动态海洋柔性立管的涡激振动模型实验分析研究
海洋立管作为连接海面作业平台与海床井口的关键构件,在海洋油气勘探开采技术飞速发展的今天,越来越受到关注。随着各大石油厂商将目光逐渐投向更深的海域,柔性立管的诸多优势得到体现。在深水环境中,柔性立管极易受到复杂海况的影响(如海流、波浪作用)进而出现一些特有的动力响应。一定的流速范围内,立管的尾流区将会发生涡泄脱落现象,而产生涡激振动(Vortex Induced Vibration,简称 VIV)。涡激振动现象的直接表现为立管在顺水流方向、垂直水流方向的周期性振动。涡泄脱落频率同结构的固有频率接近时将产生共振,这使得振幅将极大的增加,长期将使得立管发生疲劳破坏,一定程度上制约着海洋工程向深水的发展。 柔性立管实际作业过程中,由于受到流体的作用、内部张力、海面结构物的偏移慢漂的影响而表现出动态特性。本文依托于国外某海洋立管生产厂商委托的柔性立管动态响应性能测试实验,以等比例模型实验做为主要的研究手段。主要研究工作如下: 1)本文以经一定比例缩小后的柔性立管模型为研究对象,分析两端铰接固定的柔性立管在不加载外部浮体结构时 VIV动态响应特点。通过施加不同顶端张力,在一定流速区间内进行全程的数据采集。经后续的数据处理,对该柔性立管的动态响应特性进行较为全面的分析;在揭示其涡激振动形成机理的同时,重点对目标立管的共振区域进行研究,分析立管进入共振区域的流速及其他条件。 2)本文对动态柔性立管的边界条件进行分析,在满足实验要求的同时进行边界条件相应简化处理。完成顶端的位移施加装置后,进行了施加顶端位移的柔性立管在相同条件下的 VIV动态响应探索性实验。实验的结果一方面可同两端铰接的柔性立管进行对照比较,进而分析动态特性在涡激振动现象过程中的影响;另一方面可作为重要的实验成果为实际工程提供参考,具有很高的应用价值。 3)对于实验过程中产生的应变变化实时数据,本文用 MATLAB等数据处理软件进行振动幅值的时域分析;采用FFT变换(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)进行应变谱分析,进而得出目标位置、目标方向的振动频率。振动幅值及振动频率做为本文关于 VIV动态响应的主要分析介质,可对柔性立管的实时动力特性进行较为精确的描述,进而从中归纳出柔性立管的广适用性动力响应规律。实验过程中,选用的摄像装置将对柔性立管的涡激振动现象进行全程的捕捉,包括水面摄像、及水下摄像。借助示综剂对尾流区涡泄的标识,水面摄像可对实验过程中立管后方尾流区的涡泄形态进行有效捕捉;水下摄像则主要对立管在水下的实时姿态进行监控。其部分资料将作为柔性立管进入共振区域的直接证据。
海洋立管;涡激振动;动态特性;疲劳破坏
中国海洋大学
硕士
港口、海岸及近海工程
赵林
2014
中文
TE952;TV131.33
85
2015-04-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）