基于涡激振动的海洋立管疲劳寿命分析

基于涡激振动的海洋立管疲劳寿命分析

海洋立管是海洋与海洋之间的主要联系渠道，是海洋油气资源开发的重要基础设施。立管内部一般有高压的油或气流过,外部承受波浪、海流作用,当波浪、海流流经立管时,在一定的流速下会产生涡旋脱落,使立管发生涡激振动,导致立管疲劳破坏。关于海洋立管涡激振动研究,国外研究成果很多,国内近期也有一些理论研究成果,但实验研究很少见有报道,而国外学者已经做了大量的实验研究工作。Grosenbaugh等人在美国海军大西洋水下试验与评估中心对长悬索立管的动力特性及流引起的涡激振动问题进行了等尺度模型试验;壳牌石油公司对剪切流下海洋立管的涡激振动、绕流装置的有效性、波与涡激振动之间的作用等进行了模型试验;HuseE,KleivenGandNielsen等人对长90m,直径30mm的立管进行了试验,研究剪切流下的涡激振动、振动对轴力的影响及相邻立管间波的干扰等问题。这些研究主要针对深海柔性立管,并且一般不考虑管内流体流动的影响,大量研究表明:当管内介质流经挠曲的管道时,由于管道曲率的变化和管道的横向振动,流体发生加速,这些加速的力会反过来作用在管道上,引起管道的附加振动。海洋立管在涡激振动和管内流体流动的共同作用下可能引起较大幅度的振动,使得应力加大,从而加速管道的疲劳破坏。为了研究实际工程中海洋输流立管的涡激振动,本文在模型试验中考虑了管内流体流动和管外海洋环境荷载的共同作用,运用相似理论,将实际工程中的海洋立管缩放为试验模型,在大型风、浪、流水槽进行涡激振动实验,然后运用Miner理论计算立管的疲劳寿命。1测试1.1风-浪-流联合蚤海洋输流立管的涡激振动模型试验在中国海洋大学物理海洋实验室进行。该试验室为教育部重点实验室,内有大型风-浪-流联合水槽(见图1),可以产生风、浪及流。水槽长65m,宽1.2m,高1.75m,最大风速和流速分别为17m/s,1.4m/s,最大波高为0.4m,其频率在0.125～8Hz。1.2海洋立管涡流的相似准则在试验中,取渤海的海洋情况作为实际海况,实际模型中所取的海流及海洋输流立管参数分别列表于表1和2,其中海流选取了4种情况的流速。海洋立管在海中的长度为21m,由于试验水槽的最大水深为0.8m,而且还要留出0.1m以减少边界层的影响,所以只有0.7m可用,因此在模型试验中几何比尺λL取为30。相似理论有6种相似准则:重力相似、阻力相似、压力相似、表面张力相似、非恒定流相似及弹性力相似,在海洋立管涡激振动试验中,重力起决定性作用,远大于阻力、压力等,所以本试验采用重力相似准则。根据重力相似准则,确定速度比尺及时间比尺λV=λt=λL−−√=5.5λV=λt=λL=5.5。通过相似分析,确定模型试验中立管及管外水流的参数,分别列于表3、4。在实际工程中,输流立管管内流速比较低,一般不超过1.5m/s,通过相似分析,在模型试验中内流流速V取为0.25m/s。1.3水泵加流,立管模型加流通过相似分析,在模型试验中取光滑的有机玻璃管作为立管模型(见图2和3)。有机玻璃管外径10mm,内径6mm,有效长度为1.2m,其中0.7m在水下。通过水泵加流,使管内流体按一定流速流动,用软管连接水泵与立管模型,并用软管将流出的水排入水槽。立管模型上下两端固定在刚架上,可以在顺流向及横向振动。在立管模型的3个位置处布置应变片,记为位置1、位置2和位置3,在每个位置处,粘贴4个应变片,成90(°)布置(见图3)。在X轴上的2个应变片用来测量顺流向应变,Y轴上的2个应变片用来测量横向应变。2变动应变时程曲线将立管模型固定在水槽中,测量其在外流作用下顺流向振动(X-motion)及横向振动(Y-motion)的应变值。由于应变为无量纲量,所以试验中所测得的应变值即为所对应的实际工程中的应变值。图4、5及6分别是试验中立管模型在流速U=0.18m/s,0.31m/s及0.38m/s的振动应变时程曲线。由图可见:立管模型的横向振动比顺流向振动强烈(图4b由于信号较小除外),在图6a中,顺流向振动的应变幅值为15με,而横向振动应变幅值达到160με,比顺流向振动高了1个数量级。分别比较图4、5及6中的a,b,c,可以得出管道位置1及位置3处的振动(包括顺流向振动及横向振动)比位置2处强烈,也就是说管道端点及中点的振动比其他位置处强烈。在图6中,位置1及位置3处的横向振动应变幅值为160με,而位置2处应变幅值仅为70με,远低于位置1及位置3处。比较图4、5及6还可以看出:随着外流流速的增加,立管的振动(包括顺流向振动及横向振动)明显加强。取位置1处的横向振动来进行比较,在流速为0.18m/s时,其应变幅值仅为2με,在流速为0.31m/s时,其应变幅值增加到100με,而当流速达到0.38m/s时,其应变幅值达到160με。3立管振动特性及疲劳寿命在海洋立管的服役期内,必须有足够的安全保障以防止发生疲劳破坏。在服役期间的所有可能导致立管产生疲劳破坏的周期荷载,在疲劳分析中都必须予以考虑。疲劳分析有2种方法:S-N曲线法和裂纹扩展法。一般来说S-N曲线法用来计算疲劳寿命而裂纹扩展法用来计算在制造中或者服役期裂纹的扩展情况。本文的疲劳寿命分析采用DNV规范所推荐的S-N曲线法。基本S-N曲线为:logN=loga-mlogΔσ(1)式中:N为致损疲劳次数;Δσ为应力幅值;m为S-N曲线双对数坐标中斜率;loga为S-N曲线双对数坐标中截距。针对实际工程中立管的管材,根据参考文献,采用双线性S-N曲线:loga1=15.117,m1=4(N≤107circles);loga2=17.146,m2=5(N>107circles)。疲劳寿命可以在S-N曲线分析的基础上运用Miner理论进行分析,Miner理论是1种线性叠加的破坏准则。Dt=∑in(Δσi)N(Δσi)(2)Dt=∑in(Δσi)Ν(Δσi)(2)其中n(Δσi)为应力σi的循环次数。当Dt=1时,结构将发生破坏。从本文第2部分中可以得到,立管顺流向的振动比横向振动大约小1个数量级,所以在本文的疲劳分析中,只考虑横向振动对疲劳寿命的影响。实验表明,横向振动几乎是单一频率的振动,运用Miner理论和S-N曲线法,立管的疲劳寿命可以表示为:Tlife=(loga-mlogΔσ)×T(3)其中T为实际工程中立管横向振动的周期,需要按照相似比λt=5.5将试验中立管振动周期转化为实际工程中的立管振动周期。将实际工程中振动应变幅值及周期代入式(3),便可计算海洋立管模型在不同流速(3或6个月一遇、1a一遇、50a一遇)下的疲劳寿命。表5为实际工程中海洋立管的疲劳寿命。从表5中可以得到以下结论:(1)位置1与位置3的疲劳寿命远比位置2的疲劳寿命短,也就是说立管的中部及两端容易发生疲劳破坏。(2)随着外流流速的增加,立管疲劳寿命减小,如在位置1处,在3～6月一遇海流作用下,其疲劳寿命大约为6.82e11a,在1a一遇海流作用下,其疲劳寿命为18.7a,而在50a一遇海流作用下,其疲劳寿命仅为2.42a。4海洋立管振动的疲劳寿命分析本文考虑管内流体流动和海洋环境荷载的共同作用,在风-浪-流联合水槽中完成了海洋立管的涡激振动模型试验,测得了不同外流流速下立管顺流