海洋立管涡激振动抑振装置的试验研究

摘要

海洋立管是海洋油气开发中的一个重要基础结构，承受风浪流等复杂海洋环境荷载的作用，当海流流经立管时，在一定流速下产生漩涡周期性的脱落，使立管发生涡激振动，当漩涡脱落的频率和立管的固有频率接近时，会发生“锁振”现象，使得立管的振动加剧。涡激振动会降低立管的疲劳寿命，使立管发生疲劳破坏。
　　 安装抑振装置是抑制涡激振动、提高立管疲劳寿命的有效途径，本文设计了一种梯形截面的三螺旋导板抑振装置和两种新型月牙形扰流器抑振装置，在实验室大型波浪流水槽进行立管的涡激振动规律和抑制振动效果的物理模型试验。
　　 首先，通过试验研究了立管的涡激振动特性，研究表明：在“锁振”区间立管振动最强烈，当流速跳出这个区间时，立管的振动明显减弱；横向振动微应变幅值比顺流向微应变幅值大一个数量级。
　　 然后，对梯形截面三螺旋导板抑振装置进行试验研究，通过改变这种抑振装置的覆盖方式和覆盖范围，研究了梯形截面螺旋导板的不同覆盖方式和覆盖范围对抑制海洋立管涡激振动的作用。试验时用动态电阻应变仪采集立管模型横向和顺流向的动态响应数据，并利用雨流计数法对模型进行疲劳分析。试验结果表明：在外流流速相同的条件下，三螺旋导板各种覆盖方案对涡激振动都有抑制作用；随着螺旋导板覆盖率的增加，立管的振动减弱，疲劳寿命增加；覆盖螺旋导板的立管顺流向振动频率明显降低，横向振动频率当覆盖率较高时有所降低，覆盖率较低时基本没有变化。
　　 最后，针对两种尺寸的月牙扰流器：大月牙扰流器和小月牙扰流器，分别以正八字和倒八字两种形状安装在立管上，八字排列间距为3D和5D。通过立管涡激振动试验研究了各工况的抑振性能，研究结果表明：月牙扰流器对立管横向振动抑制效果明显，其中大月牙扰流器倒八字排列间距为3D时，能抑制立管95％以上的横向振动幅值；月牙扰流器不能抑制立管顺流向的涡激振动，当八字间距大时，反而会加剧立管的顺流向振动；八字排列间距对月牙扰流器的抑振效果起到了决定性作用，月牙扰流器的肋高是关键性因素。