渦激振動抑制裝置海上試驗研究＊

賈 旭 矯濱田 朱偉亮

（中海油研究總院）

渦激振動抑制裝置海上試驗研究＊

賈 旭 矯濱田 朱偉亮

（中海油研究總院）

采用渦激振動抑制裝置是降低深水立管渦激振動響應，保證立管安全運行的有效措施之一。根據渦激振動抑制裝置特點和深水海洋環境條件，提出了深水立管渦激振動抑制裝置海上試驗方案、樣管尺寸、試驗船舶機具及布置，并通過數值分析確定了拖曳速度、懸掛重物重量、拖曳鋼纜等試驗參數，對立管長度、外徑及壁厚進行了校核。深水立管渦激振動抑制裝置海上試驗在我國東海海域已順利實施，取得了滿意的試驗結果，抑制裝置的抑制效率最高達到了89．1%。

深水立管 渦激振動 抑制裝置 海上試驗

隨著海洋油氣開發向深海領域的發展，傳統的淺海油氣開發使用的固定式平臺已被適用于深海惡劣的海洋環境及水深的水下井口、浮式結構物、深水立管系統所取代。對于深海油氣生產系統，深水立管是必不可少的關鍵設備，其長度往往從幾百米到幾千米。一般情況下，連接海底井口和浮式平臺的立管沒有固定結構支撐，是細長的柔性結構，它會受海流作用而產生嚴重的渦激振動，進而造成疲勞損傷［1］，因此如何降低深水立管的渦激振動響應是深水海洋油氣開發的主要難點之一。

調研發現，采用渦激振動抑制裝置（螺旋列板）是降低深水立管渦激振動響應的有效措施之一，它的研究與應用也是深水油氣開發的前沿技術。由于受海上試驗設備的限制以及要應對海上復雜、惡劣的環境條件，如何成功地進行實尺寸渦激振動抑制裝置的海上試驗是一個國際性的難題［2－4］。筆者根據渦激振動抑制裝置的特點以及海洋環境條件的實際情況，通過分析研究，提出了深水立管渦激振動抑制裝置海上試驗方案、樣管尺寸、試驗船舶機具及布置，使試驗各項參數的設置達到最佳，保證了海上試驗的順利進行。本文主要介紹本次海上試驗方案研究及試驗結果。

1 試驗方案的確定

研究立管渦激振動響應的試驗手段主要包括室外現場試驗和室內試驗2種，其中最直接的研究手段是全尺度現場試驗［5］，但由于尺度大，海上環境條件惡劣，海流實際情況和理想狀態有較大差別，迄今為止國際上開展柔性立管渦激振動響應的全尺度試驗研究成功的例子并不多見。因此，要保證深水立管渦激振動響應海上試驗的成功進行，確定合理的試驗方案和抑制裝置成為關鍵。

經過不同試驗方案的技術分析和對比，確定了如圖1所示的深水立管渦激振動抑制裝置，其試驗方案為：采用自航船舶提供拖曳動力，將2根試驗立管（1根為裸管，另外1根為帶渦激振動抑制裝置的立管）通過拖曳架固定于船尾處，2根立管的底端分別通過一條鋼纜連接至船中前部的甲板處；為了避免在試驗過程中鋼纜與船體發生碰撞，2根鋼纜的上端點分別由安裝在船中前部的2個長為1．5 m的牽拉導向托架將鋼纜支出船外；2試驗立管的間距為3 m，管上端與拖曳架鉸接，管下端與3 m的橫撐鉸接，以保持2根立管的間距，使其不會在試驗過程中相互影響，且立管底端分別有一重物通過鉤環與橫撐的兩端直接相連，為立管提供張力。本試驗方案的優點是可以獲得在同一海流工況下帶渦激振動抑制裝置的立管與裸管的渦激振動情況，從而對比分析得到抑制裝置的效率。

圖1 深水立管渦激振動抑制裝置海上裝置布置圖

2 試驗參數選取

在試驗總體方案確定后，需要確定試驗參數。受到海上試驗條件（船舶、費用）的限制，試驗區域初步選定在水深60 m左右的東海海域，試驗立管的長度初步確定為40 m；為了能夠使渦激振動激起更多的階數，試驗立管的外徑不能太大，初步選定為152．4 mm，壁厚9．5 mm；其他試驗參數，如拖曳速度、懸掛重物質量、拖曳鋼纜等，需要經過數值分析來確定，同時還需要通過數值分析來對立管長度、外徑及壁厚進行校核確定。

2．1 模態分析

在海流作用下，立管上各點由漩渦脫落引起的振動可視為立管各模態振動的疊加（一般為前幾階模態），且一般存在主導振動模態。為準確測量立管振動的主導振動模態，試驗前需根據預分析（數值模擬）初步預估立管振動的主導模態，并據此確定測量點的位置。采用模態分析軟件Modes3D對立管進行模態分析，計算試驗立管的固有周期及不同模態下的振型。

在實際試驗模型中，立管上端為鉸接，而立管底端的邊界條件則較難界定。立管下部重物的重力作用及鋼纜對立管底部運動起到了限制作用，但相對于船體而言，立管底端的運動并未完全受到限制，這使得底部連接既不是鉸接，也不是完全自由，因此分析中采用了Pin－Pin Model（即立管上下兩端均為鉸接）和Real Model（即立管上端為鉸接，下端連接重物）2種模型。

由于抑制裝置的材料（聚乙烯塑料）重量相對于立管自身而言是微量級的，其對模態分析的影響可忽略不計。圖2為深水立管Modes3D計算模型，2種模型的前四階振型分別如圖3和圖4所示，其中立管底端和頂端的坐標分別為x／L＝0及x／L＝1，其固有周期分別列于表1。

圖2 深水立管Modes3D計算模型圖

圖3 深水立管Pin－Pin Model簡支模態振型

圖4 深水立管Real Model真實模態振型

表1 不同模態下試驗用深水立管的固有周期

分析可知，同一模態下，Real Model的自振周期略高于Pin－Pin Model的自振周期，這是由于Real Model下端連接重物，可自由擺動，整個系統的剛度較Pin－Pin Model弱的緣故。這種情況也反映到了Real Model的陣型中，其下端（x／L＝0）的歸一化位移不為零，說明系統振動時立管下端存在振動位移，而非鉸接的零振動，這也與試驗實際情況相符。

2．2 強度分析

立管在拖曳過程中會受到較大的拖曳力，而且會發生渦激振動，因此，為保證試驗的安全、順利完成，需對立管及鋼索的強度進行校核。

對于152．4 mm管徑、9．5 mm壁厚的立管，采用Flexcom分析軟件，并依據API規范API－RP－2RD，校核不同懸掛重量下立管和鋼纜的強度，其Flexcom模型如圖5所示。表2和表3分別給出了在不同重物及海流作用下深水立管的等效應力比及鋼索最大頂端張力。

圖5 深水立管Flexcom分析模型圖

表2 不同重物下的深水立管等效應力比

表3 不同重物下的鋼纜最大頂端張力

分析可知，5 t配重既可使立管保持一定的張力和穩定，且不會因應力過大導致立管和鋼纜損壞；該重物拉力作用下沿立管分布的屈服應力利用率如圖6所示，立管的強度滿足規范要求。最終選定的鋼纜在不同的拖速下的最大張力為32．4 k N，小于其安全工作載荷62．7 k N，故其強度滿足試驗要求。

圖6 沿深水立管分布的屈服應力使用率圖（5 t重物拉力作用下）

2．3 拖速分析

將Modes3D軟件計算出的2種模型下所得模態數據分別輸入到渦激振動分析軟件Shear7中，可計算出激勵出的不同模態渦激振動所對應的拖速范圍，結果見表4。

表4 深水立管渦激振動拖速分析結果

由表4可以看出，2種模型需要不同的船舶拖速激勵出某一特定的模態，相比而言，Real Model需要較小的拖速激勵出和Pin－Pin Model相同模態。理論上來說，真實試驗條件下的模型要激勵出一階模態需要的拖船速度為0．3 m／s，激勵出二階模態需要的拖船速度范圍為0．7～0．9 m／s，激勵出三階模態需要的拖船速度范圍為1．0～1．8 m／s?？紤]到理論計算結果和實際試驗結果之間的差異，在試驗過程中將拖速范圍確定為0．2～2．0 m／s。

2．4 試驗參數確定

根據以上分析，最終選定的試驗裝置參數如下：

（1）試驗立管參數。長度為40 m（考慮到海域水深）；外徑為168．3 mm；壁厚為9．5 mm；材料等級為API 5L X65；裸管和帶渦激振動抑制裝置管以上參數相同。

（2）螺旋列板參數。高度為53．85 mm；螺距為2 945．25 mm；干重為4．5 kg／m。

（3）鋼纜參數。長度約為63．5 m；頂端距離船尾的徑向長度為40 m；直徑為19．05 mm；破壞強度為251 k N；安全工作載荷為62．7 k N。

（4）配重塊參數。干重為5 t；形狀為圓柱形（部分允許水流穿過）；外徑和高度大致相等，約為1 m。

（5）連接。立管、鋼纜和重物三者之間的連接結構如圖7所示。

（6）管內流體。管內流體為海水，其密度為1 025 kg／m3。

（7）拖曳速度。本次試驗希望得到前三階模態響應，因此拖船速度應控制在0．3～1．8 m／s，以0．1 m／s的幅度增加或減小，并且保證每一個拖速能夠持續5～10 min。

圖7 深水立管渦激振動抑制裝置海上試驗立管、鋼纜、重物連接結構

3 試驗效果

本次深水立管渦激振動抑制裝置海上試驗已于2011年在我國東海海域進行并順利完成，采集到了比較理想的渦激振動試驗數據，有效地驗證了渦激振動抑制裝置的抑制效率，試驗結果完全達到了原設計的指標。通過對海上試驗數據的分析處理，獲得了渦激振動抑制裝置的抑制效率最高可達89．1%（表5）。

表5 深水立管、渦激振動抑制裝置各流速下抑制效率

4 結論

（1）設計了較為合理且便于進行海上實施的深水立管渦激振動抑制裝置試驗方案，并取得了滿意的試驗效果。

（2）在不同的流速下，立管產生明顯的渦激振動，并具有多模態參與的特點，其主導響應模態明顯，2根立管最高激勵出第三階模態。

（3）在不同的流速下，測量得到渦激振動響應頻率與采用Real Model的理論預測頻率較吻合，測量的響應模態振型與理論振型吻合較好。

（4）不同拖曳速度下，渦激振動抑制裝置的抑制效率最高達到89．1%。

［1］ 周巍偉，曹靜，沙勇，等．深水鋼懸鏈線式輸油立管波致疲勞損傷頻域分析［J］．中國海上油氣，2011，23（5）：349－353．

［2］ TOGNARELLI M，TAGGART，S CAMPBELL，M．Actual VIV fatigue response of full scale drilling riser：with and without suppression devices［C］．OMAE 2008，57046．

［3］ BEYNET P，SHILLING R，CAMPBELL M，et al．Full scale VIV response measurements of a drill pipe in．gulf of mexico loop currents［C］．OMAE 2008，57610．

［4］ SIMANTIRAS P，WILLS N．Investigation on vortex induced oscillation and helical strakes effectiveness at very high incidence angles［C］．ISOPE，1999．

［5］ GLUCK M．Computation of fluid－structure interaction on lightweight structures［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89：1351－1368．

（編輯：葉秋敏）

An offshore test study on VIV suppression devices

Jia Xu Jiao Bintian Zhu Weiliang
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

VIV（vortex induced vibration）suppression devices is one of the effective methods to reduce the risers’VIV response in deep water，and to ensure safe operation．An offshore test was setup according to the features of suppression device and deep water environmental conditions．The parameters，such as towing speed，suspended weight at the bottom of risers and towing cables’diameter，were estimated according to numerical simulation in advance．The risers’length，diameter and wall thickness were validated too．The VIV suppression devices test had been successfully accomplished on China East Sea and the results show that the device could reduce the vibration amplitude of the riser up to 89．1%．

deep water riser；vortex induced vibration；suppression devices；offshore test

＊國家高技術研究發展計劃（863計劃）“深水立管工程設計關鍵技術研究（編號：2008AA09A105）”部分研究成果。

賈旭，男，教授級高級工程師，1988年畢業于上海交通大學船舶與海洋工程專業，獲碩士學位，現主要從事海洋工程方面的研究。地址：北京市東城區東直門外小街6號海油大廈（郵編：100027）。

2012－02－27 改回日期：2012－04－17