立管鉆探再入控制研究

本項(xiàng)目主要研究成果匯報(bào)如下：（1）在渦激振動(dòng)仿真計(jì)算中，當(dāng)彎曲應(yīng)力相對(duì)于張力作用占主導(dǎo)時(shí)，橫向振動(dòng)結(jié)構(gòu)非線性效應(yīng)可顯著減小振動(dòng)幅值并可改變主振模態(tài)。立管軸向振動(dòng)耦合作用可緩解橫向結(jié)構(gòu)非線性效應(yīng)。（2）海洋立管在正常作業(yè)工況下，內(nèi)流離心力可通過(guò)減小有效張力影響系統(tǒng)固有頻率,從而改變渦激振動(dòng)主振模態(tài)及頻率，同時(shí)在內(nèi)流超臨界區(qū)成功預(yù)測(cè)到屈曲-顫振耦合失穩(wěn)現(xiàn)象。（3）海洋立管在脫離工況下，內(nèi)流通過(guò)減小系統(tǒng)固有頻率從而改變渦激振動(dòng)主振模態(tài)及頻率。同時(shí)立管可通過(guò)開(kāi)口流損失或獲取能量，當(dāng)內(nèi)流速度較小時(shí)，可通過(guò)內(nèi)流損失能量而抑制渦激振動(dòng)。當(dāng)內(nèi)流超過(guò)一臨界速度時(shí)，系統(tǒng)可從內(nèi)流中不斷吸收能量而失穩(wěn)。臨界流速取決于洋流速度和主振模態(tài)。（4）海洋立管在泄漏工況下引入泄漏流非保守內(nèi)流效應(yīng)，在內(nèi)流亞臨界區(qū)可通過(guò)泄漏流失去能量而改善穩(wěn)定性，在超臨界區(qū)可因泄漏流效應(yīng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)。當(dāng)泄漏流速超過(guò)某臨界值時(shí)，系統(tǒng)在亞臨界區(qū)可喪失穩(wěn)定性。（5）在立管參激振動(dòng)中，內(nèi)流離心力通過(guò)減小系統(tǒng)固有頻率而增加一階不穩(wěn)定區(qū)。內(nèi)流科氏力通過(guò)阻尼作用減小一階不穩(wěn)定區(qū)，同時(shí)通過(guò)增加模態(tài)耦合作用擴(kuò)大多模態(tài)耦合不穩(wěn)定區(qū)。（6）海洋立管緊急脫離動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，必須考慮頂端平臺(tái)和管內(nèi)泄流柱對(duì)反沖立管的共同耦合作用。同時(shí)指出挪威科技大學(xué)提出的“SFM”模型與中國(guó)石油大學(xué)提出的“WFCM”模型都必須反饋立管瞬時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（7）基于控制理論研發(fā)立管緊急脫離反沖控制系統(tǒng)和再入控制系統(tǒng)，并利用MATLAB\Simulation完成仿真測(cè)試，同時(shí)已初步完成模型試驗(yàn)測(cè)試，正在處理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究成果即將發(fā)表。本研究成果對(duì)發(fā)展內(nèi)外流耦合基礎(chǔ)理論有重要學(xué)術(shù)價(jià)值，亦可為深海鉆井立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全作業(yè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 2100433B

本項(xiàng)目擬以申請(qǐng)人在日本九州大學(xué)博士課程研究為基礎(chǔ)，通過(guò)分析日本“地球號(hào)”立管鉆探船再入控制器的優(yōu)勢(shì)和局限，同時(shí)參考深海立管動(dòng)態(tài)特性和海洋工程領(lǐng)域控制技術(shù)最新研究進(jìn)展，基于九州大學(xué)最新研發(fā)的二維再入控制器，開(kāi)展立管鉆探三維再入控制研究。首先基于漢密爾頓原理嚴(yán)格推導(dǎo)懸臂立管三維運(yùn)動(dòng)方程。通過(guò)數(shù)值分析和模型實(shí)驗(yàn)探究拖曳力(考慮順流渦激效應(yīng)) 和橫流升力在不同邊界條件下的耦合關(guān)系，完成懸臂立管的三維動(dòng)態(tài)特性分析。然后，基于LQI ( Linear Quadratic with Integral ) 或 LPV ( Linear Parameter Varying ) 技術(shù)研發(fā)三維再入控制器。通過(guò)MATLAB/Simulink 框圖測(cè)試控制器，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成鉆井立管再入作業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)。最后，通過(guò)在循環(huán)水槽的模型實(shí)驗(yàn)完成對(duì)控制器性能的測(cè)試和評(píng)估。本研究將對(duì)我國(guó)未來(lái)建造首艘立管鉆探船有重要意義。

立管，指呈垂直或與垂線夾角小于45度的管道。

standpipe

在化工設(shè)備中安置的垂直管道都稱為立管。

在不同設(shè)備中立管的作用是各不相同的，但主要是對(duì)設(shè)備上部和下部的物料進(jìn)行輸送。例如各種類型的分離塔大部分都有兩相逆流流動(dòng)，立管便可對(duì)兩個(gè)塔板間的物料進(jìn)行輸送。又如流化床反應(yīng)器內(nèi)要保證固體顆粒循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在反應(yīng)器上部收集的顆?？梢酝ㄟ^(guò)立管循環(huán)器底部，以完成顆粒的循環(huán)流動(dòng)。

vertical pipe, riser, stack

外立管指為提供有效掩蔽而直接受到風(fēng)、浪、流、冰等外載荷作用的立管。

中文名稱

外立管

英文名稱

external riser

定　　義

為提供有效掩蔽而直接受到風(fēng)、浪、流、冰等外載荷作用的立管。

應(yīng)用學(xué)科

船舶工程（一級(jí)學(xué)科），海洋油氣開(kāi)發(fā)工程設(shè)施與設(shè)備（二級(jí)學(xué)科）

一、雙管上行下給式：蒸汽或熱水由總管 (主立管)送至頂層，由橫管分至各立管，從上而下地送到各組散熱器內(nèi)，再由另一回水立管將回水送入地溝中的回水干管內(nèi)，輸送到鍋爐房。這種送汽(或熱水)方式，為每?jī)山M散熱器有一進(jìn)汽(熱水)立管和一回水立管，故稱為雙管上行下給式。二、雙管下行上給式： 蒸汽或熱水由地溝總管與各暖氣立管相連接，自下而上地送至散熱器，再由另一立管回水。這種送汽(或熱水)方式亦為每?jī)山M散熱器各有一進(jìn)汽(熱水)立管和回水立管，故稱為雙管下行上給式。三、垂直單管式：熱水由總立管送至頂層橫管，經(jīng)各立管自上而下順序送至各層散熱器，送水和回水合用一根立管，這種送水方式，稱為垂直單管式。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，但上下層溫度有差別。四、水平單管式：蒸汽或熱水由總立管經(jīng)水平橫管順序在本層內(nèi)送至各散熱器，由另一端立管回水。由于每層送汽(熱水)管道是橫管由一端流經(jīng)各組散熱器，流向另一端的回水立管，再送入地溝內(nèi)的回水干管輸送到鍋爐房。這種送汽(熱水)方式，因各層由一根橫管送汽(熱水)和回水，故稱為水平單管式。