沙 勇，曹 靜，張恩勇，周巍偉，陳嚴(yán)飛

(中海油研究總院，北京 100027)

海洋立管在海洋油氣開(kāi)發(fā)中用于連接海底油氣田和海上浮體，可實(shí)現(xiàn)深水油氣生產(chǎn)、注水注氣、油氣外輸?shù)裙δ堋Ａ⒐艿臏u激振動(dòng)會(huì)顯著降低立管的使用壽命，是海洋立管面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，而合理安裝螺旋列板裝置能夠有效地抑制立管的渦激振動(dòng)，因此螺旋列板的設(shè)計(jì)成為海洋立管工程中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?；诠こ虘?yīng)用詳細(xì)闡述了抑制海洋立管渦激振動(dòng)的螺旋列板裝置所涉及的技術(shù)問(wèn)題，包括螺旋列板的材料、幾何參數(shù)、覆蓋率、水動(dòng)力直徑和水動(dòng)力系數(shù)。

1 螺旋列板的類型

抑制海洋立管渦激振動(dòng)的螺旋列板裝置設(shè)計(jì)需要滿足功能、力學(xué)、材料以及安全等方面的條件。目前，適用于抑制海洋立管渦激振動(dòng)的螺旋列板裝置形式主要包括兩種［1］:1)非水下機(jī)器人安裝型，見(jiàn)圖1(a);2)可水下機(jī)器人安裝型，見(jiàn)圖1(b)。

非水下機(jī)器人安裝型和可水下機(jī)器人安裝型的螺旋列板材料通常采用海洋級(jí)別的聚氨酯或聚乙烯人造橡膠。可水下機(jī)器人安裝型的螺旋列板通常需要采用合成材料(如高強(qiáng)度玻璃增強(qiáng)塑料合成物)制造外殼，支撐聚氨酯或聚乙烯人造橡膠材料的模制側(cè)板。

圖1 抑制海洋立管渦激振動(dòng)的螺旋列板裝置形式Fig.1 Helical strakes for marine riser VIV suppression

2 螺旋列板的幾何參數(shù)

螺旋列板抑制海洋立管渦激振動(dòng)的原理通常認(rèn)為是:通過(guò)不斷改變徑向來(lái)流分離角度擾亂漩渦的空間相關(guān)長(zhǎng)度，減少立管后渦釋放沿管的同步性，從而減少立管渦激振動(dòng)的幅度。螺旋列板的幾何參數(shù)對(duì)于螺旋列板抑制渦激振動(dòng)效果影響較大。

螺旋列板的幾何參數(shù)主要包括:螺距(pitch)、鰭高(height)以及螺紋個(gè)數(shù)(start number)。螺距表示螺旋列板沿管長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)繞一周的管段長(zhǎng)度;鰭高表示螺旋列板側(cè)齒的凸出高度;螺紋個(gè)數(shù)表示一個(gè)圓周上的側(cè)板數(shù)，通常為3個(gè)或4個(gè)外齒，外齒截面通常為三角形或者梯形［1］。DNV-RP-F204規(guī)范定義了兩種特定形式的三齒螺旋列板:1)螺距17.5D、鰭高0.25D;2)螺距5D、鰭高0.14D，其中D為裸管的外徑。螺距5D、鰭高0.14D的螺旋列板通常適用于風(fēng)場(chǎng)中［2］，螺距17.5D、鰭高0.25D在海洋立管工程中更為有效［3］。

2.1 螺旋列板的鰭高

鰭高是螺旋列板的重要幾何參數(shù)之一，對(duì)螺旋列板的抑制效果有很大影響。隨著螺旋列板鰭高的增加，渦激振動(dòng)的抑制效果越好，但考慮到螺旋列板鰭高越高，螺旋列板及立管的建造和安裝難度越大，同時(shí)鰭高越高，立管所受阻力越大，因此需要綜合上述因素進(jìn)行鰭高的選擇。在滿足抑制渦激振動(dòng)的前提下，國(guó)外工程應(yīng)用的螺旋列板鰭高的范圍通常為0.1D到0.25D。

MARINTEK的Rolf Baarholm對(duì)8.8D螺距、全覆蓋的光滑三齒螺旋列板進(jìn)行了試驗(yàn)研究［4］，結(jié)果是:隨著螺旋列板鰭高由0.1D增加到0.2D，有效振幅與管徑之比可由0.16減少到0.015。挪威科技大學(xué)的Raed K.Lubbad等進(jìn)行了5D和10D螺距的渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究［5］，結(jié)果是:5D螺距0.15D圓形側(cè)齒的橫向振幅相對(duì)于裸管可減少95.6%;10D螺距0.15D圓形側(cè)齒的橫向振幅相對(duì)于裸管可減少約88.6%。

中海油與上海交通大學(xué)聯(lián)合完成的深水立管渦激振動(dòng)模型試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)合試驗(yàn)”)對(duì)100%覆蓋率、螺距分別為5D和17.5D的螺旋列板進(jìn)行了不同流速剪切流場(chǎng)下的立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)［6］，研究結(jié)果表明:對(duì)于螺距為5D的螺旋列板，鰭高從0.10D增加到0.15D后，立管橫向位移有效值的最大值下降了45%;當(dāng)螺距為17.5D、鰭高為0.25D時(shí)，螺旋列板的抑制效果最好，立管橫向位移有效值的最大值較鰭高為0.15D和0.50D分別下降了44%和40%。聯(lián)合試驗(yàn)與國(guó)外試驗(yàn)研究的結(jié)果對(duì)比如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)為鰭高，縱坐標(biāo)為立管橫向位移有效值的最大值。結(jié)果的差別主要是由于采用了不同類型的試驗(yàn)裝置。

殼牌公司的Don W.Allen等對(duì)17.5D螺距、18%覆蓋率的光滑三齒螺旋列板的不同鰭高進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)梁的渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn):隨著螺旋列板鰭高由0.1D增加到0.15D，0.15D鰭高與0.1D鰭高的管段均方根加速度之比最多可減少到40%［7］，結(jié)果顯示螺旋列板鰭高越高，抑制效果越好。

2.2 螺旋列板的螺距

螺旋列板的螺距尺寸與鰭高通常是相應(yīng)的，鰭高0.25D對(duì)應(yīng)的螺距通常為16D到17.5D;對(duì)于鰭高0.15D的螺旋列板，螺距通常為5D到8D。隨著螺旋列板螺距的增加，抑制渦激振動(dòng)的效率略有增加，但螺距增加到一定值以后，渦激振動(dòng)的抑制效率有降低的可能。

殼牌公司的Don W.Allen等對(duì)0.25D鰭高、37%覆蓋率的光滑三齒螺旋列板的12D和17.5D螺距，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)梁的渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究［7］，結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著螺距由12D變化到17.5D，管段均方根加速度之比平均減少約10%，抑制效率略有增加。聯(lián)合試驗(yàn)對(duì)100%覆蓋率，鰭高為0.25D的螺旋列板進(jìn)行不同工況下旋轉(zhuǎn)立管的渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn):對(duì)于鰭高為0.25D的螺旋列板，螺距為17.5D時(shí)，抑制效果最佳，較螺距為15.0D的螺旋列板，立管橫向位移有效值的最大值下降了約50%，抑制效率顯著增加。

圖2 螺旋列板鰭高對(duì)抑制渦激振動(dòng)效果的影響Fig.2 The effect of strake height on VIV suppression efficiency

挪威科技大學(xué)Raed K.Lubbad等在均勻流水槽中進(jìn)行的0.15D圓形螺旋側(cè)齒渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究［5］結(jié)果是:螺距從3.5D增加到8D，螺旋列板的有效性近似不變;當(dāng)螺距增大到10D時(shí)，螺旋列板的效率顯著降低，約降低10%。聯(lián)合試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)剪切流裝置對(duì)100%覆蓋率、鰭高為0.15D的螺旋列板進(jìn)行不同工況下旋轉(zhuǎn)立管的渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn):鰭高為0.15D的螺旋列板，螺距為5D較螺距為17.5D和20D的抑制效果更好，當(dāng)螺距從5D增加到17.5D后，立管橫向位移有效值的最大值上升了約4%，增加到20D時(shí)，立管橫向位移有效值的最大值上升了約6%，螺旋列板的抑制效率有所降低;對(duì)于鰭高為0.25D的螺旋列板，螺距為17.5D時(shí)，抑制效果最佳，與螺距為15.0D的螺旋列板相比，立管橫向位移有效值的最大值下降了約50%。

螺旋列板鰭高對(duì)抑制渦激振動(dòng)效果的影響如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)為螺距。圖3(a)為挪威科技大學(xué)的0.15D圓形螺旋側(cè)齒水中渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究結(jié)果，圖中R表示螺旋列板覆蓋管相對(duì)于光管的振幅減少百分比;圖3(b)為聯(lián)合試驗(yàn)結(jié)果，縱坐標(biāo)為立管橫向位移有效值的最大值。

圖3 螺旋列板螺距對(duì)抑制渦激振動(dòng)效果的影響Fig.3 The effect of strake pitch on VIV suppression efficiency

3 螺旋列板的覆蓋率

從抑制立管渦激振動(dòng)疲勞的角度分析，螺旋列板的覆蓋率越大越好。在船拖試驗(yàn)條件下，在螺旋列板40%覆蓋下的立管疲勞破壞率可比裸管低一個(gè)量級(jí);70%覆蓋時(shí)低兩個(gè)量級(jí);100%覆蓋時(shí)低八個(gè)量級(jí)［8］。但在實(shí)際工程中，通常由于海洋環(huán)境下上層流速非常大，螺旋列板通常從立管頂部開(kāi)始布置，覆蓋率達(dá)到一定數(shù)值后，即可對(duì)海洋立管起到較好的抑制渦激振動(dòng)疲勞效果，圖4為1 500 m鋼懸鏈線立管的渦激振動(dòng)疲勞損傷的計(jì)算結(jié)果。

圖4 鋼懸鏈線立管疲勞損傷Fig.4 Fatigue damage of steel catenary riser

同時(shí)，由于螺旋列板的阻力系數(shù)較大，會(huì)造成立管系統(tǒng)整體阻力增加，對(duì)于立管的強(qiáng)度存在不利影響;螺旋列板的覆蓋率增大，立管系統(tǒng)的工程造價(jià)也會(huì)相應(yīng)增加。因此，螺旋列板的覆蓋率應(yīng)充分考慮立管渦激振動(dòng)疲勞、立管強(qiáng)度、工程造價(jià)三方面因素。

4 螺旋列板的水動(dòng)力直徑

螺旋列板的水動(dòng)力系數(shù)影響立管強(qiáng)度和疲勞分析結(jié)果。螺旋列板水動(dòng)力直徑選取的原則是:水動(dòng)力直徑應(yīng)與水動(dòng)力系數(shù)相適應(yīng)，同時(shí)考慮立管設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

螺旋列板水動(dòng)力直徑的選取主要有以下三種:

1)完全不考慮螺旋列板裝置;

2)考慮螺旋列板裝置桶基的厚度;

3)完全考慮螺旋列板裝置，即管段總外徑、2倍的Strake桶基厚度和1倍的螺旋列板鰭高之和。

對(duì)于含有保溫層的立管，螺旋列板水動(dòng)力直徑應(yīng)包括保溫層的厚度，如圖5所示。

圖5 含有保溫層的立管螺旋列板的橫截面Fig.5 Cross section of riser strake with an insulation layer

5 螺旋列板的水動(dòng)力系數(shù)

對(duì)于立管強(qiáng)度和疲勞分析，螺旋列板水動(dòng)力系數(shù)同樣是一個(gè)重要的參數(shù)，應(yīng)合理選取。根據(jù)莫里森公式，螺旋列板水動(dòng)力系數(shù)主要包括:附加質(zhì)量系數(shù)、阻力系數(shù)、升力系數(shù)［9-10］。

5.1 附加質(zhì)量系數(shù)

附加質(zhì)量系數(shù)受折減速度UR影響，并隨之增大而增大［11-13］，同時(shí)折減速度的增大會(huì)降低螺旋列板的抑制效果，折減速度UR定義為

式中:U為水流速度;f0為管中靜水中首階固有頻率。

渦激振動(dòng)分析軟件VIVAVA采用隨無(wú)量綱頻率(fnon=foscD/U，fosc為管振動(dòng)頻率)變化的附加質(zhì)量系數(shù)［12］，如圖6 所示。

渦激振動(dòng)分析軟件SHEAR7(V4.4版本)采用0～1.0區(qū)間用戶定義的簡(jiǎn)化定常附加質(zhì)量系數(shù)［11］。

5.2 阻力系數(shù)

阻力系數(shù)與雷諾數(shù)、振動(dòng)幅度、表面粗糙度等有關(guān)。

簡(jiǎn)化的螺旋列板阻力系數(shù)的選取原則上主要有以下兩種方法:

1)1.2～1.4，此時(shí)阻力直徑通常需要完全考慮螺旋列板裝置來(lái)取值;

2)2.0，此時(shí)阻力直徑通常按完全不考慮螺旋列板裝置或考慮螺旋列板裝置桶基來(lái)取值。

圖6 隨無(wú)量綱頻率變化的附加質(zhì)量系數(shù)Fig.6 Added mass coefficients with non-dimensional frequencies

阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化，可以參考裸管段的變化規(guī)律(圖7)。

從圖7中可以看出，在亞臨界雷諾數(shù)區(qū)域(300≤Re＜3×105)內(nèi)，隨著雷諾數(shù)的增加，裸官阻力系數(shù)變化較小;同樣，研究表明在此雷諾數(shù)區(qū)域內(nèi)，加裝螺旋列板后，立管的阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加變化也較?。?4］。

阻力系數(shù)與振動(dòng)幅度的變化可以按如下公式［15］計(jì)算:

圖7 裸管段阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化Fig.7 Drag coefficients of bare pipe with Renault numbers

式中:CD，amp(i)為i節(jié)點(diǎn)的阻力系數(shù)受振動(dòng)幅度影響的系數(shù);yrms(i)為i節(jié)點(diǎn)均方根振幅。

此外，立管的表面粗糙度越大，則阻力系數(shù)就越大。試驗(yàn)研究［7］發(fā)現(xiàn):粗糙側(cè)板的阻力系數(shù)較光滑側(cè)板增大10% ～20%。

以上阻力系數(shù)的取值通常適用于立管強(qiáng)度分析，對(duì)于疲勞分析，可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)減少。

5.3 升力系數(shù)

在每個(gè)無(wú)因次頻率fnon下，均存在一個(gè)隨無(wú)量綱幅值A(chǔ)/D變化的升力系數(shù)［12］，如圖8所示。

圖8 隨無(wú)量綱幅值A(chǔ)/D變化的升力系數(shù)Fig.8 Lift coefficients with non-dimensional amplitude A/D

6 螺旋列板參數(shù)的選取

基于聯(lián)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，提出了適合于海洋立管工程應(yīng)用的螺旋列板幾何和設(shè)計(jì)參數(shù)選取的建議，如表1。

表1 螺旋列板參數(shù)選取的建議Tab.1 Parameter selecting proposals for helical strakes

以上參數(shù)選取建議可作為工程設(shè)計(jì)的初始參考，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，還應(yīng)從立管渦激振動(dòng)疲勞、立管強(qiáng)度、工程造價(jià)三方面因素具體分析，優(yōu)化螺旋列板的幾何參數(shù)和覆蓋率，驗(yàn)證水動(dòng)力參數(shù)，使得最終設(shè)計(jì)的螺旋列板達(dá)到較好的工程應(yīng)用效果。

7 結(jié)語(yǔ)

海洋立管在海洋油氣開(kāi)發(fā)中用于連接海底油氣田和海上浮體，可實(shí)現(xiàn)深水油氣生產(chǎn)、注水注氣、油氣外輸?shù)裙δ?。螺旋列板可以抑制海洋立管渦激振動(dòng)，具有保障海洋立管安全和提高立管使用壽命的作用。

基于工程應(yīng)用詳細(xì)闡述了抑制海洋立管渦激振動(dòng)的螺旋列板裝置所涉及的技術(shù)問(wèn)題，包括螺旋列板的類型、幾何參數(shù)、覆蓋率、螺旋列板水動(dòng)力直徑和水動(dòng)力系數(shù)?；诼?lián)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，著重分析了螺旋列板幾何參數(shù)、覆蓋率、水動(dòng)力直徑和水動(dòng)力系數(shù)的選用及其對(duì)抑制海洋立管渦激振動(dòng)的影響，提出了適合于海洋立管工程應(yīng)用的螺旋列板幾何和設(shè)計(jì)參數(shù)選取的建議，為螺旋列板工程應(yīng)用、海洋立管強(qiáng)度和疲勞設(shè)計(jì)提供了參考。

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