月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动抑振作用的试验研究

刘晓春,郭海燕,张永波,张文冬

(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)

月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动抑振作用的试验研究

刘晓春,郭海燕,张永波,张文冬

(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)

海洋立管的涡激振动会对立管结构的疲劳寿命产生严重的影响。提出1种月牙肋抑振装置,通过在室内水槽中进行物理模型试验,研究该装置在涡激振动情况下对立管的抑振作用。测得该装置在立管表面不同布置方式时顺流向及横流向振动的应变时程曲线,使用DASP软件对所测数据进行分析处理,得到立管的振动幅值和功率谱。试验结果表明:这种月牙肋抑振装置可明显降低立管模型的振动幅值,且对振动频率有一定的影响,同时也表明不同的布置方式对立管的抑振效果也不相同。

月牙肋;涡激振动;抑振试验

海洋立管是海洋油气资源开发系统中连接海底设施和海面作业平台的关键设备,在海洋环境中主要承受风、浪、流等荷载的作用。当海流以一定的流速经过立管时,会在立管两侧产生交替的涡旋脱落,诱发立管产生涡激振动(VIV)[1]。当涡旋脱落频率接近立管的自振频率时会发生频率锁定(lock-in)现象,此时立管振动加剧,振幅增大。涡激振动是导致海洋立管发生结构失稳和疲劳破坏的主要原因,不仅会带来巨大的经济损失,而且还会使海洋环境遭到严重污染,因此抑制海洋立管涡激振动至关重要。

为了减少或阻止涡激振动造成的破坏,延长海洋立管的使用寿命,国内外许多学者对海洋管道抑振方法进行了研究和总结[2-8]。常用的抑振方法主要有2种:主动控制和被动控制。主动控制是指利用计算机自动控制技术,通过对流场和结构受力的实时监测,将外部扰动引入流场从而控制漩涡脱落[9];被动控制则是通过改变结构表面形状或增加外装置以改变绕流场,从而影响漩涡的形成和发展过程。当前立管的涡激振动控制主要是被动控制,图1是几种常见的被动抑振装置。与主动控制方法相比,被动控制抑振装置具有设计简单、易于制作安装且成本较低等优点,因此在海洋工程中得到广泛应用。

图1 9种常见的被动抑振装置Fig.1 Nine types passive VIV suppression devices

本文依据抑振被动控制物理机制,提出1种新的表面突出类型的抑振装置—月牙形扰流肋。通过无比尺物理模型试验,研究该抑振装置对深海柔性立管涡激振动的抑制效果。

1 实验概况

实验在中国海洋大学物理海洋实验室中的大型风—浪—流联合水槽内进行。水槽长65 m,宽1.2 m,高1.75 m,最大流速可达1.4 m/s。

实验采用无比尺物理模型实验,用橡胶管模拟深海柔性立管,分别考察月牙肋抑振装置对立管顺流向与横向的抑振效果。橡胶管外径16 mm,内径8 mm,有效长度1 200 mm。水槽内水深700 mm,试验时将立管模型两端竖向固定在安置于水槽内的铝合金架上,以使立管模型在顺流向和横向都可以振动。在立管模型水深范围内布置月牙肋抑振装置,在立管模型水面以上位置布置3个测点,见图2。每个测点应变片布置见图3。

图2 试验模型装置图Fig.2 Sketch of riser model

图3 应变片位置示意图Fig.3 Sketch of strain gauges placement

图4 月牙肋及尺寸详图Fig.4 Crescent-shaped device and dimension detail

抑振装置整体呈月牙形(简称月牙肋),模型材料为橡胶,见图4,布置在橡胶管上的月牙肋尺寸为Y×Z ×H=12 mm×3.5 mm×3 mm。将月牙肋按一定排列方式布置在立管表面。本实验主要采用3种布置方式,见图5。图5(a)所示月牙肋首尾相连成螺旋线布置;图5(b)所示月牙肋按某一角度在同一水平面内平行布置,沿立管轴向同一竖向平面按一定间距平行布置;图5(c)所示月牙肋在同一水平面内按某一角度反向布置,呈八字形,沿立管轴向同一竖向平面按一定间距平行布置。为进行抑振效果对比分析,做一根裸管涡激振动试验,裸管在水中部分不布置抑振装置,其它情况同带有抑振装置的试件,试件工况编号见表1。

图5 抑振装置布置图Fig.5 Sketch arrangements of suppression device

表1 模型试件工况Table 1 Cases of tests model

2 试验结果分析

将裸管模型固定于水槽中的铝合金架上,在静水中对其进行敲击激励,经过傅里叶变换后得到裸管的一阶自振频率为f1=4Hz,见图6。

图6 裸管自振频谱图Fig.6 Nature frequency of the bare riser model

对于涡激振动频率锁定区域的范围,根据Carherry和Sheridan[10]的研究结果,在水中发生“锁振”的约化速度区间通常为6

图7～12分别为外流速等于0.35,0.5和0.7 m/s时,裸管模型与安装抑振装置的立管模型在顺流向及横向的振动应变时程曲线。与裸管模型相比,带抑振装置的立管模型的振幅都有所减少,且对顺流向的抑振效果优于对横向的抑振效果。从试验结果还可以看到,月牙肋的布置形式对立管涡激振动的抑振效果有很大影响,月牙肋八字形布置方式R11的抑振效果明显优于螺旋线布置方式R8以及平行布置方式R9的抑振效果,图7,8中R11布置方式的应变幅值仅为其他2种工况的50%,并且对横向振动也有较明显的抑振作用。而在裸管振动剧烈、流速为0.5 m/s时的工况下(见图9和10),模型R11完全破坏了“锁振”发生,优于其它2种形式。流速为0.7 m/s相对较高流速工况下R11优越性再次体现,如图11,12所示。R8抑振性能表现一般;R9布置形式抑振性能完全失效; R11仍能降低60%以上应变幅值。通过上述分析,可以看到月牙形装置R11的布置形式对柔性立管有较好的抑振作用,并且立管顺流向的抑振效果与横向抑振效果都很显著。

图7 外流速为0.35 m/s时顺流向应变时程曲线Fig.7 In-Line time history curves at velocity of 0.35 m/s

图8 外流速为0.35 m/s时横向应变时程曲线Fig.8 Cross-flow time history curves at velocity of 0.35 m/s

图9 外流速为0.5 m/s时顺流向应变时程曲线Fig.9 In-Line time history curves at velocity of 0.5 m/s

图10 外流速为0.5 m/s时横向应变时程曲线Fig.10 Cross-flow time history curves at velocity of 0.5 m/s

图11 外流速为0.7 m/s时顺流向应变时程曲线Fig.11 In-Line time history curves at velocity of 0.7 m/s

图13 为外流速0.35 m/s时各立管模型顺流向振动频谱图。从图13中可以看出,月牙形抑振装置对柔性立管顺流向振动频率有影响,同裸管相比,有抑振装置的立管模型振动频率降低,顺流向裸管涡激振动为二阶单模态振动,而有抑振装置的立管模型R8,R9,R11都使涡激振动模态变为一阶和二阶双模态联合振动。

图12 外流速为0.7 m/s时横向应变时程曲线Fig.12 Cross-flow time history curves at velocity of 0.7 m/s

图14 为外流速0.35 m/s时各立管模型横向振动频谱图。由图14中可看到月牙形抑振装置对柔性立管顺流向振动频率也有影响,同裸管相比,有抑振装置的立管模型振动频率降低,但横向振动模态几乎没发生改变,这是因为涡激振动本身就是一阶单模态振动,安装抑振装置后立管不会再发生振动降阶现象。在工程计算中,高频率的振动是使结构产生疲劳破坏的原因之一,月牙肋降低了振动频率,可增加立管的疲劳寿命。

图13 外流速为0.35 m/s时各方案顺流向振动频谱图Fig.13 In-line vibration frequencies at velocity of 0.35 m/s

图14 外流速为0.35 m/s时各方案横向振动频谱图Fig.14 Cross-flow vibration frequencies at velocity of 0.35 m/s

3 结论

通过多级外流速作用于立管模型的涡激振动实验,研究了月牙肋抑振装置及其布置形式对柔性立管涡激振动的抑振效果,实验结果表明:

(1)月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动的抑振效果较明显,顺流向减幅40%～60%,横向减幅20%～

50%,对顺流向的抑振效果优于对横向的抑振效果。

(2)月牙肋抑振装置的布置方式对抑振效果有着显著的影响,八字形布置形式抑振作用优于其它2种,特别是高流速下抑振性能表现良好。

(3)相对裸管而言,月牙肋抑振装置能使立管振动频率有所降低,并且能够改变顺流向的振动模态,但横向振动模态无明显改变。

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Abstract: Vortex-induced vibration(VIV)would result in serious infection to the riser fatigue life.This paper presented a new designed crescent-shaped suppression device,and investigate the device performance on riser oscillation suppressing when VIV occurred,model experiment carried out in the wind-wavecurrent flume。Various time history strain response in both in-line and cross-flow direction were obtained from the different arrangement on the riser surface.Based on the software DASP to process measurements data,strain amplitude and power spectrum were calculated.It was found that the crescent-shaped suppression device can evidently reduce oscillation amplitudes of the model riser,also can affect oscillation frequencies,different device arrangements performance differently on VIV Suppression.

Key words: crescent-shaped device;VIV(vortex-induced vibration);VIV suppression

责任编辑 陈呈超

Experimental Investigation of Vortex-Induced Vibration Suppression on Flexible Riser Using Crescent-Shaped Device

LIU Xiao-Chun,GUO Hai-Yan,ZHANG Yong-Bo,ZHANG WEN-Dong
(College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

P751

A

1672-5174(2011)04-116-05

国家高技术研究发展计划项目(SQ2009AA09Z3487852;2007AA09Z313)资助

2010-05-21;

2010-07-17

刘晓春(1970-),男,博士生。E-mail:Lxcxin@126.com