井隔水管变形特性理论及实验的研究 [J], 周守为;刘清友;姜伟;毛良杰;杨秀夫;刘正礼;王国荣;黄鑫;石晓兵3.不同预紧力时隔水管涡激振动特性三维数值模拟研究 [J], 王成官;王嘉松;田中旭;乔信起;蒋世全;许亮斌4.辅助管线对深水钻井隔水管涡激振动影响分析 [J], 殷志明;鞠少栋;陈国明;畅元江5.超深水钻井隔水管-井口系统涡激振动疲劳分析 [J], 孙友义;鞠少栋;蒋世全;陈国明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

深水钻井平台-隔水管系统波激疲劳分析

深水钻井平台-隔水管系统波激疲劳分析张慎颜;刘秀全;畅元江;陈国明【摘要】平台运动是深水钻井隔水管系统波激疲劳的主要来源之一.传统的隔水管波激疲劳分析不考虑或简化钻井平台运动,为了更精确地评估隔水管系统波激疲劳损伤,建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统动力学模型及波激疲劳损伤评估方法,开展了动力定位和锚泊定位模式下的隔水管系统动力学响应及疲劳损伤分析,深入揭示深水钻井隔水管系统波激疲劳动力学特性.结果表明,两种定位模式下的平台-隔水管系统受波浪载荷的影响,在常规波浪频率范围内发生波频振动,锚泊定位模式下的平台-隔水管系统还呈现一定的低频特性;两种定位系统下的深水钻井隔水管系统疲劳损伤最大值均发生在隔水管系统顶部,锚泊定位模式下的隔水管系统波激疲劳损伤变异系数较大,动力定位系统下的隔水管系统波激疲劳损伤较大.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2019(023)007【总页数】8页(P843-850)【关键词】钻井隔水管;动力定位模式;锚泊定位模式;波激疲劳;疲劳损伤【作者】张慎颜;刘秀全;畅元江;陈国明【作者单位】中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛 266580;中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛 266580;中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛 266580;中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛 266580【正文语种】中文【中图分类】TE520 引言深水钻井隔水管系统是连接海底井口和海面浮式钻井平台的关键装备，钻井作业过程中隔水管系统受到波浪载荷和平台运动的综合影响，发生复杂的波激振动进而产生波激疲劳损伤，且随着服役时间的增加隔水管系统波激疲劳损伤不断累积，隔水管系统波激疲劳损伤过大时易发生疲劳断裂，严重影响深水钻井作业安全[1] 。

因此，有必要开展深水隔水管系统波激疲劳损伤研究，准确评估隔水管系统波激疲劳损伤，识别其健康状态，为隔水管系统疲劳寿命管理提供技术支撑，以防止隔水管疲劳断裂事故的发生。

深水钻井隔水管横向振动振型分析

深水钻井隔水管横向振动振型分析
韩春杰;姜继帅;袁建;马文倩;荆国林
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2024(51)3
【摘要】为了分析深水钻井隔水管的横向振动固有频率和振型,综合考虑深水隔水管受到的顶部张紧力、海洋环境载荷、钻井平台漂移等作用力,借助微元法建立受力分析模型。

根据连续梁理论和隔水管单元的动力学微分方程,确定其无阻尼自然振动基本方程,并进一步剖析建立隔水管横向振动固有频率微分方程和模态振型基本方程,然后进行数值求解。

使用控制变量法逐步分析隔水管长度、张力比、自身材质对隔水管固有频率的影响和变化规律。

通过MATLAB软件表现出不同阶数的振动振型,结果表明:控制张力比、合理选择隔水管类型能够有效提高固有频率,避免与波流力形成共振,进而保证深水钻井作业安全。

此外,隔水管的振型并不是标准正弦曲线,振型会受时间的影响不断变化。

【总页数】7页(P456-461)
【作者】韩春杰;姜继帅;袁建;马文倩;荆国林
【作者单位】东北石油大学物理与电子工程学院;东北石油大学化学化工学院;山东华宇工学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE951
【相关文献】
1.深水钻井工况下隔水管横向振动特性研究
2.深水隔水管横向振动力学分析
3.浮式平台运动对深水钻井隔水管安装过程横向动力特性的影响分析
4.深水钻井隔水管-生产立管群干涉振动分析
5.深水环境下隔水管的横向自由振动分析
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深井钻柱振动规律的分析及应用

深井钻柱振动规律的分析及应用韩春杰;阎铁;毕雪亮;陈要辉【摘要】钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象,对钻井的影响很大,钻柱共振是钻柱失效的主要原因.文章研究深井钻柱的振动问题,以深井钻柱为研究对象,分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动.首先,建立了深井钻柱各种振动的力学模型,获得了钻柱振动所遵循的物理规律,得到了钻柱的各种共振频率.然后,结合实际对振动规律进行了应用,该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据.【期刊名称】《天然气工业》【年(卷),期】2005(025)009【总页数】4页(P76-79)【关键词】深井;钻井;纵向振动;钻柱横向振动;扭转振动【作者】韩春杰;阎铁;毕雪亮;陈要辉【作者单位】大庆石油学院;大庆石油学院;大庆石油学院;大庆石油学院【正文语种】中文【中图分类】工业技术-J.• i--~ 天然气工业2005 年 9 月深井钻柱振动规律的分析及应用普韩春杰阎铁毕雪亮陈要辉｛大庆石油学院〉事事春杰等．深井钻柱振动规律的分析及应用．天然气工业， 2005;25(9) , 76～ 79摘要钻位振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。

文章研究深井钻柱的振动问题．以深井＋伊拉为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动．首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型．获得了钻柱振动所遵循的物理规律．得到了钻柱的各种共振频率．然后．结合实际对振动规律进行了应用．该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据．主题词深井钻井纵向振动钻柱横向振动扭转振动随着钻井技术的不断提高．勘探开发是国内外钻井的主要丁．作之一，已取得了很大的经济效益和社会敢益，然而深井钻具疲劳失效问题也比较突出。

钻柱的剧烈振动是引起深井钻具失效的主要原因，因为钻柱在剧烈振动的过程中，钻柱表面的应力集巾，应力较大处可能产生裂纹，裂纹延伸到一定程度时．钻柱会安然发生断裂事故．本文针对深井钻具失敢问题．进行深井钻具组合的钻柱力学分析，找出影响钻柱断裂、疲劳破坏的主要因素，提出减少钻具失效的方法和手段，对于提高深井钻井速度．降低钻井戚本有重要意义。

海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用

海上钻井平台隔水管振动特性研究及应用隔水管是海上自升式钻井平台石油钻井的第一个环节，应用三角级数描述用隔水管的挠曲方程，同时根据雷利法（L.Rayleigh）在求得隔水管系统的相对变形以后，由系统的能量平衡求得其振动频率方程，应用这种方法对于我们研究隔水管的振动特性及其对于钻井作业状态的影响，在海洋石油钻井工程中有很重要的指导意义。

通过隔水管振动特性与钻柱横向振动的结合，可以在钻井作业的转速选择上提供参考依据，将钻柱与隔水管的谐振研究与作业安全结合起来，对于统筹管理海上钻井作业有着重要的现实意义。

标签：海上钻井平台;隔水管;挠曲方程;横向振动;固有频率1隔水管振动特性研究意义自升式钻井平台在海上进行钻井作业时，通常在海底泥线钻孔一定深度后下入30”隔水管，由此建立钻井液的闭式循环系统，隔水管施工作业质量关系到该井后续各工序的顺利与安全。

隔水管顶部通过钢索与钻井平台连接固定，泥线以下部分用水泥浆封固。

作业中由于隔水管的振动加上与海流的作用，造成表层钻进时，钻柱与隔水管之间的敲击与振动，以致隔水管的快速接头处发生严重的偏磨，其磨损严重的个别管子接头处，深度竟达到10～15mm之多，由此可见：研究隔水管的横向振动问题，选择合理的钻井参数避免钻具与隔水管之间的谐振，对于我们保护和使用好隔水管，保证钻井作业安全，具有重要的现实意义。

2 隔水管的挠曲变形分析2.1隔水管的挠曲方程数学模型推导我们知道：通常情况下，隔水管在海上使用时，采用先钻孔后下入隔水管再用水泥浆封固的方法，但通常均是隔水管入泥线以下约50m，因此我们可以将底部视为插入的嵌固端，而在隔水管的顶部我们则是在其上部用4只1-3/4”的大顶丝将其顶在钻井平台井口平台的中心，这样就相当于一个上下可以滑动的固支端。

为研究问题方便起见，我们首先沿隔水管的轴线方向建立坐标，为研究问题简便起见，我们暂不考虑隔水管受到的波浪力，仅考虑隔水管受到顶部的轴向力P，可知此时隔水管的挠曲方程，用三角级数方程表示十分简便和快捷，此时的挠度曲线方程为：[1]将上式写成和的形式可得到：由于系数an的增量dan引起的位移增量为：在隔水管柱的轴向方向，轴力P做功为：此时应变能的增量为：由于隔水管质量连续分布，在其上作用有均布载荷q，则均布载荷也要做功。

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高雷诺数环境，对高雷诺数下的圆柱ＶＶ进行数值模拟就变得尤为重要。本文对维圆柱的自激振动Ｉ
进行数值模拟，针对隔水管在海洋环境中的真实雷诺数火小进行仿真，较好地再现了Ｋａａ、ｈｌｋ
基于ＲＧｋ￡Ｎ一湍流模型与动网格技术，针对隔水管在海洋环境中的实际雷诺数范围，对管柱涡激振动进
行数值模拟。数值模拟再现了圆柱响应的三个分支：初始分支、高幅分支与低幅分支，与经典实验吻合良
好，同时清晰地捕捉到了漩涡泄放的２模式与２模式。研究发现在解锁区内存在一个振幅显著低于低幅分ｓＰ
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式中，ｍ为圆柱质量：ｍ为流体附加质量；Ｃ、ｋ分别为振子的阻尼系数与刚度系数；
支且大小稳定的响应分支，其响应频率仍锁定在固有频率上，称之为 “ 超低幅分支”。在低幅分支与超低幅分支中，发现升力系数中存在高阶频率；升力系数中高阶频率的出现是导致圆柱响应由高幅分支向低幅
分支转变的主要原因。
关键词：隔水管；涡激振动；数值模拟；动网格；响应分支
式中，
系数。
为湍动粘度：Ｇ是由于平均速度梯度引起的湍动能ｋ的产生项；
１２弹簧振子模型．以弹簧振子模型（如图１示）所描述圆柱体的单自由度振动，振动控制方程为：
（＋１）＋＝ｍ１＋＂１
流动呈混乱状态，这时即使边界条件保持不变，流动也不是稳定的。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程ＳＮ．方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。工程中广为采刖的方法是对瞬ｔＳｌ态Ｎ—方程做时间平均处理，同时补充反映湍流特性的其他方程，湍动能方程和湍动耗散率方程等。Ｓ如Ｒｙｏｄ平均法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。笔者采用Ｒ一ｅｎｌｓＮＧｋ模型模拟湍流宏观效应，结合非平衡壁面函数能够很好地处理壁面流体剪切层分离流动。
深水钻井隔水管柱自激振动响应分析
孙友义１陈国明，２，鞠少栋
（．中国石油大学海洋油气装备与安全技术研兖中心，东营２６；１５１７０
２．中海油研究总院技术研发中心博士后工作站，北京１０２）００７
捅姜
Ｗｉｉｏ以及Ｇｖｒｈｎ１］于低质量阻尼圆柱体涡激振动的实验结果。ｌａｎｌｍｓｏａｄａ等［５－关
１分析方法与分析模型
１１流体动力学控制方程．
对于二维平面势流问题，忽略流体的呵压缩性，以及流动过程中的热量传递与气泡产生，则质繁守恒方程（连续方程）与动量守恒方程（Ｓ程）以表示如下：Ｎ—方可
Ｖ・ｖ＝０（）１
８＋Ｖ ‘ｖＶＶｔ（。）＝Ｌｐ十
。
（）２
金项目：嘲家高技术研究发展计划（“ ６ ”汁划）８３资助项目（．０Ａ０Ａ１６４Ｎｏ２６Ａ９０ —）０
孙友义，等：深水钻水管柱Ｉ激振动响应分析ｔ隔矢量：ｖ表示散度；，为体力矢量；为流体密度；Ｐ为流体微元体上的压力；为流体动力粘性系数。连续方程和Ｎ．Ｓ方程是流场控制基本方程，结合具体边界条件和初始条件使得方
程封闭，可以求解得到流场分布。实际海洋环境下，隔水管所在海水流动往往处于湍流状态。湍流状态下，流动微粒随机性较强，
０引言
关于圆柱体涡激振动的数值模拟，国内外学者已做了较多的研究工作。这些工作多局限于低霄诺数，同时对受迫振动的关注远多于自激振动。实际的海洋细长结构物所处雷诺数范围在ｌｌ４ｌ１ｘ０￣ｘ０之问，且其振动形式是自激的。管受迫振动的预测结果对于自激振动预测具有借鉴意义，但二者从本质＿仍有很大不同，如受迫振动中观察到的某些漩涡泄放形式（＋模式）卜如ＰＳ不会出现在自激振动中。由于ＶＶ及到许多复杂的物理现象如湍流、流耦合，加上数值计算内在的不稳定性及精度问题，Ｉ涉