淺談海底渦激抑制裝置

楊若辰 楊雅琪 何 旭（中國石油大學（華東），山東 青島 266580）

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淺談海底渦激抑制裝置

楊若辰 楊雅琪 何 旭
（中國石油大學（華東），山東 青島 266580）

摘 要：在海底油氣開采及儲運方式中，海底管道傳輸因其輸送連續、效率較高、輸送量大和成本低廉等諸多優點成為海上油氣傳輸的主要方式。海底管道處在復雜的深海環境中，受到各種安全隱患的困擾，渦激振動就是其中最為重要的一種，所以管道渦激振動的抑制一直是世界范圍內研究的熱點之一。然而，目前的較多研究集中于海洋立管，對于海底管跨渦激振動的研究仍然較少。因此，對于海底管跨渦激抑制的研究有其深遠的意義。

關鍵詞：海底渦激振動；抑制原理；影響因素

1　引言

海底管跨是指傳輸管道因下部懸空與海底表面不接觸而出現的部分。其出現的原因有多種，海流對于海底泥沙的沖刷及腐蝕作用、海床表面的凹凸不平、管線本身的殘余應力或熱變形等。海底管跨的形成與存在在很大程度上影響著傳輸管線的安全性。海底管跨長期受到波浪海流所引發的水動力作用，會因振動而承受交變載荷作用，特別是海水在海流作用下流經管跨時，常伴隨著周期性的漩渦發放，引起管跨的周期性振動，這種由漩渦發放激起的管跨的周期性運動稱為渦激振動。渦激振動極易對傳輸管線造成疲勞破壞，從而極大縮短管線的服役壽命。

目前，針對抑制渦激振動問題的解決方法，最常見的是采取在外側安裝渦激抑制裝置的方式。人們根據擾流方式的不同將其分為三類：（1）表面突起，如螺旋條紋、金屬絲、翼板、柱狀突起和球狀突起等，它們的作用主要是影響邊界層的分離；（2）覆蓋物，如帶孔套管、金屬絲網、軸向桿件和軸向板條等，它們的作用是將來流擊碎，使其變成很多小渦旋；（3）近尾流穩定器，如飄帶、整流罩、分流板、導流葉片、鋸齒狀薄板等，它們的作用是阻止渦激的建立。

2　螺旋列板抑制原理及影響因素

螺旋列板是目前應用很廣泛的一種被動型渦激抑制裝置，其抑制原理是通過改變沿管縱向的波流分離角，從而擾亂旋渦的空間關聯性，使旋渦分散，因此旋渦的強度被削弱，升力會降低。影響螺旋列板抑制效率的因素有很多，主要有列板的形狀、包覆比例、海洋生物附著情況、表面粗糙度、干擾效應和螺旋列板的曳力性能等。其中螺旋列板的形狀螺旋列板的形狀對其抑制效率的影響起著決定性的作用。螺旋列板的形狀一般可用螺高（H）、螺距（P）、螺頭數來表述。通過大量關于螺旋列板形狀對其抑制效率的研究表明，其螺距及螺頭數對抑制效果的影響并不大，然而在列板螺距和螺頭數相同的情況下，螺高對抑制效率的影響非常大，隨著螺高的增加，其抑制效率會明顯增大。螺旋列板具有抑制效率高、穩定性好、制作及安裝成本低、使用壽命長等特點。它能夠有效減少約70%～90%的渦激振動振幅。但同時其具有許多缺點，比如管道上生長的海洋生物會大大增加管道的粗糙度，這會大大降低螺旋列板的渦激抑制效率，并且會加大海流對管道的拖拽力。

3　控制桿抑制原理及影響因素

控制桿是一種直徑小于主圓柱體的細圓桿，將它平行放置于主圓柱體附近，從而干擾主圓柱體周圍的流暢結構，使來流變成許多小漩渦，能夠減小主圓柱體的渦激振動和拖曳力。目前研究成果表明，不同雷諾數下，數量不同、位置不同的控制桿對于主圓柱體渦激振動的抑制效果不同。以三根控制桿對于主圓柱體渦激振動的影響為例，在兩種來流方向：β=60°（抑制措施正向）和β=0°（抑制措施反向）；管外水流流速；立管的頂張力共40種參數上分別分析對比得出：各向抑制措施對于主圓柱體的渦激振動的抑制效果都較為明顯，均可達到50%以上，但大部分情況下反向抑制措施的抑制作用要好于正向抑制措施；在外來流速較高時控制桿對于渦激振動的抑制效果明顯，外來流速較低時抑制效果不明顯；而頂張力對于抑制效果的影響并不明顯。顯然，控制桿對于主圓柱體的渦激振動有一定抑制作用，能夠改變流場的結構并使漩渦脫落。三根控制桿相對于單根控制管來說具有更強的來流方向適應性、設計安裝更簡單、更節約成本等優點。

4　平行翼板抑制原理及影響因素

另一種較常見的方式是在外部添加平行翼板，與螺旋列板不同，平行翼板沿管道軸線分布沒有形狀上的彎曲。裝置通過改善管道附近的水流狀態，使海流成流線型，從而有效地弱化導致振動引發的旋渦的尺寸，達到減小立管渦激振動的目的，增大管道安全性。以三片翼板為例，其參數包括翼板夾角θ和翼板高度S，其中θ的值等于水流方向與其逆時針旋轉到第一個翼板對稱軸的夾角，S等于翼板底部到翼板頂端的垂直距離。我們常以翼板的夾角對其進行命名，常見的有為Δ00型、Δ30型、Δ60型和Δ90型，如圖1所示。經過分析計算，四種翼板均可在一定程度上減輕渦激振動帶來的影響，在實際工程的應用中，可根據不同的海底情況安裝不同種類的平行翼板。此外，在翼板高度相同的情況下，間隙比對渦激抑制效果有很大的影響，四種翼板的受力均隨著間隙比的的減小而減小，也即渦激抑制的效果越好，其中，在翼板高度相同的情況下，Δ60型翼板對渦激振動的抑制效果最好。在實際的工程應用中，應避免管道與海底間隙過大。在間隙比相同的情況下，翼板高度過高，會導致管線阻力系數的增大，威脅到管線的安全。顯然，平行翼板同樣有抑制效率高，穩定性好等優點，且相比于螺旋列板，平行翼板結構更加簡單，成本低。

圖1　翼板的夾角

結語

本文對于目前幾種常用的海底渦激抑制裝置的基本原理以及影響因素進行了簡單的分析，希望通過對于現有裝置的分析，為我們項目后期的開展打下基礎。

參考文獻

[1]劉小華.翼板擾流器的參數對海底管線水動力特性的影響[J].船海工程，2013，42（03）：169-173.

基金項目：2013年大學生創新創業訓練計劃國家級級創新訓練項目（201310425026）。

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A