立管钻探再入控制研究项目摘要

本项目拟以申请人在日本九州大学博士课程研究为基础，通过分析日本“地球号”立管钻探船再入控制器的优势和局限，同时参考深海立管动态特性和海洋工程领域控制技术最新研究进展，基于九州大学最新研发的二维再入控制器，开展立管钻探三维再入控制研究。首先基于汉密尔顿原理严格推导悬臂立管三维运动方程。通过数值分析和模型实验探究拖曳力(考虑顺流涡激效应) 和横流升力在不同边界条件下的耦合关系，完成悬臂立管的三维动态特性分析。然后，基于LQI ( Linear Quadratic with Integral ) 或 LPV ( Linear Parameter Varying ) 技术研发三维再入控制器。通过MATLAB/Simulink 框图测试控制器，并利用虚拟现实技术完成钻井立管再入作业虚拟实验。最后，通过在循环水槽的模型实验完成对控制器性能的测试和评估。本研究将对我国未来建造首艘立管钻探船有重要意义。

本项目主要研究成果汇报如下：（1）在涡激振动仿真计算中，当弯曲应力相对于张力作用占主导时，横向振动结构非线性效应可显著减小振动幅值并可改变主振模态。立管轴向振动耦合作用可缓解横向结构非线性效应。（2）海洋立管在正常作业工况下，内流离心力可通过减小有效张力影响系统固有频率,从而改变涡激振动主振模态及频率，同时在内流超临界区成功预测到屈曲-颤振耦合失稳现象。（3）海洋立管在脱离工况下，内流通过减小系统固有频率从而改变涡激振动主振模态及频率。同时立管可通过开口流损失或获取能量，当内流速度较小时，可通过内流损失能量而抑制涡激振动。当内流超过一临界速度时，系统可从内流中不断吸收能量而失稳。临界流速取决于洋流速度和主振模态。（4）海洋立管在泄漏工况下引入泄漏流非保守内流效应，在内流亚临界区可通过泄漏流失去能量而改善稳定性，在超临界区可因泄漏流效应成为稳定系统。当泄漏流速超过某临界值时，系统在亚临界区可丧失稳定性。（5）在立管参激振动中，内流离心力通过减小系统固有频率而增加一阶不稳定区。内流科氏力通过阻尼作用减小一阶不稳定区，同时通过增加模态耦合作用扩大多模态耦合不稳定区。（6）海洋立管紧急脱离动态特性分析及优化设计控制系统时，必须考虑顶端平台和管内泄流柱对反冲立管的共同耦合作用。同时指出挪威科技大学提出的“SFM”模型与中国石油大学提出的“WFCM”模型都必须反馈立管瞬时动态响应。（7）基于控制理论研发立管紧急脱离反冲控制系统和再入控制系统，并利用MATLAB\Simulation完成仿真测试，同时已初步完成模型试验测试，正在处理相关试验数据，研究成果即将发表。本研究成果对发展内外流耦合基础理论有重要学术价值，亦可为深海钻井立管系统设计和安全作业提供理论依据和技术支撑。 2100433B

立管，指呈垂直或与垂线夹角小于45度的管道。

standpipe

在化工设备中安置的垂直管道都称为立管。

在不同设备中立管的作用是各不相同的，但主要是对设备上部和下部的物料进行输送。例如各种类型的分离塔大部分都有两相逆流流动，立管便可对两个塔板间的物料进行输送。又如流化床反应器内要保证固体颗粒循环运动，在反应器上部收集的颗粒可以通过立管循环器底部，以完成颗粒的循环流动。

vertical pipe, riser, stack

外立管指为提供有效掩蔽而直接受到风、浪、流、冰等外载荷作用的立管。

中文名称

外立管

英文名称

external riser

定　　义

为提供有效掩蔽而直接受到风、浪、流、冰等外载荷作用的立管。

应用学科

船舶工程（一级学科），海洋油气开发工程设施与设备（二级学科）

一、双管上行下给式：蒸汽或热水由总管 (主立管)送至顶层，由横管分至各立管，从上而下地送到各组散热器内，再由另一回水立管将回水送入地沟中的回水干管内，输送到锅炉房。这种送汽(或热水)方式，为每两组散热器有一进汽(热水)立管和一回水立管，故称为双管上行下给式。二、双管下行上给式： 蒸汽或热水由地沟总管与各暖气立管相连接，自下而上地送至散热器，再由另一立管回水。这种送汽(或热水)方式亦为每两组散热器各有一进汽(热水)立管和回水立管，故称为双管下行上给式。三、垂直单管式：热水由总立管送至顶层横管，经各立管自上而下顺序送至各层散热器，送水和回水合用一根立管，这种送水方式，称为垂直单管式。它构造简单，但上下层温度有差别。四、水平单管式：蒸汽或热水由总立管经水平横管顺序在本层内送至各散热器，由另一端立管回水。由于每层送汽(热水)管道是横管由一端流经各组散热器，流向另一端的回水立管，再送入地沟内的回水干管输送到锅炉房。这种送汽(热水)方式，因各层由一根横管送汽(热水)和回水，故称为水平单管式。