大型結(jié)構(gòu)物細長桿件渦激振動的抑制

馮加偉，梁思穎，李天斌

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524000)

0 引 言

隨著海洋油氣勘探開發(fā)向深水發(fā)展，導管架平臺由十幾米水深發(fā)展至幾百米水深，桿件的長度大幅增加。在深水導管架建造、運輸、在位工況下，流體對細長桿件的影響不僅有恒定載荷作用，而且會引起其渦激振動(Vortex-Induced Vibration，VIV)。當流體流經(jīng)細長桿件時，在柱體兩側(cè)會周期性地出現(xiàn)脫離結(jié)構(gòu)物表面的旋渦，桿件在與來流垂直的方向上會產(chǎn)生振動[1]。由流體引起的VIV對桿件產(chǎn)生的力與相應的恒定載荷相比大幾十甚至上百倍，能很快引起桿件端點處應力集中部位的疲勞開裂[2]。因此，在導管架設計階段需要對結(jié)構(gòu)進行VIV校核并制定控制措施。

1 導管架結(jié)構(gòu)VIV響應分析

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

WC9-2/9-3CEP導管架工作點尺寸為64 m×18 m，底部尺寸為76 m×66 m，導管架總高為130.1 m。WC9-2/9-3CEP導管架模型如圖1所示。對建造、運輸、在位不同工況下導管架主結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)由海流或風引起的VIV進行校核。在計算海流對水下結(jié)構(gòu)引起的VIV時，阻尼因數(shù)取0.50%；在計算風對大氣中結(jié)構(gòu)引起的VIV時，阻尼因數(shù)取0.15%。

圖1 WC9-2/9-3CEP導管架模型

1.2 環(huán)境參數(shù)

在導管架建造和運輸過程中，校核結(jié)構(gòu)VIV選取的風力，根據(jù)導管架設計規(guī)格書，海平面以上10 m水平層風速為20.7 m/s，其他水平層的風速按照API RP 2A-WSD[3]section 2.3.2b推算得出。

在位工況下，校核導管架結(jié)構(gòu)的VIV，選取百年一遇的最大海流和風，詳細環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 最大風速和流速

1.3 分析方法

當風、流經(jīng)過細長結(jié)構(gòu)物時會產(chǎn)生垂直于來流和圓柱體軸線方向的流體升力，當渦激的升力頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時，結(jié)構(gòu)的振動會驅(qū)使旋渦的泄放頻率在一個較大的范圍內(nèi)固定在結(jié)構(gòu)的自振頻率附近，發(fā)生鎖定現(xiàn)象[4]。……