考虑跨肩管土作用的悬跨管道涡激振动特性研究

海底悬跨管道涡激振动是一个复杂的流场-管道结构-跨肩土体耦合问题,其发生机理和振动特性十分复杂,特别是两端跨肩处管土作用对涡激振动的影响有待深入讨论。为此,文章引入了P-y曲线描绘跨肩处管土耦合作用,提出了基于管道位移和速度的新非线性土体弹簧模型,根据能量平衡原理计算土体阻尼,采用尾流振子模型模拟悬跨管段流固耦合作用,建立了考虑流—固—土多场耦合作用的海底悬跨管道涡激振动预报模型,并重点研究了考虑跨肩管土作用时,悬跨管道涡激振动的诸多特性。     

海底多段悬跨管道涡激振动特性分析

深海海底多跨管道相比于单跨,其涡激振动行为却更为复杂。文章考虑了两端跨肩和中间支撑处的管—土作用边界条件,提出了多跨管道涡激振动预报模型,标定了模型参数,并重点分析了跨肩边界条件、中间支撑条件和悬跨长度对管道涡激振动特性的影响。结果表明:较大的两端边界处扭转弹簧弹性系数、较大的中间支撑处扭转和拉伸弹簧弹性系数和较短的悬跨长度,会限制管道结构高阶模态的激发,同时还发现了振动能量会在相邻管跨之间传递的现象。     

海底多跨管道涡激振动疲劳简化分析

多跨管道由于其自振频率低且相邻模态频率临近,容易在低流速下产生多模态涡激振动.针对长期作业的海底多跨管道,考虑遭遇海流流速变化以及涡激振动响应本身的随机性,多模态响应采用单频响应的等效组合,利用 N-S曲线和Miner线性累积损伤准则进行悬跨涡激振动疲劳损伤简化预报,为深水悬跨管道初始设计提供参考.通过一输气多跨管道的疲劳累积损伤度的影响因素分析,结果表明:疲劳损伤对土壤刚度选取敏感;DNV RP-105规范中多模态响应缩减系数较振幅权重形式更保守;用Rayleigh分布描述涡激振动响应进程计算的疲劳损伤要高于恒幅稳态振动描述.     

非线性管土耦合条件下悬跨管道涡激振动响应时域预报

海底悬跨管道与海床耦合呈现高度非线性,使得发展一种时域预报方法成为需要.文章运用有限元法对输液张紧悬跨管道进行空间离散,并应用Facchinetti等改进的尾流振子模型和切片假定模拟每个有限单元上的涡激振动水动力,发展了一种悬跨管道-海床-流场多场耦合的非线性时域预报方法.在合理选取尾流振子模型附加水动力阻尼参数的基础上,时域预报了线性、理想塑性和张力截断弹簧模型下悬跨管道的涡激振动响应.研究结果表明,基于尾流振子的时域预报方法能够合理地描述非线性管土耦合边界下VIV响应;非线性边界条件下,锁定产生的最大响应幅值低于线性结果.     

图解法预报悬跨管道涡激振动响应

利用水动力经验模型,用简易的图解法预报不同功能载荷和边界条件下的深水悬跨管道涡激振动响应频率和振幅.分析内流流速、阻尼和管土耦合作用等因素对涡激振动响应及锁定范围的影响.指出对于低流速内流,特别是有效张力比较大的时候,内流流速对结构固有频率影响很小;管土耦合边界对悬跨振动响应的主要作用在于减小结构固有频率和提高阻尼,有利于减少疲劳累积损伤预报值.     

固定海床上海底管跨顺向和横向耦合振动实验研究

虽然对于圆柱体结构涡激振动问题的研究很多,但是对于海床近壁影响下海底管跨顺向和横向耦合涡激振动特征了解的还相当少。文章在波流水槽中开展了实验研究工作,对固定海床上海底管跨顺向和横向耦合振动进行了探索。实验模型由一根长2.6m,外径为16mm,壁厚为0.3mm的钢管制作而成,模型质量比为2.62。实验间隙比为2.0、4.0、6.0和8.0。模型的动力响应采用光纤光栅应变传感器测量,每个振动方向沿模型管线长度方向均匀布置四个传感器。利用模态分析方法对应变数据进行处理得到模型的振动位移响应,进而分析得到振动频率、响应幅值、模态特征等数据。对不同间隙比条件下管线横截面运动曲线沿管长的变化以及随流速的变化进行考察,发现对于e/D>2.0,运动曲线表现为常见的8字形,但是对于e/D=2.0,横截面运动曲线表现为泪滴形图样。各间隙比条件下顺向振动频率与横向振动频率的比值大部分集中在2.0附近,证实了对于锁定范围内的流速,顺向振动频率是横向振动频率的2倍。     

考虑不同管土作用模型的海底多跨管道动力特性

当前,海底多跨管道涡激振动分析多将管土段简化为固支或简支边界.针对此问题,采用3种更为复杂的土体模型,研究对比不同管土作用对多跨管道涡激振动特性的影响.采用尾流振子模型模拟流-固耦合作用,构建考虑流-固-土多场耦合的悬跨管道涡激振动预报模型,分析不同土体模型下的管道动力学规律.研究结果表明:不同的管土模型会对管道振动产生不同程度的影响,且管土非线性作用会明显制约管道的振动特征,使最大位移幅值和局部应变等发生改变.     

海底管线悬空振动的研究现状

海底管线管跨段的涡激振动,是引发海底管线疲劳失效的主要因素之一。介绍了管跨段的形成原因,总结国内外关于管跨段临界长度的计算方法,探讨了近年来对涡激振动问题理论及实验研究的研究现状,提出了在今后的管跨段研究中有待解决的问题。     

大坡度海底管道悬跨及疲劳分析

针对大坡度海底管道的悬跨和疲劳问题,基于DNV规范和线性疲劳累积损伤理论,分析管道顺流向和横向涡激振动的特点,并根据实例计算了大坡度海底管道不同水深处的最大悬跨长度和管道的疲劳寿命。结果表明:悬跨长度越长,管道的涡激振动现象越明显,即跨长对VIV疲劳损伤的影响较大;该管道的设计参数满足疲劳要求,其中大坡度海底管道出现最大疲劳损伤的位置为管道与斜坡底端的触地点处。     

基于功率方程的圆柱体涡激振动研究

针对预测结构涡激振动响应的半经验性模型,根据动力学普遍方程(达朗贝尔-拉格朗日原理)建立了自由振动圆柱的涡激振动功率方程模型。该模型的建立过程不需要引入经验性参数,是研究流固耦合问题的一般方法,适用性强,易于拓展。为了评估自由振动圆柱功率方程的可靠性,利用计算流体力学(CFD)数值模拟提供的流场信息对功率方程进行求解并与实验结果进行对比。结果表明该模型能够有效地预报圆柱的涡激振动响应。     

海洋悬空管道非线性振动稳定性分析

以海洋悬空管线为研究对象，根据海洋悬空管道的主要特征，将海洋悬空管道简化为两端简支梁力学模型．涡激升力简化为简谐荷载。在考虑管道非线性因素下，建立悬空管道的横向振动方程，并采用谐波平衡法对方程求解。可得出洋流涡激作用下海洋悬空管道横向振动失稳的双尖点突变模型，由此导出悬空管道失稳条件。根据失稳条件分析发现．海洋悬空管长度对稳定性影响起主导作用，并在假定其他条件不变的情况下，分析影响悬空管道稳定性的因素和悬空段临界长度之间的关系。分析结果表明：随着外流流速、管内流流速、管内压强的增加，悬空管道的临界长度减小：随着材料弹性模量、管外直径的增大．悬空段的临界长度增加：其他影响因素相比较而言可以忽略．     

Fatigue damage induced by vortex-induced vibrations in oscillatory flow

Vortex-induced vibration (VIV) of a flexible cylinder in oscillatory flow was experimentally investigated in an ocean basin. An intermittent VIV was confirmed to have occurred during the tests. The fatigue damage caused by VIV was calculated based on rainflow counting and a standard S–N curve. There are 3 main observations for fatigue damage from VIV in oscillatory flow: 1) the damage varied significantly with the KC number, which is a unique feature for VIV in oscillatory flow. 2) Fatigue damage at small KC number cases was found to be larger compared to those at large KC numbers owing to the fact that number of vortex shedding cycles per half of the motion cycle is low, and damping within half of the motion cycle will hence become low. The fact that vortices from the previous cycle still are active during the next may also contribute to the large response at small KC numbers. 3) ‘Amplitude modulation’ and ‘mode transition’, two specific features for VIV in oscillatory flow, were found to have a strong influence on fatigue. Fatigue damage has also been calculated by an empirical VIV prediction model assuming that all cases have steady flow at an equivalent velocity. Finally, a simplified method for calculating fatigue damage from VIV in oscillatory flow based on steady flow conditions is proposed. A modification factor diagram is presented, but the scope of the present study is too limited to provide a good basis for a general model for this factor. A general model for how to apply results from constant current analysis to predict fatigue in oscillatory flow will therefore need further research.     

柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究

为了深入研究细长柔性立管的涡激振动响应特性,进行了柔性立管的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生相对来流,根据应变测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到位移响应。试验分析前,通过数值方法先针对刚性立管的涡激振动响应轨迹特性进行了分析。紧接着,通过试验方法对柔性立管的单模态以及多模态涡激振动响应轨迹特性进行了深入的分析和讨论。通过分析发现:柔性立管在低速下具有与刚性立管类似的轨迹响应特性,均呈现经典的8字形状;柔性立管在高速下,其轨迹开始变得混乱,这主要是由位移的多模态响应特性所产生。     

Reduction of VIV using suppression devices—An empirical approach

Helical strakes are known to reduce and even eliminate the oscillation amplitude of vortex-induced vibrations (VIV). This reduction will increase the fatigue life. The optimum length and position of the helical strakes for a given riser will vary with the current profile.

The purpose of the present paper is to describe how data from VIV experiments with suppressing devices like fairings and strakes can be implemented into a theoretical VIV model. The computer program is based on an empirical model for calculation of VIV. Suppression devices can be accounted for by using user-defined data for hydrodynamic coefficients, i.e. lift and damping coefficients, for the selected segments.

The effect of strakes on fatigue damage due to cross flow VIV is illustrated for a vertical riser exposed to sheared and uniform current. Comparison of measured and calculated fatigue life is performed for a model riser equipped with helical strakes. A systematic study of length of a section with strakes for a set of current profiles is done and the results are also presented.     

不同覆盖层对海底管道受落锚冲击防护有效性的试验研究

海底管道是海上油气工程的重要基础设施。随着港口运输规模的不断扩大和海洋油气工程的快速发展,港口航道区域与海底管道登陆段发生重叠情况不可避免。第三方活动造成的坠落物撞击(如船舶落锚),会威胁航道下方埋设的海底管道的结构安全。为了寻求合理的防护措施,保证海底管道的安全运行,有必要对落锚引起的管道动态响应进行研究。文章采用物理模型实验的方法,对管道上方覆盖的纯块石层、混凝土块层+块石层、混凝土块层+橡胶垫+块石层、柔性防护垫层+块石层等不同防护形式的有效性进行了对比研究。利用光纤布拉格光栅(FBG)传感器实时测量管道表面的动态应变响应,分析其沿管道的轴向变化以及极值分布。通过模型试验确定了相对有效的覆盖层形式及设计厚度,为海底管道的设计和维护提供了重要依据。     

低质量-阻尼因子圆柱体的涡激振动预报模型

本文考查了在均匀来流中作横向振荡的圆柱体与周围流体之间的能量转移,由此建立了基于受迫振荡实验数据的弹性支撑圆柱体在均匀流中的涡激振动响应预报模型.根据此模型,分析了低质量-阻尼因子圆柱体的涡激振动响应特性.就水中圆柱体涡激振动响应特性相关的几个关键性问题进行了深入的讨论,包括响应振幅的决定因素、附加质量对锁定范围及响应频率的影响.正确理解这些问题对于深水立管涡激振动响应的有效预报至关重要.     

Laboratory tests and thermal buckling analysis for pipes buried in Bohai soft clay

Upheaval buckling of submarine pipelines occurs due to relative movement of pipeline and surrounding soil and is often triggered by high operational temperature of the pipeline, initial imperfection of the pipeline, or a combination of both. Since buckling can jeopardize the structural integrity of a pipeline, it is a failure mode that should to be taken into account for the design and in-service assessment of trenched and buried offshore pipelines. In this study, a series of vertical (uplift) and axial pullout tests were carried out on model pipe segments buried in soft clay deposit similar to that present in Bohai Gulf, China. Pipe segments with three different diameters (= 30 mm, 50 mm and 80 mm) were buried in different depth-to-diameter ratios ranging from 1 to 8. Based on the results of laboratory tests, nonlinear force–displacement relations are proposed to model soil resistance mobilized during pipeline movement. The proposed nonlinear soil resistance models are employed in finite element analysis of buried pipelines with different amplitudes of initial geometric imperfections. Thermal upheaval buckling behavior of pipelines operating at different temperatures is studied. Results show that the capacity of pipeline against thermal buckling increases with the burial depth and decreases with the amplitude of initial imperfection.