CN108678685A - 一种隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法，其特征在于：其包括其包括带尾翼的分离盘、对称设置在分离盘的尾翼两侧的两振动管柱、以及对称设置在所述分离盘尾翼与两所述振动管柱之间的两套可变刚度和可变阻尼系统与馈能控制系统。采用分离盘附加振动管柱结构，附加的振动管柱可直接干扰隔水管后方漩涡形成与脱落过程，涡激振动抑制效果更优，同时设计了馈能控制系统，可以实现自我供能与实时控制。本发明结构简单，可靠性高，装配简便，自适应强，可广泛用于各种海洋油气钻井作业中。

Description

一种隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法

技术领域

本发明涉及海上油气钻井领域的涡激振动抑制装置，尤其是涉及一种隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法。

背景技术

在海洋油气钻井过程中，当海流流经海洋油气管柱时，由于流体的粘性和边界层分离，它会在管柱后方产生漩涡释放，即卡门涡街现象。周期性脱落的漩涡对油气管柱施加了一定频率的激振力，进而引起海洋油气管柱产生涡激振动现象，若漩涡泄放频率与油气管柱固有频率相同或相近，海洋油气管柱振动加剧，振幅加大，将发生频率锁定现象。海洋油气管柱长期受到涡激振动作用容易发生疲劳失效事故，从而导致巨大的环境破坏和经济损失。

现存的隔水管涡激振动抑制装置主要分为主动抑制和被动抑制方法，主动抑制方法发展的时间并不长，而且需要不断提供外部能量，深水环境中供能问题仍需解决。被动抑制方法是通过改变管柱几何形状或者在油气管柱上附加额外的装置实现影响漩涡脱落的目的，但适应性差，而海洋环境复杂多变，海流流速随水深和时间在不断变化，被动抑制方法无法同时适应于所有的海况。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种涡激振动抑制效果更优，可以实现自我供能与实时控制的隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法，设计了馈能系统和控制系统，馈能系统可以回收隔水管涡激振动产生的能量作为控制系统的能量来源，控制系统通过反馈信号实时改变隔水管涡激振动抑制装置的系统刚度，从而适应复杂多变的海洋环境。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种隔水管涡激振动自适应抑制装置，其包括带尾翼的分离盘、对称设置在分离盘的尾翼两侧的两振动管柱、以及对称设置在所述分离盘尾翼与两所述振动管柱之间的两套可变刚度和可变阻尼系统与馈能控制系统。

所述可变刚度和可变阻尼系统包括大刚度弹簧下支撑座、大刚度弹簧、弹簧连接器、被动式磁流变液阻尼器、小刚度弹簧和小刚度弹簧上支撑座；所述大刚度弹簧下端通过所述大刚度弹簧下支撑座固定设置在所述分离盘尾翼上，所述大刚度弹簧上端通过所述弹簧连接器与所述小刚度弹簧串联连接；所述小刚度弹簧下端固定设置在所述弹簧连接器上，所述小刚度弹簧上端通过所述小刚度弹簧支撑座与所述振动管柱相连接；所述被动式磁流变液阻尼器插设在所述小刚度弹簧内，且所述被动式磁流变液阻尼器的外筒底端固定于所述弹簧连接器上部，所述被动式磁流变液阻尼器的伸缩杆顶端固定于所述小刚度弹簧上支撑座下部，所述被动式磁流变液阻尼器通过信号线与所述馈能控制系统相连。

所述馈能控制系统包括能量回收系统和控制系统；所述能量回收系统将所述振动管柱与所述分离盘尾翼的相对运动产生的机械能转换为电能发送到所述控制系统，所述控制系统利用所述能量回收系统发送的电能，以及所述振动管柱与所述分离盘尾翼的相对运动生成控制信号发送到所述可变刚度和可变阻尼系统。

所述能量回收系统包括齿条、齿轮、加速齿轮组、发电机、发电机支架；所述发电机通过所述发电机支架固定设置在所述分离盘的尾翼上，所述发电机的扭矩输入端通过所述加速齿轮组与所述齿轮相连，所述齿轮与所述齿条内端相连，所述齿条外端与所述振动管柱相连，所述齿轮与齿条相配合将所述振动管柱的直线运动转化为所述加速齿轮组的旋转运动，所述加速齿轮组带动所述发电机转动产生电能。

所述控制系统包括充电电路、蓄电池、控制电路、功率放大器和运动传感器；所述蓄电池的电能输入端通过所述充电电路与所述发电机的电能输出端相连，所述蓄电池的电能输出端与所述控制电路相连为其提供能量；所述运动传感器设置在所述振动管柱和分离盘尾翼上，将所述振动管柱和分离盘尾翼的速度和加速度信号发送到所述控制电路；所述控制电路根据所述运动传感器测量得到的振动管柱和分离盘尾翼的速度和加速度信号生成控制信号，经所述功率放大器发送到所述可变刚度和可变阻尼系统。

一种隔水管涡激振动自适应抑制方法，包括以下步骤：1)依据海流流过分离盘后的漩涡脱落位置，确定两振动管柱的布置位置，进而确定分离盘的位置；2)在两振动管柱与分离盘的尾翼之间设置两套可变刚度和可变阻尼系统与馈能控制系统，所述可变刚度和可变阻尼系统包括大刚度弹簧、小刚度弹簧以及被动式磁流变液阻尼器；3)馈能控制系统根据振动管柱与分离盘尾翼的相对运动信号，生成控制信号发送到可变刚度和可变阻尼系统，对隔水管涡激振动进行自适应抑制。

所述步骤3)中，馈能控制系统对隔水管涡激振动进行自适应抑制的方法，包括以下步骤：3.1)对可变刚度和可变阻尼系统进行等效，根据其等效物理模型得到可变刚度和阻尼系统产生的阻尼力与被动式磁流变液阻尼器的阻尼值的关系；3.2)根据振动管柱和分离盘尾翼之间的相对速度生成控制信号，发送到可变刚度及阻尼系统，使之生成相应的阻尼力，对振动管柱的涡激振动进行自适应抑制。

所述可变刚度和阻尼系统产生的阻尼力与其等效弹簧刚度和等效阻尼之间的关系的计算方法为：

首先计算可变刚度和可变阻尼系统的动力学方程：

式中，x、x_m、x₀分别代表振动管柱的位移、可变刚度和可变阻尼系统的位移和分离盘尾翼的位移，分别代表振动管柱的速度和可变刚度和阻尼系统的速度，代表振动管柱的加速度，M代表振动管柱的质量，F为外部振动产生的激励力；

然后，根据可变刚度和可变阻尼系统的动力学方程，计算可变刚度和可变阻尼系统的等效物理模型的动力学方程：

式中，k′、c′分别为可变刚度和可变阻尼系统等效物理模型的等效弹簧刚度，等效阻尼为；

最后，对上述各式进行拉普拉斯变换，并令s＝jω，整理对比得到等效弹簧刚度和等效阻尼与被动式磁流变液阻尼器的阻尼值c₁的关系为：

进而得到可变刚度和阻尼系统产生的阻尼力与被动式磁流变液阻尼器的阻尼值的关系。

所述馈能控制系统根据振动管柱和分离盘尾翼之间的相对速度，得到所述可变刚度及可变阻尼系统产生的阻尼力的计算公式为：

式中，F为可变刚度及可变阻尼系统产生的阻尼力，为分离盘尾翼的速度，μ为可控阻尼系数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用分离盘附加振动管柱结构，附加的振动管柱可直接干扰隔水管后方漩涡形成与脱落过程，涡激振动抑制效果好。2、本发明有馈能系统，为隔水管涡激振动抑制过程提供能量来源，在涡激抑制装置内部实现能量的回收与再利用，无需额外的能量输入。3、本发明的智能控制系统可以实时改变涡激振动抑制装置的系统刚度和阻尼，实现不同海况下隔水管涡激振动的自适应抑制。本发明结构简单，可靠性高，装配简便，自适应强，可广泛用于各种海洋油气钻井作业中。

附图说明

图1为本发明隔水管涡激振动自适应抑制装置的整体结构图；

图2为本发明隔水管涡激振动自适应抑制装置的整体结构与简化物理模型对比图；

图3为本发明的可变刚度和可变阻尼系统及馈能系统结构示意图；

图4为本发明的可变刚度和可变阻尼系统及馈能系统简化物理模型和流程图；

图中各标记如下：1、分离盘；11、分离盘尾翼；2.振动管柱；3.可变刚度和阻尼系统；32、大刚度弹簧；32、大刚度弹簧下支撑座；33、弹簧连接器；35、小刚度弹簧；35、小刚度弹簧上支撑座；36、被动式磁流变液阻尼器；4、馈能控制系统；41、发电机；42、发电机支架；43、加速齿轮组；44、齿轮；45、齿条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供的一种隔水管涡激振动自适应抑制装置，其包括带尾翼11的分离盘1、对称设置在分离盘1的尾翼11两侧的两振动管柱2、对称设置在分离盘尾翼11与两振动管柱2之间的两套可变刚度和可变阻尼系统3与馈能控制系统4。

如图3、图4所示，可变刚度和可变阻尼系统3包括大刚度弹簧31、大刚度弹簧下支撑座32、弹簧连接器33、小刚度弹簧34、小刚度弹簧上支撑座35和被动式磁流变液阻尼器36。其中，大刚度弹簧31下端通过大刚度弹簧下支撑座32固定设置在分离盘尾翼11上，大刚度弹簧31上端通过弹簧连接器33与小刚度弹簧34连接；小刚度弹簧34下端固定设置在弹簧连接器33上，上端通过小刚度弹簧支撑座35与振动管柱2相连接；被动式磁流变液阻尼器36插设在小刚度弹簧34内，且被动式磁流变液阻尼器36的外筒底端固定于弹簧连接器33上部，被动式磁流变液阻尼器36的伸缩杆顶端固定于小刚度弹簧上支撑座35下部，被动式磁流变液阻尼器36通过信号线与馈能控制系统4相连。

馈能控制系统4包括能量回收系统和控制系统，能量回收系统包括发电机41、发电机支架42、加速齿轮组43、齿轮44和齿条45；其中，发电机41通过发电机支架42固定设置在分离盘的尾翼11上，发电机41的扭矩输入端通过加速齿轮组43与齿轮44相连，齿轮44与齿条45内端相连，齿条45外端与振动管柱2相连接，齿轮44与齿条45相配合将振动管柱2的直线运动转化为加速齿轮组43的旋转运动，加速齿轮组43带动发电机41转动产生电能；控制系统包括充电电路、蓄电池、控制电路、功率放大器和运动传感器；蓄电池的电能输入端通过充电电路与发电机41的电能输出端相连，蓄电池的电能输出端与控制电路相连为其提供能量，控制电路根据设置在振动管柱以及分离盘尾翼上的运动传感器测量得到的振动管柱和分离盘尾翼的速度和加速度信号生成控制信号，并经功率放大器发送到可变刚度和可变阻尼系统3中的被动式磁流变液阻尼器。

基于上述隔水管涡激振动自适应抑制装置，本发明还提供一种隔水管涡激振动自适应抑制方法，包括以下步骤：

1)依据海流流过分离盘后的漩涡脱落位置，确定两振动管柱2的布置位置。

2)在两振动管柱2与分离盘1的尾翼11之间设置两套可变刚度和可变阻尼系统3与馈能控制系统4。

3)馈能控制系统4根据振动管柱2与分离盘尾翼11的相对运动信号，生成控制信号发送到可变刚度和可变阻尼系统3，对隔水管涡激振动进行自适应抑制。

具体包括以下步骤：

3.1)对可变刚度和可变阻尼系统3进行等效，根据其等效物理模型得到可变刚度和可变阻尼系统3产生的阻尼力与其等效弹簧刚度和等效阻尼之间的关系，进而得到可变刚度和阻尼系统产生的阻尼力3与被动式磁流变液阻尼器36的阻尼值的关系。

如图2所示，可变刚度和可变阻尼系统的结构如3(a)所示，其简化物理模型如3(b)所示。由图中可知，可变刚度和可变阻尼系统3包括并联在一起的被动式磁流变液阻尼器36(对应阻尼为c₁)和小刚度弹簧34(对应刚度为k₁)，以及通过弹簧连接器33将其串联在一起的大刚度弹簧31(对应刚度为k₂)。根据牛顿第二定律和振动理论相关知识可得如下动力学方程：

式中，x、x_m、x₀分别代表振动管柱2的位移、可变刚度和可变阻尼系统3的位移和分离盘尾翼11的位移，分别代表振动管柱2的速度和可变刚度和阻尼系统3的速度，代表振动管柱2的加速度，M代表振动管柱2的质量，F为外部振动产生的激励力。

假设可变刚度和可变阻尼系统的等效物理模型(如图1中3所示)中等效弹簧刚度为k′，等效阻尼为c′，则根据牛顿第二定律和振动理论相关知识可得如下动力学方程：

对式(1)(2)(3)进行拉普拉斯变换，并令s＝jω，整理对比可得：

通过式(4)(5)可以看出，虽然两个弹簧的刚度系数k₁和k₂不可变，但是通过改变被动式磁流变液阻尼器36的阻尼值c₁，就可以改变该可变刚度和可变阻尼系统3的等效弹簧刚度k′和等效阻尼c′。其中，大刚度弹簧31的刚度系数以及小刚度弹簧32的刚度系数k₁和k₂根据实际需要控制的系统的可变刚度范围进行计算得到，大刚度弹簧31相当于提供一个基础刚度，而小刚度弹簧34与被动式磁流变液阻尼器36共同作用提供一个可变刚度。

3.2)根据振动管柱2和分离盘尾翼之间的相对速度生成控制信号，发送到可变刚度及阻尼系统3，使之生成相应的阻尼力，对振动管柱2的涡激振动进行自适应抑制。

运动传感器测量振动管柱2与分离盘尾翼11之间的相对运动，并将测量的信号反馈给控制电路，控制电路将控制信号通过功率放大器传递给被动式磁流变液阻尼器36，被动式磁流变液阻尼器36在控制信号的作用下改变其阻尼c₁，从而实现改变刚度k′和阻尼c′的功能。

本发明中，控制电路采用的控制策略为天棚控制策略，可变刚度及阻尼系统3产生的力与振动管柱2和分离盘尾翼11之间的相对速度有关，从而实现不同的海洋环境实时控制，其关系如下：

式中，F为可变刚度及阻尼系统3产生的阻尼力，为分离盘尾翼的速度；根据阻尼力可以反推得到被动式磁流变液阻尼器36所需的阻尼c₁的值，从而得到控制电路的控制信号；μ为可控阻尼系数，根据不同的需求可以自定义其数值。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种隔水管涡激振动自适应抑制装置，其特征在于：其包括带尾翼的分离盘、对称设置在分离盘的尾翼两侧的两振动管柱、以及对称设置在所述分离盘尾翼与两所述振动管柱之间的两套可变刚度和可变阻尼系统与馈能控制系统。

2.如权利要求1所述的一种隔水管涡激振动自适应抑制装置，其特征在于：所述可变刚度和可变阻尼系统包括大刚度弹簧下支撑座、大刚度弹簧、弹簧连接器、被动式磁流变液阻尼器、小刚度弹簧和小刚度弹簧上支撑座；

所述大刚度弹簧下端通过所述大刚度弹簧下支撑座固定设置在所述分离盘尾翼上，所述大刚度弹簧上端通过所述弹簧连接器与所述小刚度弹簧串联连接；

所述小刚度弹簧下端固定设置在所述弹簧连接器上，所述小刚度弹簧上端通过所述小刚度弹簧支撑座与所述振动管柱相连接；

所述被动式磁流变液阻尼器插设在所述小刚度弹簧内，且所述被动式磁流变液阻尼器的外筒底端固定于所述弹簧连接器上部，所述被动式磁流变液阻尼器的伸缩杆顶端固定于所述小刚度弹簧上支撑座下部，所述被动式磁流变液阻尼器通过信号线与所述馈能控制系统相连。

3.如权利要求1所述的一种隔水管涡激振动自适应抑制装置，其特征在于：所述馈能控制系统包括能量回收系统和控制系统；所述能量回收系统将所述振动管柱与所述分离盘尾翼的相对运动产生的机械能转换为电能发送到所述控制系统，所述控制系统利用所述能量回收系统发送的电能，以及所述振动管柱与所述分离盘尾翼的相对运动生成控制信号发送到所述可变刚度和可变阻尼系统。

4.如权利要求3所述的一种隔水管涡激振动自适应抑制装置，其特征在于：所述能量回收系统包括齿条、齿轮、加速齿轮组、发电机、发电机支架；

所述发电机通过所述发电机支架固定设置在所述分离盘的尾翼上，所述发电机的扭矩输入端通过所述加速齿轮组与所述齿轮相连，所述齿轮与所述齿条内端相连，所述齿条外端与所述振动管柱相连，所述齿轮与齿条相配合将所述振动管柱的直线运动转化为所述加速齿轮组的旋转运动，所述加速齿轮组带动所述发电机转动产生电能。

5.如权利要求4所述的一种隔水管涡激振动自适应抑制装置，其特征在于：所述控制系统包括充电电路、蓄电池、控制电路、功率放大器和运动传感器；

所述蓄电池的电能输入端通过所述充电电路与所述发电机的电能输出端相连，所述蓄电池的电能输出端与所述控制电路相连为其提供能量；

所述运动传感器设置在所述振动管柱和分离盘尾翼上，将所述振动管柱和分离盘尾翼的速度和加速度信号发送到所述控制电路；

所述控制电路根据所述运动传感器测量得到的振动管柱和分离盘尾翼的速度和加速度信号生成控制信号，经所述功率放大器发送到所述可变刚度和可变阻尼系统。

6.一种采用如权利要求1～5任一项所述装置的隔水管涡激振动自适应抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)依据海流流过分离盘后的漩涡脱落位置，确定两振动管柱的布置位置，进而确定分离盘的位置；

2)在两振动管柱与分离盘的尾翼之间设置两套可变刚度和可变阻尼系统与馈能控制系统，所述可变刚度和可变阻尼系统包括大刚度弹簧、小刚度弹簧以及被动式磁流变液阻尼器；

3)馈能控制系统根据振动管柱与分离盘尾翼的相对运动信号，生成控制信号发送到可变刚度和可变阻尼系统，对隔水管涡激振动进行自适应抑制。

7.如权利要求6所述的一种隔水管涡激振动自适应抑制方法，其特征在于：所述步骤3)中，馈能控制系统对隔水管涡激振动进行自适应抑制的方法，包括以下步骤：

3.1)对可变刚度和可变阻尼系统进行等效，根据其等效物理模型得到可变刚度和阻尼系统产生的阻尼力与被动式磁流变液阻尼器的阻尼值的关系；

3.2)根据振动管柱和分离盘尾翼之间的相对速度生成控制信号，发送到可变刚度及阻尼系统，使之生成相应的阻尼力，对振动管柱的涡激振动进行自适应抑制。

8.如权利要求7所述的一种隔水管涡激振动自适应抑制方法，其特征在于：所述可变刚度和阻尼系统产生的阻尼力与其等效弹簧刚度和等效阻尼之间的关系的计算方法为：

首先计算可变刚度和可变阻尼系统的动力学方程：

式中，x、x_m、x₀分别代表振动管柱的位移、可变刚度和可变阻尼系统的位移和分离盘尾翼的位移，分别代表振动管柱的速度和可变刚度和阻尼系统的速度，代表振动管柱的加速度，M代表振动管柱的质量，F为外部振动产生的激励力；

然后，根据可变刚度和可变阻尼系统的动力学方程，计算可变刚度和可变阻尼系统的等效物理模型的动力学方程：

式中，k′、c′分别为可变刚度和可变阻尼系统等效物理模型的等效弹簧刚度，等效阻尼为；

最后，对上述各式进行拉普拉斯变换，并令s＝jω，整理对比得到等效弹簧刚度和等效阻尼与被动式磁流变液阻尼器的阻尼值c₁的关系为：

进而得到可变刚度和阻尼系统产生的阻尼力与被动式磁流变液阻尼器的阻尼值的关系。

9.如权利要求7所述的一种隔水管涡激振动自适应抑制方法，其特征在于：所述馈能控制系统根据振动管柱和分离盘尾翼之间的相对速度，得到所述可变刚度及可变阻尼系统产生的阻尼力的计算公式为：

式中，F为可变刚度及可变阻尼系统产生的阻尼力，为分离盘尾翼的速度，μ为可控阻尼系数。