基于光纤光栅传感器的细长柔性立管涡激振动响应实验

扰 动 作 用 。 而 光 纤 光 栅 传 感 器 体 积 微 小 ， 径 仅 直
有 ０ ３ ｍｍ， 论 对 外部 流 场 还 是 对 结 构 本 身 都 不 ． 无 会 产 生 明显 的影 响 作 用 。光 纤 光 栅 传 感 器 采 用 光 纤 焊 接 方 式 将 多 个 传 感 器 串联 在 一 起 ， 需 要 在 只 立 管 模 型 的端 部 引 出 少量 光 纤 连 接 线 即 可 实 现 对 光 信 号 的传 输 。此 外 ， 纤 光 栅 传 感 器 通 过 检 测 光
摘 要 涡激振 动是 导致深 海柔性 立 管发 生 疲 劳破 坏 的重要 因素 。利 用光纤光栅 传 感器进 行 了细 长柔性 立 管涡激振 动响 应 实验 ， 结合部 分 实验 结 果对 应 变信 号 的 时 间 变化 、 变频谱 、 移 时 间 并 应 位 历程及 位移 均方根 的 空间分 布进行 了分析 ， 出了细 长柔性 立 管模 型在 均 匀流 作 用下 的 一些 重要 得 涡激振 动响 应特性 ， 可为今后 进一 步的研 究 工作 提供 参考 。
第２ ２卷 第 ５期 ２１ ０ ０年 １ ０月
中 国海 上 油 气
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＦＦＳＨ ＯＲ Ｅ Ｉ Ａ Ｎ Ｄ Ｏ Ｏ Ｌ ＧＡ Ｓ
Ｖ ｏ ． ２ Ｎｏ． １２ ５ ０ｃ ．２ ０ ｔ ０１
基 于光 纤 光栅 传 感器 的细 长 柔性 立 管
涡 激 振 动 响应 实验 ＊
１２ ５ ４ｍ 的 现 场 立 管 的 涡 激 振 动 实 验 ， 于 实 验 ５ ．２ 由
坏， 将直 接导 致钻 采作 业 停 产 并在 短 期 内难 以得 到
恢 复 。因此 ， 深入认 识 细长 柔 性 圆柱 结 构 的 涡激 振 动 动力 特性 ， 对开 发 和利 用 深 海油 气 资 源 具有 有 许 多优 点 ， 在很 多 并
工 程领域 得 到了广 泛应用 ¨ ］但 在海 洋工程 方 面 的 １ ，
应 用 相 对 较 少 。Ｊａ ． ｅＷ ｉ ｅ ］ Ｍ ＡＲ Ｎ 实 验 ａｐＪ ｄ ｌ ［ 在 ｄ３ Ｉ
室 的浅水 拖 曳水池 中应用 光纤 光栅 传感器 测量 了长
细 比为 ７ ７ ５的立 管 模 型 的涡 激 振动 动力 响应 ， ８． 并 取 得 了 良好 的实验 结 果 ， 相 对 于实 际 的 深海 工 程 但 而 言 ， 模 型 实 验 采 用 的 立 管 长 细 比还 是 偏 小 。 该 Ｓ ｔｅ ｂ ｎ ｌ 利 用光纤 光 栅 传 感 器 进行 了长 度 为 ｗｉ ｎ ａ ｋ４ ｈ
应 变 ； 过对 应变 信号进 行频 谱分 析和模 态分 解 ， 通 获 得 细长 柔性 立管模 型在 均匀 流动条 件下 的涡激 振动
响应特 性 。
＊国家 高技 术研 究 发 展 计 划 （６ ８ ３计 划 ） 费 资助 项 目“ ０ ０米 水深 半 潜 式 钻 井 平 台 关 键 技术 研 究 ” ２ ０ ＡＡ０ Ａ１ ３ ， 经 ３０ （ｏ６ ９ ０ ） 国家 自然 科 学 基 金 委 员 会 创 新 研 究 群 体科 学 基 金 资 助 项 目（ ０ ２０ １ ， 岸 和 近 海 工 程 国 家 重点 实 验 室 开 放 基 金 资 助项 Ｅ（ Ｐ ９ ４ 部 分 研 究 成果 。 ５ ９ １０ ）海 ｌＬ ００）
同步测 量横 流 向 （ Ｆ） Ｃ 和顺 流 向 （Ｌ 下 立 管模 型 的 Ｉ）
入射光波波长 的变化来 反映被检 测结构 的应 变， 输入输出的信号不 会受 到外界 电磁信号 的干扰 ， 因此 光纤 光 栅 传感 器 非 常适 合 于 开展 细 长 柔 性 结
构 的水 下涡 激 振 动实 验 。
关 键 词 光 纤 光 栅 传 感 器 细 长 柔 性 立 管 涡 激 振 动 响 应 实验 分 析
水 深增 加 ， 采立 管 等 设 备在 海 洋 水 动力 环 境 钻 作 用下 的动 力响应 会 更 复 杂 ， 特别 是 涡 激 振 动 问题
对 深海 细 长柔 性 立 管 的结 构 安 全会 造 成 巨 大 的威 胁 。立 管结 构 一 旦 在 涡 激 振 动作 用 下 发 生 疲 劳 破
中未对光 纤光 栅传 感 器 采取 任 何 封 装措 施 ， 导致 实 验 过程 中部分 传感 器 损 坏 ， 能 获得 预 期 的 实验 效 未 果； 同时 由于野外 实验现 场环境 影 响 因素 复杂 ， 流 水 速 度难 以准确 确定 ， 因此 该 实 验 的结 果 也 难 以应 用
到涡激振 动经 验模 型和 Ｃ Ｄ模 型 的校验 中。 Ｆ
唐 国强 吕 林 滕 斌 谢 彬。 张建 侨 宋 吉 宁 吴 浩
（．大连 理 工 大 学 海 岸 和 近 海 工程 国家 重 点 实 验 室 ； ２ １ ．大 连 理 工 大 学 深海 工 程 研 究 中心 ；
３ ．中海 油 研 究 总 院 ； ４ 中 国 水产 科 学 研 究 院 渔 业 工 程 研究 所 ）
的现实 意义 。
目前 ， 进 行 细 长 柔 性 立 管 涡 激 振 动 实 验 时 在 常选 取加 速 度 传感 器 或 者 应 变传 感 器 作 为 基 本 的 测 量 仪 器 ， 这 些 仪 器 可 能 会 对 结 构 的 动 力 特 性 但 产 生 明显 的 影 响 ， 者 会 对 外 部 流 场 产 生 明显 的 或
本 研 究 应 用 光 纤 光 栅 传 感 器 开 展 了长 细 比为 １５ ０的柔性 立管 涡激振 动实 验 。实验 中 ， 过拖 车 ７ 通
拖 拉 立 管 模 型 在 水 池 中 匀 速 前 进 来 模 拟 实 际 均 匀 流
作 用下 的立 管涡激 振 动 问题 ； 用 光纤 光 栅 传感 器 采