海洋立管渦激振動的基本理論、研究方法、影響因素及抑振方式的研究綜述

王春光，鄭潤，李明蕾，何文濤

(1.山東理工大學 建筑工程與空間信息學院 山東 淄博 255049；2.山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100；3.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

自2021年以來,國際原油價格出現大幅上漲[1]。新冠疫情作為籠罩在全球經濟發展上面的烏云開始散去,但經濟復蘇基礎依然薄弱。被稱為“工業血液”的石油是發展工業的重要動力,也是發展經濟的重要資源。目前,陸地上的石油資源短缺的問題日益嚴重,據估算,地球上未被開采的海上石油儲量的90%是在超過1 000 m水深的海底地層下[2],而中國海岸線綿延遼闊,深海面積十分廣闊,海上油氣資源豐富,通過加快海洋油、氣開發,中國必將逐步擺脫油氣資源對外依賴。

中國海洋石油勘探開發從沿海一隅到沿海集群作業,油氣開發作業水深從100 m到如今的超3 000 m,海洋裝備從最初的1艘鉆井船發展到現在的61座鉆井平臺,實現了每年的海上原油產量從95 000 t到48 640 000 t的跨越。特別是十八大以來,深水鉆井平臺“海洋石油982”、海上移動式試采平臺“海洋石油162”(圖1)相繼試驗成功。中國的海洋油氣勘探與開發進入了一個快速發展期,我們也提出了“走向深藍”的戰略口號,促進了海洋資源開發相關領域的研究。

圖1 “海洋石油162”號

無論采用何種海洋資源開采平臺,海洋立管均是不可或缺的結構物,而80%的深水油氣事故與立管的疲勞損傷相關。立管的疲勞損傷主要是由外部環境與立管相互作用而產生的渦激振動所引起[3-4],因此在海洋工程領域,開展了大量的復雜海況下海洋立管渦激振動影響因素及抑振方式的研究。

1 海洋立管渦激振動的基本理論

海洋立管作為海洋油氣開發從海底將油氣輸送到海面平臺的重要通道,是海洋油氣開發的重要組成構件。海洋立管在洋流作用下,在立管兩側尾流區發生交替泄渦,漩渦的生成和泄放相關聯,立管受到橫流向及順流向的脈動水壓力作用后將引發振動。在海流引發交替泄渦導致立管振動的同時,立管振動反過來又會影響海流的尾流結構,進而改變立管上的脈動水壓力分布,這便是海洋立管的渦激振動現象(VIV)。渦激振動將導致立管疲勞破壞,不僅影響工程進展,而且可能產生嚴重的環境災害,因此受到各國學者的廣泛重視。

海洋立管的渦激振動源于Von Kármán發現的渦街效應[5],其受力原理和數值模擬如圖2及圖3所示。

圖2 立管在渦街作用下受力示意圖

圖3 數值模擬卡門渦街[6]

對圓柱體繞流,交替脫落的單個漩渦的脫落頻率f與繞流流體的速度v成正比,與立管直徑d成反比,即得公式(1)[7]：

f=Sr(v/d),

(1)

式中Sr是斯特勞哈爾數。斯特勞哈爾數主要與雷諾數有關。雷諾數的物理意義是慣性力與黏性力的比值。

(2)

通過公式(2)的變形就可以直觀的得出雷諾數Re的物理意義,雷諾數越小液體粘滯力影響大于慣性的影響,雷諾數越大液體慣性影響大于黏滯力的影響。當雷諾數數值達到300～3×105時,斯特勞哈爾數數值近似于常數值(0.21);當雷諾數數值達到3×105～3×106時,有規律的漩渦脫落現象便不再存在;當雷諾數數值大于3×106時,卡門渦街又會出現,這時斯特勞哈爾數約為0.27[8](圖4)。

圖4 不同雷諾數液體繞柱流動狀態

當渦激振動的頻率與物體的固有頻率相接近,就會引起共振,甚至使物體損壞。除了雷諾數會影響渦激振動的出現外,圓柱體的質量比也會影響相同來流下渦激振動的振幅大小[9-10],影響渦激振動對立管損傷的程度。

當來流沖擊立管圓柱體產生渦激振動后,會使立管在順流向和橫流向兩個方向因為受力而產生震動,這兩個方向上的力的大小可利用公式(3)[11]計算：

(3)

式中：Fx、Fy分別為立管受到的阻力和升力,D為圓柱直徑,ρ為流體密度,Cd、Cl分別為阻力系數和升力系數,U為流體速度。

由此可見,相關研究需記錄渦激振動作用下立管順流向、橫流向兩個方向上的相關數據(圖5)。

圖5 雙向受力監測

2 海洋立管渦激振動研究方法的發展

自卡門渦街現象被發現以來,海洋立管的渦激振動研究經歷了從實驗研究、理論模型分析、計算流體力學方法的應用等多個階段。首先Feng通過圓柱體風洞試驗驗證了橫向振動為主要振動的渦激振動的存在,Ferguson等[12]通過使用聲學液位壓力傳感器的原始設計,發現了圓柱體漩渦激發振蕩的表面和尾流現象。自此之后以海洋立管為代表的圓柱體的渦激振動特征研究不斷通過水槽(水池)模型試驗得以完成[5,7]。實驗研究之外,各國學者還提出了經驗模型以求解立管的渦激振動問題。首先,Hartlen等[8]開創性地建立了尾流振子模型的數學表達式;隨后,各國學者通過數十年的努力和研究對尾流振子模型不斷地進行改進和發展。Skop等[11,13]對此尾流振子模型進行擴展,將其應用到柔性細長柱體的渦激振動研究中。Kim等[14]以及Facchinetti等[15]則對此進行了進一步的修正和改進。而郭海燕等[16]則考慮了立管內流對立管渦激振動的影響。近年來,隨著計算和存儲技術的發展,越來越多的人開始轉向利用計算流體動力學(CFD)技術解決VIV問題。通常CFD模型可以分為四類：離散渦方法(DVM),雷諾平均N-S方程(RANS)方法,大渦模擬(LES)方法以及 N-S方程直接模擬(DNS)方法。

3 影響渦激振動的相關因素

在海洋油氣開發過程中,海洋立管從海底輸送到海面的混合體成分包括油、氣、水以及沙石等等,是復雜的混合物,在超長立管管道內輸送由于內外流耦合作用下造成明顯的周期性和壓力波動特性的不穩定現象,以至于引起立管的振動[17-18]。為研究立管渦激振動的影響,考慮多因素影響的預測模型[3]以及考慮海洋環境參數的渦激振動特征研究[19]是必不可少的。圖6展示了海洋立管配置情況,由此可見,海洋立管系統復雜多變,需考慮的設計參數及環境因素多樣。

圖6 水下海洋立管配置[20]

現在關于海洋立管的渦激振動研究正從之前的單因素研究發展到現如今的多因素研究。使海洋立管產生渦激振動的主要原因包括立管本身的材料特性、洋流流速、頂部張力、邊界條件以及波浪等。葛士權等[21]通過利用ANSYS軟件進行了多因素影響下的海洋立管渦激振動的三維計算流體動力學模擬(圖7)。

大長細比是實際工程中很明顯的一個特點,Wang等[22]針對大長細比立管模型在洋流作用下的渦激振動響應進行了實驗研究。關于頂張力對立管在渦激振動中頻率的影響方面,Yang[23]通過實驗得出預張力的增加,組合激勵下的頂部張緊提升管(TTR)的不穩定性會被抑制,但抑制效果的提升與預張力增加不成比例。李文華等[24]將立管簡化為典型的 Euler-Bernoulli 彈性梁模型,根據傳遞矩陣理論得出表觀重力和立管內外側壓力差引起的海洋立管軸向拉力的變化可影響立管本身固有頻率的結論。張永波等[25]研究了頂張力對立管渦激振動的影響。柳軍等[26]通過實驗得出結論,在均勻流速條件下,立管的振動頻率在順流向條件下是橫流向條件下的兩倍,因此兩個方向的影響相差不大,應該同時考慮兩個方向的影響。殷布澤等[27]通過總結過往的海洋立管渦激振動實驗提出要更加注重波浪對于海洋立管渦激振動的影響。李瑩等[28]針對邊界條件進行研究,對立桿端部應用鉸接固接兩種邊界支座進行研究,發現其他參數相同時,兩端鉸接時立管的震動幅度大于立管兩端固接時的震動幅度,Gao等[29]通過數值分析的方式研究得出在一定范圍內立管長細比(L/D)越小,不同邊界條件下的VIV位移差異越大。巫志文等[30]的研究中考慮建立隨機波浪和渦流激勵聯合作用下海洋立管動力響應的數學分析模型,通過此模型進行隨機波浪對立管渦激振動的影響進行研究。Wang等[31]進行了多因素實驗,研究了立管材料、流速、頂張力和邊界條件幾個因素綜合對立桿渦激振動的影響,但是并沒有結合波浪的影響(表1)。

圖7 數值模擬海洋立管變形情況[21]

表1 Wang 等進行多因素實驗的工況[31]

通過結合新的實驗方法[32],崔陽陽等[33]進行了多參數耦合作用下的海洋立管渦激振動實驗,并基于灰色理論[34]實現了影響因素重要性排序,但該實驗并沒有考慮周期性波浪對于海洋立管渦激振動的影響。

4 渦激振動的監測和抑制方法

為抑制海洋立管由渦激振動引起的疲勞損傷,學者們在渦激振動抑制方面展開了廣泛的研究。Rodriguez[35]通過改變物體形狀和尾翼形狀設計進行實驗,探究形狀對渦激振動的影響,但此實驗的實驗對象與環境模擬與海洋立管相差很大(圖8)。

圖8 Rodriguez實驗試件與實驗效果[35]

Owen等[36]進行了圓形柱體在不同雷諾數范圍的渦激振動實驗,并發現施加質量塊后渦激振動可減少47%。婁敏等[37]通過實驗發現在鎖振狀態下,通過敲擊立管打破流體與結構之間的耦合關系可以達到抑制渦激振動的效果。王海青等[38]提出了在立管外部構造三種不同形狀來達到抑制渦激振動的效果并進行了實驗。Gao等[29]分析模擬得出對于具有小長徑比的圓柱體,不同邊界條件下的VIV位移存在明顯差異。吳仕鵬等[39]通過在立管外添加螺旋板來研究其對于渦激振動的抑制效果,結果表明在高雷諾數來流情況下該裝置能大幅降低立管疲勞風險。婁敏等[40]采用仙人掌形狀截面的立管,通過數值分析得出在約化速度4～8范圍能降低橫順兩方向的振動幅值。李子豐等[41]采用羽翼狀外包進行實驗研究,發現加裝該結構能有效減少圓柱后渦旋的產生。翟云賀等[42]提出一種雙組雙螺旋的裝置,實驗表明在當來流為對稱流時,雙組雙螺旋裝置能有效抑制渦激振動。沙勇等[43]通過實驗對螺旋列板的幾何參數對于渦激振動影響進行研究,為以后的相關研究提供了寶貴數據(圖9)。齊娟娟等[44]提出了一種口型截面的三螺頭螺旋導板,并進行了風洞試驗,實驗得出該裝置對于大質量阻尼比圓柱有較好的抑制渦激振動的效果(圖10)。睢娟等[45]利用外包毛絨進行風洞試驗,得出絨毛長度增加,抑制效果越好的結論。王偉等[46]提出一種安裝旋翼的方案,通過數值模擬得出隨著旋翼旋轉速度增加立管振幅減小。周陽等[47]利用帶螺旋側板的立管模型進行試驗,結果表明該裝置能夠擾亂尾流渦旋,抑制渦激振動。

圖9 含有保溫層的立管螺旋列板的橫截面[43]

圖10 試驗模型安裝及螺旋導板模型結構示意圖[44]

除了通過改變立管外包形狀進行被動抑制,近些年也有學者提出通過主動對立管施加作用來進行主動抑制。Yang等[23]通過實驗得出通過增加頂張力可以對渦激振動進行抑制,但抑制效果與力的增加成非線性關系。Wang等[48]利用雷諾數為100的合成射流進行渦激振動的抑制。Chen等[49]提出利用吸流法進行渦激振動的抑制。趙瑞等[50]提出通過施加端部激勵來進行渦激振動的抑制,實驗結果表明,頻率比較小時,軸向力激勵能降低渦激振動位移。Zhang等[51]針對具有頂部張力的柔性船舶立管系統控制立管振動進行研究,實驗表明在適當的參數選擇下系統具有良好性能。隨著信息技術的發展,將計算機信息技術與實際工程結合成為近年學者們研究的方向, Wong等[52]提出可以利用神經網絡結合使用Matlab中的LHS技術預測TTR短期渦激振動疲勞損傷的簡化方法。高喜峰等[53]提出要利用BP神經網絡預報柔性立管渦激振動橫流向及順流向位移和頻率響應,隨后Yu等[54]以及Yan等[55]利用了基于自適應神經網絡的邊界控制方法,以預測振動風險,從而及時采取對應抑振措施(圖11)。

圖11 BP神經網絡結構

5 結束語

開發海洋油氣資源已經成為中國緩解油氣對外依賴的重要途徑,而海洋立管作為海洋資源開發平臺中不可或缺的重要組成部分,其渦激振動導致的疲勞破壞是重點研究和關注的領域。本文從海洋立管渦激振動的基本理論、海洋立管渦激振動研究方法的發展、影響渦激振動的相關因素、渦激振動的監測和抑制方法四個方面對海洋立管渦激振動的相關研究進行綜述,由綜述可知：

1)海洋立管的渦激振動研究方法經歷了試驗現象研究到理論與經驗公式創建再到借助高性能計算機的計算流體力學研究的發展;同時,可以發現影響海洋立管渦激振動特征的因素包括頂部張力、海洋洋流(流速、流向等)、波浪特征(波高、周期等)、支承條件、立管長細比、立管材料以及內流的影響等。

2)對于海洋立管渦激振動特征的研究正由單因素研究向多因素耦合研究發展,但目前多因素耦合作用下的相關研究仍顯不足。為了更加貼合實際工程,實現更安全、更高效的海洋油氣的開發,多因素耦合作用下的海洋立管渦激振動研究將是未來研究的重要方向之一。

3)在海洋立管渦激振動抑制方法的研究中,研究者們發現改變立管質量、破除耦合關系、改變立管及其附加物形狀、引入主動抑振手段等均可有效改善立管的渦激振動現象,其抑振研究經歷由被動抑振到主動抑振再到利用先進監測及預測手段采取特定抑振方式及時介入的發展。

4)隨著信息技術的發展,海洋立管監測控制系統將發展為利用信息采集及處理平臺,結合主動控制技術實現其工作狀態監測、故障發現以及主動控制的集中化、智能化系統。