柔性海管悬跨段涡激振动实验研究

发布时间：2018-04-18 18:51

  本文选题：涡激振动 + 剪切流　； 参考：《西南石油大学》2017年硕士论文

【摘要】：作为海上油田生命线的海底管道,是海上油气开采的主要设备之一。然而由于海洋环境复杂多变、海底地形凹凸不平以及海床冲刷,海管悬空现象频频发生。悬跨段在涡激振动等因素作用下易发生疲劳破坏,造成管道断裂,从而引发原油泄漏等海上重大安全事故。混合立管是刚性立管和柔性跳接管的结合,能提供畅通的、有条理的水下布置,混合立管基础连接到钢质吸力锚上,由浮力罐(BUOYANCY CAN)提供张紧力,通过柔性悬跨跳接管(FLEXIBLE JUMPER)连到浮式结构上。这样从本质上把立管与浮式结构运动解耦,减少了动力响应,在海流作用下,柔性悬跨跳接管不可避免地发生着涡激振动,大长径比的悬跨跳接管还会激发出高阶振动模态,造成管体大变形、大位移等动力学响应,极易诱发疲劳损伤。一旦振动频率与跳接管固有频率相近,还会引发共振,导致悬跨跳接管短时间内失效甚至断裂,产生巨大的经济损失。目前,国内外的涡激振动实验中的振动测试大多数依赖于应变片、加速度传感器等接触式装置,这些仪器紧贴管道表面随着管道振动,不可避免地会改变管道周围的流场环境和管道本身的属性,如密度、弹性模量、泊松比、壁面粗糙度等对管道振动起关键影响的物理参数,而柔性管本身振动的复杂多变性,更是加大了这些物理参数对结果分析的重要性,微小的改变可能就会大大影响实验结果的准确性,因此保证周围的流场环境的稳定和固定管道本身的参数十分重要。本实验采用高速摄像非介入测试手段,对拍摄对象进行全场监测,避免了流场环境的破坏,突破了介入式测试测点个数的局限。本文以剪切海流作用下的等间隙海底悬跨管为研究对象,设计了剪切流作用下的柔性悬跨海管振动响应实验装置,制定了高速摄像采集管道振动特征的实验测试方法及图像分析手段,并成功捕捉到等间隙海底悬跨管的"拍"现象,通过柔性悬跨管振型、振频与振动位移随时间变化规律的综合分析,剖析流速、"拍"现象和间距G对柔性悬跨管涡激振动响应的影响。实验发现:(1)发现海底悬跨管被激发的主导振动模态随来流速度的增加而提高,但受实验水槽流速条件的限制,最终仅在顺流向捕捉到了三阶振动、横向捕捉到了二阶振动,两个方向的一阶振动模态,管道振幅的增大、减小趋势与Williamson(2003)提出的无量纲振幅与约化速度之间的变化关系基本吻合。(2)悬跨管的全局轨迹轮廓可以侧面反映横向振动的阶数,横向的一阶振动的全局轨迹轮廓形似"梭形",而横向的二阶振动的全局轨迹轮廓形似"葫芦形",处于横向振动一阶、二阶共振区振动波峰处的标定点的振动轨迹呈现"8"字形。(3)"拍"现象的存在会使悬跨管更早的进入横向一阶共振区和横向二阶共振区,但却延迟进入横向二阶振动模态,并且会导致悬跨管进入二阶振动模态后不同位置的横向主频发生分散。(4)间距越小会使悬跨管更早地进入横向一阶共振区、横向二阶振动模态和横向二阶共振区,并且会导致悬跨管进入二阶振动模态后不同位置的横向主频更加容易发生分散。同时,本文对比分析了不同流速条件下柔性悬跨跳接管(变间隙)的涡激振动响应,并与等间隙海底悬跨管的振动进行了对比。实验发现:(1)同海底悬跨管一样,柔性悬跨跳接管被激发的主导振动模态随来流速度的增加而提高,最终在顺流向捕捉到了四阶振动、横向捕捉到了三阶振动。海底悬跨管和柔性跳接管的一阶横向振动的全局轨迹轮廓形均似"梭形",而二阶横向振动的全局轨迹轮廓形均似"葫芦形"。(2)同样可以清晰地发现一阶振动时,海底悬跨管空间分布上的横向振幅峰值位于标定点17#标记点附近,而柔性跳接管的横向振幅峰值位于标定点16#标记点附近,;二阶振动时,海底悬跨管空间上的两个横向振幅峰值出现在8#和23#点附近,波谷位于15#点附近,而柔性跳接管的两个横向振幅峰值出现在11#和22#点附近,波谷位于17#点附近。
[Abstract]:In this paper , due to the complexity of ocean environment , uneven topography of the sea floor and the scouring of sea bed , the frequency frequency of suspended cross - jump takes place at sea level . The results show that : ( 1 ) The dominant vibration mode excited by the suspended span tube is increased with the increase of the velocity of the incoming flow . ( 2 ) In the same way , when the first - order vibration can be clearly found , the peak of the transverse amplitude on the spatial distribution of the subsea catenary is located near the marking point of the calibration point 17 # , and the peak of the transverse amplitude of the flexible jump tube is located near the marking point of the calibration point 16 # ; when the second - order vibration , the two lateral amplitude peaks in the space of the submarine suspension tube appear near the point of 8 # and 23 # , the wave trough is located near the 15 # point , and the two lateral amplitude peaks of the flexible jump tube appear near the 11 # and 22 # points , and the trough is located near point 17 # .

【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE973.92

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本文编号：1769615