基于多弹簧-空间梁有限元模型的海上热采管柱力学分析

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基于ANSYS有限元分析的海底管道变形数值模拟

Ａｈｓｔｒａｃｔ：Ｉ）ｌｉｅｌｌ｝ｌ｝ｌｌｋｇｇｍｇ ’ ＨＩＩ（！ｈ（）Ｉ ’ ｄａｍａｇｅ．ａｓｕｂｎｍｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｆａｉｌｅｄａｎｄｄｅｉｆ）ｒｍｅｄ．Ｂａｓｅ＜１０１１ｉｎｆ．，ｌｌｌＡ；ｔｉｏｌｌＩｌＩｌ｝ＩＩ ‘ ｌｈ一
２１）１７ｑ
管道技木ｔ
２０ｌ７
３Ｉ９Ｊ
Ｎ【１．３
基于ＡＮＳＹＳ有限元分析的海底管道变形数值模拟
杨中娜，杨阳，李瑞Ｊｌ１
０引言
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钢管两侧防护层均有破裂，防惜破裂
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Ｋｅ）、＾ｏｒｄｓ：、、、：ｆｉｎｉｌ＋ｒｈ『Ｉ１ｔＩＩｌａｎａ１） ’ ｓｉｓ；ｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉ（ ’ ａｌｓｉｎｎｄａｔｉｏｎ
（中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津３００４５２）
摘要：苌海底管道由于拖锚损伤导致局部失效变形。文中基于变形管道的偏移量、着力点破坏程
度、塑性变形区域等信息，通过ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对管道在锚拉力作用下的变形过程进行故仉

复杂载荷作用下海洋非黏结柔性管道三维受力特征分析

复杂载荷作用下海洋非黏结柔性管道三维受力特征分析作者：狄勤丰陈薇张鹤陈锋王文昌周永其来源：《计算机辅助工程》2017年第06期摘要：针对海洋柔性管道结构特征复杂、受力分析困难、复杂载荷作用下力学机理不明确的问题，考虑各功能层层内和层间的摩擦接触行为，建立某海洋非黏结柔性管道三维非线性有限元模型，分析其在内压、外压、轴向力和扭矩作用下的受力特征。

研究结果表明：海洋非黏结柔性管道在外载荷作用下容易产生波节性变形特征；外压主要由外侧抗压铠装层承担，内压主要由内侧抗压铠装层承担，轴向力主要由抗拉铠装层承担，扭矩主要由与其旋向相反的抗拉铠装层承担。

参考该分析结果，可有针对性地对某特定功能层进行优化设计以提高海洋非黏结柔性管道的预期力学性能。

关键词：海洋柔性管道；非黏结管道；摩擦接触；复杂载荷；应力特征中图分类号： TB124；TE53文献标志码： B收稿日期： 2017[KG*9〗08[KG*9〗26修回日期： 2017[KG*9〗08[KG*9〗30基金项目：国家自然科学基金（U1663205，51174130）；上海市重点学科建设（S30106）；上海市部分地方院校能力建设（12160500200），上海市教育委员会（高峰学科建设项目）和上海市青年科技英才扬帆计划（17YF1428000）作者简介：狄勤丰（1963—），男，江苏溧阳人，教授，博士，研究方向为石油工程力学问题，（Email）qinfengd@通信作者：陈锋（1986—），男，浙江松阳人，讲师，博士，研究方向为有限元仿真分析，（Email）chenfeng536@3D mechanical characteristics analysis ofmarine unbonded flexible pipe under complex loadsDI Qinfeng1a， CHEN Wei1a， ZHANG He1a， CHEN Feng1b，WANG Wenchang1a， ZHOU Yongqi2（1. a. Shanghai Key Laboratory of Mechanics in Energy Engineering， Shanghai Institute of Applied Mathematicsand Mechanics； b. School of Mechatronics Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200072， China；2. Shanghai Hilong Petroleum Tubular Goods Research Institute， Shanghai 200949， China）Abstract： The structural characteristics of the marine unbonded flexible pipe is very complex，so it is difficult to analyze the mechanical characteristics of the pipe， and the mechanical mechanism of the flexible pipe under complex loading is not clear. A 3D nonlinear finite element model of marine unbonded flexible pipe is built considering the friction contact behavior of each layer. The stress characteristics of internal pressure， external pressure， axial force， and torque on flexible pipe is analyzed. The analysis results show that the deformation characteristics of marine unbonded flexible pipe usually appears wave shape under external pressure； the external pressure is mainly borne by outer pressure armor layer， the internal pressure is mainly borne by the inner pressure armor layer，the axial force is mainly borne by the tensile armor layer， and the torque is mainly borne by the tensile armor layer of reverse rotating direction. The results can supply pointed references for the optimum design on a specific functional layer to improve the expected mechanical properties of marine bonded flexible pipe.Key words： marine flexible pipe； unbonded pipe； frictional contact； complex load； stress characteristics0引言随着陆地油气资源开采力度的日渐加大和油气储量的不断减少，海洋石油资源已经成为人们关注的焦点和新一轮油气勘探开发的热点。

海上生产管柱优化设计论文-优化设计论文-设计论文

海上生产管柱优化设计论文-优化设计论文-设计论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——1生产管柱受力分析1.1轴向应力生产管柱的轴向应力应该包括管柱的自重、井内钻井液的浮力、压力载荷、弯曲载荷、冲击载荷、温度载荷、管柱屈曲以及管柱摩阻等因素的共同作用。

1.2轴向应力弯曲载荷当管柱发生弯曲时，由于狗腿度所产生的弯曲应力会产生附加的轴向力，计算中考虑了弯曲应力产生的附加轴向力的影响。

1.3三轴应力当三轴应力超过屈服强度时，就会引起管柱屈服失效。

三轴安全系数是材料屈服强度与三轴应力的比值，只是为了与单轴破坏准则（屈服强度）进行比较而设立的一个理论值。

2海上生产管柱结构设计实例分析海上高温高压气井生产管柱需要满足气井全寿命周期内压力温度的变化，同时需重点分析高温高压气藏的应力敏感、井筒承压能力、现有海上施工工艺的成熟度、海洋作业环境以及后期修井措施等问题，确保施工作业的顺利进行、气井开发的安全高产。

陆地高温高压气田常规射孔生产联作一趟下入的管柱形式能否满足海上气田生产和修井要求，还需进行进一步分析。

以东方气田Ｄ２井为例，对一趟下入式和两趟下入式生产管柱分别进行了深入的分析。

东方气田Ｄ２井的目的层为黄流组，压力因数１．５０～１．９３，地温梯度４．１７℃／１００ｍ，完钻井深３３５８ｍ，１７７．８ｍｍ（７ｉｎ）尾管回接完井。

2.1井筒温度预测分析利用Ｗｅｌｌｃａｔ软件对洗井结束、开始生产、开始生产后关井、生产１ａ后、生产１０ａ后这５种工况的井筒温度进行了预测和分析。

由于地层与井筒和井筒内流体的传热作用，随着深度的增加，流体和井筒的温度是增加的，并最终趋向于井底的地层温度。

开始生产时从井口到井底的温度变化是最小的，但是温度是最高的。

生产１０ａ后井口温度明显降低，这是由于长时间生产造成地层压力降低导致产量降低，并最终导致井口温度明显降低的显著原因。

2.2射孔生产联作一趟下入式生产管柱受力分析Ｄ２井射孔联作一趟下入式生产管柱。

海上高温超低压气井二次完井管柱受力分析

完井管柱在井下的变形包括横向变形和纵向变形，其中纵向变形行变量比横向变形行变量大很多，如果管柱的纵向行变量过大，存在提前解封封隔器风险，影响封隔器管柱的安全性；如果管柱的横线形变量过大，可能造成管柱变形或被挤毁，影响管柱的内
56
通径尺寸，对管柱的正常生产造成影响。井筒温度和压力的变化会影响到管柱在井下的受
生产管柱入井后，会发生初始伸长，一方面是由于油管自重，另一方面由于油管温度由常温变为地层温度而发生的伸长，受力情况基本稳定。当气井正常开井生产后，管柱温度由初始的地层温度变化为生产温度，温度变化引起管柱的受力重新发生变化。各种效应所发生的管柱形变量计算结果见表1。因封隔器正常坐封在套管内，当管柱发生形变时，封隔器的位置不发生变化，导致封隔器受力发生变化，所受合力为 71.53t，方向向下。该井完井管柱选择的封隔器为永久式封隔器，抗拉强度大于受力值，在封隔器的安全工作范围内。
表1 生产管形变长度值
深度m
顶部 0 3740
胡克定律（mm）
-4164 -484
屈服（mm）
-56 -0
膨胀温度（mm）（mm）
371 3848 126 358
总计（mm）
0 0
3.2 管柱密闭环形空间校核
设计该井完井管柱中生产封隔器的坐封位置为 3300m，当封隔器坐封后，在0~3300m和3300~3470m 将形成2个环形密闭空间：区域1和区域2。当A4井正常
Stress analysis of secondary completion string of offshore high temperature and ultra-low pressure gas well Zhou Zhenyu

ABAQUS海洋工程应用

二、ABAQUS软件应用介绍
1. 汽车工业
ABAQUS已经成为汽车工业中动力系统可靠性分析的标准软件。ABAQUS是最早的可以高精度模拟螺栓预紧力和垫片密封的有限元软件。世界各大汽车公司，如通用汽车公司等，均大量采用ABAQUS进行汽车动力系统的分析，图1所示的动力系统模型用于进行自由振动的特征值提取分析。
四、ABAQUS软件的inp文件介绍
类似于ANSYS软件中的参数化建模方式，我们可以通过ABAQUS的输入文件(inp) 建立分析问题的计算模型、进行求解和提取结果。 4.1 ABAQUS的输入文件 ABAQUS的输入文件由模型数据和历史数据两部分组成。模型数据定义一个有限元模型，包括单元,节点，单元性质，定义材料等等有关说明模型自身的数据。历史数据定义分析的类型，载荷，输出要求等。分析的目的就是预测模型对某些外部荷载或者某些初始条件的响应。一个ABAQUS分析是建立在多个分析步骤的基础上的。在分析中可以定义多个分析步骤。 ABAQUS的输入文件有自己的结构形式和语法规则。
ABAQUS的输入文件指令被称为关键词，这些关键词被写入到 inp文件当中，可以完成前处理、求解和结果后处理整个分析过程。使用关键词的ABAQUS/AQUA模块的输入文件模板为：
谢谢大家！ຫໍສະໝຸດ 1.2 ABAQUS的主要分析模块简介 ABAQUS 有两个主要的分析模块： ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。ABAQUS/Standard 还有两个特殊用途的附加分析模块： ABAQUS/Aqua 和 ABAQUS/Design。另外， ABAQUS 还有分别与 ADAMS/Flex，C-MOLD 和 Mold flow的接口模块等。 ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，它能够求解领域广泛的线性和非线性问题，包括静力、动力、热和电问题的响应等。 ABAQUS/Explicit 是隐式分析模块，适用于像冲击和爆炸这类短暂，瞬时的动态事件，是求解复杂非线性动力学问题和准静态问题的理想程序，特别是用于模拟冲击和其它高度不连续事件。

测试管柱力学分析

卸载时轴向力分析
Ft
Ff
WFfFb源自由静力平衡知：Fb Ft F f W
卸载时轴向力分析
F区：本段的特点是，在相当长的一段卸载过程中，管柱上下端轴向力基本相等。这段对应管柱从完全贴向井壁的螺旋屈曲慢慢变直，并趋向离开井壁过程。此段摩擦力正好等于自重，两端的轴向力等于管柱的弹性恢复力。
测试管柱分析
目的意义：
对深井和高温高压井测试时，为了对整个测试过程实现安全、可控的目的，必须对地下测试管柱进行安全分析。
与地面管汇不同的是，从管柱下入井中开始，管柱的受力与变形情况就不可能进行实时观测，因而只能通过井口压力、
测试管柱分析
温度、流量等数据进行反算。对于高温高
压井测试，一旦反算不准确，极有可能发
螺旋屈曲阶段
加载到0点后，开始卸载，直到 Z点卸载结束。图中从P点到Z点，轴向力的变化趋势基本为一直线，但是载荷同样出现浮动现象。值得注意的是，卸载段的峰谷值点与加载段的峰谷值点相对应，Q点对N点，R点对M点，S点对 L点，T点对K点，U点对J点，V点对H点，W点对G点，X点对E点。这反应了管柱变形的形成与恢复时轴向力的对应关系，同时也证明了数据的可靠性。
管柱与井壁的接触力比较大。
加载时轴向力分析
下图中给出了加载过程中的底端和顶
端轴向力，其中上面的曲线为底端轴向力，下面的曲线为顶端轴向力，为了分析方便，
把加载段用几条竖线分开，分别标为A、B、
C、D区。
加载时轴向力分析
加载时轴向力分析
A区：相对于平面弯曲阶段。由于平面弯曲时管柱起始不接触井壁，后来即使接触井壁，接触力也比较小，所以摩擦力不大，对轴向力的传递影响不明显，管柱两端轴向力基本平行，其差值为管柱自重。

管柱力学大作业 (修改版)

工程背景国外在20世纪80年代中期开始研究水平井压裂增产改造技术，最初是沿水平井段进行笼统压裂。

近年来随着非常规油气资源的大规模开发和水平井的大规模应用，水平井分段压裂技术得到充分发展，压裂段数和精度都得到显著提高，目前水平井分段压裂改造技术逐渐成熟。

近年来，国内也已经建立起比较完整的水平井分段压裂技术与井网优化设计方法，同时目前国内对水平井分段压裂工艺技术的研究和试验一直在不断地探索。

在分段压裂过程中，整个井下压力，温度变化较大，会引起油管的伸缩，膨胀等变化，如不进行合理的力学校核，势必导致封隔器油管柱受力和变形发生变化,从而进一步影响到油管的强度和封隔器的密封效果,在高温高压深井、超深井作业中,这样的矛盾尤为尖锐和突出，所以目前压裂过程中的管柱受力已经成为影响压裂施工成败的关键因素之一。

本文对简化后的回接压裂油管的受力变形进行了分析。

略去封隔器上端水力锚的影=0）、忽略粘滞摩阻力、忽略回接插头与回接筒的响、忽略油套环空压力的变化（▽po阻力。

一.回接的压裂油管基本效应的力学模型建立上图是水平井分段压裂管柱示意图，图中悬挂器以下是水平段压裂管柱，由已知可知上部回接插头插入回接筒后下压300kN，并且管柱坐挂在井口，依据以上条件来分析回接油管的受力和变形情况，给出回接油管在不同地面泵压下管柱的轴向力和轴向变形。

回接压裂油管力学模型的建立主要考虑因素及其分析方法如下：1. 活塞效应由于回插管外径和油管外径不同，所以在环空存在面积差，由油管柱内外压力的变化引起油管的伸长或缩短的这种现象叫做活塞效应。

如图1-a 所示（油管的内径等于密封管的外径），p o 为环空压力，p i 为油管压力，A o 、A i 各为油管内外径截面积，A p 为密封管的内腔截面积。

因此有：向上的力： )()('1p i i i o o A A p A A p F -+-=向下的力：)(''1p i i A A p F -=假设向下的力为正，向上的力为负。

高温电潜泵注采一体化管柱自动Ｙ_工具设计

２０２３年第５２卷第５期第４３页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２３，５２（５）：４３５２文章编号：１００１３４８２（２０２３）０５０００４３１０高温电潜泵注采一体化管柱自动犢工具设计靳荣博，孟令坤，程文佳，霍寒旭，葛　垣（中海油田服务股份有限公司天津分公司，天津３００４５９）摘要：现有的稠油热采工艺普遍存在生产效率低、工艺流程复杂和液控管线数量较多的问题。

针对这些问题设计了一种适用于高温电潜泵注采一体化工艺的新型自动Ｙ工具，可以实现稠油热采过程中注入和生产通道的自动切换，简化了工艺流程，并减少了液控管线的数量。

介绍了自动Ｙ工具的设计原理、强度校核和有限元分析，并进行了常规功能性试验、流量试验和隔热试验。

结果显示，该自动Ｙ工具能够满足３５０℃高温电潜泵注采一体化的作业要求，隔热效果良好，最大流量为２．８６ｍ３／ｍｉｎ（１８ｂｂｌ／ｍｉｎ）。

关键词：电动潜油泵；注采一体化；自动Ｙ工具；工具设计中图分类号：ＴＥ９３３．９０３文献标识码：Ａ犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３４８２．２０２３．０５．００６犇犲狊犻犵狀狅犳犃狌狋狅犿犪狋犻犮犢犜狅狅犾犳狅狉犎犻犵犺犜犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犈犾犲犮狋狉犻犮犛狌犫犿犲狉狊犻犫犾犲犘狌犿狆犐狀犼犲犮狋犻狅狀犘狉狅犱狌犮狋犻狅狀犐狀狋犲犵狉犪狋犲犱犛狋狉犻狀犵ＪＩＮＲｏｎｇｂｏ，ＭＥＮＧＬｉｎｇｋｕｎ，ＣＨＥＮＧＷｅｎｊｉａ，ＨＵＯＨａｎｘｕ，ＧＥＹｕａｎ（犜犻犪狀犼犻狀犅狉犪狀犮犺，犆犺犻狀犪犗犻犾犳犻犲犾犱犛犲狉狏犻犮犲狊犔犻犿犻狋犲犱，犜犻犪狀犼犻狀３００４５９，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｈｅａｖｙｏｉｌｔｈｅｒｍａｌｒｅｃｏｖｅｒｙｐｒｏｃｅｓｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｈａｓｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｏｗｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗ，ａｎｄａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．ＡｎｅｗａｕｔｏｍａｔｉｃＹｔｏｏｌｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｕｍｐｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｓｅｉｓｓｕｅｓ．Ｉｔｃａｎａｃｈｉｅｖｅａｕｔｏｍａｔｉｃｓｗｉｔｃｈｉｎｇｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｈｅａｖｙｏｉｌｔｈｅｒｍａｌｒｅｃｏｖｅｒｙｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃＹｔｏｏｌ，ａｎｄｃｏｎｄｕｃｔｅｄｒｏｕｔｉｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｅｓｔｓ，ｆｌｏｗｔｅｓｔｓ，ａｎｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃＹｔｏｏｌｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆ３５０℃ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｕｍｐｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈｇｏｏｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄａｍａｘｉｍｕｍｆｌｏｗｒａｔｅｏｆ２．８６ｍ３／ｍｉｎ（１８ｂｂｌ／ｍｉｎ）．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｕｍｐ；ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ａｕｔｏｍａｔｉｃＹｔｏｏｌ；ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｏｏｌｓ我国的渤海地区存在丰富的稠油资源，已探明储量达到了２００多亿ｔ，具有很高的开采价值［１］。

沿海常规客船铝合金上建的有限元计算方法

沿海常规客船铝合金上建的有限元计算方法◎ 郭雷武汉理工船舶股份有限公司摘要：铝合金材料以良好的物理性能，在船舶领域已有广泛的应用，采用有限元计算方法可以减小铝合金构件尺寸，减轻重量，节约成本。

本文主要研究和探讨了沿海常规客船铝合金上建结构有限元计算方法的应用和发展。

关键词：沿海常规客船；铝合金上建结构；有限元计算方法和衡准1.前言铝合金具有较好的物理力学性能，易加工、强度高、重量轻、耐腐蚀性好、使用寿命长，同时绿色环保，可回收。

但是铝合金相对于钢材而言价格偏高，结合铝合金上述特点，对于追求经济性的商业客船来说，大多是上层建筑采用铝合金结构。

鉴于铝合金材料的高昂成本，从经济性角度考虑，希望能够在满足结构强度的前提下，尽量减少材料用量。

有限元仿真计算技术的成熟，使得结构轻量化设计有了技术支撑；同时船舶相关规范也在逐步完善，增加了有限元局部强度计算的方法和衡准，为设计人员提供了具体的依据和标准。

其中《海上高速船入级与建造规范》和《内河高速船入级与建造规范》最早对铝合金的有限元强度计算做了明确的规定，这为铝合金在高速船上的应用指明了方向，也加快了钢铝混合及全铝合金高速船的发展。

但相关规范一直没有明确沿海常规船舶的铝合金有限元计算方法。

2.沿海常规客船铝合金上建采用有限元计算的必要性沿海常规客船的用途一般都是交通运输或旅游观光，船东为了追求经济效益最大化，都会要求最大限度地增加出航时间。

因此船东在做设计任务时都提出最大的抗风等级需求（8级或9级），根据相关抗风等级核定办法，要达到8级或9级的抗风等级，沿海航区船舶的稳性需满足远海航区的稳性衡准要求，这就需要大幅提高船舶的稳性性能。

采用有限元仿真计算的方法确定沿海常规客船的铝合金上层建筑即可保证其强度、安全性，又能减小构件尺寸，减轻上层建筑重量，降低成本，降低整船的重心高度，提高船舶稳性性能。

3.沿海常规客船铝合金上建有限元计算方法的探索3.1材料及使用范围船舶设计及建造中应用校多的铝质材料是5083H321、5083H116普通铝板、6082T6系列的带筋板、带筋扣板及6082系列的型材（包括球扁铝、T型材、槽型材、方管等）。

海洋立管涡致耦合振动CFD数值模拟研究

海洋立管涡致耦合振动CFD数值模拟研究一、本文概述随着海洋资源的日益开发，海洋工程结构的安全性和稳定性问题越来越受到人们的关注。

海洋立管作为海洋石油和天然气开采中的重要组成部分，其工作环境恶劣，经常受到海流、波浪、涡流等多种复杂流体的作用，因此涡致耦合振动问题成为影响立管安全性和稳定性的关键因素之一。

为了深入了解涡致耦合振动的机理，有效预测和控制立管的振动行为，本文开展了基于计算流体动力学（CFD）的海洋立管涡致耦合振动数值模拟研究。

本文首先介绍了海洋立管涡致耦合振动的背景和研究意义，阐述了涡致振动的产生机理和影响因素。

详细介绍了CFD数值模拟的基本原理和方法，包括控制方程、湍流模型、网格划分、边界条件设置等，为后续研究提供了理论基础和技术支持。

接着，通过建立海洋立管涡致耦合振动的数学模型，对涡流与立管之间的相互作用进行了深入的分析和讨论。

在此基础上，开展了不同工况下的数值模拟实验，对比分析了不同流速、不同立管直径、不同涡流强度对立管涡致耦合振动的影响。

根据数值模拟结果，提出了控制涡致耦合振动的有效方法和措施，为实际工程应用提供了有益的参考和借鉴。

本文的研究不仅有助于深入理解海洋立管涡致耦合振动的机理和特性，也为海洋工程结构的安全性评估和振动控制提供了重要的理论依据和技术支持。

同时，本文的研究方法和成果也可为其他类似的流体结构耦合振动问题提供有益的参考和借鉴。

二、涡致耦合振动理论基础涡致耦合振动（VortexInduced Vibration, VIV）是海洋立管在流场中受到涡旋脱落引起的周期性力作用而发生的振动现象。

这种现象涉及流体动力学、结构动力学以及两者的耦合作用，是海洋工程领域的重要研究课题。

涡致耦合振动的理论基础主要包括涡旋脱落机制、振动响应模型以及流固耦合分析方法。

涡旋脱落是指当流体流经立管时，由于立管表面的不连续性，如立管直径的突变，使得流体在立管背风侧形成周期性的涡旋脱落。

这些涡旋脱落产生的周期性力会激发立管的振动。

深水多跨海底悬空管道的疲劳分析

深水多跨海底悬空管道的疲劳分析
余志兵，孙国民，戚晓明，高嵩
（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）
摘要：介绍基于疲劳分析准则的多跨海管自由悬跨评估方法，采用有限元分析软件Abaqus,结合管-
土相互作用参数，建立多跨海管数值计算模型，提出悬空管道模态分析方法，并基于Palmgren-Miner线性
(5)
式中：Fa为轴向抗力；foat为涂层有效系数，对聚
合物，一般取0.6。轴向摩擦系数冷=Fa/Qs。 (3) 侧向抗力侧向抗力包括被动土抗力和被动库仑摩擦阻力。被动土抗力计算式为
被动库仑摩擦阻力计算式为
F' = N
(7)
式中：〃c = tan+,其中+为内摩擦角。
侧向抗力Fr=Fp +F'。
于一0.5，即 Seff/PE〉一0. 5。
上述条件适用于单跨(孤立跨)，即悬跨的静态和动态特性不受相邻悬跨的影响。相反，在多跨中每个悬跨的静态和动态特性受到相邻悬跨的影响，即这些自由悬跨是相互作用的。上述推荐公式显然不适用。针对多跨问题，DNV-RP-F105规范建议采用近似的响应表达式或精确的有限元法进行自由悬跨分析，以获得应力幅值和固有频率。
4工程算例
4.1输入参数以中国南海某油气田采用的单层管道为例进行
多跨模态分析和疲劳评估。该管道为单层管，外防腐涂层为3层聚乙烯，厚度为3. 1 mm，密度为 940 kg/m3 ；管道总长度为27 km，设计寿命为 25 a。管道输送介质为油和水，密度为293 kg/m3 ；管道内腐蚀裕量为3 mm。管道结构相关设计参数如表1 所示)
第36 卷第3 期 2021年06月
文章编号：1001-4500（2021）03-0058-04

一种基于系统思维的海上油气田完井管柱设计方法

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司钻采工程研究院，天津３００４５９）
摘要：为了降低设计工程师技术水平参差不齐对技术方案的质量影响，通过多年来对海上油气田完井工程方案编制的总结与提炼，建立了一套 “从油气藏基础条件出发，分析功能需求，优化工艺方式，明确上下游专业界面要求，多轮次方案讨论，形成优化方案”的系统性设计方法。该方法有助于设计师形成 “自下而上”层层推进的思维模式，不缺不漏、全面高效地完成方案编制工作。关键词：海上油气田；完井工程；设计；方法中图分类号：ＴＥ２５７文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００８．２３３６．２０１６．０１．０７８
深海法第二条规定：“本法所称深海海底区域，是指中华人民共和国和其他国家管辖范围以外的海床、洋底及其底土。”
１整体性认识完井工程的作用
海上油气田完井方案设计，是一项以油气田地质研究、油气工程方案为基础和依据，基于钻
收稿日期：２０１５．１２—１７；改回日期：２０１６—０１—０７第一作者简介：孟召兰，女，１９８５年生，工程师，毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，从事海上油气井完井工程方案编制及科研工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｅｎｇｚｈｌ＠ｃｎｏｏｃ．ｔｏｍ．ｃｎ。
（Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＮＯＯＣＥｎｅｒＴｅｃｈ，７３ａｎｊｉｎ３００４５２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｄｕｅｔｏｔｈｅｄｉｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｌｅｖｅｌｏｆｄｅｓｉｇｎｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ｔｈｒｏｕｇｈｓｕｍｍａｒｙａｎｄｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｏｎｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｗｅｌｌｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ，ａｓｅｔｏｆｓｙｓｔｅｍｉｃｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｓｅｔｕｐ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｒｅｓｅｒｖｏｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅ— ｍｅｎｔｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｍａｋｅｃｌｅａｒａｂｏｕｔｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｄｉｓｃｕｓｓａｂｏｕｔｓｃｈｅｍｅｆｏｒｓｅｖｅｒａｌｒｏｕｎｄｓａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｈｅｌｐｆｕｌｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｎｇｉｎｅｅｒｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｔｈｉｎｋｉｎｇｍｏｄｅｏｆ”ｂｏｔｔｏｍ—ｕｐ”ｌａｙｅｒｂｙｌａｙｅｒ，ｎｏｔｍｉｓｓｉｎｇ，ａｎｄａｌｓｏｈｅｌｐｆｕｌｔｏｅｆｉｃｉｅｎｔｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｏｆｐｒｏｇｒａｍｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｆｓｈｏｒｅｏｉｌａｎｄｇａｓｆｉｅｌｄ；ｗｅｌｌｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ；ｍｅｔｈｏｄ

船舶和海洋结构物建造中的计算焊接力学进展

船舶和海洋结构物建造中的计算焊接力学进展王江超;周宏;吴正峰;杜仕忠;鞠理杨;刘建峰【摘要】针对薄板结构的失稳现象,基于固有变形理论和弹性有限元分析,预测其焊接失稳变形分布、失稳变形模态及对应临界失稳条件;针对海洋平台中厚板的多层多道焊问题,热弹塑性有限元分析需要消耗大量的计算机资源以及计算时间,且计算精度不易确保,这就需要应用更先进的数值分析方法进行研究,若得到焊接残余应力的精确分析结果,则可用于焊接接头和结构的强度、断裂等性能的评估.总结当前轻量化造船中薄板结构的焊接失稳变形,以及海洋平台用大厚板结构多层多道焊的残余应力等计算焊接力学的进展,并归纳了影响焊接接头力学性能的因素.【期刊名称】《造船技术》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】8页(P64-70,92)【关键词】轻量化造船;海洋平台厚板;数值计算;焊接变形;残余应力【作者】王江超;周宏;吴正峰;杜仕忠;鞠理杨;刘建峰【作者单位】华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;南通振华重型装备制造有限公司,江苏南通226017;南通振华重型装备制造有限公司,江苏南通226017;上海外高桥造船有限公司,上海200137;上海外高桥造船有限公司,上海200137【正文语种】中文【中图分类】U6710 引言船舶及海洋结构物大多采用不同厚度的钢板进行建造，而焊接作为主要的金属连接方式被广泛应用。

在焊接过程中和焊后，变形和应力作为基本的力学响应将不可避免地产生。

焊接瞬态变形将严重影响焊接过程的顺利进行，而焊后变形则会影响焊接结构的制造精度。

采用焊后矫正工艺会提高生产成本，并延长建造周期；焊接残余应力会严重影响焊接结构的力学性能以及使用寿命。

对于薄板焊接接头，由于热源基本贯穿厚度方向，故可描述为在厚度方向无应力的平面应力问题，对其进行分析求解。

油气测试管柱力学分析与优化设计软件及应用

油气测试管柱力学分析与优化设计软件及应用作者：金玉堂李云超王涛来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2016年第04期摘要：在对油井进行测试的时候，特别是在对高压气井、水平井、超深井等进行测试的时候，因为测试关注在管内外压力、轴向力、扭矩、弯矩、温度等因素的作用下，其都可能会出现较为复杂的应力和形变，甚至很多时候可能会出现管柱断脱等情况发生，基于此，需要做好油气测试管柱力学分析和优化的设计软件，本研究针对于此主要分析油气测试管柱力学分析与优化设计软件的应用，希望所得结果可以为相关领域提供有价值的参考。

关键词：油气测试；管柱力学分析；优化设计软件中图分类号： TE2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-143-20 引言在进行油井测试的时候，特别是对于高压气井、超深井等进行测试的时候，进行测试的测试管柱可能会因为各种外力作用的原因发生形变，出现各种复杂的应力和应变，严重的时候可能会导致管柱出现断脱和屈服破坏。

所以为了更好地进行现场作业，对油气测试管柱力学进行分析和优化，并做好设计软件的指导和设计工作，以此来进行施工指导，能够在很大程度上确保油气测试的正常进行。

1 油气测试管柱力学分析软件的相关情况分析1.1 油气测试管柱力学分析软件的介绍油气测试管柱力学分析软件需要在对油气进行调查测试作业过程中，对其所存在的力学和强度问题进行研究，要确定所要解决的问题，并根据作业过程对数学模型进行建立，做好软件的开发环境，布置好项目管理并将数据输入其中，然后进行力学分析模块的编写工作，并做好辅助模块的编写工作，最后进入试用阶段[1]。

油气测试关注力学分析软件能够对油气测试管柱在起下过程中，油管的拉力和扭矩进行分析，并分析测试过程中的油管力学，它能够对井下的受力状况进行分析，优化设计油气测试管柱。

分析这款软件的设计开发环境，这款软件的运行系统主要为中文的windowsXP+office2003以上的系统，如果系统的配置比这个系统较低，那么软件可能不能安装，而软件的开发语言Visual Basic和TeeChart。

管道应力分析中弹簧支吊架的应用探讨_黄辉辉

CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2012，22(6)管道应力分析中弹簧支吊架的应用探讨黄辉辉*朱景梁朝旭中国化学工业桂林工程有限公司南宁分公司南宁530023摘要介绍弹簧支吊架串、并联的使用；分析多工况应力计算时CAESARⅡ中弹簧支吊架的参数输入需要注意的问题，结合实际阐述弹簧支吊架理论安装荷载与实际安装荷载的关系；最后简要介绍几种典型的节省弹簧支吊架的工程应用实例。

关键词弹簧支吊架应力分析美国COADE公司的CAESARⅡ管道应力分析软件作为国际较为流行的管道应力分析软件，已被越来越多的工程公司和应力工程师所采用，但是，在使用该软件建模时需要具有一定的工程经验，否则在数据方面会出现一些不必要的偏差，导致应力分析结果不准确。

承重管道支吊架主要用于支吊管道的重量，分为刚性支吊架、弹簧支吊架［1］。

刚性支吊架适用于没有垂直位移或垂直位移很小的场合。

当管道与支吊架生根部位的相对垂直热位移较大且方向向上时，如采用刚性支吊架，可能造成支吊架脱空，起不到支吊架的应有作用；当管道与支吊架生根部位的相对垂直热位移较大且方向向下时，如采用刚性支吊架，不但会使支吊架过载，支吊架难以承受，还会导致管道应力和设备受力超标［2］。

在这两种情况下，必须采用弹簧支吊架。

因弹簧支吊架既能承受荷载，又允许在支吊点处管道存在垂直热位移，所以可避免支吊架脱空和过载的问题。

虽然使用弹簧支吊架可避免脱空和过载，但与刚性支吊架相比，弹簧支吊架也有不足之处：①价格较贵，弹簧支吊架的价格是刚性支吊架的几倍；②可靠性较差，弹簧在长期工作状态下有失效的问题；③稳定性较差，弹簧支吊架的刚度远低于刚性支吊架；④占用空间大，弹簧支吊架本身体积较大，管道支吊点附近要为安装弹簧支吊架预留一定的空间，在管道密集处或空间较紧张区域难度较大；⑤设计、安装较复杂，对于悬吊式的弹簧架，要选用管夹、吊耳和吊杆等连结件与其配合使用。

为满足管道设计的柔性要求，采用弹簧支吊架仍是较好的选择，但同时也对设计提出了更高的要求。

利用WellFlo软件预测海上多元热流体热采井筒参数

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利用ＷｅｌｌＦｌｏ软件预测海上多元热流体热采井筒参数
张卫行孙永涛孙玉豹梅伟林珊珊（中海油田服务股份有限公司）
摘要：井筒参数计算对于海上多元热流体热采效果至关重要。利用ＷｅｌＩＦｌｏ软件，建立了稠油油田单井的实际井筒参数计算模型，分析了不同多元热流体组分．外部传热环境，管流方式对井筒参数的影响，对比了计算值与实测值的差别。结果表明：多元热流体中气体组分增加，特另ｑ是Ｎ组分，使井底压力明显降低，井底温度则变化较小；外部传热环境随季节变化明显，影响井底温度约Ｏ．５～５℃ ，对井底压力影响甚微；管柱传热性能。管流方式对井筒参数影响较大，隔热油管导热系数最低，井底温度高，生产套管比油管内径大，井底压力高。ｗｅ１ＩＦｌｏ软件压力预测误差为Ｏ．８３％，温度预测误差为３．０９％，预测精度较高，说明该软件适用于海上多元热流体热采井筒参数计算，能够为注热方案设计提供理论支持。
腔扩展困难，并不适合采用常规注蒸汽开采。采用１ＷｅＩＩＦ１０软件功能特点
多元热流体热采开发能取得较好效果，这是由于多
ＷｅｌｌＦｌｏ软件是一款成熟的生产井／注入井水动

不同有限元单元建模下的海上风电导管架基础支撑结构整体模态对比分析研究

Zhoushan, Zhejiang 316000, China; 3.Huanan Institute Technology Research Institute of Zhejiang University, Guangzhou 510700, China）
Abstract: Aiming at an offshore wind power project in the southeast ocean of China. Based on the SOLID187 solid element and Shell181 shell element in
Based on Different Element of Finite Element Analysis Software
Tian Zhenya1，Zhu Ronghua2，Zhang Meiyang3，Xu Qingfu1，Wang Hengfeng2
（1.Guangdong Huayun Renewable Energy Group Co., Ltd., Zhongshan, Guangdong 528437, China; 2.Ocean College, Zhejiang University,
风机支撑结构的整体模型
4 分析结果
经过分析，整机前 5 节阶整机频率对比如表 2 所示，其前
风机为 4 MW 级海上风机，风轮直径 130 m，机舱质量为 239 t，
5 阶振型对比如图 3~12 所示。结果表明，采用 ANSYS 软件中
40 mm，机舱重心相对塔筒顶部法兰垂直距离为 1.69 m。导管
ANSYS finite element software, the ANSYS finite element modal analysis model of the four-pile jacket foundation support structure was established, and the

海洋立管涡激振动的基本理论、研究方法、影响因素及抑振方式的研究综述　

第38卷第2期2024年3月山东理工大学学报(自然科学版)Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Edition)Vol.38No.2Mar.2024收稿日期:20230210基金项目:山东省自然科学基金项目(ZR2020ME269);山东省海洋工程重点实验室开放基金项目(KLOE202005);山东省重点研发计划项目(2019GHY112076)第一作者:王春光,男,cgwang@;通信作者:郑润,男,408463461@文章编号:1672-6197(2024)02-0001-07海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述王春光1,2,郑润1,李明蕾1,何文涛2,3(1.山东理工大学建筑工程与空间信息学院山东淄博255049;2.山东省海洋工程重点实验室,山东青岛266100;3.中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)摘要:海洋立管是海洋油气开发平台的重要组成部分,而涡激振动研究是保障其正常工作的重要研究领域㊂本文从海洋立管涡激振动的基本理论㊁海洋立管涡激振动研究方法的发展㊁影响涡激振动的相关因素㊁涡激振动的监测和抑制方法四个方面对海洋立管涡激振动的相关研究进行综述㊂由前人工作可知,海洋立管涡激振动研究经历了试验研究㊁理论模型分析㊁计算流体力学方法的应用等多个阶段,而顶张力㊁洋流㊁波浪㊁支承条件㊁长细比㊁材料以及内流等均显著影响其涡激振动特征㊂为保障海洋立管在涡激振动情况下的正常工作,其抑振研究经历了由被动抑振到主动抑振,再到利用先进监测及预测手段采取特定抑振方式及时介入的发展过程㊂在将来,海洋立管监测控制系统必将发展为一个利用信息采集及处理平台,结合主动控制技术,实现海洋立管工作状态监测㊁故障发现以及主动控制的集中化㊁智能化系统㊂关键词:海洋立管;涡激振动;影响因素;涡激振动抑制中图分类号:P756.2文献标志码:AThe basic theory ,research methods ,affecting factors and suppression approaches of the vortex-induced vibration of marine risers :A reivewWANG Chunguang 1,2,ZHENG Run 1,LI Minglei 1,HE Wentao 2,3(1.School of Architectural Engineering and Spatial Information,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering,Qingdao 266100,China;3.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)Abstract :Marine riser is an important part of offshore oil and gas exploitation platform,and the research of vortex-induced vibration is an important research field to ensure its working situation.This paper re-views the related research of marine riser vortex-induced vibration in four aspects:the basic theory of ma-rine riser vortex-induced vibration,the history of research methods for marine riser vortex-induced vibra-tion,the relevant factors affecting vortex-induced vibration,and the monitoring and suppression methods of vortex-induced vibration.The researches on vortex-induced vibration of offshore risers have gone through stages such as experimental research,theoretical model analysis,application of computationalfluid dynamics methods.The top tension,ocean current,wave,support conditions,slenderness ratio,material and internal flow significantly affect its vortex-induced vibration characteristics.In order to㊀ensure the normal work of the riser under the condition of vortex-induced vibration,its vibration suppres-sion researches have developed from passive vibration suppression to active vibration suppression,and then to the use of advanced monitoring and prediction methods to take specialized vibration suppression methods on time.In the future,the marine riser monitoring and control system is foreseen to evolve into a centralized and intelligent system that uses information acquisition and processing system and combines active control technology to realize the monitoring of the working status,fault detection and active control for the marine risers.Keywords :marine riser;vortex induced vibration;influence factor;vortex-induced vibration suppression ㊀㊀自2021年以来,国际原油价格出现大幅上涨[1]㊂新冠疫情作为笼罩在全球经济发展上面的乌云开始散去,但经济复苏基础依然薄弱㊂被称为工业血液的石油是发展工业的重要动力,也是发展经济的重要资源㊂目前,陆地上的石油资源短缺的问题日益严重,据估算,地球上未被开采的海上石油储量的90%是在超过1000m 水深的海底地层下[2],而中国海岸线绵延辽阔,深海面积十分广阔,海上油气资源丰富,通过加快海洋油㊁气开发,中国必将逐步摆脱油气资源对外依赖㊂中国海洋石油勘探开发从沿海一隅到沿海集群作业,油气开发作业水深从100m 到如今的超3000m,海洋装备从最初的1艘钻井船发展到现在的61座钻井平台,实现了每年的海上原油产量从95000t 到48640000t 的跨越㊂特别是十八大以来,深水钻井平台海洋石油982 ㊁海上移动式试采平台海洋石油162 (图1)相继试验成功㊂中国的海洋油气勘探与开发进入了一个快速发展期,我们也提出了走向深蓝的战略口号,促进了海洋资源开发相关领域的研究㊂图1㊀海洋石油162 号无论采用何种海洋资源开采平台,海洋立管均是不可或缺的结构物,而80%的深水油气事故与立管的疲劳损伤相关㊂立管的疲劳损伤主要是由外部环境与立管相互作用而产生的涡激振动所引起[3-4],因此在海洋工程领域,开展了大量的复杂海况下海洋立管涡激振动影响因素及抑振方式的研究㊂1㊀海洋立管涡激振动的基本理论海洋立管作为海洋油气开发从海底将油气输送到海面平台的重要通道,是海洋油气开发的重要组成构件㊂海洋立管在洋流作用下,在立管两侧尾流区发生交替泄涡,漩涡的生成和泄放相关联,立管受到横流向及顺流向的脉动水压力作用后将引发振动㊂在海流引发交替泄涡导致立管振动的同时,立管振动反过来又会影响海流的尾流结构,进而改变立管上的脉动水压力分布,这便是海洋立管的涡激振动现象(VIV)㊂涡激振动将导致立管疲劳破坏,不仅影响工程进展,而且可能产生严重的环境灾害,因此受到各国学者的广泛重视㊂海洋立管的涡激振动源于Von Kármán 发现的涡街效应[5],其受力原理和数值模拟如图2及图3所示㊂图2㊀立管在涡街作用下受力示意图图3㊀数值模拟卡门涡街[6]2山东理工大学学报(自然科学版)2024年㊀对圆柱体绕流,交替脱落的单个漩涡的脱落频率f与绕流流体的速度v成正比,与立管直径d成反比,即得公式(1)[7]:f=Sr(v/d),(1)式中Sr是斯特劳哈尔数㊂斯特劳哈尔数主要与雷诺数有关㊂雷诺数的物理意义是惯性力与黏性力的比值㊂Re=ρVLˑVLμˑVL =ρL3㊃(V2/L)μ(V/L)㊃L2=ma(惯性力)τA(粘性力),(2)通过公式(2)的变形就可以直观的得出雷诺数Re 的物理意义,雷诺数越小液体粘滞力影响大于惯性的影响,雷诺数越大液体惯性影响大于黏滞力的影响㊂当雷诺数数值达到300~3ˑ105时,斯特劳哈尔数数值近似于常数值(0.21);当雷诺数数值达到3ˑ105~3ˑ106时,有规律的漩涡脱落现象便不再存在;当雷诺数数值大于3ˑ106时,卡门涡街又会出现,这时斯特劳哈尔数约为0.27[8](图4)㊂图4㊀不同雷诺数液体绕柱流动状态当涡激振动的频率与物体的固有频率相接近,就会引起共振,甚至使物体损坏㊂除了雷诺数会影响涡激振动的出现外,圆柱体的质量比也会影响相同来流下涡激振动的振幅大小[9-10],影响涡激振动对立管损伤的程度㊂当来流冲击立管圆柱体产生涡激振动后,会使立管在顺流向和横流向两个方向因为受力而产生震动,这两个方向上的力的大小可利用公式(3)[11]计算:F x=12C dρDU2,F y=12C lρDU2,(3)式中:F x㊁F y分别为立管受到的阻力和升力,D为圆柱直径,ρ为流体密度,C d㊁C l分别为阻力系数和升力系数,U为流体速度㊂由此可见,相关研究需记录涡激振动作用下立管顺流向㊁横流向两个方向上的相关数据(图5)㊂图5㊀双向受力监测2㊀海洋立管涡激振动研究方法的发展自卡门涡街现象被发现以来,海洋立管的涡激振动研究经历了从实验研究㊁理论模型分析㊁计算流体力学方法的应用等多个阶段㊂首先Feng通过圆柱体风洞试验验证了横向振动为主要振动的涡激振动的存在,Ferguson等[12]通过使用声学液位压力传感器的原始设计,发现了圆柱体漩涡激发振荡的表面和尾流现象㊂自此之后以海洋立管为代表的圆柱体的涡激振动特征研究不断通过水槽(水池)模型试验得以完成[5,7]㊂实验研究之外,各国学者还提出了经验模型以求解立管的涡激振动问题㊂首先,Hartlen等[8]开创性地建立了尾流振子模型的数学表达式;随后,各国学者通过数十年的努力和研究对尾流振子模型不断地进行改进和发展㊂Skop 等[11,13]对此尾流振子模型进行扩展,将其应用到柔性细长柱体的涡激振动研究中㊂Kim等[14]以及Facchinetti等[15]则对此进行了进一步的修正和改进㊂而郭海燕等[16]则考虑了立管内流对立管涡激振动的影响㊂近年来,随着计算和存储技术的发展,越来越多的人开始转向利用计算流体动力学(CFD)技术解决VIV问题㊂通常CFD模型可以分为四类:离散涡方法(DVM),雷诺平均N-S方程(RANS)方法,大涡模拟(LES)方法以及N-S方程直接模拟(DNS)方法㊂3㊀影响涡激振动的相关因素在海洋油气开发过程中,海洋立管从海底输送到海面的混合体成分包括油㊁气㊁水以及沙石等等,是复杂的混合物,在超长立管管道内输送由于内外3第2期㊀㊀㊀㊀㊀王春光,等:海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述流耦合作用下造成明显的周期性和压力波动特性的不稳定现象,以至于引起立管的振动[17-18]㊂为研究立管涡激振动的影响,考虑多因素影响的预测模型[3]以及考虑海洋环境参数的涡激振动特征研究[19]是必不可少的㊂图6展示了海洋立管配置情况,由此可见,海洋立管系统复杂多变,需考虑的设计参数及环境因素多样㊂图6㊀水下海洋立管配置[20]现在关于海洋立管的涡激振动研究正从之前的单因素研究发展到现如今的多因素研究㊂使海洋立管产生涡激振动的主要原因包括立管本身的材料特性㊁洋流流速㊁顶部张力㊁边界条件以及波浪等㊂葛士权等[21]通过利用ANSYS 软件进行了多因素影响下的海洋立管涡激振动的三维计算流体动力学模拟(图7)㊂大长细比是实际工程中很明显的一个特点,Wang 等[22]针对大长细比立管模型在洋流作用下的涡激振动响应进行了实验研究㊂关于顶张力对立管在涡激振动中频率的影响方面,Yang [23]通过实验得出预张力的增加,组合激励下的顶部张紧提升管(TTR)的不稳定性会被抑制,但抑制效果的提升与预张力增加不成比例㊂李文华等[24]将立管简化为典型的Euler-Bernoulli 弹性梁模型,根据传递矩阵理论得出表观重力和立管内外侧压力差引起的海洋立管轴向拉力的变化可影响立管本身固有频率的结论㊂张永波等[25]研究了顶张力对立管涡激振动的影响㊂柳军等[26]通过实验得出结论,在均匀流速条件下,立管的振动频率在顺流向条件下是横流向条件下的两倍,因此两个方向的影响相差不大,应该同时考虑两个方向的影响㊂殷布泽等[27]通过总结过往的海洋立管涡激振动实验提出要更加注重波浪对于海洋立管涡激振动的影响㊂李莹等[28]针对边界条件进行研究,对立杆端部应用铰接固接两种边界支座进行研究,发现其他参数相同时,两端铰接时立管的震动幅度大于立管两端固接时的震动幅度,Gao 等[29]通过数值分析的方式研究得出在一定范围内立管长细比(L /D)越小,不同边界条件下的VIV 位移差异越大㊂巫志文等[30]的研究中考虑建立随机波浪和涡流激励联合作用下海洋立管动力响应的数学分析模型,通过此模型进行随机波浪对立管涡激振动的影响进行研究㊂Wang 等[31]进行了多因素实验,研究了立管材料㊁流速㊁顶张力和边界条件几个因素综合对立杆涡激振动的影响,但是并没有结合波浪的影响(表1)㊂图7㊀数值模拟海洋立管变形情况[21]表1㊀Wang 等进行多因素实验的工况[31]4山东理工大学学报(自然科学版)2024年㊀㊀㊀通过结合新的实验方法[32],崔阳阳等[33]进行了多参数耦合作用下的海洋立管涡激振动实验,并基于灰色理论[34]实现了影响因素重要性排序,但该实验并没有考虑周期性波浪对于海洋立管涡激振动的影响㊂4㊀涡激振动的监测和抑制方法为抑制海洋立管由涡激振动引起的疲劳损伤,学者们在涡激振动抑制方面展开了广泛的研究㊂Rodriguez [35]通过改变物体形状和尾翼形状设计进行实验,探究形状对涡激振动的影响,但此实验的实验对象与环境模拟与海洋立管相差很大(图8)㊂图8㊀Rodriguez 实验试件与实验效果[35]Owen 等[36]进行了圆形柱体在不同雷诺数范围的涡激振动实验,并发现施加质量块后涡激振动可减少47%㊂娄敏等[37]通过实验发现在锁振状态下,通过敲击立管打破流体与结构之间的耦合关系可以达到抑制涡激振动的效果㊂王海青等[38]提出了在立管外部构造三种不同形状来达到抑制涡激振动的效果并进行了实验㊂Gao 等[29]分析模拟得出对于具有小长径比的圆柱体,不同边界条件下的VIV 位移存在明显差异㊂吴仕鹏等[39]通过在立管外添加螺旋板来研究其对于涡激振动的抑制效果,结果表明在高雷诺数来流情况下该装置能大幅降低立管疲劳风险㊂娄敏等[40]采用仙人掌形状截面的立管,通过数值分析得出在约化速度4~8范围能降低横顺两方向的振动幅值㊂李子丰等[41]采用羽翼状外包进行实验研究,发现加装该结构能有效减少圆柱后涡旋的产生㊂翟云贺等[42]提出一种双组双螺旋的装置,实验表明在当来流为对称流时,双组双螺旋装置能有效抑制涡激振动㊂沙勇等[43]通过实验对螺旋列板的几何参数对于涡激振动影响进行研究,为以后的相关研究提供了宝贵数据(图9)㊂齐娟娟等[44]提出了一种口型截面的三螺头螺旋导板,并进行了风洞试验,实验得出该装置对于大质量阻尼比圆柱有较好的抑制涡激振动的效果(图10)㊂睢娟等[45]利用外包毛绒进行风洞试验,得出绒毛长度增加,抑制效果越好的结论㊂王伟等[46]提出一种安装旋翼的方案,通过数值模拟得出随着旋翼旋转速度增加立管振幅减小㊂周阳等[47]利用带螺旋侧板的立管模型进行试验,结果表明该装置能够扰乱尾流涡旋,抑制涡激振动㊂图9㊀含有保温层的立管螺旋列板的横截面[43]图10㊀试验模型安装及螺旋导板模型结构示意图[44]除了通过改变立管外包形状进行被动抑制,近些年也有学者提出通过主动对立管施加作用来进行主动抑制㊂Yang 等[23]通过实验得出通过增加顶张力可以对涡激振动进行抑制,但抑制效果与力的增加成非线性关系㊂Wang 等[48]利用雷诺数为100的合成射流进行涡激振动的抑制㊂Chen 等[49]提出利用吸流法进行涡激振动的抑制㊂赵瑞等[50]提出通过施加端部激励来进行涡激振动的抑制,实验结果表明,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移㊂Zhang 等[51]针对具有顶部张力的柔性船舶立管系统控制立管振动进行研究,实验表明在适当的参数选择下系统具有良好性能㊂随着信息技术的发展,将计算机信息技术与实际工程结合成为近年学者们研究的方向,Wong 等[52]提出可以利用神经网5第2期㊀㊀㊀㊀㊀王春光,等:海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述络结合使用Matlab 中的LHS 技术预测TTR 短期涡激振动疲劳损伤的简化方法㊂高喜峰等[53]提出要利用BP 神经网络预报柔性立管涡激振动横流向及顺流向位移和频率响应,随后Yu 等[54]以及Yan 等[55]利用了基于自适应神经网络的边界控制方法,以预测振动风险,从而及时采取对应抑振措施(图11)㊂图11㊀BP 神经网络结构5㊀结束语开发海洋油气资源已经成为中国缓解油气对外依赖的重要途径,而海洋立管作为海洋资源开发平台中不可或缺的重要组成部分,其涡激振动导致的疲劳破坏是重点研究和关注的领域㊂本文从海洋立管涡激振动的基本理论㊁海洋立管涡激振动研究方法的发展㊁影响涡激振动的相关因素㊁涡激振动的监测和抑制方法四个方面对海洋立管涡激振动的相关研究进行综述,由综述可知:1)海洋立管的涡激振动研究方法经历了试验现象研究到理论与经验公式创建再到借助高性能计算机的计算流体力学研究的发展;同时,可以发现影响海洋立管涡激振动特征的因素包括顶部张力㊁海洋洋流(流速㊁流向等)㊁波浪特征(波高㊁周期等)㊁支承条件㊁立管长细比㊁立管材料以及内流的影响等㊂2)对于海洋立管涡激振动特征的研究正由单因素研究向多因素耦合研究发展,但目前多因素耦合作用下的相关研究仍显不足㊂为了更加贴合实际工程,实现更安全㊁更高效的海洋油气的开发,多因素耦合作用下的海洋立管涡激振动研究将是未来研究的重要方向之一㊂3)在海洋立管涡激振动抑制方法的研究中,研究者们发现改变立管质量㊁破除耦合关系㊁改变立管及其附加物形状㊁引入主动抑振手段等均可有效改善立管的涡激振动现象,其抑振研究经历由被动抑振到主动抑振再到利用先进监测及预测手段采取特定抑振方式及时介入的发展㊂4)随着信息技术的发展,海洋立管监测控制系统将发展为利用信息采集及处理平台,结合主动控制技术实现其工作状态监测㊁故障发现以及主动控制的集中化㊁智能化系统㊂参考文献:[1]IEA.Oil 2021:Analysis and forecast to 2026[R].Paris:Interna-tional Energy Agency,2021.[2]IEA.Offshore energy outlook[R].Paris:International Energy A-gency,2018.[3]LIU G,LI H,QIU Z,et al.A mini review of recent progress on vor-tex-induced vibrations of marine risers [J].Ocean 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