陡波形立管涡激振动疲劳损伤参数敏感性分析

!!近年来$钢 悬 链 线 立 管 由 于 具 有 良 好 的 技 术 优 势 和商业前景$在深海油气行业得到了广泛的应用$并逐 渐成为深海油气开发首选立管形式(")&在各种形式的 钢悬链线立 管 中$陡 波 形 立 管 通 过 在 中 间 管 段 设 置 一 定数量的浮块形成拱弯段大幅度降低了顶部悬挂点的 有效张力$进 一 步 提 高 立 管 服 役 期 间 的 疲 劳 寿 命& 除 此之外$陡波形立管具有陡峭的构型$立管触地段与海 底夹角接近6$e$因此可以有效避免海床管线稳定性问 题$特别适用于管内流体密度发生变化的立管(#)&
第!"卷!第!期!
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中国海洋大学学报
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陡波形立管涡激振动疲劳损伤参数敏感性分析"
顾洪禄郭海燕"" 刘!震
!中国海洋大学工程学院$山东 青岛 #<<"$$"
摘!要#!基于柔 性 杆 理 论 和 尾 流 振 子 模 型 计 算 陡 波 形 立 管 的 涡 激 振 动 响 应%综 合 使 用 2A/ 曲 线 法*雨 流 计 数 法* %8T?RUODA7FDOU线性累积疲劳理论对立管涡激振动导致的疲劳损伤进行计算分析&并以 7,3-,]为平台编写相应计算 程序$将本文计算得到的静力分析结果*固有频率和疲劳损伤分别与专业海工计算软件 )UC8.TOI和已发表文献进行对比 验证&进一步对陡波形立管在涡激振动下的疲劳损伤进行参数敏感性分析$结果表明#浮子段长度*浮力因子*弹性模量* 海流速度*波浪高度对陡波形立管疲劳损伤均有较大影响$有望为陡波形立管的实际工程设计提供参考& 关键词#!柔性杆理论%尾流振子模型%陡波形立管%涡激振动%疲劳损伤%敏感性分析 中图法分类号#!%=!"!!!!!文献标志码#!,!!!!!文章编号#!"<=#A!"=@!#$#""$!A"":A$6 #!"$;"<@@"'B;CDEF;GHIJ;#$"6$""! 引用格式#!顾洪禄$郭海燕$刘震;陡波形立管涡激振动疲劳损伤参数敏感性分析(K);中国海洋大学学报!自然科学版"$ #$#"$!"!!"#"":A"#"; M0 5QDRA-N$M0) 58FA48D$-(0\GOD;%8U8?OSUFCVODVFSFXFS98D8T9VFVQWW8SFRNOH8?8ROFDVSOOYAZ8XOUFVOUHNOSQXQUA SOIAFDHNCOHXFJU8SFQD(K);%OUFQHFC8TQW)CO8D0DFXOUVFS9QW+GFD8$#$#"$!"!!"#"":A"#";
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在细长柔 性 立 管 涡 激 振 动 研 究 中$大 部 分 认 为 横 向涡激振动 响 应 幅 值 远 大 于 顺 流 向$但 顺 流 向 频 率 较 高&目前$国际 工 程 界 广 泛 认 可 的 涡 激 振 动 预 报 程 序 25&,'=("#)*1(1,/,(":)*1(1,("@)也 都 只 关 注 了 立 管横流向涡 激 振 动 响 应$因 此 本 文 没 有 关 注 顺 流 向 的 涡激振动响 应$只 考 虑 陡 波 形 立 管 的 横 流 向 涡 激 振 动 响应&
立管在运 行 期 间 会 受 到 海 流 的 影 响$一 定 流 速 的 海流会引起 立 管 两 侧 产 生 交 替 的 漩 涡 脱 落$立 管 在 漩 涡脱落作用下产生周期性的振动$称之为涡激振动(:)& 涡激振动会 导 致 立 管 疲 劳 损 伤$当 涡 脱 频 率 接 近 立 管 固有频率时 会 发 生 .锁 定/现 象$此 时 立 管 振 动 将 会 控 制漩涡脱落并会伴随有更强烈的振动和更大的振幅$ 这将会加剧立管的疲劳损伤(@)&立管的疲劳破坏会导 致严重的油 气 泄 漏 以 及 大 范 围 的 海 洋 环 境 污 染$因 此 对于深海立管涡激振动导致的疲劳损伤问题进行深入 研究具有重要意义&
! "!基金项目#山东省重点研究发展计划项目!#$">M54""!$@!"资助 2NYYQUSOHJ9SGO^O9'OVO8UCG8DH*OXOTQY?ODS%UQRU8?QW2G8DHQDR%UQXFDCO!#$">M54""!$@!"
收稿日期##$"6A$:A#<%修订日期##$"6A$!A$< 作者简介#顾洪禄!"66:A"$男$硕士生&&A?8FT#"@"":!>#66"ff;CQ? !""!通讯作者#&A?8FT#G9RNQ"QNC;OHN;CD
关于立管的涡激振动疲劳损伤$国内外学者进行了 大量的研究#]88UGQT? 等(!)通过分析观察 58Dn9S8DROD 试验$发现顺流向的振幅较小但频率较高$顺流向与横
流向对于立管的疲劳损伤几乎相同%2ND等(<)利用虚拟 激励法对深水立管在剪切流作用下的涡激振动响应进 行了数值研 究$对 立 管 的 涡 激 振 动 疲 劳 寿 命 进 行 了 分 析研 究%L8DR 等(=)提 出 了 一 种 考 虑 土 体 相 互 作 用 的 1(1 预测模型$用于预测钢悬链线立管触地点疲劳损 伤$并利用该 模 型 对 钢 悬 链 线 立 管 触 地 点 疲 劳 寿 命 进 行了参数敏 感 性 分 析%高 云 等(>)在 拖 曳 水 池 中 对 柔 性 立管的涡激 振 动 响 应 进 行 了 试 验 研 究$并 分 别 使 用 频 域法以及雨 流 法 对 疲 劳 损 伤 进 行 分 析%秦 伟 等(6)采 用 点涡强度计算流体对结构的横流向和顺流向脉动水作 用力$推导出 的 双 向 涡 致 疲 劳 分 析 对 结 构 的 疲 劳 损 伤 评估更为全面%郭海燕等("$A"")对立管在内外流体*顶部 张力共同作用下的涡激振动疲劳问题进行了数值分析 和试验研究&目前关于陡波形立管涡激振动疲劳损伤 的研究鲜有报道&