唐國強(qiáng)呂 林,2滕 斌謝 彬張建僑宋吉寧吳 浩

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.大連理工大學(xué)深海工程研究中心; 3.中海油研究總院; 4.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所)

基于光纖光柵傳感器的細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)＊

唐國強(qiáng)1呂 林1,2滕 斌1謝 彬3張建僑4宋吉寧1吳 浩1

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.大連理工大學(xué)深海工程研究中心; 3.中海油研究總院; 4.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所)

渦激振動(dòng)是導(dǎo)致深海柔性立管發(fā)生疲勞破壞的重要因素。利用光纖光柵傳感器進(jìn)行了細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn),并結(jié)合部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果對應(yīng)變信號(hào)的時(shí)間變化、應(yīng)變頻譜、位移時(shí)間歷程及位移均方根的空間分布進(jìn)行了分析,得出了細(xì)長柔性立管模型在均勻流作用下的一些重要渦激振動(dòng)響應(yīng)特性,可為今后進(jìn)一步的研究工作提供參考。

光纖光柵傳感器 細(xì)長柔性立管 渦激振動(dòng)響應(yīng) 實(shí)驗(yàn)分析

水深增加,鉆采立管等設(shè)備在海洋水動(dòng)力環(huán)境作用下的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)更復(fù)雜,特別是渦激振動(dòng)問題對深海細(xì)長柔性立管的結(jié)構(gòu)安全會(huì)造成巨大的威脅。立管結(jié)構(gòu)一旦在渦激振動(dòng)作用下發(fā)生疲勞破壞,將直接導(dǎo)致鉆采作業(yè)停產(chǎn)并在短期內(nèi)難以得到恢復(fù)。因此,深入認(rèn)識(shí)細(xì)長柔性圓柱結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)動(dòng)力特性,對開發(fā)和利用深海油氣資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前,在進(jìn)行細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)常選取加速度傳感器或者應(yīng)變傳感器作為基本的測量儀器,但這些儀器可能會(huì)對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性產(chǎn)生明顯的影響,或者會(huì)對外部流場產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)作用。而光纖光柵傳感器體積微小,直徑僅有0.3mm,無論對外部流場還是對結(jié)構(gòu)本身都不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響作用。光纖光柵傳感器采用光纖焊接方式將多個(gè)傳感器串聯(lián)在一起,只需要在立管模型的端部引出少量光纖連接線即可實(shí)現(xiàn)對光信號(hào)的傳輸。此外,光纖光柵傳感器通過檢測入射光波波長的變化來反映被檢測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變,輸入輸出的信號(hào)不會(huì)受到外界電磁信號(hào)的干擾,因此光纖光柵傳感器非常適合于開展細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)的水下渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

雖然光纖光柵傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn),并在很多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2],但在海洋工程方面的應(yīng)用相對較少。Jaap J.de Wilde[3]在MARIN實(shí)驗(yàn)室的淺水拖曳水池中應(yīng)用光纖光柵傳感器測量了長細(xì)比為787.5的立管模型的渦激振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng),并取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但相對于實(shí)際的深海工程而言,該模型實(shí)驗(yàn)采用的立管長細(xì)比還是偏小。Swithenbank[4]利用光纖光柵傳感器進(jìn)行了長度為152.524m的現(xiàn)場立管的渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn),由于實(shí)驗(yàn)中未對光纖光柵傳感器采取任何封裝措施,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中部分傳感器損壞,未能獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果;同時(shí)由于野外實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境影響因素復(fù)雜,水流速度難以準(zhǔn)確確定,因此該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也難以應(yīng)用到渦激振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃虲FD模型的校驗(yàn)中。

本研究應(yīng)用光纖光柵傳感器開展了長細(xì)比為1 750的柔性立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,通過拖車拖拉立管模型在水池中勻速前進(jìn)來模擬實(shí)際均勻流作用下的立管渦激振動(dòng)問題;采用光纖光柵傳感器同步測量橫流向(CF)和順流向(IL)下立管模型的應(yīng)變;通過對應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和模態(tài)分解,獲得細(xì)長柔性立管模型在均勻流動(dòng)條件下的渦激振動(dòng)響應(yīng)特性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)水池及拖車系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多功能綜合水池中進(jìn)行。水池寬34m、長55m,實(shí)驗(yàn)水深為0.7m。水池上部建有拖車系統(tǒng),通過變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)可使拖車在軌道上勻速運(yùn)動(dòng)。拖車的運(yùn)動(dòng)速度通過變頻器來控制,實(shí)驗(yàn)中拖車運(yùn)動(dòng)速度控制在0.15～0.60m/s,速度變化間隔為0.015m/s。實(shí)驗(yàn)立管模型通過固定裝置安裝在拖車上并淹沒于水下0.4m隨拖車一起運(yùn)動(dòng),通過形成相對水流來模擬均勻來流對柔性立管的作用。圖1與圖2分別給出了實(shí)驗(yàn)設(shè)施示意圖及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖片。

1.2 立管模型參數(shù)

立管模型采用一根細(xì)長鋼管,長度為28.04m,外徑為0.016m,內(nèi)徑為0.015m,彈性模量為210 GPa,與排開水體的質(zhì)量比為1.0。立管模型的一端采取鉸接方式直接與拖車系統(tǒng)相連,另一端通過萬向鉸與一個(gè)可以在立管模型軸向進(jìn)行水平自由滑動(dòng)的滑塊相連;滑塊通過鋼絲繩經(jīng)過定滑輪與彈簧連接,彈簧上部設(shè)有張力計(jì),可以在實(shí)驗(yàn)過程中對立管模型軸向的張力變化信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。張力采集系統(tǒng)的采樣頻率為100Hz。在本實(shí)驗(yàn)中,立管端部的預(yù)張力為800N。

2 傳感器布置及信號(hào)采集器設(shè)置

2.1 光纖光柵應(yīng)變傳感器原理

光纖光柵傳感技術(shù)是通過對光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射波長光譜進(jìn)行檢測,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對被檢測結(jié)構(gòu)應(yīng)變的測量[5]。通常把周期小于1μm的光纖光柵稱為光纖布拉格光柵,光纖布拉格光柵允許特定波長的光波發(fā)生光反射,其所反射的中心波長可表示為[2]

式(1)中:λb為布拉格波長;n為光纖有效折射率;Λ為光柵周期。

當(dāng)寬帶光源從光纖光柵傳感器的一端入射后,只有波長滿足公式(1)的光波才會(huì)發(fā)生反射,因此可以說光纖光柵傳感器是一種對波長進(jìn)行選擇的傳感器。

當(dāng)光纖發(fā)生大小為ξ的應(yīng)變時(shí),光柵周期從Λ變?yōu)棣?即

根據(jù)光彈性理論,可以導(dǎo)出布拉格波長的變化Δ λ滿足下面的關(guān)系式:

式(3)中:p表示有效光彈系數(shù),為已知的光纖材料系數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中,光纖的有效折射率會(huì)同時(shí)受到應(yīng)變和溫度的影響。考慮到本室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)水溫變化非常有限,可忽略溫度變化的影響。

2.2 傳感器布置

實(shí)驗(yàn)中,在立管模型上沿軸向等間距布置了14個(gè)測點(diǎn),各測點(diǎn)位置(z/L)如圖3所示。每個(gè)測點(diǎn)由4個(gè)光纖光柵傳感器構(gòu)成,其布置方式如圖4所示,因此立管模型表面共布置了56個(gè)光纖光柵傳感器。在立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,由于在立管端部施加了預(yù)張力,并且實(shí)驗(yàn)水流的作用會(huì)引起脈動(dòng)張力,預(yù)張力和脈動(dòng)張力的存在勢必會(huì)引起光纖光柵傳感器波長發(fā)生變化,但這部分應(yīng)變并不是由渦激振動(dòng)引起的,因此在數(shù)據(jù)處理中必須將其除掉。假設(shè)在實(shí)驗(yàn)過程中某傳感器由張力引起的波長變化為 a,由渦激振動(dòng)引起的波長變化為b,則其對稱點(diǎn)傳感器由渦激振動(dòng)引起的波長變化為-b。此時(shí),2個(gè)對稱布置的傳感器總的波長變化分別為 a+b和a-b,將這2個(gè)對稱布置的傳感器的測量應(yīng)變值相減并除以2,即可消除由張力引起的應(yīng)變變化,從而可以準(zhǔn)確地測量出CF和 IL方向的渦激振動(dòng)應(yīng)變變化。因此,在本實(shí)驗(yàn)中采取了如圖4所示的沿立管模型圓周每隔90°布置一個(gè)傳感器的方式,并保證CF和IL方向各有2個(gè)傳感器。

光纖光柵傳感器可以承受拉力和壓力的作用,但難以承受剪力的作用。如果傳感器未采用任何封裝處理措施,在實(shí)驗(yàn)過程中就極易被損壞。在本實(shí)驗(yàn)中,對光纖光柵傳感器采用了大連理工大學(xué)抗震研究所的封裝技術(shù)。封裝后傳感器如圖5所示。采用該封裝技術(shù)可以有效避免傳感器在實(shí)驗(yàn)過程中被損壞,并且實(shí)驗(yàn)完成后傳感器可被回收再利用。

圖5 封裝傳感器示意圖

對經(jīng)由同一條光纖輸出的傳感器信號(hào),光纖光柵傳感器信號(hào)采集儀是按照信號(hào)波長從小到大(或者從大到小)的順序進(jìn)行排列并輸出應(yīng)變數(shù)據(jù),而不是按照傳感器在光纖上排列的相對位置進(jìn)行信號(hào)排列和輸出。因此,為避免同一條光纖上不同傳感器信號(hào)在輸出時(shí)發(fā)生混淆,在單條光纖上的光纖光柵傳感器之間需要設(shè)置不同的初始中心波長,且留有一定的波長變化富余寬度。實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為,設(shè)置1.5～2.0nm的波長富余寬度足以避免傳感器信號(hào)發(fā)生混淆。

2.3 信號(hào)采集器設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)采用SM130光纖光柵信號(hào)采集器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集,采樣頻率為250Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定律,可以還原最高頻率為125Hz的振動(dòng)信號(hào)。由于在本實(shí)驗(yàn)所涉及的工況下最高渦脫落頻率還不到40Hz,因此SM130光纖光柵信號(hào)采集器完全可滿足本實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)變及頻譜分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)測量了CF方向及 IL方向的應(yīng)變信號(hào)。通過對應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分解,獲得了立管模型在以上2個(gè)方向上的位移。圖6和圖7分別給出了拖車速度為 0.315m/s時(shí)立管模型 z/L= 0.267測點(diǎn)在CF方向和IL方向的實(shí)測應(yīng)變時(shí)間變化信號(hào)及應(yīng)變頻譜分析結(jié)果,圖中μ ε為微應(yīng)變單位,S表示微應(yīng)變幅值。

從圖6和圖7可以看出,應(yīng)用光纖光柵傳感器可以很好地識(shí)別出立管振動(dòng)的多模態(tài)特征。從應(yīng)變的時(shí)間歷程線可以看出,在 z/L=0.267測點(diǎn),CF方向和IL方向的振動(dòng)均為多模態(tài)參與的振動(dòng),但二者的振動(dòng)特性有很大的差別:CF方向的應(yīng)變測量信號(hào)雖然存在一定的次峰,但幅值很小;而IL方向的應(yīng)變變化則出現(xiàn)了不同峰值相互交替的情況。從應(yīng)變頻譜分析結(jié)果可以看出,該測點(diǎn)CF方向存在一個(gè)主導(dǎo)頻率,其幅值明顯高于另外一個(gè)振動(dòng)頻率,因此在應(yīng)變的時(shí)間歷程線中表現(xiàn)為比較規(guī)則的正弦曲線的形式;而該測點(diǎn)IL方向也存在2個(gè)主要的振動(dòng)頻率,但它們的幅值差異不大,因此實(shí)測應(yīng)變信號(hào)沒有表現(xiàn)出與CF方向同樣規(guī)則的曲線。光纖光柵傳感器實(shí)測信號(hào)表明,該測點(diǎn)CF方向的應(yīng)變要明顯高于IL方向的應(yīng)變,而IL方向的主導(dǎo)頻率則明顯高于CF方向的主導(dǎo)頻率,為CF方向主導(dǎo)頻率的2倍。這些認(rèn)識(shí)都與以往的研究成果一致,說明光纖光柵測量技術(shù)在細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中具有良好的工作性能。

為進(jìn)一步說明細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激振動(dòng)過程中的振動(dòng)頻率特征,圖8和圖9給出了拖車速度為0.315m/s時(shí)立管模型上所有測點(diǎn)在CF方向及IL方向應(yīng)變信號(hào)的頻譜分析結(jié)果,可以看出,每個(gè)測點(diǎn)的頻率成分(頻率成分指通過快速傅立葉變換得到的頻率)基本相同,但由于測點(diǎn)位置不同,各頻率成分所對應(yīng)的應(yīng)變幅值是不一樣的,即各頻率成分對應(yīng)變在空間上的分布貢獻(xiàn)是有差別的,這說明應(yīng)用光纖光柵傳感器可以很好地識(shí)別出參與到細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激振動(dòng)的不同頻率成分。

進(jìn)一步對圖8進(jìn)行分析可以看出,CF方向振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)了頻率相互競爭的現(xiàn)象,即CF方向的主導(dǎo)頻率在2個(gè)頻率之間發(fā)生跳動(dòng)。而從圖9可以看出,IL方向的主導(dǎo)頻率始終保持著同一個(gè)頻率。實(shí)際上,模態(tài)的相互競爭是渦激振動(dòng)的一個(gè)特有的物理現(xiàn)象,其原因之一是振動(dòng)過程中附加質(zhì)量系數(shù)[6]發(fā)生了改變,從而引起了立管振動(dòng)頻率隨時(shí)間發(fā)生變化。

3.2 位移結(jié)果

通過對CF方向和IL方向應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分解[7-9],可以得到立管模型各測點(diǎn)的位移。圖10和圖11以拖車速度0.315m/s為例,分別給出了立管模型z/L=0.533測點(diǎn)在CF方向和IL方向上的位移時(shí)間歷程及相應(yīng)的頻譜分析結(jié)果,圖中 y/D和x/D分別表示該測點(diǎn)在CF方向和IL方向的無因次位移;Ay/D及Ax/D分別為該測點(diǎn)在CF方向及IL方向的無因次振幅,D為立管模型的直徑。

從圖10和圖11的位移頻譜分析結(jié)果可以看出,在z/L=0.533測點(diǎn)上,CF方向及IL方向的振動(dòng)基本為單模態(tài)占主導(dǎo)地位的振動(dòng),因此,這2個(gè)方向的位移時(shí)間過程線呈現(xiàn)出規(guī)律的簡諧振動(dòng)的形式;同時(shí),該測點(diǎn)CF方向的位移比IL方向的位移大很多,而 IL方向和CF方向的振動(dòng)頻率分別為7.446Hz和3.784Hz,前者約為后者的2倍,表明本實(shí)驗(yàn)光纖光柵傳感器得到的測量結(jié)果是可靠的。

立管模型位移均方根的空間分布可以從整體上反映立管在某一流速下的振動(dòng)波形,并且可以用它來判斷渦激振動(dòng)的參與模態(tài)情況[8]。以CF方向?yàn)槔?位移均方根 yRMS(zi)的計(jì)算公式如下

式(4)中:zi為測點(diǎn)布置的位置;T為采樣時(shí)間長度; t為立管振動(dòng)位移的時(shí)間。

圖12和圖13以拖車速度0.315m/s為例,分別給出了CF方向和 IL方向立管模型位移均方根的空間分布,圖中縱坐標(biāo)均通過立管模型的直徑進(jìn)行了無因次化處理,而橫坐標(biāo)均通過立管模型的長度進(jìn)行了無因次化處理。

從圖12和圖13可以看出,用本實(shí)驗(yàn)中的光纖光柵傳感器及布置方式可以較好地測量出細(xì)長柔性立管模型渦激振動(dòng)的模態(tài)信息。比較圖12與圖13可以看出,CF方向的振動(dòng)為4模態(tài)占主導(dǎo)地位,而IL方向的振動(dòng)為8模態(tài)占主導(dǎo)地位;同時(shí),這2個(gè)方向的位移均方根的空間分布具有一定的不對稱性。如果實(shí)驗(yàn)中立管模型是嚴(yán)格意義上的單模態(tài)振動(dòng),則位移均方根的空間分布將是對稱的,并且不會(huì)存在相位差。參照圖8的頻譜分析結(jié)果可以看出,除主導(dǎo)模態(tài)以外,還有其它的模態(tài)參與了振動(dòng),雖然這些模態(tài)的量級較小,但對立管模型的位移響應(yīng)仍具有一定的貢獻(xiàn)。正是這些主導(dǎo)模態(tài)與非主導(dǎo)模態(tài)的共同作用,才導(dǎo)致了圖12和圖13中位移均方根空間分布的不對稱性和存在相位差。

4 結(jié)論

本文將光纖光柵測試技術(shù)引入到了細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)的室內(nèi)水平拖拉實(shí)驗(yàn),充分利用了光纖光柵傳感器體積小、對流場擾動(dòng)小、不受電磁信號(hào)干擾等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖光柵傳感器在細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的應(yīng)變測試性能。文中結(jié)合部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對應(yīng)變信號(hào)的時(shí)間變化、應(yīng)變頻譜、位移時(shí)間歷程線以及位移均方根的空間分布進(jìn)行了分析,得到了一些基本的細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)響應(yīng)特性,可為今后進(jìn)一步的研究工作提供參考。

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(編輯:張金棣)

Abstract:Vortex-induced vibration(VIV)is an important factor accounted for the fatigue damage of the deep water flexible risers.This work introduced the Fiber Bragg Grating(FBG)sensors to detect the vortex-induced vibration experimental response.Combining the experimental results of the strain traces,strain spectrums,time history of the displacements and spatial distributions of the Root-Mean Squared(RMS)displacements,the dynamic response characteristics of the long flexible riser subjected to vortex-induced vibration under uniform flows were obtained.This will provide a reference for the continuous research work.

Key words:Fiber Bragg Grating sensor;long flexible riser;vortex-induced vibration dynamic response;experimental analysis

Application of the fiber bragg grating sensors in laboratory tests of the vortex-induced vibration of a long flexible riser

Tang Guoqiang1LüLin1,2Teng Bin1Xie Bin3Zhang Jianqiao4Song Jining1Wu Hao1
(1.State Key L aboratory of Coastal and Of f shore Engineering,Dalian University ofTechnology, Dalian,116024;2.Center f or Deepwater Engineering, Dalian University ofTechnology,Dalian,116024; 3.CNOOC Research Institute,Beijing,100027; 4.Fishery Engineering Research Institute of Chinese Academy of Fishery Sciences,Beijing,100141)

2010-02-04 改回日期:2010-07-16

＊國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目“3000米水深半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2006AA09A103),國家自然科學(xué)基金委員會(huì)創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50921001),海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(LP0904)部分研究成果。

唐國強(qiáng),男,大連理工大學(xué)博士研究生,主要從事立管渦激振動(dòng)研究工作。地址:大連市甘井子區(qū)凌工路2號(hào)(郵編: 116024)。E-mail:TangGQ@mail.dlut.edu.cn。