海洋立管抑振裝置優(yōu)化布置的實(shí)驗(yàn)研究＊

郭海燕，李相環(huán)，張永波，李效民，李 朋

（中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100）

大陸石油已經(jīng)開(kāi)發(fā)利用150多年，儲(chǔ)量日益減少，海洋油氣開(kāi)發(fā)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。海洋立管是海洋油氣開(kāi)發(fā)中的1個(gè)重要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，承受風(fēng)浪流等復(fù)雜的海洋環(huán)境荷載作用，當(dāng)海流流經(jīng)立管時(shí)，在一定流速下產(chǎn)生漩渦周期性脫落，使立管發(fā)生渦激振動(dòng)。漩渦脫落的頻率隨流速的變化而變化，當(dāng)漩渦脫落頻率和立管的自振頻率接近時(shí)，立管的振動(dòng)會(huì)加劇，并使漩渦脫落頻率鎖定在立管自振頻率附近，稱(chēng)為“鎖振”現(xiàn)象［1］。渦激振動(dòng)雖不會(huì)立刻使立管發(fā)生破壞，但是立管長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)發(fā)生疲勞損傷，特別是發(fā)生鎖振時(shí)，立管振動(dòng)加劇，疲勞壽命大大降低。因此，海洋立管的渦激振動(dòng)近年來(lái)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)［2－4］。

抑制立管的渦激振動(dòng)一般有兩種方法，一種是主動(dòng)控制法，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控海流的變化，利用聲波、振動(dòng)等主動(dòng)方式擾亂立管附近的流場(chǎng)，抑制渦激振動(dòng)，但技術(shù)含量、成本較高；另一種是被動(dòng)控制法，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)物表面形狀或在結(jié)構(gòu)物表面附加其他裝置來(lái)破壞漩渦的形成，從而抑制渦激振動(dòng)，目前國(guó)際上主要采用這種抑振方法。螺旋導(dǎo)板（Helical strakes）是一種抑振效果顯著的被動(dòng)式抑振裝置，早在1960年代螺旋導(dǎo)板就用來(lái)抑制渦激振動(dòng)［5］，開(kāi)始是應(yīng)用在煙囪、高塔等高聳結(jié)構(gòu)上，如Wong和Kokkalis［6］、Hatsuo Ishizaki［7］等，用于抑制由空氣流動(dòng)引起的渦激振動(dòng)。后來(lái)，研究者用螺旋導(dǎo)板來(lái)抑制海洋立管的渦激振動(dòng)，如Paolo Simantiras和Neil Willis［8］對(duì)螺旋導(dǎo)板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)螺旋導(dǎo)板能明顯抑制立管的渦激振動(dòng)；NDP［9］實(shí)驗(yàn)研究了裝有螺旋導(dǎo)板的立管，通過(guò)對(duì)比裸管，發(fā)現(xiàn)裝有螺旋導(dǎo)板的立管振動(dòng)特性和裸管有所不同，螺旋導(dǎo)板能較好的減小渦激振動(dòng)；Baarholm和Lie［10］在立管模型上安裝三螺旋導(dǎo)板和四螺旋導(dǎo)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，比較其抑振效果，同時(shí)最大程度減小立管的曳力。

螺旋導(dǎo)板在立管上的覆蓋方式和覆蓋范圍對(duì)抑制渦激振動(dòng)有著重要的影響。立管水中部分全部覆蓋螺旋導(dǎo)板不一定能產(chǎn)生最佳的抑制效果，并且會(huì)增大曳力，增加來(lái)流向振幅，可能會(huì)加劇立管的疲勞破壞速度。另外，從實(shí)際工程的角度來(lái)說(shuō)，立管水中部分全部覆蓋螺旋導(dǎo)板也不是經(jīng)濟(jì)的選擇。

本文將梯形截面三螺旋導(dǎo)板覆蓋在立管模型上，選用不同的覆蓋率和覆蓋方式，在實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)進(jìn)行渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究三螺旋導(dǎo)板不同覆蓋方式和不同覆蓋率抑制渦激振動(dòng)的效果及其規(guī)律，以?xún)?yōu)化三螺旋導(dǎo)板抑振裝置的布置，為工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有大型風(fēng)－浪－流聯(lián)合水槽，如圖1所示。水槽長(zhǎng)65 m，寬1.2 m，高1.75 m，最大流速可達(dá)到1.0 m／s。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中制作了剛度較大鋁合金架，用來(lái)固定立管模型，模型兩端采用鉸支座固定，如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集配套設(shè)備包括：動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀（YD－28A型）、信號(hào)采集分析儀、水下電阻應(yīng)變計(jì)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖3 立管模型圖Fig.3 Sketch of riser model

實(shí)驗(yàn)選取有機(jī)玻璃管作為立管模型，立管模型有效長(zhǎng)度1.5 m，外徑18 mm，壁厚2 mm。立管垂直放入水槽中，水的高度為750 mm，如圖3所示，選取水面以上2個(gè)位置粘貼應(yīng)變片，每個(gè)位置貼4個(gè)應(yīng)變計(jì)，橫向和順流向各2個(gè)，間隔90（°）布置，如圖4所示。1＃、3＃點(diǎn)應(yīng)變計(jì)用于測(cè)來(lái)流向立管的振動(dòng)響應(yīng)，2＃、4＃點(diǎn)應(yīng)變計(jì)用于測(cè)橫向立管的振動(dòng)響應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)中采用梯形截面三螺旋導(dǎo)板作為抑振裝置，導(dǎo)板材料為橡膠，梯形截面下底a＝2 mm，上底b＝1 mm，螺紋高度為h＝4.5 mm，三螺旋間距315 mm，如圖5所示。立管水中部分750 mm全部布置三螺旋導(dǎo)板，這種布置情況在本文中規(guī)定為三螺旋導(dǎo)板100%覆蓋，即100%覆蓋率，如圖6所示。在改變螺旋導(dǎo)板覆蓋率的覆蓋形式上，實(shí)驗(yàn)中做了2種覆蓋形式：一種是從100%覆蓋率模型的導(dǎo)板上均勻的截取3段，立管模型上剩余的4段均勻覆蓋，這種覆蓋方式稱(chēng)為均勻覆蓋（Uniform coverage），如圖7（上）所示；另一種是從100%覆蓋率模型的導(dǎo)板底端向上截取，來(lái)變化不同的覆蓋率，這種覆蓋方式稱(chēng)之為端部覆蓋（end coverage），如圖7（下）所示。2種覆蓋方式都做了3種覆蓋率：70%，50%，30%。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中對(duì)三螺旋導(dǎo)板做了2種典型流速的測(cè)試：一種是較低流速0.4 m／s；另一種是“鎖振”區(qū)間附近的流速為0.6 m／s。流速在0.4 m／s時(shí)，發(fā)現(xiàn)裝有螺旋導(dǎo)板的立管幾乎不振，在0.6 m／s時(shí)有渦激振動(dòng)現(xiàn)象。下面以0.6 m／s的流速為例進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)采樣的頻率為256 Hz，采集時(shí)間40 s，數(shù)據(jù)處理后分別得到不同覆蓋形式立管和裸管的微應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)如圖8～11。

圖8為均勻覆蓋各方案及裸管橫向振動(dòng)微應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)。通過(guò)和裸管對(duì)比發(fā)現(xiàn)，均勻覆蓋各方案都有一定的抑振效果。其中覆蓋率為100%，70%，50%的抑振效果相當(dāng)顯著，都能抑制95%以上的振幅值。30%覆蓋率的方案抑振效果不是很好，大約能減小75%的振動(dòng)幅值。圖9為均勻覆蓋各方案順流向振動(dòng)微應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)，從圖中可以看出，各方案都在一定程度上抑振了立管的渦激振動(dòng)，30%覆蓋率的方案順流向的抑振效果沒(méi)有其它3種覆蓋率方案的好，大約能減小60%的振幅，其他3種方案順流向抑振效果都很好，都能抑制90%以上的振幅值。

圖10和11分別是端部覆蓋各方案橫向和順流向的振動(dòng)微應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)，從這2個(gè)圖可以觀察到，端部覆蓋的各種覆蓋率方案對(duì)橫向抑振效果都很好，均能抑制95%以上的振幅值，包括30%覆蓋率方案。端部覆蓋方案對(duì)順流向的抑制效果也很好，能減小90%左右的振幅值。端部覆蓋各方案之間抑振效果雖有所不同，但是差別不大，沒(méi)有均勻覆蓋從30%覆蓋率到50%覆蓋率2種方案抑振效果落差大。

微應(yīng)變的均方根值（Strain RMS）也是考察立管模型振動(dòng)幅度的一個(gè)重要的參數(shù)，可以反映立管在采樣時(shí)間內(nèi)總體的振動(dòng)情況。圖12為2種覆蓋方式橫向振動(dòng)微應(yīng)變均方根圖，可見(jiàn)：均勻覆蓋當(dāng)覆蓋率小于50%時(shí)，隨著覆蓋率增大，微應(yīng)變均方根值迅速減小；端部覆蓋覆蓋率從30%～70%的微應(yīng)變均方根值是逐漸減小的，覆蓋率70%和100%2種方案的微應(yīng)變均方根值基本持平。2種覆蓋方式各方案順流向微應(yīng)變均方根值的變化規(guī)律和橫向一樣，如圖13所示。從圖12、13中還可以觀察到，無(wú)論是橫向還是順流向，端部覆蓋的每個(gè)覆蓋率方案的微應(yīng)變均方根值都要比均勻覆蓋相對(duì)應(yīng)的覆蓋率方案的均方根值要小，主要是因?yàn)槎瞬扛采w的方案能抑制立管中間漩渦的產(chǎn)生，減小立管跨中的曵力，可見(jiàn)端部覆蓋方式的抑振效果比均勻覆蓋的抑振效果好。

圖14和16是實(shí)驗(yàn)獲得均勻覆蓋及裸管的橫向和順流向功率譜密度圖，圖15、17是端部覆蓋及裸管的橫向和順流向功率譜密度圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：裸管橫向振動(dòng)的頻率為6.02 Hz，100%覆蓋率方案破壞了漩渦的規(guī)律脫落，沒(méi)有明顯的振動(dòng)頻率出現(xiàn)，均勻覆蓋70%覆蓋率方案的振動(dòng)頻率為5 Hz，降低了橫向振動(dòng)頻率，均勻覆蓋其他2種方案的振動(dòng)頻率在6 Hz左右，對(duì)橫向振動(dòng)頻率基本沒(méi)有影響，如圖14；除了100%覆蓋率方案，端部覆蓋70%覆蓋率方案也破壞了漩渦的規(guī)律脫落，沒(méi)有明顯的振動(dòng)頻率，其他各覆蓋率方案對(duì)橫向振動(dòng)的頻率影響不大，如圖15。

立管順流向以二階振動(dòng)頻率為主頻率，大小為12 Hz，約為橫向振動(dòng)頻率的2倍，從順流向的功率譜密度圖16、17來(lái)看，100%覆蓋率、端部覆蓋70%覆蓋率這2種方案都破壞渦激振動(dòng)規(guī)律，沒(méi)有明顯的振動(dòng)頻率出現(xiàn)，其余各方案也都能明顯地降低順流向振動(dòng)的頻率，由二階振動(dòng)降為一階振動(dòng)。

由以上分析可以看出：100%和70%2種覆蓋率高的方案能降低立管橫向振動(dòng)頻率，50%和30%2種覆蓋率低的方案對(duì)橫向振動(dòng)頻率基本沒(méi)有影響；兩種覆蓋方式的各覆蓋率方案都能明顯降低順流向振動(dòng)頻率，甚至降低振動(dòng)模態(tài)。

3 疲勞分析

從圖8、9可以看出，立管橫向振幅比順流向的振幅大很多，本文只分析橫向疲勞壽命。采用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行應(yīng)力統(tǒng)計(jì)，疲勞壽命可以通過(guò)S－N曲線(xiàn)進(jìn)行分析［11］。

基本S－N曲線(xiàn)為：

式中：N為致?lián)p疲勞次數(shù)；Δσ為應(yīng)力幅值；m為S－N曲線(xiàn)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中斜率；log a為S－N曲線(xiàn)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中截距。

在S－N分析的基礎(chǔ)上利用Miner理論分析立管的疲勞壽命。

式中：n（Δσi）為采樣時(shí)間內(nèi)發(fā)生應(yīng)力范圍i內(nèi)的循環(huán)數(shù)目；N（Δσi）為在需要引起破壞的應(yīng)力范圍內(nèi)的循環(huán)數(shù)目；D是結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷量。

實(shí)驗(yàn)中立管的疲勞壽命可以表示為：

式中：Tlife為立管疲勞壽命；Δεi為立管應(yīng)力幅值；N（Δεi）為S－N曲線(xiàn)計(jì)算的疲勞次數(shù)；n（Δεi）為雨流計(jì)數(shù)法得到的次數(shù)。

圖18 均勻覆蓋和端部覆蓋橫向疲勞壽命Fig.18 Cross－flow fatigue life of uniform coverage and end coverage

將均勻覆蓋和端部覆蓋各覆蓋率方案的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果繪成圖18。從圖中可以看出，各方案都能明顯增加立管的疲勞壽命。端部覆蓋的疲勞壽命高于均勻覆蓋，說(shuō)明端部覆蓋的方式優(yōu)于均勻覆蓋。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了1種梯形截面三螺旋導(dǎo)板抑振裝置，并變化不同的覆蓋方式和覆蓋率，在水槽中進(jìn)行立管模型渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）梯形截面三螺旋導(dǎo)板均勻覆蓋和端部覆蓋的各覆蓋率方案都能較好抑制橫向和順流向的渦激振動(dòng)，其中，兩種覆蓋方式覆蓋率為100%、70%的方案都能減小95%以上的橫向和順流向的振動(dòng)幅值，均勻覆蓋覆蓋率為30%的方案能減小60%的振動(dòng)幅值。對(duì)于均勻覆蓋，隨著覆蓋率增大，抑振效果增強(qiáng)；對(duì)于端部覆蓋，覆蓋率從30%到70%抑振效果逐漸增強(qiáng)，70%覆蓋率和100%覆蓋率兩種方案的抑振效果基本相同。

（2）均勻覆蓋和端部覆蓋的各覆蓋率方案能夠明顯降低立管順流向的振動(dòng)頻率；100%和70%這2種高覆蓋率的方案能降低立管橫向振動(dòng)頻率，50%和30%覆蓋率方案對(duì)橫向振動(dòng)頻率影響不大。

（3）2種覆蓋方式的各覆蓋率方案都能明顯提高立管的疲勞壽命，從覆蓋率30%到70%，隨覆蓋率增加，疲勞壽命增加，2種覆蓋方式的70%覆蓋率方案的疲勞壽命和100%覆蓋率方案基本相同。

（4）由本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，端部覆蓋的抑振效果比均勻覆蓋的抑振效果好，疲勞壽命高于均勻覆蓋。

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