技术领域本发明涉及海洋隔水管柱系统力学行为控制领域，主要涉及布置表面织构浮力块对隔水管柱系统的受力影响，属于海洋油气开采安全控制领域，特别是一种布置有表面织构的浮力块及其安全控制方法。
背景技术：
深水是21世纪世界石油工业的主要接替区和科技创新的前沿，近5年来，全球重大油气发现中70％来自水深超过1000m的水域，全球各大石油公司逐步将战略重点转入深水油气资源勘探开发。我国深水油气资源十分丰富，南海海域石油资源总量300亿吨，约占中国资源总量1/3，开发潜力十分巨大，其中约70％蕴藏在深海，是我国油气资源的战略接替区之一(中国国土资源部)。周边国家每年从南海九段线内掠夺5000万吨油气当量，开发南海深水油气资源是建立海洋强国，维护我国海洋权益的战略举措。南海是世界上海洋环境最复杂和最恶劣的海域，开发深水资源面临诸多挑战，隔水管柱系统在复杂海况和钻井工况的耦合作用下的力学行为控制、提高钻井作业的可靠度就是其中最重要的环节之一。隔水管系统是连接钻井平台与海底防喷器的关键通道，隔水管在海水中既要承受自重和顶张力，同时还要承受风浪、海流载荷以及内部钻柱、钻井液等钻井工况的耦合作用，极易发生变形、磨损、断裂等失效。因此隔水管材料的性能有较高的要求，隔水管材料为X-80钢，其外径均为21\，壁厚有四种类型，分别为1\、0.9375\、0.875\、0.75\，长度为75ft(22.86m)；其配置的浮力块外径均为54\。隔水管上通常安装有节流管线、压井管线、液压管线、钻井液增压管线和化学剂注入管线等5根辅助管线，其材料也为X-80钢。隔水管系统设计方法：从平台到海底井口依次为分离器、上部挠性接头、适配短节、伸缩节、隔水管、适配器、LMRP、下部挠性接头、海底防喷器。隔水管系统在不同深度下的配置图版，如附图1所示，其配置特点如下：(1)顶部以及底部隔水管不安装浮力块，采用裸单根；(2)壁厚从海面到海底逐渐降低；(3)中间部分隔水管全部配置了浮力块；(4)隔水管海平面下方配置有填充阀。涡激振动机理：当流体质点流经圆柱体的前缘时，圆柱体表面会对流体产生阻碍，靠近前缘流体的高压促使正在形成中的附面层在圆柱体的两侧逐渐发展。但在高雷诺数情况下，由压力产生的力不足以把附面层推到包围住圆柱体背面，将在柱体断面宽度最大处产生分离点。流体由分离点向后扩展形成剪切层，在剪切层范围内，由于接近自由流区的外侧部分流速大于内侧部分，流体有发生旋转并分散成若干个漩涡的趋势，漩涡交替形成和脱落，此时圆柱体会受到横向及流向的脉动压力。隔水管可简化为细长弹性支撑杆件，脉动流体力引发隔水管振动，隔水管的振动反过来又会改变其尾流结构，这种现象被称作“涡激振动”。当漩涡泄放频率与隔水管系统的自然频率接近时，隔水管将发生强烈流固耦合振动，并将漩涡泄放频率锁定在振动频率上，称为“锁定”现象，导致隔水管疲劳失效甚至事故的发生。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构简单、在不添加任何附属装置下水平面内阻力减小15％且能有效抑制涡激振动的布置有表面织构的浮力块及其安全控制方法。本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种布置有表面织构的浮力块，所述的浮力块由多个基本单元顺次串联而成，基本单元由两半对称、轻质塑料半圆筒组合而成，半圆筒的外表面为波状柱面，波状柱面由周期性的正弦曲线构成，波面函数为沿波状柱面的周向方向分布有数个凹坑，所述的基本单元的外径与隔水管的外径D相当，基本单元的长度H为5D～20D，波长L为H/4，波的振幅a＝0.002D～0.15D，凹坑的深度h为0.001D～0.05D，凹坑的宽度s为0.001D～0.04D，凹坑水平间距e为0.001D～0.06D。所述的浮力块的轴向方向上设置多个梯形沟槽，梯形沟槽沿周向均匀分布，浮力块外径D为0.9～1.5m，梯形沟槽的槽宽d为0.001D～0.1D，梯形沟槽的槽间距s为0.001D～0.04D，梯形沟槽的槽深h为0.001D～0.05D。所述的梯形沟槽的两侧腰上设置有凹坑，所述的凹坑深度h为0.001D～0.01D，宽度d为0.001D～0.01D，凹坑行距s为0.001D～0.01D。所述的梯形沟槽也可由U型槽代替。所述的布置有表面织构的浮力块的安全控制方法，它包括以下步骤：S1、假设隔水管为均质柔性管，属于小应变大变形问题；规定来流方向与隔水管变形位于同一垂直平面xoz内，且ox轴正向与来流方向一致，取隔水管微元长度ds，建立数学模型；S2、根据数学模型建立竖直方向平衡方程、水平方向平衡方程并对隔水管中心点S取矩，其中竖直方向平衡方程为：(V-dV2)sin(θ-dθ2)-(V+dV2)sin(θ+dθ2)-(T-dT2)cos(θ-dθ2)+(T+dT2)cos(θ+dθ2)-Fw+Fzs=0...(1)]]>水平方向平衡方程为：-(V-dV2)cos(θ-dθ2)+(V+dV2)cos(θ+dθ2)-(T-dT2)sin(θ-dθ2)+(T+dT2)sin(θ+dθ2)+Fxs-FIs=0...(2)]]>对隔水管中心点S取矩：(1-cosdθ2)dT+1RρdM+2Vsindθ2=0...(3)]]>其中Fw为隔水管重量；FIs惯性力；Fxs水平面内外载荷；V水平面内剪力；S3、根据小应变假设和纯弯曲梁理论化将步骤S2中的公式(1)(2)(3)化简为：竖直方向：T＝Tc+∫fwdz-∫fzsdz，竖向张紧力T为重力和轴向流体动力分布函数的代数和，水平方向：该公式中等号左侧从左往右依次为隔水管抗弯刚度所承受的水平载荷、轴向张力T、隔水管水平方向的惯性所承受的水平载荷；S4、对变截面隔水管，其断面参数EI为z的函数，隔水管水平方向的静力平衡方可改写为：∂2∂z2(EZIZ∂2w∂z2)-∂∂z(Tz∂w∂z)-W∂w∂z+m∂2w∂t2=F(z,t)...(4)]]>其中EZIZ微元的抗弯刚度，对于等截面隔水管EZIZ＝EI；E材料的弹性模量，Pa；I截面惯性矩，单位m4；W单位长度隔水管受到的浮重，单位N/m；F(z,t)作用于单位长度管段上的流体作用力，单位N/m，由公式(1)～(4)可知：隔水管的力学行为与水平面内阻力F、竖直方向张紧力T、隔水管刚度EI有关，此外，隔水管的应力、应变会随波浪流速、风速以及海流流经隔水管前后表面产生的阻力的增加而增加；S5、将布置有表面织构的浮力块固定于隔水管上，不同织构能够减小绕流阻力，降低隔水管涡激振动和张紧力，均提高隔水管系统安全性，延长隔水管的使用寿命。本发明具有以下优点：(1)本发明运用仿鲨鱼表皮表面织构减阻原理，把简化后的鲨鱼表皮织构布置于浮力块上，如梯形沟槽、U型槽，凹坑等等织构，与光滑圆柱面相比其阻力减小高达15％。(2)本发明通过建立隔水管柱的力学模型可知，顶部张力、水平面内阻力载荷对隔水管动力学行为有较大影响，张紧力的增加会使隔水管各段间的连接作用下降、增加隔水管固有频率，当涡泄频率与隔水管固有频率接近时易产生共振；反之水平面内的阻力载荷减小，有助于隔水管系统的张紧力减小，在安全的前提下，对隔水管柱系统进行优化配置，提高系统的安全性能。(3)本发明在浮力块表面布置不同织构，通过大量实验，验证了仿生的织构表面的确具有较好的减阻效果，并通过已经建立隔水管柱系统力学模型分析可知，隔水管弯曲变形减小和涡激振动受到抑制，同时系统需要的张紧力减小，改善了隔水管的受力分布，提高了系统安全性。(4)本发明建立了隔水管柱力学模型，分析了影响隔水管力学性能的主要因素，通过布置不同织构于浮力块，减小隔水管涡激振动，兼顾工作性能和经济效益，隔水管系统采用变壁厚的方式来减轻质量，提高隔水管系统力学性能。(5)本发明具有易操作性、系统性、科学性、控制高效性等特点。附图说明图1为不同深度下隔水管系统配置图版；图2为本发明实施例一的结构示意图；图3为图2的主视图；图4为本发明实施例一中凹坑的结构示意图；图5为本发明实施例二的结构示意图；图6为图5的截面图；图7为图6的I部局部放大视图；图8为建立的数学模型图；图9为基本单元的结构示意图；图中，1-凹坑，2-梯形沟槽。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：实施例一，如图2～4所示，一种布置有表面织构的浮力块，所述的浮力块由多个基本单元顺次串联而成，基本单元由两半对称、轻质塑料半圆筒组合而成，如图9所示为基本单元的结构示意图，半圆筒的外表面为波状柱面，波状柱面由周期性的正弦曲线构成，波面函数为Dz＝(Dmin+Dmax)/2+2acos(2πz/λ)。沿波状柱面的周向方向分布有数个凹坑1，所述的基本单元的外径与隔水管的外径D相当，基本单元的长度H为5D～20D，波长L为H/4，波的振幅a＝0.002D～0.15D，凹坑1的深度h为0.001D～0.05D，凹坑1的宽度s为0.001D～0.04D，凹坑1水平间距e为0.001D～0.06D。通常情况下由于波浪在海面附近，该区域隔水管受到了集中顶紧力作用，并承受下部隔水管的重量，属于薄弱区域，进行隔水管设计以及力学评价时，必须考虑海浪力对隔水管的作用。又由于隔水管的外径同波长相比小的多，波浪力的计算使用Morison方程具有较好的精度，把波浪对柱体的作用考虑为粘滞效应和附加质量效应引起的，一部分是加速度成正比的惯性力项fI，另一部分是同速度的平方成正比的阻力项fD，其中其中CD浮力块表面所受阻力系数；CM惯性力系数；ρ海水密度；d浮力块外径；F(x,t)水平面内外载荷随时间变化的函数。所述的布置有表面织构的浮力块的安全控制方法，它包括以下步骤：S1、假设隔水管为均质柔性管，属于小应变大变形问题；规定来流方向与隔水管变形位于同一垂直平面xoz内，且ox轴正向与来流方向一致，取隔水管微元长度ds，建立数学模型，如附图8所示；S2、根据数学模型建立竖直方向平衡方程、水平方向平衡方程并对隔水管中心点S取矩，其中竖直方向平衡方程为：(V-dV2)sin(θ-dθ2)-(V+dV2)sin(θ+dθ2)-(T-dT2)cos(θ-dθ2)+(T+dT2)cos(θ+dθ2)-Fw+Fzs=0...(1)]]>水平方向平衡方程为：-(V-dV2)cos(θ-dθ2)+(V+dV2)cos(θ+dθ2)-(T-dT2)sin(θ-dθ2)+(T+dT2)sin(θ+dθ2)+Fxs-FIs=0...(2)]]>对隔水管中心点S取矩：(1-cosdθ2)dT+1RρdM+2Vsindθ2=0...(3)]]>其中Fw为隔水管重量；FIs惯性力；Fxs水平面内外载荷；V水平面内剪力；S3、根据小应变假设和纯弯曲梁理论化将步骤S2中的公式(1)(2)(3)化简为：竖直方向：T＝Tc+∫fwdz-∫fzsdz，竖向张紧力T为重力和轴向流体动力分布函数的代数和，水平方向：该公式中等号左侧从左往右依次为隔水管抗弯刚度所承受的水平载荷、轴向张力T、隔水管水平方向的惯性所承受的水平载荷；S4、对变截面隔水管，其断面参数EI为z的函数，隔水管水平方向的静力平衡方可改写为：∂2∂z2(EZIZ∂2w∂z2)-∂∂z(Tz∂w∂z)-W∂w∂z+m∂2w∂t2=F(z,t)...(4)]]>其中EZIZ微元的抗弯刚度，对于等截面隔水管EZIZ＝EI；E材料的弹性模量，Pa；I截面惯性矩，单位m4；W单位长度隔水管受到的浮重，单位N/m；F(z,t)作用于单位长度管段上的流体作用力，单位N/m，由公式(1)～(4)可知：隔水管的力学行为与水平面内阻力F、竖直方向张紧力T、隔水管刚度EI有关，此外，隔水管的应力、应变会随波浪流速、风速以及海流流经隔水管前后表面产生的阻力的增加而增加；S5、将布置有表面织构的浮力块固定于隔水管上，不同织构能够减小绕流阻力，降低隔水管涡激振动和张紧力，均提高隔水管系统安全性，延长隔水管的使用寿命实施例二：如图5～7所示，本实施例与实施例一的区别在于：所述的浮力块的轴向方向上设置多个梯形沟槽2，梯形沟槽2沿周向均匀分布，浮力块外径D为0.9～1.5m，梯形沟槽2的槽宽d为0.001D～0.1D，梯形沟槽2的槽间距s为0.001D～0.04D，梯形沟槽2的槽深h为0.001D～0.05D，在步骤S5中将布置有梯形沟槽织构的浮力块固定于隔水管上，能够减小绕流阻力，降低隔水管涡激振动和张紧力，提高隔水管系统安全性，减阻效果突出。通过实验研究得出：梯形沟槽的深度h和沟槽间距s分别在s+≤30,h+≤25的范围内具有减阻效果，其中：s=vs+0.172u(Re)-0.1h=vh+0.172u(Re)-0.1...(5)]]>根据实验结果表明，当梯形沟槽高度h与宽度满足时，梯形沟槽减阻效果明显实施例三：本实施例与实施例一的区别在于：所述的梯形沟槽2的两侧腰上设置有凹坑1，所述的凹坑1深度h为0.001D～0.01D，宽度d为0.001D～0.01D，凹坑1行距s为0.001D～0.01D。实施例四：所述的梯形沟槽2也可由U型槽代替。