[发明专利]一种深水钻井隔水管系统振动主动控制系统

说明书

本发明涉及一种深水钻井隔水管系统振动主动控制系统，其特征在于：它包含传感器，作动器，信号处理模块，控制模块；采用传感器监测深水钻井隔水管系统振动信息，然后通过信号处理模块确定隔水管系统振动的响应谱，识别深水钻井隔水管系统振动激发模态，并基于模态叠加法完成隔水管系统振动响应和载荷重构，确定隔水管系统所需控制载荷；通过控制模块将控制载荷转换为压电作动器所需电压，并将控制电压输入到压电作动器，通过正对称和反对称布置作动器可同时实现深水钻井隔水管系统横向振动和纵向振动的主动控制，从而避免了因隔水管系统振动而产生的一系列问题，达到控制深水钻井隔水管系统失效的目的。

技术领域

本发明涉及一种深水钻井隔水管系统振动主动控制系统，属于海洋结构振动主动控制领域。

背景技术

深水钻井隔水管系统是连接海底井口和钻井平台的重要部件，其长度一般在500m至3000m之间，是典型的大变形非线性动力敏感柔性体，在海洋自然环境的影响下发生复杂的波激振动和涡激振动等现象，易导致隔水管发生疲劳失效、悬挂断裂等事故，是海洋钻井系统中的重要而又薄弱的环节。目前，通过隔水管监测与维护防止隔水管系统长期振动引起的疲劳累积失效，通过回收隔水管系统至钻井平台防止恶劣环境下隔水管系统振动引起的瞬时断裂失效，即主要通过被动式的处理措施防止隔水管系统失效，尚没有深水钻井隔水管系统振动的主动控制方案。考虑到海水中难以找到控制支撑点问题，无法使用常规的控制作动器，引入智能压电材料的作动器功能提出一种深水钻井隔水管系统主动控制方案，通过深水钻井隔水管系统主动控制减缓隔水管系统振动响应，达到控制深水钻井隔水管系统失效的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能解决深水钻井隔水管系统振动问题的主动控制系统。

一种深水钻井隔水管系统振动主动控制系统，其特征在于：它包含传感器，作动器，信号处理模块，控制模块；所述传感器用于监测隔水管系统纵向振动和横向振动，所述传感器沿隔水管系统轴向的布置位置由以下步骤得到：(1)建立深水钻井隔水管系统动力学分析模型；(2)开展深水钻井隔水管系统模态分析、波激振动分析和涡激振动分析；(3)识别深水钻井隔水管系统纵向和横向振动激发模态；(4)在纵向模态振型峰值布置一个所述传感器，在横向模态振型峰值沿周向呈90°间隔布置两个所述传感器；所述作动器沿隔水管系统轴向的布置步骤与所述传感器沿隔水管系统轴向的布置步骤一致，但同一轴向位置处的所述作动器和任一所述传感器沿隔水管系统轴向的布置位置要有固定的间距，防止所述作动器引起的局部效应影响所述传感器的监测效果；在所述作动器轴向安装位置处沿隔水管系统周向每间隔90°布置一个所述作动器，所述作动器在横向模态振型峰值布置方式采用反对称布置，所述作动器在纵向模态振型峰值布置方式为正对称布置；所述信号处理模块的处理步骤为：(1)接收所述传感器测得的深水钻井隔水管系统监测点处的振动信号；(2)采用快速傅里叶变换确定振动信号的响应谱，识别深水钻井隔水管系统振动激发模态；(3)建立深水钻井隔水管系统动力学模型，基于模态叠加法进行隔水管系统振动响应和载荷重构；(4)基于深水钻井隔水管系统动力学模型计算所需控制载荷；所述控制模块的反馈控制步骤为：(1)将所述控制载荷转换成所述作动器所需电压值；(2)将得到的控制电压输入到所述作动器；(3)通过所述传感器监测作动器控制后的振动信号，并反馈到所述信号处理模块；(4)依次进行下一轮的深水钻井隔水管系统振动主动控制。

所述传感器采用光纤光栅应变传感器。

所述作动器采用多晶压电陶瓷作动器。

所述传感器和所述作动器与隔水管外壁紧密贴合，所述传感器和所述作动器外层涂有防水涂层。