平臺垂蕩運動誘發(fā)鋼懸鏈線立管渦激振動響應研究.pdf

1、隨著海洋油氣資源開發(fā)向深水邁進，用于連接頂部平臺與海底的各種柔性結(jié)構(gòu)物（例如海洋立管）也變得更加細長。海洋立管在海洋環(huán)境載荷以及平臺運動的作用下，其動力響應極其復雜。目前立管動力響應的分析總體上包括兩個相互關(guān)聯(lián)的研究內(nèi)容：1)忽略渦激振動（Vortex Induced Vibration，VIV）影響的、由頂部平臺運動引起的立管全局動力響應（Riser Global Dynamic Responses）研究；2)背景洋流引起的立管渦激振

2、動研究。然而，對于順應式立管而言，以鋼懸鏈線立管（Steel Catenary Riser，SCR）為例：即使不考慮海洋中的背景來流，在頂部平臺的作用下，立管在靜水中的往復運動也將在立管懸垂段與其周圍水質(zhì)點之間形成相對的等效振蕩來流。這種振蕩來流也會在立管尾部引起漩渦脫落，從而進一步導致升力的周期性變化。針對“等效振蕩流場能否誘發(fā)立管渦激振動？”，即“平臺運動能否誘發(fā)立管渦激振動？”這一問題，當前工業(yè)界、學術(shù)界還沒有給出定性、定量的結(jié)論

3、。
　　本文以“振蕩流下機理性自激振蕩試驗”和“平臺垂蕩運動下大尺度鋼懸鏈線立管試驗”為基礎，運用模型試驗與理論分析相結(jié)合的方法，嘗試回答“平臺運動能否誘發(fā)立管渦激振動？”這一問題；探索頂部平臺垂蕩運動、鋼懸鏈線立管面內(nèi)全局動力響應、立管周圍等效振蕩來流、立管面外渦激振動四者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)特性；并與現(xiàn)有的渦激振動頻域預報理論相結(jié)合，發(fā)展振蕩來流條件下具有“分時特性（time-varying）”（渦激振動的響應特性隨時間發(fā)生變化）的

4、柔性立管渦激振動預報方法。本文研究內(nèi)容主要包括以下7項內(nèi)容：
　　1)總結(jié)了平臺運動誘發(fā)的立管動力響應、流致立管渦激振動以及平臺運動誘發(fā)立管渦激振動的研究現(xiàn)狀；
　　2)針對“平臺運動能否誘發(fā)立管渦激振動？”這一問題，分別設計了“平臺垂蕩運動下大尺度鋼懸鏈線立管試驗”以及“振蕩流下機理性自激振蕩試驗”；
　　3)介紹了系列試驗數(shù)據(jù)分析理論、方法及其實現(xiàn)算例，共包含5大項內(nèi)容：數(shù)據(jù)預處理、頻域分析、時-頻域分析、位移識別

5、以及疲勞損傷計算；
　　4)對本文開展的機理性試驗中的立管渦激振動進行了詳細的分析，證實了振蕩流場也能引起立管渦激振動，并揭示了其存在“分時特性”以及“遲滯”現(xiàn)象。研究了最大約化速度 R maxU以及KC數(shù)對振蕩流下渦激振動的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)振蕩流下渦激振動的應變、位移、主導頻率以及疲勞損傷均隨 R maxU的增大（根據(jù)本文結(jié)果，在4~8以內(nèi)）而明顯增大；當KC數(shù)較大時（根據(jù)本文結(jié)果，50以上），振蕩流下渦激振動的應變、位移、主導頻

6、率以及疲勞損傷基本不受KC數(shù)變化的影響；而當KC數(shù)較小時，由于“小KC數(shù)特性”，使得小KC數(shù)工況不存在“振幅調(diào)制”現(xiàn)象，其響應更穩(wěn)定、疲勞損傷更大。此外，通過與定常流下的渦激振動對比發(fā)現(xiàn)：振蕩流下的應變、位移的最大值均略大于等效的定常流工況結(jié)果，而應變、位移的RMS值則略小于定常流工況；振蕩流下渦激振動響應頻率有著明顯的“分時特性”，即主導頻率隨時間變化，但定常流下渦激振動主導頻率相對恒定；振蕩流下渦激振動造成的疲勞損傷略小于定常流工況

7、，但損傷在同一量級；
　　5)對本文開展的大尺度 SCR試驗中的立管渦激振動進行了詳細的分析，首次從響應頻率的角度定量地證實了平臺運動能誘發(fā)立管產(chǎn)生渦激振動，發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)上為振蕩流誘導的渦激振動；其次揭示了平臺運動下立管渦激振動的“分時特性”（響應幅值的“振幅調(diào)制”與響應頻率的“主導頻率時變性”均和振蕩流下渦激振動一致）；并進一步指出了影響平臺運動誘發(fā)渦激振動“分時特性”的3方面因素：1)瞬時面內(nèi)等效振蕩流場；2)軸向力變化；3)觸

8、地點移動；此外，通過與定常流下的渦激振動相比發(fā)現(xiàn)：平臺運動誘發(fā)的面外渦激振動響應幅值基本與背景洋流工況相當，但由于其響應頻率的“分時特性”，其響應頻率范圍更寬；此外平臺運動誘發(fā)的渦激振動引起的疲勞損傷與等效的背景洋流工況、平臺運動引起的面內(nèi)全局動力響應造成的疲勞損傷相當，處于同一損傷量級；
　　6)定義了振蕩流下立管渦激振動發(fā)展的3個階段：“建立階段”，“鎖定階段”以及“衰減階段”；確定了最大等效流速Vn_max以及最大 KC數(shù)K

9、Cmax為平臺運動誘發(fā)立管渦激振動的控制參數(shù)：當KCmax較大時（根據(jù)本文結(jié)論，至少大于39），平臺運動誘發(fā)的立管渦激振動響應統(tǒng)計值、響應頻率、疲勞損傷以及立管頂部張力變化幅值完全由最大等效流速n_maxV主導；當KCmax較小時，渦激振動由最大等效流速Vn_max及KCmax共同控制；通過研究建立了平臺垂蕩運動誘發(fā)鋼懸鏈線立管渦激振動的頻率響應模型，即渦激振動主導頻率 f_domi、最大等效流速 Vn_max、瀉渦對數(shù)N以及最大KC數(shù)

10、KCmax之間均滿足St=0.14的斯托勞哈爾關(guān)系。
　　7)對半經(jīng)驗渦激振動頻域預報理論進行了詳細介紹；提出了兩種基于試驗結(jié)果的渦激振動半經(jīng)驗頻域修正模型：“最大流速法”及“分時流速法”；研究表明“分時流速法”通過將一個平臺周期劃分為若干個準靜態(tài)等效流速剖面，同時考慮瞬時軸向力分布、瞬時懸垂段長度，從而近似預報平臺運動誘發(fā)立管渦激振動的“分時特性”，對比表明基于“分時流速法”的預報結(jié)果與試驗結(jié)果十分接近；對于平臺運動較小的工況，