海洋钻井隔水管固有频率研究述评.pdf

机械研究与应用 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 综 述 海洋钻井隔水管固有频率研究述评 李军强 西安石 油大学 机械工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 摘要 隔水管是海洋钻井中的关键设备之一， 同时也是薄弱易损的构件之一。只有通过深入分析海洋钻井隔水管 的振动固有频率， 才能准确判断其强度、 刚度和稳定性。通过对现有国内外大量文献的分析讨论， 总结了国内外关于 海洋钻井隔水管横向振动固有频率的研究成果， 归纳 了影响海洋钻井隔水管横向振动固有频率的几个主要因素， 对 今后 的研 究方向提 出了一 些建议 。 关键词 海洋钻井； 隔水管； 固有频率； 述评 中图分类号 T E 9 5 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 4 0 3 0 1 7 5 0 4 Re v i e w o n Re s e a r c h f o r Na t u r a l Fr e qu e nc y o f M ar i n e Dr i l l i ng Ri s e r L I J u n - q i a n g Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， X i a n S h i y o u U n iv e r s i t y ， X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 5， C h i n a Ab s t r a c t T h e ma r i n e ri s e r i s o n e o f t h e k e y e q u i p me n t i n ma r i n e d ri l l i n g ，b u t a l s o o n e o f t h e w e a k e s t c o mp o n e n t s o f v u l n e r a - b i l i t y ． I t i s o n l y t o a n a l y z e e x h a u s t i v e l y t h e v i b r a t i o n n a t u r a l f r e q u e n c i e s o f t h e ri s e r i n t h e d e e p w a t e r i n o r d e r t o d e t e r mi n e a c - c u r a t e l y t h e s t r e n g t h，d y n a mi c s t a b i l i t y a n d f a t i g u e l i f e ．T h r o u g h t h e a n a l y s i s a n d d i s c u s s i o n o n p r e s e n t l i t e r a t u r e s ，t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h e ma r i n e d r i l l i n g ris e r v i b r a t i o n i n t h e d o me s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l a r e s u mma riz e d， wh i c h f o c u s i n g o n ma i n l y t h e v i b r a t i o n n a t u r a l f r e q u e n c i e s ．T h e ma i n e f f e c t i n g f a c t o r s o n t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o f t r a n s v e r s e v i b r a t i o n o f ma r i n e d ri l l i n g ri s e r are c o n c l u d e d ．T h e s u g g e s t i o n s o n f u t u r e r e s e arc h d i r e c t i o n a r e p u t f o r w a r d ． Ke y wo r d s ma rin e d ril l i n g ；ma r i n e ris e r ；n a t u r a l fre q u e n c y；r e v i e w O 引 言 隔水管是海洋石油钻井中的关键设备 ， 同时也是 薄弱易损的构件之一 。其 内部有高压流体通过 ， 外部 则承受海风、 波浪以及海流的作用， 加上所连浮体的 漂移存在 ， 使得隔水管处于极其复杂的海洋 环境 中。 由于载荷因素的多样性 ， 作业过程的复杂性 ， 自身结 构的大变形非线性 ， 分析方法的不确定性 ， 以及实际 动力响应的抽象性等， 使得隔水管成为海洋石油装备 开发的难点与重点。对海洋钻井隔水管系统进行 动 力学分析一直是海洋工程 中的重要课题 ， 国内外许多 专家、 学者进行了大量分析研究 ， 取得 了很多研究成 果 。笔者主要从海洋钻井 隔水管横 向振动 固有频率 方面对这些研究成果进行总结和分析讨论 。 1 文献研 究成果总结 海洋钻井隔水管的固有频率分析是隔水管动力 学分析的一个主要内容。在海洋钻井时 ， 当隔水管横 向振动固有频率与钻柱转速接近时， 可能会使钻柱与 隔水管发生谐振而引起隔水管发生严重偏磨； 当隔水 管横向振动固有频率与海 流经过 时产生 的漩涡释放 频率接近时， 隔水管将发生涡激振动 ， 即产生“ 锁定” 现象 ， 使得隔水管疲劳寿命显著降低。因此精确计算 隔水管横 向振动固有频率对于合理选择钻井参数 、 避 免隔水管的非正常破损和预测隔水管涡激响应 、 疲劳 寿命具有重要意义。 文献[ 1 ] 的研究结果表 明， 如果隔水管 的顶端张 力较小 ， 当内流足够大时可显著降低隔水管的固有频 率 ； 而顶端张力较大时 ， 管内流体产生的影响较小。 文献[ 2 ] 推导 出了工作在水深 6 0 0英尺的钻井 隔水管固有频率计算的解析式 ， 并给出了隔水管固有 频率 的近似公式。该公式非 常简便且可得到满意的 工程结果。研究表明隔水管固有频率随着顶部张力 的增大而增大 ； 随着钻井泥浆密度的增大 ， 隔水管的 质量增加， 而刚度不变， 隔水管的固有频率就会减小。 文献[ 3 ] 利用哈密顿原理推导 出了考虑 内部流 体动力和其它常规力作用的隔水管横 向振动控制方 程 ， 利用适当的张力表达式 ， 隔水管 的控制方程可适 用于零浮力、 负浮力或 正浮力隔水管系统 。研究 表 明， 流体流动产生的力将减小隔水管的固有频率， 对 于张力不足的零浮力隔水管系统 ， 流体动力可大幅度 降低固有频率 ， 对于正浮力或负浮力隔水管系统的影 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 5 基金项目 陕西省教育厅专项科研计划“ 海洋石油钻井平台隔水管动力学响应分析” 编号 l 1 J K 0 5 3 9 ； 国家重大专项“ 半潜式钻井平台管 子处理系统关键技术研究” 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 7 0 0 1 6 作者简 介 李军强 1 9 6 4 一 ， 男 ， 陕西咸阳人 ， 博士 ， 教授 ， 主要从事石油机械动力 学的教学 和研究工作 。 1 7 5 综 述 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 机械研究与应用 响较小 。当流体流动速度接近临界速度 、 屈曲或显著 数值时， 可能引起系统的动态不稳定。 文献[ 4 ] 利用拉格 朗 日方程推导 出了考虑 内部 流体流动的顶张力柔性隔水管横 向振动微分方程 ， 计 算 了隔水管固有频率。数值结果表明， 对于给定的顶 部张力 ， 当内流速度增加时， 固有频率降低 ， 稳定性减 小。而且内流对于高伸缩性隔水管 的影响大于低伸 缩性隔水管， 为了更加精确的分析 ， 必须考虑内流的 作用 。 文献 [ 5 ] 假定隔水管两端铰接 ， 分析管内流体及 管外海洋环境荷载的共同作用 ， 利用小变形理论建立 了涡激振动偏微分动力学方程。计算结果表明， 随着 顶部张力的增大 ， 隔水管 的固有频率增大 ； 管 内流体 流动速度 的增大会降低隔水管的固有频率 ； 随着隔水 管长度的增加 ， 固有频率会急剧 降低 。 文献 [ 6 ]利用变分原理推导 出了 内含流动流体 的直立隔水管非线性运动方程 ， 分析了端部约束条件 和端部旋转刚度对固有频率 的影响。随着端部约束 增强， 隔水管固有频率会随之增加 。因为隔水管在上 端部 区域变形 曲率很小 ， 隔水管上端约束 的关节旋转 刚度对 固有频率的影响很小。由于本身 自重的影响 ， 隔水管在底端 区域变形 曲率变大 ， 隔水管底端约束 的 关节旋转刚度对固有频率的影响较大。因此 ， 设计人 员可以通过控制隔水管的位移和曲率来调整或减少 关节刚度对隔水管固有频率的影响。 文献[ 7 ]利用基于弹性理论和功能原理的变分 法推导出了三维张力隔水管的模态分析公式， 结果表 明， 流体流动使得隔水管固有频率和结构稳定性降 低 ， 这种影响可通过增加隔水管轴向变形得到减小。 文献[ 8 ] 建立 了在管 内流动流体和管外海洋环 境载荷共同作用下隔水管横 向运动微 分方程。结果 表明， 内流速度的增大会降低 隔水管的 固有频率 ， 而 预张力会增加其 固有频率 ， 但适当增大顶端预张力会 抵消内流流速增加引起的固有频率下降 ， 但隔水管应 力也会相应 的增加。 文献 [ 9 ]利用变分原理 ， 建立采用三维动力学模 型对深水钻井隔水管的动力学特性进行了计算分析 。 研究表明， 顶部张力对 隔水管的固有频率影响明显 ， 随着顶部张力的增大 ， 隔水管的固有频率增大， 深水 隔水管常规使用下的高阶频率与常见海浪频率接近， 在设计和施工中应特别注意。调节隔水管顶部张力 可在 定范围内改变隔水管系统的固有频率 ， 以避开 与海浪产生共振的频率。 文献[ 1 0 ] 基于能量守恒定律推导 了隔水管 固有 频率 的简化计算公式 ， 但该简化公式仅适用于一定的 水深， 经计算验证 ， 简化公式对于计算水深小 于 6 0 0 ． 1 7 6 ． m 的顶张力隔水管固有频率具有较高的精度 。不考 虑节流与压井管线 的影响将导致隔水管 固有频率计 算结果偏大。在影响隔水管固有频率的所有参数中， 顶张力是最敏感也是最重要的参数。因此 ， 在工程实 践中， 调节隔水管张力器的张紧力可以较轻易地改变 隔水管的固有频率 ， 这是避免和抑制隔水管涡激振动 的有效措施之一。 文献[ 1 1 ] 假定 隔水管两端铰接 ， 建 立 了海洋隔 水管涡激振动偏微分方程 。用复模态分析方法计算 隔水管的动力学特性 ， 得到隔水管考虑阻尼的固有频 率。通过算例表明 ①考虑阻尼的隔水管固有频率略 小于忽略阻尼固有频率 ， 同隔水管长度、 内流流速相 比， 阻尼对隔水管固有频率 的影响相对较小 ； ② 随着 内流流速的增加 ， 隔水管一阶固有频率逐渐 降低 ， 当 固有频率降低到接近漩涡脱落频率时易产生“ 锁定” 现象 ， 从而引起隔水管 的疲 劳破坏 ； ③ 隔水管长度对 固有频率影响很大 ， 长度的增加 固有频率急剧降低。 文献 [ 1 2 ] 利用有限元软件对裸隔水管 、 浮力块 交错分布隔水管和全浮力块隔水管的涡激振动性能 进行了分析 ， 定量分析了不同浮力块分布方案下隔水 管的固有频率 。算例结果表 明， 增加浮力块后 ， 隔水 管 固有频率下降。全浮力块分布方案下 ， 隔水管固有 频率降至裸管的4 5 ％左右。 文献 [ 1 3 ] 根据能量法建立 了用三角级数方程表 示 的隔水管挠曲变形方程 ， 由瑞利法计算了隔水管系 统 的振动固有频率。导管越长， 自重越重 ， 其 固有频 率就越低。通过工程实例对 隔水管在不同尺 寸和不 同水深条件下的自振特征和特点进行了分析 ， 在 目前 近海勘探的水深范围内， 隔水管横 向振动频率在很大 范围内与常用的钻柱转速重合 ， 这样在进行钻井作业 时钻柱可能会与隔水管发生谐振 而引起隔水导管过 度磨损， 因此需要注意选择合理 的钻柱转速 ， 避开谐 振区。 文献[ 1 4 ] 利用有限元软件计算 了深水钻井隔水 管的固有频率 ， 结果表 明， 在钻井 液密度一定的情况 下 ， 随着顶部张力比的增大 ， 隔水管的各 阶固有频率 逐渐增大。在顶部张力一定的情况下， 随着钻井液密 度的增大 ， 隔水管的各阶振动频率增大。因此在实际 中， 可通过调节顶部张力或顶部 张力 比， 改变隔水管 的振动频率 ， 避开波浪 的主要能量频带 ， 以降低隔水 管的振动 。 文献 [ 1 5 ] 利用有限元软件对充满钻井液的深水 钻井隔水管进行了非线性动力特性分析 。研究发现 ， 随着顶部张力或安装浮力块长度的增加 ， 隔水管的固 有频率将逐渐增大； 隔水管长度增大时， 固有频率将 减小。因此 ， 隔水管长度一定 的情况下， 采用控制顶 杌械研究 与应用 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 综 述 部张力或调节浮力块长度等方法可在一定范 围内改 变隔水管系统的固有频率 ， 以避免产生共振而损坏 。 文献 [ 1 6] 从深水 钻井 隔水导 管 的实际情 况 出 发， 采用一端铰支、 一端自由的约束方式， 应用弹塑性 力学中的位移变分原理 ， 考虑隔水导管所受到的轴向 张力、 自重以及隔水导管倾斜角， 建立 了隔水导管挠 曲方程 ， 并由此推导出了隔水导管固有频率的计算公 式。通过算例 ， 分析了隔水导管倾斜角 、 几何尺寸 、 张 力及水深对隔水导管固有频率的影响。 文献 [ 1 7 ] 采用解 析法 ， 分析 了各 种因素对隔水 管横向振动固有频率的影响。结果表明， 隔水管的长 度对其固有频率的影 响较 大， 长度增加 时， 隔水管振 动的固有频率减小。随着顶部张力比增加， 隔水管固 有频率也增加。在隔水管外径 或内径 不变的情况 下 ， 隔水管固有频率随着壁厚的增加 而降低 ， 但 降低 的幅度不是很明显。随着钻井液密度的增加 ， 隔水管 横向振动的固有频率增加 ， 但影响不是很大 。在考虑 海水存在的情况下 ， 隔水管的横向振动的固有频率比 不考虑海水时要低很多。 2 隔水管固有频率研究的主要方法 综合以上文献的分析讨论 ， 可总结出隔水管振动 固有频率研究所采用 的主要方法。 1 解析法 根据力学原理推导出隔水管振动微 分方程和频率方程 ， 然后编程通过数值计算求解方程 得到隔水管 固有频率 。从理论上来讲 ， 该方法可以考 虑各种特殊条件和 因素 ， 精度应该 比较高 ， 但 比较繁 琐 ， 工作量较大。 2 近似法 主要是根据能量法、 瑞利法或非线 性振动等近似方法计算隔水管固有频率。一般来讲， 该方法较直观 、 简便 、 快捷 ， 但精度可能较低 ， 需要考 虑精度是否满足工程要求。 3 有限元软件 利用流行的大型商业有限元软 件进行计算， 近年利用较多。只要熟悉商业有限元软 件 的使用 ， 该方法较简单 ， 但最主要 的问题是如何正 确、 合理处理边界条件和各种特殊条件。对于一些考 虑特殊因素的工况 ， 可能无法直接使用该方法。 3 影响隔水管固有频率的主要因素 综合 以上文献 的分析讨论 ， 可总结出影响海洋钻 井隔水管横向振动固有频率的几个主要因素。 1 隔水管顶部张力 的影响 在影响隔水管 固有 频率 的所有参数 中， 顶张力是最敏感也是最重要的参 数。随着顶部张力的增大， 隔水管的固有频率增大。 调节 隔水管顶部张力可在一定范 围内改变隔水管 系 统的固有频率 ， 以避开与海浪产生共振 。深水隔水管 常规使用下的高阶频率与常见海浪频率接近 ， 在设计 和施工 中应特别 注意 。因此 ， 在工程实践 中， 调节 隔 水管张力器 的张紧力 可以较轻易地改变隔水管的固 有频率， 这是避免和抑制隔水管涡激振动的有效措施 之一 。 2 隔水 管长度 的影响 随着隔水管长度 的增 加， 固有频率会急剧降低。 3 浮力块 的影响 增加浮力块后 ， 隔水管固有 频率下降 ， 全浮力块分布方案下 ， 隔水管 固有频率 降 至裸管的4 5 ％左右。因此 ， 可在一定范 围内通过安 装浮力块的方法来调整隔水管 的固有频率， 防止共 振。 4 钻井泥浆密度的影响 当不考虑钻井泥浆对 张力的影响时 ， 由于随着钻井泥浆密度 的增大， 隔水 管系统的质量增加， 而刚度不变， 所以隔水管系统的 振动 固有频率就会减小。但是 ， 当考虑钻井泥浆对张 力的影响时 ， 随着钻井液密度的增加 ， 隔水管横 向振 动的固有频率增加 ， 但影响不是很大。 5 隔水管内部钻井泥浆流动速度 的影响 泥浆 流动速度的增大会降低隔水管 的固有频率 ， 顶端张力 较小， 当内流足够大时可显著降低隔水管的固有频 率； 而顶端张力较大时， 管内流体产生的影响较小。 6 隔水管外部节流与压井管线的影响 隔水管 外部 的节流与压井管线对隔水管 固有频率计算 的影 响是不能忽略的， 不考虑节流与压井管线的影响将导 致隔水管 固有频率计算结果偏大。 7 隔水管内部钻井泥浆阻尼的影 响 泥浆阻尼 会使隔水管固有频率略有降低 ， 一般情况下可忽略阻 尼的影响。 4 后续研 究思 考 海洋钻井隔水管 的固有频率 问题是广大海洋工 程工作者重点研究的热 门课题 ， 目前 已进行 的研究 ， 虽然取得了许多成果 ， 但还存在 以下 的不完善之处 ， 需要进一步分析研究。对于海洋钻井 隔水管的边界 条件， 现有文献都做了不同程度的简化， 大部分都把 隔水管作为较简单的两端铰支简支梁来处理 ， 个别文 献作为底部 固定端、 顶端 自由来处理。不同的边界条 件 ， 计算结果差别很 大。一定要根据具体的海况 、 水 深等实际情况， 认真考虑， 选取合适的边界条件。 1 在漂浮式钻井装置有 良好 的定位系统工作 即水面上 的隔水管漂移量很小 时， 边界条件考虑 为两端铰支是合理的。 2 如果漂浮式钻井装置是在恶劣的水域中或 者是定位状态不够理想 即隔水管有较大的漂移量 时 ， 边界条件考虑为底部 固定 、 顶端 自由更为合理。 3 在某些情况下 ， 将隔水管边界条件考虑为两 端固定或者顶部铰支、 底部铰支再加上一个旋转弹簧 约束更为合理 。 综 述 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 机械研究与应用 由于对隔水管力学模型的假设条件不同 ， 所以 目 前现有文献计算结果差别较大 ， 很难对海洋钻井隔水 管的设计和使用提供切实有效 的帮助。应该进一步 开展各种模型和算法的对 比分析 ， 使所得结果更加符 合工程实际。 参考文献 C h e n S S ．D y n a mi c s S t a b il i t y o f T u b e C o n v e y i n g F lu i d [ J ] ．J o u r n a l o f t h e E n g i n e e rin g Me c h a n i c s Div i s i o n，P r o c e e d i n g s o f t h e Ame ric a n s o c i e t y o f Ci v i l En g i n e e r s ，1 9 71 1 4 6 9 1 4 8 5． Da r e i n g D W ， Hu a n g T． Na t u r a l F r e q u e n c i e s o f Ma r i n e Dril l i n g R i s e r s [ J ] ．S P E ／J P T 5 6 2 0， 1 9 7 6 8 1 3 8 1 8 ． Ch e n B C M ．A Ma r i B e Ri s e r wi t h I n t e rn al F l o w i n d u c e d Vi b r a t i o n [ R] ．t h e 2 4 A n n u m O T C i n H o u s t o n ，T e x a s ，1 9 9 2 1 8 3 1 9 0 ． OTC 6 8 9 3． S o mc h a i C h u c h e e p s a k u l ，T s e n g Hu a n g，Ti n n a k o r n Mo n p r a p u s s o rn ． I n flu e n c e o f T r a n s p o rte d Fl u i d o n Be h a v i o r o f a n E x t e n s i b l e F l e x i b l e R i s e r ／ P i p e [ A] ． P r o c e e d i n g s o f t h e N i n t h I n t e r n a t i o n a l O f f s h o r e a n d P o l a r E n g i n e e r i n g C o n f e r e n c e B r e s t [ C ] ． F r 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