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钢悬链线立管涡激振动试验研究

刘庆海  
【摘要】:海洋立管是连接海上浮式平台和海床油气井口的主要连接件,用于石油、天然气等的生产和输运。立管的内部一般有高温高压的油、气流过,外部承受海流、波浪、地震等作用,底部与海床土体相互作用,受力十分复杂。当海流流经立管时,在一定流速下会产生漩涡脱落,使得立管发生涡激振动,当漩涡的脱落频率fv与立管的自振频率fn接近时,振动幅值明显增大,发生“锁振”现象,从而加快立管的疲劳破坏。 涡激振动是一种复杂的流固耦合振动现象,是当前国内外研究热点。钢悬链线立管是一种大长细比柔性结构,其涡激振动极为复杂。由于涡激振动的影响因素比较多,如结构自身的大变形非线性特性、底部管土的相互作用、顶部张力的变化等,加上海洋环境荷载的耦合作用,使得对于钢悬链线立管的涡激振动动力响应的分析和数值模拟变得十分困难。本文采取试验手段研究在阶段流作用下钢悬链线立管的涡激振动,立管模型采用较大长细比(L/D=390)且具有大变形特性的悬链线立管,拖地段海床土体选用粘土、细砂和混合土体,在海洋工程大型平面随机波流耦合水池中进行涡激振动试验,探索其涡激振动机理及其与海床土体的相互作用规律。主要研究内容如下: (1)在深水池中对悬链线立管模型进行阶段流下的涡激振动试验,研究不同外流流速下,悬链线立管涡激振动规律。发现涡激振动幅值随外流流速的增加而增大,横向振动幅值远大于来流向振动幅值。 (2)通过试验,研究不同海床土类型对悬链线立管涡激振动的影响。结果表明:用粘性土模拟海床时,立管应力随外流流速的增加呈现先增加后减小的趋势;细砂模拟海床时立管应力随外流流速的增加而增大;混合土体模拟海床时随着外流流速的增加,拖地段应力相应增加,立管悬垂段来流向应力先增加后减小,横向应力逐渐增加。 (3)试验中,通过水下摄像仪观察外流作用下立管对海床土体的作用,发现在立管拖地段形成一个明显的沟槽,海床类型不同所产生的沟槽类型亦不相同。随着时间的推移,海床沟槽会不断发展,海床土体对悬链线立管的作用力逐渐减弱。


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