海洋立管抑振装置优化布置的实验研究.pdf

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1、第42卷第6期2012年6月中国海洋大学学报PERIODICAI。OFOCEANUNlVERSITYOFCHINA42(6)t126～132JurL，2012研究简报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)摘要：设计1种梯形截面的j螺旋导板抑振装置，在实验窀大型水槽进行海洋立管涡激振动实验。通过改变这种抑振装置的覆盖方式和覆盖范围，研究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。实验时用动态电阻应变仪采集立管模型横向和

2、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。实验结果表明：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。立臂的振动减弱，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。关键词：海洋立管；涡激振动；抑振；覆盖率；疲劳寿命中图法分类号：0328文献标志码：A文章编号：1672—5174(2012)06—126～07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

3、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[I]。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[2q]。抑制立管的涡激振动～般有两种方法，一种是

4、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(Helicalstrakes)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[“、HatsuoIshizaki[7]等，用于抑制由空气流动引起的涡激振动。后来，

5、研究者用螺旋导板来抑制海洋立管的涡激振动，如PaoloSimantiras和NeilWillisE8]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。通过对比棵管。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

6、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一中国海洋大学物理海洋实验室进行，该实验室内有大型风一浪一流联合水槽，如图1所示。水槽长65I

7、n，宽1．2ITI，高1．75rn，最大流速可达到1．Om／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。，基金项目：国家高技术研究发展计划项日(20loAA092303)I国家自然科学重点基金项目(50739004)资助收稿R期：2011-05—20；修订I=l期：2011一lO—lO作者简介：郭海燕(1959一)，女，教授．博导。E—mail：hyguo(．国OUt'．edu．crI6期郭海燕．等：海汁t管抑振装茕优化布咒的实验研究图1实验室风一浪流水槽Fig．]Wi

8、nd—wave-currentflume图2铝合金架和铰支座Fig．2Aluminiumalloyframeandhingedhearing数据采集配套设备包括：动态电阻应变仪(Y肛28A型)、信号采集分析仪、水下电阻应变计等。1．2实验模型位置2Lofation位置lLofation流CurrenI●Zy一’／。’