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(chǔ)結(jié)構(gòu)的關(guān)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(chǎn)。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(fù)雜的環(huán)境中,其內(nèi)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(dāng)波浪、海流流經(jīng)立管時,在一定的流速下會產(chǎn)生渦旋脫落,使立管發(fā)生渦激振動。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(qiáng),導(dǎo)致立管疲勞破壞。渦激振動是一種復(fù)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(nèi)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(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失并引發(fā)嚴(yán)重的海洋污染和次生災(zāi)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(yīng)進(jìn)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(nèi)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(jìn)行大長細(xì)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(yīng)變計,用以測得來流向和橫向兩個方向的振動響應(yīng)。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(nèi)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(jìn)行處

4、理,分析階段流作用下大長細(xì)比立管模型的振動特性,研究不同頂部張力作用下內(nèi)流流速對立管渦激振動幅值的影響以及內(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi),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(nèi)流對立管固有頻率、模態(tài)數(shù)及動力響應(yīng)幅值均有。定的影響;內(nèi)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(shè)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(jìn)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(jié)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(shè)計了分布率為9

6、0％、70％、50％、30％共4種方案,實驗結(jié)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(dāng)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(yīng)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(shè)計了兩組立管干涉試驗,一組是設(shè)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(shè)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(jìn)行對比,對立管干涉影響規(guī)律進(jìn)行了研究和探討。研究結(jié)果表明:當(dāng)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