海底油气管道封堵致振机理及气动减振控制方法研究

It is important to guardant safe and reliable operation in subsea oil and gas pipeline for offshore oil and gas development. And plugging isolation maintenance technology are effective means to ensure safe and efficient operation for submarine pipeline. The plugging isolation often leads to resonance and thus affecting the sealing effects and life of subsea pipeline. Therefore, the vibration mechanism induced by offshore plugging and vibration reduction technology will provide an important theoretical foundation and methods of protection. The characteristics of vibration are studied and vibration hydrodynamics models are made by theory, experiment test and numerical simulation. The interaction mechanism is revealed between the plugging tool and the fluids, and the damage effects on the plugging tool are stated in vibration condition. The active reduction vibration control method is established by surface deformation pneumatic system. It provides theory basis and the technology guarantees for security efficient maintenance in submarine high-pressure oil and gas pipeline.

海底油气管道安全可靠运行是海洋油气开发的重要保证，而海底管道封堵维护技术是保障管道安全高效运行的有效手段。管内封堵作业易导致湍流谐振进而影响封堵效果和海底管道的使用寿命。因此，海底油气管道封堵致振机理及减振技术研究将为海底油气储运管线维护提供重要的理论基础和方法保障。本研究拟采用理论建模、实验测试、和数值模拟等手段，系统研究封堵影响区流场演化对管内压力、流体温度及流速等参数的响应特征，构建封堵致振流体力学模型，揭示封堵器和管内流体的互馈机制，阐明封堵致振对封堵器结构的劣化作用，建立基于封堵器端面气动变形的主动减振控制方法，为海底高压油气管道安全高效维护提供理论基础及技术保障。

本研究通过现场调查、实验室实验、理论建模和数值模拟等手段，系统研究了管内智能封堵的作业过程，管内受阻瞬态流与封堵机构之间多物理场作用下管内封堵振动导致的动力学响应特性、力传递模式。在数值分析的基础上，探讨了在封堵力场及管内流体叠加效应下管内湍流振动演化规律。通过实验室试验进行定量的对比分析，确定管内压力、流体速度在管内封堵导致湍流谐振过程所起的作用，从宏观角度揭示影响机制。通过海底油气管道封堵特征及管内流体动力资料整理分析，研究海底油气管道封堵致振的动态响应，确定了封堵致振流体演化规律。研究管内条件对管内封堵受阻流场的耦合作用机制，及在此条件下建立管道作业影响区域的流体力学模型。确定了流体振动特征与流体动力条件之间的关系及相互作用，研究复杂环境场条件下管内流体振动特征形成与分布的宏观主控因素。研究管内压力场，流体动力场等多物理场及封堵作业耦合作用下管道内封堵器振动特征。管内智能封堵器的重要任务是在制定的位置停车并进行封堵隔离流体，通过设计的减振节能机构可以降低封堵导致的振动，并且能量进行回收利用。设计了具有节能效果的速度控制管内封堵系统。选取管内高压封堵机构为研究对象，通过全方位振动特征信号提取，进行封堵器带扰流板的端面结构设计，研究流动主动控制作用机制。在系统动力学，流体力学理论指导下，构造管道封堵器带扰流板端面变形气动控制系统，利用计算机模拟分析，研究了系统各环节之间的运动学和动力学关系，探索管内封堵振动与高压封堵机构端面扰流板变形之间的相互作用及力学特征。根据流体力学理论及湍流振动规律，探讨扰流板尺寸结构和分布。研究封堵器端面布置规律，包括扰端面流板的面积、角度，使得扰动后显著改变湍流结构，抑制相关振动，实现减振的主动控制。这些创新性研究成果为油气管道封堵作业提供有力的科学保障，为管内智能封堵器在海底管线的推广应用，奠定了坚实的理论基础。