基于有限元的深水隔水管渦激振動(dòng)分析

沈國(guó)華，王儒朋

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

0 引 言

隨著海洋石油的勘探和開發(fā)逐漸進(jìn)軍深水領(lǐng)域，深水鉆井船和平臺(tái)的使用量也將不斷增長(zhǎng)。隔水管作為水下井口和鉆井平臺(tái)之間的重要部件，其主要功能是隔離海水、引導(dǎo)鉆具、循環(huán)鉆井液等[1]。在海水流經(jīng)隔水管時(shí)，可能產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，即渦激振動(dòng)，易導(dǎo)致隔水管疲勞損傷乃至井口破壞等嚴(yán)重后果[2]。

在深水海域，由于隔水管泥線以上長(zhǎng)度的增加，隔水管相對(duì)剛度降低，海流對(duì)鉆井隔水管強(qiáng)度和穩(wěn)定性影響加劇。當(dāng)隔水管的固有頻率與海流產(chǎn)生的渦激頻率相近時(shí)，將導(dǎo)致隔水管振幅加大[3]，因此，對(duì)深水隔水管進(jìn)行模態(tài)分析是對(duì)渦激振動(dòng)開展研究的第一步。本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)深水隔水管的模態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)渦激振動(dòng)開展研究并得出結(jié)論，將有助于在施工中選擇合理的入泥深度和隔水管尺寸，為工程上的應(yīng)用提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 深水隔水管有限元分析的基本假設(shè)

由于隔水管在深水條件下受力情況復(fù)雜，在建立模型之前，有必要做出一些假設(shè)：隔水管不考慮壓井、阻流線等影響，認(rèn)為均質(zhì)、各向同性、線彈性材料；隔水管簡(jiǎn)支，上端與浮式鉆井裝置相連；自重、外載作用下屬于小應(yīng)變大變形問(wèn)題，不考慮連接處的影響；管內(nèi)充滿鉆井液，不考慮鉆柱對(duì)隔水管抗彎剛度的影響；洋流力、波浪力作用在同一平面內(nèi)，即假設(shè)隔水管受力為最危險(xiǎn)的情況。

隔水管受力主要考慮洋流力、波浪力、內(nèi)壓和頂部張緊力作用，在 ANSYS中采用 PIPE59單元進(jìn)行模擬，并將收集到的水文資料如波高、流速等數(shù)據(jù)作為邊界條件加載計(jì)算。

2 深水隔水管模態(tài)分析

隔水管完全浸沒(méi)在海水中，與流體接觸，當(dāng)受到水流、波浪和沖擊波等流體動(dòng)力激勵(lì)或其他非流體(如地震、機(jī)械振動(dòng))的激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)時(shí)，其周圍的流場(chǎng)也發(fā)生變化。這種流場(chǎng)的變化反過(guò)來(lái)使隔水管所受的流體力發(fā)生改變，從而又影響到隔水管的運(yùn)動(dòng)，這樣就形成了流體-結(jié)構(gòu)相互作用的流固耦合問(wèn)題。求解流固耦合問(wèn)題主要是指在考慮流體影響時(shí)，求解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率、振型和響應(yīng)[4]。

在模態(tài)分析中，需要考慮到周圍流體產(chǎn)生的影響。假定管長(zhǎng) 1,000,m，全部位于水下，本文采取控制變量法開展分析計(jì)算，以得出對(duì)深水隔水管固有頻率的影響因素。

2.1 不考慮頂部張力，計(jì)算隔水管固有頻率

不考慮頂部張力的情況下，固有頻率計(jì)算結(jié)果如表1所示，從計(jì)算結(jié)果看出，固有頻率為0.11,Hz。

表1 不考慮頂部張力狀態(tài)下模態(tài)固有頻率計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation result of modal natural frequencies without top tension

2.2 考慮頂部張力，計(jì)算隔水管固有頻率

考慮張力的條件下，隔水管的固有頻率計(jì)算結(jié)果如表 2所示。與不考慮張力時(shí)相比較，頂部張力存在的條件下，隔水管的固有頻率由 0.11,Hz增加到0.48,Hz。

表2 考慮頂部張力狀態(tài)下模態(tài)固有頻率計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation result of modal natural frequencies with top tension

3 渦激振動(dòng)流場(chǎng)分析

海流流經(jīng)隔水管時(shí)，在一定的流速條件下，可在立管兩側(cè)交替形成強(qiáng)烈的旋渦，旋渦脫落會(huì)對(duì)立管產(chǎn)生一個(gè)周期性的可變力，使得立管在與流向垂直方向上發(fā)生橫向振動(dòng)；結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反過(guò)來(lái)又對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，使旋渦增強(qiáng)，阻力增加，這種渦激振動(dòng)是小尺度部件流固耦合現(xiàn)象的具體體現(xiàn)。除了橫向振動(dòng)外，流體阻力可使立管沿流動(dòng)方向發(fā)生縱向振動(dòng)，不過(guò)在一般情況下，縱向振動(dòng)比橫向振動(dòng)幅值約小一個(gè)數(shù)量級(jí)，頻率約是其兩倍。當(dāng)旋渦脫落頻率與隔水管固有頻率接近時(shí)，將引起管的強(qiáng)烈振動(dòng)，旋渦的脫落過(guò)程將被結(jié)構(gòu)的振動(dòng)所控制，從而使旋渦的脫離和管道的振動(dòng)具有相同的頻率，發(fā)生“鎖定”現(xiàn)象。“鎖定”現(xiàn)象產(chǎn)生并不會(huì)馬上對(duì)立管產(chǎn)生破壞，但會(huì)加劇立管的疲勞破壞，渦旋脫落現(xiàn)象在管道工程結(jié)構(gòu)中會(huì)誘發(fā)大振幅振動(dòng)。

計(jì)算時(shí)本文采用切片法，分別計(jì)算水深 500,m、250,m、750,m(分別處于模態(tài)振型的波峰與波谷處)以及900,m處的流場(chǎng)。

3.1 有限元模型

圖 1為流場(chǎng)域網(wǎng)格圖，入口為速度進(jìn)口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，其余為無(wú)滑移壁面，共計(jì)7,721單元。

圖1 流場(chǎng)模型Fig.1 The flow field model

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 水深500,m

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的水文資料，流速設(shè)為 0.55,m/s，雷諾數(shù) Re＝2.9×105，計(jì)算得到渦脫頻率 0.25,Hz，幅值0.24,m，如圖2，阻力系數(shù)0.7。

圖2 CL的快速傅氏變換Fig.2 Fast Fourier transform of CL

3.2.2 與其他水深計(jì)算結(jié)果的對(duì)比(見(jiàn)表3)

3.3 計(jì)算分析

隨著水深增加，流速減小，雷諾數(shù)減小，渦脫頻率逐漸減小，阻力系數(shù)相應(yīng)增加。

表3 4種不同水深情況下計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of four different water depths

4 結(jié) 論

通過(guò) ANSYS計(jì)算與分析可知：施加頂部張力可以增加固有頻率；隔水管沿水深方向速度逐漸減小，阻力系數(shù)增大，渦脫頻率逐漸減小；當(dāng)渦脫頻率與隔水管固有頻率接近時(shí)，發(fā)生共振，振動(dòng)幅值加大，通常是高階多模態(tài)共振，渦激振動(dòng)常引起隔水管疲勞破壞；由 ANSYS計(jì)算結(jié)果可知，理論上可通過(guò)增加頂部張力、改變固有頻率避免產(chǎn)生共振的方法，降低隔水管的疲勞破壞。

［1］孫友義，陳國(guó)明，暢元江，等. 基于渦激抑制的隔水管浮力塊分布方案優(yōu)化[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，33(2)：123-127.

［2］暢元江，陳國(guó)明，許亮斌，等. 超深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)影響因素[J]. 石油勘探與開發(fā)，2009，36(4)：523-528.

［3］龔龍祥，付建紅，林元華，等. 海流渦激效應(yīng)對(duì)鉆井隔水導(dǎo)管疲勞強(qiáng)度的影響[J]. 石油鉆采工藝，2006，28(4)：5-6.

［4］鄭治國(guó)，孫大成，劉憲亮. 用濕模態(tài)法進(jìn)行流固耦合分析時(shí)一個(gè)問(wèn)題的探討[J]. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，19(2)：22-25.