海洋波浪理论范文

导语：如何才能写好一篇海洋波浪理论，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

本文在波浪理论知识基础上，选择线性Airy波浪理论，用波压积分法，利用matlab进行计算受力，研究在不同波高、周期、摆板入水深度以及水深情况下固定摆板的受力变化，为摆板式波浪发电装置的优化设计提供参考。

关键词：摆式发电， MATLAB，波压积分，受力分析

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

进入21世纪可持续发展愈来愈受到重视，可再生能源的利用是可持续发展的重要支撑。由于海洋能在可再生能源中的利用占据了非常重的位置，其中波浪能又是海洋能中的翘楚，利用前景广阔，近年来利用波浪能发电装置愈来愈多的研制并投入使用。在此我们将对摆式波浪发电装置摆板受力情况进行研究。

经过调研和研究我们在计算中采用波压积分法对固定摆板的受力计算分析，研究对其受力变化产生的影响因素。为后期的摆式发电装置的优化设计提供数据支持。

1.波浪力计算公式

半经验公式莫里森方程存在局限性其只适用于大型圆柱结构物[1]，但是对于板式结构物则需要通过波压力沿板结构表面积分方法计算。其计算公式为：

式中，为波浪力沿x方向的分量，N；p为板结构两侧压力差，Pa；为板结构没入水中的深度，m；为波面高度，m；z为摆板上任一点z坐标值，m。波压力和波面高度由波浪理论确定。

由线性波浪理论，波面方程可假设呈余弦方式，即

（1―1）

式中，a为波动振幅，k为波数，为波浪圆频率。

线性波中，波压强分布，由微幅波假定，忽略二阶项，相对压强为：

（1―2）

上式中第一项为静水压力项；第二项为动压力，其中，为压力响应系数。在z=0处取最大值1，在底部取最小值。式（1―2）只对静水面以下成立，要求静水面以上的压力，可采用Tayor展开，设坐标原点在静水面上，静水面以上任一点z1的压力为：

（1―3）

2.数学模型

数学模型在实验室模型[2]基础上以1：1的比例构建，实验室水槽及实验装置如图1所示。水槽尺度：，实验板结构尺寸：。坐标如图所示，原点为摆板和静水面交线和水槽静水面中线交点。

图1 数学模型图

3.数值计算

根据上述波压公式，得板结构的波浪力公式：

当时，即板结构处波面低于静水面，

当时，即板结构处波面高于静水面，

利用MATLAB自编程序，分别计算改变周期、波高、摆板入水深度及水深的情况下的四组波浪力数值。根据计算水深为中水深 [4]。

3.1波浪周期对波浪力的影响

保持波高水深及摆板入水(静水时)深度不变。按照图2所示分别改变周期的大小，得到如下结果。由于计算得到的波浪力时间变化曲线都是正弦曲线[2]，而正弦曲线的有效数值是与最值和幅值相关的，故在此我们只需分析波浪的最大正负值和幅值即可。

图2周期改变时波浪力曲线

通过图2中计算结果以及波浪力变化趋势，可以看到，在保持波高、入水深度和水深恒定的情况下，固定摆板的波浪力随波浪周期增大而增大。

3.2波浪波高对波浪力的影响

在只改变波高的情况下，由图3中计算结果和曲线可知，波高的变化对于固定摆板受到的波浪力影响显著，波高增大时摆板受到的波浪力也增大。

图3波高改变时波浪力曲线

3.3 摆轴和静水面的距离对波浪力的影响

图4摆轴静水面距离改变时波浪力变化曲线

只改变摆轴和静水面距离时得到摆板受到波浪力及变化如图4，可知随摆板处静水面和摆轴的距离增大而增大，但影响幅度较小。

3.3摆板入水深度对波浪力的影响

保持T、H以及水深d即摆轴到静水面距离不变，改变入水深度。

图5摆板不同入水深度时波浪力曲线

在波浪参数以及水深不变的情况下，摆板入水深度即端部到静水面的距离的改变对摆板受波浪力影响较大，随着入水深度的增大波浪力成线性增大。

4.结论

本文通过建立数学模型，利用波压积分法，计算出摆板在不同情况下的受力，研究了波浪周期、波高、摆轴到静水面的距离以及摆板入水深度等四个因素对波浪力的影响，其中波浪力随周期和摆板入水深度的增大近似线性增大，随波高增大而增大，而摆轴到静水面距离的变化对波浪力影响很小，几乎没有。该计算结果与试验结果[3]相吻合对于之后进行的摆式波浪发电装置的受力分析提供了参考。由于本文在计算中未考虑线性波的伸缩变化[4]，数据存在一定的误差。

参考文献：

[1] 王涛，尹宝树等．海洋工程．山东教育出版社．2004．

[2] Jianmin Chen．Experimental Research on Calculating Wave Force through Wave Pressure Measurement．Advanced Materials Research ．2011．

篇2

关键词：深海钻井；隔水管；系统；影响因素

Abstract: Due to the oil and gas fields in deep-sea mining environment is very bad, and the difficulty of exploitation, high risks, marine corrosion, surge, currents environment, marine vortex excited vibration and deep-water pressure and other factors, so deep-sea drilling equipment proposed stringent requirementsdeepwater drilling riser system as a critical part of their research is very important, this paper discusses the analysis of the deepwater drilling riser system related factors, for reference only.

Key words: deep-sea drilling; riser; system; influencing factors

中图分类号：TE242 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

前言：

海洋钻井隔水管是海洋深水油气勘探开发中的重要单元装备，作为连接海底BOP至海面钻井平台之间的咽喉通道，目前其研究工作已引起了世界多个国家的普遍关注，尤其在欧美等发达国家发展速度很快。钻井隔水管通常在海洋勘探钻井工作中的主要功能是隔离外界海水，用于钻井液循环、安装水下BOP、支撑连接各种控制管线(主要包括节流和压井管线、泥浆补充管线、液压传输管线等)，以及起到钻杆、钻井工具从钻台到海底井口装置的导向作用。随着全球范围内海洋油气勘探开发工作不断向深水领域进军，受海洋风、浪、流等恶劣环境和气候的影响，研究和开发具有高技术、高难度和具有高可靠性的海洋钻井隔水管及其系统已成为一个新的亮点。

一、深海钻井隔水管主要作用与事故的后果

隔水管系统是指连接海底井口与钻井船之间的导管系统，主要包括钢质、柔性和混合型三类，主要用途是钻井、采油、注水和油井维修，按用途分类可分钻井隔水管、采油隔水管和油井维修隔水管等钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要部件，其主要功能是提供井口防喷器与钻井船之间钻井液往返的通道，支持辅助管线，引导钻具，下放与撤回井口防喷器组的载体等。钻井隔水管单根是大直径，无缝或者焊接高强度且两端有焊接接头的管线，特殊的管线夹把辅助管线紧固于主管线上。隔水管单根两端的接头一侧公端，另一侧母端，单根之间往往采用接头连接，采用金属-金属或者弹性体或者二者组合进行密封。

1．深海钻井隔水管主要作用

（1）隔离油井与外界海水；

（2）钻井工作液的循环；

（3）安装水下防喷BOP系统；

（4）支撑各种控制管线；如：节流和压井管线，泥浆补充管线，液压传输管线；

（5）钻杆、钻井工作从钻台到海底进口装置的导向；

2.隔水管事故产生后的严重影响

（1）钻井船、海底装备和油井将受到破坏，造成巨大的经济损失；

（2）钻井液的泄漏以及石油的泄露，造成环境的严重污染。

二.影响深海钻井隔水管系统的的主要因素分析

影响深海钻井隔水管系统的因素主要来自于环境因素和作业因素两大类．

1.环境因素

（1）水深对设计压力的影响

（2）波浪对深海钻井隔水管系统的影响

影响隔水管设计的机理是对深海钻井隔水管产生水动力载荷以及通过平台的响应幅值算子影响钻井平台运动进而形成隔水管顶端的动边界条件。钻井船运动和波浪载荷是隔水管动态响应分析主要的动载荷，对于深水隔水管来说，由于波浪载荷导致钻井船运动对隔水管的位移有较大影响，且会造成隔水管的疲劳损伤，因为起到显著的影响。

（3）海流对深海钻井隔水管系统的影响

海流主要包括风海流、梯度流、波浪流、潮流、入海迳流、补偿流，按照性质则可以分为定常流、周期流和短期流。

2.作业因素

作业因素主要是指钻井液密度、脱离后隔水管系统的悬挂模式、浮力块的分布涡激抑制设备、节流与压井管线的工作压力等方面。

（1）钻井液通过影响顶部张紧力影响

整个钻井隔水管包括主管与辅助管线的有效张力，因此深海钻井隔水管的强度必须依据最大钻井液密度（根据油层工程研究确定）进行设计。钻井液密度还通过影响顶部张紧力进而影响隔水管底部挠性接头的转角，在低密度钻井液时通过调整顶部张紧力可使底部挠性接头转角顺利进入正常钻井的转角范围，而在高密度钻井液时使用较大的顶部张紧力也较难实现。

（2）脱离后的悬挂方式对深海钻井隔水管的影响

当环境载荷超过隔水管作业极限时需要将钻井隔水管系统下部的LMRP与BOP断开，使隔水管处于悬挂状态。特别是风暴成长速度太快时，来不及将钻井隔水管收回，只能将钻井隔水管LMRP与BOP脱离以保护井口。

硬悬挂：通常折叠并锁定伸缩节，将钻井隔水管悬挂于分流器外壳并解开张力器，此时钻井船运动直接作用其上可能产生严重载荷导致隔水管压缩。

软悬挂：张力器和伸缩节仍起作用，由张力器来支持从伸缩节的外筒至LMRP的隔水管重量以及可能的BOP重量，其优点是伸缩节和张力器能吸收钻井船的垂直运动从而大大减小作用于钻井隔水管系统的动载荷，能够减小风暴条件下隔水管失效的风险。

设计深海钻井隔水管系统时应根据海洋环境参数、系统初步配置、张力极限、浮力块布置等进行悬挂模式的选择与分析。

浮力块隔水管单根由于受张力器的附近隔水管和接头强度的限制，隔水管可以承受的顶张力很有限，加上横向海洋环境载荷特别是自身重量的作用，因而需要足够大的顶张力才能维持自身的稳定性，深海钻井隔水管系统必须配置浮力块以提供分布式的浮力才能改善隔水管的局部力学性能、减小柔性接头转角、拓宽深水钻井作业窗口、降低对张力器的要求，进而降低对钻井装置性能的要求。浮力块的选择主要需要考虑隔水管曲率、可能的VIV抑制措施、钻井隔水管悬挂模式等因素。

(3)涡激抑制设备对深海钻井隔水管的影响

当海流流速比较高时，为避免隔水管出现比较大的涡激振动响应同时造成严重的疲劳损伤，深海钻井隔水管往往需在海流流速较高的海平面下方安装涡激抑制设备。研究结果表明：采用涡激抑制设备可以使隔水管涡激疲劳减80%以上，但是无论采用何种涡激抑制设备都将会引起隔水管作业更困难，显著降低隔水管下放与回收速度。

三.结束语

(1)国际上众多石油公司已将开发重点转移到深水区域。如墨西哥湾、巴西、西非与北海周边地区等，我国南海也有丰富的油气资源。然而，深海钻井隔水管在及其恶劣的环境中作业，因此，是一种具有高风险、高难度、高技术、高附加值的石油装备，对性能具有较高的要求。

(2)深海钻井隔水管系统是一个复杂的系统装备，由卡盘/万向节、分流器、上部挠性接头、伸缩节、隔水管短节、填充阀、隔水管母管、节流与压井管线、液压管线、钻井液增压管线、浮力块、终端接头、下部挠性接头、底部隔水管总成LMRP、井口防喷器BOP和隔水管接头等。

(3)深海钻井隔水管系统由于工作环境恶劣，所以对性能有极高的要求。影响隔水管系统的主要因素是环境因素和作业因素。前者包括水深、波浪、海流，后者包括钻井液密度、脱离后隔水管系统的悬挂模式、浮力块的分布涡激抑制设备、节流与压井管线的工作压力等。

(4)目前，用于深海钻井隔水管的主要材料是符合API标准的管线钢，主要是API 5L X80并且正在向更高强度级别的X100和X120等发展。另外，具有高性能的钛合金、铝合金也逐渐被用于深海钻井隔水管中，并且很好地满足了使用要求，包括强度、寿命等都符合要求。