新1海洋立管渦激振動

海洋輸流立管渦激振動試驗研究及數值模擬

報告人：婁敏導師：郭海燕教授

由于陸上石油能源危機日漸突出，海上油氣資源的開發(fā)便凸現其越來越重要的地位。深海油田開發(fā)系統(tǒng)中最關鍵的基礎結構是海洋立管。海洋立管是海洋平臺或鉆探船舶等水面浮式裝置與海底設備（如井口、總管等）的關鍵連接部件。海洋立管下端一般通過萬向節(jié)與海底設備相連，其上端與平臺或船舶底部的滑移節(jié)配合。

研究背景

海洋立管結構形式有很多，如頂端張緊的立管(TTR)、自由懸掛的鋼懸鏈線立管(SCR)、惰性S立管，陡峭型S立管，惰性波浪立管、陡峭型波浪立管等。研究背景

立管所承受的海洋環(huán)境荷載主要有風、浪、流、冰和地震荷載，其中由風引起的波浪和海流是最主要的荷載。當波浪和海流行經立管時，在一定的流速下，可在立管兩側交替地形成漩渦,漩渦脫落會對立管產生一個周期的可變力，使得管道發(fā)生渦激振動。當漩渦脫落頻率與立管自振頻率接近時，漩渦的瀉放將被結構的振動所控制，即發(fā)生頻率鎖定現象，將引起立管的強烈振動。當管內具有一定壓力的石油或天然氣流經撓曲的管道時，由于管道曲率的變化和管道的橫向振動，流體發(fā)生加速，這些加速的力作用在管道上，引起管道更加復雜的耦聯(lián)振動。研究背景研究現狀渦激振動（VIV）是深水立管設計的一個主要控制因素，該方面研究特別受到重視，每年有大量論文發(fā)表，主要集中在1）VIV數值模擬，2）VIV實驗研究，3）VIV疲勞評估技術，4）VIV抑振技術VIV數值模擬：目前對于VIV的數值模擬方法可以歸納為兩大類：一類是通過直接求解Navier-Strokes方程的計算流體動力學法（CFD）；另一類是通過實驗數據確定流體作用力參數的半經驗法。1997年,CarlM.Larsen&KarlH.Halse【11】對柔性海洋結構的渦激振動計算模型在四種工況下進行了比較，包括DNV模型[12-16]（Norway,TrondHodneandTorgeirVada）,LIC模型[17-18]（Denmark,N.E.O.HansenandH.Nedergaard）,MARINTEK模型[19-20]（Norway,HalvorLie）,MIT-Triantafyllou模型[21]（USA,M.Triantafyllou）,MIT-Vandiver模型[22-26]（USA,J.KimVandiver）,NTH模型[27-28]（Norway,KarlH.HalseandCarlM.Larsen）,UCL模型[29-30]（UK,J.FangandG.J.Lyons），其中只有DNV模型是采用計算流體動力學法。盡管渦激振動模型較多，但是數值模擬與實際工程情況還有一定的差距，需要進一步改進和修正渦激振動模型。研究現狀研究現狀VIV實驗研究：渦激振動實驗研究是渦激振動研究的基礎，用于驗證并修正渦激振動研究方法，多年來國內外學者及研究機構對渦激振動做了大量的實驗研究工作：STRIDEJIP對10-3/4in的彎曲立管在開放水槽中進行實驗，以研究傾斜（inclination）對光滑及帶有螺旋輪鐵繞流裝置立管渦激振動的影響；殼牌石油公司（1995）[31-32]就剪切流下的渦激振動、繞流裝置的有效性、波與渦激振動之間的作用等進行了試驗；Huse,E.,Kleiven.GandNielsen（1998）[33]等人對90米長30毫米直徑的管進行了試驗，以研究剪切流下的渦激振動、振動對軸力的影響及相鄰立管間波的干擾問題；JaapJ.deWilde&ReneH.M.Huijsmans（2004）【34】在試驗室對海洋立管進行了渦激振動模型試驗，試驗模型長12.6米，直徑為16毫米，管外流速在0.5-3.0m/s之間，數據表明立管橫向振動與順流向振動存在強耦合關系，且立管發(fā)生多模態(tài)振動；HidetakaSenga、WataruKoterayama（2005）【35】等對頂端承受不規(guī)則運動的海洋立管進行了試驗研究及數值模擬，并將試驗結果與數值模擬結果進行了對比。雖然渦激振動研究較多，但是一般不考慮管內流體的流動作用，而實際上立管在工作狀態(tài)下內部一般有高壓的油或氣通過，易引起立管的附加振動，所以在立管渦激振動實驗中需要考慮管內流體流動對渦激振動的影響。研究現狀VIV疲勞評估技術：立管在渦激振動的作用下易發(fā)生疲勞破壞，如何對VIV疲勞損傷及疲勞壽命進行評估也是渦激振動研究中的一個熱點問題。G.S.Baarholm、C.M.Larsen（1997）【36】等人在挪威的Hanoytangen進行了大比尺的海洋立管渦激振動試驗，立管模型長90米，直徑為3厘米，試驗中對立管彎曲應變、張力、流速等參數進行了測量，結果表明：在低流速下，由張力決定模態(tài)的立管疲勞損傷中，順流向振動同橫向振動同等重要，而在高流速下，由彎矩決定模態(tài)的立管疲勞損傷中，橫向振動起主要作用；JimMaher,LyleFinn（2000）【37】采用時域-頻域方法研究SCR的疲勞壽命，其程序例子中所用的數據均來源于實際工程，分析表明，結構的疲勞是由外界環(huán)境荷載和浮體結構形式所致；FranciscoE.Roveri與J.KimVandiver（2001）【38】利用渦激振動分析軟件SHEAR7對渦激振動引起的疲勞破壞進行了詳細的研究，其主要考慮流速、管道拉力、鎖振范圍、單階/混階響應及連接應力等問題；BerntJ.Leira,TrondSrondMeling（2005）【39】等人對500米及1000米水深的TTR，1000米水深的SCR進行了渦激振動疲勞試驗，得出了對應于不同類型立管的疲勞安全系數。研究現狀VIV抑振技術：立管在渦激振動作用下會發(fā)生強烈振動，目前國內外學者及研究機構對VIV抑制做了大量的實驗及數值模擬工作，通過擾流裝置來抑制或削弱VIV，從而提高立管使用壽命。2HOffshoreEngineeringLtd（1999）【40】對海洋立管渦激振動的繞流裝置HelicalStrakes進行了試驗研究，研究表明：HelicalStrakes能有效地抑制VIV，且單向HelicalStrakes使得管道在傾斜流的作用下在橫向發(fā)生凹或凸現象，凹或凸取決于Helix的方向；J.C.OwenandP.W.Bearman（2001）[41]利用實驗研究了不同范圍雷諾數內的渦激震動，并且得出在加入抑制措施----施加質量塊后，渦激震動可以減少47%；NaoakiMikta（2003）[42]等人對帶有螺旋輪鐵的柔性立管進行了試驗研究，研究表明：螺旋輪鐵對8<Kc<14的柔性立管有抑制作用，從升力方向振動頻率可以看出，螺旋輪鐵破壞了漩渦脫落的模式。ShellGlobalSolution（2004）[43]將ROV繞流裝置用于SCR上，以減弱渦激振動對海洋立管的影響；NorwegianDeepwaterProgramme(NDP)（2005）[44]進行了立管渦激振動抑制試驗，試驗表面，光滑的管道與覆蓋Helicalstrakes繞流裝置的立管渦激振動特性完全不同，覆蓋Helicalstrakes繞流裝置的立管能有效地減弱渦激振動，減弱的效果由其幾何尺寸決定；GroSagliBaarholm,CarlMartinLarsen&HalvorLie【45】將帶有繞流裝置的渦激振動試驗數據貫徹到理論模型中，通過修改升力系數和曳力系數來體現繞流裝置對VIV的抑制作用；CarlM.Larsen[46]等人對由螺旋輪鐵繞流裝置的注水立管進行了渦激振動試驗，以研究螺旋輪鐵對渦激振動的抑制作用，及對立管靜、動力響應的影響。創(chuàng)新點

目前，國內外研究管內流體流動大多集中在陸上管道，而內流對海洋立管渦激振動的理論研究較少，試驗研究目前還沒有相關報道。因此，考慮管內流體流動及管外海洋環(huán)境共同作用的海洋立管試驗、理論研究，不僅有重要的科學意義，在工程上亦有較大的應用價值。研究內容——海洋立管渦激振動試驗研究方法1.淺水剛性立管有比尺渦激振動試驗研究：取實際工程中的立管參數包括立管長度、直徑、壁厚、材料，并取中國渤海海域的水深、海流等海洋環(huán)境參數，通過相似分析，將工程中的海洋立管縮放到試驗水槽中，重點考察管內流體對立管動力特性及動力響應的影響、在海流作用下立管順流向及橫向動力響應，并采用S-N曲線法對立管進行疲勞壽命分析。相似分析：立管在海中的長度為21米，由于試驗水槽的有效水深僅為0.7米，因此在模型試驗中幾何比尺取為30。由于采用重力相似理論，模型試驗中的速度比尺及時間比尺為5.5。外徑(mm)壁厚(mm)立管長度（水下部分）(m)立管長度（水上部分）(m)材料323.911.12115API5LX65重現周期位置3個月6個月1年50年表層(m/s)0.99①1.03②1.55③2.15④中層(m/s)0.981.021.261.95底層(m/s)0.840.872.151.60外徑(mm)壁厚(mm)立管長度（水下部分）(m)

立管長度（水上部分）(m)

材料1060.70.5有機玻璃實際工況①②③④試驗流速0.180.310.38研究內容——海洋立管渦激振動試驗研究方法研究內容——海洋立管渦激振動試驗研究方法2.深水柔性立管無比尺渦激振動試驗研究：采用橡膠管作為立管模型，變化管內流體流速(0、3.5、5.5、7.2m/s)及管外流速(0.2~0.6m/s)，使得立管在一階及二階自振頻率處發(fā)生“鎖振”，考察內流對立管動力特性及動力響應的影響、立管順流向及橫向渦激振動響應、立管順流向振動與橫向振動關系。水下長度水上長度外徑內徑管材0.7m0.5m10mm7mm橡膠研究內容——海洋立管渦激振動試驗研究方法研究內容——海洋立管渦激振動試驗研究方法3.試驗設備

圖2-5風－浪－流聯(lián)合水槽圖2-6試驗水泵

研究內容——海洋立管渦激振動試驗研究方法圖2－8試驗鐵架圖2－9固接接頭示意圖研究內容——海洋立管渦激振動試驗研究方法圖2-10數據采集系統(tǒng)圖2－11多譜勒測速儀

1.對于淺水剛性海洋立管，立管較短，剛度較大，且管內流速不大，所以，管內流體流動對立管動力特性及動力響應影響不明顯。

a.V=0m/sb.V=0.15m/sc.V=0.25m/sV=0V=0.15m/sV=0研究內容——淺水剛性立管有比尺試驗研究2.立管模型在海流的作用下，橫向振動響應明顯比順流向動力響應強烈；隨著外流流速的增加，振動加劇。

f.位置3處橫向振動響應時程曲線及功率譜圖圖3-11海洋立管模型動力響應（外流流速U=0.38m/s，內流流速V=0.25m/s）U=0.37m/sV=0.25m/s3#順流向橫向研究內容——淺水剛性立管有比尺試驗研究3.疲勞壽命分析表明隨著外流流速的增加，立管疲勞壽命減小且立管的中部及兩端容易發(fā)生疲勞破壞。位置

Location位置1Location1位置2Location2位置3Location33或6月①②Threeorsixmontmonth6.82e+0111.48e+0188.59e+0111年③Oneyear1.87e18.62e+0033.53e150年④Fiftyyear2.421.47e22.58研究內容——淺水剛性立管有比尺試驗研究1.隨著內流流速的增加，立管自振頻率，包括一階自振頻率并二階自振頻率都降低。這與Houser的研究結果“管內液體的流動可以降低管道的固有頻率”一致。研究內容——深水柔性立管無比尺試驗研究

2.當漩渦脫落頻率與立管自振頻率相吻合時，立管發(fā)生“鎖振”現象，立管振動強烈且振動頻率鎖定在立管自振頻率附近。研究內容——深水柔性立管無比尺試驗研究3.管內流體流動使得渦激振動頻率降低、振幅增加。

柔性立管渦激振動響應（U=0.21m/s）研究內容——深水柔性立管無比尺試驗研究V=0V=3.5m/sV=5.5m/sV=7.2m/sU=0.21m/s3#4.順流向振動與橫向振動軌跡呈現“8”字型，隨著內流流速的增加，振動軌跡更加穩(wěn)定。研究內容——深水柔性立管無比尺試驗研究研究內容——深水柔性立管無比尺試驗研究5.管內流體流動對立管振動相關性的影響管道振動的相關性通過相關系數來描述，相關系數愈高，其相關性愈強。

研究內容——深水柔性立管無比尺試驗研究研究內容——海洋立管渦激振動數值模擬研究內容——海洋立管渦激振動數值模擬研究內容——海洋立管渦激振動數值模擬研究內容——海洋立管渦激振動數值模擬研究內容——海洋立管渦激振動數值模擬研究內容——海洋立管渦激振動數值模擬渦激振動作用力研究內容——海洋立管渦激振動數值模擬結果對比——淺水剛性立管a.位置1處時程曲線b.位置1處振動頻率淺水剛性立管渦激振動數值模擬與試驗結果對比(U=0.31m/s)結果對比——淺水剛性立管c.位置2處時程曲線d.位置2處振動頻率結果對比——淺水剛性立管e.位置3處時程曲線e.位置3處振動頻率結果對比——淺水剛性立管管內流體流動對淺水剛性立管渦激振動的影響U=0.31m/s

a.位置1處時程曲線b.位置1處振動頻率結果對比——淺水剛性立管c.位置2處時程曲線d.位置2處振動頻率結果對比——淺水剛性立管e.位置3處時程曲線f.位置3處振動頻率結果對比——深水柔性立管a.位置1處時程曲線b.位置1處振動頻率深水柔性立管渦激振動數值模擬與試驗數據對比(U=0.21m/s)結果對比——深水柔性立管c.位置2處時程曲線d.位置2處振動頻率結果對比——深水柔性立管e.位置3處時程曲線f.位置3處振動頻率結果對比——深水柔性立管a.位置1處時程曲線b.位置1處振動頻率深水柔性立管渦激振動數值模擬中內流對渦激振動的影響(U=0.21m/s)結果對比——深水柔性立管c.位置2處時程曲線d.位置2處振動頻率結果對比——深水柔性立管e.位置1處時程曲線f.位置1處振動頻率本文結論本文以海洋輸流立管為研究對象，考慮管內流體流動及管外海洋環(huán)境的共同作用，對淺水剛性立管進行了有比尺渦激振動試驗研究，對深水柔性立管進行了無比尺渦激振動試驗研究；采用能量守恒原理建立了立管振動方程，并用Matteoluca尾流振子模型來模擬流體對立管的渦激振動作用力，求解立管渦激振動響應，編制計算程序，將數值模擬結果與試驗結果進行了對比，得到以下結論：淺水剛性立管試驗：對于淺水剛性海洋立管，立管較短，剛度較短，且管內流速不大，所以，管內流體流動對立管動力特性及動力響應影響不明顯。立管模型在海流的作用下，橫向振動響應明顯比順流向動