内外流共同作用下的顶张式立管群流致振动特性研究

Flow induced vibration (FIV) is an important factor affects the working capacity of top tension riser array (TTRA). In industry, single-phase flow model and Blevins model are used generally, but lack of the model to explain the FIV characteristics of TTRA under both two-phase internal and external flow. This program firstly will carry out a study on the FIV numerical simulation method (NSM) of TTRA under internal and external flow based on extended finite element method (XFEM), which is developed from 2D-model of cylinder FIV. Then the model of gas-liquid two-phase flow will be introduced to show the affect of gas bearing ratio and viscosity ratio on FIV of TTRA. The Blevins model will be devloped from two risers in tandem configuration to multi-riser and intersect configuration. The L-W "streamtube" model will be used to study the mutual effect of FIV bwteen the risers of TTRA. The experimental study will be carried out to provide reasonable boundary conditions and hydrodynamic coefficients to the analytical model and verify the NSM and analytical model. At last, the effects of TTRA configurations, damping ratio, pitch ratio on the FIV characteristics of TTRA will be studied, and the diagram of FIV stability will be obtained.

流致振动是影响顶张式立管群工作性能重要因素。工程实际中主要采用单相内流模型和串列布置式的Blevins尾流干涉模型进行分析，缺乏针对内外流共同作用下的立管群流致振动特性的深入研究。本项目首先开展基于扩展有限元法的（XFEM）顶张式立管群内外流流致振动数值模拟研究，在二维圆柱绕模型的基础上发展内外流作用下的流致振动数值模拟方法。然后引入气液两相流模型，研究含气率、两相粘性比等参数对立管振动特性的影响；扩展Blevins模型，将两串立管尾流干涉模型推广到多立管串联和交叉布置的应用场合；进而建立内外流共同作用下的顶张式立管群流致振动解析模型；应用L-W“流管“模型研究立管间的振动影响。利用实验研究为解析模型的建立提供合理边界和水动力系数的确定方法并验证数值分析和解析模型。最后分析不同立管布置形式、阻尼比及节距比等参数影响下的顶张式立管群的振动特性，并得到流致振动稳定图。

顶张式立管群是深水油气资源的重要钻采设备，在作业中主要受到外部环境和作业设备引起的振动响应，其部件一旦发生振动破坏会导致重大的安全事故和经济损失。本项目针对内外流共同作用下的顶张式立管群振动特性开展研究，对深水钻采平台的设计、顶张式立管的安全控制具有重要的理论意义和应用价值。.针对顶张式立管群的作业条件，建立了流体-立管群结构交互作用数值模拟方法，开展了不同立管数、内外流流速、排列位置等因素耦合作用下的立管群流质振动特性研究；建立了立管群流致振动稳定性解析模型，分析了不同流速和排列位置下的主振方向、临界失稳流速，绘制了相应的稳定图；耦合平台运动、海洋环境载荷等因素，建立了相邻立管联合作业下的力学行为模型，分析了三种作业工况下的上、下游立管尾流影响的力学行为；建立了基于动态贝叶斯网络顶的张式立管动态风险评估方法，分析了立管系统及其重要设备的动态可靠性、可用性和不同钻采作业条件下的动态风险。研究结果表明：.（1）立管间的相互干涉作用在顺流方向比横流方向作用更大，且临界立管间距约为3.5D-4D。立管位置对立管群横向振动影响更大。下游立管对上游立管有相位迟滞现象，受到上游涡激扰动作用，下游立管横向振动明显所增强，整个立管群结构出现了“甩尾”现象。.（2）立管群的主振方向随流速变化，先发生在顺流方向上，再发生在横流方向。通过立管群稳定性临界流速分析，正方形排列最稳定，转置正方形次之，正三角形再次之，转置正三角形稳定性最弱。.（3）上游立管对下游立管的影响很大，特别是单立管钻采+单立管悬挂工况。不考虑上游立管的尾流影响的计算结果明显偏大。张力比、立管壁厚和底部质量的大小对相邻立管之间碰撞区的影响较大，且该区域位于上游立管最大变形点附近。.（4）随着部件失效率的增加，立管动态风险逐渐升高，系统可靠性也随之降低。张紧器故障、立管主体结构失效和密封泄露对立管的作业风险概率影响最大，这类设备应及时进行保养和维修。