一种基于自动化预警机制的深海立管主动抑振控制系统

技术领域

本发明属于深海工程技术领域，具体涉及一种主动抑制深海立管涡激振动，减小振动幅值，延长立管疲劳寿命的自动化预警控制系统。

背景技术

海洋立管（Marine Riser）用于连接海上平台和海底井口，是深海油气资源开发必须的传输管道，也是深海生产系统中最复杂的一类设备。在海洋油气开发系统运行期间，立管内部一般有高压油或气流过，外部则需承受波浪、海流、冰及地震等各种复杂海洋环境荷载的作用；顶部有与之相连的平台，底部连接海底井口。立管服役环境恶劣，受力极为复杂，建设成本巨大，是海洋油气开发的高科技工程设施，也是薄弱易损的工程设施之一。基于立管的大长细比结构特征且长期处于波浪和海流等复杂海洋环境荷载作用下，在顺流向会发生强迫激励振动；同时由于海流的作用，可在立管两侧交替地形成涡漩，涡漩脱落产生一个周期性的可变力，使得立管在与顺流向垂直的横向发生涡激振动（Vortex induced-vibration，简称VIV），涡激振动是引发其疲劳破坏的主要因素。立管一旦发生破坏，将造成巨大的经济损失并引发严重的海洋污染和次生灾害。

有效的抑制涡激振动对立管的破坏作用，具有重要的工程价值和理论意义。为了有效的降低涡激振动对立管的破坏作用，各国学者、研究机构以及石油公司针对涡激振动抑制进行过大量的研究，提出通过在立管外侧附加抑振装置，即通过改变结构物表面形状或在结构物表面附加其他装置来破坏漩涡的形成，削弱流体振荡力，从而抑制涡激振动，提高立管疲劳寿命，即“被动抑制”。对于被动抑制，在立管外侧附加抑振装置抑制涡激振动，会使曳力增大，增加顺流向振幅，加剧立管的疲劳破坏。由于复杂的海洋环境条件，波浪、来流方向的限制以及海洋浮游生物的附着，使已有的抑振装置使用带有局限性，达不到立管服役寿命的要求，为了适应深水、超深水海洋环境的要求，新型抑振装置的研究探索迫在眉睫。

“主动抑制”是指利用外界能量输入的驱动装置，将外部扰动引入流场从而控制漩涡脱落，降低结构振动幅值。对于主动抑制，测试系统、抑制效果是其发展瓶颈，目前研究较少。随着海洋油气的开采向深水、超深水发展，主动抑制较被动抑制有更大的优势，开展立管涡激振动主动抑制测试系统的研究，对降低立管在服役期间的破坏风险有重要的现实意义，同时可完善立管涡激振动过程设计理论，具有重要的理论意义和工程应用价值，也是目前立管涡激振动抑振设计理论中亟待解决的关键问题之一。

发明内容

本发明目的是针对现有深海立管涡激振动主动抑制预警系统的缺陷和不足，设计一种基于自动化预警机制的深海立管主动抑振控制系统，该系统不仅有针对性的扰乱海流及波浪，降低立管涡激振动幅值，达到延长立管的疲劳使用寿命的目的，更关键的是可实现电脑监测与反馈，从而达到自动化预警控制。为实现上述目的，本发明系统采用的技术方案是：

所述的一种基于自动化预警机制的深海立管主动抑振控制系统，主要包括高压水泵装置，高压输流管，高压开孔管，高强连接件，控制和调节高压水泵的控制阀与变压阀，FBG应变传感器，FBG压力传感器，光纤光栅解调仪，以及电脑监测及反馈系统。

所述的高压开孔管与深海立管沿竖向方向平行布置，置于立管的正后方，高压开孔管的射水孔沿管道轴线方向成120°均分为三列，通过这种方式可满足来流的全向性要求。

所述的高压水泵通过高压输流管与高压开孔管连接，控制阀和变压阀与高压输流管连接，电脑监测系统中写入开启高压水泵的应变预警程序与立管不同振动等级的压力预警程序，当有海流或波浪通过深海立管时，一旦电脑监测程序接收到的立管应变信号超过预警临界值，电脑反馈系统就会将预警指令传输给控制阀，控制阀将自动开启高压水泵，当立管应变信号低于预警临界值，控制阀将自动关闭高压水泵；在高压水泵开启之后，监测系统再通过立管压力信号判断不同的振动等级，电脑反馈系统进一步将指令传输给变压阀，对高压水泵的输出功率进行二次调控，以此来改变不同等级振动下从高压开孔管中喷射出的流体压力，最终达到涡激振动主动抑制的效果。本发明系统通过采用以上技术方案，具有以下有益效果：

1、系统中的高压开孔管的射水孔呈120°在射水管周围等分分布，这就满足了在面临海水和波浪时，可以达到全向性要求，从而破坏各个方向产生的漩涡脱落，抑制立管的涡激振动，提高立管的疲劳寿命。

2、本系统可填补目前基于自动化预警机制的深海立管主动抑振控制系统应用于实际的空白，可以高效的抑制深海立管的涡激振动响应，做到最大化的降低立管的疲劳损伤破坏。

3、本发明系统不仅可以节约能量输出，避免材料浪费，防止环境污染，而且整个运行过程可以完全实现自我调制，达到自动化智能控制，有针对性的对立管不同等级的振动进行抑制。

附图说明

附图1是本发明系统整体流程示意图

附图2是电脑监测及反馈系统流程图

其中1—高压水泵，2—进水口，3—出水口，4—控制阀，5—电脑监测及反馈系统，6—变压阀，7—高压流体喷射孔，8—高压开孔管，9—光纤光栅解调仪，10—深海立管，11—FBG压力传感器，12—FBG应变传感器，13—高压输流管，14—海流或波浪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作更加详细的描述。

本发明涉及一种基于自动化预警机制的深海立管主动抑振控制系统，如图1所示，主要包括高压水泵1，高压输流管13，高压开孔管8，控制和调节高压水泵的控制阀4与变压阀6，FBG应变传感器12，FBG压力传感器11，光纤光栅解调仪9，以及电脑监测及反馈系统5九个部分。当海流或波浪14流经深海立管10时，立管周围的FBG应变传感器12与FBG压力传感器11采集到立管的应变和压力数据，通过光纤光栅解调仪9进行对应变信号与压力信号的处理，然后传输到电脑系统中。

如图2所示，电脑系统中包括监测及反馈两大模块，监测系统5中写入开启高压水泵1的应变预警程序与立管不同振动等级的压力预警程序，一旦电脑监测程序接收到的立管应变信号超过预警临界值，电脑反馈系统5就会将预警指令传输给控制阀4，控制阀4将自动开启高压水泵1，当立管应变信号低于预警临界值，控制阀4将自动关闭高压水泵1；在高压水泵1开启之后，监测系统5再通过立管压力信号判断不同的振动等级，电脑反馈系统5进一步将指令传输给变压阀6，对高压水泵1的输出功率进行二次调控，以此来改变不同强弱振动下从高压开孔管8中喷射出的流体压力；其中，高压水泵1通过高压输流管13与高压开孔管8连接，且高压开孔管8沿纵向成120°设置三列高压流体喷射孔7，通长布置，避免了对来流方向的敏感性，整个系统可实现自动化预警控制。