董曉曼， 蔡元浪， 李俊汲， 宋安科

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

南海張力腿平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究

董曉曼， 蔡元浪， 李俊汲， 宋安科

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

張力腿平臺(tái)(TLP)是一種深吃水的立柱式平臺(tái)，南海流速特征可誘發(fā)其較大的渦激運(yùn)動(dòng)，影響立管和張力腿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從南海張力腿平臺(tái)的前端設(shè)計(jì)項(xiàng)目出發(fā)，對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、關(guān)鍵特性進(jìn)行論述。同時(shí)，結(jié)合拖曳實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TLP平臺(tái)在與來(lái)流垂直的方向上會(huì)發(fā)生的最大渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，且存在鎖定區(qū)間。研究工作對(duì)張力腿平臺(tái)的工程設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

張力腿平臺(tái)；渦激運(yùn)動(dòng)；模型試驗(yàn)

0 引言

我國(guó)南海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，發(fā)展適合南海深水油氣開(kāi)發(fā)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。張力腿平臺(tái)(tension leg platform, TLP)由于具備適用水深范圍廣(300 m～1 500 m)、耐波性能優(yōu)良、可干式采油等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用。近兩年，國(guó)內(nèi)對(duì)張力腿平臺(tái)的研究逐漸從科研走向生產(chǎn)，未來(lái)幾年，極有可能采用張力腿平臺(tái)進(jìn)行南海油氣的開(kāi)發(fā)。

渦激振動(dòng)(vortex-induced vibrations, VIV)是指在一定速度的來(lái)流中，流場(chǎng)會(huì)在物體背面產(chǎn)生交替瀉渦進(jìn)而導(dǎo)致脈動(dòng)壓力，引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。TLP平臺(tái)屬于深吃水柱穩(wěn)式平臺(tái)，根據(jù)渦激振動(dòng)的原理，這種結(jié)構(gòu)形式在流場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生類似的漩渦脫落現(xiàn)象。但另一方面，由于TLP整體結(jié)構(gòu)的剛性特性，以及作為海洋平臺(tái)特有的漂浮、錨泊和水動(dòng)力性能，又使它在漩渦脫落的作用下顯示出與海洋立管等柔性體不同的運(yùn)動(dòng)特征，為了區(qū)別于一般的渦激振動(dòng)，將TLP平臺(tái)的這種現(xiàn)象稱為渦激運(yùn)動(dòng)[1]。南海1 000年一遇表層流速將近3 m/s，約化速度可達(dá)12 m/s，經(jīng)驗(yàn)表明，浮式平臺(tái)發(fā)生大幅值渦激運(yùn)動(dòng)的約化速度約7 m/s，因此南海具備誘發(fā)平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的條件。

海洋工程范圍內(nèi)，研究比較廣泛的渦激現(xiàn)象是海洋平臺(tái)立管和海底管線等大細(xì)長(zhǎng)比柔性結(jié)構(gòu)物的渦激振動(dòng)。渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)并引起廣泛關(guān)注起因于Spar平臺(tái)。在墨西哥灣環(huán)流和颶風(fēng)流的作用下，Spar 平臺(tái)會(huì)發(fā)生大幅度的渦激運(yùn)動(dòng)[2～5]，直接影響系泊和立管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于深吃水的半潛式平臺(tái)，由于其立柱支撐的特征，也可能發(fā)生比較嚴(yán)重的渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，TLP平臺(tái)在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)與半潛式平臺(tái)相似，吃水可達(dá)30 m以上，也容易受到渦激運(yùn)動(dòng)的影響。與傳統(tǒng)型Spar平臺(tái)的單樁式結(jié)構(gòu)不同，張力腿平臺(tái)由于多立柱之間的流動(dòng)分離和剪切層干擾效應(yīng)，結(jié)構(gòu)受到的流體力與相關(guān)頻率具有強(qiáng)烈的非線性特性。因此，多體的存在導(dǎo)致流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與受力特性變得更加復(fù)雜并且與單體結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別[5]。由于國(guó)內(nèi)并沒(méi)有一座TLP平臺(tái)在役，因此，對(duì)TLP平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的研究處于空白狀態(tài)。同時(shí)，TLP由于其多立柱的特性，運(yùn)動(dòng)特性也與Spar不同，平臺(tái)主體上通常不設(shè)置抑制裝置，這也使合理評(píng)估平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)顯得極為重要。

1 渦激運(yùn)動(dòng)的影響因素

1.1 渦激運(yùn)動(dòng)機(jī)理

水的粘性引起邊界層分離并在TLP立柱主體結(jié)構(gòu)后方產(chǎn)生周期性的漩渦脫落，漩渦脫落使主體后方壓力降低，產(chǎn)生拖曳載荷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順流向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，由于漩渦脫落是在主體兩側(cè)交替進(jìn)行，產(chǎn)生了垂直于流向的周期性升力，這種周期性的激勵(lì)作用導(dǎo)致了平臺(tái)垂直流向渦激運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，這是一種十分典型的流固耦合問(wèn)題。

TLP的系泊系統(tǒng)允許平臺(tái)做水平面內(nèi)的位移，面外的運(yùn)動(dòng)由Tendon限制，即橫蕩和縱蕩是渦激運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于附屬結(jié)構(gòu)的存在，平臺(tái)可能存在一定艏搖運(yùn)動(dòng)。渦激運(yùn)動(dòng)研究中通常設(shè)定平臺(tái)縱蕩方向與來(lái)流方向一致，而橫蕩方向?yàn)楫a(chǎn)生橫向渦激運(yùn)動(dòng)的主要方向。在這種方向架構(gòu)內(nèi)，平臺(tái)的橫蕩即垂直流向的運(yùn)動(dòng)以及縱蕩即順流向的運(yùn)動(dòng)，是渦激運(yùn)動(dòng)研究中應(yīng)關(guān)注的主要問(wèn)題。特別是橫蕩運(yùn)動(dòng)，一般情況下，漩渦脫落在橫向所引起的運(yùn)動(dòng)幅值要比順流向大，并且橫向運(yùn)動(dòng)容易在一定條件下發(fā)生共振響應(yīng)，因此，橫向運(yùn)動(dòng)是渦激運(yùn)動(dòng)研究中的焦點(diǎn)問(wèn)題。

1.2 渦激運(yùn)動(dòng)基本參數(shù)

(1) 雷諾數(shù)Re是描述粘性流體運(yùn)動(dòng)的最基本參數(shù)，其他無(wú)量綱的物理量一般都依賴于雷諾數(shù)。他是慣性力與粘性力的比值，具體公式為

式中：U 、L 分別為流體的特征速度和結(jié)構(gòu)物的特征長(zhǎng)度，對(duì)于均勻來(lái)流作用下的圓柱形結(jié)構(gòu)物，U 取來(lái)流速度， L 取圓柱體的直徑 D；ν為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)，二者關(guān)系為

Re 數(shù)是判斷粘性流體流動(dòng)狀態(tài)的重要依據(jù)。若 Re 數(shù)較小，則粘性力占主導(dǎo)地位，流體易保持原來(lái)的層流狀態(tài)；若 Re 數(shù)較大，則慣性力占主導(dǎo)地位，流體易打破原來(lái)的狀態(tài)而呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。同時(shí)，Re 數(shù)對(duì)圓柱繞流尾流區(qū)渦脫落模式、Karman 渦街發(fā)生的周期等都有重要影響。

(2) 斯特羅哈數(shù) St 的物理意義為局部慣性力與變位慣性力的比值，是反映流體非定常運(yùn)動(dòng)影響的參數(shù)，定義為

在圓柱繞流和渦激運(yùn)動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題中，可用 St 數(shù)來(lái)描述在速度為U 的均勻來(lái)流中，直徑為 D 的靜止柱體的瀉渦頻率fSt，二者關(guān)系為：

斯特羅哈數(shù)St可將邊界層分離以及流動(dòng)的不穩(wěn)定性這些微觀、隨機(jī)的特性與相對(duì)穩(wěn)定的瀉渦頻率聯(lián)系在一起，但是由于渦脫頻率取決于雷諾數(shù) Re，所以，此時(shí) St 是 Re的函數(shù)，即St =f(Re) ，目前這一關(guān)系只能用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)求得。

(3) 折合速度(約化速度)UR，即速度比，定義為

式中：U代表來(lái)流速度；Tn代表系統(tǒng)的固有周期；D代表結(jié)構(gòu)物的特征直徑。

(4) 研究柱體的渦激運(yùn)動(dòng)特性，最大幅值和標(biāo)稱幅值是主要考察指標(biāo)。定義為

式中：max(r(t))和min(r(t))分別代表觀測(cè)點(diǎn)的最大位移和最小位移；δ(r(t))為位移的標(biāo)準(zhǔn)差。

2 水池模型實(shí)驗(yàn)

目前工程界對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的研究主要包括數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)測(cè)三個(gè)方面。

(1) 數(shù)值模擬。計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，使得渦激運(yùn)動(dòng)的模擬成為可能。數(shù)值模擬有著不受場(chǎng)地和時(shí)間限制，可進(jìn)行大尺度甚至原型的模擬，節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。但渦激運(yùn)動(dòng)的理論研究需要對(duì)漩渦脫落現(xiàn)象進(jìn)行模擬，由于浮式結(jié)構(gòu)本身和流場(chǎng)的復(fù)雜性，目前的計(jì)算流體力學(xué)在精度和時(shí)間上并不能完全滿足工程要求。

(2) 水池拖曳實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)不同來(lái)流方向、不同約化速度的拖曳實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值、鎖定區(qū)間等現(xiàn)象進(jìn)行直觀觀測(cè)，所得結(jié)果可用于工程設(shè)計(jì)。但模型實(shí)驗(yàn)同樣存在著無(wú)法保證粘性相似，阻尼的模擬及三維流場(chǎng)模擬方面的問(wèn)題，需要經(jīng)過(guò)其他手段保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。研究渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的另外一種方法，可有效地避免尺度效應(yīng)的影響，但實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，平臺(tái)的吃水、系泊系統(tǒng)狀態(tài)、海生物的生長(zhǎng)情況等都對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有影響，得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行大量的分析工作。

模型試驗(yàn)輔以數(shù)值模擬和海上實(shí)測(cè)仍是工程界研究渦激運(yùn)動(dòng)的常用方法。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為評(píng)估平臺(tái)在不同流速和流向時(shí)的渦激運(yùn)動(dòng)，得到平臺(tái)的VIM設(shè)計(jì)曲線，在中船工業(yè)集團(tuán)第708研究所大型拖曳水池中進(jìn)行靜水拖曳實(shí)驗(yàn)，拖曳水池長(zhǎng)280 m，寬10.0 m，水深5.0 m，縮尺比為1:50。

拖曳模型中不包括張力腿和立管，在模型實(shí)驗(yàn)前這部分結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)剛度和阻尼的貢獻(xiàn)需要選擇等效形式計(jì)入。此次實(shí)驗(yàn)中選用6個(gè)氣浮軸承模擬tendon和立管垂向張力，水平恢復(fù)力通過(guò)等效彈簧系統(tǒng)模擬。實(shí)驗(yàn)中來(lái)流方向的定義如圖1所示，圖中的1～6代表6個(gè)空氣軸承的位置。使用空氣軸承的優(yōu)點(diǎn)在于保證平臺(tái)達(dá)到設(shè)計(jì)吃水時(shí)不引入額外阻尼。由于渦激運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是系統(tǒng)的共振響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的固有周期和阻尼系數(shù)應(yīng)仔細(xì)確認(rèn)以保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)為準(zhǔn)確評(píng)估平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的影響，下浮體上的附屬結(jié)構(gòu)，包括電纜和臍帶纜的護(hù)管、護(hù)舷、陽(yáng)極等會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成影響的附屬構(gòu)件，需要在模型上體現(xiàn)。

圖1 環(huán)境方向定義

2.2 平臺(tái)尺度

以南海某油田為目標(biāo)，該油田計(jì)劃采用“TLP+FPSO”的模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，油田水深330 m，TLP采用傳統(tǒng)形式，主尺度見(jiàn)表1。

表1 TLP的主尺度

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

為得到TLP平臺(tái)完整的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，達(dá)到工程應(yīng)用的目的，實(shí)驗(yàn)結(jié)合南海實(shí)際海況，將實(shí)驗(yàn)工況分為6類，見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)中共選取0°～337.5°間隔22.5°為一個(gè)來(lái)流角度，共24個(gè)，UR= 3～12共10個(gè)折合速度進(jìn)行拖曳實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行系統(tǒng)特性測(cè)試，保證實(shí)驗(yàn)?zāi)M的準(zhǔn)確性。接下來(lái)篩選出相應(yīng)最大的角度進(jìn)行不同折合速度實(shí)驗(yàn)，最終通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到最大的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 固有周期和阻尼

表3是波浪水池實(shí)驗(yàn)與VIM拖曳實(shí)驗(yàn)的固有周期和阻尼系數(shù)對(duì)比表，在波浪水池實(shí)驗(yàn)中包括了tendon和立管模型。從表3中可以看出兩類實(shí)驗(yàn)的結(jié)果非常接近。

表3 拖曳實(shí)驗(yàn)的固有周期和阻尼系數(shù)

(2) 垂直流向最大振幅和標(biāo)稱振幅

圖2為垂直流向渦激運(yùn)動(dòng)幅值隨折合速度的變化曲線，圖3為垂直流向最大幅值隨來(lái)流角度的變化曲線。圖4為垂直流向標(biāo)稱渦激運(yùn)動(dòng)幅值隨折合速度的變化曲線。從圖2～圖4中可以看出，平臺(tái)在UR為6～8時(shí)出現(xiàn)了明顯的鎖定現(xiàn)象，最大的橫向振幅出現(xiàn)在90°方向，達(dá)0.5 D。最大的標(biāo)稱振幅同樣發(fā)生在45°方向，振幅達(dá)0.42 D。

圖2 垂直流向幅值隨UR變化

圖3 最大幅值隨角度變化

圖4 標(biāo)稱幅值隨角度變化

(3) 順流向最大振幅和標(biāo)稱振幅

圖5為順流向渦激運(yùn)動(dòng)幅值隨折合速度的變化曲線，圖6為順流向最大幅值隨來(lái)流角度的變化曲線，圖7為順流向渦激運(yùn)動(dòng)幅值隨折合速度的變化曲線。從圖5中可以看出，流向最大A/D在UR為3.5～6時(shí)線性增加，幅值可達(dá)0.1，之后隨著UR增加幅值保持不變。從圖6、圖7中可以看出，最大的A/D均發(fā)生在90°方向。

圖5 順流向幅值隨UR變化

圖6 最大幅值隨角度變化

圖7 標(biāo)稱幅值隨角度變化

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)張力腿平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的機(jī)理性研究和模型試驗(yàn)得到以下結(jié)論：(1) 對(duì)于圓形立柱，立柱上的附屬構(gòu)件對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有較大影響，渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)并沒(méi)有因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱而出現(xiàn)對(duì)稱性。在進(jìn)行渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究時(shí)，準(zhǔn)確地模擬水面以下的附屬構(gòu)件十分重要。

(2) 在工程項(xiàng)目的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究中，橫蕩居于主導(dǎo)地位，除考慮橫蕩和縱蕩響應(yīng)外，也要關(guān)注艏搖對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)結(jié)果的影響。

(3) 南海五年一遇到十年一遇的表層流速集中在1.7 m/s～2.0 m/s，對(duì)應(yīng)折合速度為6～8，剛好處于該項(xiàng)目TLP的鎖定區(qū)間，可能誘發(fā)較大的橫向運(yùn)動(dòng)，影響張力腿和立管系統(tǒng)的強(qiáng)度和疲勞設(shè)計(jì)。但也應(yīng)注意到，拖曳實(shí)驗(yàn)?zāi)M的理想環(huán)境在實(shí)際海況下不可能出現(xiàn)，實(shí)際的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)還受到波浪的影響。

(4) 由于模型實(shí)驗(yàn)中無(wú)法保證粘性相似，實(shí)驗(yàn)處于亞臨界區(qū)內(nèi)而實(shí)尺度平臺(tái)處于超臨界區(qū)內(nèi)，模型與實(shí)型間漩渦脫落模式的區(qū)別及其對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響需要進(jìn)一步研究。

[1] 楊穎, 楊建民, 楊晨俊. Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵特性研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái), 2008, 23(3): 1-10.

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Study on TLP Vortex Induced Motion at South China Sea

DONG Xiao-man, CAI Yuan-lang, LI Jun-ji, SONG An-ke

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

The tension leg platform(TLP) with its deep draft column piercing into the water, make it more prone to vortex induced motion(VIM), which will affect the tendon and riser design to a great extent. The platform may subject to VIM at certain flow considering current characteristic at South China Sea. In this paper, the vertex induced mechanism, and the substaintial performances are briefly discussed, combined with model test results during front end engineering design (FEED), it is found that when current direction is normal to the pontoon with certain speed, a clearly VIM and lock-in phenomenon appeared. The research work in this paper could be seen as reference significance for other projects.

tension leg platform； vortex induced motion； model test

1001-4500(2016)06-0084-07

2016-05-06

工信部聯(lián)裝[2014]503號(hào)，“500米水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”。

董曉曼(1982-)，女，工程師。

P75

A