楊若辰 楊雅琪 何 旭（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

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淺談海底渦激抑制裝置

楊若辰 楊雅琪 何 旭
（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

摘 要：在海底油氣開(kāi)采及儲(chǔ)運(yùn)方式中，海底管道傳輸因其輸送連續(xù)、效率較高、輸送量大和成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)成為海上油氣傳輸?shù)闹饕绞健：５坠艿捞幵趶?fù)雜的深海環(huán)境中，受到各種安全隱患的困擾，渦激振動(dòng)就是其中最為重要的一種，所以管道渦激振動(dòng)的抑制一直是世界范圍內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。然而，目前的較多研究集中于海洋立管，對(duì)于海底管跨渦激振動(dòng)的研究仍然較少。因此，對(duì)于海底管跨渦激抑制的研究有其深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：海底渦激振動(dòng)；抑制原理；影響因素

1　引言

海底管跨是指?jìng)鬏敼艿酪蛳虏繎铱张c海底表面不接觸而出現(xiàn)的部分。其出現(xiàn)的原因有多種，海流對(duì)于海底泥沙的沖刷及腐蝕作用、海床表面的凹凸不平、管線本身的殘余應(yīng)力或熱變形等。海底管跨的形成與存在在很大程度上影響著傳輸管線的安全性。海底管跨長(zhǎng)期受到波浪海流所引發(fā)的水動(dòng)力作用，會(huì)因振動(dòng)而承受交變載荷作用，特別是海水在海流作用下流經(jīng)管跨時(shí)，常伴隨著周期性的漩渦發(fā)放，引起管跨的周期性振動(dòng)，這種由漩渦發(fā)放激起的管跨的周期性運(yùn)動(dòng)稱為渦激振動(dòng)。渦激振動(dòng)極易對(duì)傳輸管線造成疲勞破壞，從而極大縮短管線的服役壽命。

目前，針對(duì)抑制渦激振動(dòng)問(wèn)題的解決方法，最常見(jiàn)的是采取在外側(cè)安裝渦激抑制裝置的方式。人們根據(jù)擾流方式的不同將其分為三類：（1）表面突起，如螺旋條紋、金屬絲、翼板、柱狀突起和球狀突起等，它們的作用主要是影響邊界層的分離；（2）覆蓋物，如帶孔套管、金屬絲網(wǎng)、軸向桿件和軸向板條等，它們的作用是將來(lái)流擊碎，使其變成很多小渦旋；（3）近尾流穩(wěn)定器，如飄帶、整流罩、分流板、導(dǎo)流葉片、鋸齒狀薄板等，它們的作用是阻止渦激的建立。

2　螺旋列板抑制原理及影響因素

螺旋列板是目前應(yīng)用很廣泛的一種被動(dòng)型渦激抑制裝置，其抑制原理是通過(guò)改變沿管縱向的波流分離角，從而擾亂旋渦的空間關(guān)聯(lián)性，使旋渦分散，因此旋渦的強(qiáng)度被削弱，升力會(huì)降低。影響螺旋列板抑制效率的因素有很多，主要有列板的形狀、包覆比例、海洋生物附著情況、表面粗糙度、干擾效應(yīng)和螺旋列板的曳力性能等。其中螺旋列板的形狀螺旋列板的形狀對(duì)其抑制效率的影響起著決定性的作用。螺旋列板的形狀一般可用螺高（H）、螺距（P）、螺頭數(shù)來(lái)表述。通過(guò)大量關(guān)于螺旋列板形狀對(duì)其抑制效率的研究表明，其螺距及螺頭數(shù)對(duì)抑制效果的影響并不大，然而在列板螺距和螺頭數(shù)相同的情況下，螺高對(duì)抑制效率的影響非常大，隨著螺高的增加，其抑制效率會(huì)明顯增大。螺旋列板具有抑制效率高、穩(wěn)定性好、制作及安裝成本低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。它能夠有效減少約70%～90%的渦激振動(dòng)振幅。但同時(shí)其具有許多缺點(diǎn)，比如管道上生長(zhǎng)的海洋生物會(huì)大大增加管道的粗糙度，這會(huì)大大降低螺旋列板的渦激抑制效率，并且會(huì)加大海流對(duì)管道的拖拽力。

3　控制桿抑制原理及影響因素

控制桿是一種直徑小于主圓柱體的細(xì)圓桿，將它平行放置于主圓柱體附近，從而干擾主圓柱體周圍的流暢結(jié)構(gòu)，使來(lái)流變成許多小漩渦，能夠減小主圓柱體的渦激振動(dòng)和拖曳力。目前研究成果表明，不同雷諾數(shù)下，數(shù)量不同、位置不同的控制桿對(duì)于主圓柱體渦激振動(dòng)的抑制效果不同。以三根控制桿對(duì)于主圓柱體渦激振動(dòng)的影響為例，在兩種來(lái)流方向：β=60°（抑制措施正向）和β=0°（抑制措施反向）；管外水流流速；立管的頂張力共40種參數(shù)上分別分析對(duì)比得出：各向抑制措施對(duì)于主圓柱體的渦激振動(dòng)的抑制效果都較為明顯，均可達(dá)到50%以上，但大部分情況下反向抑制措施的抑制作用要好于正向抑制措施；在外來(lái)流速較高時(shí)控制桿對(duì)于渦激振動(dòng)的抑制效果明顯，外來(lái)流速較低時(shí)抑制效果不明顯；而頂張力對(duì)于抑制效果的影響并不明顯。顯然，控制桿對(duì)于主圓柱體的渦激振動(dòng)有一定抑制作用，能夠改變流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)并使漩渦脫落。三根控制桿相對(duì)于單根控制管來(lái)說(shuō)具有更強(qiáng)的來(lái)流方向適應(yīng)性、設(shè)計(jì)安裝更簡(jiǎn)單、更節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。

4　平行翼板抑制原理及影響因素

另一種較常見(jiàn)的方式是在外部添加平行翼板，與螺旋列板不同，平行翼板沿管道軸線分布沒(méi)有形狀上的彎曲。裝置通過(guò)改善管道附近的水流狀態(tài)，使海流成流線型，從而有效地弱化導(dǎo)致振動(dòng)引發(fā)的旋渦的尺寸，達(dá)到減小立管渦激振動(dòng)的目的，增大管道安全性。以三片翼板為例，其參數(shù)包括翼板夾角θ和翼板高度S，其中θ的值等于水流方向與其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到第一個(gè)翼板對(duì)稱軸的夾角，S等于翼板底部到翼板頂端的垂直距離。我們常以翼板的夾角對(duì)其進(jìn)行命名，常見(jiàn)的有為Δ00型、Δ30型、Δ60型和Δ90型，如圖1所示。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，四種翼板均可在一定程度上減輕渦激振動(dòng)帶來(lái)的影響，在實(shí)際工程的應(yīng)用中，可根據(jù)不同的海底情況安裝不同種類的平行翼板。此外，在翼板高度相同的情況下，間隙比對(duì)渦激抑制效果有很大的影響，四種翼板的受力均隨著間隙比的的減小而減小，也即渦激抑制的效果越好，其中，在翼板高度相同的情況下，Δ60型翼板對(duì)渦激振動(dòng)的抑制效果最好。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)避免管道與海底間隙過(guò)大。在間隙比相同的情況下，翼板高度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致管線阻力系數(shù)的增大，威脅到管線的安全。顯然，平行翼板同樣有抑制效率高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且相比于螺旋列板，平行翼板結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，成本低。

圖1　翼板的夾角

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)于目前幾種常用的海底渦激抑制裝置的基本原理以及影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，希望通過(guò)對(duì)于現(xiàn)有裝置的分析，為我們項(xiàng)目后期的開(kāi)展打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉小華.翼板擾流器的參數(shù)對(duì)海底管線水動(dòng)力特性的影響[J].船海工程，2013，42（03）：169-173.

基金項(xiàng)目：2013年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃國(guó)家級(jí)級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201310425026）。

中圖分類號(hào)：TE951

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A