[发明专利]一种基于自动化预警机制的深海立管主动抑振控制系统

说明书

本发明属于深海工程技术领域，具体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。本发明建立由光纤光栅（FBG）应变、压力传感器、射水型主动抑振装置（包括高压开孔管，高压输流管，高强连接装置，高压水泵，控制阀，变压阀）、控制电脑组成的深海立管涡激振动主动抑振控制系统。当海水流经深海立管时，光纤光栅解调仪将应变、压力传感器采集到的振动数据传输给电脑监测系统，当接收到的应变信号超过临界值，电脑反馈系统将预警指令传输至控制阀，自动开启高压水泵；电脑监测系统再通过压力信号判断深海立管振动等级，电脑反馈系统将指令传输至变压阀，对高压水泵功率进行二次调控，以此来改变不同振动等级下输出的流体压力。整个过程可实现自动预警及主动抑制。

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。