海洋波浪理論范文

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篇1

本文在波浪理論知識(shí)基礎(chǔ)上，選擇線性Airy波浪理論，用波壓積分法，利用matlab進(jìn)行計(jì)算受力，研究在不同波高、周期、擺板入水深度以及水深情況下固定擺板的受力變化，為擺板式波浪發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：擺式發(fā)電， MATLAB，波壓積分，受力分析

中圖分類號(hào)：C35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

引言

進(jìn)入21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展愈來(lái)愈受到重視，可再生能源的利用是可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。由于海洋能在可再生能源中的利用占據(jù)了非常重的位置，其中波浪能又是海洋能中的翹楚，利用前景廣闊，近年來(lái)利用波浪能發(fā)電裝置愈來(lái)愈多的研制并投入使用。在此我們將對(duì)擺式波浪發(fā)電裝置擺板受力情況進(jìn)行研究。

經(jīng)過(guò)調(diào)研和研究我們?cè)谟?jì)算中采用波壓積分法對(duì)固定擺板的受力計(jì)算分析，研究對(duì)其受力變化產(chǎn)生的影響因素。為后期的擺式發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1.波浪力計(jì)算公式

半經(jīng)驗(yàn)公式莫里森方程存在局限性其只適用于大型圓柱結(jié)構(gòu)物[1]，但是對(duì)于板式結(jié)構(gòu)物則需要通過(guò)波壓力沿板結(jié)構(gòu)表面積分方法計(jì)算。其計(jì)算公式為：

式中，為波浪力沿x方向的分量，N；p為板結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓力差，Pa；為板結(jié)構(gòu)沒(méi)入水中的深度，m；為波面高度，m；z為擺板上任一點(diǎn)z坐標(biāo)值，m。波壓力和波面高度由波浪理論確定。

由線性波浪理論，波面方程可假設(shè)呈余弦方式，即

（1―1）

式中，a為波動(dòng)振幅，k為波數(shù)，為波浪圓頻率。

線性波中，波壓強(qiáng)分布，由微幅波假定，忽略二階項(xiàng)，相對(duì)壓強(qiáng)為：

（1―2）

上式中第一項(xiàng)為靜水壓力項(xiàng)；第二項(xiàng)為動(dòng)壓力，其中，為壓力響應(yīng)系數(shù)。在z=0處取最大值1，在底部取最小值。式（1―2）只對(duì)靜水面以下成立，要求靜水面以上的壓力，可采用Tayor展開(kāi)，設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)在靜水面上，靜水面以上任一點(diǎn)z1的壓力為：

（1―3）

2.數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型在實(shí)驗(yàn)室模型[2]基礎(chǔ)上以1：1的比例構(gòu)建，實(shí)驗(yàn)室水槽及實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。水槽尺度：，實(shí)驗(yàn)板結(jié)構(gòu)尺寸：。坐標(biāo)如圖所示，原點(diǎn)為擺板和靜水面交線和水槽靜水面中線交點(diǎn)。

圖1 數(shù)學(xué)模型圖

3.數(shù)值計(jì)算

根據(jù)上述波壓公式，得板結(jié)構(gòu)的波浪力公式：

當(dāng)時(shí)，即板結(jié)構(gòu)處波面低于靜水面，

當(dāng)時(shí)，即板結(jié)構(gòu)處波面高于靜水面，

利用MATLAB自編程序，分別計(jì)算改變周期、波高、擺板入水深度及水深的情況下的四組波浪力數(shù)值。根據(jù)計(jì)算水深為中水深 [4]。

3.1波浪周期對(duì)波浪力的影響

保持波高水深及擺板入水(靜水時(shí))深度不變。按照?qǐng)D2所示分別改變周期的大小，得到如下結(jié)果。由于計(jì)算得到的波浪力時(shí)間變化曲線都是正弦曲線[2]，而正弦曲線的有效數(shù)值是與最值和幅值相關(guān)的，故在此我們只需分析波浪的最大正負(fù)值和幅值即可。

圖2周期改變時(shí)波浪力曲線

通過(guò)圖2中計(jì)算結(jié)果以及波浪力變化趨勢(shì)，可以看到，在保持波高、入水深度和水深恒定的情況下，固定擺板的波浪力隨波浪周期增大而增大。

3.2波浪波高對(duì)波浪力的影響

在只改變波高的情況下，由圖3中計(jì)算結(jié)果和曲線可知，波高的變化對(duì)于固定擺板受到的波浪力影響顯著，波高增大時(shí)擺板受到的波浪力也增大。

圖3波高改變時(shí)波浪力曲線

3.3 擺軸和靜水面的距離對(duì)波浪力的影響

圖4擺軸靜水面距離改變時(shí)波浪力變化曲線

只改變擺軸和靜水面距離時(shí)得到擺板受到波浪力及變化如圖4，可知隨擺板處?kù)o水面和擺軸的距離增大而增大，但影響幅度較小。

3.3擺板入水深度對(duì)波浪力的影響

保持T、H以及水深d即擺軸到靜水面距離不變，改變?nèi)胨疃取?/p>

圖5擺板不同入水深度時(shí)波浪力曲線

在波浪參數(shù)以及水深不變的情況下，擺板入水深度即端部到靜水面的距離的改變對(duì)擺板受波浪力影響較大，隨著入水深度的增大波浪力成線性增大。

4.結(jié)論

本文通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，利用波壓積分法，計(jì)算出擺板在不同情況下的受力，研究了波浪周期、波高、擺軸到靜水面的距離以及擺板入水深度等四個(gè)因素對(duì)波浪力的影響，其中波浪力隨周期和擺板入水深度的增大近似線性增大，隨波高增大而增大，而擺軸到靜水面距離的變化對(duì)波浪力影響很小，幾乎沒(méi)有。該計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[3]相吻合對(duì)于之后進(jìn)行的擺式波浪發(fā)電裝置的受力分析提供了參考。由于本文在計(jì)算中未考慮線性波的伸縮變化[4]，數(shù)據(jù)存在一定的誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王濤，尹寶樹(shù)等．海洋工程．山東教育出版社．2004．

[2] Jianmin Chen．Experimental Research on Calculating Wave Force through Wave Pressure Measurement．Advanced Materials Research ．2011．

篇2

關(guān)鍵詞：深海鉆井；隔水管；系統(tǒng)；影響因素

Abstract: Due to the oil and gas fields in deep-sea mining environment is very bad, and the difficulty of exploitation, high risks, marine corrosion, surge, currents environment, marine vortex excited vibration and deep-water pressure and other factors, so deep-sea drilling equipment proposed stringent requirementsdeepwater drilling riser system as a critical part of their research is very important, this paper discusses the analysis of the deepwater drilling riser system related factors, for reference only.

Key words: deep-sea drilling; riser; system; influencing factors

中圖分類號(hào)：TE242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2104（2012）

前言：

海洋鉆井隔水管是海洋深水油氣勘探開(kāi)發(fā)中的重要單元裝備，作為連接海底BOP至海面鉆井平臺(tái)之間的咽喉通道，目前其研究工作已引起了世界多個(gè)國(guó)家的普遍關(guān)注，尤其在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展速度很快。鉆井隔水管通常在海洋勘探鉆井工作中的主要功能是隔離外界海水，用于鉆井液循環(huán)、安裝水下BOP、支撐連接各種控制管線(主要包括節(jié)流和壓井管線、泥漿補(bǔ)充管線、液壓傳輸管線等)，以及起到鉆桿、鉆井工具從鉆臺(tái)到海底井口裝置的導(dǎo)向作用。隨著全球范圍內(nèi)海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)工作不斷向深水領(lǐng)域進(jìn)軍，受海洋風(fēng)、浪、流等惡劣環(huán)境和氣候的影響，研究和開(kāi)發(fā)具有高技術(shù)、高難度和具有高可靠性的海洋鉆井隔水管及其系統(tǒng)已成為一個(gè)新的亮點(diǎn)。

一、深海鉆井隔水管主要作用與事故的后果

隔水管系統(tǒng)是指連接海底井口與鉆井船之間的導(dǎo)管系統(tǒng)，主要包括鋼質(zhì)、柔性和混合型三類，主要用途是鉆井、采油、注水和油井維修，按用途分類可分鉆井隔水管、采油隔水管和油井維修隔水管等鉆井隔水管是連接海底井口與鉆井船的重要部件，其主要功能是提供井口防噴器與鉆井船之間鉆井液往返的通道，支持輔助管線，引導(dǎo)鉆具，下放與撤回井口防噴器組的載體等。鉆井隔水管單根是大直徑，無(wú)縫或者焊接高強(qiáng)度且兩端有焊接接頭的管線，特殊的管線夾把輔助管線緊固于主管線上。隔水管單根兩端的接頭一側(cè)公端，另一側(cè)母端，單根之間往往采用接頭連接，采用金屬-金屬或者彈性體或者二者組合進(jìn)行密封。

1．深海鉆井隔水管主要作用

（1）隔離油井與外界海水；

（2）鉆井工作液的循環(huán)；

（3）安裝水下防噴BOP系統(tǒng)；

（4）支撐各種控制管線；如：節(jié)流和壓井管線，泥漿補(bǔ)充管線，液壓傳輸管線；

（5）鉆桿、鉆井工作從鉆臺(tái)到海底進(jìn)口裝置的導(dǎo)向；

2.隔水管事故產(chǎn)生后的嚴(yán)重影響

（1）鉆井船、海底裝備和油井將受到破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；

（2）鉆井液的泄漏以及石油的泄露，造成環(huán)境的嚴(yán)重污染。

二.影響深海鉆井隔水管系統(tǒng)的的主要因素分析

影響深海鉆井隔水管系統(tǒng)的因素主要來(lái)自于環(huán)境因素和作業(yè)因素兩大類．

1.環(huán)境因素

（1）水深對(duì)設(shè)計(jì)壓力的影響

（2）波浪對(duì)深海鉆井隔水管系統(tǒng)的影響

影響隔水管設(shè)計(jì)的機(jī)理是對(duì)深海鉆井隔水管產(chǎn)生水動(dòng)力載荷以及通過(guò)平臺(tái)的響應(yīng)幅值算子影響鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而形成隔水管頂端的動(dòng)邊界條件。鉆井船運(yùn)動(dòng)和波浪載荷是隔水管動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析主要的動(dòng)載荷，對(duì)于深水隔水管來(lái)說(shuō)，由于波浪載荷導(dǎo)致鉆井船運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管的位移有較大影響，且會(huì)造成隔水管的疲勞損傷，因?yàn)槠鸬斤@著的影響。

（3）海流對(duì)深海鉆井隔水管系統(tǒng)的影響

海流主要包括風(fēng)海流、梯度流、波浪流、潮流、入海逕流、補(bǔ)償流，按照性質(zhì)則可以分為定常流、周期流和短期流。

2.作業(yè)因素

作業(yè)因素主要是指鉆井液密度、脫離后隔水管系統(tǒng)的懸掛模式、浮力塊的分布渦激抑制設(shè)備、節(jié)流與壓井管線的工作壓力等方面。

（1）鉆井液通過(guò)影響頂部張緊力影響

整個(gè)鉆井隔水管包括主管與輔助管線的有效張力，因此深海鉆井隔水管的強(qiáng)度必須依據(jù)最大鉆井液密度（根據(jù)油層工程研究確定）進(jìn)行設(shè)計(jì)。鉆井液密度還通過(guò)影響頂部張緊力進(jìn)而影響隔水管底部撓性接頭的轉(zhuǎn)角，在低密度鉆井液時(shí)通過(guò)調(diào)整頂部張緊力可使底部撓性接頭轉(zhuǎn)角順利進(jìn)入正常鉆井的轉(zhuǎn)角范圍，而在高密度鉆井液時(shí)使用較大的頂部張緊力也較難實(shí)現(xiàn)。

（2）脫離后的懸掛方式對(duì)深海鉆井隔水管的影響

當(dāng)環(huán)境載荷超過(guò)隔水管作業(yè)極限時(shí)需要將鉆井隔水管系統(tǒng)下部的LMRP與BOP斷開(kāi)，使隔水管處于懸掛狀態(tài)。特別是風(fēng)暴成長(zhǎng)速度太快時(shí)，來(lái)不及將鉆井隔水管收回，只能將鉆井隔水管LMRP與BOP脫離以保護(hù)井口。

硬懸掛：通常折疊并鎖定伸縮節(jié)，將鉆井隔水管懸掛于分流器外殼并解開(kāi)張力器，此時(shí)鉆井船運(yùn)動(dòng)直接作用其上可能產(chǎn)生嚴(yán)重載荷導(dǎo)致隔水管壓縮。

軟懸掛：張力器和伸縮節(jié)仍起作用，由張力器來(lái)支持從伸縮節(jié)的外筒至LMRP的隔水管重量以及可能的BOP重量，其優(yōu)點(diǎn)是伸縮節(jié)和張力器能吸收鉆井船的垂直運(yùn)動(dòng)從而大大減小作用于鉆井隔水管系統(tǒng)的動(dòng)載荷，能夠減小風(fēng)暴條件下隔水管失效的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)深海鉆井隔水管系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)初步配置、張力極限、浮力塊布置等進(jìn)行懸掛模式的選擇與分析。

浮力塊隔水管單根由于受張力器的附近隔水管和接頭強(qiáng)度的限制，隔水管可以承受的頂張力很有限，加上橫向海洋環(huán)境載荷特別是自身重量的作用，因而需要足夠大的頂張力才能維持自身的穩(wěn)定性，深海鉆井隔水管系統(tǒng)必須配置浮力塊以提供分布式的浮力才能改善隔水管的局部力學(xué)性能、減小柔性接頭轉(zhuǎn)角、拓寬深水鉆井作業(yè)窗口、降低對(duì)張力器的要求，進(jìn)而降低對(duì)鉆井裝置性能的要求。浮力塊的選擇主要需要考慮隔水管曲率、可能的VIV抑制措施、鉆井隔水管懸掛模式等因素。

(3)渦激抑制設(shè)備對(duì)深海鉆井隔水管的影響

當(dāng)海流流速比較高時(shí)，為避免隔水管出現(xiàn)比較大的渦激振動(dòng)響應(yīng)同時(shí)造成嚴(yán)重的疲勞損傷，深海鉆井隔水管往往需在海流流速較高的海平面下方安裝渦激抑制設(shè)備。研究結(jié)果表明：采用渦激抑制設(shè)備可以使隔水管渦激疲勞減80%以上，但是無(wú)論采用何種渦激抑制設(shè)備都將會(huì)引起隔水管作業(yè)更困難，顯著降低隔水管下放與回收速度。

三.結(jié)束語(yǔ)

(1)國(guó)際上眾多石油公司已將開(kāi)發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到深水區(qū)域。如墨西哥灣、巴西、西非與北海周邊地區(qū)等，我國(guó)南海也有豐富的油氣資源。然而，深海鉆井隔水管在及其惡劣的環(huán)境中作業(yè)，因此，是一種具有高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、高技術(shù)、高附加值的石油裝備，對(duì)性能具有較高的要求。

(2)深海鉆井隔水管系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)裝備，由卡盤/萬(wàn)向節(jié)、分流器、上部撓性接頭、伸縮節(jié)、隔水管短節(jié)、填充閥、隔水管母管、節(jié)流與壓井管線、液壓管線、鉆井液增壓管線、浮力塊、終端接頭、下部撓性接頭、底部隔水管總成LMRP、井口防噴器BOP和隔水管接頭等。

(3)深海鉆井隔水管系統(tǒng)由于工作環(huán)境惡劣，所以對(duì)性能有極高的要求。影響隔水管系統(tǒng)的主要因素是環(huán)境因素和作業(yè)因素。前者包括水深、波浪、海流，后者包括鉆井液密度、脫離后隔水管系統(tǒng)的懸掛模式、浮力塊的分布渦激抑制設(shè)備、節(jié)流與壓井管線的工作壓力等。

(4)目前，用于深海鉆井隔水管的主要材料是符合API標(biāo)準(zhǔn)的管線鋼，主要是API 5L X80并且正在向更高強(qiáng)度級(jí)別的X100和X120等發(fā)展。另外，具有高性能的鈦合金、鋁合金也逐漸被用于深海鉆井隔水管中，并且很好地滿足了使用要求，包括強(qiáng)度、壽命等都符合要求。