動態(tài)海洋柔性立管的渦激振動模型實驗分析研究.pdf

1、海洋立管作為連接海面作業(yè)平臺與海床井口的關(guān)鍵構(gòu)件,在海洋油氣勘探開采技術(shù)飛速發(fā)展的今天,越來越受到關(guān)注。隨著各大石油廠商將目光逐漸投向更深的海域,柔性立管的諸多優(yōu)勢得到體現(xiàn)。在深水環(huán)境中,柔性立管極易受到復(fù)雜海況的影響(如海流、波浪作用)進而出現(xiàn)一些特有的動力響應(yīng)。一定的流速范圍內(nèi),立管的尾流區(qū)將會發(fā)生渦泄脫落現(xiàn)象,而產(chǎn)生渦激振動(Vortex Induced Vibration,簡稱 VIV)。渦激振動現(xiàn)象的直接表現(xiàn)為立管在順水流方向

2、、垂直水流方向的周期性振動。渦泄脫落頻率同結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時將產(chǎn)生共振,這使得振幅將極大的增加,長期將使得立管發(fā)生疲勞破壞,一定程度上制約著海洋工程向深水的發(fā)展。
　　柔性立管實際作業(yè)過程中,由于受到流體的作用、內(nèi)部張力、海面結(jié)構(gòu)物的偏移慢漂的影響而表現(xiàn)出動態(tài)特性。本文依托于國外某海洋立管生產(chǎn)廠商委托的柔性立管動態(tài)響應(yīng)性能測試實驗,以等比例模型實驗做為主要的研究手段。主要研究工作如下:
　　1)本文以經(jīng)一定比例縮小后的柔性

3、立管模型為研究對象,分析兩端鉸接固定的柔性立管在不加載外部浮體結(jié)構(gòu)時 VIV動態(tài)響應(yīng)特點。通過施加不同頂端張力,在一定流速區(qū)間內(nèi)進行全程的數(shù)據(jù)采集。經(jīng)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,對該柔性立管的動態(tài)響應(yīng)特性進行較為全面的分析;在揭示其渦激振動形成機理的同時,重點對目標立管的共振區(qū)域進行研究,分析立管進入共振區(qū)域的流速及其他條件。
　　2)本文對動態(tài)柔性立管的邊界條件進行分析,在滿足實驗要求的同時進行邊界條件相應(yīng)簡化處理。完成頂端的位移施加裝置后

4、,進行了施加頂端位移的柔性立管在相同條件下的 VIV動態(tài)響應(yīng)探索性實驗。實驗的結(jié)果一方面可同兩端鉸接的柔性立管進行對照比較,進而分析動態(tài)特性在渦激振動現(xiàn)象過程中的影響;另一方面可作為重要的實驗成果為實際工程提供參考,具有很高的應(yīng)用價值。
　　3)對于實驗過程中產(chǎn)生的應(yīng)變變化實時數(shù)據(jù),本文用 MATLAB等數(shù)據(jù)處理軟件進行振動幅值的時域分析;采用FFT變換(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換)進行應(yīng)變譜分析

5、,進而得出目標位置、目標方向的振動頻率。振動幅值及振動頻率做為本文關(guān)于 VIV動態(tài)響應(yīng)的主要分析介質(zhì),可對柔性立管的實時動力特性進行較為精確的描述,進而從中歸納出柔性立管的廣適用性動力響應(yīng)規(guī)律。實驗過程中,選用的攝像裝置將對柔性立管的渦激振動現(xiàn)象進行全程的捕捉,包括水面攝像、及水下攝像。借助示綜劑對尾流區(qū)渦泄的標識,水面攝像可對實驗過程中立管后方尾流區(qū)的渦泄形態(tài)進行有效捕捉;水下攝像則主要對立管在水下的實時姿態(tài)進行監(jiān)控。其部分資料將作為