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在大型波流耦合试验水池中进行了阶段流作用下深海立管涡激振动抑振敏感性试验研究。 试验立管模型长6. 2 m,长细比310,模型材料采用铜管,立管上部1. 2 m处于均匀稳定的流场中,下部5. 0 m处于静水之中。采用螺高为0. 25D的梯形截面双螺旋和三螺旋导板作为抑振装置,研究了不同覆盖率对立管涡激振动抑制效率及振动频率的影响,分析了其敏感性规律。结果表明:螺旋导板在立管上的覆盖率对抑制涡激振动有着重要的影响;在敏感区域内,覆盖率对抑制效率及振动频率的影响产生明显的过渡;当覆盖率超出敏感区域,抑制效率高
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第 34 卷 第 4 期
2015 年 8 月
Vol.34 No.4
Aug.2015
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Journal of Shandong University of Science and Technology
NNaattuurraall SScciieennccee
阶段流下大长细比深海立管抑振敏感性试验研究
李 朋
,郭海燕
,刘景伟
,张永波
(山东科技大学 土木工程与建筑学院,山东 青岛 ;中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 ;
青岛市工程咨询院,山东 青岛 ;青岛国家海洋科学研究中心,山东 青岛 )
摘 要:在大型波流耦合试验水池中进行了阶段流作用下深海立管涡激振动抑振敏感性试验研究。 试验立管模型
长 ,长细比 ,模型材料采用铜管,立管上部 处于均匀稳定的流场中,下部 处于静水之中。 采
用螺高为 D 的梯形截面双螺旋和三螺旋导板作为抑振装置,研究了不同覆盖率对立管涡激振动抑制效率及振
动频率的影响,分析了其敏感性规律。 结果表明:螺旋导板在立管上的覆盖率对抑制涡激振动有着重要的影响;在
敏感区域内,覆盖率对抑制效率及振动频率的影响产生明显的过渡;当覆盖率超出敏感区域,抑制效率高且变化较
小,而立管振动频率则产生明显的降阶。
关键词:深海立管;涡激振动;螺旋导板;覆盖率;抑振敏感性
中图分类号:; 文献标志码: 文章编号:()
Experimental Study on Sensibility of VIV Suppression of Deep-sea
Risers with Large Slenderness Ratio in a Stepped Current
,
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( , ,,
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Abstract: ( )
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D
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Key words: ; ; ; ;
收稿日期:
基金项目:国家高技术研究发展计划(“” 计划) 项目() ;国家自然科学基金项目() ;中央高校基本
科研业务费();山东省土木工程防灾减灾重点实验室开放课题基金项目( ) ;青岛市博士
后研究人员应用研究项目();山东科技大学人才引进科研启动基金项目()
作者简介:李 朋(— ),男,山东邹城人,讲师,博士,主要从事海洋工程结构动力分析及防灾减灾技术研究
:
海洋立管是深海油气田开发系统的重要组成部分,是海洋平台与海底井口的连接结构。 在波浪和海流
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第 34 卷 第 4 期
2015 年 8 月
Vol.34 No.4
Aug.2015
的作用下,涡激振动是引发其疲劳破坏的主要诱因
[]
。 为了减少涡激振动对立管的破坏作用,国内外学者
进行了大量的研究
[]
,提出通过在立管表面附加扰流抑振装置,达到抑制漩涡脱落及降低立管振动幅值,提
高立管服役寿命的目的
[]
。 螺旋导板是一种常见的抑振装置,影响螺旋导板抑振效果的几何特性有螺高、
螺距和螺旋数等因素
[]
。 立管沿长度全部覆盖抑振装置能产生较好的抑振效果,但会使曳力增大,增加
顺流向振幅,加剧立管的疲劳破坏。 在实际工程中,针对海洋环境上层流速非常大、下层流速较小的特点,螺
旋导板通常从立管顶部开始布置,覆盖率达到一定数值后,抑振效果比较理想;并且从实际工程角度来看,也
能降低工程成本。
本研究利用山东省海洋工程重点实验室大型平面波流耦合试验水池,通过制造不同流速的外流作用于
立管模型的上部,进行阶段流作用下大长细比深海立管的涡激振动抑振敏感性试验。 采用螺旋导板作为抑
振装置,设计制作了双螺旋和三螺旋两种不同形式的螺旋导板。 通过改变抑振装置的覆盖率,研究其对深海
立管涡激振动的抑制影响规律,分析抑制效率对覆盖率的敏感性,为深海立管的工程设计、应用及安全服役
提供参考依据。
1 试验概况
11 试验水池
试验在山东省海洋工程重点实验室平面随机波流耦合水池中进行,水池长 、宽 、深 ,水
池内部有大型深水井,长 、宽 、深 ,最大总流量为
。 由于沿水池宽度方向最大外流流
速不能够满足试验要求,因此对试验水池进行设计改造,改造方案及工程如图 所示。 该方案形状近似为
“漏斗”状,最宽处 ,最窄处 ,采用圆弧拐角的过渡方式,总长度为 。 直线段的末端设计了长
的延长段,以避免尾流在泄放过程中引起直线段内的水流流态发生突变。 根据采用 软件数值模拟和
测试流速对比结果分析,该方案能够满足试验外流流速大小及均匀性的要求。
图 1 试验水池
12 立管模型及试验支架
试验选用铜管作为立管模型,总长度 ,上部 处于均匀流中,下部 处于静水之中。 由
钢结构企业现场制作 高钢结构支架,用来固定立管。 支架由三个标准节组合而成,为防止在外流的作
用下钢结构支架自身也随之振动,标准节之间采用高强螺栓连接,在支架底部设计 厚钢板来增加支架
配重,同时在支架顶端采用高强螺栓与改造后水槽侧壁进行连接,采用实验室天车对支架进行吊装、定位。
为保证立管的定位精度,由潜水员水下辅助定位,并采用美国 公司的 型微型水下摄像
系统监测立管的振动状态。 立管依靠支架支撑,两端连接方式均为铰接,根据试验方案,设计一套铰接支座,
由专业机械企业生产和装配。 试验整体布置如图 所示,立管吊装及定位如图 所示,试验立管模型详细参
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