海洋立管涡激振动及其抑制技术的研究现状

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题目：海洋立管涡激振动及其抑制技术的研究现状
摘要：海洋立管是连接海面浮式装置和位于海床上石油井口的主要设备，用于石油、天然气的钻探和生产。立管内部有高压的油或气流过，外部承受波浪、海流作用，在一定的流速下会产生漩涡脱落，使立管发生涡激振动。本文介绍了海洋立管涡激振动的形成机理、海洋立管涡激振动及其抑制技术的研究。
关键词：海洋立管 涡激振动 形成机理 抑制技术
1.国内外的研究现状
     国内外学者对涡激振动这一现象展开了大量而深入的研究，研究对象主要针对流固耦合中的流体和结构物。对于流体的研究主要集中在流体在不同雷诺数环境下的漩涡脱落形式、脱落频率、漩涡发展趋势以及流体流过多枝圆柱间其绕流运动发展趋势；针对于结构物的研究多集中于结构的横向以及来流向振动位移幅值、结构振动频率、结构振动模态以及工程中结构物的疲劳损伤，以及对结构物的质量、刚度、内流、项张力、长细比、阻尼、约束条件等结构参数的研究，考察这些因素在流固耦合中的敏感性，从而得到控制和抑制振动的方法。
1.1海洋立管涡激振动的形成机理
    位于水下的海洋立管所承受海洋环境荷载主要有风、浪、流、海冰和上部浮体运动等，其中波浪荷载和海流长期作用是影响最大的荷载，并且受水流作用的工程结构都有可能产生涡激振动，任何具有足够陡峭后缘的工程结构在一定范围的雷诺数内都会漩涡脱落，使结构在与水流垂直的方向发生周期性的振动；因此，当波浪和海流流经立管时，在一定的外流流速条件下，可在立管两侧交替形成强烈的漩涡，漩涡脱落会对立管产生一个周期性地可变力，使得立管在与流向垂直方向上发生横向振动；结构的振动反过来又对流场产生影响，使漩涡增强，阻力增力。由于结构振动时的阻尼会随着振幅的增加而改变，从而使涡激振动不会出现过大的振幅，一般来说横向振动幅值大约在一倍直径左右，来流向振动频率为横向振动的两倍，幅值一般为横向振动幅值的50％以下，研究表明在立管来流方向上的拖曳力会使立管产生比较大的变形，使立管处于高应力状态，易发生疲劳破坏而造成严重的经济损失和环境污染。
1.2涡激振动的研究方法
    经过数十年对涡激振动的研究，学术界虽然还未把握涡激振动的机理，但仍取得了许多阶段性的成果，构成了当今涡激振动研究的基石。从研究方法上来分，涡激振动的研究主要有模型实验研究、经验模型研究和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究。涡激振动研究是从实验研究开始的。在过去的近半个世纪中，许多学者都研究过弹性支撑柱体(多数为圆柱体)自激振动的运动和动力特性，其中影响最为广泛的是FENG在风洞中对单自由度弹性支撑的圆柱体所做的实验；随后，更多的研究者在水槽中完成了类似的实验。最近，KHALAK et al、GOVARD—HAN et al对低质量比弹性支撑的刚性圆柱体做了一系列实验，这些实验代表了当前圆柱体结构物涡激振动实验的最高水平。
    在经验模型方面，HARTLEN et al开创性地建立了弹性支撑柱体涡激振动的横流向振动响应以及流体力的经验模型——尾流振子模型。在国内，GUO etal、郭海燕等考虑了立管内流对立管涡激振动的影响，对尾流振子模型进行了改进。
    在数值模拟方面，按照不同的紊流模型，涡激振动的CFD模拟方法可以大体分为4类：离散涡方法、RANS方法、LES方法以及DNS方法。
1.3海洋立管涡激振动抑振技术的研究
    目前国内外学者、研究机构以及石油公司对立管的VⅣ抑制做了大量的试验工作，主要包括涡激振动的主动控制和被动控制。

主动控制是指利用外界能量输入的驱动装置，如安装主动协调阻尼系统，降低结构振动幅值。Huang(1995)通过施加音频激励于圆柱体上，控制涡激振动，对于低雷诺数下圆柱体起到一定作用。LEE(2006)研究了位于旋转摆动圆柱体后面的结构流固耦合现象，发现前方布置圆柱体可以减小后方结构耦合振动效应。

被动控制主要通过扰流装置来抑制或削弱VIV振幅，从而提高立管使用寿命。2H海洋工程公司的Paolo(1999)针对用于降低海洋立管涡激振动的扰流装置．螺旋导板进行了模型试验研究，研究表明：Helical Strakes能有效地抑制VIV；Naoaki Mikta(2003)等人对带有螺旋导板的柔性立管进行了试验研究，从升力方向振动频率可以看出，螺旋导板抑制了涡激振动发生；挪威深水项目中，Trim(2005)对立管涡激振动抑制方法进行了试验研究，试验结果表明：表面光滑的立管与覆盖Helical strakes绕流装置的立管涡激振动特性以及振动响应完全不同，覆盖Helical strakes绕流装置后减弱了立管涡激振动幅值，抑振效果则由抑振装置的几何尺寸决定，而且导板增大的横截面积会引起的曳力增大会降低立管疲劳寿命；Larsen(2005)等人对螺旋导板绕流装置的立管进行了多工况涡激振动模型试验，论文描述了抑振装置对涡激振动的抑制作用，并得到其效果，并对立管静、动力响应的影响。

Jaiswal(2007)对布置抑振装置螺旋导板以及导流板的立管进行了研究，分析了它们的不同覆盖率时的抑振性能；英国苏格兰北部油田的石油平台的钻井立管安装了抑振装置Farings，应用效果表明其抑振效果非常显著。国内T海青(2009)等对三种形式导流板(Fairings)进行试验研究，表明干涉或改变漩涡发生的条件和尾流流态，能使立管振幅降低。这种抑振方法结构复杂，制作安装成本较高，特别是自由转动的导流板易受到海洋附着生物干扰。宋吉宁(2009)等对附属控制杆抑振方法进行了试验研究，可将立管位移标准差减小30％以上。随着计算机技术的突飞猛进，很多学者更多使用计算流体力学方法(CFD)研究抑阵方法以及原理，如盛磊祥(2007)、Toshiki(2010)。

2.存在的问题
      目前在顺流向振动对立管最大响应幅值的影响到底有多大以及如何影响还存在较大的分歧，一个全面、深入的解答还远未达到。
    试验大多进行的是均匀流试验，实际海洋立管受力非常复杂，应尽量模拟实际海况中立管的受力情况，并且耦合上部浮体运动引发的立管整体刚度的变化。
    螺旋导板的抑振性能主要受其形状(条纹高度和螺距)、覆盖率影响。需要注意的是由于螺旋导板增大了横截面积，引起立管曳力增大会降低疲劳寿命。
    导流板使绕流产生的漩涡脱落减小，并远离圆柱体，但是导流板尾部产生漩涡数量并不会减少。干涉或改变漩涡发生的条件和尾流流态，能使立管振幅降低。但这种抑振方法结构复杂，制作安装成本较高，特别是自由转动的导流板易受到海洋附着生物干扰。
    由于计算机能力的限制使CFD探索还停留在低雷诺数的二维模拟阶段。
3.小结

海洋立管涡激振动是一种比较复杂的流体与固体耦合振动物理现象，当前海洋立管涡激振动研究亟需进行的工作主要包括以下几个方面：

    1）.深入分析顺流向振动对于立管最大响应振幅的影响。
      2）.进行更加全面、深入的模型实验和数值模拟研究，应尽量模拟实际海况中立管的受力情况。
      3）. 进一步研究不会引起立管疲劳寿命降低、制作安装成本较低，不易受到海洋附着生物干扰等的海洋立管涡激振动抑振技术。
      4）.急需提高计算机能力使CFD能较好的探索低雷诺数的二维模拟阶段。
4.参考文献
[1]娄敏．海洋输流立管涡激振动试验研究及数值模拟：【博士学位论文】．青岛：中国海洋大学，2007.
[2]FENG C C．The measurement of vortex induced effects in flow past stationary and oscillating circular and d-section cylinders[D]． Canada：Master’s Thesis，Department of Mechanical Engineer—ing，University of British Columbia，l968.
[3]KHALAK A，WILLIAMSON C H K．Motions，forces and mode transitions in vortex-induced vibrations at low mass—damping[J]. Journal of Fluids and Structures,1999,13：813—851.
[4]郭海燕，傅强，娄敏．海洋输液矗管涡激振动响应及其疲劳寿命研究[J]．工程力学，2005，22(4)；z20一224.
[5]潘志远．海洋立管涡激振动机理与预报方法研究[D]．上海交通大学，2006
[6]Jaiswal VVandiver J K．Performance of Strakes and Farings．SHEAR7 Usergroup Meeting，2007，June 21
[7]王海青，郭海燕，等．海洋立管涡激振动抑振方法试验研究．中国海洋大学学报，2009，39：479-482
[8]宋吉宁， 吕林，等．三根附属控制杆对海洋立管涡激振动抑制作用试验研究．海洋工程，2009，27(3)：23-29    
[9]盛磊祥，陈国明，许亮斌．减振器绕流流场的分析．中国造船，2007，48(s)：475-480    
[10]张永波.深海输液立管涡激振动预报及抑振技术研究[D].中国海洋大学,2011
[11]黄旭东,张海,王雪松等.海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望[J].海洋学研究,2009,27(4):95-101

王芳钰；122080706019；石油化工学院。