李　朋，郭海燕，王　飛，張永波

（1.山東科技大學　土木工程與建筑學院，山東　青島　266590；2.中國海洋大學　工程學院，山東　青島 266100；3.青島國家海洋科學研究中心，山東　青島　266071）

凸起型螺旋導板擾流抑制試驗研究

李朋1，郭海燕2，王飛1，張永波3

（1.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島266590；2.中國海洋大學工程學院，山東青島 266100；3.青島國家海洋科學研究中心，山東青島266071）

為深入研究安裝螺旋導板的深水立管渦激振動規(guī)律，設計一種月牙凸起型螺旋導板抑振裝置，月牙凸起采用橡膠材料，在凸起兩端肋高最低處連接成螺旋狀。通過變化螺旋導板的螺旋數(shù)、螺距及螺高等形狀參數(shù)，在風-浪-流聯(lián)合水槽中進行安裝該抑振裝置的立管渦激振動試驗，研究該抑振裝置對渦激振動的抑制效率及其對立管動力響應的影響規(guī)律。研究結果表明，凸起型螺旋導板可取得優(yōu)異的抑制效率，有效地降低由漩渦脫落引起的橫向振動幅值；隨著螺旋數(shù)的增加，螺旋導板抑制效率有所提高，但增幅降低，增加螺距對抑制效率影響不大，而隨著螺高的增加，抑制效率有較大增幅；同時該抑振裝置能有效地擾亂立管振動的主導頻率，各抑振立管模型在示波區(qū)間內基本沒有出現(xiàn)明顯的主導頻率。

深水立管；渦激振動；月牙凸起；螺旋導板；形狀參數(shù)

海洋立管是油氣勘探開發(fā)不可或缺的設備之一，隨著深水油氣開發(fā)深度的不斷加大，對其研究和應用有著更多的技術挑戰(zhàn)，立管關鍵技術也成為深水油氣開發(fā)的瓶頸［1-2］。由于水深的不斷增大，平臺的往復運動及波浪作用在立管疲勞破壞中的作用逐漸減小，而渦激振動成為主要原因［3］，也成為立管在服役期間的一個重要安全因素。立管的造價往往占據(jù)整個系統(tǒng)的一半以上，因此減小深水立管渦激振動有重要的工程價值和現(xiàn)實意義。作為被動抑制立管渦激振動的有效措施，螺旋導板的應用一直是深水油氣田開發(fā)中的前沿技術，其研究已取得很多成果［4-8］，在墨西哥灣、北海及西非等深水油田項目中已得到了應用［9］。對于螺旋導板，影響其抑制效率的因素主要是導板的形狀（螺高、螺距及螺旋數(shù)）、覆蓋率及表面粗糙度。對螺高和螺距的優(yōu)化設計研究是目前螺旋導板應用研究的熱點方向。DNV規(guī)范定義了兩種尺寸的三螺旋導板，一種為螺距17.5 D，螺高0.25 D；另一種為螺距5 D，螺高0.14 D；其中D為立管外徑。螺旋導板一般都是覆蓋在立管外流流速相對較大的上部區(qū)域，因此，覆蓋率也是影響抑制效率的一個因素，而海洋浮游生物的附著對抑制效率的影響也是不容忽視的。

螺旋導板的抑制原理主要是通過沿立管縱向改變分離角，擾亂漩渦的連續(xù)性，減小漩渦關聯(lián)長度，從而削弱漩渦強度，達到減小立管振幅、提高疲勞壽命的目的。已有的研究［10-13］表明，影響螺旋導板抑制效率最主要因素是導板形狀，而螺高的影響尤為顯著，增大螺高可顯著地提高抑制效率，但同時會增大立管的投影面積，使拖曳力增大，降低立管疲勞壽命。

基于以上闡述，本文設計一種月牙凸起型螺旋導板，該抑振裝置較傳統(tǒng)的螺旋導板安裝簡單，且裝置由若干離散的月牙凸起組成，整體仍呈螺旋狀，每個凸起在兩端月牙肋高最低處連接，能有效減小立管投影面積，在導流過程中可有效地擾亂漩渦脫落。本文通過立管模型在風-浪-流聯(lián)合水槽中開展了渦激振動試驗，試驗過程中通過變化多級外流流速，變化螺距、螺高及螺旋數(shù)等形狀參數(shù)，研究該新型抑振裝置的抑制效率及其對立管動力響應的影響規(guī)律，為螺旋導板的設計和工程應用提供參考和科學依據(jù)。

1　試驗概況

1.1試驗方案

試驗在中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室風-浪-流聯(lián)合水槽進行，水槽可實現(xiàn)最大流速0.8 m/s、最大水深0.8 m的均勻流場，滿足本次試驗要求，試驗水槽如圖1所示。

圖1　試驗水槽

試驗立管模型采用站立姿態(tài)，考慮到水槽內壁為光滑玻璃且無固定裝置，設計了寬1.2 m、高1.75 m的鋁合金支撐裝置用來固定立管，立管上下端通過焊接于支撐裝置上的鉸接支座連接，鉸接支座根據(jù)支架尺寸由機械制造企業(yè)加工制作，在靠近支撐裝置頂部固定立管處焊接兩道橫向支撐安裝張力計用以施加頂部張力。支撐裝置通過預埋高強螺栓與水槽相連，試驗總體布置如圖2所示。

圖2　試驗總體布置圖

在更換不同工況立管模型過程中，為了避免支撐裝置的安裝定位誤差，在支撐裝置迎流面設計了可滑動槽道，并布置若干插槽，從而實現(xiàn)在不移動支撐裝置的情況下方便地更換不同工況立管模型。在水槽外側距離下端支座約500 mm處布置攝像機，用以在試驗過程中記錄立管的振動狀態(tài)。

在來流向立管模型前方約15 m處布置多普勒流速計用以測量外流流速，本次試驗變化多級外流流速，最大流速0.8 m/s。在流速施加過程中，動態(tài)應變儀處于示波狀態(tài)，待每級目標流速穩(wěn)定后開始采樣，采樣時間為40 s。為防止對均勻流場產(chǎn)生擾動，將所有導線沿水面上方玻璃側壁引出，考慮溫度及電磁信號對數(shù)據(jù)采集的影響，試驗中導線采用屏蔽電纜，應變計引出線與屏蔽電纜之間焊接后做防水保護，并在試驗開始前充分示波。

通過對多種管材的力學性能測試，結合本文試驗目的進行優(yōu)化，選取外徑為18 mm的透明有機玻璃作為立管模型，同批次的立管模型均進行力學性能試驗，以保證立管模型工況的一致性。模型兩端與鉸接支座連接，并采用金屬套箍在上下兩端鉸接支座外側進行固定，試驗立管模型詳細參數(shù)如表1所示。

表1　立管模型參數(shù)表

立管模型有效長度為1.5 m，其中下部0.75 m處于均勻流場中，上部0.75 m處于空氣中，沿立管軸向由頂端支座向下500 mm、700 mm兩處位置布置應變計，如圖3所示。每組應變計4個，順流向為1#和3#應變計，橫向為2#和4#應變計，沿順流向和橫向對稱粘貼，分別用來測量橫向和順流向應變，如圖4所示。應變計粘貼完畢后涂抹防水膠，試驗采用YD-28A型動態(tài)電阻應變儀及信號采集分析儀對數(shù)據(jù)進行采集分析。試驗正式開始前進行檢測性試驗，以檢測頂張力施加、外流流速測量、應變計數(shù)據(jù)采集等試驗系統(tǒng)各組成部分的性能。

圖3　應變計布置示意圖

圖4　應變計粘貼示意圖

1.2凸起型螺旋導板設計

凸起型螺旋導板由若干離散的月牙凸起組成，月牙凸起采用橡膠材料，考慮到其尺寸及質量較小，可忽略其對立管剛度的影響。凸起由機械加工模具制造，為減小模具加工對月牙凸起尺寸造成的誤差，在加工成型后分批采用游標卡尺測量，剔除成型尺寸不符合要求的批次，月牙凸起設計如圖5所示，詳細尺寸如表2所示。

圖5　月牙凸起設計及成型圖

表2　月牙凸起詳細尺寸（D-立管外徑）

與傳統(tǒng)螺旋導板不同的是，該抑振裝置是由多個離散的月牙凸起在兩端肋高最低處對接組成，整體仍呈螺旋狀，對比實際海洋工程中立管抑振裝置的布置以及導板形狀特性，試驗中凸起型螺旋導板均布置在立管水下部分。由于擾流抑振裝置與立管模型為非同性材料，為使兩者能牢固粘貼，選取多種粘接劑在試驗前進行粘接強度測試，最后選用高強502為粘接劑。強度檢測結果表明，使用該粘接劑，兩者粘貼牢固，滿足要求。各抑振管詳細布置如圖6所示。

圖6　凸起型螺旋導板及立管整體裝配模型

考慮螺旋導板的抑振效率主要影響因素，本次試驗共設計了兩種螺高的凸起型螺旋導板，螺高為0.25 D時變化6種工況，采用3種螺旋數(shù)及變化6種不同螺距。為保證與帶抑振裝置立管模型工況的一致性，裸管內部增加配重塊。作為對比，螺高為0.17 D時采用兩種螺距，同時在相同外流流速工況下進行配重裸管的渦激振動試驗，試驗工況設計如表3所示。

表3　立管模型試驗工況設計表

2　試驗結果分析

為了研究新型該抑振裝置對立管渦激振動的抑制效率及其對立管動力響應影響規(guī)律，試驗主要進行螺距為0.25 D的6組工況，在6組工況中變化3種螺旋數(shù)及6種螺距。同時作為對比，進行了2組螺高為0.17 D，螺距分別為15 D，17.5 D的工況。試驗施加多級流速，最大為0.8 m/s。分別將各抑振管的微應變幅值及振動頻譜依據(jù)不同設計工況進行對比分析，同時將各抑振管的動力響應規(guī)律同配重裸管進行對比討論。

圖7　外流流速為0.6 m/s時配重裸管及各抑振管橫向微應變時程對比曲線

對于立管的渦激振動“鎖振”區(qū)間，已有的研究表明［14-15］，在水中發(fā)生“鎖振”的約化速度區(qū)間約為Vr∈［4.5，10］，對比配重裸管的渦激振動規(guī)律，在外流流速為0.6 m/s時，約化速度Vr=5.6，在此速度范圍內立管振幅相比較低外流流速發(fā)生突變，振動強烈，因此本文以外流流速為0.6 m/s時進行分析。圖7為外流流速為0.6 m/s時配重裸管及各抑振管橫向微應變時程對比曲線，作為參考，將各抑振管在0～1 s范圍內的微應變數(shù)據(jù)單獨列出。在外流流速較小時，通過試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各抑振管振動幅度微弱，有些工況幾乎觀察不到振動。由圖7分析可以發(fā)現(xiàn)，外流流速在0.6 m/s時配重裸管處于鎖振區(qū)間，振幅遠大于各抑振管的振幅，且配重裸管的微應變時程曲線在示波區(qū)間內比較穩(wěn)定，各抑振管振幅均較小但幅值變化不穩(wěn)定。由應變幅值分析可知，各抑振管均取得優(yōu)異的抑制效率，能有效抑制立管的橫向振動，特別是螺高為0.25 D的工況CB-1-3、CB-1-4、CB-1-5及CB-1-6（螺距分別為10 D，12.5 D，15 D及17.5 D），抑制效率達90%以上，工況CB-1-6取得最高的抑制效率，達到98.1%。上述抑振管工況在該流速區(qū)間內通過觀察也發(fā)現(xiàn)，立管振動非常微弱，特別是工況CB-1-6，幾乎觀察不到振動。由此可見，凸起型螺旋導板作為一種離散型的螺旋線狀抑振裝置，對立管的渦激振動可起到非常好的抑制作用。

為準確分析凸起型螺旋導板的形狀參數(shù)對立管渦激振動抑制效率及立管動力響應的影響，分別取各抑振管示波區(qū)間內微應變極值的均值和立管振動主導頻率（Dominant Frequency）與配重裸管進行對比分析。

圖8　不同螺旋導板形狀參數(shù)的抑振管微應變圖

圖9　外流流速為0.6 m/s時配重裸管及各抑振管功率譜密度圖

圖9為外流流速為0.6 m/s時配重裸管及各抑振管功率譜密度圖。由圖9分析可以發(fā)現(xiàn)，帶螺旋導板的抑振管功率譜峰值與配重裸管相比大幅減小，整體上相差約3個數(shù)量級，由此也可看出，螺旋導板對立管渦激振動的抑制效果在示波區(qū)間內比較穩(wěn)定。對于配重裸管，由頻譜分析可知，曲線存在兩個峰值，對應頻率分別為2.1 Hz和6.1 Hz，根據(jù)渦激振動鎖振區(qū)間約化速度分布范圍，結合上圖，2.1 Hz對應峰值相比6.1 Hz極小，立管模型以二階主導頻率振動，其他階參與極少，主導頻率為6.1 Hz，由Strouhal規(guī)律（St=0.2）計算得漩渦脫落頻率為6.7 Hz，與立管模型的主導頻率接近。

而對各抑振管的頻譜分析可知，所有工況的抑振管振動頻率中，單螺旋抑振管（CB-1-1）的主導頻率為6.3 Hz，略大于配重裸管的主導頻率，而其他抑振管均沒有出現(xiàn)明顯的主導頻率，這也體現(xiàn)出時域區(qū)間內，示波的組成較為復雜，這一點由圖6抑振管的示波曲線也可明確體現(xiàn)。振動頻率的變化，也說明該抑振裝置能有效地擾亂立管的主導頻率，這一點對裝置的抑制效率來說是至關重要的。由頻譜曲線的分布離散規(guī)律也可以發(fā)現(xiàn)，三螺旋抑振管（螺高0.25 D、螺距17.5 D）的擾流抑制效果最好。

3　結論

本文設計了一種月牙凸起型螺旋導板抑振裝置，通過變化螺旋導板的螺旋數(shù)、螺距及螺高等形狀參數(shù)，在風-浪-流聯(lián)合水槽中試驗研究該抑振裝置對立管渦激振動的抑制效率及其對立管動力響應的影響規(guī)律，主要得到以下結論：

（1）凸起型螺旋導板可取得優(yōu)異的抑制效率，有效地降低由漩渦脫落引起的橫向振動幅值；三螺旋抑振管（螺高0.25 D、螺距17.5 D）的擾流抑制效果最好，達98.1%。

（2）隨著螺旋數(shù)的增加，螺旋導板抑制效率有所提高，但增幅降低，增加螺距對抑制效率影響不大，而隨著螺高的增加，抑制效率有較大增幅。

（3）該抑振裝置能有效擾亂立管的主導頻率，各抑振立管模型在示波區(qū)間內基本沒有出現(xiàn)明顯的主導頻率，這一點對抑振裝置的抑制效率來說是至關重要的。

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Experimental Study on the Turbulence Suppression of Helical Strakes with Crescent Bulge

LI Peng1，GUO Hai-yan2，WANG Fei1，ZHANG Yong-bo3
1.College of Architecture and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong Province，China；
2.College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China；
3.National Oceanographic Center of Qingdao，Qingdao 266071，Shandong Province，China

To further improve the understanding of the VIV performance of deep-sea risers with helical strakes，a new type of helical strake with crescent bulge is designed in this paper.The crescent bulge is made of rubber，and its both ends are linked with helix.In order to verify the effect of this suppression device on the VIV of the riser，an experiment was carried out in a wind-wave-current flume by changing the shape parameters of the helical strake，including spiral number，screw pitch and screw height.The results show that the helical strakes with crescent bulges have excellent suppressing efficiency for curbing the VIV of the riser.In addition，this suppression device can effectively reduce the transverse vibration amplitude of the riser which is induced by vortex shedding.The results have also verified that with increasing spiral number，the suppressing efficiency is enhanced to some extent but the amplitude decreases.The screw pitch has small effect on the suppressing efficiency of the device，which gradually and obviously increases with increasing screw height.Meanwhile，this suppression device can effectively disturb the dominant frequency of the riser，which means that most riser models don't have a dominant frequency during the wave range.

deep-sea riser；vortex-induced vibration；crescent bulge；helical strakes；shape parameters

P751

A

1003-2029（2016）02-0097-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.018

2015-11-13

國家自然科學基金資助項目（51279187）；山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金資助項目（BS2015HZ017）；山東省土木工程防災減災重點實驗室開放課題基金資助項目（CDPM2013ZR01）；山東科技大學人才引進科研啟動基金資助項目（2013RCJJ032）；青島市博士后研究人員應用研究項目資助（01020120406）

李朋（1984-），男，博士，講師，主要研究方向為海洋工程結構動力分析、設計及防災減災技術。E-mail：lipeng@sdust.edu.cn