（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）超深水顶端张紧式钻井隔水管结构与viv疲劳分析.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g u l t r ad e e p w a t e rt o pt e n s i o n e d d r i l l i n g r i s e rs t r u c t u r ea n dv i v f a t i g u ea n a l y s i s c a n d i d a t e ：g a of e n g s u p e r v is o r ：p r o f z h a n gl i a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a la r c h i t e c t u r e a n do c e a ns t r u c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n ：f e b r u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：向啤 日期：加扣年乡月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完三芑了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期问论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 暾授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：高舀 日期：瑚( 哞孑月7 日 导师( 签字) ： 弘乙 b 。年月7e l 哈尔滨工程大学硕七学位论文 摘要 能源是人类社会发展进步的动力支持，石油产品是当今社会使用最多的 能源之一。我国陆地石油产量逐年减少，因此我们不得不向海洋进发，致力 于海洋油气的开发。我国南海探明油气含量相当可观，但由于水深较深，我 国现有石油钻井设备发展相对滞后，因此，对海洋深水、超深水钻井设备的 研发刻不容缓。本文即是对深水钻井设备中最重要的装置钻井隔水管开 展的研究。 首先，介绍了深海钻井隔水管力学及v ( v o r t e xi n d u c e dv i b r a t i o n ) 国内 外研究进展及现状的基础上，阐明并总结了顶端张紧式钻井隔水管力学特性 及v i v 疲劳机理。同时，还介绍了顶部张紧式钻井隔水管所处的海洋环境及 所受的海洋载荷及其计算方法，为隔水管强度计算打下了基础。 其次，基于强度理论，运用大型非线性有限元软件a b a q u s 开展了超 深水顶端张紧式钻井隔水管强度计算。工况为操作工况和悬挂工况，海况为 墨西哥湾十年一遇冬季风暴，海流分别为墨西哥湾一年一遇的顶部流与底部 流叠加流、十年一遇项部流与一年一遇底部流叠加流、百年一遇顶部流与一 年一遇底部流叠加流。计算表明，操作工况隔水管强度不满足要求，而悬挂 工况通过修改模型探讨得到了经济合理的隔水管构型。本文还定义了钻井船 相对于钻井井口的运动包络线，并计算得到了一定张力比情况，三种海流情 况下的钻井船运动包络线。 再次，本文通过a b a q u s 、s h e a r 7 及参考文献理论值的对比，分别计算 了前述两种工况、三种海流作用下隔水管的v i v 振动频率，得出了隔水管 v 疲劳计算频率最佳计算方法，并计算了隔水管的v 疲劳寿命。结果表 明，悬挂工况隔水管v i v 疲劳寿命不需要着重考虑，操作工况隔水管疲劳寿 命很小，且受流强度的影响作用明显。 最后，开展了隔水管顶部张力与钻井船运动包络线关系研究，通过改变 隔水管系统顶部张力比来观察钻井船运动包络线的变化，寻求他们之间的关 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系。 通过本文的强度研究表明，深水、超深水海洋环境恶劣，钻井隔水管系 统极易受到损伤，不同的工况，隔水管的强度需要不同对待。操作工况是隔 水管系统使用时最危险的工况，需要区别对待。 本文钻井隔水管强度研究工作为海上油气开发装置研究打下了一定的基 础，提供了一定的理论及实践依据，可供工程参考使用。 关键词：v ；顶端张紧式钻井隔水管；强度；a b a q u s ；运动包络线 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g yi st h em o t i v i t yo fo u rs o c i e t y ，a n dp e t r o l e u mi so n ek i n do fe n e r g y u s u a l l yb eu s e dn o w b u td u et ot h eo i lo u t p u to nl a n di sl e s sa n dl e s sd u r i n gt h e s e y e a r s ，w eh a v et og ot ot h eo c e a nt os t r i v ef o ri t i ti sf o u n dt h a ti ti sr i c hi no i la n d g a si n o u rs o u t hs e ab ye x p l o r i n g h o w e v e r ，d u et ot h ew a t e rd e p t ha n dt h e l i m i t a t i o no ft h ed r i l l i n ge q u i p m e n t so fc h i n a ，w ed o n th a v et h ea b i l i t yt oe x p l o i t i t t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n t o fd e e p w a t e ra n du l t r a d e e p w a t e rd r i l l i n g e q u i p m e n t si su r g e n t t h i st h e s i si sm a n i l yf o c u s e do nt h es t u d yo fd r i l l i n gr i s e r w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tt o o li nd e e p w a t e rd r i l l i n g f i r s t l y ，t h em e c h a n i cp r o p e r t ya n dv i vf a t i g u em e c h a n i s mo ft h et o p t e n s i o n e d d r i l l i n g r i s e rw e r ei l l u s t r a t e db a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u s o fd r i l l i n gr i s e r a n dt h ei n t r o d u c t i o no ft h e o c e a ne n v i r o n m e n tc o n d i t i o na sw e l la st h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h ec u r r e n t l o a dw a sd o n ew h i c hw a st h ep r e p a r a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gs t r e n g t hc a l c u l a t i o n s e c o n d l y ，t h es t r e n g t h c a l c u l a t i o no ft h eu l t r a d e e p w a t e rt o p t e n s i o n e d d r i l l i n gr i s e rw a sd o n eb yu s i n gt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a b a q u s t h ew o r k i n gc o n d i t i o n s w e r eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o na n dh a n g - o f f c o n d i t i o n ，t h em e t o c e a nc o n d i t i o nw a s10 - y e a rw i n t e rs t o r m ，a n dt h e c u r r e n t s w e r el - y e a rb o a o mc u r r e n tp l u s1 - y e a re d d yc u r r e n t ，10 一y e a re d d yc u r r e n ta n d 10 0 一y e a re d d yc u r r e n tr e s p e c t i v e l y a n db yc a l c u l a t i o n ，i tw a so b v i o u st h a tt h e s t r e n g t h o ft h eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o nc o u l d n tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e s t a n d a r d sa sw e l la st h eh a n g o f fc o n d i t i o n ，b u tt h r o u g hm o d e lm o d i f i c a t i o n ，t h e e c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l ed r i l l i n gr i s e rc o n f i g u r a t i o no ft h eh a n g - o f fc o n d i t i o n w a so b t a i n e d a l s oi nt h i sp a r t ，t h eo p e r a b i l i t ye n v e l o po ft h ed r i l l i n gp l a t f o r m w a sd e f i n e d t h i r d l y ，o nv i vf a t i g u ea n a l y s i s ，t h ec o m p a r i s o no ft h ev i vf r e q u e n c yw a s 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 c o n d u c t e db yu s i n ga b a q u s ，v i vf a t i g u ea n a l y s i ss o f t w a r es h e a r 7a n dt h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o dr e f e rt ot h er e f e r e n c e t h eb e s tw a yt og e tt h ev ， 仃e q u e n c yw a so b t a i n e da n da p p l i e dt ot h ec a l c u l a t i o no ft h ev i vf a t i g u el i f e o f t h ed r i l l i n gr i s e r f r o mt h ec a l c u l a t i o n ，i tw a sk n o w nt h a tt h ef a t i g u el i f eo ft h e h a n g - o f fc o n d i t i o nm i g h tn o tb ee m p h a s i z e dt o om u c h b u tt h e n ，t h eo p e r a t i o n a l c o n d i t i o nw a sv e r ys h o r t ，b e c a u s et h ec u r r e n ts p e e d sw e r ev e r yl a r g ea n dt h er i s e r w a sv u l n e r a b l e f i n a l l y ，t h er e l a t i o n s h i ps t u # b e t w e e nt h ed r i l l i n gp l a t f o r mo p e r a b i l i t y e n v e l o pa n dt h et o pt e n s i o nr a t i oo ft h ed r i l l i n gr i s e r s y s t e mw a sc a r r i e do u t t h e t o pt e n s i o nr a t i ow a sc h a n g e df r o m1 1 t o1 4t os e a r c ht h ec h a n g i n gr u l eo ft h e o p e r a b i l i t ye n v e l o p f r o mt h es t r e n g t ha n a l y s i ss t u d yi nt h i sp a p e r ，i ti sk n o w nt h a tt h ed r i l l i n g r i s e ro fd e e p w a t e ra n du l t r ad e e p w a t e rc a nb ed a m a g e de a s i l y a n do nd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h er i s e r s h o u l db et r e a t e dd i f f e r e n t l y t h eo p e r a t i o n a l c o n d i t i o ni st h ew o r s tw o r k i n gc o n d i t i o n ，a n dt h er i s e rs h o u l db ec a r e f u l l yu s e d t h es t r e n g t ha n a l y s i ss t u d yi nt h i st h e s i si sa t la c a d e m i ca n dp r a c t i c a lb a s i ct o t h eo f f s h o r ed r i l l i n ge q u i p m e n ts t u d y ，a n dt h ea p p l i c a b l ev a l u eo ft h i st h e s i si s e v i d e n t k e yw o r d s ：v ；t o pt e n s i o n e dd r i l l i n gr i s e r ；s t r e n g t h ；a b a q u s ； o p e r a b i l i t ye n v e l o p 哈尔滨工程大学硕十学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1中国海洋石油工业发展的必然性1 1 2 钻井隔水管简介2 1 3 深海隔水管力学研究发展及现状5 1 4 深海隔水管v i v 研究现状与进展7 1 5 论文的研究目的、意义、内容和方法。9 1 5 1 论文的目的与意义9 1 5 2 论文的内容与方法1 0 第2 章顶端张紧式钻井隔水管力学特性与v 机理1 2 2 1刚性隔水管力学模型及载荷分析1 2 2 1 1隔水管分析的基本方程1 2 2 1 2 环境载荷19 2 2 钻井隔水管v i v 机理3 4 2 2 1 涡激振动概述3 4 2 2 2 深水隔水管的涡激振动3 8 2 3 本章小结3 9 第3 章顶端张紧式钻井隔水管操作工况强度分析4 1 3 1隔水管设计及校核规范4 1 3 2 海洋隔水管的工业分析软件4 2 3 3 操作工况钻井隔水管基本尺寸选择及总布置4 2 3 4 操作工况强度分析4 3 3 4 1环境载荷4 3 3 4 2 边界条件4 4 3 4 3 有限元模型4 6 3 5 校核标准4 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 6 分析结果4 8 3 7 结果校核及结论5 8 3 8 操作工况运动包络线的确定5 9 3 9 隔水管v i v 振动频率及疲劳寿命的确定”6l 3 1 0 本章小结6 4 第4 章顶端张紧式钻井隔水管悬挂工况强度分析6 5 4 1 有限元分析6 5 4 1 1 有限元模型6 5 4 1 2 边界条件及环境载荷6 6 4 2 校核标准6 6 4 3 分析结果6 7 4 4 模型修改探讨7 0 4 5 隔水管v i v 振动频率及疲劳寿命的确定。7 3 4 , 6 本章小结7 6 第5 章顶端张力与钻井平台运动包络线关系研究7 7 5 1 顶端张力比7 7 5 2 有限元分析7 7 5 2 1 有限元模型7 7 5 2 2 边界条件及环境载荷7 7 5 3 分析结果7 8 5 4 本章小结8 0 结论8 1 参考文献8 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 0 致谢9 1 附录a 平台的位移时历9 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 i i i = = =ii| i i 第1 章绪论 1 1中国海洋石油工业发展的必然性 人类社会发展日新月异，经济、科学、教育、生活等领域，人们都在感 受着新式社会的进步。但这些进步的背后，依靠的是能源的支持。没有了能 源，这个半机械化的社会就失去了动力，整个社会几近瘫痪。因此，能源是 社会发展的支柱。这也驱使人类不断探索能源，以满足人类生存的需求。 现存的一些能源中，如煤、石油和天然气是经过亿万年的演化才形成的， 属于不可再生能源，这些能源基本上存在于陆地。但是我国陆地石油、油气 的开采已将近枯竭，陆上石油存储量急剧下降。海洋占地球总面积的7 5 ， 经近几十年的勘探表明，石油、天然气等能源在海洋中的存储量更加丰富， 因此2 l 世纪人类开发能源的目光逐渐投向海洋。 我国陆地石油存储量严重不足，每年新增的石油探明可采储量无法弥补 同期消耗，石油产量入不敷出，导致我国石油产量增长缓慢。从1 9 9 3 年开 始，中国己成为石油净进口国，进口量逐年增加。2 0 0 4 年我国石油进口量为 1 2 亿吨，占需求总量的4 1 。 中国经济的快速发展消耗了太多的能源，特别是汽车行业，如今的道路 上可谓“车水马龙”，消耗的几乎全都是石油产品，这导致中国石油进口的缺 口进一步扩大。据估计，2 0 2 0 年前中国石油仍会以年均5 的速度增长，至1 j 2 0 1 5 年，进口率将增至5 0 ，然而近十年来，我国大多数的东部主力油田陆续进 入产量递减阶段，石油储量进一步减小，继续开采的难度进一步加大。中国 石油工业的发展困难越来越加剧，国内市场如此，国外市场更是如此。我国 海外油气的开发举步维艰，在全球各个油气项目中，美、日等国不断搅局， 导致里海、安大线等计划失败、中海油收购“优尼科”也以失败告终。另外， 周边各国对我国海洋石油资源的掠夺，从另一方面使开发海洋油气资源变得 日趋迫切【1 捌。 广 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由于陆上油气资源的开采形势严峻，油气资源的开发转向海洋，尤其是 开发深海、超深海油气是发展的必然趋势。据美国能源信息署报道，在南中 国海拥有丰富的油气资源，被称为另一个波斯湾。中国对南中国海地区海上 盆地的资源所做的估计为：石油1 0 5 0 亿桶，天然气2 0 0 0 万亿立方，最有潜力 的含油气盆地为曾母暗沙盆地、万安盆地、南徽盆地和东纳土纳盆地。然而， 南中国海水深范围为5 0 0 - 2 0 0 0 m ，我国目前还不具备在这一海域进行油气勘 探和生产的技术，而南中国海周边国家一再挑衅中国领土完整，目的即为此 处石油，更有甚者通过海底管道等盗取本属于中国的油气资源。因此发展深 海油气勘探和开发技术迫在眉睫。 中国海洋石油开发起步比国外晚了6 0 年，迄今经历了两个发展阶段。1 9 5 7 年至1 j 1 9 7 9 年为第一阶段，这阶段主要是依靠自力更生探索下海技术，并在渤 海进行开发试验。从1 9 8 0 年开始的第二阶段是合作开发阶段。这阶段在改革 开放方针的指引下，我国海洋石油执行了将自主经营和对外合作相结合的政 策，即利用国外的先进技术和资金来开发我国的海洋石油资源。但这毕竟不 是长久之计，当今的中国，不论是从保护国家的领土资源不受侵犯，还是从 对中国经济发展的重要性的角度，中国的海洋石油工业的发展都已经到了一 个刻不容缓的地步。 1 2 钻井隔水管简介 在海洋油气开发中非常重要的一个设备( 系统) 就是隔水管。不管海洋 油田开发采用何种浮式方案，都需要使用隔水管系统，它是海洋基础结构的 关键组成部分。作为独立的深水开发项目，海洋隔水管工程是海洋石油天然 气工业的重点工程。 开发海洋油气资源时，勘探是第一步，接着就是钻井了，用于钻井的隔 水管就称作钻井隔水管( d r i l l i n gr i s e r ) ，国内也有称作钻井立管的。图1 1 为 典型钻井隔水管系统的示意图。 2 ，l 图1 1 钻井隔水管系统 钻井隔水管是井口防喷器( b o p ) 到顶部钻井船的延伸。根据其特殊性， 它的功能如下 3 】。 1 ) 提供井与钻井船之间的液体传递： ( a ) 正常钻井条件下，在隔水管环空内。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( b ) 当b o p 组用于井控时，通过节流和压井管线关闭井口。 2 ) 支撑节流、压井及辅助管线； 3 ) 把工具导向井内； 4 ) 作为b o p 组的送入和回收管体。 由图1 1 可知，钻井隔水管系统包括：张力系统、分流系统、伸缩接头、 隔水管单根、高压节流和压井管线、液压供给管线、钻井液辅助管线、隔水 管填充阀、终端线圈、测量隔水管接头、隔水管下部插件( l m r p ) 、挠性和球 形接头、b o p 组、液压连接器。 海洋深水、超深水石油开采地区环境恶劣，不管是对海上作业人员还是 海上作业装备设施，对于水下的钻井隔水管就更是如此了。由于钻井环境条 件随水深的增加变得更加复杂，且随水深增加而增长，隔水管的受力状态更 加恶劣和复杂，其强度、稳定性能否满足深水、超深水钻井的要求就成了深 水钻井主要考虑的问题。有不少浮动钻井船或平台由于隔水管系统不能适应 和承受巨大的综合性外力作用而使钻井作业中断，甚至无法恢复钻井，造成 钻井失败等事故，给海洋钻井工程造成巨大的损失。因此，对海洋深水钻井 的隔水管系统进行分析，找出作用于深水隔水管系统的主要外载以及作用的 方式，并建立相应的力学模型以作为深水环境条件下隔水管系统强度设计的 依据，解决其稳定、安全问题等，显得尤为重要【4 】。换言之，深水钻井隔水 管系统的受力分析是一个至关重要且迫切需要得到解决的研究课题。 涡激振动( v o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o n ) 通常简称为v i v ，是发生在涉及流 固耦合的多种场所下的一种物理现象。 流场中，当流通过非流线型的圆柱体时，将在圆柱体后产生分离，并周 期性交替地泄放漩涡，从而对圆柱体产生了脉动的升力与曳力作用。脉动的 流体力使得圆柱体在横流方向( c r o s s f l o w ) 或顺流方向( i n - l i n e ) 发生振动。当振 动频率接近圆柱体的固有频率时，圆柱体将发生强烈的流固耦合振动，并将 漩涡泄放频率锁定在圆柱体振动频率上，称为“锁定”( l o c k i n ) 或“同 步”( s y n c h r o n i z a t i o n ) 现象。成型的漩涡流动和圆柱体的运动相互作用成为漩 4 ， 哈尔滨工程大学硕七学位论文 涡诱发结构振动的根源，但从本质上讲圆柱体的响应由漩涡泄放模式所决定f 5 】。 对于钻井隔水管，它在海洋深水环境下作业时，由于漩涡的发散会引起 隔水管的纵向、横向振动，甚至会使旋涡脱落频率锁定在结构振荡频率上， 造成很大升力和阻尼系数以及产生更大的振荡幅度，造成工程结构失效或损 坏。因此如何准确地预报出实际海况中隔水管的动力响应和涡激振动 ( v i v ) ，并避免疲劳或共振等问题，对于深海油气开发具有重大意义【6 】。 1 3深海隔水管力学研究发展及现状 隔水管的力学研究与发展时间不长，这些技术均是从国外发起，迄今已 有5 0 多年历史。自从m o l o l e 计划中开始对海洋隔水管的力学特性研究以来， 隔水管的静力及动力分析受到了极大的关注。 早期的隔水管所处的水深较浅，而且都是绑在钻井平台桩腿上，其力学 特性几乎是静态的。因此，早期的人们采用二维静力学分析研究方法，用弹 性力学的方法来模拟隔水管的变形，进而进行强度分析，其弹性微分方程如 下： e ，磐一r ( z ) 窘一警考= 心) ( 1 - 。) 这样的分析方法只是用于浅水。对于深水隔水管，需考虑动态特性，静 态方法的局限性使人们提出了动力学的分析方法。 较早的学者提出用解析解的方法来研究隔水管的受力和强度的动力学模 型，考虑水质点的速度是由周期为t 的稳态正弦波产生，即可用一个正弦稳 态解法来求周期相同的y ( x ，t ) 值，通过调和函数的变换可将动力反应模型简化 为 矾d 2 ( 刖万d 2 y o 尸 、譬+ 誓+ ( i c o c - i c o m ) = 磊( 1 - 2 ) 但是，这种方法求解相当繁琐，不太实用。随后，美国德克萨斯技术大 ， 哈尔滨工程大学硕士学何论文 学的a e r t a s 等在1 9 8 5 年提出了动态分析隔水管受力的数值求解方法，其数学 模型如下： 瓦0 2i f e io 训2 y 、1 一新豺m 窘叫硝) ( 1 - 3 ) 用m o r i s o n 方程来对海流力f ( z ，t ) 求解。用有限差分法对动力学方程进行 求解。 由于隔水管的运动微分方程比较复杂，用经典的方法去求解方程的解析 解比较困难，目前对于隔水管的研究大部分是采用数值解法来求解。海洋工 程界常用的数值解法有集中质量法( l m m ) 【7 j 、有限元法( f e m ) 、有限差 分法( f d m ) 和摄动法。计算机的发展使得数值方法更容易实现。有限元法 对弯矩较大、应力较集中的部位给出比较精确的解答，因此有限元法的应用 最为广泛，h i r a t amh ，h u sl ，f a r i a sfm 给出了隔水管静力分析的有限元法 和自由振动分析、动力分析的模态分析法【8 】。n e l s o nf f e b e k e n ，e d i s o nc p l i m a , m a r c i om o u r e l l e 给出了深海隔水管非线性瞬时运动分析的有限元法， 都有很高的借鉴价值【9 】。目前基于有限元法的商业软件很丰富，在每个领域 都有适合自身的特殊软件，这使得采用有限元法进行隔水管的分析更加方便。 近几年来国内钻井隔水管的发展研究更是如火如荼。 1 9 8 8 年，朱福根【1 0 】进行海洋隔水管的大位移分析，他采用二维管梁矩阵 迭代法解海洋隔水管的大位移弯曲，把管梁的几何非线性问题化为一系列线 性解的迭代。2 0 0 1 年，郭海燕【i l 】等人研究了海洋环境载荷下输液隔水管的静、 动力特性，得出了管内液体流速越大，则管变形和应力越大，流速小于3 0 m s 则影响较小；增加预张力可减小管内液体流速效应；管道长度对隔水管自振 频率影响较大这些结论。2 0 0 3 年，弓大为【1 2 】考虑了井内产生大量气体造成隔 水管内钻井液液面下降，还定义了钻井隔水管上所受载荷。同年，石晓兵、 郭昭学、罗亚平【1 3 】对钻井隔水管进行了动力分析，提出了5 个基本假设。2 0 0 4 年，石晓兵【1 4 】等人又提出了海洋深水钻井隔水管变形及载荷分布规律，同时 还考虑了张力比及海底暗流对隔水管力学特性的影响。但是这些计算都是基 6 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于静态模拟或分析的基础上做出的结论。 对于海洋隔水管的动态效应，也是从近几年才有所突破。2 0 0 8 年，王腾 【l5 】等人建立了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 0 0 0 米水深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。但却采用了线性波理论对钻井隔水 管进行了数值模拟，不太合理。同年，许亮斌【1 6 】等人进行了深水钻井隔水管 时域非线性动态响应分析技术研究。通过深水钻井隔水管时域非线性动态性 能的研究，建立了相应的深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析模型；基 于a b a q u s 软件，考虑钻井平台有一定的平均偏移且在一阶波浪力作用下随 机振动以及长期慢漂运动时钻井船位于不同平均偏移位置且在一阶和二阶波 浪力作用下随机振动等三种主要边界条件，通过实际算例对深水钻井隔水管 的随机振动特性进行了仿真分析与对比，有其独到性；但是由于海洋波浪力 是不规则的，数值模拟时，波浪阶数越高，其非线性也明显，许亮斌等人的 不足之处在于所取波浪非线性不够。 1 4 深海隔水管v i v 研究现状与进展 涡激振动是流体力学领域中研究最广泛的问题之一，在过去二十年中， 一些关于预测海中管道涡激振动( v o r t e xi n d u c e dv i b r a t i o n ) 的方法相继发表， 这些方法给予不同的基本假设和数学公式以及对不同的试验结果的使用而有 所不同。因此，即使在相同条件下，不同方法会得出不同的结果。 从v 研究发展中的隔水管分析方法说起，大体分为三种方法：半经验 模型，数值模拟方法和v i v 工程分析软件分析方法。 ( 1 ) 半经验模型 对于半经验模型，它又分为尾流振子模型，单自由度模型和随机振动模 犁。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 尾流振子模型：b i s h o p 和h a s s o n j 最先提出采用一个非线性的、自激 的尾流振子模型来表示作用在圆柱体上的升力。h a r t l e n 和c u r r i e t l 8 】最早提出 了尾流振子模型的数学表达式，以v a nd e rp o l 方程的近似形式作为升力系 数的控制方程，并同结构的振动方程联合求解。b e n a s s a i 和c a m p a n i l e 1 9 】在 1 w a n 模型的基础上加以改进，预测了顶张力隔水管的横向涡激振动响应。 单自由度模型：单自由度模型( s d o f ) 通过一个包含流体激励力的微分方 程预测圆柱体响应。流体力通常表示为一个线性m o r i s o n 等式的形式，包括 惯性力和曳力项。与尾流振子模型的不同之处在于，单自由度模型中的经验 系数被假定为流速的函数而不是常数。s a r p k a y a 2 0 】将升力表示为一个线性化 的m o r i s o n 等式的形式。他的模型系数的取值基于他的水中受迫振动实验。 随后，1 w a n 和b o t e l h o 2 1 1 基于s a r p k a y a 的数据给出了一个经验分析模型。 g r i f f i n f 2 2 】将升力看作激励力与阻尼力的组合。s t a u b l i 2 3 1 根据受迫振动实验数 据预测了圆柱体的自由响应，他的预测捕捉到了高幅分枝的迟滞效应。 g o s w a m i 2 4 等推荐了一种新的单自由度模型，模型中与流速相关的参数包含 自激、自限的v a nd e rp o l 形式的阻尼与激励项。c h e n 等【2 5 】指出，所有的单 自由度模型都基于这样一个事实：锁定是一种受迫激励。 随机振动模型：b l e v i n s 和b u r t o n 2 6 】提出了一种基于随机振动理论的半 经验模型。他们把依赖于漩涡力的振幅用一个能力序列来逼近，并根据实验 选取合适的系数。他们的研究显示，沿结构展向的相关长度随着振幅的增大 而增大。k e n n e d y 和v a n d i v e r l 2 7 1 介绍了一种预测缆索响应的“棚车”模型。他 们将激励看作一个窄带随机过程，其中心定位在斯脱哈尔频率上。v i c k e r y 和 b a s u 2 8 】也观察了激励力与振幅以及锁定频率之间的展向相关性，在他们的模 型中假定固有的流体力与结构运动导致的流体力之间没有任何关系。 w h i t n e y l 2 9 】等计算了长隔水管v 响应的均方根位移和均方根加速度，假定 均方根升力系数依赖于雷诺数的范围。 ( 2 ) 数值模拟方法 对于求解陡峭结构的全耦合v i v 响应，数值模拟方法是一种可供选择 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的方法。在数值模拟中，四个基本问题需要得到考虑【3 0 】：流场模拟、结构振 动模拟、流固耦合运动模拟以及数值分析。数值模拟方法计算复杂，当前还 仅仅局限于低雷诺数计算。只有在完成大规模的高雷诺数基准实验前提下， 才能指导高雷诺数情形下的数值模拟开展。 ( 3 ) v i v 工程分析软件 ( a ) s h e a r 7 ：s h e a r 7 是当前国际上应用最为广泛的涡激振动分析软件。 它是麻省理工学院v a n d i v e r 教授等人开发的。s h e a r 7 预测横流向的涡激 振动响应。它可以模拟多种结构模型以及多种约束条件。程序基于能量平衡 原理预测结构的各阶模态响应，并采用模态叠加方法计算结构总的响应。 ( b ) v i v a n a ：v i v a r i a 是一个基于有限元的软件，用于预测海流中细长 海洋结构的v i v 响应【3 l 】。它是由挪威海洋技术研究院开发的。海流必须是 不随时间变化的，但可沿结构展向变化。v i v a r i a 可以计算单模态和多模态响 应，但对于顺流向涡激振动不予考虑。 1 5 论文的研究目的、意义、内容和方法 1 5 1论文的目的与意义 本论文通过对墨西哥湾1 0 0 0 0 英尺水深超深水顶端张紧式钻井隔水管的 整体分析及v 疲劳分析，实现以下目的： 1 )得到超深水顶端张紧式钻井隔水管钻井和悬挂工况下的强度特征， 总结这些强度特征的变化规律，为后续隔水管研究提供参考。 2 )总结悬挂工况时三种海流作用下满足强度要求的浮力模块数的变 化特征，实现浮力模块布置成本最低。 3 )定义钻井船相对于井口的运动包络线，并通过计算得出钻井船运动 包络线和超深水顶端张紧式钻井隔水管顶部张力比之间的相互关系，为钻井 船的运动提供实际参考。 9 哈尔滨1 _ 程大学硕士学位论文 4 )分别对照三种海流下隔水管钻井和悬挂工况的振动模态及频率值， 得出振动模态最优计算方案，为后续v i v 疲劳理论的发展奠定基础。 5 )总结顶端张紧式钻井隔水管钻井和悬挂工况下疲劳寿命与海流速 度大小的关系，为钻井隔水管的初步设计提供理论基础。 我国的海洋油气事业正在蓬勃发展，正一步步走向深海，而且南海石油 开采刻不容缓，隔水管作为海洋油气开发的基础装置，其在恶劣环境下的强 度及v i v 疲劳寿命估算不容忽视。本文研究结合中华人民共和国国家外国专 家局和教育部资助的“高等学校学校创新引智计划( 1 11 计划) ”较系统地展开 了超深水钻井隔水管强度及v i v 疲劳研究计算，为超深水钻井隔水管的发展 奠定基础，为我国海上油气开发事业做贡献。 1 5 2 论文的内容与方法 论文的主要研究内容如下： 1 ) 1 0 0 0 0 英尺超深水顶端张紧式钻井隔水管初步设计； 2 ) 超深水钻井隔水管钻井及悬挂工况下的强度特征计算研究； 3 ) 钻井工况下，钻井船相对于井口的相对运动包络线计算研究，并计 算得出运动包络线与张力比的变化关系； 4 ) 悬挂工况下浮力模块长度计算研究； 5 ) 超深水钻井隔水管钻井及悬挂工况的v i v 模态分析及疲劳分析。 本论文主要采用计算对比的方法研究超深水钻井隔水管的强度与v 疲 劳特性，具体研究方案如下： 1 ) 在收集及阅读大量国内外关于钻井隔水管受力及v i v 疲劳分析的基 础上，总结钻井隔水管受力特征，并结合墨西哥湾海域特征，建立典型的钻 井隔水管模型，通过计算，得出钻井隔水管的强度特征。 2 ) 悬挂工况下，通过改变浮力模块的个数来观察强度特征的变化，确 定出最佳的浮力模块个数范围。 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i 罱；i i i i i i i 审i i i 置宣i 暑i i i ；i i ；宣i i i i n i l _ i i i i 蔫 3 ) 根据相关工程文件，定义钻井船相对于海底井口的运动包络线。改 变顶端张力比来观察运动包络线与张力比之间的关系。 4 ) 运用多种方式计算钻井隔水管振动模态，并与理论值相比较，得出 较准确的模态值。并通过s h e a r 7 软件计算出钻井隔水管在两种工况下的疲 劳寿命。 5 ) 通过观察所计算出的疲劳寿命，结合所取海流值，探索二者之间的 相互关系。 一 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章顶端张紧式钻井隔水管力学特性 与v i v 机理 本章主要介绍顶端张紧式钻井隔水管力学特性与v 机理。力学特性方 面，本章主要分析了隔水管受力，导出了隔水管变形方程，同时还给出了其 控制方程：v 机理方面，主要介绍了隔水管涡激振动成因及深水钻井隔水 管涡激振动机理。 2 1 刚性隔水管力学模型及载荷分析 2 1 1隔水管分析的基本方程 由于隔水管属于细长构件，且其构型巨大，在对其力学分析时，需要进 行一系列假设。 2 1 1 1基本假设 ( 1 ) 假设隔水管管材料是均匀的，各向同性的，在运动和变形时始终 处于线性弹性范围内； ( 2 ) 由于隔水管的d ( 直径) l ( 长度) 极小，隔水管可以作为弹性 梁来进行力学分析： ( 3 ) 假定管元的变形是小量，及假定变形角是小量； (