大型結(jié)構(gòu)物細(xì)長桿件渦激振動(dòng)的抑制

馮加偉，梁思穎，李天斌

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524000)

0 引 言

隨著海洋油氣勘探開發(fā)向深水發(fā)展，導(dǎo)管架平臺(tái)由十幾米水深發(fā)展至幾百米水深，桿件的長度大幅增加。在深水導(dǎo)管架建造、運(yùn)輸、在位工況下，流體對(duì)細(xì)長桿件的影響不僅有恒定載荷作用，而且會(huì)引起其渦激振動(dòng)(Vortex-Induced Vibration，VIV)。當(dāng)流體流經(jīng)細(xì)長桿件時(shí)，在柱體兩側(cè)會(huì)周期性地出現(xiàn)脫離結(jié)構(gòu)物表面的旋渦，桿件在與來流垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)[1]。由流體引起的VIV對(duì)桿件產(chǎn)生的力與相應(yīng)的恒定載荷相比大幾十甚至上百倍，能很快引起桿件端點(diǎn)處應(yīng)力集中部位的疲勞開裂[2]。因此，在導(dǎo)管架設(shè)計(jì)階段需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行VIV校核并制定控制措施。

1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)VIV響應(yīng)分析

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

WC9-2/9-3CEP導(dǎo)管架工作點(diǎn)尺寸為64 m×18 m，底部尺寸為76 m×66 m，導(dǎo)管架總高為130.1 m。WC9-2/9-3CEP導(dǎo)管架模型如圖1所示。對(duì)建造、運(yùn)輸、在位不同工況下導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)由海流或風(fēng)引起的VIV進(jìn)行校核。在計(jì)算海流對(duì)水下結(jié)構(gòu)引起的VIV時(shí)，阻尼因數(shù)取0.50%；在計(jì)算風(fēng)對(duì)大氣中結(jié)構(gòu)引起的VIV時(shí)，阻尼因數(shù)取0.15%。

圖1 WC9-2/9-3CEP導(dǎo)管架模型

1.2 環(huán)境參數(shù)

在導(dǎo)管架建造和運(yùn)輸過程中，校核結(jié)構(gòu)VIV選取的風(fēng)力，根據(jù)導(dǎo)管架設(shè)計(jì)規(guī)格書，海平面以上10 m水平層風(fēng)速為20.7 m/s，其他水平層的風(fēng)速按照API RP 2A-WSD[3]section 2.3.2b推算得出。

在位工況下，校核導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的VIV，選取百年一遇的最大海流和風(fēng)，詳細(xì)環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 最大風(fēng)速和流速

1.3 分析方法

當(dāng)風(fēng)、流經(jīng)過細(xì)長結(jié)構(gòu)物時(shí)會(huì)產(chǎn)生垂直于來流和圓柱體軸線方向的流體升力，當(dāng)渦激的升力頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)驅(qū)使旋渦的泄放頻率在一個(gè)較大的范圍內(nèi)固定在結(jié)構(gòu)的自振頻率附近，發(fā)生鎖定現(xiàn)象[4]。鎖定在一定的流速范圍內(nèi)產(chǎn)生，鎖定現(xiàn)象伴隨著結(jié)構(gòu)振幅的明顯增加，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞失效而發(fā)生事故。需結(jié)合來流速度和結(jié)構(gòu)固有特性校核結(jié)構(gòu)VIV。采用參數(shù)評(píng)估法計(jì)算折合速度和穩(wěn)定性因數(shù)進(jìn)行分析。

折合速度Vr計(jì)算式為

Vr=V/(fnD)

(1)

式中：V為垂直于桿件軸線方向的來流瞬時(shí)速度；fn為桿件的固有頻率；D為桿件直徑。

對(duì)于典型的近海固定式平臺(tái)管件，fn計(jì)算式為

(2)

式中：?=0.7對(duì)大多數(shù)焊接桿件；El為抗彎剛度；m為單位長度質(zhì)量；L為桿件長度。

在來流流過桿件時(shí)，穩(wěn)定性因數(shù)Ks定義為

Ks=2mδ/(ρD2)

(3)

式中：δ=2πε，ε為阻尼因數(shù)；ρ為結(jié)構(gòu)周圍介質(zhì)密度(氣體或液體)。

根據(jù)DNV-RP-C205，當(dāng)海流旋渦激發(fā)的折合速度大于1.0時(shí)，風(fēng)的旋渦引起的穩(wěn)定性因數(shù)小于25，并且當(dāng)折合速度大于4時(shí)，海流和風(fēng)的旋渦會(huì)產(chǎn)生鎖定響應(yīng)的VIV[5]。

1.4 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)VIV響應(yīng)分析結(jié)果

對(duì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行校核，對(duì)在位、建造和運(yùn)輸工況下，水上、水下主結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)(包括電纜護(hù)管、泵護(hù)管、排海管線)進(jìn)行校核。在在位工況下，主結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)在風(fēng)和海流作用下不受VIV影響；在建造和運(yùn)輸工況下，附屬結(jié)構(gòu)在風(fēng)的作用下不會(huì)發(fā)生VIV，有21根主結(jié)構(gòu)桿件在風(fēng)的作用下發(fā)生VIV。具體結(jié)果如表2所示。

表2 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)VIV響應(yīng)分析結(jié)果

續(xù)表2 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)VIV響應(yīng)分析結(jié)果

2 VIV抑制方法

通過VIV的校核過程，可以得出影響VIV較大的因素有2個(gè)：來流速度(桿件周圍流場)和桿件本身的穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中，也從這2個(gè)方面對(duì)VIV抑制進(jìn)行研究。

2.1 改變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性

結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性對(duì)VIV引起的疲勞損傷影響較大，可改變結(jié)構(gòu)的固有特性，使其固有頻率遠(yuǎn)離渦街泄放頻率范圍。研究表明，結(jié)構(gòu)直徑越大，剛度越大時(shí)，其相應(yīng)的臨界風(fēng)速也越高[6]。在設(shè)計(jì)時(shí)，可通過增加結(jié)構(gòu)剛性和直徑來提高臨界風(fēng)速。

另一方面，可通過提高結(jié)構(gòu)吸收能量的能力，減小流體對(duì)結(jié)構(gòu)引起的VIV振幅，從而抑制VIV。增加結(jié)構(gòu)的阻尼可增加系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定性。

2.2 改善結(jié)構(gòu)周圍流場

VIV是由于流體流經(jīng)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)尾端出現(xiàn)渦街泄放，形成壓差引起桿件振動(dòng)?？赏ㄟ^改變結(jié)構(gòu)表面的粗糙度、設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)等措施改善流體流經(jīng)結(jié)構(gòu)的流場，干涉旋渦產(chǎn)生的條件和尾流流態(tài)，以減弱流體在柱體表面產(chǎn)生的渦激力。常用的方法有：在結(jié)構(gòu)表面和尾流范圍內(nèi)設(shè)置線條、螺旋列板、半球面、開孔覆蓋物、導(dǎo)流板等擾流裝置，改變旋渦形成條件或改變旋渦泄放的頻率。

2.3 防振錘的應(yīng)用

防振錘減振裝置可對(duì)桿件周圍流場產(chǎn)生有利干擾，使桿件周圍的流場紊亂，呈無規(guī)則性，達(dá)不到產(chǎn)生共振的基礎(chǔ)。為抑制WC9-2/9-3CEP導(dǎo)管架部分細(xì)長桿件在建造和運(yùn)輸過程中的VIV，在桿件上安裝狗骨頭防振錘阻尼器，如圖2所示。桿件安裝防振錘后，桿件發(fā)生VIV時(shí)，防振錘錘頭與桿件發(fā)生相反方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鋼絞線的運(yùn)動(dòng)也會(huì)消耗一部分能量，增加系統(tǒng)的阻尼，減小桿件的振幅。

單位：mm圖2 不同類型防振錘

安裝防振錘后，導(dǎo)管架受VIV桿件的穩(wěn)定性因數(shù)變化如圖3所示。由圖3可知，安裝防振錘可增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因數(shù)，有效抑制結(jié)構(gòu)VIV。

圖3 加防振錘前后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因數(shù)

3 結(jié) 論

運(yùn)用參數(shù)評(píng)估法對(duì)文昌9-2/9-3CEP導(dǎo)管架在各工況下桿件的VIV進(jìn)行校核，對(duì)細(xì)長桿件VIV產(chǎn)生的原理和抑制方法進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

(1)文昌9-2/9-3導(dǎo)管架在在位工況下，主結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)不受VIV影響，在建造和運(yùn)輸工況下，部分主結(jié)構(gòu)細(xì)長桿件會(huì)發(fā)生VIV，需要加強(qiáng)。

(2)細(xì)長桿件安裝狗骨頭防振錘阻尼器可有效增大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性因數(shù)，抑制VIV的振幅。對(duì)需控制建造或運(yùn)輸?shù)扰R時(shí)工況時(shí)細(xì)長桿件VIV，選用裝載臨時(shí)阻尼器較為經(jīng)濟(jì)可靠。