海底管道悬跨段振动特性及允许悬空长度研究.pdf

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1、第45卷第1期船海工程Vo1．45No．12016年2月SHIP＆OCEANENGINEERINGFeb．2016DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2016．01．028海底管道悬跨段振动特性及允许悬空长度研究安振武，穆顷，张洪才(1．中海油能源发展装备技术有限公司，天津300452；2．天津新港船舶重工有限责任公司，天津300452)摘要：分析海底管道悬跨段受力，推导出管道振动微分方程，进而得到管道动力特性方程，求得管道的自振频率。为防止管道发生横向涡激共振现象，以漩涡发放频率小于0．

2、7倍的管道固有频率和约化速度为控制条件，确定管道允许悬空长度。实例计算分析管外来流速度、轴向力和管道外形尺寸等因素对管道固有频率和允许跨长的影响，给出一般允许悬空长度的确定方法。关键词：悬跨管道；固有频率；涡激共振；允许长度中图分类号：U674．38；P75文献标志码：A文章编号：1671-7953(2016)01-0137-05海底管线是海洋油气开发系统的重要组成部1管道悬跨段数学模型分⋯，具有输送连续、管理方便、效率高、成本低等诸多优点，被誉为海上油气田的“生命线”。但将海底悬跨管道看作是匀质等截面细直梁，

3、是由于海底的地形地貌构造，波浪与海流的冲刷假定只有弯曲引起横向位移Y(，t)，在其本身对作用，海底沙丘运动以及土壤性能的改变等原因，称平面内作弯曲振动，这个模型是以初等梁理论海底管线经常会出现与海床表面不直接接触的悬为基础的欧拉一伯努利梁_4J。在振动体系中，主空段，即管跨段。要物理性质是抗弯刚度()和单位长度的质量管跨的出现改变了海底管道所承受的载荷形m()，随位置而变化。图1中管道支撑为一端固式和应力状态，当海流或波生流流经悬跨管道时，定一端铰支，但是推导出的运动方程适合任意支常伴随着周期性的漩涡发放，这种

4、漩涡泄放现象撑条件。其中，悬空段长度为f，轴向拉力为N(，会使悬跨管道在顺流方向及横流方向上发生振t)，．厂(，)为管道单位长度上受到的外力。动，即涡激振动。涡激振动是决定海底管道使用寿命、引发管道疲劳破坏的主要因素。当管道各阶固有频率与漩涡泄放频率相近时，就会引发悬跨管道的涡激共振。国内外学者在海底管道悬跨方面做了大量的研究工作，提出了许多计算极限悬跨长度和评估管道涡激振动的方法，但都大多未对影响悬跨管图1海底管道悬空段示意段振动特性的因素进行全面分析。本文以海底管道悬跨段为研究对象，根据欧1．1管道振动方程

5、及其解在管道处取微元，管道微元上的受力见拉一伯努利梁理论推导出悬跨管道振动控制方程。用两种不同的控制条件求出管跨的允许悬空图2。长度，分析各因素对管跨固有频率和允许悬空长度的影响。收稿日期：2015—10—26修回日期：2015—11—17第一作者简介：安振武(1981一)，男，硕士，工程师研究方向：海洋工程结构设计E-Illail：anzhen97@163．com图2管道单元受力l372016~安振武等：海底管道悬跨段振动特性及允许悬空长度研究船海工程，第l期第45卷其中：为弯矩；Q为剪力；并假定轴向力Ⅳ式中

6、，C——与悬跨管道端部约束情况有关的常为常量，不随时间和位置发生变化。图2所示，管数J，当悬跨边界约束为两端铰支时道单元的运动方程，对于垂直振动，有C取1．57，为刚性固定约束时C取为一(Q+dQ)+fdx+Q+3．56，处于两者之间C取2．46；单位长度管道的质量(含管内介质质(Ⅳ+dN)si+dO)一Nsin=d量及附加水质量)，kg。(1)大多数情况下，海底管道悬跨段两端不会是对于相对于0点的转动，有纯固定，也不是纯跤支情况，其影响因素有土壤刚(+dM)一(Q+dQ)dx+fdx—dx—M=0度，以及管道

7、周围的沉淀，一般情况下取这两者之间的平均值。。。(2)由式(9)和式(10)可以看出：①若N=0，式对于小变形，可作下列近似(9)、(10)铰支情况下固有频率相同；②若N>0sin(+d)0+dO：0+(3)(轴向拉力)，则固有频率随拉力使管道硬化而增根据式(1)、(2)、(3)和材料力学公式加；③若N<0(轴向压力)，则固有频率随压力增大而减小；当Ⅳ一1T。EI／l时，对于n=1，固有频M=El(x)(4)率趋于零。得到E1、／'n和轴向力Ⅳ为常量时的运动微分方程为2控制条件及允许跨长E，磐a+mOt‘一ⅣO

8、：0(5)x当流体接近位于管道前缘时，流体因受阻滞对式(5)采用变量分离可得到解为而压力增加。这一增高的压力围绕管道表面的边()=C1cosh1+C2sinhs1+界层沿两侧向下游方向发展，并在管道断面宽度C3COSS2X+C4sinS2X(6)最大点附近产生分离，分离点即沿管道表面速度式中：由正到负的转变点或零速度点。在分离点以后沿22±(4EI+(7)管道表面将发生倒流，边界层在分