深水海洋輸流立管渦激振動及干涉試驗研究.pdf

1、海洋立管是海面與海底井口間的主要連接部件,是海洋基礎結構的關鍵組成部分,作為海面與海底的一種聯(lián)系通道,用于鉆井、完井和生產。海洋立管既可用于浮式海洋平臺,又可用于固定式平臺及鉆探船舶。
　　在深海,海洋立管處于非常復雜的環(huán)境中,其內部一般有高溫高壓的油或氣流過,外部承受波浪、海流的作用,上端有浮體的運動以及冰凌等沖擊載荷的作用。當波浪、海流流經立管時,在一定的流速下會產生渦旋脫落,使立管發(fā)生渦激振動。當海洋立管自振頻率與旋渦脫落頻

2、率接近時,振動會迫使旋渦脫落頻率固定在結構自振頻率附近,發(fā)生“頻率鎖定(lock-in)”現(xiàn)象,引起管道振動加強,導致立管疲勞破壞。渦激振動是一種復雜的流體與固體耦合振動現(xiàn)象,其影響因素比較多,如雷諾數(shù)、頂張力、外流、內流、振動模態(tài)等,這些因素耦合外部海洋環(huán)境荷載后,會加速立管的疲勞破壞,立管一旦破壞將會導致巨大的經濟損失并引發(fā)嚴重的海洋污染和次生災害,因此對立管渦激振動及不同因素作用下立管的振動響應進行深入研究具有重要的理論和實際意義

3、。
　　為深入研究管內有流體流動的頂張力立管在海流作用下的渦激振動規(guī)律,在實驗室大型深水池中進行大長細比海洋立管渦激振動模型試驗。立管模型采用長6.2m、直徑20mm的銅管,沿立管模型軸向均勻布置12個測點,每個測點布置4個應變計,用以測得來流向和橫向兩個方向的振動響應。試驗中立管豎直固定于試驗支架上,上端施加變化的頂張力,并且變化不同的外流速,不同的內流速,測量各種工況下立管的橫向、順流向振幅、頻率、模態(tài)等數(shù)據(jù)。對實驗數(shù)據(jù)進行處

4、理,分析階段流作用下大長細比立管模型的振動特性,研究不同頂部張力作用下內流流速對立管渦激振動幅值的影響以及內流流速對立管頂部張力的影響。研究表明,立管渦激振動發(fā)生時除了漩渦脫落引發(fā)的橫向周期性振動外,同時引起結構順流方向的振動,其振動頻率為橫向振動的兩倍,振動幅值一般小于橫向振動幅值;在試驗外流施加范圍內,立管渦激振動在橫向激發(fā)出模態(tài)數(shù)為4階;項張力及內流對立管固有頻率、模態(tài)數(shù)及動力響應幅值均有。定的影響;內流流速對立管頂張力變化亦有影

5、響。
　　為研究抑振裝置對深水立管渦激振動規(guī)律影響,設計了一種梯形截面的螺旋線抑振裝置,在實驗室大型水池進行海洋立管渦激振動試驗。通過改變這種抑振裝置的螺距、螺旋個數(shù)和分布率,研究了梯形截面螺旋線的不同螺旋個數(shù)和分布率對抑制海洋立管渦激振動效果的影響。研究結果表明:不同螺旋數(shù)的抑振裝置都有一定的抑振效果,三螺旋、雙螺旋線的抑振效果要優(yōu)于單螺旋線,螺高對螺旋線抑振裝置的抑振效果有較大影響。對于立管抑振裝置分布率試驗,設計了分布率為9

6、0％、70％、50％、30％共4種方案,實驗結果顯示:各方案都在一定程度上抑制了立管的渦激振動,30％分布率的方案抑制效果沒有其他三種分布率方案好,大約能減小60％的振幅,其他三種方案抑振效果都很好,都能抑制約90％的振幅值。
　　海洋立管在海中有很多的布置形式,如前后排列,并肩排列,相互交錯排列等。當有外流通過時,立管會受到其他立管尾流的影響,使得立管的動力特性、動力響應以及漩渦的脫落形式同單個立管相比都會發(fā)生較大的變化。為了研

7、究立管之間相互干涉對渦激振動的影響規(guī)律,本文設計了兩組立管干涉試驗,一組是設計兩個裸管模型前后排列、并肩排列,邊界均為鉸接的干涉試驗。第二組是設計一個立管帶有三螺旋線擾流裝置,另一個立管為裸管,布置方式為并肩排列且邊界均為鉸接的干涉試驗。試驗中,通過變化外流速、兩管間距以及同單獨立管的渦激振動情況進行對比,對立管干涉影響規(guī)律進行了研究和探討。研究結果表明:當有外流通過時,立管會受到其他立管尾流的影響,漩渦脫落引起的振動由于間距及排列方式