内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法技术

本发明专利技术公开了内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，本文建立了考虑内外流耦合作用下的开采立管数值分析模型，以确定含两相流立管的涡激振动特性。采用有限元法和Newmark

【技术实现步骤摘要】
内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法


[0001]本专利技术涉及油气开发领域，具体涉及外部海流与内部多相流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法。

技术介绍

[0002]深水油气立管是油气开发系统中重要的部件，是连接海底和开采平台的重要结构，立管在来流的作用下产生交替泄放的尾涡，从而导致涡激振动现象的发生，若长时间振动,立管强度会降低，易发生失效事故，因此海洋立管的涡激振动响应得到学者的持续关注，对海洋立管在外部环境载荷作用下产生的涡激振动响应已有大量的研究，特别是针对大长细比的柔性立管。这些研究主要分析了涡激振动的模态、频率以及驻波和行波响应等,为深入理解涡激振动机理和响应规律奠定了基础。
[0003]与传统含纯液流立管相比，管内气液两相流会引起立管的固有频率降低，振动幅度和振动频率增加；管内排量、两相混合密度的增加，会引起立管的固有频率和振动响应频率同时降低，其模态响应保持不变；而随着进气比的增加，同样会引起立管固有频率降低，但振动频率增大，进而诱发立管产生更高阶模态的振动。
[0004]目前大多数立管的涡激振动响应研究只考虑外部海洋环境条件或管内流体单一方面的影响。考虑内外流耦合作用下的立管涡激振动的研究甚少，立管在油气开采过程中内部多相流动态相变与外部海洋环境载荷参数变化耦合作用下立管涡激振动响应特性与机理认识还不清晰。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，为多相流开采立管的安全性提供有效的理论指导。r/>[0006]为实现上述目的，内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，提出了考虑内外流耦合作用下的开采立管数值分析模型和管内多相流模型分析方法，包括开采立管力学模型分析方法、流体力模型分析方法、尾流振子模型分析方法和管内两相流模型分析方法，采用有限元法和Newmark
‑
β法对模型进行求解，具体求解步骤如下所示：
[0007]S1：根据外部海流速度大小、立管长度、立管内外径、内流速度等参数对深海含两相流立管进行模拟，模拟开采立管涡激振动过程；
[0008]S2：分析开采立管单元和管内流体单元段受力，建立考虑内外流耦合作用下的开采立管力学模型，此基础上，建立考虑管内流型对立管动力响应影响的两相流模型，计算管内流体质量和速度分布；
[0009]S3：将计算出的管内流体质量和速度分布情况与开采立管模型结合，基于模型的边界条件采用Newmark
‑
β法，求解考虑内外流耦合作用下的开采立管力学模型分析方法；
[0010]S4：根据计算出的考虑内外流耦合作用下的立管动力响应，模拟分析立管的涡激振动强弱以及振动频率的大小，总结了内外流耦合作用下的开采立管涡激振动响应规律。
[0011]进一步的，S1中的两相流立管管内的两相流能够对开采立管产生动态激励作用，在开采立管运移两相流的时候，进一步将开采立管简化为两端简支的内输多相流立管；立管置于横向流动的海流中产生大变形弯曲，同时由于海水绕过圆柱管道会因旋涡脱落而产生涡激力作用于开采立管上，进而使得立管产生涡激振动；
[0012]进一步的，S2中在分析相流动基本方程推导过程中，将两相分别按单相流处理并计入相间的相互作用，再将各相的方程加以合并，具体步骤为：
[0013]根据流体微元单元段受力分析图，可得管内多相流流体微元段x方向上的力平衡方程：
[0014][0015]开采立管微元段x方向的力平衡方程：
[0016][0017]剪切力Q与弯矩M可以表示为：
[0018][0019][0020]联立方程(1)、(2)、(3)和(4)可以得到两相流的深水立管顺流向(x方向)运动微分方程为：
[0021][0022]同理可得到开采立管横流方向(y方向)上的运动微分方程：
[0023][0024]式中：EI—弯曲刚度(N
·
m2)；x—顺流向位移(m)；y—横流向位移(m)；z—立管轴向位置(m)；T—截面张力(N)；c—结构阻尼；F
x
(z,t)—顺流向海洋环境载荷(N)；
[0025]F
y
(z,t)—横流向海洋环境载荷(N)；v
l
、v
g
—气、液体的速度(m/s)；m
r
、m
l
与m
g
—单位长度立管质量、单位长度立管内液体与气体质量(kg)；
[0026]在轴向方向上，开采立管轴向上需要考虑立管自身重力与管内流体的重力，因此立管截面有效张力沿程是变化的。开采立管除了受到顶部张力与自身浮力外，其上部立管还要承受下部立管的重力，因此截面上的张力T＝T(z)，表示为：
[0027][0028]式中：T
top
—顶部张力(N)；ρ
w
—海水密度(kg/m3)；D0—立管外径(m)。
[0029]进一步的，S3中的边界条件为使用Newmark
‑
β法计算开采立管在全局坐标系下振动控制矩阵方程
[0030]其中[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵，阻尼矩阵与刚度矩阵；分别为立管加速度、速度与位移矢量；{f}为外界的流体力载荷。
[0031]进一步的，S4中在开采立管振动求解过程中，保持运算时间步一致，将尾流振子模型与立管控制方程耦合迭代计算，可以分别得到开采立管顺流向与横流向的位移时程响应，通过对位移时程曲线进行快速傅里变换，可以得到开采立管顺流向与横流向的频率响应。
[0032]进一步的，S4中使用微分控制方程计算悬挂立管的无阻尼自由振动，得出模型的固有频率，对气液两相流和纯液流下的涡激振动特性对比分析、不同排量下的涡激振动特性对比分析、不同两相混合密度下的涡激振动特性对比分析和不同进气比下的涡激振动特性对比分析进行总结。
[0033]基于上述分析方法，过建立内外流耦合作用下的立管系统动力学分析模型，分析含气液两相流的立管的涡激振动特性。研究了排量、混合流体密度、进气比等因素对涡激振动的影响,本专利技术具有以下结论：
[0034](1)本专利技术提供的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，可以得出，液两相流会引起立管的固有频率降低，在相同的外部激励下，导致其振动幅值更大，振动频率也更大，且表现出的模态响应也更高阶。因此，在实际工程问题中，应重点关注管内气液两相流对立管涡激振动的影响。
[0035](2)本专利技术提供的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，可以得出，随着管内流体排量和流体混合密度的增加，立管轴向张力减小，固有频率降低，振动幅值增大。由于此时发生频率锁定现象，振动频率呈现与固有频率同步降低的趋势，模态振型保持不变。
[0036](3)本专利技术提供的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，可以得出，进气比的增大导致立管刚度减小，振动幅值增加。随着管内含气量的增加，管内两相流会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，其特征在于，提出了考虑内外流耦合作用下的开采立管数值分析模型和管内多相流模型分析方法，包括开采立管力学模型分析方法、流体力模型分析方法、尾流振子模型分析方法和管内两相流模型分析方法，采用有限元法和Newmark
‑
β法对模型进行求解，具体求解步骤如下所示：S1：根据外部海流速度大小、立管长度、立管内外径、内流速度等参数对深海含两相流立管进行模拟，模拟开采立管涡激振动过程；S2：分析开采立管单元和管内流体单元段受力，建立考虑内外流耦合作用下的开采立管力学模型，此基础上，建立考虑管内流型对立管动力响应影响的两相流模型，计算管内流体质量和速度分布；S3：将计算出的管内流体质量和速度分布情况与开采立管模型结合，基于模型的边界条件采用Newmark
‑
β法，求解考虑内外流耦合作用下的开采立管力学模型分析方法；S4：根据计算出的考虑内外流耦合作用下的立管动力响应，模拟分析立管的涡激振动强弱以及振动频率的大小，得出内外流耦合作用下的开采立管涡激振动响应规律。2.根据权利要求1所述的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，其特征在于，所述S1中的两相流立管管内的两相流能够对开采立管产生动态激励作用，在开采立管运移两相流的时候，进一步将开采立管简化为两端简支的内输多相流立管；立管置于横向流动的海流中产生大变形弯曲，同时由于海水绕过圆柱管道会因旋涡脱落而产生涡激力作用于开采立管上，进而使得立管产生涡激振动。3.根据权利要求1所述的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法，其特征在于，所述S2中在分析相流动基本方程推导过程中，将两相分别按单相流处理并计入相间的相互作用，再将各相的方程加以合并，具体步骤为：根据流体微元单元段受力分析图，得到管内多相流流体微元段x方向上的力平衡方程为：开采立管微元段x方向的力平衡方程位：剪切力Q与弯矩M为：剪切力Q与弯矩M为：联立上述方程得到两相流的深水立管顺流向(x方向)运动微分方程为：得到开采立管横流方向(y方向)上的运动微分方程为：
式中：EI—弯曲刚度(N
·

【专利技术属性】
技术研发人员：毛良杰，严巨熙，黄鑫，付强，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：