海洋立管抑振装置优化布置的实验研究＊

郭海燕，李相环，张永波，李效民，李 朋

（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）

大陆石油已经开发利用150多年，储量日益减少，海洋油气开发成为人们关注的焦点。海洋立管是海洋油气开发中的1个重要基础结构，承受风浪流等复杂的海洋环境荷载作用，当海流流经立管时，在一定流速下产生漩涡周期性脱落，使立管发生涡激振动。漩涡脱落的频率随流速的变化而变化，当漩涡脱落频率和立管的自振频率接近时，立管的振动会加剧，并使漩涡脱落频率锁定在立管自振频率附近，称为“锁振”现象［1］。涡激振动虽不会立刻使立管发生破坏，但是立管长期的振动会发生疲劳损伤，特别是发生锁振时，立管振动加剧，疲劳寿命大大降低。因此，海洋立管的涡激振动近年来已成为国内外学者的研究热点［2－4］。

抑制立管的涡激振动一般有两种方法，一种是主动控制法，通过实时监控海流的变化，利用声波、振动等主动方式扰乱立管附近的流场，抑制涡激振动，但技术含量、成本较高；另一种是被动控制法，通过改变结构物表面形状或在结构物表面附加其他装置来破坏漩涡的形成，从而抑制涡激振动，目前国际上主要采用这种抑振方法。螺旋导板（Helical strakes）是一种抑振效果显著的被动式抑振装置，早在1960年代螺旋导板就用来抑制涡激振动［5］，开始是应用在烟囱、高塔等高耸结构上，如Wong和Kokkalis［6］、Hatsuo Ishizaki［7］等，用于抑制由空气流动引起的涡激振动。后来，研究者用螺旋导板来抑制海洋立管的涡激振动，如Paolo Simantiras和Neil Willis［8］对螺旋导板进行了实验研究，发现螺旋导板能明显抑制立管的涡激振动；NDP［9］实验研究了装有螺旋导板的立管，通过对比裸管，发现装有螺旋导板的立管振动特性和裸管有所不同，螺旋导板能较好的减小涡激振动；Baarholm和Lie［10］在立管模型上安装三螺旋导板和四螺旋导板进行实验研究，比较其抑振效果，同时最大程度减小立管的曳力。

螺旋导板在立管上的覆盖方式和覆盖范围对抑制涡激振动有着重要的影响。立管水中部分全部覆盖螺旋导板不一定能产生最佳的抑制效果，并且会增大曳力，增加来流向振幅，可能会加剧立管的疲劳破坏速度。另外，从实际工程的角度来说，立管水中部分全部覆盖螺旋导板也不是经济的选择。

本文将梯形截面三螺旋导板覆盖在立管模型上，选用不同的覆盖率和覆盖方式，在实验水槽内进行涡激振动实验，研究三螺旋导板不同覆盖方式和不同覆盖率抑制涡激振动的效果及其规律，以优化三螺旋导板抑振装置的布置，为工程应用提供参考。

1 实验设备及实验模型

1.1 实验设备

实验在教育部重点实验室—中国海洋大学物理海洋实验室进行，该实验室内有大型风－浪－流联合水槽，如图1所示。水槽长65 m，宽1.2 m，高1.75 m，最大流速可达到1.0 m／s。实验准备过程中制作了刚度较大铝合金架，用来固定立管模型，模型两端采用铰支座固定，如图2所示。

数据采集配套设备包括：动态电阻应变仪（YD－28A型）、信号采集分析仪、水下电阻应变计等。

1.2 实验模型

图3 立管模型图Fig.3 Sketch of riser model

实验选取有机玻璃管作为立管模型，立管模型有效长度1.5 m，外径18 mm，壁厚2 mm。立管垂直放入水槽中，水的高度为750 mm，如图3所示，选取水面以上2个位置粘贴应变片，每个位置贴4个应变计，横向和顺流向各2个，间隔90（°）布置，如图4所示。1＃、3＃点应变计用于测来流向立管的振动响应，2＃、4＃点应变计用于测横向立管的振动响应。

实验中采用梯形截面三螺旋导板作为抑振装置，导板材料为橡胶，梯形截面下底a＝2 mm，上底b＝1 mm，螺纹高度为h＝4.5 mm，三螺旋间距315 mm，如图5所示。立管水中部分750 mm全部布置三螺旋导板，这种布置情况在本文中规定为三螺旋导板100%覆盖，即100%覆盖率，如图6所示。在改变螺旋导板覆盖率的覆盖形式上，实验中做了2种覆盖形式：一种是从100%覆盖率模型的导板上均匀的截取3段，立管模型上剩余的4段均匀覆盖，这种覆盖方式称为均匀覆盖（Uniform coverage），如图7（上）所示；另一种是从100%覆盖率模型的导板底端向上截取，来变化不同的覆盖率，这种覆盖方式称之为端部覆盖（end coverage），如图7（下）所示。2种覆盖方式都做了3种覆盖率：70%，50%，30%。

2 实验数据处理及结果分析

实验中对三螺旋导板做了2种典型流速的测试：一种是较低流速0.4 m／s；另一种是“锁振”区间附近的流速为0.6 m／s。流速在0.4 m／s时，发现装有螺旋导板的立管几乎不振，在0.6 m／s时有涡激振动现象。下面以0.6 m／s的流速为例进行分析。数据采样的频率为256 Hz，采集时间40 s，数据处理后分别得到不同覆盖形式立管和裸管的微应变时程曲线如图8～11。

图8为均匀覆盖各方案及裸管横向振动微应变时程曲线。通过和裸管对比发现，均匀覆盖各方案都有一定的抑振效果。其中覆盖率为100%，70%，50%的抑振效果相当显著，都能抑制95%以上的振幅值。30%覆盖率的方案抑振效果不是很好，大约能减小75%的振动幅值。图9为均匀覆盖各方案顺流向振动微应变时程曲线，从图中可以看出，各方案都在一定程度上抑振了立管的涡激振动，30%覆盖率的方案顺流向的抑振效果没有其它3种覆盖率方案的好，大约能减小60%的振幅，其他3种方案顺流向抑振效果都很好，都能抑制90%以上的振幅值。

图10和11分别是端部覆盖各方案横向和顺流向的振动微应变时程曲线，从这2个图可以观察到，端部覆盖的各种覆盖率方案对横向抑振效果都很好，均能抑制95%以上的振幅值，包括30%覆盖率方案。端部覆盖方案对顺流向的抑制效果也很好，能减小90%左右的振幅值。端部覆盖各方案之间抑振效果虽有所不同，但是差别不大，没有均匀覆盖从30%覆盖率到50%覆盖率2种方案抑振效果落差大。

微应变的均方根值（Strain RMS）也是考察立管模型振动幅度的一个重要的参数，可以反映立管在采样时间内总体的振动情况。图12为2种覆盖方式横向振动微应变均方根图，可见：均匀覆盖当覆盖率小于50%时，随着覆盖率增大，微应变均方根值迅速减小；端部覆盖覆盖率从30%～70%的微应变均方根值是逐渐减小的，覆盖率70%和100%2种方案的微应变均方根值基本持平。2种覆盖方式各方案顺流向微应变均方根值的变化规律和横向一样，如图13所示。从图12、13中还可以观察到，无论是横向还是顺流向，端部覆盖的每个覆盖率方案的微应变均方根值都要比均匀覆盖相对应的覆盖率方案的均方根值要小，主要是因为端部覆盖的方案能抑制立管中间漩涡的产生，减小立管跨中的曵力，可见端部覆盖方式的抑振效果比均匀覆盖的抑振效果好。

图14和16是实验获得均匀覆盖及裸管的横向和顺流向功率谱密度图，图15、17是端部覆盖及裸管的横向和顺流向功率谱密度图。实验结果表明：裸管横向振动的频率为6.02 Hz，100%覆盖率方案破坏了漩涡的规律脱落，没有明显的振动频率出现，均匀覆盖70%覆盖率方案的振动频率为5 Hz，降低了横向振动频率，均匀覆盖其他2种方案的振动频率在6 Hz左右，对横向振动频率基本没有影响，如图14；除了100%覆盖率方案，端部覆盖70%覆盖率方案也破坏了漩涡的规律脱落，没有明显的振动频率，其他各覆盖率方案对横向振动的频率影响不大，如图15。

立管顺流向以二阶振动频率为主频率，大小为12 Hz，约为横向振动频率的2倍，从顺流向的功率谱密度图16、17来看，100%覆盖率、端部覆盖70%覆盖率这2种方案都破坏涡激振动规律，没有明显的振动频率出现，其余各方案也都能明显地降低顺流向振动的频率，由二阶振动降为一阶振动。

由以上分析可以看出：100%和70%2种覆盖率高的方案能降低立管横向振动频率，50%和30%2种覆盖率低的方案对横向振动频率基本没有影响；两种覆盖方式的各覆盖率方案都能明显降低顺流向振动频率，甚至降低振动模态。

3 疲劳分析

从图8、9可以看出，立管横向振幅比顺流向的振幅大很多，本文只分析横向疲劳寿命。采用雨流计数法进行应力统计，疲劳寿命可以通过S－N曲线进行分析［11］。

基本S－N曲线为：

式中：N为致损疲劳次数；Δσ为应力幅值；m为S－N曲线双对数坐标中斜率；log a为S－N曲线双对数坐标中截距。

在S－N分析的基础上利用Miner理论分析立管的疲劳寿命。

式中：n（Δσi）为采样时间内发生应力范围i内的循环数目；N（Δσi）为在需要引起破坏的应力范围内的循环数目；D是结构疲劳累积损伤量。

实验中立管的疲劳寿命可以表示为：

式中：Tlife为立管疲劳寿命；Δεi为立管应力幅值；N（Δεi）为S－N曲线计算的疲劳次数；n（Δεi）为雨流计数法得到的次数。

图18 均匀覆盖和端部覆盖横向疲劳寿命Fig.18 Cross－flow fatigue life of uniform coverage and end coverage

将均匀覆盖和端部覆盖各覆盖率方案的疲劳寿命计算结果绘成图18。从图中可以看出，各方案都能明显增加立管的疲劳寿命。端部覆盖的疲劳寿命高于均匀覆盖，说明端部覆盖的方式优于均匀覆盖。

4 结论

本文设计了1种梯形截面三螺旋导板抑振装置，并变化不同的覆盖方式和覆盖率，在水槽中进行立管模型涡激振动实验，通过分析实验数据，得到以下结论：

（1）梯形截面三螺旋导板均匀覆盖和端部覆盖的各覆盖率方案都能较好抑制横向和顺流向的涡激振动，其中，两种覆盖方式覆盖率为100%、70%的方案都能减小95%以上的横向和顺流向的振动幅值，均匀覆盖覆盖率为30%的方案能减小60%的振动幅值。对于均匀覆盖，随着覆盖率增大，抑振效果增强；对于端部覆盖，覆盖率从30%到70%抑振效果逐渐增强，70%覆盖率和100%覆盖率两种方案的抑振效果基本相同。

（2）均匀覆盖和端部覆盖的各覆盖率方案能够明显降低立管顺流向的振动频率；100%和70%这2种高覆盖率的方案能降低立管横向振动频率，50%和30%覆盖率方案对横向振动频率影响不大。

（3）2种覆盖方式的各覆盖率方案都能明显提高立管的疲劳寿命，从覆盖率30%到70%，随覆盖率增加，疲劳寿命增加，2种覆盖方式的70%覆盖率方案的疲劳寿命和100%覆盖率方案基本相同。

（4）由本实验结果可以看出，端部覆盖的抑振效果比均匀覆盖的抑振效果好，疲劳寿命高于均匀覆盖。

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