渦激振動(dòng)抑制裝置海上試驗(yàn)研究＊

賈 旭 矯濱田 朱偉亮

（中海油研究總院）

渦激振動(dòng)抑制裝置海上試驗(yàn)研究＊

賈 旭 矯濱田 朱偉亮

（中海油研究總院）

采用渦激振動(dòng)抑制裝置是降低深水立管渦激振動(dòng)響應(yīng)，保證立管安全運(yùn)行的有效措施之一。根據(jù)渦激振動(dòng)抑制裝置特點(diǎn)和深水海洋環(huán)境條件，提出了深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置海上試驗(yàn)方案、樣管尺寸、試驗(yàn)船舶機(jī)具及布置，并通過(guò)數(shù)值分析確定了拖曳速度、懸掛重物重量、拖曳鋼纜等試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)立管長(zhǎng)度、外徑及壁厚進(jìn)行了校核。深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置海上試驗(yàn)在我國(guó)東海海域已順利實(shí)施，取得了滿意的試驗(yàn)結(jié)果，抑制裝置的抑制效率最高達(dá)到了89．1%。

深水立管 渦激振動(dòng) 抑制裝置 海上試驗(yàn)

隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)向深海領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)的淺海油氣開(kāi)發(fā)使用的固定式平臺(tái)已被適用于深海惡劣的海洋環(huán)境及水深的水下井口、浮式結(jié)構(gòu)物、深水立管系統(tǒng)所取代。對(duì)于深海油氣生產(chǎn)系統(tǒng)，深水立管是必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，其長(zhǎng)度往往從幾百米到幾千米。一般情況下，連接海底井口和浮式平臺(tái)的立管沒(méi)有固定結(jié)構(gòu)支撐，是細(xì)長(zhǎng)的柔性結(jié)構(gòu)，它會(huì)受海流作用而產(chǎn)生嚴(yán)重的渦激振動(dòng)，進(jìn)而造成疲勞損傷［1］，因此如何降低深水立管的渦激振動(dòng)響應(yīng)是深水海洋油氣開(kāi)發(fā)的主要難點(diǎn)之一。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用渦激振動(dòng)抑制裝置（螺旋列板）是降低深水立管渦激振動(dòng)響應(yīng)的有效措施之一，它的研究與應(yīng)用也是深水油氣開(kāi)發(fā)的前沿技術(shù)。由于受海上試驗(yàn)設(shè)備的限制以及要應(yīng)對(duì)海上復(fù)雜、惡劣的環(huán)境條件，如何成功地進(jìn)行實(shí)尺寸渦激振動(dòng)抑制裝置的海上試驗(yàn)是一個(gè)國(guó)際性的難題［2－4］。筆者根據(jù)渦激振動(dòng)抑制裝置的特點(diǎn)以及海洋環(huán)境條件的實(shí)際情況，通過(guò)分析研究，提出了深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置海上試驗(yàn)方案、樣管尺寸、試驗(yàn)船舶機(jī)具及布置，使試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置達(dá)到最佳，保證了海上試驗(yàn)的順利進(jìn)行。本文主要介紹本次海上試驗(yàn)方案研究及試驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)方案的確定

研究立管渦激振動(dòng)響應(yīng)的試驗(yàn)手段主要包括室外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)2種，其中最直接的研究手段是全尺度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［5］，但由于尺度大，海上環(huán)境條件惡劣，海流實(shí)際情況和理想狀態(tài)有較大差別，迄今為止國(guó)際上開(kāi)展柔性立管渦激振動(dòng)響應(yīng)的全尺度試驗(yàn)研究成功的例子并不多見(jiàn)。因此，要保證深水立管渦激振動(dòng)響應(yīng)海上試驗(yàn)的成功進(jìn)行，確定合理的試驗(yàn)方案和抑制裝置成為關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)不同試驗(yàn)方案的技術(shù)分析和對(duì)比，確定了如圖1所示的深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置，其試驗(yàn)方案為：采用自航船舶提供拖曳動(dòng)力，將2根試驗(yàn)立管（1根為裸管，另外1根為帶渦激振動(dòng)抑制裝置的立管）通過(guò)拖曳架固定于船尾處，2根立管的底端分別通過(guò)一條鋼纜連接至船中前部的甲板處；為了避免在試驗(yàn)過(guò)程中鋼纜與船體發(fā)生碰撞，2根鋼纜的上端點(diǎn)分別由安裝在船中前部的2個(gè)長(zhǎng)為1．5 m的牽拉導(dǎo)向托架將鋼纜支出船外；2試驗(yàn)立管的間距為3 m，管上端與拖曳架鉸接，管下端與3 m的橫撐鉸接，以保持2根立管的間距，使其不會(huì)在試驗(yàn)過(guò)程中相互影響，且立管底端分別有一重物通過(guò)鉤環(huán)與橫撐的兩端直接相連，為立管提供張力。本試驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得在同一海流工況下帶渦激振動(dòng)抑制裝置的立管與裸管的渦激振動(dòng)情況，從而對(duì)比分析得到抑制裝置的效率。

圖1 深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置海上裝置布置圖

2 試驗(yàn)參數(shù)選取

在試驗(yàn)總體方案確定后，需要確定試驗(yàn)參數(shù)。受到海上試驗(yàn)條件（船舶、費(fèi)用）的限制，試驗(yàn)區(qū)域初步選定在水深60 m左右的東海海域，試驗(yàn)立管的長(zhǎng)度初步確定為40 m；為了能夠使渦激振動(dòng)激起更多的階數(shù)，試驗(yàn)立管的外徑不能太大，初步選定為152．4 mm，壁厚9．5 mm；其他試驗(yàn)參數(shù)，如拖曳速度、懸掛重物質(zhì)量、拖曳鋼纜等，需要經(jīng)過(guò)數(shù)值分析來(lái)確定，同時(shí)還需要通過(guò)數(shù)值分析來(lái)對(duì)立管長(zhǎng)度、外徑及壁厚進(jìn)行校核確定。

2．1 模態(tài)分析

在海流作用下，立管上各點(diǎn)由漩渦脫落引起的振動(dòng)可視為立管各模態(tài)振動(dòng)的疊加（一般為前幾階模態(tài)），且一般存在主導(dǎo)振動(dòng)模態(tài)。為準(zhǔn)確測(cè)量立管振動(dòng)的主導(dǎo)振動(dòng)模態(tài)，試驗(yàn)前需根據(jù)預(yù)分析（數(shù)值模擬）初步預(yù)估立管振動(dòng)的主導(dǎo)模態(tài)，并據(jù)此確定測(cè)量點(diǎn)的位置。采用模態(tài)分析軟件Modes3D對(duì)立管進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算試驗(yàn)立管的固有周期及不同模態(tài)下的振型。

在實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校⒐苌隙藶殂q接，而立管底端的邊界條件則較難界定。立管下部重物的重力作用及鋼纜對(duì)立管底部運(yùn)動(dòng)起到了限制作用，但相對(duì)于船體而言，立管底端的運(yùn)動(dòng)并未完全受到限制，這使得底部連接既不是鉸接，也不是完全自由，因此分析中采用了Pin－Pin Model（即立管上下兩端均為鉸接）和Real Model（即立管上端為鉸接，下端連接重物）2種模型。

由于抑制裝置的材料（聚乙烯塑料）重量相對(duì)于立管自身而言是微量級(jí)的，其對(duì)模態(tài)分析的影響可忽略不計(jì)。圖2為深水立管Modes3D計(jì)算模型，2種模型的前四階振型分別如圖3和圖4所示，其中立管底端和頂端的坐標(biāo)分別為x／L＝0及x／L＝1，其固有周期分別列于表1。

圖2 深水立管Modes3D計(jì)算模型圖

圖3 深水立管Pin－Pin Model簡(jiǎn)支模態(tài)振型

圖4 深水立管Real Model真實(shí)模態(tài)振型

表1 不同模態(tài)下試驗(yàn)用深水立管的固有周期

分析可知，同一模態(tài)下，Real Model的自振周期略高于Pin－Pin Model的自振周期，這是由于Real Model下端連接重物，可自由擺動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)的剛度較Pin－Pin Model弱的緣故。這種情況也反映到了Real Model的陣型中，其下端（x／L＝0）的歸一化位移不為零，說(shuō)明系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)立管下端存在振動(dòng)位移，而非鉸接的零振動(dòng)，這也與試驗(yàn)實(shí)際情況相符。

2．2 強(qiáng)度分析

立管在拖曳過(guò)程中會(huì)受到較大的拖曳力，而且會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)，因此，為保證試驗(yàn)的安全、順利完成，需對(duì)立管及鋼索的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

對(duì)于152．4 mm管徑、9．5 mm壁厚的立管，采用Flexcom分析軟件，并依據(jù)API規(guī)范API－RP－2RD，校核不同懸掛重量下立管和鋼纜的強(qiáng)度，其Flexcom模型如圖5所示。表2和表3分別給出了在不同重物及海流作用下深水立管的等效應(yīng)力比及鋼索最大頂端張力。

圖5 深水立管Flexcom分析模型圖

表2 不同重物下的深水立管等效應(yīng)力比

表3 不同重物下的鋼纜最大頂端張力

分析可知，5 t配重既可使立管保持一定的張力和穩(wěn)定，且不會(huì)因應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致立管和鋼纜損壞；該重物拉力作用下沿立管分布的屈服應(yīng)力利用率如圖6所示，立管的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。最終選定的鋼纜在不同的拖速下的最大張力為32．4 k N，小于其安全工作載荷62．7 k N，故其強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

圖6 沿深水立管分布的屈服應(yīng)力使用率圖（5 t重物拉力作用下）

2．3 拖速分析

將Modes3D軟件計(jì)算出的2種模型下所得模態(tài)數(shù)據(jù)分別輸入到渦激振動(dòng)分析軟件Shear7中，可計(jì)算出激勵(lì)出的不同模態(tài)渦激振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的拖速范圍，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 深水立管渦激振動(dòng)拖速分析結(jié)果

由表4可以看出，2種模型需要不同的船舶拖速激勵(lì)出某一特定的模態(tài)，相比而言，Real Model需要較小的拖速激勵(lì)出和Pin－Pin Model相同模態(tài)。理論上來(lái)說(shuō)，真實(shí)試驗(yàn)條件下的模型要激勵(lì)出一階模態(tài)需要的拖船速度為0．3 m／s，激勵(lì)出二階模態(tài)需要的拖船速度范圍為0．7～0．9 m／s，激勵(lì)出三階模態(tài)需要的拖船速度范圍為1．0～1．8 m／s。考慮到理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果之間的差異，在試驗(yàn)過(guò)程中將拖速范圍確定為0．2～2．0 m／s。

2．4 試驗(yàn)參數(shù)確定

根據(jù)以上分析，最終選定的試驗(yàn)裝置參數(shù)如下：

（1）試驗(yàn)立管參數(shù)。長(zhǎng)度為40 m（考慮到海域水深）；外徑為168．3 mm；壁厚為9．5 mm；材料等級(jí)為API 5L X65；裸管和帶渦激振動(dòng)抑制裝置管以上參數(shù)相同。

（2）螺旋列板參數(shù)。高度為53．85 mm；螺距為2 945．25 mm；干重為4．5 kg／m。

（3）鋼纜參數(shù)。長(zhǎng)度約為63．5 m；頂端距離船尾的徑向長(zhǎng)度為40 m；直徑為19．05 mm；破壞強(qiáng)度為251 k N；安全工作載荷為62．7 k N。

（4）配重塊參數(shù)。干重為5 t；形狀為圓柱形（部分允許水流穿過(guò)）；外徑和高度大致相等，約為1 m。

（5）連接。立管、鋼纜和重物三者之間的連接結(jié)構(gòu)如圖7所示。

（6）管內(nèi)流體。管內(nèi)流體為海水，其密度為1 025 kg／m3。

（7）拖曳速度。本次試驗(yàn)希望得到前三階模態(tài)響應(yīng)，因此拖船速度應(yīng)控制在0．3～1．8 m／s，以0．1 m／s的幅度增加或減小，并且保證每一個(gè)拖速能夠持續(xù)5～10 min。

圖7 深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置海上試驗(yàn)立管、鋼纜、重物連接結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)效果

本次深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置海上試驗(yàn)已于2011年在我國(guó)東海海域進(jìn)行并順利完成，采集到了比較理想的渦激振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效地驗(yàn)證了渦激振動(dòng)抑制裝置的抑制效率，試驗(yàn)結(jié)果完全達(dá)到了原設(shè)計(jì)的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，獲得了渦激振動(dòng)抑制裝置的抑制效率最高可達(dá)89．1%（表5）。

表5 深水立管、渦激振動(dòng)抑制裝置各流速下抑制效率

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了較為合理且便于進(jìn)行海上實(shí)施的深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置試驗(yàn)方案，并取得了滿意的試驗(yàn)效果。

（2）在不同的流速下，立管產(chǎn)生明顯的渦激振動(dòng)，并具有多模態(tài)參與的特點(diǎn)，其主導(dǎo)響應(yīng)模態(tài)明顯，2根立管最高激勵(lì)出第三階模態(tài)。

（3）在不同的流速下，測(cè)量得到渦激振動(dòng)響應(yīng)頻率與采用Real Model的理論預(yù)測(cè)頻率較吻合，測(cè)量的響應(yīng)模態(tài)振型與理論振型吻合較好。

（4）不同拖曳速度下，渦激振動(dòng)抑制裝置的抑制效率最高達(dá)到89．1%。

［1］ 周巍偉，曹靜，沙勇，等．深水鋼懸鏈線式輸油立管波致疲勞損傷頻域分析［J］．中國(guó)海上油氣，2011，23（5）：349－353．

［2］ TOGNARELLI M，TAGGART，S CAMPBELL，M．Actual VIV fatigue response of full scale drilling riser：with and without suppression devices［C］．OMAE 2008，57046．

［3］ BEYNET P，SHILLING R，CAMPBELL M，et al．Full scale VIV response measurements of a drill pipe in．gulf of mexico loop currents［C］．OMAE 2008，57610．

［4］ SIMANTIRAS P，WILLS N．Investigation on vortex induced oscillation and helical strakes effectiveness at very high incidence angles［C］．ISOPE，1999．

［5］ GLUCK M．Computation of fluid－structure interaction on lightweight structures［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89：1351－1368．

（編輯：葉秋敏）

An offshore test study on VIV suppression devices

Jia Xu Jiao Bintian Zhu Weiliang
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

VIV（vortex induced vibration）suppression devices is one of the effective methods to reduce the risers’VIV response in deep water，and to ensure safe operation．An offshore test was setup according to the features of suppression device and deep water environmental conditions．The parameters，such as towing speed，suspended weight at the bottom of risers and towing cables’diameter，were estimated according to numerical simulation in advance．The risers’length，diameter and wall thickness were validated too．The VIV suppression devices test had been successfully accomplished on China East Sea and the results show that the device could reduce the vibration amplitude of the riser up to 89．1%．

deep water riser；vortex induced vibration；suppression devices；offshore test

＊國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深水立管工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究（編號(hào)：2008AA09A105）”部分研究成果。

賈旭，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海洋工程方面的研究。地址：北京市東城區(qū)東直門(mén)外小街6號(hào)海油大廈（郵編：100027）。

2012－02－27 改回日期：2012－04－17