月牙肋抑振裝置對柔性立管渦激振動抑振作用的試驗研究

劉曉春,郭海燕,張永波,張文冬

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島266100)

月牙肋抑振裝置對柔性立管渦激振動抑振作用的試驗研究

劉曉春,郭海燕,張永波,張文冬

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島266100)

海洋立管的渦激振動會對立管結(jié)構(gòu)的疲勞壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。提出1種月牙肋抑振裝置,通過在室內(nèi)水槽中進(jìn)行物理模型試驗,研究該裝置在渦激振動情況下對立管的抑振作用。測得該裝置在立管表面不同布置方式時順流向及橫流向振動的應(yīng)變時程曲線,使用DASP軟件對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到立管的振動幅值和功率譜。試驗結(jié)果表明:這種月牙肋抑振裝置可明顯降低立管模型的振動幅值,且對振動頻率有一定的影響,同時也表明不同的布置方式對立管的抑振效果也不相同。

月牙肋;渦激振動;抑振試驗

海洋立管是海洋油氣資源開發(fā)系統(tǒng)中連接海底設(shè)施和海面作業(yè)平臺的關(guān)鍵設(shè)備,在海洋環(huán)境中主要承受風(fēng)、浪、流等荷載的作用。當(dāng)海流以一定的流速經(jīng)過立管時,會在立管兩側(cè)產(chǎn)生交替的渦旋脫落,誘發(fā)立管產(chǎn)生渦激振動(VIV)[1]。當(dāng)渦旋脫落頻率接近立管的自振頻率時會發(fā)生頻率鎖定(lock-in)現(xiàn)象,此時立管振動加劇,振幅增大。渦激振動是導(dǎo)致海洋立管發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和疲勞破壞的主要原因,不僅會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且還會使海洋環(huán)境遭到嚴(yán)重污染,因此抑制海洋立管渦激振動至關(guān)重要。

為了減少或阻止渦激振動造成的破壞,延長海洋立管的使用壽命,國內(nèi)外許多學(xué)者對海洋管道抑振方法進(jìn)行了研究和總結(jié)[2-8]。常用的抑振方法主要有2種:主動控制和被動控制。主動控制是指利用計算機(jī)自動控制技術(shù),通過對流場和結(jié)構(gòu)受力的實時監(jiān)測,將外部擾動引入流場從而控制漩渦脫落[9];被動控制則是通過改變結(jié)構(gòu)表面形狀或增加外裝置以改變繞流場,從而影響漩渦的形成和發(fā)展過程。當(dāng)前立管的渦激振動控制主要是被動控制,圖1是幾種常見的被動抑振裝置。與主動控制方法相比,被動控制抑振裝置具有設(shè)計簡單、易于制作安裝且成本較低等優(yōu)點(diǎn),因此在海洋工程中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 9種常見的被動抑振裝置Fig.1 Nine types passive VIV suppression devices

本文依據(jù)抑振被動控制物理機(jī)制,提出1種新的表面突出類型的抑振裝置—月牙形擾流肋。通過無比尺物理模型試驗,研究該抑振裝置對深海柔性立管渦激振動的抑制效果。

1 實驗概況

實驗在中國海洋大學(xué)物理海洋實驗室中的大型風(fēng)—浪—流聯(lián)合水槽內(nèi)進(jìn)行。水槽長65 m,寬1.2 m,高1.75 m,最大流速可達(dá)1.4 m/s。

實驗采用無比尺物理模型實驗,用橡膠管模擬深海柔性立管,分別考察月牙肋抑振裝置對立管順流向與橫向的抑振效果。橡膠管外徑16 mm,內(nèi)徑8 mm,有效長度1 200 mm。水槽內(nèi)水深700 mm,試驗時將立管模型兩端豎向固定在安置于水槽內(nèi)的鋁合金架上,以使立管模型在順流向和橫向都可以振動。在立管模型水深范圍內(nèi)布置月牙肋抑振裝置,在立管模型水面以上位置布置3個測點(diǎn),見圖2。每個測點(diǎn)應(yīng)變片布置見圖3。

圖2 試驗?zāi)Ｐ脱b置圖Fig.2 Sketch of riser model

圖3 應(yīng)變片位置示意圖Fig.3 Sketch of strain gauges placement

圖4 月牙肋及尺寸詳圖Fig.4 Crescent-shaped device and dimension detail

抑振裝置整體呈月牙形(簡稱月牙肋),模型材料為橡膠,見圖4,布置在橡膠管上的月牙肋尺寸為Y×Z ×H=12 mm×3.5 mm×3 mm。將月牙肋按一定排列方式布置在立管表面。本實驗主要采用3種布置方式,見圖5。圖5(a)所示月牙肋首尾相連成螺旋線布置;圖5(b)所示月牙肋按某一角度在同一水平面內(nèi)平行布置,沿立管軸向同一豎向平面按一定間距平行布置;圖5(c)所示月牙肋在同一水平面內(nèi)按某一角度反向布置,呈八字形,沿立管軸向同一豎向平面按一定間距平行布置。為進(jìn)行抑振效果對比分析,做一根裸管渦激振動試驗,裸管在水中部分不布置抑振裝置,其它情況同帶有抑振裝置的試件,試件工況編號見表1。

圖5 抑振裝置布置圖Fig.5 Sketch arrangements of suppression device

表1 模型試件工況Table 1 Cases of tests model

2 試驗結(jié)果分析

將裸管模型固定于水槽中的鋁合金架上,在靜水中對其進(jìn)行敲擊激勵,經(jīng)過傅里葉變換后得到裸管的一階自振頻率為f1=4Hz,見圖6。

圖6 裸管自振頻譜圖Fig.6 Nature frequency of the bare riser model

對于渦激振動頻率鎖定區(qū)域的范圍,根據(jù)Carherry和Sheridan[10]的研究結(jié)果,在水中發(fā)生“鎖振”的約化速度區(qū)間通常為6

圖7～12分別為外流速等于0.35,0.5和0.7 m/s時,裸管模型與安裝抑振裝置的立管模型在順流向及橫向的振動應(yīng)變時程曲線。與裸管模型相比,帶抑振裝置的立管模型的振幅都有所減少,且對順流向的抑振效果優(yōu)于對橫向的抑振效果。從試驗結(jié)果還可以看到,月牙肋的布置形式對立管渦激振動的抑振效果有很大影響,月牙肋八字形布置方式R11的抑振效果明顯優(yōu)于螺旋線布置方式R8以及平行布置方式R9的抑振效果,圖7,8中R11布置方式的應(yīng)變幅值僅為其他2種工況的50%,并且對橫向振動也有較明顯的抑振作用。而在裸管振動劇烈、流速為0.5 m/s時的工況下(見圖9和10),模型R11完全破壞了“鎖振”發(fā)生,優(yōu)于其它2種形式。流速為0.7 m/s相對較高流速工況下R11優(yōu)越性再次體現(xiàn),如圖11,12所示。R8抑振性能表現(xiàn)一般;R9布置形式抑振性能完全失效; R11仍能降低60%以上應(yīng)變幅值。通過上述分析,可以看到月牙形裝置R11的布置形式對柔性立管有較好的抑振作用,并且立管順流向的抑振效果與橫向抑振效果都很顯著。

圖7 外流速為0.35 m/s時順流向應(yīng)變時程曲線Fig.7 In-Line time history curves at velocity of 0.35 m/s

圖8 外流速為0.35 m/s時橫向應(yīng)變時程曲線Fig.8 Cross-flow time history curves at velocity of 0.35 m/s

圖9 外流速為0.5 m/s時順流向應(yīng)變時程曲線Fig.9 In-Line time history curves at velocity of 0.5 m/s

圖10 外流速為0.5 m/s時橫向應(yīng)變時程曲線Fig.10 Cross-flow time history curves at velocity of 0.5 m/s

圖11 外流速為0.7 m/s時順流向應(yīng)變時程曲線Fig.11 In-Line time history curves at velocity of 0.7 m/s

圖13 為外流速0.35 m/s時各立管模型順流向振動頻譜圖。從圖13中可以看出,月牙形抑振裝置對柔性立管順流向振動頻率有影響,同裸管相比,有抑振裝置的立管模型振動頻率降低,順流向裸管渦激振動為二階單模態(tài)振動,而有抑振裝置的立管模型R8,R9,R11都使渦激振動模態(tài)變?yōu)橐浑A和二階雙模態(tài)聯(lián)合振動。

圖12 外流速為0.7 m/s時橫向應(yīng)變時程曲線Fig.12 Cross-flow time history curves at velocity of 0.7 m/s

圖14 為外流速0.35 m/s時各立管模型橫向振動頻譜圖。由圖14中可看到月牙形抑振裝置對柔性立管順流向振動頻率也有影響,同裸管相比,有抑振裝置的立管模型振動頻率降低,但橫向振動模態(tài)幾乎沒發(fā)生改變,這是因為渦激振動本身就是一階單模態(tài)振動,安裝抑振裝置后立管不會再發(fā)生振動降階現(xiàn)象。在工程計算中,高頻率的振動是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞的原因之一,月牙肋降低了振動頻率,可增加立管的疲勞壽命。

圖13 外流速為0.35 m/s時各方案順流向振動頻譜圖Fig.13 In-line vibration frequencies at velocity of 0.35 m/s

圖14 外流速為0.35 m/s時各方案橫向振動頻譜圖Fig.14 Cross-flow vibration frequencies at velocity of 0.35 m/s

3 結(jié)論

通過多級外流速作用于立管模型的渦激振動實驗,研究了月牙肋抑振裝置及其布置形式對柔性立管渦激振動的抑振效果,實驗結(jié)果表明:

(1)月牙肋抑振裝置對柔性立管渦激振動的抑振效果較明顯,順流向減幅40%～60%,橫向減幅20%～

50%,對順流向的抑振效果優(yōu)于對橫向的抑振效果。

(2)月牙肋抑振裝置的布置方式對抑振效果有著顯著的影響,八字形布置形式抑振作用優(yōu)于其它2種,特別是高流速下抑振性能表現(xiàn)良好。

(3)相對裸管而言,月牙肋抑振裝置能使立管振動頻率有所降低,并且能夠改變順流向的振動模態(tài),但橫向振動模態(tài)無明顯改變。

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Abstract: Vortex-induced vibration(VIV)would result in serious infection to the riser fatigue life.This paper presented a new designed crescent-shaped suppression device,and investigate the device performance on riser oscillation suppressing when VIV occurred,model experiment carried out in the wind-wavecurrent flume。Various time history strain response in both in-line and cross-flow direction were obtained from the different arrangement on the riser surface.Based on the software DASP to process measurements data,strain amplitude and power spectrum were calculated.It was found that the crescent-shaped suppression device can evidently reduce oscillation amplitudes of the model riser,also can affect oscillation frequencies,different device arrangements performance differently on VIV Suppression.

Key words: crescent-shaped device;VIV(vortex-induced vibration);VIV suppression

責(zé)任編輯 陳呈超

Experimental Investigation of Vortex-Induced Vibration Suppression on Flexible Riser Using Crescent-Shaped Device

LIU Xiao-Chun,GUO Hai-Yan,ZHANG Yong-Bo,ZHANG WEN-Dong
(College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

P751

A

1672-5174(2011)04-116-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(SQ2009AA09Z3487852;2007AA09Z313)資助

2010-05-21;

2010-07-17

劉曉春(1970-),男,博士生。E-mail:Lxcxin@126.com