平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)誘發(fā)鋼懸鏈線立管渦激振動(dòng)響應(yīng)研究.pdf

1、隨著海洋油氣資源開發(fā)向深水邁進(jìn)，用于連接頂部平臺(tái)與海底的各種柔性結(jié)構(gòu)物（例如海洋立管）也變得更加細(xì)長(zhǎng)。海洋立管在海洋環(huán)境載荷以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的作用下，其動(dòng)力響應(yīng)極其復(fù)雜。目前立管動(dòng)力響應(yīng)的分析總體上包括兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的研究?jī)?nèi)容：1)忽略渦激振動(dòng)（Vortex Induced Vibration，VIV）影響的、由頂部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的立管全局動(dòng)力響應(yīng)（Riser Global Dynamic Responses）研究；2)背景洋流引起的立管渦激振

2、動(dòng)研究。然而，對(duì)于順應(yīng)式立管而言，以鋼懸鏈線立管（Steel Catenary Riser，SCR）為例：即使不考慮海洋中的背景來流，在頂部平臺(tái)的作用下，立管在靜水中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)也將在立管懸垂段與其周圍水質(zhì)點(diǎn)之間形成相對(duì)的等效振蕩來流。這種振蕩來流也會(huì)在立管尾部引起漩渦脫落，從而進(jìn)一步導(dǎo)致升力的周期性變化。針對(duì)“等效振蕩流場(chǎng)能否誘發(fā)立管渦激振動(dòng)？”，即“平臺(tái)運(yùn)動(dòng)能否誘發(fā)立管渦激振動(dòng)？”這一問題，當(dāng)前工業(yè)界、學(xué)術(shù)界還沒有給出定性、定量的結(jié)論

3、。
　　本文以“振蕩流下機(jī)理性自激振蕩試驗(yàn)”和“平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)下大尺度鋼懸鏈線立管試驗(yàn)”為基礎(chǔ)，運(yùn)用模型試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，嘗試回答“平臺(tái)運(yùn)動(dòng)能否誘發(fā)立管渦激振動(dòng)？”這一問題；探索頂部平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)、鋼懸鏈線立管面內(nèi)全局動(dòng)力響應(yīng)、立管周圍等效振蕩來流、立管面外渦激振動(dòng)四者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)特性；并與現(xiàn)有的渦激振動(dòng)頻域預(yù)報(bào)理論相結(jié)合，發(fā)展振蕩來流條件下具有“分時(shí)特性（time-varying）”（渦激振動(dòng)的響應(yīng)特性隨時(shí)間發(fā)生變化）的

4、柔性立管渦激振動(dòng)預(yù)報(bào)方法。本文研究?jī)?nèi)容主要包括以下7項(xiàng)內(nèi)容：
　　1)總結(jié)了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的立管動(dòng)力響應(yīng)、流致立管渦激振動(dòng)以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)立管渦激振動(dòng)的研究現(xiàn)狀；
　　2)針對(duì)“平臺(tái)運(yùn)動(dòng)能否誘發(fā)立管渦激振動(dòng)？”這一問題，分別設(shè)計(jì)了“平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)下大尺度鋼懸鏈線立管試驗(yàn)”以及“振蕩流下機(jī)理性自激振蕩試驗(yàn)”；
　　3)介紹了系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析理論、方法及其實(shí)現(xiàn)算例，共包含5大項(xiàng)內(nèi)容：數(shù)據(jù)預(yù)處理、頻域分析、時(shí)-頻域分析、位移識(shí)別

5、以及疲勞損傷計(jì)算；
　　4)對(duì)本文開展的機(jī)理性試驗(yàn)中的立管渦激振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，證實(shí)了振蕩流場(chǎng)也能引起立管渦激振動(dòng)，并揭示了其存在“分時(shí)特性”以及“遲滯”現(xiàn)象。研究了最大約化速度 R maxU以及KC數(shù)對(duì)振蕩流下渦激振動(dòng)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)振蕩流下渦激振動(dòng)的應(yīng)變、位移、主導(dǎo)頻率以及疲勞損傷均隨 R maxU的增大（根據(jù)本文結(jié)果，在4~8以內(nèi)）而明顯增大；當(dāng)KC數(shù)較大時(shí)（根據(jù)本文結(jié)果，50以上），振蕩流下渦激振動(dòng)的應(yīng)變、位移、主導(dǎo)頻

6、率以及疲勞損傷基本不受KC數(shù)變化的影響；而當(dāng)KC數(shù)較小時(shí)，由于“小KC數(shù)特性”，使得小KC數(shù)工況不存在“振幅調(diào)制”現(xiàn)象，其響應(yīng)更穩(wěn)定、疲勞損傷更大。此外，通過與定常流下的渦激振動(dòng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：振蕩流下的應(yīng)變、位移的最大值均略大于等效的定常流工況結(jié)果，而應(yīng)變、位移的RMS值則略小于定常流工況；振蕩流下渦激振動(dòng)響應(yīng)頻率有著明顯的“分時(shí)特性”，即主導(dǎo)頻率隨時(shí)間變化，但定常流下渦激振動(dòng)主導(dǎo)頻率相對(duì)恒定；振蕩流下渦激振動(dòng)造成的疲勞損傷略小于定常流工況

7、，但損傷在同一量級(jí)；
　　5)對(duì)本文開展的大尺度 SCR試驗(yàn)中的立管渦激振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，首次從響應(yīng)頻率的角度定量地證實(shí)了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)能誘發(fā)立管產(chǎn)生渦激振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)上為振蕩流誘導(dǎo)的渦激振動(dòng)；其次揭示了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)下立管渦激振動(dòng)的“分時(shí)特性”（響應(yīng)幅值的“振幅調(diào)制”與響應(yīng)頻率的“主導(dǎo)頻率時(shí)變性”均和振蕩流下渦激振動(dòng)一致）；并進(jìn)一步指出了影響平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)渦激振動(dòng)“分時(shí)特性”的3方面因素：1)瞬時(shí)面內(nèi)等效振蕩流場(chǎng)；2)軸向力變化；3)觸

8、地點(diǎn)移動(dòng)；此外，通過與定常流下的渦激振動(dòng)相比發(fā)現(xiàn)：平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的面外渦激振動(dòng)響應(yīng)幅值基本與背景洋流工況相當(dāng)，但由于其響應(yīng)頻率的“分時(shí)特性”，其響應(yīng)頻率范圍更寬；此外平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的渦激振動(dòng)引起的疲勞損傷與等效的背景洋流工況、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的面內(nèi)全局動(dòng)力響應(yīng)造成的疲勞損傷相當(dāng)，處于同一損傷量級(jí)；
　　6)定義了振蕩流下立管渦激振動(dòng)發(fā)展的3個(gè)階段：“建立階段”，“鎖定階段”以及“衰減階段”；確定了最大等效流速Vn_max以及最大 KC數(shù)K

9、Cmax為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)立管渦激振動(dòng)的控制參數(shù)：當(dāng)KCmax較大時(shí)（根據(jù)本文結(jié)論，至少大于39），平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的立管渦激振動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值、響應(yīng)頻率、疲勞損傷以及立管頂部張力變化幅值完全由最大等效流速n_maxV主導(dǎo)；當(dāng)KCmax較小時(shí)，渦激振動(dòng)由最大等效流速Vn_max及KCmax共同控制；通過研究建立了平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)誘發(fā)鋼懸鏈線立管渦激振動(dòng)的頻率響應(yīng)模型，即渦激振動(dòng)主導(dǎo)頻率 f_domi、最大等效流速 Vn_max、瀉渦對(duì)數(shù)N以及最大KC數(shù)

10、KCmax之間均滿足St=0.14的斯托勞哈爾關(guān)系。
　　7)對(duì)半經(jīng)驗(yàn)渦激振動(dòng)頻域預(yù)報(bào)理論進(jìn)行了詳細(xì)介紹；提出了兩種基于試驗(yàn)結(jié)果的渦激振動(dòng)半經(jīng)驗(yàn)頻域修正模型：“最大流速法”及“分時(shí)流速法”；研究表明“分時(shí)流速法”通過將一個(gè)平臺(tái)周期劃分為若干個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等效流速剖面，同時(shí)考慮瞬時(shí)軸向力分布、瞬時(shí)懸垂段長(zhǎng)度，從而近似預(yù)報(bào)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)立管渦激振動(dòng)的“分時(shí)特性”，對(duì)比表明基于“分時(shí)流速法”的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分接近；對(duì)于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)較小的工況，