凸起型螺旋導(dǎo)板擾流抑制試驗(yàn)研究

李　朋，郭海燕，王　飛，張永波

（1.山東科技大學(xué)　土木工程與建筑學(xué)院，山東　青島　266590；2.中國(guó)海洋大學(xué)　工程學(xué)院，山東　青島 266100；3.青島國(guó)家海洋科學(xué)研究中心，山東　青島　266071）

凸起型螺旋導(dǎo)板擾流抑制試驗(yàn)研究

李朋1，郭海燕2，王飛1，張永波3

（1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島266590；2.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100；3.青島國(guó)家海洋科學(xué)研究中心，山東青島266071）

為深入研究安裝螺旋導(dǎo)板的深水立管渦激振動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)一種月牙凸起型螺旋導(dǎo)板抑振裝置，月牙凸起采用橡膠材料，在凸起兩端肋高最低處連接成螺旋狀。通過(guò)變化螺旋導(dǎo)板的螺旋數(shù)、螺距及螺高等形狀參數(shù)，在風(fēng)-浪-流聯(lián)合水槽中進(jìn)行安裝該抑振裝置的立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)，研究該抑振裝置對(duì)渦激振動(dòng)的抑制效率及其對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，凸起型螺旋導(dǎo)板可取得優(yōu)異的抑制效率，有效地降低由漩渦脫落引起的橫向振動(dòng)幅值；隨著螺旋數(shù)的增加，螺旋導(dǎo)板抑制效率有所提高，但增幅降低，增加螺距對(duì)抑制效率影響不大，而隨著螺高的增加，抑制效率有較大增幅；同時(shí)該抑振裝置能有效地?cái)_亂立管振動(dòng)的主導(dǎo)頻率，各抑振立管模型在示波區(qū)間內(nèi)基本沒(méi)有出現(xiàn)明顯的主導(dǎo)頻率。

深水立管；渦激振動(dòng)；月牙凸起；螺旋導(dǎo)板；形狀參數(shù)

海洋立管是油氣勘探開(kāi)發(fā)不可或缺的設(shè)備之一，隨著深水油氣開(kāi)發(fā)深度的不斷加大，對(duì)其研究和應(yīng)用有著更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，立管關(guān)鍵技術(shù)也成為深水油氣開(kāi)發(fā)的瓶頸［1-2］。由于水深的不斷增大，平臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及波浪作用在立管疲勞破壞中的作用逐漸減小，而渦激振動(dòng)成為主要原因［3］，也成為立管在服役期間的一個(gè)重要安全因素。立管的造價(jià)往往占據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的一半以上，因此減小深水立管渦激振動(dòng)有重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。作為被動(dòng)抑制立管渦激振動(dòng)的有效措施，螺旋導(dǎo)板的應(yīng)用一直是深水油氣田開(kāi)發(fā)中的前沿技術(shù)，其研究已取得很多成果［4-8］，在墨西哥灣、北海及西非等深水油田項(xiàng)目中已得到了應(yīng)用［9］。對(duì)于螺旋導(dǎo)板，影響其抑制效率的因素主要是導(dǎo)板的形狀（螺高、螺距及螺旋數(shù)）、覆蓋率及表面粗糙度。對(duì)螺高和螺距的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究是目前螺旋導(dǎo)板應(yīng)用研究的熱點(diǎn)方向。DNV規(guī)范定義了兩種尺寸的三螺旋導(dǎo)板，一種為螺距17.5 D，螺高0.25 D；另一種為螺距5 D，螺高0.14 D；其中D為立管外徑。螺旋導(dǎo)板一般都是覆蓋在立管外流流速相對(duì)較大的上部區(qū)域，因此，覆蓋率也是影響抑制效率的一個(gè)因素，而海洋浮游生物的附著對(duì)抑制效率的影響也是不容忽視的。

螺旋導(dǎo)板的抑制原理主要是通過(guò)沿立管縱向改變分離角，擾亂漩渦的連續(xù)性，減小漩渦關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度，從而削弱漩渦強(qiáng)度，達(dá)到減小立管振幅、提高疲勞壽命的目的。已有的研究［10-13］表明，影響螺旋導(dǎo)板抑制效率最主要因素是導(dǎo)板形狀，而螺高的影響尤為顯著，增大螺高可顯著地提高抑制效率，但同時(shí)會(huì)增大立管的投影面積，使拖曳力增大，降低立管疲勞壽命。

基于以上闡述，本文設(shè)計(jì)一種月牙凸起型螺旋導(dǎo)板，該抑振裝置較傳統(tǒng)的螺旋導(dǎo)板安裝簡(jiǎn)單，且裝置由若干離散的月牙凸起組成，整體仍呈螺旋狀，每個(gè)凸起在兩端月牙肋高最低處連接，能有效減小立管投影面積，在導(dǎo)流過(guò)程中可有效地?cái)_亂漩渦脫落。本文通過(guò)立管模型在風(fēng)-浪-流聯(lián)合水槽中開(kāi)展了渦激振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)變化多級(jí)外流流速，變化螺距、螺高及螺旋數(shù)等形狀參數(shù)，研究該新型抑振裝置的抑制效率及其對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，為螺旋導(dǎo)板的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考和科學(xué)依據(jù)。

1　試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)-浪-流聯(lián)合水槽進(jìn)行，水槽可實(shí)現(xiàn)最大流速0.8 m/s、最大水深0.8 m的均勻流場(chǎng)，滿足本次試驗(yàn)要求，試驗(yàn)水槽如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)水槽

試驗(yàn)立管模型采用站立姿態(tài)，考慮到水槽內(nèi)壁為光滑玻璃且無(wú)固定裝置，設(shè)計(jì)了寬1.2 m、高1.75 m的鋁合金支撐裝置用來(lái)固定立管，立管上下端通過(guò)焊接于支撐裝置上的鉸接支座連接，鉸接支座根據(jù)支架尺寸由機(jī)械制造企業(yè)加工制作，在靠近支撐裝置頂部固定立管處焊接兩道橫向支撐安裝張力計(jì)用以施加頂部張力。支撐裝置通過(guò)預(yù)埋高強(qiáng)螺栓與水槽相連，試驗(yàn)總體布置如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)總體布置圖

在更換不同工況立管模型過(guò)程中，為了避免支撐裝置的安裝定位誤差，在支撐裝置迎流面設(shè)計(jì)了可滑動(dòng)槽道，并布置若干插槽，從而實(shí)現(xiàn)在不移動(dòng)支撐裝置的情況下方便地更換不同工況立管模型。在水槽外側(cè)距離下端支座約500 mm處布置攝像機(jī)，用以在試驗(yàn)過(guò)程中記錄立管的振動(dòng)狀態(tài)。

在來(lái)流向立管模型前方約15 m處布置多普勒流速計(jì)用以測(cè)量外流流速，本次試驗(yàn)變化多級(jí)外流流速，最大流速0.8 m/s。在流速施加過(guò)程中，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀處于示波狀態(tài)，待每級(jí)目標(biāo)流速穩(wěn)定后開(kāi)始采樣，采樣時(shí)間為40 s。為防止對(duì)均勻流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，將所有導(dǎo)線沿水面上方玻璃側(cè)壁引出，考慮溫度及電磁信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響，試驗(yàn)中導(dǎo)線采用屏蔽電纜，應(yīng)變計(jì)引出線與屏蔽電纜之間焊接后做防水保護(hù)，并在試驗(yàn)開(kāi)始前充分示波。

通過(guò)對(duì)多種管材的力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)合本文試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行優(yōu)化，選取外徑為18 mm的透明有機(jī)玻璃作為立管模型，同批次的立管模型均進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以保證立管模型工況的一致性。模型兩端與鉸接支座連接，并采用金屬套箍在上下兩端鉸接支座外側(cè)進(jìn)行固定，試驗(yàn)立管模型詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1　立管模型參數(shù)表

立管模型有效長(zhǎng)度為1.5 m，其中下部0.75 m處于均勻流場(chǎng)中，上部0.75 m處于空氣中，沿立管軸向由頂端支座向下500 mm、700 mm兩處位置布置應(yīng)變計(jì)，如圖3所示。每組應(yīng)變計(jì)4個(gè)，順流向?yàn)?#和3#應(yīng)變計(jì)，橫向?yàn)?#和4#應(yīng)變計(jì)，沿順流向和橫向?qū)ΨQ粘貼，分別用來(lái)測(cè)量橫向和順流向應(yīng)變，如圖4所示。應(yīng)變計(jì)粘貼完畢后涂抹防水膠，試驗(yàn)采用YD-28A型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀及信號(hào)采集分析儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。試驗(yàn)正式開(kāi)始前進(jìn)行檢測(cè)性試驗(yàn)，以檢測(cè)頂張力施加、外流流速測(cè)量、應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)采集等試驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分的性能。

圖3　應(yīng)變計(jì)布置示意圖

圖4　應(yīng)變計(jì)粘貼示意圖

1.2凸起型螺旋導(dǎo)板設(shè)計(jì)

凸起型螺旋導(dǎo)板由若干離散的月牙凸起組成，月牙凸起采用橡膠材料，考慮到其尺寸及質(zhì)量較小，可忽略其對(duì)立管剛度的影響。凸起由機(jī)械加工模具制造，為減小模具加工對(duì)月牙凸起尺寸造成的誤差，在加工成型后分批采用游標(biāo)卡尺測(cè)量，剔除成型尺寸不符合要求的批次，月牙凸起設(shè)計(jì)如圖5所示，詳細(xì)尺寸如表2所示。

圖5　月牙凸起設(shè)計(jì)及成型圖

表2　月牙凸起詳細(xì)尺寸（D-立管外徑）

與傳統(tǒng)螺旋導(dǎo)板不同的是，該抑振裝置是由多個(gè)離散的月牙凸起在兩端肋高最低處對(duì)接組成，整體仍呈螺旋狀，對(duì)比實(shí)際海洋工程中立管抑振裝置的布置以及導(dǎo)板形狀特性，試驗(yàn)中凸起型螺旋導(dǎo)板均布置在立管水下部分。由于擾流抑振裝置與立管模型為非同性材料，為使兩者能牢固粘貼，選取多種粘接劑在試驗(yàn)前進(jìn)行粘接強(qiáng)度測(cè)試，最后選用高強(qiáng)502為粘接劑。強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表明，使用該粘接劑，兩者粘貼牢固，滿足要求。各抑振管詳細(xì)布置如圖6所示。

圖6　凸起型螺旋導(dǎo)板及立管整體裝配模型

考慮螺旋導(dǎo)板的抑振效率主要影響因素，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩種螺高的凸起型螺旋導(dǎo)板，螺高為0.25 D時(shí)變化6種工況，采用3種螺旋數(shù)及變化6種不同螺距。為保證與帶抑振裝置立管模型工況的一致性，裸管內(nèi)部增加配重塊。作為對(duì)比，螺高為0.17 D時(shí)采用兩種螺距，同時(shí)在相同外流流速工況下進(jìn)行配重裸管的渦激振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如表3所示。

表3　立管模型試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)表

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究新型該抑振裝置對(duì)立管渦激振動(dòng)的抑制效率及其對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)影響規(guī)律，試驗(yàn)主要進(jìn)行螺距為0.25 D的6組工況，在6組工況中變化3種螺旋數(shù)及6種螺距。同時(shí)作為對(duì)比，進(jìn)行了2組螺高為0.17 D，螺距分別為15 D，17.5 D的工況。試驗(yàn)施加多級(jí)流速，最大為0.8 m/s。分別將各抑振管的微應(yīng)變幅值及振動(dòng)頻譜依據(jù)不同設(shè)計(jì)工況進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)將各抑振管的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律同配重裸管進(jìn)行對(duì)比討論。

圖7　外流流速為0.6 m/s時(shí)配重裸管及各抑振管橫向微應(yīng)變時(shí)程對(duì)比曲線

對(duì)于立管的渦激振動(dòng)“鎖振”區(qū)間，已有的研究表明［14-15］，在水中發(fā)生“鎖振”的約化速度區(qū)間約為Vr∈［4.5，10］，對(duì)比配重裸管的渦激振動(dòng)規(guī)律，在外流流速為0.6 m/s時(shí)，約化速度Vr=5.6，在此速度范圍內(nèi)立管振幅相比較低外流流速發(fā)生突變，振動(dòng)強(qiáng)烈，因此本文以外流流速為0.6 m/s時(shí)進(jìn)行分析。圖7為外流流速為0.6 m/s時(shí)配重裸管及各抑振管橫向微應(yīng)變時(shí)程對(duì)比曲線，作為參考，將各抑振管在0～1 s范圍內(nèi)的微應(yīng)變數(shù)據(jù)單獨(dú)列出。在外流流速較小時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各抑振管振動(dòng)幅度微弱，有些工況幾乎觀察不到振動(dòng)。由圖7分析可以發(fā)現(xiàn)，外流流速在0.6 m/s時(shí)配重裸管處于鎖振區(qū)間，振幅遠(yuǎn)大于各抑振管的振幅，且配重裸管的微應(yīng)變時(shí)程曲線在示波區(qū)間內(nèi)比較穩(wěn)定，各抑振管振幅均較小但幅值變化不穩(wěn)定。由應(yīng)變幅值分析可知，各抑振管均取得優(yōu)異的抑制效率，能有效抑制立管的橫向振動(dòng)，特別是螺高為0.25 D的工況CB-1-3、CB-1-4、CB-1-5及CB-1-6（螺距分別為10 D，12.5 D，15 D及17.5 D），抑制效率達(dá)90%以上，工況CB-1-6取得最高的抑制效率，達(dá)到98.1%。上述抑振管工況在該流速區(qū)間內(nèi)通過(guò)觀察也發(fā)現(xiàn)，立管振動(dòng)非常微弱，特別是工況CB-1-6，幾乎觀察不到振動(dòng)。由此可見(jiàn)，凸起型螺旋導(dǎo)板作為一種離散型的螺旋線狀抑振裝置，對(duì)立管的渦激振動(dòng)可起到非常好的抑制作用。

為準(zhǔn)確分析凸起型螺旋導(dǎo)板的形狀參數(shù)對(duì)立管渦激振動(dòng)抑制效率及立管動(dòng)力響應(yīng)的影響，分別取各抑振管示波區(qū)間內(nèi)微應(yīng)變極值的均值和立管振動(dòng)主導(dǎo)頻率（Dominant Frequency）與配重裸管進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8　不同螺旋導(dǎo)板形狀參數(shù)的抑振管微應(yīng)變圖

圖9　外流流速為0.6 m/s時(shí)配重裸管及各抑振管功率譜密度圖

圖9為外流流速為0.6 m/s時(shí)配重裸管及各抑振管功率譜密度圖。由圖9分析可以發(fā)現(xiàn)，帶螺旋導(dǎo)板的抑振管功率譜峰值與配重裸管相比大幅減小，整體上相差約3個(gè)數(shù)量級(jí)，由此也可看出，螺旋導(dǎo)板對(duì)立管渦激振動(dòng)的抑制效果在示波區(qū)間內(nèi)比較穩(wěn)定。對(duì)于配重裸管，由頻譜分析可知，曲線存在兩個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)頻率分別為2.1 Hz和6.1 Hz，根據(jù)渦激振動(dòng)鎖振區(qū)間約化速度分布范圍，結(jié)合上圖，2.1 Hz對(duì)應(yīng)峰值相比6.1 Hz極小，立管模型以二階主導(dǎo)頻率振動(dòng)，其他階參與極少，主導(dǎo)頻率為6.1 Hz，由Strouhal規(guī)律（St=0.2）計(jì)算得漩渦脫落頻率為6.7 Hz，與立管模型的主導(dǎo)頻率接近。

而對(duì)各抑振管的頻譜分析可知，所有工況的抑振管振動(dòng)頻率中，單螺旋抑振管（CB-1-1）的主導(dǎo)頻率為6.3 Hz，略大于配重裸管的主導(dǎo)頻率，而其他抑振管均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的主導(dǎo)頻率，這也體現(xiàn)出時(shí)域區(qū)間內(nèi)，示波的組成較為復(fù)雜，這一點(diǎn)由圖6抑振管的示波曲線也可明確體現(xiàn)。振動(dòng)頻率的變化，也說(shuō)明該抑振裝置能有效地?cái)_亂立管的主導(dǎo)頻率，這一點(diǎn)對(duì)裝置的抑制效率來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。由頻譜曲線的分布離散規(guī)律也可以發(fā)現(xiàn)，三螺旋抑振管（螺高0.25 D、螺距17.5 D）的擾流抑制效果最好。

3　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種月牙凸起型螺旋導(dǎo)板抑振裝置，通過(guò)變化螺旋導(dǎo)板的螺旋數(shù)、螺距及螺高等形狀參數(shù)，在風(fēng)-浪-流聯(lián)合水槽中試驗(yàn)研究該抑振裝置對(duì)立管渦激振動(dòng)的抑制效率及其對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

（1）凸起型螺旋導(dǎo)板可取得優(yōu)異的抑制效率，有效地降低由漩渦脫落引起的橫向振動(dòng)幅值；三螺旋抑振管（螺高0.25 D、螺距17.5 D）的擾流抑制效果最好，達(dá)98.1%。

（2）隨著螺旋數(shù)的增加，螺旋導(dǎo)板抑制效率有所提高，但增幅降低，增加螺距對(duì)抑制效率影響不大，而隨著螺高的增加，抑制效率有較大增幅。

（3）該抑振裝置能有效擾亂立管的主導(dǎo)頻率，各抑振立管模型在示波區(qū)間內(nèi)基本沒(méi)有出現(xiàn)明顯的主導(dǎo)頻率，這一點(diǎn)對(duì)抑振裝置的抑制效率來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

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Experimental Study on the Turbulence Suppression of Helical Strakes with Crescent Bulge

LI Peng1，GUO Hai-yan2，WANG Fei1，ZHANG Yong-bo3
1.College of Architecture and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong Province，China；
2.College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China；
3.National Oceanographic Center of Qingdao，Qingdao 266071，Shandong Province，China

To further improve the understanding of the VIV performance of deep-sea risers with helical strakes，a new type of helical strake with crescent bulge is designed in this paper.The crescent bulge is made of rubber，and its both ends are linked with helix.In order to verify the effect of this suppression device on the VIV of the riser，an experiment was carried out in a wind-wave-current flume by changing the shape parameters of the helical strake，including spiral number，screw pitch and screw height.The results show that the helical strakes with crescent bulges have excellent suppressing efficiency for curbing the VIV of the riser.In addition，this suppression device can effectively reduce the transverse vibration amplitude of the riser which is induced by vortex shedding.The results have also verified that with increasing spiral number，the suppressing efficiency is enhanced to some extent but the amplitude decreases.The screw pitch has small effect on the suppressing efficiency of the device，which gradually and obviously increases with increasing screw height.Meanwhile，this suppression device can effectively disturb the dominant frequency of the riser，which means that most riser models don't have a dominant frequency during the wave range.

deep-sea riser；vortex-induced vibration；crescent bulge；helical strakes；shape parameters

P751

A

1003-2029（2016）02-0097-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.018

2015-11-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51279187）；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金資助項(xiàng)目（BS2015HZ017）；山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助項(xiàng)目（CDPM2013ZR01）；山東科技大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（2013RCJJ032）；青島市博士后研究人員應(yīng)用研究項(xiàng)目資助（01020120406）

李朋（1984-），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、設(shè)計(jì)及防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)。E-mail：lipeng@sdust.edu.cn