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深水海洋钻井平台振动特性研究 * 刘国昊1, 刘摇 吉2 1. 川庆钻探工程有限公司 安全环保质量监督检测研究院,四川 广汉摇 618300; 2. 广汉市宏一天然气有限公司,四川 广汉摇 618300 摘摇 要海洋油气勘探力度的加大使钻井平台的使用量增加,结构的振动行为对平台的使用与维护都具有重要影响。 通过建立海洋平台的悬臂梁模型,对结构进行质量、刚度和阻尼等效,分析了结构的单自由度自由振动响应和承受简 谐外激载荷时的受迫振动响应。 通过对振动响应幅值求极值,得到对应与阻尼比相关的频率比,此时系统出现共振 现象。 对于小阻尼比系统,当外激频率接近固有频率时易出现共振现象。 关键词勘探;海洋平台;振动;振幅;共振 中图分类号TE951摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201405-0014-03 Research on the Vibration Characteristics of Deep Water Drilling Plat LIU Guo-hao1, LIU摇 Ji2 1. Research Institute of Safety and Environmental Protection Quality Supervision, Chuanqing Drilling Engineering Co. , Ltd, Guanghan Sichuan摇 618300, China; 2. Hongyi Gas Co. , Ltd, Guanghan Sichuan摇 618300, China Abstract With the development of exploration in offshore oil and gas, the number of drilling plat increased, and the vi鄄 bration characteristics of structure plays an important role in using and maintaining the plats. Based on a cantilever beam model with equivalent mass, stiffness and damping, free vibration in a one degree of freedom and forced vibration of the ocean plat were studied. By solving the extreme value of the response, frequency ratio that relevant to the damping ratio was ob鄄 tained; and in this case, resonance occurred. Thus to the small damping ratio system, resonance easily occurred when exter鄄 nal frequency was close to the natural frequency of the system. Key words exploration; ocean plat; vibration; amplitude; resonance 0摇 引摇 言 目前,全球油气需求急剧增加,而油气产量增长 乏力,石油工业正面临着极大的挑战。 我国油气进口 量已超过油气需求总量 50 的警戒线,长期依赖进 口对我国的社会发展及国家安全而言都存在极大隐 患[1]。 当今全球油气勘探开发的力度日渐加大,但 当前大部分的油气产量仍来自于 40 年前开发的油 田,而大部分油田正面临着每年 4 6 的产量衰 减。 海洋油气勘探开发是陆地石油开采的延续,国内 外普遍看好海洋油气的勘探开发。 现有资料表明,海 洋石油资源将是未来原油产量增长的重要来源,全球 50以上的油气产量和储量将来自海洋[2-3]。 我国 南海等海域具有丰富的油气资源,然而我国海洋勘探 程度较低,处于勘探的早中期阶段。 从海洋工程装备 来看,装备国产化比率较低,进口比例在 70 以上, 总体处在第三梯队。 随着国家对海洋资源开发力度 的加大,我国在海洋装备领域的发展也取得了显著的 成效[4-5]。 目前全球主要海洋工程装备开发建造商集中在 欧美、韩国和新加坡等国家,这些国家掌握中浅水域 平台的建造技术,在深水高技术平台的研发也走在世 界前列。 据资料显示,我国已可自主设计制造作业水 深 400 英尺以内的各种钻井、作业及采油平台,包括 座底式平台及自升式平台,可搭载 9 000 m 以下各种 平台钻修井机。 钻井平台服役于恶劣的环境载荷中, 通过理论分析对平台的设计与建造以及维护与安全 评估具有重要意义。 海洋平台在建造与工作过程中 承受波浪、海流、风力和地震等载荷的作用,在这些载 荷的作用下必伴随着剧烈的振动[6-7]。 笔者通过海 洋平台特有的结构特点分析其振动特性并提出振动 控制方法,可为平台的设计与使用提供依据与指导。 1摇 模型的等效简化 1. 1摇 质量等效 平台下端通过桩腿固定于海底,海面的平台甲板 视为集中质量 M,由平台甲板与桩腿构成的平台系统 可视为悬臂梁。 平台系统的质量可等效为[8] MmB0. 23mZ1 式中mB为甲板质量;mZ为桩腿质量。 1. 2摇 弹簧刚度等效 对受轴向载荷如地震等的平台系统而言,视 41 研究与分析摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期机械研究与应用 *收稿日期2014-09-01 作者简介刘国昊1982-,男,四川遂宁人,硕士,主要从事特种设备检验检测方面的工作。 桩腿为等效弹簧且假定桩腿为均质杆,其等效刚度 为 k EA/ l2 式中E 为桩腿的弹性模量;A 为桩腿横截面积;l 为 桩腿长度。 对受横向载荷如风载和波浪载荷等的平台而 言,视系统为载荷作用在自由端的悬臂梁,其等效刚 度为 k 3EI/ l33 式中I 为桩腿对其形心的惯性矩。 海洋平台的桩腿通常平等布置共同支撑着平台, 可将各桩腿视为并联的弹簧,对于并联弹簧其等效刚 度为 k k1 k2 kn4 式中kn为编号为 n 的弹簧的刚度。 1. 3摇 阻尼等效 系统的阻尼包括粘性阻尼、干摩擦阻尼和结构阻 尼等,工程上常采用等效粘性阻尼的形式来表示其他 阻尼。 等效的原则是等效粘性阻尼与其他类型的阻 尼在一个简谐振动周期中所耗能量相等。 设简谐振 动的系统运动为 ut asin 棕t 渍 则阻尼力在一个振动周期内所耗的能量为 W 乙 T 0 cu udt c棕a2乙2仔 0 cos2孜d孜 仔a2c棕5 得到等效粘性阻尼系数为 ce W/ 仔a2棕6 式中u 为振动位移;a 为简谐振动振幅;棕 为振动频 率;渍 为振动初相位。 根据上述简化思想,对其他阻尼进行简化。 对于 低粘度流体,当物体以较高速度在流体中运动时,阻 尼力与物体运动速度间关系为 fd 茁u 2t 7 简化后低粘度流体阻尼的等效阻尼系数为 ce 8 3仔茁棕a 8 式中茁 为低粘度阻尼系数;u t为运动物体的瞬时 速度。 对于库仑干摩擦阻尼,当物体沿干燥表面产生相 对运动时,接触面间的摩擦力为 fd 滋N9 库仑干摩擦等效阻尼系数为 ce 4滋N 仔a棕 10 式中滋 为滑动摩擦系数;N 为两接触面间的正压力。 结构阻尼振动能量的消耗一般指迟滞回线所包 围的面积,一般通过试验确定。 试验表明,该能耗几 乎与振动频率无关,其振动一周的阻尼能耗为 W茁a211 得到结构阻尼的等效阻尼系数为 ce 茁 仔棕 12 式中茁 为常数,因材料而异。 2摇 平台的自由振动特性 自由振动是指系统在初始时刻受到外界扰动 如具有一定的初始位移或初始速度,此后并不受 外力作用而发生的振动。 平台质量集中于甲板,将平 台系统视为单自由度系统,系统模型如图 1 所示。 图 1摇 海洋平台简化模型 摇 摇 海洋平台在水平方向的振动方程为 mx cx kx 013 设方程的解为 渍t 渍 - est,得到其特征方程为 ms2 cs k 014 其特征根为 s1,2- c 2m 依 c 2 m 2 - k m 15 定义固有频率为 棕n k m ;阻尼比为 灼 c 2m / k m 。 对于不同的阻尼比,式15将给出实特征根或 复特征根,从而得到不同的解。 可能出现下列三种情 形淤过阻尼情况,灼1;于临界阻尼情况,灼1;盂欠 阻尼情况,灼1。 实际上海洋平台系统为欠阻尼情 况,得到振动方程的通解如式16 xt e -灼棕nta 1cos 棕n 1 - 灼2t a2sin 棕n1 - 灼2t16 式中a1和 a2由初始条件确定。 对于初始条件 x0 x0,dx dt t0 0,结合式16 得到其海洋平台的自由振动响应为 摇xt - x0e-灼棕ntcos 棕dt 灼 1 - 灼2 sin 棕dt17 51 机械研究与应用2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 研究与分析 式中棕d棕n1-灼2为阻尼振动频率。 3摇 外载激励下平台的受迫振动 设海洋平台受简谐力载荷,其运动方程为[9] mx t cx t kx t f0sin 棕t18 式18为一个二阶线性非齐次微分方程,其解 可由对应齐次方程通解和特解叠加而得 x t x t x* t19 式19中 x t 和 x* t 分别满足 m x t c x t kx t 020 mx * t cx * t kx* t f0sin 棕t21 方程式20的通解可由平台自由振动特性得 到。 方程式21的特解如式22 x* t f0 k - m棕 22 c 棕 2 伊 sin 棕t arctan c棕 m棕2 - k 22 随时间增加,通解部分幅值逐渐衰减,为瞬态振 动,而特解部分响应振动不随时间变化,为稳态振动。 系统在静力幅 f0作用下其位移为 f0/ k,得稳态振动 位移振幅放大因子为 浊 1 1 - 姿 22 2 灼姿 2 23 其中定义 姿棕/ 棕n为频率比。 对式23求极值,得到对应的频率比为 姿d1 - 2灼224 即得与系统阻尼比有关的系统振幅波动最大时 对应的频率比,此时系统出现共振。 多式可知,对于 阻尼比较小的情况,频率比约等于 1,即外激频率与 固有频率接近时出现共振现象。 由上分析可知,共振时结构的振动幅度大幅增 加,由此可能引起结构损坏等事故发生,工程中应该 尽量避免结构出现共振现象。 对于共振的抑制,可从 结构设计出发,例如改变结构本身固有的属性;变化 固有频率,使其与外激频率避开;也可在已有结构基 础上增设隔振器等达到减振或抑振的目的。 4摇 结摇 语 随着海洋油气勘探开发力度的不断加大,海洋钻 井平台的使用量增加,钻井平台作为服役于恶劣环境 下的结构,其振动行为对结构的使用和维护具有重大 影响。 笔者基于海洋平台的简化模型分析了其振动 特性。 1 视海洋平台质量集中于甲板,海洋平台可视 为悬臂梁,并对系统进行了质量等效、弹性刚度等效、 阻尼等效分析。 2 将海洋平台简化为单自由度系统,分析了其 自由振动特性,根据方程解系统可能出现过阻尼、临 界阻尼和欠阻尼情况。 对于海洋平台的振动而言属 欠阻尼情况,分析了其对应的振动响应。 3 分析了海洋平台承受简谐力载荷时的振动 特性,随时间增加其振动响应主要由特解决定。 得到 振幅出现极大值时与阻尼比相关的频率比,此时系统 出现共振现象。 对于小阻尼比而言,外激频率与固有 频率接近时产生共振现象。 参考文献 [1]摇 李凌峰. 我国石油供应案例危机预警管理研究[D]. 成都西南 石油大学, 2006. 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