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(shù)值模擬

報告人：婁敏導(dǎo)師：郭海燕教授

由于陸上石油能源危機(jī)日漸突出，海上油氣資源的開發(fā)便凸現(xiàn)其越來越重要的地位。深海油田開發(fā)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(shè)備（如井口、總管等）的關(guān)鍵連接部件。海洋立管下端一般通過萬向節(jié)與海底設(shè)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(jié)構(gòu)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(fēng)、浪、流、冰和地震荷載，其中由風(fēng)引起的波浪和海流是最主要的荷載。當(dāng)波浪和海流行經(jīng)立管時，在一定的流速下，可在立管兩側(cè)交替地形成漩渦,漩渦脫落會對立管產(chǎn)生一個周期的可變力，使得管道發(fā)生渦激振動。當(dāng)漩渦脫落頻率與立管自振頻率接近時，漩渦的瀉放將被結(jié)構(gòu)的振動所控制，即發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象，將引起立管的強(qiáng)烈振動。當(dāng)管內(nèi)具有一定壓力的石油或天然氣流經(jīng)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(fù)雜的耦聯(lián)振動。研究背景研究現(xiàn)狀渦激振動（VIV）是深水立管設(shè)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(shù)值模擬，2）VIV實驗研究，3）VIV疲勞評估技術(shù)，4）VIV抑振技術(shù)VIV數(shù)值模擬：目前對于VIV的數(shù)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(xué)法（CFD）；另一類是通過實驗數(shù)據(jù)確定流體作用力參數(shù)的半經(jīng)驗法。1997年,CarlM.Larsen&KarlH.Halse【11】對柔性海洋結(jié)構(gòu)的渦激振動計算模型在四種工況下進(jìn)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(xué)法。盡管渦激振動模型較多，但是數(shù)值模擬與實際工程情況還有一定的差距，需要進(jìn)一步改進(jìn)和修正渦激振動模型。研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀VIV實驗研究：渦激振動實驗研究是渦激振動研究的基礎(chǔ)，用于驗證并修正渦激振動研究方法，多年來國內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行了試驗；Huse,E.,Kleiven.GandNielsen（1998）[33]等人對90米長30毫米直徑的管進(jìn)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(jìn)行了渦激振動模型試驗，試驗?zāi)Ｐ烷L12.6米，直徑為16毫米，管外流速在0.5-3.0m/s之間，數(shù)據(jù)表明立管橫向振動與順流向振動存在強(qiáng)耦合關(guān)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(jìn)行了試驗研究及數(shù)值模擬，并將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。雖然渦激振動研究較多，但是一般不考慮管內(nèi)流體的流動作用，而實際上立管在工作狀態(tài)下內(nèi)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(nèi)流體流動對渦激振動的影響。研究現(xiàn)狀VIV疲勞評估技術(shù)：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(jìn)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(jìn)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(yīng)變、張力、流速等參數(shù)進(jìn)行了測量，結(jié)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(shù)據(jù)均來源于實際工程，分析表明，結(jié)構(gòu)的疲勞是由外界環(huán)境荷載和浮體結(jié)構(gòu)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(jìn)行了詳細(xì)的研究，其主要考慮流速、管道拉力、鎖振范圍、單階/混階響應(yīng)及連接應(yīng)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(jìn)行了渦激振動疲勞試驗，得出了對應(yīng)于不同類型立管的疲勞安全系數(shù)。研究現(xiàn)狀VIV抑振技術(shù)：立管在渦激振動作用下會發(fā)生強(qiáng)烈振動，目前國內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)對VIV抑制做了大量的實驗及數(shù)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(jìn)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(xiàn)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(shù)內(nèi)的渦激震動，并且得出在加入抑制措施----施加質(zhì)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(jìn)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(jìn)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(shù)據(jù)貫徹到理論模型中，通過修改升力系數(shù)和曳力系數(shù)來體現(xiàn)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(jìn)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(yīng)的影響。創(chuàng)新點

目前，國內(nèi)外研究管內(nèi)流體流動大多集中在陸上管道，而內(nèi)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(guān)報道。因此，考慮管內(nèi)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(xué)意義，在工程上亦有較大的應(yīng)用價值。研究內(nèi)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(shù)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(shù)，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(nèi)流體對立管動力特性及動力響應(yīng)的影響、在海流作用下立管順流向及橫向動力響應(yīng)，并采用S-N曲線法對立管進(jìn)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(xiàn)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(jī)玻璃實際工況①②③④試驗流速0.180.310.38研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動試驗研究方法研究內(nèi)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(nèi)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(nèi)流對立管動力特性及動力響應(yīng)的影響、立管順流向及橫向渦激振動響應(yīng)、立管順流向振動與橫向振動關(guān)系。水下長度水上長度外徑內(nèi)徑管材0.7m0.5m10mm7mm橡膠研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動試驗研究方法研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動試驗研究方法3.試驗設(shè)備

圖2-5風(fēng)－浪－流聯(lián)合水槽圖2-6試驗水泵

研究內(nèi)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(nèi)容——海洋立管渦激振動試驗研究方法圖2-10數(shù)據(jù)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(nèi)流速不大，所以，管內(nèi)流體流動對立管動力特性及動力響應(yīng)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(nèi)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(yīng)明顯比順流向動力響應(yīng)強(qiáng)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(yīng)時程曲線及功率譜圖圖3-11海洋立管模型動力響應(yīng)（外流流速U=0.38m/s，內(nèi)流流速V=0.25m/s）U=0.37m/sV=0.25m/s3#順流向橫向研究內(nèi)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(nèi)容——淺水剛性立管有比尺試驗研究1.隨著內(nèi)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(jié)果“管內(nèi)液體的流動可以降低管道的固有頻率”一致。研究內(nèi)容——深水柔性立管無比尺試驗研究

2.當(dāng)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(xiàn)象，立管振動強(qiáng)烈且振動頻率鎖定在立管自振頻率附近。研究內(nèi)容——深水柔性立管無比尺試驗研究3.管內(nèi)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(yīng)（U=0.21m/s）研究內(nèi)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(xiàn)“8”字型，隨著內(nèi)流流速的增加，振動軌跡更加穩(wěn)定。研究內(nèi)容——深水柔性立管無比尺試驗研究研究內(nèi)容——深水柔性立管無比尺試驗研究5.管內(nèi)流體流動對立管振動相關(guān)性的影響管道振動的相關(guān)性通過相關(guān)系數(shù)來描述，相關(guān)系數(shù)愈高，其相關(guān)性愈強(qiáng)。

研究內(nèi)容——深水柔性立管無比尺試驗研究研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動數(shù)值模擬研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動數(shù)值模擬研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動數(shù)值模擬研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動數(shù)值模擬研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動數(shù)值模擬研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動數(shù)值模擬渦激振動作用力研究內(nèi)容——海洋立管渦激振動數(shù)值模擬結(jié)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(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比(U=0.31m/s)結(jié)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(jié)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(jié)果對比——淺水剛性立管管內(nèi)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(jié)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(jié)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(jié)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(shù)值模擬與試驗數(shù)據(jù)對比(U=0.21m/s)結(jié)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(jié)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(jié)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(shù)值模擬中內(nèi)流對渦激振動的影響(U=0.21m/s)結(jié)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(jié)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(jié)論本文以海洋輸流立管為研究對象，考慮管內(nèi)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(jìn)行了有比尺渦激振動試驗研究，對深水柔性立管進(jìn)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(yīng)，編制計算程序，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，得到以下結(jié)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(nèi)流速不大，所以，管內(nèi)流體流動對立管動力特性及動力響應(yīng)影響不明顯。立管模型在海流的作用下，橫向振動響應(yīng)明顯比順流向動