一种深水钻井隔水管系统振动主动控制系统的制作方法

本发明涉及一种深水钻井隔水管系统振动主动控制系统，属于海洋结构振动主动控制领域。

背景技术：

深水钻井隔水管系统是连接海底井口和钻井平台的重要部件，其长度一般在500m至3000m之间，是典型的大变形非线性动力敏感柔性体，在海洋自然环境的影响下发生复杂的波激振动和涡激振动等现象，易导致隔水管发生疲劳失效、悬挂断裂等事故，是海洋钻井系统中的重要而又薄弱的环节。目前，通过隔水管监测与维护防止隔水管系统长期振动引起的疲劳累积失效，通过回收隔水管系统至钻井平台防止恶劣环境下隔水管系统振动引起的瞬时断裂失效，即主要通过被动式的处理措施防止隔水管系统失效，尚没有深水钻井隔水管系统振动的主动控制方案。考虑到海水中难以找到控制支撑点问题，无法使用常规的控制作动器，引入智能压电材料的作动器功能提出一种深水钻井隔水管系统主动控制方案，通过深水钻井隔水管系统主动控制减缓隔水管系统振动响应，达到控制深水钻井隔水管系统失效的目的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能解决深水钻井隔水管系统振动问题的主动控制系统。

一种深水钻井隔水管系统振动主动控制系统，其特征在于：它包含传感器，作动器，信号处理模块，控制模块；所述传感器用于监测隔水管系统纵向振动和横向振动，所述传感器沿隔水管系统轴向的布置位置由以下步骤得到：(1)建立深水钻井隔水管系统动力学分析模型；(2)开展深水钻井隔水管系统模态分析、波激振动分析和涡激振动分析；(3)识别深水钻井隔水管系统纵向和横向振动激发模态；(4)在模态位移较大位置布置所述传感器；所述传感器沿隔水管系统周向的布置位置为：在所述纵向模态位移较大位置布置一个所述传感器，在所述横向模态位移较大位置沿周向布置两个所述传感器，两个所述传感器间隔为90°；所述作动器沿隔水管系统轴向的布置步骤与所述传感器沿隔水管系统轴向的布置步骤一致，但所述作动器和所述传感器沿隔水管系统轴向的布置位置要有一定的间距，防止所述作动器引起的局部效应影响所述传感器的监测效果；在所述作动器轴向安装位置处沿隔水管系统周向每间隔90°布置一个所述作动器，所述作动器在横向模态位移较大位置布置方式采用反对称布置，所述作动器在纵向模态位移较大位置布置方式为正对称布置；所述信号处理模块的处理步骤为：(1)接收所述传感器测得的深水钻井隔水管系统监测点处的振动信号；(2)采用快速傅里叶变换确定振动信号的响应谱，识别深水钻井隔水管系统振动激发模态；(3)建立深水钻井隔水管系统动力学模型，基于模态叠加法进行隔水管系统振动响应和载荷重构；(4)基于深水钻井隔水管系统动力学模型计算所需控制载荷；所述控制模块的反馈控制步骤为：(1)将所述控制载荷转换成所述作动器所需电压值；(2)将得到的控制电压输入到所述作动器；(3)通过所述传感器监测作动器控制后的振动信号，并反馈到所述信号处理模块；(4)依次进行下一轮的深水钻井隔水管系统振动主动控制。

所述传感器采用光纤光栅应变传感器。

所述作动器采用多晶压电陶瓷作动器。

所述传感器和所述作动器与隔水管外壁紧密贴合，所述传感器和所述作动器外层涂有防水涂层。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明引入压电智能材料的作动器实现了深水钻井隔水管系统振动的主动控制，从而避免了因隔水管系统振动而产生的一系列问题。2、本发明的作动器采用正对称和反对称的布置方式，可同时实现深水钻井隔水管系统横向振动和纵向振动的主动控制。3、本发明的传感器与作动器布置在隔水管系统振动模态位置较大处，提高了隔水管系统振动监测与主动控制效率。4、本发明的作动器采用压电陶瓷材料，其优势在于可加工成任意形状和尺寸，更好的与隔水管进行贴合。

附图说明

图1为本发明的传感器和作动器布置流程图。

图2为本发明的传感器和作动器沿隔水管轴向布置示意图。

图3为本发明的传感器和作动器沿隔水管周向布置示意图。

图4为本发明的主动控制系统示意图。

图5为本发明的主动控制工作流程图。

图中，1.隔水管，2.传感器，3.正对称作动器，4.反对称作动器，5.传输线，6.信号处理模块，7.控制模块。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为设计深水钻井隔水管系统振动传感器和作动器位置，建立深水钻井隔水管系统动力学分析模型，可表示为：

式中，[M]、[C]和[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{ü}、和{u}分别为隔水管系统加速度、速度和位移向量，{F}为隔水管系统所受的海洋环境载荷向量。

不考虑海洋环境载荷的影响，即隔水管系统所受的海洋环境载荷向量{F}为零，通过深水钻井隔水管系统动力学模型开展模态分析，确定深水钻井隔水管系统横向和纵向模态振型和频率。

如图2、图3所示，考虑海洋环境载荷的影响，开展深水钻井隔水管系统波激振动和涡激振动分析，识别深水钻井隔水管系统激发模态，模态位移较大的若干处即为传感器2与正对称作动器3和反对称作动器4沿隔水管系统轴向的布置位置。传感器2与正对称作动器3和反对称作动器4沿隔水管系统轴向的布置位置要有一定的间距，传感器2沿隔水管1周向的布置位置为：在纵向模态位移较大位置附近沿周向布置一个传感器2，在横向模态位移较大位置附近沿轴向布置两个传感器2，两传感器2间隔为90°。在横波目标位置布置方式采用正对称作动器3，在纵波目标位置布置方式为反对称作动器4。

如图4、图5所示，完成深水钻井隔水管系统振动传感器2和正对称作动器3与反对称作动器4位置设计后，开展深水钻井隔水管系统振动主动控制。其实现过程为传感器2、正对称作动器3与反对称作动器4分别贴合在隔水管1的目标位置。利用传输线5将传感器2与信号处理模块6相连接，利用传输线5将信号处理模块6与控制模块7相连接，利用传输线5将控制模块7与对称作动器3和反对称作动器4分别连接。首先，传感器2测得隔水管1的应变，并转化为电信号，通过传输线5输送至信号处理模块6，通过快速傅里叶变换确定深水钻井隔水管系统响应谱，通过响应谱和隔水管系统模态频率对比识别深水钻井隔水管系统振动激发模态，然后采用监测点的振动信息进行隔水管系统振动响应重构，任意位置处的隔水管系统响应可表示为N个模态的振型的叠加，即：

式中，为第i阶模态振型的位移；w_i为第i阶模态振型的权重；N为所选模态数。

然后根据光纤光栅应变传感器的应变信息确定各阶模态的权重即完成隔水管系统振动响应重构，各阶模态权重可表示为：

式中，ε为监测的应变，为第i阶模态振型的曲率，r为隔水管半径。

在重构{u}的基础上，结合[M]、[C]和[K]，根据公式(1)反算深水钻井隔水管系统海洋环境载荷向量{F}，至此完成深水钻井隔水管系统振动信号处理与重构。

为了达到深水钻井隔水管系统振动主动控制的目的，进一步设计输入的控制载荷向量{F_c}，在公式(1)的基础上增加控制载荷向量{F_c}改变隔水管系统响应向量{u}，可表示为：

将控制载荷向量{F_c}转换成所述作动器所需电压值，并将控制电压输入到作动器，即完成一次深水钻井隔水管系统振动主动控制，然后通过传感器持续监测隔水管系统振动，并反馈给控制模块依次进行下一轮的主动控制，最终达到深水钻井隔水管系统振动主动控制的目的。