螺旋列板在海底管道上的國產化應用

徐志輝

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

螺旋列板在海底管道上的國產化應用

徐志輝

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

螺旋列板是一種能有效抑制處于懸跨狀態的海管和深水立管渦激振動的裝置之一。介紹了螺旋列板的主要技術參數、使用材料要求和國外主要生產廠家情況，并對螺旋列板的國產化應用優勢、過程以及面臨的風險和應對措施進行了探討。

螺旋列板；渦激振動；海管懸跨；深水立管

1 常見的渦激振動抑制裝置

改變海底管道渦激振動的方法主要有兩個，一個是在海管設計階段對海管的結構進行優化，比如調整海管的外徑或壁厚，或者給海管增加支撐使其懸跨段變短等，結構優化后海管自身剛度或單位長度質量發生變化，從而改變了海管的振動特性，使其在特定的波流條件下不容易發生渦激振動。

常見的渦激振動抑制裝置主要是螺旋列板（Strake）和整流罩（Fairings）兩種，其原理都是通過改變海管所處的水體流場來達到抑制渦激振動的目的。螺旋列板與整流罩的區別是螺旋列板采用綁扎帶等措施固定在海管結構上，與海管之間一般不發生相對位移，而整流罩則是套在海管外面可以自由轉動。從功能上看，兩者都能起到很好的渦激振動抑制效果，抑制效率能達到90%～95%以上。螺旋列板結構相對比較簡單，價格比較便宜，擁有更大的拖曳力系數，整流罩正好相反。

2 螺旋列板主要技術指標

第一個技術指標是抑制效率。螺旋列板的主要作用是抑制海底管道或立管的渦激振動，因此渦激振動抑制效率是螺旋列板最主要的技術指標之一。抑制效率是指與帶有螺旋列板的海管之前相比，帶有螺旋列板的海管在相同海況條件下的主振型最大加速度幅值的減少程度。一般在相同的流速條件下對相同尺寸的海管進行試驗，其中一根海管增加螺旋列板，而另一根海管則保持原樣，比較二者主振型對應的最大加速度幅值的減小情況。加速度幅值減小則意味著海管的振動減弱，海管在振動過程中受的損傷也就隨之減小，從而延長了海管的使用壽命。

第二個技術指標是拖曳力系數。螺旋列板在安裝到海管或立管上之后，由于螺旋列板的特殊形狀改變了所處水體流場，水體對螺旋列板的作用力和海管沒有增加螺旋列板之前有所不同。拖曳力系數用來計算水體對海管的作用力，如果拖曳力系數較大，則有可能使水體對使海管作用力過大，從而使海管受到的作用力超過其承受能力。因此，拖曳力系數雖然跟螺旋列板的抑制渦激振動的作用沒有關系，但是關系到海管的安全，是一個重要的技術參數。

第三個技術參數是設計壽命。設計壽命是指螺旋列板要在整個設計壽命內保持其功能完整，主要跟使用的材料有關。使用的材料在設計壽命內要能使螺旋列板保持其形狀完整。

3 螺旋列板的國產化研發

螺旋列板的國產化研發主要體現在兩個方面，一是通過計算、室內試驗和海上試驗來確定螺旋列板的結構形狀和尺寸，并測試該形狀對應的抑制效率和拖曳力系數，第二是通過一系列的材料試驗確定所使用的材料能能夠在設計壽命內能維持螺旋列板的結構完整性不受到破壞。

用于螺旋列板的主體生產材料主要有聚氨酯彈性體、聚乙烯、玻璃纖維增強塑料等。材料試驗一般需要進行海水和溫度的老化、硬度、密度、吸水率、拉伸強度、撕裂強度和斷裂伸長率試驗等。

除以上兩個重點技術內容外，還有跟產品應用相關的幾個重要問題也不容忽視，如螺旋列板的抗海生物設計，需要在螺旋列板生產材料中增加防海生物的成分或者在螺旋列板表層涂防海生物涂料；安裝方式的研究，保證安裝到海管或立管上螺旋列板牢固可靠、便捷經濟；螺旋列板的研究制造過程中應有第三方參與，尤其是主要性能的試驗和證明過程應有第三方的見證和評估等。

4 螺旋列板國產化應用的主要風險點及應對措施

由于螺旋列板的國產化應用起步較晚，成熟度較低，在實際應用中可能發生一些風險，比如螺旋列板在海管運輸或服役時脫落、海生物生長使用螺旋列板形狀改變降低抑制效率、主體材料性能達不到要求而在生命周期內損壞等。

4.1 如螺旋列板在海管運輸或服役時脫落

螺旋列板的安裝是通過綁扎的方式用不銹鋼帶將螺旋列板捆綁在跨接管上的，可能發生捆綁不牢而導致螺旋列板脫落的風險。針對該問題主要有以下幾點降低其風險：

（1）要求使用鈦帶等具有良好抗腐蝕性能的綁扎帶，防止因綁扎帶腐蝕而導致螺旋列板的脫落；

（2）螺旋列板的綁扎牢固程度要通過試驗進行測試，測量將螺旋列板從海管或立管上撕裂下來的最大作用力，該作用力要求大于管道在運輸、安裝和服役過程中的最大外力；

（3）如果具備條件，螺旋列板的安裝最好在陸地等水上干式環境完成，以提高螺旋列板安裝的可靠度。

4.2 附著海生物降低抑制效率風險

附著在螺旋列板上海生物將會降低其抑制效率，隨著海洋生物附著高度的增加，螺旋列板抑制效率顯著降低，海管的渦激振動響應幅度會逐漸加大，這將會減少海管的疲勞壽命。為了控制海生物的生長引起的抑制效率降低風險，建議采取以下措施：

（1）在螺旋列板上涂刷防海洋生物附著的涂層，抑制海生物在螺旋列板上的生長；

（2）對海管上的海生物生長情況進行定期觀測，若海生物厚度達到一定的程度則對其進行水下清洗。

4.3 材料不合格風險

螺旋列板使用的材料應保證螺旋列板在整個生命周期內維持其形狀不變，因此所選擇的主體材料及附屬件（如綁扎帶等）材料抗老化性和抗腐蝕性能在整個設計壽命內都要滿足要求。為了避免因國產螺旋列板所用材料不合格帶來的風險，可以采取以下幾點措施：

（1）生產螺旋列板的主體材料采用技術成熟的、國際通用的螺旋列板制作材料；

（2）對產品進行抽樣檢查，在成品上取樣進行材料測試，確認成品螺旋列板的材料滿足規范和項目要求。

5 結語

由于螺旋列板在國內設計和生產還屬于起步狀態，使用過程中存在的風險及應對措施還處于逐漸摸索和完善的階段。隨著國內深水油田的開發速度加快，螺旋列板的應用將逐漸增多。國產螺旋列板產品的設計和生產，尤其是渦激振動抑制效率較高、拖曳力系數較小的螺旋列板的研發，將在我國深水油田開發中起到重要作用。

[1] 閆嗣伶，張曉靈，楊加棟，等.渦激振動抑制裝置聚氨酯彈性體的研制[J].聚氨酯工業，2011，26（6）：27-30.

Localization of Spiral Plate in Submarine Pipeline

Xu Zhi-hui

The spiral plate is one of the devices that can effectively suppress the vortex vibration of the sea tube and the deep water riser in the suspended state.This paper introduces the main technical parameters of the spiral plate，the use of material requirements and the major manufacturers of foreign situation，and the application of the advantages of the spiral plate，the process and the risks and response measures were discussed.

spiral plate；vortex vibration；sea tube suspension；deep water riser

TE973

：A

：1003–6490（2017）04–0167–02

2017–04–06

徐志輝（1983—），男，湖南張家界人，工程師，主要從事海底管道設計工作。